1、微波通信,鄭玉峰,第二章 數(shù)字微波調(diào)制與解調(diào)技術(shù),2.1二進(jìn)制幅度鍵控 2.2 二進(jìn)制相位鍵控 2.3 多相相位鍵控 2.4多進(jìn)制正交幅度調(diào)制,數(shù)字通信系統(tǒng)模型,數(shù)字調(diào)制的基本形式,數(shù)字調(diào)制也稱鍵控信號,有三種基本的調(diào)制方式：ASK，F(xiàn)SK，PSK 載波 正弦波 調(diào)制信號 數(shù)字信號,2.1二進(jìn)制幅度鍵控（2ASK）,Amplitude Shift Keying 又稱通斷鍵控（OOK） 2ASK信號的產(chǎn)生,乘法器,模擬幅度調(diào)制方法,鍵控方法 OOK On-Off Keying,基帶波形,典型波形:,基帶波形是單極性不歸零碼,信號波形,g(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖 在某一碼元持續(xù)時間Ts 內(nèi)

2、觀察,上邊帶,下邊帶,B(t)為調(diào)制信號，是一平穩(wěn)隨機(jī)信號 在（0，2）上均勻分布 B (t)與相互獨(dú)立,基帶信號功率譜和頻帶信號功率譜的關(guān)系,2ASK的功率譜密度,B(t)是單極性的隨機(jī)矩形脈沖序列 根據(jù)矩形波形g（t）的頻譜特點(diǎn)，對于所有m0的整數(shù)有,當(dāng)P=1/2時,2ASK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成,2ASK信號帶寬是基帶脈沖波形帶寬的兩倍,ASK信號的解調(diào)方法,ASK信號有兩種基本的解調(diào)方法：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）、相干解調(diào)（同步檢測法）、,1.相干解調(diào),相干解調(diào)也稱同步解調(diào)，接收信號經(jīng)過帶通濾波器抑制來自信道的帶外干擾，乘法器進(jìn)行頻譜反向搬移，以恢復(fù)基帶信號。低通濾波器

3、用來抑制相乘器產(chǎn)生的高次諧波干擾。,相干解調(diào),（1）發(fā)“1”碼時情況 發(fā)“1”碼時，接收到的ASK信號為 + ，它能順利地通過帶通濾波器。 為零均值的高斯白噪聲，經(jīng)過帶通濾波器后變?yōu)檎瓗Ц咚乖肼暎?表示。經(jīng)過低通濾波器后，輸出信號為x（t）， 也就是取樣判決器的輸入信號。,（2）發(fā)“0”碼時情況 發(fā)“0”碼時，ASK信號輸入為0，噪聲仍然存在，經(jīng)過低通濾波器后，輸出信號為x（t）， x（t）也是取樣判決器的輸入信號。 綜合上面的分析，可得,下面討論判決問題。 若沒有噪聲，上式簡化為 此時判決電平取0A的中間值A(chǔ)/2，大于A/2判為“1”碼，小于A/2判為“0”碼。在無噪聲時，判決一定是正確的

4、。,相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生一個本地載波，設(shè)備比較復(fù)雜，所以在2ASK中很少使用,2.包絡(luò)解調(diào),包絡(luò)解調(diào)是一種非相干解調(diào),（ASK包絡(luò)解調(diào)方框圖）,發(fā)“1”碼時的情況,包絡(luò)檢波器的輸入為，為信號加窄帶高斯噪聲，輸出為信號加窄帶高斯噪聲的包絡(luò)，它服從萊斯分布，如左圖所示。,其概率密度為,發(fā)“0”碼時的情況,包絡(luò)檢波器輸入為 ，輸出 則為的包絡(luò)，即噪聲的包絡(luò)，它服從瑞利分布，如上頁圖所示。其概率密度為,與同步解調(diào)相似，為使誤碼率最小，判決電平應(yīng)為 和 的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，如 圖中 ，稱為最佳門限，經(jīng)分析，得到 當(dāng)信噪比 （即大信噪比）時，,2.2 2PSK，2DPSKPhase Shift Keyi

5、ng， Differential PSK,相位鍵控技術(shù)出現(xiàn)時間是比較晚的，但出現(xiàn)后，就比幅度鍵控、頻率鍵控顯示出更多優(yōu)點(diǎn)，成為中小容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)的一種主要傳輸方式。 主要是四相與八相的相位鍵控系統(tǒng)使用較多。四相制記為4PSK或QPSK,是基帶脈沖波形， 為雙極性不歸零脈沖信號,2PSK信號的表示,g(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖 在某一碼元持續(xù)時間Ts 內(nèi)觀察,0相位發(fā)送0, 相位發(fā)送1.,載波,移相,2PSK調(diào)制方框圖,0,PSK調(diào)制可以用相乘器，也可以用相位選擇器,2PSK調(diào)制,2PSK信號的功率譜密度,由于 為雙極性矩形基帶信號，故：,當(dāng)雙極性基帶信號“1” , “0”出現(xiàn)概率相

6、等則：,連續(xù)譜部分與2ASK信號的連續(xù)譜基本相同(僅相差一個常數(shù)因子) 因此 2PSK信號的帶寬與2ASK相同,由于PSK信號的功率譜中無載波分量，必須采用相干解調(diào)的方式。,PSK相干解調(diào)器,2PSK信號的解調(diào)： 不考慮噪聲時，帶通濾波器輸出可表示為：,2PSK接收系統(tǒng)各點(diǎn)波形如圖所示：,在相干解調(diào)過程中，如何得到同頻同相的相干載波是個關(guān)鍵問題。只有對信號進(jìn)行非線性變化，才能得到相干載波。 常用的載波恢復(fù)電路有兩種，一種是平方環(huán)電路，,平方環(huán)法提取載波,Costas 環(huán)法提取載波,這兩種載波提取電路中，在提取載波與調(diào)制載波相位差=n（n為任意整數(shù)）時都為鎖相環(huán)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。鎖相環(huán)工作時可能鎖定

7、在任何一個穩(wěn)定平衡點(diǎn)上，考慮到在周期內(nèi)取值可能為0或，因而可能產(chǎn)生 180的相位模糊。相位模糊對模擬通信關(guān)系不大， 因?yàn)槿硕牪怀鱿辔坏淖兓?。但對?shù)字通信的影響就不同了， 它有可能使2PSK相干解調(diào)后出現(xiàn)“反向工作”的問題，克服相位模糊度對相干解調(diào)影響的最常用而又有效的方法是對調(diào)制器輸入的信息序列進(jìn)行差分編碼，即采用相對移相（2DPSK），并且在解調(diào)后進(jìn)行差分譯碼恢復(fù)信息。,2.2.2 二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK） 1. 一般原理及實(shí)現(xiàn)方法 它不是利用載波相位的絕對數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用本碼元與前一碼元相位之差（相位偏移 ）來傳送數(shù)字信息的。 相位偏移 = 數(shù)字信息“1” =0 數(shù)字信息

8、“0”,數(shù)字信息絕對碼 0 0 1 1 1 0 0 1,PSK DPSK,相對碼 0 0 0 1 0 1 1 1 0,載波,移相,2DPSK調(diào)制方框圖,碼變換,0,相對移相：絕對碼相對碼絕對移相,相對移相信號可以看作是把數(shù)字信息序列（絕對碼）變換成相對碼，然后再根據(jù)相對碼進(jìn)行絕對移相而形成。 絕對碼和相對碼是可以互相轉(zhuǎn)換的，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為： 同步檢測輸出有一個碼元錯誤，碼變換輸出引起兩個相鄰碼元錯誤,絕對碼： 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 2PSK信號相位： 0 0 0 0 相對碼1： 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 2DPSK信號相位： 0 0 0 0 0 0 相對碼2：

9、 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 2DPSK信號相位 0 0 0 0 0 ,J222,絕對移相與相對移相的關(guān)系,相對相移本質(zhì)上就是對相對碼信號的絕對相移。即 實(shí)現(xiàn)相對調(diào)相的最常用方法如圖所示。,2DPSK的解調(diào)有兩種: 一種是相干解調(diào)-碼變換法（極性比較法），一種是差分相干解調(diào)（相位比較法）。 （1）相干解調(diào)-碼變換法 其解調(diào)原理是：對2DPSK信號進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。 在解調(diào)過程中，若相干載波產(chǎn)生180相位模糊， 解調(diào)出的相對碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載

10、波相位模糊度的問題。,2DPSK信號相干解調(diào)（極性比較法）原理圖和各點(diǎn)時間波形,2DPSK信號,解調(diào)原理是直接比較前后碼元的相位差，從而恢復(fù)發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。由于解調(diào)的同時完成了碼反變換作用， 故解調(diào)器中不需要碼反變換器。由于差分相干解調(diào)方式不需要專門的相干載波，因此是一種非相干解調(diào)方法。,2）差分相干解調(diào),2DPSK信號差分相干解調(diào)(相位比較法）原理圖和各點(diǎn)時間波形,接收信號,2.3 多相相位鍵控（MPSK）,多進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制特點(diǎn) 在相同的碼元傳輸速率下，信息傳輸速率比二進(jìn)制系統(tǒng)高。 Rb=RB2M b/s 在相同的信息傳輸速率下，多進(jìn)制碼元傳輸速率比二進(jìn)制低。增大碼元寬度，會增加碼元

11、的能量，并能減少由于信道特性引起的碼間干擾的影響。 在相同的噪聲下，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能低于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。,多相制相位鍵控信號的形式,是第k位碼元的數(shù)字信息，是M進(jìn)制的可能的取值為,多相制相位鍵控信號的形式,其等效基帶信號的指數(shù)表達(dá)式,可以看到，相位鍵控等效信號可以分為 同相分量 和正交分量,舉幾個例子說明多相相位信號的正交展開問題。 二相相位鍵控 4相相位鍵控 8相相位鍵控,1. 二相相位鍵控： M=2， =0 或1， =90度，這樣 則 這樣信號只有正交分量 沒有同相分量 ，相當(dāng)于用雙極性基帶信號對 進(jìn)行平衡調(diào)幅。輸入碼元 的信息量平均完全放在 上。,2PSK QPSK 8

12、PSK 相位鍵控信號矢量圖,若 =0度，則 這樣信號只有同相分量 沒有正交分量 ，相當(dāng)于用雙極性基帶信號對 進(jìn)行平衡調(diào)幅。,2. 四相相位鍵控（QPSK）： M=2， =0,1,2, 或3， =45度，這樣 則 這樣既有正交分量 又有同相分量 ，相當(dāng)于用雙極性基帶信號對兩個正交信號進(jìn)行平衡調(diào)幅。,2PSK QPSK 8PSK 相位鍵控信號矢量圖,3. 八相相位鍵控（8PSK）： M=2， =0,1,2,3,4,5,6或7， =22.5度，這樣,2PSK QPSK 8PSK 相位鍵控信號矢量圖,這樣等效基帶信號既有同相分量 又有正交分量 ，每個分量的碼元都是4進(jìn)制編碼。,2.3.2 相位邏輯,相

13、位鍵控的一個顯著特點(diǎn)就是用載波的相位來傳遞信息。載波相位與 信息碼元有一一對應(yīng)的關(guān)系。 載波相位是多進(jìn)制的，但常用的信號是2進(jìn)制的，這樣存在二進(jìn)制碼元和多進(jìn)制相位間的相互轉(zhuǎn)換問題，這稱為相位邏輯。,變換的方式不唯一的。常用的有自然碼變換邏輯和格雷碼變換邏輯。 格雷碼的特點(diǎn)：相鄰的二進(jìn)制編碼間只有一位不同（碼距為1） 為什么要用格雷碼？因?yàn)樵谶M(jìn)行解調(diào)的時候，錯誤的最大概率是判決到相鄰的碼組上。,自然碼邏輯 格雷碼邏輯,以8進(jìn)制碼之間的變換說明他們的變換關(guān)系 自然碼為 ，格雷碼為 ，之間的碼變換關(guān)系為,2.3.3差分編碼,與二進(jìn)制絕對相位鍵控因?yàn)檩d波恢復(fù)要產(chǎn)生相位模糊一樣，多進(jìn)制相位鍵控的載波恢復(fù)

14、也會產(chǎn)生相位模糊。 對MPSK，載波恢復(fù)具有M重相位模糊， D=0,1,2,M-1,若我們讓相位鍵控的發(fā)送碼 和輸入的信息碼 存在以下關(guān)系， 在接收端按如下恢復(fù)信息碼 這樣就能恢復(fù)正確的碼組，這就是多進(jìn)制的差分編碼和差分譯碼。,-,8PSK自然碼差分編碼器,8PSK自然碼差分譯碼器,2.3.4 QPSK的調(diào)制,相當(dāng)于用雙極性基帶信號對兩個正交信號進(jìn)行平衡調(diào)幅。,兩種調(diào)相系統(tǒng)的矢量圖和起始相位角,QPSK的星座圖和相位轉(zhuǎn)移圖,調(diào)相法產(chǎn)生QPSK信號的調(diào)制原理,微波四相調(diào)制器,串聯(lián)型四相微波調(diào)制器,并聯(lián)型四相微波調(diào)制器,普通的二極管由PN結(jié)組成。在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一薄層低摻雜的本征(Int

15、rinsic)半導(dǎo)體層，組成的這種P-I-N結(jié)構(gòu)的二極管就是PIN 二極管。正因?yàn)橛斜菊?Intrinsic)層的存在，PIN 二極管應(yīng)用很廣泛，從低頻到高頻的應(yīng)用都有，主要用在RF領(lǐng)域，用作RF 開關(guān)和RF保護(hù)電路，也有用作光電二極管(PhotoDiode)。PIN 二極管包括PIN光電二極管和PIN開關(guān)二極管。 微波開關(guān)利用PIN管在直流正,反偏壓下呈現(xiàn)近似導(dǎo)通或斷開的阻抗特性,實(shí)現(xiàn)了控制微波信號通道轉(zhuǎn)換作用。 PIN 二極管的直流伏安特性和PN結(jié)二極管是一樣的，但是在微波頻段卻有根本的差別。,由于PIN 二極I層的總電荷主要由偏置電流產(chǎn)生，而不是由微波電流瞬時值產(chǎn)生，所以其對微波信號只呈

16、現(xiàn)一個線性電阻。此阻值由直流偏置決定，正偏時阻值小，接近于短路，反偏時阻值大，接近于開路。因此PIN 二極對微波信號不產(chǎn)生非線性整流作用，這是和一般二極管的根本區(qū)別，所以它很適合于做微波控制器件。因此，可以把PIN二極管作為可變阻抗元件使用。它常被應(yīng)用于高頻開關(guān)（即微波開關(guān)）、移相、調(diào)制、限幅等電路中。,PIN二極管的特性: 加負(fù)電壓（或零偏壓）時，PIN管等效為電容+電阻；加正電壓時，PIN管等效為小電阻。用改變結(jié)構(gòu)尺寸及選擇PIN二極管參數(shù)的方法，使短路的階梯脊波導(dǎo)的反射相位（基準(zhǔn)相位）與加正電壓的PIN管控制的短路波導(dǎo)的反射相位相同。還要求加負(fù)電壓（或0偏置）的PIN管控制的短路波導(dǎo)的反

17、射相位與標(biāo)準(zhǔn)相位相反（-164+164之間即可）。,2.3.5 QPSK信號的解調(diào),四相相位調(diào)制可以看成兩路正交PSK信號的合成，故可用相類似的方式解調(diào)。 接收到的信號利用正交的相干載波進(jìn)行接收，得到攜帶的兩路信息碼，經(jīng)過并/串轉(zhuǎn)換為串行的數(shù)據(jù)信息。,4PSK信號解調(diào)器,LPF,抽樣判決,LPF,抽樣判決,并/串,a,b,/2,在四相絕對相位調(diào)制系統(tǒng)中，相干載波的產(chǎn)生通常采用四倍頻-四分頻法。,2.3.6 4DPSK的調(diào)制和解調(diào),由于四相絕對相位信號調(diào)制時，相干載波的相位會出現(xiàn)四種不確定性，從而使得解調(diào)后的輸出也存在四種不確定性。為了消除它的影響，實(shí)際通信中一般采用四相相對相位信號調(diào)制。,4D

18、PSK信號的產(chǎn)生,4DPSK信號的解調(diào),受調(diào)相位,有8種不同取值 多相調(diào)制的波形可以看作是對兩個正交 載波進(jìn)行多電平雙邊帶調(diào)制所得信號之 和,多相調(diào)制信號的帶寬與多電平雙邊帶 調(diào)制時的相同.,2.3.7 8DPSK的調(diào)制和解調(diào),幅度選擇器的作用： 選擇輸出信號幅度為cos/8或 cos3/8,8DPSK的調(diào)制,8進(jìn)制解調(diào)方框圖,2.4正交振幅調(diào)制(QAM),在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。正交振幅調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。,MQAM調(diào)制原理 正交振幅調(diào)制是用兩個獨(dú)立的基帶數(shù)字信號對兩個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)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。,式中，An是基帶信號幅度，g(t-nTs)是寬度為Ts的單個基帶信號波形。上式還可以變換為正交表示形式:,正交振幅調(diào)制信號的一般表示式為,對比MPSK信號,令,則,信號還可以變換為正交表示形式:,QAM信號調(diào)制原理圖如圖所示。為了抑制已調(diào)信號的帶外輻射，該L電平的基帶信號還要經(jīng)過預(yù)調(diào)制低通濾波器。,QAM信號調(diào)制原理圖,信號矢量端點(diǎn)的分布圖稱為星座圖。通常，可以用星座圖來描述QAM信號的信