第9

章現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)

9.1正交振幅調(diào)制(QAM)

9.1.1MQAM調(diào)制原理正交振幅調(diào)制是用兩個(gè)獨(dú)立的基帶數(shù)字信號(hào)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,利用這種已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。

正交振幅調(diào)制信號(hào)的一般表示式為

式中,An是基帶信號(hào)幅度,g(t-nTs)是寬度為T(mén)s的單個(gè)基帶信號(hào)波形。式(9.11)還可以變換為正交表示形式:

則式(9.12)變?yōu)?/p>

QAM信號(hào)調(diào)制原理圖如圖9-1所示。圖9-1QAM信號(hào)調(diào)制原理圖

信號(hào)矢量端點(diǎn)的分布圖稱(chēng)為星座圖。通常,可以用星座圖來(lái)描述QAM信號(hào)的信號(hào)空間分布狀態(tài)。對(duì)于M=16的16QAM來(lái)說(shuō),有多種分布形式的信號(hào)星座圖。兩種具有代表

意義的信號(hào)星座圖如圖9-2所示。圖9-216QAM的星座圖

若信號(hào)點(diǎn)之間的最小距離為2A,且所有信號(hào)點(diǎn)等概率出現(xiàn),則平均發(fā)射信號(hào)功率為

對(duì)于方型16QAM,信號(hào)平均功率為

對(duì)于星型16QAM,信號(hào)平均功率為

M=4,16,32,…,256時(shí)MQAM信號(hào)的星座圖如圖9-3所示。圖9-3MQAM信號(hào)的星座圖

9.1.2MQAM解調(diào)原理

MQAM信號(hào)同樣可以采用正交相干解調(diào)方法,其解調(diào)器原理圖如圖9-4所示。圖9-4MQAM信號(hào)相干解調(diào)原理圖

9.1.3MQAM抗噪聲性能

對(duì)于方型QAM,可以將其看成是由兩個(gè)相互正交且獨(dú)立的多電平ASK信號(hào)疊加而成。因此,利用多電平信號(hào)誤碼率的分析方法,可得到M進(jìn)制QAM的誤碼率為

式中,M=L2,Eb為每比特碼元能量,n0為噪聲單邊功率譜密度。圖9-5給出了M進(jìn)制方型QAM的誤碼率曲線。圖9-5M進(jìn)制方型QAM的誤碼率曲線

9.2最小移頻鍵控(MSK)

MSK稱(chēng)為最小移頻鍵控,有時(shí)也稱(chēng)為快速移頻鍵控(FFSK)?！白钚　笔侵高@種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)(0.5)獲得正交信號(hào);而“快速”是指在給定的同樣的頻帶內(nèi),MSK能比2PSK的數(shù)據(jù)傳輸速率更高,且在帶外的頻譜分量要比2PSK衰減得快。

9.2.1MSK的基本原理

MSK是恒定包絡(luò)連續(xù)相位頻率調(diào)制,其信號(hào)的表示式為

則式(9.21)可表示為

中心頻率fc

應(yīng)選為

式(9.28)表明,MSK信號(hào)在每一碼元周期內(nèi)必須包含四分之一載波周期的整數(shù)倍。fc還可以表示為圖9-6MSK信號(hào)的時(shí)間波形

對(duì)第k個(gè)碼元的相位常數(shù)φk的選擇應(yīng)保證MSK信號(hào)相位在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻是連續(xù)的。根據(jù)這一要求,由式(9.22)可以得到相位約束條件為

式中,若取φk的初始參考值φ0=0,則

對(duì)于給定的輸入信號(hào)序列{ak},相應(yīng)的附加相位函數(shù)θk(t)的波形如圖9-7所示。圖9-7附加相位函數(shù)θk(t)的波形圖

對(duì)于各種可能的輸入信號(hào)序列,θk(t)的所有可能路徑如圖9-8所示,它是一個(gè)從-2π到+2π的網(wǎng)格圖。圖9-8MSK的相位網(wǎng)格圖

下面簡(jiǎn)要討論一下MSK信號(hào)的功率譜。對(duì)于由式(9.21)定義的MSK信號(hào),其單邊功率譜密度可表示為

根據(jù)式(9.216)畫(huà)出MSK信號(hào)的功率譜如圖9-9-所示。圖9-9-MSK信號(hào)的歸一化功率譜

9.2.2MSK的調(diào)制解調(diào)

由MSK信號(hào)的一般表示式(9.23)可得

將

代入式(9.217)可得

上式即為MSK信號(hào)的正交表示形式。其同相分量為

也稱(chēng)為I支路。其正交分量為

由式(9.218)可以畫(huà)出MSK信號(hào)調(diào)制器原理圖,如圖9-10所示。圖9-10MSK信號(hào)調(diào)制器原理圖

MSK信號(hào)屬于數(shù)字頻率調(diào)制信號(hào),因此可以采用一般鑒頻器方式進(jìn)行解調(diào),其原理圖如圖9-11所示。鑒頻器解調(diào)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)。圖9-11MSK鑒頻器解調(diào)原理圖

由于MSK信號(hào)調(diào)制指數(shù)較小,采用一般鑒頻器方式進(jìn)行解調(diào)誤碼率性能不太好,因此在對(duì)誤碼率有較高要求時(shí)大多采用相干解調(diào)方式。圖9-12是MSK信號(hào)相干解調(diào)器原理圖,其由相干載波提取和相干解調(diào)兩部分組成。圖9-12MSK信號(hào)相干解調(diào)器原理圖

9.2.3MSK系統(tǒng)的性能

設(shè)信道特性為恒參信道,噪聲為加性高斯白噪聲,MSK解調(diào)器輸入信號(hào)與噪聲的合成波為

式中

是數(shù)學(xué)期望為零、方差為σ2的窄帶高斯噪聲。

經(jīng)過(guò)相乘、低通濾波和抽樣后,在t=2kTs時(shí)刻I支路的樣值為

在t=(2k+1)Ts

時(shí)刻Q支路的樣值為圖9-13MSK系統(tǒng)誤碼率曲線

9.3高斯最小移頻鍵控(GMSK)

9.3.1GMSK的基本原理MSK調(diào)制是調(diào)制指數(shù)為0.5的二進(jìn)制調(diào)頻,基帶信號(hào)為矩形波形。為了壓縮MSK信號(hào)的功率譜,可在MSK調(diào)制前加入預(yù)調(diào)制濾波器,對(duì)矩形波形進(jìn)行濾波,得到一種新型的基帶波形,使其本身和盡可能高階的導(dǎo)數(shù)都連續(xù),從而得到較好的頻譜特性。GMSK(GaussianfilteredMinimumShiftKeying)調(diào)制原理圖如圖9-14所示。圖9-14GMSK調(diào)制原理圖

為了有效地抑制MSK信號(hào)的帶外功率輻射,預(yù)調(diào)制濾波器應(yīng)滿足以下條件:

(1)帶寬窄并且具有陡峭的截止特性;

(2)脈沖響應(yīng)的過(guò)沖較小;

(3)濾波器輸出脈沖響應(yīng)曲線下的面積對(duì)應(yīng)于π/2的相移。圖9-15高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)

高斯濾波器的輸出脈沖經(jīng)MSK調(diào)制得到GMSK信號(hào),其相位路徑由脈沖的形狀決定。由于高斯濾波后的脈沖無(wú)陡峭沿,也無(wú)拐點(diǎn),因此,相位路徑得到進(jìn)一步平滑,如圖9-16所示。圖9-16GMSK信號(hào)的相位路徑

圖9-17是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬得到的GMSK信號(hào)的功率譜。圖中,橫坐標(biāo)為歸一化頻偏(f-fc)Tb,縱坐標(biāo)為功率譜密度,參變量BbTb為高斯低通濾波器的歸一化3dB帶寬Bb與碼元長(zhǎng)度Tb的乘積。BbTb=∞的曲線是MSK信號(hào)的功率譜密度。GMSK信號(hào)的功率譜密度隨BbTb值的減小變得緊湊起來(lái)。表9-1給出了作為BbTb函數(shù)的GMSK信號(hào)中包含給定功率百分比的射頻帶寬。圖9-17GMSK信號(hào)的功率譜

圖9-18是在不同BbTb時(shí)由頻譜分析儀測(cè)得的射頻輸出頻譜。可見(jiàn),測(cè)量值與圖9-17所示的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果基本一致。圖9-19-是GMSK信號(hào)正交相干解調(diào)時(shí)測(cè)得的眼圖?？梢钥闯?BbTb較小會(huì)使基帶波形中引入嚴(yán)重的碼間串?dāng)_,從而降低性能。當(dāng)BbTb=0.25時(shí),GMSK的誤碼率比MSK的下降1dB圖9-18不同BbTb時(shí)實(shí)測(cè)GMSK信號(hào)射頻功率譜圖9-19-GMSK信號(hào)正交相干解調(diào)的眼圖

9.3.2GMSK的調(diào)制與解調(diào)

產(chǎn)生GMSK信號(hào)的一種簡(jiǎn)單方法是采用鎖相環(huán)(PLL)法,其原理圖如圖9-20所示。圖9-20PLL型GMSK調(diào)制器原理圖

根據(jù)式(9.38),GMSK信號(hào)可以表示為正交形式,即

式中

由式(9.39)和式(9.310)可以構(gòu)成一種波形存儲(chǔ)正交調(diào)制器,其原理圖如圖9-21所示。波形存儲(chǔ)正交調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)是避免了復(fù)雜的濾波器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),可以產(chǎn)生具有任何特性的基帶脈沖波形和已調(diào)信號(hào)。圖9-21波形存儲(chǔ)正交調(diào)制器原理圖

GMSK信號(hào)也可以采用圖9-22所示的差分解調(diào)器解調(diào)。圖9-22(a)是1比特差分解調(diào)器,圖9-22(b)是2比特差分解調(diào)器。圖9-22GMSK信號(hào)差分解調(diào)器原理

9.3.3GMSK系統(tǒng)的性能

假設(shè)信道為恒參信道,噪聲為加性高斯白噪聲,其單邊功率譜密度為n0。GMSK信號(hào)相干解調(diào)的誤碼率下界可以表示為

式中,dmin為在t1到t2之間觀察所得的Hilbert空間中發(fā)送數(shù)據(jù)“1”和“0”對(duì)應(yīng)的復(fù)信號(hào)

u1(t)和u0(t)之間的最小距離,即

在恒參信道、加性高斯白噪聲條件下測(cè)得的GMSK相干解調(diào)誤碼率曲線如圖9-23所示。由圖可以看出,當(dāng)BbTb=0.25時(shí),GMSK的性能僅比MSK下降1dB。圖9-23理想信道下GMSK相干解調(diào)誤碼率曲線

采用Gray編碼的雙比特(xk,yk)與相移Δφk的關(guān)系如表9-2所示。

為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外功率輻射,在進(jìn)行正交調(diào)制前先使同相支路信號(hào)Ik和正交支路信號(hào)Qk

通過(guò)具有線性相位特性和平方根升余弦幅頻特性的低通濾波器。幅頻特性表示式為

兩個(gè)序列ck和dk

送入差分解碼器進(jìn)行解碼,其解碼關(guān)系為

根據(jù)表9-2和式(9.410)就可以得到調(diào)制數(shù)據(jù),再經(jīng)過(guò)并/串變換即可恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)據(jù)序列。

9.5OFDM調(diào)制

前面幾節(jié)所討論的數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式都屬于串行體制,和串行體制相對(duì)應(yīng)的一種體制是并行體制。它是將高速率的信息數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并變換,分割為若干路低速率并行數(shù)據(jù)流,然后每路低速率數(shù)據(jù)采用一個(gè)獨(dú)立的載波調(diào)制并疊加在一起構(gòu)成發(fā)送信號(hào),這種系統(tǒng)也稱(chēng)為多載波傳輸系統(tǒng)。多載波傳輸系統(tǒng)原理圖如圖9-29-所示。圖9-29-多載波傳輸系統(tǒng)原理圖

9.5.1OFDM的基本原理

OFDM是一種高效調(diào)制技術(shù),其基本原理是將發(fā)送的數(shù)據(jù)流分散到許多個(gè)子載波上,使各子載波的信號(hào)速率大為降低,從而能夠提高抗多徑和抗衰落的能力。

OFDM信號(hào)可以用復(fù)數(shù)形式表示為

式中

圖9-30OFDM信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)

在Hermitian對(duì)稱(chēng)條件:

OFDM信號(hào)接收端的原理圖如圖9-32所示,其處理過(guò)程與發(fā)送端相反。圖9-32OFDM信號(hào)接收原理圖

為了使信號(hào)在IFFT、FFT前后功率保持不變,DFT和IDFT應(yīng)滿足以下關(guān)系:

9.5.3OFDM系統(tǒng)的性能

1.抗脈沖干擾

OFDM系統(tǒng)抗脈沖干擾的能力比單載波系統(tǒng)強(qiáng)很多。這是因?yàn)閷?duì)OFDM信號(hào)的解調(diào)是在在一個(gè)很長(zhǎng)的符號(hào)周期內(nèi)積分,從而使脈沖噪聲的影響得以分散。

2.抗多徑傳播與衰落

OFDM系統(tǒng)把信息分散到許多個(gè)載波上,大大降低了各子載波的信號(hào)速率,使符號(hào)周期比多徑遲延長(zhǎng),從而能夠減弱多徑傳播的影響。若再采用保護(hù)間隔和時(shí)域均衡等措施,可以有效降低符號(hào)間干擾。保護(hù)間隔原理如圖9-33所示。圖9-33保護(hù)間隔原理

圖9-34OFDM信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)

設(shè)信號(hào)采樣頻率為1/T,則每個(gè)子載波信號(hào)的采樣速率為1/(NT),即載波間距1/(NT),若將信號(hào)兩側(cè)的旁瓣忽略,則頻譜寬度為

OFDM的符號(hào)速率為

9.6數(shù)字化接收技術(shù)

理想軟件無(wú)線電的組成結(jié)構(gòu)如圖9-35所示,主要包括天線、射頻前端、寬帶A/DD/A轉(zhuǎn)換器、通用和專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理器及相應(yīng)軟件。軟件無(wú)線電涉及很多通信新技術(shù),本節(jié)只討論其關(guān)鍵技術(shù)之一:信號(hào)的數(shù)字檢測(cè)技術(shù)。圖9-35理想軟件無(wú)線電的組成結(jié)構(gòu)

9.6.1信號(hào)的數(shù)字檢測(cè)原理圖9-36正交調(diào)制法實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制原理圖

若以抽樣速率fs

對(duì)式(9.62)進(jìn)行抽樣,可得式(9.62)的數(shù)字化表示形式:

式中,為抽樣時(shí)間間隔;X(nTs)和Y(nTs)為同相支路和正交支路基帶信號(hào):

通常式(9.65)簡(jiǎn)化表示為

采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)調(diào)制的原理圖如圖9-37所示。圖9-37采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)調(diào)制的原理圖

對(duì)信號(hào)s(t)采用正交方式進(jìn)行解調(diào)的原理圖如圖9-38所示。圖中包括正交解調(diào)、載

波恢復(fù)和位定時(shí)恢復(fù)。圖9-38也可以采用數(shù)字的方式實(shí)現(xiàn),其原理圖如圖9-39-所示。圖9-38正交解調(diào)原理圖圖9-38正交解調(diào)原理圖圖9-39-數(shù)字化檢測(cè)原理圖

圖9-39-所示的解調(diào)器輸入為

若每個(gè)碼元采樣K個(gè)樣點(diǎn),則第n個(gè)碼元第k個(gè)采樣時(shí)刻為(Kn+k)Ts,A/D轉(zhuǎn)換器在該時(shí)刻的輸出為

式中,Ts為采樣周期,i=Kn+k,A為輸入信號(hào)振幅,φn為第n個(gè)碼元相位,θ0為初相位,n(iTs)為第i個(gè)采樣點(diǎn)噪聲樣值。

采用眼圖最大準(zhǔn)則選擇最佳抽樣點(diǎn)。其原理是:在最佳抽樣點(diǎn)上噪聲和碼間串?dāng)_都最小,相對(duì)應(yīng)的N個(gè)矢量具有較好的一致性,相位旋轉(zhuǎn)一致,其和的模值最大。通過(guò)比較這K個(gè)矢量和Z(k),選擇最大模值對(duì)應(yīng)的抽樣點(diǎn)作為最佳抽樣點(diǎn)k*。在最佳抽樣點(diǎn),可以對(duì)由載波頻差引起的相位旋轉(zhuǎn)作出準(zhǔn)確的估計(jì)。設(shè)Δθ為載波頻偏在一個(gè)碼元期間內(nèi)引起的相位旋轉(zhuǎn),則

9.6.2數(shù)字檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

STEL－2105是一塊用于BPSK或QPSK相干解調(diào)器的專(zhuān)用集成電路,在BPSK模式下處理速度達(dá)4Mb/s以上,在QPSK模式下處理速度達(dá)8Mb/s以上。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9-40所示。圖9-40STEL-2105內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.本振NCO模塊

STEL-2105集成了一個(gè)數(shù)控振蕩器(NCO),它產(chǎn)生用于下變頻的本振信號(hào),NCO的時(shí)鐘信號(hào)由主時(shí)鐘提供。NCO有32比特的頻率分辨率,并且能產(chǎn)生8比特的正交載波sinωct和cosωct輸出。輸出頻率由32比特的載波頻率控制字控制。預(yù)置載波頻率控制字加上或減去載波跟蹤環(huán)路濾波器的輸出就得到了實(shí)際頻率控制信息。

2.下變頻模塊

STEL-2105集成了一個(gè)正交下變頻器,下變頻器將輸入中頻采樣信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為基帶信號(hào)。下變頻器包含兩個(gè)乘法器,8比特的接收器輸入信號(hào)在乘法器中分別與來(lái)自NCO的sinωct和cosωct信號(hào)相乘。下變頻器中所有的操作都由主時(shí)鐘信號(hào)控制。兩個(gè)乘法器的輸出分別為

3.積分濾波器

兩個(gè)積分濾波器在由采樣速率決定的多個(gè)采樣周期內(nèi)累積樣值。積分區(qū)間由位定時(shí)NCO控制,以使在每個(gè)碼元周期內(nèi)有四或五個(gè)采樣。這些采樣值被送到碼元累加器模塊,對(duì)信號(hào)的樣值進(jìn)行積累。通過(guò)控制,可以選擇最佳輸出比特作為碼元累加器的8比特輸入。

4.碼元累加器模塊

同相支路和正交支路的碼元信息