第五講：軟件無線電調(diào)制解調(diào)技術(shù)-20130328-范玉衡

第五講：數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)主講人：李玉柏ybli@1第一節(jié)：軟件無線電中數(shù)字調(diào)制

通用算法在當(dāng)代通信中，通信信號(hào)的種類繁多，如果按照常規(guī)的方法，產(chǎn)生一種信號(hào)就要一種硬件電路，那么，要使一個(gè)通信機(jī)產(chǎn)生多種信號(hào)，其電路就會(huì)極其復(fù)雜，體積、重量都會(huì)很大。軟件無線電中，各種調(diào)制信號(hào)是以一個(gè)通用的數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)為支撐，利用各種軟件來產(chǎn)生的。這就是正交調(diào)制算法2信源I多相濾波相乘信源Q多相濾波相乘相加正交調(diào)制的實(shí)現(xiàn)框圖1）數(shù)字調(diào)制通用算法——正交調(diào)制3從理論上來說，各種信號(hào)都可以用正交調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)，其表達(dá)式：

調(diào)制信號(hào)的信息都應(yīng)該包括在I(t)和Q(t)內(nèi)。另外，由于各種調(diào)制信號(hào)都在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，因此，在數(shù)字域上實(shí)現(xiàn)時(shí)要對(duì)上式進(jìn)行數(shù)字化。軟件無線電中的調(diào)制通用算法42）典型數(shù)字信號(hào)的調(diào)制算法振幅鍵控信號(hào)（2ASK）：一個(gè)二進(jìn)制的振幅鍵控信號(hào)可以表示為一個(gè)單極性脈沖和一個(gè)正弦信號(hào)相乘。2FSK是符號(hào)0對(duì)應(yīng)載波頻率為ω1，符號(hào)1對(duì)應(yīng)載波頻率為ω2的以調(diào)波形。52FSK的IQ正交調(diào)制表達(dá)式二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)（2FSK）的表達(dá)式：

請(qǐng)給出該調(diào)制的正交分量、的表達(dá)式;6典型數(shù)字信號(hào)的調(diào)制算法二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)（2PSK）：2PSK方式是鍵控的載波相位按基帶脈沖序列的規(guī)律而改變的數(shù)字調(diào)制方式。

(βn取值為±1；αn發(fā)0時(shí)取1，發(fā)1時(shí)取-1）四進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制（QPSK）是受信息控制的相位參數(shù)，它有四種可能的取值。對(duì)QPSK而言：7最小頻移鍵控（MSK）：就是調(diào)制指數(shù)最小（h=0.5）的連續(xù)相位的FSK。

式中T為碼元寬度，an為±1，是第n個(gè)碼元的起始相位：

只要把數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木幋a，同樣可以用調(diào)頻的方法實(shí)現(xiàn)MSK信號(hào)的調(diào)制。典型數(shù)字信號(hào)的調(diào)制算法8GMSK調(diào)制信號(hào)

GMSK調(diào)制就是把輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過高斯低通濾波器進(jìn)行預(yù)調(diào)制濾波后，再進(jìn)行MSK調(diào)制信號(hào)的數(shù)字調(diào)制方式。

這種信號(hào)具有恒復(fù)包絡(luò)，功率譜集中，頻譜較窄等特點(diǎn)。（前面已述）典型數(shù)字信號(hào)的調(diào)制算法9第二節(jié)、軟件無線電數(shù)字通用解調(diào)算法1）信號(hào)解調(diào)通用模型從理論上說，正交解調(diào)法可以對(duì)所有的樣式進(jìn)行解調(diào)。在軟件無線電中選取數(shù)字正交解調(diào)法。LPFLPFNCO解調(diào)算法解調(diào)輸出數(shù)字正交解調(diào)的通用模型10盡管調(diào)制的樣式多種多樣，但實(shí)質(zhì)上不外乎用調(diào)制信號(hào)去控制載波的某一個(gè)或者幾個(gè)參數(shù)。因此，一般的已調(diào)信號(hào)都可以表示成：的形式。通過對(duì)上式的分解，我們可以得到：

令：信號(hào)解調(diào)通用模型11則s(n)可以表示成：

顯然，XI(n)為同相分量，XQ(n)為正交分量。

因此，解調(diào)的關(guān)鍵是求出XI(n)與XQ(n)，因?yàn)樾盘?hào)信息都包含在里面了。

載頻同步載波相位同步碼流頻率同步

I/Q提取機(jī)帶信號(hào)信號(hào)解調(diào)通用模型12知道了XI(n)與XQ(n)，我們可以對(duì)各式各樣的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)?？偟恼f來，信號(hào)的調(diào)制方式包含在一下三大類中：信號(hào)解調(diào)通用模型1）AM類2）PM類3）FM類13在調(diào)相類與調(diào)頻類的解調(diào)中，對(duì)的計(jì)算時(shí)要進(jìn)行除法與反正切運(yùn)算，這對(duì)非專用的數(shù)字處理器來說是比較復(fù)雜的。因此，我們不得不尋求其他的簡(jiǎn)便方法來解決這個(gè)問題。信號(hào)解調(diào)通用模型14通用正交解調(diào)算法是建立在相關(guān)接收的基礎(chǔ)上。接收機(jī)本地產(chǎn)生同頻同相的本振信號(hào)：2）解調(diào)算法的載頻失配問題如果本地產(chǎn)生的本振信號(hào)存在頻率和相位偏差，稱為失配，將影響接收性能。對(duì)于調(diào)幅信號(hào)具有抗失配能力15對(duì)于調(diào)頻信號(hào)，正交解調(diào)得到：可見當(dāng)載波失配和差相是常量時(shí)，解調(diào)輸出只不過增加了一個(gè)直流分量，減去該分量，就可以得到解調(diào)信號(hào)。有一定的抗失配能力！但性能下降！解調(diào)算法的載頻失配問題16對(duì)于調(diào)相信號(hào)，如BPSK/QPSK/MSK等，正交解調(diào)要得到相位：解調(diào)算法的載頻失配問題顯然調(diào)相信號(hào)沒有抗失配能力，因此本地信號(hào)必須實(shí)現(xiàn)同頻同相：工程上采用載波同步技術(shù)來實(shí)現(xiàn)?。?7第三節(jié)：軟件無線電中的同步技術(shù)在相干解調(diào)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)與接收信號(hào)中的調(diào)制載波同頻同相的相干載波。這個(gè)載波的獲取稱為載波提取或載波同步。在數(shù)字通信中，還需要知道碼元的起始時(shí)刻以及幀的開始與結(jié)束，故還需要幀同步與位同步。181）載波同步載波同步的方法可以分為兩類：插入導(dǎo)頻法：發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)；直接法：從收到的信號(hào)中提取。

1）平方變換法

2）同相正交鎖相環(huán)法

3）DSP通過軟件實(shí)現(xiàn)19正交鎖相環(huán)法（科斯塔斯鎖相環(huán)）LPFLPFVCO環(huán)路濾波信號(hào)輸入I支路Q支路科斯塔斯環(huán)原理框圖V1V2V3V5V4V6Vd輸出信號(hào)20設(shè)輸入的抑制載波雙邊帶信號(hào)為：并假定環(huán)路鎖定，且不考慮噪聲的影響，則

VCO輸出的兩路互為正交的本地載波分別為

式中，θ

為VCO輸出信號(hào)與輸入已調(diào)信號(hào)載波之間的相位誤差。正交鎖相環(huán)法（科斯塔斯鎖相環(huán)）21信號(hào)分別與v1、v2相乘后得：

經(jīng)低通濾波后分別為正交鎖相環(huán)法（科斯塔斯鎖相環(huán)）22式中的可能是直流1，或者可以分解為直流和交流分量。由于鎖相環(huán)作為載波提取環(huán)時(shí)，其環(huán)路濾波器的帶寬設(shè)計(jì)的很窄，只有中的直流分量可以通過，因此vd可寫成：正交鎖相環(huán)法（科斯塔斯鎖相環(huán)）低通濾波器應(yīng)該允許m(t)通過。V5、V6相乘產(chǎn)生誤差信號(hào)。23如果我們把圖中除環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）以外的部分看成一個(gè)等效鑒相器（PD），其輸出vd正是我們所需要的誤差電壓。通過環(huán)路濾波器濾波后去控制VCO的相位和頻率，最終使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數(shù)值，而Vd沒有剩余頻差（即頻率與ωc同頻）。此時(shí)VCO的輸出V1=cos(ωct+θ)就是所需的同步載波，而

V5=1/2m(t)cosθ≈1/2m(t)

就是解調(diào)輸出。正交鎖相環(huán)法（科斯塔斯鎖相環(huán)）242）位同步位同步是指在接收端的基帶信號(hào)中提取碼元定時(shí)的過程。它與載波同步存在異同。載波同步是相干解調(diào)的基礎(chǔ)，而位同步是定時(shí)的基礎(chǔ)。位同步是正確取樣判決的基礎(chǔ)，所提取的位同步信息是頻率等于碼速率的定時(shí)脈沖，相位則根據(jù)判決時(shí)信號(hào)波形決定，可能在碼元中間，也可能在碼元終止時(shí)刻或其他時(shí)刻。實(shí)現(xiàn)方法有延遲相關(guān)法、包絡(luò)檢波法和波形變換法等。25將接收信號(hào)與一定的延遲信號(hào)相乘，得到位時(shí)鐘的幾波信號(hào)分量，來提取位同步信號(hào)。該方法與相干解調(diào)類似，不過其遲延時(shí)間要小于接收碼長(zhǎng)T。接收信號(hào)與延遲信號(hào)相乘后，就可以得到一組脈沖寬度為的歸零碼，這樣就可以得到位同步信號(hào)的頻率分量。移相遲延提純脈沖形成遲延相干法原理框圖BPSK的延遲相干法26這是一種從頻帶受限的中頻PSK信號(hào)中提取位同步信息的方法，其波形圖如下圖所示。當(dāng)接收端帶通濾波器的帶寬小于