微波與衛(wèi)星通信（第二版）微波與衛(wèi)星通信的通信體制

微波與衛(wèi)星通信的通信體制3.1信號(hào)傳輸方式與復(fù)用方式3.2調(diào)制方式3.3

編碼技術(shù)3.4信號(hào)處理技術(shù)本章小結(jié)

3.1信號(hào)傳輸方式與復(fù)用方式

3.1.1信號(hào)傳輸方式信號(hào)傳輸方式一般分為基帶傳輸和頻帶傳輸兩種?；鶐鬏斒侵笩o需進(jìn)行基帶頻譜搬移就能以基帶信號(hào)形式傳輸?shù)姆绞?即按數(shù)據(jù)波的原樣,不包含任何調(diào)制,在數(shù)字通信的信道上直接傳送數(shù)據(jù)?；鶐鬏敳贿m于傳輸語音、圖像等信息。若將基帶信號(hào)的頻譜搬移到某個(gè)載波頻帶內(nèi)進(jìn)行傳輸,此方式就是頻帶傳輸,所傳輸?shù)男盘?hào)稱為頻帶信號(hào)。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)有單路制和群路制兩種方式。所謂單路制,就是一個(gè)用戶的一路信號(hào)去調(diào)制一個(gè)載波,即單路單載波(SCPC)方式;所謂群路制,就是多個(gè)要傳輸?shù)男盘?hào)按照某種多路復(fù)用方式組合在一起,構(gòu)成基帶信號(hào),再去調(diào)制載波(即MCPC方式)。

3.1.2多路復(fù)用方式

把在同一信道中能夠同時(shí)傳輸多路信息且互不干擾的方式稱為多路復(fù)用。目前,廣泛采用的多路復(fù)用方式有兩種,一是頻分多路復(fù)用(FDM),二是時(shí)分多路復(fù)用(TDM)。FDM是從頻域的角度進(jìn)行分析的,使各路信號(hào)在頻率上彼此分開,而在時(shí)域上彼此混疊在一起;TDM是從時(shí)域的角度進(jìn)行分析的,使各路信號(hào)在時(shí)間上彼此分開,而在頻域上彼此混疊在一起。

1)頻分多路復(fù)用(FDM)方式

模擬信號(hào)一般采用頻分多路復(fù)用(FDM)方式,復(fù)用路數(shù)的多少主要取決于允許帶寬和費(fèi)用。它將各路用戶信號(hào)采用單邊帶(SSB)調(diào)制,將其頻譜分別搬移到互不重疊的頻率上,形成多路復(fù)用信號(hào),然后在一個(gè)信道中同時(shí)傳輸。接收端用濾波器將各路信號(hào)分離。由于是用頻率區(qū)分的,故稱頻分多路復(fù)用。

頻分復(fù)用系統(tǒng)中主要問題在于各路信號(hào)之間存在相互干擾。這是由于系統(tǒng)非線性器件的影響使各路信號(hào)之間產(chǎn)生組合波,當(dāng)其落入本波道通帶之內(nèi)時(shí),就構(gòu)成干擾。

2)時(shí)分多路復(fù)用(TDM)方式

對(duì)數(shù)字信號(hào)而言,通常采用時(shí)分多路復(fù)用方式。它將一條通信線路的工作時(shí)間周期性地分割成若干個(gè)互不重疊的時(shí)隙,分配給若干個(gè)用戶,每個(gè)用戶分別使用指定的時(shí)隙,這樣,就可以將多路信號(hào)在時(shí)間軸上互不重疊地穿插排列,在同一條公共信道上進(jìn)行傳輸。因此在接收端可以利用適當(dāng)?shù)倪x通門電路在各時(shí)隙中選出各路用戶的信號(hào),然后再恢復(fù)成原來的信號(hào)。對(duì)于時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)來說,全網(wǎng)的時(shí)間同步很重要,否則就不能精準(zhǔn)地傳遞信息。

3.2調(diào)制方式

3.2.1微波與衛(wèi)星通信中的調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制中仍然采用正弦波作為載波信號(hào)。由于正弦信號(hào)有幅度、相位和頻率三種基本參量,因此可以構(gòu)成幅度鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK)三種基本調(diào)制方式,如圖3-1所示。圖3-1二進(jìn)制基帶信號(hào)的調(diào)制波形

三種調(diào)制方式所對(duì)應(yīng)的功率譜如圖3-2所示。圖3-2三種調(diào)制方式所對(duì)應(yīng)的功率譜

數(shù)字衛(wèi)星通信中選擇調(diào)制方式,應(yīng)綜合考慮多方面的因素。

(1)由于通信衛(wèi)星位于外層空間,因此衛(wèi)星信道的自由空間部分無起伏衰落現(xiàn)象,只引入白高斯噪聲,可視為恒參信道,因此,可以考慮采用最佳的調(diào)制和檢測(cè)方式,如PSK方式。

(2)在發(fā)射設(shè)備中采用了高頻功率放大器(HPA),而轉(zhuǎn)發(fā)器中使用了行波管放大器(TWTA)時(shí),它們的輸入、輸出特性均為非線性特性,而且具有幅相轉(zhuǎn)換(AM/PM)效應(yīng)。即當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí),其輸出信號(hào)的相位也隨之發(fā)生變化。

(3)應(yīng)充分考慮衛(wèi)星頻帶和功率的有效利用,帶限與延遲失真、鄰近信道干擾和同信道干擾等的影響,衛(wèi)星工作點(diǎn)的選擇,同步電路設(shè)計(jì),調(diào)制解調(diào)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的難易程度等等。

概括起來可以把數(shù)字衛(wèi)星通信的調(diào)制方式分成兩大類:

一是充分利用功率的調(diào)制方式,

二是充分利用(射頻)帶寬的調(diào)制方式。

3.2.2模擬調(diào)制———寬帶FM

調(diào)制是指用基帶信號(hào)對(duì)載波波形的某些參數(shù)(如幅度、相位和頻率)進(jìn)行控制,使這些參數(shù)隨基帶信號(hào)的變化而變化。所調(diào)制的基帶信號(hào)為模擬信號(hào)時(shí)的調(diào)制就是模擬信號(hào)調(diào)制。模擬信號(hào)調(diào)制又有幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。這里主要介紹FDM/FM系統(tǒng)中寬帶調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)原理。

1.調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生

產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)的方法有兩種,一種是直接法,另一種是倍頻法。

用倍頻法產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)時(shí),首先是利用窄帶調(diào)頻器來產(chǎn)生窄帶調(diào)頻信號(hào),然后再用倍頻的方法將其變換成寬帶信號(hào),如圖3-3所示。圖3-3-倍頻法實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)頻

由調(diào)頻的概念可以得出已調(diào)頻信號(hào)x(t)與調(diào)制信號(hào)S(t)之間的關(guān)系,即

式中A為調(diào)頻信號(hào)的載波振幅;ω0為調(diào)頻信號(hào)載波的角頻率;Kf(是一個(gè)常數(shù))為調(diào)制靈敏度;S(t)為調(diào)制信號(hào);?0為t=0時(shí)的載波相位,為了便于分析,經(jīng)常假設(shè)?0=0。

通常將由調(diào)頻引起的最大瞬時(shí)相位偏移遠(yuǎn)小于30°的情況稱為窄帶調(diào)頻,此時(shí)近似有下列關(guān)系成立

因此式(3-1)可改寫為(設(shè)?0=0)

倍頻器的輸入、輸出端之間的關(guān)系為

其中α為常數(shù)?？梢钥闯?載頻和相位均增加了一倍。

讓倍頻器的輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器時(shí),就可以將其中的直流成分濾除,獲得一個(gè)新的調(diào)頻信號(hào),即

2.調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)

調(diào)制過程是一個(gè)頻譜搬移的過程,它是將低頻信號(hào)的頻譜搬移到載頻位置。而解調(diào)是將位于載頻的信號(hào)頻譜再搬回來,并且不失真地恢復(fù)出原始基帶信號(hào)。

調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過程如圖3-4所示。圖3-4FM信號(hào)的解調(diào)過程

由于FDM信號(hào)的波形與熱噪聲的波形很相似,而其峰值頻率又與信號(hào)的峰值電壓相對(duì)應(yīng)。為此,定義一個(gè)新的物理量——峰值因數(shù)Fp,它是峰值電壓與有效電壓的比值?？梢?信號(hào)的峰值電壓與所選取的峰值因數(shù)Fp有關(guān),其關(guān)系可用下式表示

式中,Δfr為測(cè)試音的有效頻偏,它代表在多路信號(hào)的相對(duì)電平為0dB處傳輸1mW測(cè)試信號(hào)時(shí),頻率調(diào)制器輸出端所產(chǎn)生的有效值;l稱為負(fù)載因數(shù)。在衛(wèi)星通信中,Fp的取值范圍為3.16~4.45,l一般取2.82,Δfr取577kHz。

2)調(diào)頻解調(diào)器輸出信噪比

信噪比是衡量系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一種重要參數(shù),其數(shù)值等于輸出信號(hào)功率與噪聲功率之比,常常用分貝數(shù)表示。一般來說,信噪比越大,說明混在信號(hào)里的噪聲越少。由圖3-4可知,輸入信噪比低通濾波器輸出端的信噪比為

由此可得解調(diào)信噪比增益為

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中常取mf=5,此時(shí)解調(diào)信噪比增益可達(dá)450。

3.2.3-數(shù)字調(diào)制

當(dāng)調(diào)制信號(hào)是數(shù)字信號(hào)時(shí),稱這種調(diào)制為數(shù)字調(diào)制,此時(shí)載波參量隨基帶數(shù)字信號(hào)的變化而變化,調(diào)制后的已調(diào)信號(hào)便可以由發(fā)信機(jī)經(jīng)無線信道進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,收端經(jīng)收信機(jī)和解調(diào)器再還原成基帶信號(hào)。

由于要使已調(diào)信號(hào)具有等包絡(luò)、帶寬窄、頻帶利用率高和抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn),因此,在微波與衛(wèi)星通信系統(tǒng)中所使用的調(diào)制方式是PSK、FSK和以此為基礎(chǔ)的其他調(diào)制方式。

1.PSK方式

1)二進(jìn)制絕對(duì)調(diào)相(2PSK)和相對(duì)調(diào)相(2DPSK)方式絕對(duì)調(diào)相是利用載波信號(hào)的不同相位去傳輸數(shù)字信號(hào)的“1”和“0”碼的,二進(jìn)制絕對(duì)調(diào)相的變換規(guī)則是:數(shù)據(jù)“1”對(duì)應(yīng)于已調(diào)信號(hào)的0°相位,數(shù)據(jù)“0”對(duì)應(yīng)于已調(diào)信號(hào)的180°相

位,如圖3-5(b)所示;或反之。

相對(duì)調(diào)相是利用載波信號(hào)相位的相對(duì)關(guān)系表示數(shù)字信號(hào)的“1”和“0”碼的,其變換規(guī)則是:數(shù)據(jù)“1”使已調(diào)信號(hào)的相位變化180°相位,數(shù)據(jù)“0”使已調(diào)信號(hào)的相位變化0°相位,如圖3-5(c)所示;或反之。圖3-52PSK與2DPSK的調(diào)相波形

2)2PSK信號(hào)、2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)

2PSK信號(hào)的產(chǎn)生方法有直接調(diào)相法和相位選擇法兩種,如圖3-6所示。圖3-6二進(jìn)制絕對(duì)調(diào)相信號(hào)的產(chǎn)生電路

2PSK信號(hào)的解調(diào)用相干檢測(cè)法,又稱為極性比較法,其電路原理方框圖如圖3-7(a)所示。

先將調(diào)相信號(hào)S(t)經(jīng)全波整流后,通過窄帶濾波器(中心頻率為2fc)將整流后得到的二次諧波成分(2fc)濾出。然后對(duì)2fc信號(hào)限幅、二分頻,二分頻器輸出的就是提取出來的相干載波,其形狀為方波,此為載波提取過程。2PSK已調(diào)波S(t)與相干載波通過相乘器進(jìn)行極性比較(即解調(diào)),解調(diào)獲得輸出信號(hào),如圖3-7(b)所示。極性相同,輸出為正;極性相反,輸出為負(fù),如圖中①、⑤和⑥的波形。乘法器輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波和判決后,即可得到基帶信號(hào),如圖中⑦的波形。圖3-7二進(jìn)制絕對(duì)調(diào)相信號(hào)的解調(diào)

2DPSK信號(hào)與2PSK信號(hào)之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。只要將輸入的基帶數(shù)據(jù)序列變換成相對(duì)序列,即差分碼序列,然后用相對(duì)序列去進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相,便可得到2DPSK信號(hào),如圖3-8(a)所示。圖3-82DPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)

3)多相調(diào)制

上面討論的二進(jìn)制調(diào)相是用載波的兩種相位(0,π)去傳輸二進(jìn)制的數(shù)字信息“1”、“0”,如圖3-9(a)所示。在現(xiàn)代數(shù)字微波和衛(wèi)星通信中,為了提高信息傳輸速率,往往利用載波的一種相位去攜帶一組二進(jìn)制信息碼,如圖3-9(b)、(c)所示。圖3-9多相調(diào)制的相位矢量圖

四相調(diào)相已調(diào)波在兩種調(diào)相系統(tǒng)中的矢量圖,分別如圖3-10的(a)、(b)所示。圖3-10(c)、(d)所示的是兩種調(diào)相系統(tǒng)已調(diào)波起始調(diào)相角對(duì)應(yīng)的相位起始點(diǎn)位置的示意圖。從圖3-10(a)、(b)所示可以看出,相鄰已調(diào)波矢量對(duì)應(yīng)的雙比特碼之間,只有一位不同。雙比特碼的這種排列關(guān)系叫循環(huán)碼(也叫格雷碼)。在多相調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí),這種碼型有利于減少相鄰相位誤判而造成的誤碼,可提高數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸?shù)目煽啃?。圖3-10種調(diào)相系統(tǒng)的相位矢量圖和起始相角

四相調(diào)制也有絕對(duì)調(diào)相和相對(duì)調(diào)相兩種方式,分別記作4PSK和4DPSK。絕對(duì)調(diào)相的載波起始相位與雙比特碼之間有一種固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但相對(duì)調(diào)相的載波起始相位與雙比特碼之間就沒有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,它是以前一時(shí)刻雙比特碼對(duì)應(yīng)的相對(duì)調(diào)相的載波相位為參考而確定的,其關(guān)系式為

其中,φk為本時(shí)刻相對(duì)調(diào)相已調(diào)波起始相位;φk-1為前一時(shí)刻相對(duì)調(diào)相已調(diào)波起始相位;Δφk為本時(shí)刻相對(duì)前一時(shí)刻已調(diào)波的相位變化量。

四相調(diào)制產(chǎn)生QPSK信號(hào)的電路很多,常見的有正交調(diào)制法和相位選擇法。其中正交調(diào)制法使用得最為普遍,圖3-11(a)所示的就是用這種方法產(chǎn)生4PSK信號(hào)的原理圖。用

兩位二進(jìn)制信息碼(AB)的組合來產(chǎn)生4PSK信號(hào),一個(gè)4PSK信號(hào)可以看作兩種正交的2PSK信號(hào)的合成,可用串/并變換電路將輸入的二進(jìn)制序列依次分為兩個(gè)并行的序列。

QPSK信號(hào)可用兩路相干解調(diào)器分別進(jìn)行解調(diào),因此圖3-11(b)中,上、下兩個(gè)支路分別是2PSK信號(hào)解調(diào)器,它們分別用來檢測(cè)雙比特碼元中的A和B碼元,然后通過并/串變換電路還原為串行數(shù)據(jù)信息。圖3-11QPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)原理圖

AB二碼元的組合有00、01、11和10四種。序列由00到01,然后到11,再到10,最后回到00,其相位路徑是沿正方形邊界變化。兩個(gè)碼同時(shí)改變時(shí),相位路徑將沿對(duì)角線變化,即過原點(diǎn),如圖3-12所示。圖3-12QPSK信號(hào)的相位路徑圖

四相相對(duì)調(diào)相可采用類似二相調(diào)相系統(tǒng)碼變換的方法。在圖3-11(a)給出的4PSK信號(hào)產(chǎn)生的原理圖的串/并變換之前加入一個(gè)碼變換器,即把輸入數(shù)據(jù)序列變換為差分碼序列,就為4DPSK信號(hào)產(chǎn)生的原理圖。也可采用正交調(diào)制法產(chǎn)生相對(duì)調(diào)相信號(hào),方框圖如圖3-13所示,這是一個(gè)π/4調(diào)相系統(tǒng)。圖3-13-四相相對(duì)調(diào)相電路方框圖(π/4系統(tǒng))

差分相干解調(diào)是以相鄰前一碼元的載波相位作為參考相位的,故解調(diào)時(shí)可直接比較前后碼元載波的相位,從而直接得到相位差攜帶的數(shù)據(jù)信息。在圖3-14中給出了DQPSK差分相干解調(diào)器的框圖。圖3-14π/4-DQPSK的中頻差分相干解調(diào)器框圖

從QPSK的相位路徑圖中可以看出,當(dāng)兩位碼同時(shí)變化時(shí),QPSK信號(hào)的相位矢量必將經(jīng)過原點(diǎn)。這意味著QPSK信號(hào)經(jīng)過濾波器后,其包絡(luò)將在相位矢量過原點(diǎn)時(shí)為0,如

圖3-15所示,可見此時(shí)包絡(luò)起伏性最大。圖3-15QPSK經(jīng)過帶通濾波器前后的波形

由于在QPSK調(diào)制中只是當(dāng)A和B路的符號(hào)同時(shí)發(fā)生變化時(shí),相位路徑才會(huì)通過原點(diǎn),因此,如果人為地讓A與B支路間存在一定的時(shí)延,那么將使兩個(gè)支路的跳變時(shí)刻彼此錯(cuò)開,從而避免相位路徑過原點(diǎn)的現(xiàn)象,也就徹底地消除了濾波后信號(hào)包絡(luò)過零點(diǎn)的情況。此時(shí),OQPSK的相位矢量變化將如圖3-16所示。圖3-16OQPSK信號(hào)的相位路徑圖

圖3-17中給出了OQPSK信號(hào)產(chǎn)生與解調(diào)的原理示意圖。圖3-17OQPSK信號(hào)產(chǎn)生與解調(diào)的方框圖

2.QAM方式

QAM是正交幅度調(diào)制的英文縮寫,又稱正交雙邊帶調(diào)制。它是將兩路獨(dú)立的基帶波形分別對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制,所得到的兩路已調(diào)信號(hào)再進(jìn)行矢量相加,這個(gè)過程就是正交幅度調(diào)制。這是一種既調(diào)幅又調(diào)相的調(diào)制方式,它廣泛地應(yīng)用于微波通信中。

1)2ASK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)

振幅鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息,而其頻率和初始相位保持不變。圖3-18所示的是2ASK調(diào)制系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖。圖3-182ASK調(diào)制系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖

調(diào)制器就是一個(gè)乘法器,因此已調(diào)信號(hào)可寫為

2ASK信號(hào)的波形和功率譜見圖3-1(a)和圖3-2(a)中。

2)QAM信號(hào)

由調(diào)相原理可知,增加載波調(diào)相的相位數(shù),可以提高信息傳輸速率,即增加信道的傳輸容量。單純靠增加相數(shù),會(huì)使設(shè)備復(fù)雜化,同時(shí)誤碼率也隨之增加,于是提出了具有較好性能的正交調(diào)幅方式。

QAM是用兩路獨(dú)立的基帶信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波雙邊帶調(diào)幅,利用這種已調(diào)信號(hào)的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性,實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。

多進(jìn)制調(diào)相方法的已調(diào)波其包絡(luò)是等幅(恒定)的,因此限制了兩個(gè)正交通道上的電平組合,已調(diào)波矢量的端點(diǎn)都被限制在一個(gè)圓上。QAM調(diào)制方法與其不同,它的已調(diào)波可由每個(gè)正交通道上的調(diào)幅信號(hào)任意組合,其已調(diào)波的矢量端點(diǎn),就不被限制。故QAM調(diào)制是既調(diào)幅又調(diào)相的一種方式,如圖3-19左圖所示。圖3-1916PSK和16QAM方式的星座圖

圖3-20給出了16QAM正交調(diào)制法的調(diào)制解調(diào)原理圖。圖3-2016QAM正交調(diào)制法的調(diào)制解調(diào)原理圖圖3-2016QAM正交調(diào)制法的調(diào)制解調(diào)原理圖

為了進(jìn)一步說明正交調(diào)幅信號(hào)的特點(diǎn),還可以從已調(diào)信號(hào)的相位矢量表示方法來討論,并用4QAM正交調(diào)幅信號(hào)的產(chǎn)生電路加以說明,如圖3-21所示。圖3-214QAM信號(hào)的產(chǎn)生電路、相位矢量及星座表示

如果只畫出矢量端點(diǎn),則如圖3-21(b)所示,稱為QAM的星座表示。星座圖上有四個(gè)星點(diǎn),則稱為4QAM。

16QAM星座圖如圖3-22所示。采用二路四電平碼送到A、B的調(diào)制器,那么正交調(diào)幅的每個(gè)支路上均有四個(gè)電平,每路在星座上有4個(gè)點(diǎn),于是4×4=16,組成16個(gè)點(diǎn)的星座圖。同理,將二路八電平碼分別送到A、B調(diào)制器,可得64點(diǎn)星座圖,稱為64QAM。更進(jìn)一步還有256QAM等。圖3-2216QAM星座圖

3.MSK、GMSK方式

MSK是FSK的一種特例。FSK稱為數(shù)字調(diào)頻,它是指載波頻率隨基帶數(shù)據(jù)信號(hào)而變化的一種調(diào)制方式,又稱移頻鍵控。MSK稱為最小移頻鍵控,它是一種恒定包絡(luò)的調(diào)制方

式,而且其頻帶利用率低于QPSK,它的功率效率與QPSK相同,但其抗非線性的性能要優(yōu)于QPSK,甚至優(yōu)于π/4-QPSK。

1)2FSK方式

2FSK是二進(jìn)制的移頻鍵控,用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)來控制載波頻率,當(dāng)傳送“1”碼時(shí)輸出頻率f1,當(dāng)傳送“0”碼時(shí)輸出頻率f0。

2)最小移頻鍵控———MSK

在實(shí)際應(yīng)用中,有時(shí)要求發(fā)送信號(hào)具有包絡(luò)恒定、高頻分量較小的特點(diǎn)。PSK、QAM等調(diào)制方式具有相位突變的特點(diǎn),因而影響已調(diào)信號(hào)高頻分量的衰減。最小移頻鍵控(MSK)是2FSK的一種改進(jìn)型,是一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控,又稱快速移頻鍵控FFSK?！翱焖佟敝傅氖沁@種調(diào)制方式對(duì)于給定的頻帶,它能比2PSK傳輸更高速的數(shù)據(jù);而

“最小”指的是這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)(h=0.5)獲得正交的調(diào)制信號(hào)。

MSK信號(hào)可寫成

MSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)框圖如圖3-23所示。圖3-23-MSK信號(hào)產(chǎn)生與解調(diào)框圖

MSK方式的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn):

(1)能以最小的調(diào)制指數(shù)(h=0.5)獲得正交信號(hào),且保持兩個(gè)頻率正交。

(2)能使相差半個(gè)周期的正弦波產(chǎn)生最大的相位差。MSK信號(hào)所選擇的兩個(gè)信號(hào)頻率f1和f0在一個(gè)碼元期間的相位積累嚴(yán)格地相差180°,即f1

和f0

信號(hào)的波形在一個(gè)碼元期間恰好差半個(gè)周期。

(3)已調(diào)信號(hào)的相位路徑是連續(xù)的,在所獲得的相應(yīng)MSK信號(hào)中不存在相位突變的現(xiàn)象。

(4)MSK信號(hào)在第k碼元的相位不僅與當(dāng)前碼元ak有關(guān),而且與前面的碼元ak-1及其相位有關(guān)。具體關(guān)系可用下式表示:

3)GMSK方式

GMSK是由MSK演變而來的一種簡(jiǎn)單的二進(jìn)制調(diào)制方法,其基本思想是,在GSMK中將調(diào)制的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾(通過預(yù)調(diào)濾波器),再對(duì)經(jīng)過預(yù)調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行MSK調(diào)制,使MSK頻譜上的旁瓣功率進(jìn)一步下降。

GMSK是在MSK調(diào)制器之前加一個(gè)高斯低通濾波器,如圖3-24所示。這個(gè)濾波器是用來抑制旁瓣輸出的,因此要求該濾波器具有下列特性:

(1)帶寬窄,可抑制高頻分量,具有陡峭的截止特性;

(2)過沖脈沖響應(yīng)較低,可以避免出現(xiàn)過大的瞬時(shí)頻偏;

(3)保持濾波器輸出脈沖的面積不變,即保證調(diào)制指數(shù)h=0.5。圖3-24GMSK調(diào)制原理

GMSK的性能與高斯濾波器(也是低通濾波器)的特性緊密相關(guān)。圖3-25示出了GMSK信號(hào)的功率譜密度。圖3-25GMSK信號(hào)的功率譜密度

4.性能指標(biāo)

1)數(shù)字調(diào)制信號(hào)所占帶寬

不同的調(diào)制方式,其調(diào)制解調(diào)原理不同,因而所獲得的已調(diào)信號(hào)所占的帶寬也不同。

由上面的分析可以得出這樣的結(jié)論,QAM、QPSK/DQPSK和OQPSK信號(hào)譜寬(帶寬)相同,并且是BPSK/DBPAK的一半,而MSK信號(hào)譜寬介于QPSK和BPSK之間。當(dāng)在MSK調(diào)制器前加一個(gè)高斯濾波器時(shí),就可獲得相位特性更為平滑的GMSK信號(hào)。理想情況下,GMSK信號(hào)的譜寬應(yīng)與MSK信號(hào)相同。但由前面的分析可知,實(shí)際的信號(hào)帶寬與所使用的濾波器帶寬有關(guān)。

【例3-1】已知一個(gè)正交調(diào)幅系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制,帶寬為3600Hz,滾降系數(shù)α=0.5。試求出每路所采用的電平數(shù)、調(diào)制速率(符號(hào)速率)、總比特率和頻帶利用率。

3)誤碼性能分析

在數(shù)字系統(tǒng)中用誤碼率來衡量系統(tǒng)的性能。

Eb為單位比特的平均信號(hào)能量,n0為噪聲的單邊功率譜密度。各種調(diào)制方式的誤碼率可分析如下:

(1)當(dāng)Eb/n0一定時(shí),M愈大,系統(tǒng)的誤碼率也愈大。

(2)差分?jǐn)?shù)字調(diào)相方式的誤碼性能要優(yōu)于一般的PSK方式的誤碼性能。

(3)高斯濾波器對(duì)高頻分量的抑制作用愈強(qiáng),則可獲得更為平滑的相位路徑曲線,但給系統(tǒng)引入的碼間干擾也愈大,對(duì)系統(tǒng)的誤碼性能的影響愈大。

5.載波同步技術(shù)

接收端進(jìn)行相干解調(diào)時(shí)需要產(chǎn)生一個(gè)相干載波,與接收信號(hào)相乘進(jìn)行解調(diào)。這就要求接收端相干載波與發(fā)送端載波要同頻率同相。要獲得與發(fā)送載波的頻率和相位相同的信息,需要進(jìn)行載波提取和形成。

接收端獲取相干載波的方法主要有兩類:

一是直接提取法;

二是利用插入導(dǎo)頻提取相干載波。

圖3-26所示為用平方處理法提取載波的原理。圖3-26用平方處理法提取載波

3.3編碼技術(shù)

3.1.1信源編碼技術(shù)信源編碼是指首先將話音、圖像等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào),然后再根據(jù)傳輸信息的性質(zhì),采用適當(dāng)?shù)木幋a方法。數(shù)字微波通信系統(tǒng)采用的最基本的語音編碼方式為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖編碼調(diào)制(PCM)方式,即以奈奎斯特抽樣定理為基準(zhǔn),將頻帶寬度為300~3400Hz的語音信號(hào)變換成為64kb/s的數(shù)字信號(hào)。

波形編碼是直接將時(shí)域信號(hào)變成為數(shù)字代碼,力圖使重建語音波形保持原語音信號(hào)的波形形狀的一種編碼方式。波形編碼的基本原理是在時(shí)間軸上對(duì)模擬語音按一定的速率抽

樣,然后將幅度樣本分層量化,并用代碼表示。

參數(shù)編碼是以發(fā)音機(jī)制模型作為基礎(chǔ),直接提取語音信號(hào)的一些特征參量,并對(duì)其編碼。其基本原理是根據(jù)語音產(chǎn)生的條件,建立語音信號(hào)產(chǎn)生的模型,然后提取語音信息中

的主要參量,經(jīng)編碼發(fā)送到接收端。接收端經(jīng)解碼恢復(fù)成與發(fā)端相應(yīng)的參量,再根據(jù)語音產(chǎn)生的物理模型合成輸出相應(yīng)語音,即采取的是語音分析與合成的方法。其特點(diǎn)是可以大

大壓縮數(shù)碼率,因而獲得了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然其語音質(zhì)量與波形編碼相比要差一點(diǎn)。

表3-1給出了一些微波與衛(wèi)星系統(tǒng)中所采用的語音編碼方法的情況。

3.1.2信道編碼技術(shù)

1.信道編碼的基本理論

信道編碼是指在數(shù)據(jù)發(fā)送之前,在信息碼之外附加一定比特?cái)?shù)的監(jiān)督碼元,使監(jiān)督碼元與信息碼元構(gòu)成某種特定的關(guān)系,接收端根據(jù)這種特定的關(guān)系來進(jìn)行檢驗(yàn)。

差錯(cuò)控制是指當(dāng)信道差錯(cuò)率達(dá)到一定程度時(shí),必須采取的用以減少差錯(cuò)的措施。

通常差錯(cuò)控制方式又可分為三大類:前向糾錯(cuò)(FEC)、檢錯(cuò)重發(fā)(自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā),ARQ)以及使用FEC和ARQ技術(shù)的混合糾錯(cuò)方式。

1)前向糾錯(cuò)方式

前向糾錯(cuò)又稱為自動(dòng)糾錯(cuò)(FEC),它是指檢測(cè)端檢測(cè)到所接收的信息出現(xiàn)誤碼的情況下,可按一定的算法,自動(dòng)確定發(fā)生誤碼的位置,并自動(dòng)予以糾正。其特點(diǎn)是單向傳輸、實(shí)時(shí)性好,但譯碼設(shè)備較復(fù)雜,且糾錯(cuò)能力越強(qiáng),編譯碼設(shè)備就越復(fù)雜。

2)檢錯(cuò)重發(fā)方式

檢錯(cuò)重發(fā)也稱為自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)(ARQ),它是指在接收端檢測(cè)到接收信息出現(xiàn)差錯(cuò)之后,通過反饋信道要求發(fā)送端重發(fā)原信息,直到接收端得到正確信息為止,從而達(dá)到糾錯(cuò)的目的。其特點(diǎn)是需要反饋信道、譯碼設(shè)備簡(jiǎn)單,對(duì)突發(fā)錯(cuò)誤和信道干擾較嚴(yán)重時(shí)有效,但實(shí)時(shí)性差,主要在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信中得到應(yīng)用。檢錯(cuò)重發(fā)系統(tǒng)根據(jù)工作方式又可分為三種,即停發(fā)等候重發(fā)系統(tǒng)、返回重發(fā)系統(tǒng)和選擇重發(fā)系統(tǒng)。

3)混合糾錯(cuò)方式

混合糾錯(cuò)方式記作HEC,是FEC和ARQ方式的結(jié)合。在此種方式中,當(dāng)接收端檢測(cè)到所接收的信息存在差錯(cuò)時(shí),只對(duì)其中少量的錯(cuò)誤自動(dòng)進(jìn)行糾正,而超過糾正能力的差錯(cuò)仍通過反向信道發(fā)回信息,要求重發(fā)此分組。這種方式具有自動(dòng)糾錯(cuò)和檢錯(cuò)重發(fā)的優(yōu)點(diǎn),可達(dá)到較低的誤碼率,因此,近年來得到廣泛應(yīng)用,但需雙向信道和較復(fù)雜的譯碼設(shè)備及控制系統(tǒng)。

編碼的糾錯(cuò)和檢錯(cuò)能力由漢明距離(碼的最小距離d0)決定,通常存在下列幾種情況。

(1)若要求檢測(cè)e個(gè)錯(cuò)碼,則dmin應(yīng)滿足:dmin≥e+1。

(2)若要求能夠糾正t個(gè)錯(cuò)碼,則dmin應(yīng)滿足:dmin≥2t+1。

(3)若要求能夠糾正t個(gè)錯(cuò)碼,同時(shí)檢測(cè)e個(gè)錯(cuò)碼,則dmin應(yīng)滿足:dmin≥e+t+1。

2.分組編碼與交織技術(shù)

1)線性分組碼

線性碼是按照一組線性方程構(gòu)成的,分組碼是將每k個(gè)信息碼元分為一組,然后按一定的規(guī)律產(chǎn)生r個(gè)監(jiān)督碼元,那么分組碼的長度n=k+r,通常用符號(hào)(n,k)表示。線性分組碼是指信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系可以用一組線性方程來表示的分組碼,即在(n,k)分組碼中,每一個(gè)監(jiān)督碼元都是將碼組中某些信息碼元按模2和而得到的,線性分組碼是一類重要的糾錯(cuò)碼,應(yīng)用很廣。

顯然,這3個(gè)方程是線性無關(guān)的。經(jīng)計(jì)算可得(7,4)碼的16種許用碼字,如表3-2所示。

2)交織技術(shù)

線性分組碼主要是用于糾正隨機(jī)錯(cuò)誤的,但實(shí)際通信中常常會(huì)遇到突發(fā)性干擾,會(huì)出現(xiàn)成串或成片的多個(gè)錯(cuò)誤,然而,信道編碼僅能檢測(cè)和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長的差錯(cuò)串,這時(shí)就需要一種具有糾正突發(fā)性錯(cuò)誤的糾錯(cuò)技術(shù),交織技術(shù)正是這樣一種技術(shù)。它被廣泛運(yùn)用于微波與衛(wèi)星通信中。

交織原理是將已編碼的碼字(例如按線性分組碼的規(guī)律構(gòu)成的[n,k]分組碼)按行讀入,每行包含一個(gè)(n,k)分組碼,共排成m行,這樣構(gòu)成一個(gè)m行n列的矩陣,如圖51所示。

傳送時(shí)按列順序讀出,在接收端則以每m比特構(gòu)成一列,并順序讀入矩陣。可見,當(dāng)收到mn比特時(shí),便可構(gòu)成如圖3-27所示的格式相同的矩陣,然后對(duì)每一行按已知編碼規(guī)律進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。如果已知每一行是采用(n,k)分組碼來進(jìn)行糾錯(cuò)編碼的話,那么傳輸過程中連續(xù)mb比特出現(xiàn)誤碼時(shí),由于是按列傳送的,因此突發(fā)性誤碼便被分散到m行,每行包括b個(gè)錯(cuò)碼。若此時(shí)(n,k)分組碼具有糾正b個(gè)錯(cuò)誤的能力,那么接收端恢復(fù)出的數(shù)據(jù)就與發(fā)射端所發(fā)射的數(shù)據(jù)相同。圖3-27已編碼數(shù)據(jù)的矩陣交織

3.循環(huán)碼與BCH碼

BCH碼是具有糾正多個(gè)隨機(jī)差錯(cuò)功能的循環(huán)碼,它是循環(huán)碼的一個(gè)重要子類。

1)循環(huán)碼

循環(huán)碼是另一類重要的線性分組碼,這種碼的編碼和解碼設(shè)備都不太復(fù)雜,而且檢(糾)錯(cuò)的能力較強(qiáng)。它除了具有線性碼的一般性質(zhì)外,還具有循環(huán)性,即循環(huán)碼組中任一碼組循環(huán)移位所得的碼組仍為該循環(huán)碼中的一許用碼組。表3-4中給出一種(7,3)循環(huán)碼的全部碼字。

根據(jù)上述原理,循環(huán)步驟可歸納如下:

(1)用xr乘m(x)。這一運(yùn)算實(shí)際上是把信息碼后附加上r個(gè)“0”,給監(jiān)督位留出地方。

(2)用g(x)去除xr·m(x),得到商Q(x)和余式r(x)。

(3)編出的碼組為A(x)=xr·m(x)+r(x)

編碼電路的主體是由生成多項(xiàng)式構(gòu)成的除法電路,再加上適當(dāng)?shù)目刂齐娐方M成。g(x)=x4+x3+x2+1時(shí),(7,3)循環(huán)碼的編碼電路如圖3-28所示。圖3-28(7,3)循環(huán)碼編碼電路

循環(huán)冗余校驗(yàn)碼,簡(jiǎn)稱為CRC碼,是最常見的檢錯(cuò)碼,其檢錯(cuò)能力如下:

(1)可檢突發(fā)長度≤n-k的突發(fā)差錯(cuò)。

(2)可檢大部分突發(fā)長度=n-k+1的突發(fā)差錯(cuò),其中可檢測(cè)的這類差錯(cuò)只占2-(n-k-1)。

(3)可檢大部分突發(fā)長度>n-k+1的突發(fā)差錯(cuò),其中不可檢測(cè)的這類差錯(cuò)只占2-(n-k)。

(4)可檢所有與許用碼組之間的碼距≤dmin-1的差錯(cuò)。

(5)可檢所有奇數(shù)個(gè)隨機(jī)差錯(cuò)。

循環(huán)碼的譯碼過程具體可分以下幾步:

(1)用接收序列R(x)除以g(x)來計(jì)算校正子多項(xiàng)式S(x)。

(2)根據(jù)計(jì)算出的S(x),利用類似表3-3的關(guān)系,確定校正子多項(xiàng)式S(x)對(duì)應(yīng)的錯(cuò)碼位置E(x)。

(3)由R(x)-E(x),從而糾正錯(cuò)碼獲得正確的譯碼輸出。

2)BCH碼

BCH碼可分為兩類:一類是原本BCH碼,另一類是非原本BCH碼。

原本BCH碼的特點(diǎn)是碼長為2m-1(m為正整數(shù)),其生成多項(xiàng)式是由若干最高次數(shù)為m的因式相乘構(gòu)成的,并且循環(huán)碼的生成多項(xiàng)式具有如下形式:

一個(gè)糾t個(gè)符號(hào)錯(cuò)誤的(n,k)RS碼的參數(shù)如下:

RS碼特別適合于糾正突發(fā)性錯(cuò)誤。它可以糾正的差錯(cuò)長度具體如下(第1位誤碼與最后1位誤碼之間的比特序列):

4.卷積碼與維特比譯碼

卷積碼不同于前面所介紹的線性分組碼,它是一種非分組碼。這種碼所具有的特點(diǎn)是其編碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),同時(shí)具有較強(qiáng)的抗誤碼性能,適用于采用前向糾錯(cuò)的FEC數(shù)字通信系統(tǒng)中,因而這種編碼普遍運(yùn)用于數(shù)字微波與衛(wèi)星系統(tǒng)之中。

1)卷積碼

由前面的分析可知,(n,k)線性分組碼中,本組r=n-k個(gè)監(jiān)督元僅與本組k個(gè)信息元有關(guān),與其他各組無關(guān),也就是說分組碼編碼器本身并無記憶性。卷積碼則不同,每個(gè)(n,k)碼段(也稱子碼,通常較短)內(nèi)的n個(gè)碼元不僅與該碼段內(nèi)的信息元有關(guān),而且與前面m段的信息元有關(guān)?？梢娋幋a過程中相互關(guān)聯(lián)的碼元為mn個(gè),這個(gè)碼元數(shù)目稱為這種碼的約束長度,m稱為約束度。它說明卷積碼編碼器輸出的序列中,任何相鄰的m組均滿足同一個(gè)約束關(guān)系。卷積碼糾錯(cuò)能力隨m的增加而增大,而差錯(cuò)率也隨著m的增加而按指數(shù)規(guī)律下降。

圖3-29(2,1,3)卷積編碼器的電路圖

圖中m1和m2為移位寄存器,b1代表當(dāng)前輸入狀態(tài),b2、b3-分別表示移位寄存器以前存儲(chǔ)的信息位。通常t=0時(shí),b1、b2、b3-均為0。這樣從圖中可以容易地得出(2,1,3)卷積碼的編碼規(guī)則:

表3-6中列出(2,1,3)卷積碼編碼器的輸入、輸出數(shù)據(jù)關(guān)系,值得說明的是,為了保證輸入的全部信息都能順利地從移位寄存器移出,因而必須在信息位后補(bǔ)充0。

樹圖是一種形象地描述卷積碼編碼中數(shù)據(jù)序列在移位寄存器中移動(dòng)過程的方法。按表3-6列出的輸入、輸出數(shù)據(jù)關(guān)系,畫出(2,1,3)卷積編碼電路的樹狀圖,如圖3-30所示。圖3-30(2,1,3)卷積碼的樹狀圖

通過仔細(xì)觀察圖3-30可以發(fā)現(xiàn),碼樹呈現(xiàn)重復(fù)性,即從第4支路開始,碼樹的上半部與下半部完全相同。這樣就可以得到一個(gè)更為緊湊的圖形——網(wǎng)格圖,如圖3-31所示。圖3-31(2,1,3)卷積碼的網(wǎng)格圖

2)維特比譯碼

卷積碼的譯碼方法有三種:維特比譯碼、門限譯碼和序列譯碼。

維特比譯碼是Viterbi于1967年提出的一種概率解碼算法,它是建立在信道的統(tǒng)計(jì)特性基礎(chǔ)上的一種解碼。特別是在碼的約束長度較小時(shí),它要比序列譯碼算法的效率高,而且速率更快。更重要的是解碼器的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單,因此在數(shù)字微波和衛(wèi)星系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。這種算法的基本原理是將接收到的信號(hào)序列和所有可能的發(fā)送信號(hào)序列進(jìn)行比較,選擇其中漢明距離最小的序列認(rèn)為是當(dāng)前發(fā)送信號(hào)序列。

若發(fā)送k個(gè)序列,則有2k種可能的發(fā)送序列,計(jì)算機(jī)應(yīng)存儲(chǔ)這些序列,以便用于作比較,當(dāng)k較大時(shí),存儲(chǔ)量太大,使使用受到限制。維特比算法對(duì)此作了簡(jiǎn)化,使之能夠使用。下面用圖3-32所示的卷積碼編碼器所編出的數(shù)字序列為例來說明維特比譯碼的思路。圖3-32(2,1,3)卷積碼編碼過程及路徑

假設(shè)接收碼是0101011010010001,當(dāng)與表3-6中(2,1,3)卷積碼的輸出序列進(jìn)行比較后,可知接收序列存在差錯(cuò)。由于(2,1,3)卷積碼的碼長為2,因而當(dāng)這種存在差錯(cuò)的序列輸入維特比譯碼器后,將分別計(jì)算各路與接收序列之間的距離(任意兩碼組中對(duì)應(yīng)位上具有不同二進(jìn)制碼元的位數(shù)稱為兩碼組的距離),如圖3-33(a)所示。

在圖3-33(b)中所示的第2級(jí)出現(xiàn)4條互不重疊的支路,它們的支路碼距分別為1、1、2、0。

在圖3-33(c)中所示的第三級(jí)網(wǎng)格共有8條支路,從而構(gòu)成8條路徑。

依次類推,最后可以得到一條終止節(jié)點(diǎn)仍為a的路徑,這就是解碼路徑,在圖3-33(d)中被用實(shí)線標(biāo)示出來。

然后將這條路徑與圖3-31的網(wǎng)格圖相對(duì)照,可見該路徑是其中的一條路徑。因此,根據(jù)圖3-31所標(biāo)出的實(shí)線(信息位為0)和虛線(信息位為1),就可以辨別出解碼11010000,這與表3-6中給出的信息序列相同。圖3-33-維特比譯碼過程中的網(wǎng)格圖

卷積碼的糾錯(cuò)能力是用自由距離dfree來衡量的。自由碼距是指任意長編碼后,序列之間的最小距離?？梢詮娜?序列出發(fā),再回到全0序列,將所有路徑求出,即可以用網(wǎng)格圖來求。參見圖3-31,可以清楚地看出,路徑abca,符合自由碼距的定義dfree=5(路徑a→a輸出000000,路徑abca輸出111011,它們之間的碼距為5)。上例中,在一個(gè)約束長度內(nèi)最多出現(xiàn)了兩個(gè)錯(cuò)誤(即t=2),因而