跳頻通信系統培訓_PPT_ 調制

1、 跳頻通信系統中的調制技術 跳頻通信系統中的關鍵技術 西安電子科技大學西安電子科技大學 綜合業(yè)務網理論及關鍵技術國家重點實驗室綜合業(yè)務網理論及關鍵技術國家重點實驗室孫錦華孫錦華調制的概念調制是通信原理中一個十分重要的概念，是一種信號處理技術。無論在模擬通信、數字通信還是數據通信中都扮演著重要角色。 信信源源電電信信號號調調制制接接收收機機解解調調發(fā)發(fā)射射機機電電信信號號信信宿宿無線信道噪聲和干擾消息模擬或數字信號調制的概念 比如，我們要把一件貨物運到幾千千米外的地方，我們必須使用運載工具，或汽車、或火車、或飛機。在這里，貨物相當于調制信號，運載工具相當于載波；把貨物裝到運載工具上相當于調制，從

2、運載工具上卸下貨物就是解調。這個例子雖然不十分貼切，但基本上類似于調制原理。為什么需要調制n頻率變換 在無線通信中，需要傳送的由語言、音樂轉換來的屬于低頻的電信號，其頻率范圍從幾十赫到數千赫，不能直接從天線輻射出去；必須借助于高頻振蕩，由它將低頻信號“攜帶”到空間去，這就是所謂的“調制”方式。 電磁波的頻率越高，向外輻射能量的本領就越大當天線尺寸與信號波長相比擬時，天線輻射效率最高 為什么需要調制頻率分配 為了使各個無線電臺發(fā)出的信號互不干擾，給每個電臺都分配了不同的頻率。利用調制技術把各種話音、音樂、圖像等基帶信號調制到不同的載頻上，可以使接收者選擇所需的電臺信號。為什么需要調制多路復用每一

3、種物理信道的頻率特性一般都遠大于所傳的基帶信號帶寬直接傳輸多路話音信號又會造成相互干擾，致使接收端無法分清各路信號 必須用調制技術使得多路信號在同一個信道中同時傳輸必須用調制技術使得多路信號在同一個信道中同時傳輸 為什么需要調制改善系統性能 FM（調頻）抗干擾能力優(yōu)于AM（調幅） 擴展頻譜調制2log1SCBN調制的概念調制調制：把要傳輸的信號變換成適合信道傳輸的信號的過程。（按調制信號的變換規(guī)律去改變載波的某些參數）解調解調：在接收端通過解調器把帶通信號還原成基帶信號的過程。調制信號調制信號/基帶信號基帶信號：調制器的輸入信號（調制前）已調信號已調信號：調制器的輸出信號（調制后）載波載波:

4、正弦信號、脈沖串或一組數字信號調制的分類按調制信號的種類分為 模擬調制模擬調制調制信號為模擬信號，比如正弦型信號。 數字調制數字調制調制信號為數字信號，比如二進制序列。按調制參數的種類分為 幅度調制幅度調制載波的幅值隨調制信號的變化而變化。 頻率調制頻率調制載波的頻率隨調制信號的變化而變化。 相位調制相位調制載波的相位隨調制信號的變化而變化。對調制的要求移動通信信道的基本特征移動通信信道的基本特征帶寬有限-提高頻譜利用率。 頻譜利用率頻譜利用率：單位頻帶內所能傳輸的比特率（b/s/Hz） 干擾和噪聲影響大-提高抗干擾能力存在多徑衰落-提高抗衰落能力對調制的要求：對調制的要求：已調信號所占的帶寬

5、要窄：頻譜主瓣窄已調信號頻譜副瓣的幅度要低，輻射到相鄰頻道的功率就小。經調制解調后的輸出信噪比(S/N)較大或誤碼率較低。信號抗干擾、抗衰落能力強。調制方式研究的主要內容n調制的原理和已調信號的產生方法。n已調信號的頻譜特性。n解調的原理和實現方法。n解調后的信噪比或誤碼率性能。模擬調制幅度調制最常用和最重要的模擬調制方式是用正弦波作為載波的幅度調制和角度調制。 幅度調制幅度調制：調幅(AM)、雙邊帶(DSB)、單邊帶(SSB)和殘留邊帶(VSB)調制載波振幅隨調制信號變化調幅波的調制過程模擬調制角度調制角度調制是使正弦載波信號的角度隨著基帶調制信號的幅度變化而改變；角度變化的多少/快慢：調相

6、/調頻；載波的幅度保持不變（恒包絡）。調頻調頻(FM)：載波頻率調相(PM)：載波相位隨調制信號變化的調制方式像被壓縮得不像被壓縮得不均勻的彈簧均勻的彈簧模擬調制角度調制在模擬蜂窩移動通信中，調頻是更為普遍應用的角度調制，這是因為FM不管信號的幅度如何，抗干擾能力都很強;調頻也有自己的缺點（調頻波比調幅波頻帶寬，頻帶利用率低，門限效應），所以在現在的移動通信技術中，我們更多地采用了數字調制方式來改善信號的傳播。傳統的短波、超短波模擬跳頻電臺中也廣泛采用了AM、FM、SSB等模擬調制方式。數字調制現代移動通信系統都使用數字調制技術；數字調制就是用數字信號調制載波的不同參量(模擬調制就是用模擬信號

7、調制載波)。數字信號的優(yōu)點： 處理速度的提高（適合機器處理）； 靈活性高，能適應各種業(yè)務要求； 抗干擾性能得到加強，無噪聲積累； 容易加密，保密性強； 設備便于集成化、微型化影響選擇數字調制方式的因素影響選擇數字調制方式的因素功率效率高帶寬效率高抗多徑和衰落能力強容易實現、價格低廉調制方案性能的衡量調制方案性能的衡量 功率效率（功率效率（Power efficiency） 在保證一定錯誤概率的前提下接收端所要求的在保證一定錯誤概率的前提下接收端所要求的每比特信號能量每比特信號能量E Eb b與噪聲功率譜密度與噪聲功率譜密度N N0 0的比值。的比值。 0/PbEN調制方式Pe=10-5時所需信

8、噪比2ASK15.6dB2PSK9.6dB2FSK12.6dB調制方案性能的衡量調制方案性能的衡量帶寬效率（帶寬效率（Bandwidth efficiency） 描述了調制方式在一有限帶寬內提供數據傳輸的能力。 一般，數據速率，占用帶寬/(/ /)BR Bbit s Hzmax2/log (1)BSC BN帶寬效率的理論上限帶寬效率的理論上限在一個任意小的錯誤概率下，最大的帶寬效率受限于信在一個任意小的錯誤概率下，最大的帶寬效率受限于信道內的噪聲道內的噪聲調制方案性能的衡量調制方案性能的衡量在數字系統設計中，需要在功率效率功率效率和帶寬效率帶寬效率之間進行折衷折衷 加差錯控制編碼，（B ），B

9、， P 多進制調制，（ R ），B ， P 調制方案性能的衡量調制方案性能的衡量帶寬為200KHz，SNR分別為10dB、30dB的信道的理論最大數據速率為多少？ 解：SNR=10dB10 B200KHz CBlog2(1+S/N)=200000log2(1+10)=691.886kbps GSM系統數據速率270.833kbps，是10dB條件下理論 值的40。 SNR=30dB1000 CBlog2(1+S/N)=200000log2(1+1000)=1.99Mbps 三種常用的數字調制技術模擬調制：對載波信號的參量進行連續(xù)調制數字調制：用載波信號的某些離散狀態(tài)來表征所傳送的信息數字調制載

10、波數字調制載波 S(t) = A cos ( t+ ) S(t)的參量包括的參量包括： 幅度幅度A、頻率頻率 、相位相位 數字調制就是數字調制就是要使這三個參量隨要使這三個參量隨數字數字基帶信號的變化而變化基帶信號的變化而變化三種常用的數字調制技術n幅移鍵控ASK(Amplitude Shift Keying)n頻移鍵控FSK(Frequency Shift Keying)n相移鍵控PSK(Phase Shift Keying) 2ASK二進制幅移鍵控是指高頻載波的幅度受調制信號的控制，而頻率和相位保持不變。用二進制數字信號“1”和“0”控制載波的通和斷，所以又稱通斷鍵控OOK（OnOff K

11、eying）。 這里，Ts為調制信號間隔，g(t)為單極性矩形脈沖信號的時間波形， an為二進制數字信息( )()nsns ta g tnT1,0,na出現概率為P 出現概率為1-P 2ASK由2ASK的定義可以得到其時域表達式 可見，2ASK信號可以表示成一個單極性矩形脈沖序列與一個正弦形載波相乘。2( )( )cos() cosASKcnscnsts tw ta g tnTw t2ASK信號的功率譜0fPB( f )0 fcfcfc fsfc fsfc fsfc fsfPASK( f )(a)(b) fsfs 2ASK信號的功率譜包含連續(xù)譜和離散譜，其中連續(xù)譜是數字基帶信號s(t)經過線性

12、調制后的雙邊帶譜，而離散譜為載波分量，出現在fc。 2ASK的頻帶寬度是基帶信號寬度的兩倍（譜零點帶寬譜零點帶寬）。功率譜密度的第功率譜密度的第一對過零點之間一對過零點之間集中了信號的主集中了信號的主要功率要功率1/ssfT2ASK信號的產生2ASK信號的產生方法有兩種（a）模擬調制法 （b）鍵控法2ASK信號的解調（1）2ASK信號的解調可以采用非相干解調（包絡檢波）和相干解調（同步檢波）兩種方式來實現。非相干解調非相干解調2ASK信號的解調（2）相干解調相干解調2ASK信號的性能二進制幅移鍵控是數字調制中出現最早的，也是最簡單的。這種方法最初用于電報系統，但由于它在抗噪聲的能力上較差，故在

13、數字通信系統中用的不多。但常作為研究其它數字調制方式的基礎。,202beASKEPQN相干檢測相干檢測024681012141610-610-510-410-310-210-1100Eb/N0(dB)BER2ASK coherent detection2PSK和2DPSK 相移鍵控是利用載波相位的變化來傳遞數字信息，通?？梢苑譃椋?二進制絕對相移鍵控（2PSK、BPSK） 二進制相對相移鍵控（2DPSK） 類似地， M進制絕對相移鍵控（ MPSK ） M進制相對相移鍵控（ MDPSK ）differential2PSK一般的如果二進制數字信號“1”和“0”，分別用載波的相位和0這兩個離散值來表

14、示，而其幅度和頻率不變，這種調制方式稱為二相絕對相移鍵控。 思考：上式與2ASK有何區(qū)別？2( )() cosPSKnscnsta g tnTw t1,P11Pna概率，概率 2PSK2PSK（BPSK）調制）調制 設輸入比特流為設輸入比特流為an，則，則調制器輸出為：調制器輸出為： Acos2fct ，an=0 ； s(t)= -Acos2fct ，an=1 。 2PSK的波形2PSK信號的典型時間波形如圖所示，圖中所有數字信號“1”碼對應載波信號的0相位，而“0”碼對應載波信號的 相位（也可以反之）。11000tAATs2PSK信號的頻譜2PSK信號可以看成特殊的2ASK信號。2PSK信號

15、的功率譜與2ASK信號功率譜中的連續(xù)部分的形狀相同。因此這兩種信號的帶寬相同。2PSK的頻帶寬度是基帶信號寬度的兩倍。當雙極性基帶信號以相等的概率出現時，BPSK信號的功率譜中無離散譜分量，而此離散譜分量就是2ASK信號的載波分量。所以BPSK可以看成抑制載波的雙邊帶幅移鍵控信號。2BPSKBBR2PSK信號的實現方法模擬調制法模擬調制法：二進制數字序列經碼型變換，由單極性碼形成幅度為 的雙極性不歸零碼，與載波相乘而產生2PSK信號。鍵控法鍵控法：相位選擇器。12PSK信號的相干解調BPSK信號的相干解調（2）要求提供與發(fā)端同頻同相的相干載波 發(fā)送端同時傳輸一低電平的載波導頻信號 無載波導頻信

16、號，使用Costas環(huán)或平方環(huán)恢復載波 由于分頻起點的不確定性，存在0、相位模糊，引起解調后數字“1”、“0”倒置，應用受限。表 2PSK信號的調制和解調過程 注：碼元相位表示碼元所對應的碼元相位表示碼元所對應的PSK信號的相位，信號的相位，1和和2表示相位為表示相位為的的PSK信號分別與相位信號分別與相位為為1和和2的本地載波相乘的本地載波相乘本地載波相位的不確定性造成了解調后的數字信號可能極性完全相反，形成1和0的倒置，引起信息接收錯誤。絕對調相和相對調相BPSK：絕對調相，利用載波相位的絕對數值來傳送數字信息。DPSK：差分相移鍵控，利用前后碼元載波相位的相對變化來傳送數字信息。絕對調相

17、會出現“倒現象”或“反向工作現象”2DPSK調制調制相對相移鍵控是利用前后碼元載波相位的相對變化來表示數字信號。相位相對變化是指本碼元的初相與前一碼元的初相之差。0,0k數字信息，數字信息11kkk2DPSK波形輸入二進制信息先進行差分編碼，由絕對碼變成相對碼，然后調相。使用相對碼使用相對碼跳跳變表示變表示絕對碼絕對碼“1”，相對碼，相對碼不變表示絕對碼不變表示絕對碼“0”。根據初始狀態(tài)是高電根據初始狀態(tài)是高電平或低電平，相對碼平或低電平，相對碼有兩種波形。有兩種波形。1001011011100100絕對碼相對碼載波2DPSK信號DPSK調制器調制器 無論發(fā)射信號是無論發(fā)射信號是2DPSK還是

18、還是2PSK信號，單從接收端信號，單從接收端看是區(qū)分不開的。因此，看是區(qū)分不開的。因此，2DPSK信號的功率譜密度和信號的功率譜密度和2PSK信號的功率譜密度是完全一樣的。信號的功率譜密度是完全一樣的。（a）模擬調制法 （b）相移鍵控法2DPSK的解調的解調2DPSK信號可以采用相干解調法(極性比較法)和差分相干解調法(相位比較法)。相干解調法：先對2DPSK信號進行相干解調，恢復出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復出發(fā)送的二進制數字信息。在解調過程中，若相干載波產生180相位模糊，解調出的相對碼將產生倒置現象，但是經過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會發(fā)生任何倒置現象，從而解決了載波

19、相位模糊的問題。 2DPSK相干解調器及各點波形 abcdef1000110抽樣判決器帶通相乘器低通碼(反)變換器2DPSK信號acdef二進制信息位定時本地載波b2DPSK相干解調1001011011100100絕 對 碼相 對 碼載 波2DPSK信 號表 2DPSK信號的調制和解調過程 2DPSK相干解調2DPSK差分相干解調器及各點波形 abcd二進制信息e1000110抽樣判決器帶通相乘器低通2DPSK信號acde二進制信息b延遲Ts位定時2DPSK信號2DPSK的差分相干解調器要求信號的要求信號的載波頻率足載波頻率足夠穩(wěn)定，若夠穩(wěn)定，若載頻變化載頻變化w，則延時電路則延時電路引起額外

20、的引起額外的相位偏移相位偏移wTs，會影，會影響抗噪聲性響抗噪聲性能。能。表 2DPSK信號的調制和延遲解調過程 2DPSK的差分相干解調器DPSK的性能DPSK相干解調DPSK差分相干解調BPSK相干解調,022be DPSKEpQN,201exp2beDPSKEpN,02be BPSKEPQN,2e BPSKe DPSKeDPSKppp02468101210-1010-810-610-410-2100Eb/N0(dB)BERBPSK coherent detectionDPSK coherent detectionDPSK diff coherent detectionDPSK的性能采用差

21、分相干解調的DPSK的抗白噪聲性能不如相干解調的絕對調相，但在抗頻漂、抗多徑效應及相位抖動等方面較優(yōu)，解調電路簡單，應用很廣。2FSK調制二元數字基帶序列控制載波頻率的變化，而幅度和相位保持不變。 這里， 和 分別表示第 個信號碼元的初始相位， 是 的反碼 212()cos()()cos()nFSKnsnsnnnSta g tnTta g tnTtnnnanna2FSK調制原理設則，2FSK信號可以表示為： 12nsnnsns ta g tnTsta g tnT 21122( )cos()( )cos()FSKnnSts tts tt2FSK調制原理2FSK信號的功率譜及帶寬一個2FSK信號可

22、看作兩個不同頻率2ASK信號的合成。根據2ASK信號功率譜密度的表達式，可以得到2FSK信號功率譜密度的表達式為 上式中， 和 分別是基帶信號 和 的功率譜。 2111122221( )()()()()4FSKssssPfPffPffPffPff1( )sPf2( )sPf1( )s t2( )s t2FSK信號的功率譜及帶寬2FSK信號的功率譜如圖所示。圖中012/2fff1ssfT2FSK信號的功率譜與信號的功率譜與2ASK信號的功率譜相似，同樣包含連續(xù)譜和離散信號的功率譜相似，同樣包含連續(xù)譜和離散譜。其中，連續(xù)譜由兩個雙邊譜疊加而成，而離散譜出現在兩個載頻位置譜。其中，連續(xù)譜由兩個雙邊譜疊加而成，而離散譜出現在兩個載頻位置 f1和和 f2上。連續(xù)譜的形狀隨著上。連續(xù)譜的形狀隨著| f1- f2 |的大小而異。的大小而異。BFSK信號的功率譜及帶寬（2） 若以二進制移頻鍵控信號功率譜第一個零點之間的若以二進制移頻鍵控信號功率譜第一個零點之間的頻率間隔計算其信號帶寬，我們可以定義頻率間隔計算其信號帶寬，我們可以定義2FSK的頻的頻譜寬度為譜寬度為2122FSKsBffffc fsfcfc f