調(diào)制解調(diào)原理 part 2

1、調(diào)制解調(diào)原理調(diào)制解調(diào)原理Eric LiuhuiEverybody plays fool, sometimes.An Introduction of Modulation and Demodulation主要內(nèi)容主要內(nèi)容 前話 信號與調(diào)制 基帶調(diào)制信號 帶通模擬調(diào)制 帶通數(shù)字調(diào)制 后話帶通數(shù)字調(diào)制帶通數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制中的基帶信號和星座圖 簡單數(shù)字調(diào)制 幅移鍵控(ASK)和開關(guān)鍵控(OOK) 相移鍵控(PSK) 頻移鍵控(FSK),GFSK 正交調(diào)制 QPSK,/4-QPSK,MSK,GMSK QAM 擴(kuò)頻調(diào)制 直接序列擴(kuò)頻 (DSSS) 跳頻擴(kuò)頻(FHSS) 多載波調(diào)制正交頻分復(fù)用(OFDM)

2、 調(diào)制技術(shù)比較二進(jìn)制基帶信號二進(jìn)制基帶信號 只有兩種可能的數(shù)值（0,1） 可以采用單極性碼調(diào)制（+V，0） 可以采用極性碼調(diào)制（+V， -V ）多進(jìn)制基帶信號多進(jìn)制基帶信號 有M種可能取值，一個符號包含n=log2M個二進(jìn)制位。 多進(jìn)制基帶信號多用極性碼表示。比如四進(jìn)制信號的電壓表示為（+3V， +1V ，-1V， -3V ） 基帶信號m(t)可以看成PAM信號。復(fù)包絡(luò)信號g(t)由兩個正交的PAM信號組成。tjcetgts)(Re)()()()(21tjmtmAtgc星座圖（星座圖（Constellations） 星座圖以坐標(biāo)圖形方式直觀表示復(fù)包絡(luò)信號g(t)的符號集。 dmin表示最小碼距

3、，反映調(diào)制的能量效率（Power Efficiency）,也就是誤碼曲線。 星座中的符號數(shù)量反應(yīng)調(diào)制的頻譜效率（Spectrual Efficiency）或稱帶寬效率（ Bandwidth Efficiency ） 符號映射就是將一組二進(jìn)制位組成的符號映射成星座圖上的一個點。映射的編碼方式有多種，常用的格雷編碼（Gray Coding）中兩個相鄰符號間只有一個二進(jìn)制位的差別。IQdmin幅移鍵控（幅移鍵控（ASK） 二進(jìn)制幅移鍵控(ASK)，又稱為開關(guān)鍵控(OOK)。采用單極性基帶來表示ASK調(diào)制信號采用極性基帶來表示ASK調(diào)制信號DSB的表達(dá)公式？實際上單極性碼存在直流分量，因此ASK中還是

4、存在載波分量的。調(diào)制度100%ASK的頻譜的頻譜 ASK調(diào)制信號的頻譜 基帶方波信號的頻譜ASK的調(diào)制參考AM和DSB信號的調(diào)制方法ASK信號的解調(diào)信號的解調(diào) 包絡(luò)檢波（非相干） 采用低通濾波器相干檢波 采用匹配濾波器相干檢波簡易，誤碼性能最差復(fù)雜，誤碼性能最優(yōu)M-ASK調(diào)制調(diào)制 M-ASK采用極性碼調(diào)制不能采用包絡(luò)檢波，只能用相干解調(diào)。所有調(diào)制中，ASK的dmin最小ASK的性能的性能 誤碼率和誤比特率02131NEMerfcMMPss02221log31log1NEMMerfcMMMPbbssSTE sbPMP2log1MEEbs2log平均信號功率：S碼元能量：噪聲雙邊帶功率譜密度：N0

5、噪聲功率：BNN0信噪比： S/N極性碼誤碼率： 誤碼經(jīng)常為相鄰碼，相鄰格雷碼只有1比特差別： SNR (dB)(/0BTNSBNSTNEsss匹配濾波器匹配濾波器 匹配濾波器的信噪比 不在脈沖期間的任意時刻采樣。而在匹配濾波器后采樣。 使信號波形失真，從而在采樣時刻T0信號功率相對噪聲功率最大。 對已知輸入波形s(t)，匹配濾波器的沖擊響應(yīng)： 采樣時刻信噪比： 積分清除濾波器：inssoutNSTBBNTETBNENS)(2/2200)()(0ttCsthTTtdttstrtr0)()()(00已知輸入波形輸入信號（加噪）t0時刻輸出信號抽頭移位寄存器也可以實現(xiàn)橫向性匹配濾波器二進(jìn)制相移鍵控

6、二進(jìn)制相移鍵控(BPSK) 采用極性碼基帶信號。采用調(diào)相信號表示BPSK調(diào)制信號采用DSB信號表示BPSK調(diào)制信號導(dǎo)頻載波項數(shù)據(jù)項BPSK的頻譜的頻譜 數(shù)字調(diào)制度： 當(dāng)d=1時（=/2），隨機(jī)信號調(diào)制的頻譜載波項分量為0，避免出現(xiàn)超過360度的相位差對M-PSK，選取m(t)最大值為1，就可以用同樣的PSD表示。BPSK的調(diào)制的調(diào)制 BPSK可以采用DSB調(diào)制，也可以用正交調(diào)制方式產(chǎn)生。BPSK的解調(diào)的解調(diào) 采用同步解調(diào)。 參考DSB的解調(diào)方法。 有低電平載波項時采用鎖相環(huán)提取載波參考。 采用科斯塔斯環(huán)或平方環(huán)恢復(fù)載波。 180度相位模糊，采用差分編碼或同步字節(jié)。BPSK的解調(diào)的解調(diào) 極性環(huán)（

7、Polarity Loop） 再調(diào)制環(huán)（Remodulation Loop）差分相位調(diào)制（差分相位調(diào)制（DPSK） 對基帶信號進(jìn)行差分編碼后再調(diào)制。 可以采用延遲解調(diào)。不需要恢復(fù)載波。 消除180度相位模糊。正交相位調(diào)制（正交相位調(diào)制（QPSK） 4PSK調(diào)制 實際中經(jīng)常用正交調(diào)制產(chǎn)生QPSK 將4PSK的相位附加/4固定相差m(t)取0，/2， ， 3/2m(t)取-3，-1， +1， +3fttyfttxts2sin)(2cos)()(x(t),y(t)取-1， +1同樣也可以稱為4-QAM信號QPSK的解調(diào)的解調(diào) QPSK的同步解調(diào) 同步正交解調(diào)，可以用科斯塔斯環(huán)恢復(fù)載波 倍頻-濾波-分

8、頻恢復(fù)QPSK的載波 QPSK解調(diào)解調(diào) 結(jié)合了極性環(huán)的科斯塔斯環(huán)。 QPSK解調(diào)解調(diào) 再調(diào)制環(huán)。多進(jìn)制相位調(diào)制（多進(jìn)制相位調(diào)制（M-PSK） M-PSK調(diào)制 用正交調(diào)制表示M-PSKi=m(t)取0，2/M， 4/M 2(M-1)/Mfttyfttxts2sin)(2cos)()(iciAtxcos)(icyiAtsin)(iM-PSK的解調(diào)的解調(diào) M-PSK的解調(diào) M-PSK的載波恢復(fù)PSK的星座圖的星座圖 PSK的星座圖和最小碼距0min221NderfcPbPSK的性能的性能 PSK的誤比特性能MSinNEMerfcMPbb2022loglog1021NEerfcPbbBPSK的誤碼率和

9、極性碼ASK相同：QPSK的誤碼率和PSK相同：M-PSK的誤碼率：0021221NEerfcNEerfcPbsb正交信號頻移鍵控頻移鍵控(FSK) 相位不連續(xù)FSK 相位連續(xù)FSK不常用，頻譜擴(kuò)散，不能用PLL跟蹤可以看成兩個OOK信號的疊加FSK的頻譜的頻譜 FSK的頻譜如同F(xiàn)M的頻譜。 FSK的頻譜也可以用兩個OOK信號近似。FSK解調(diào)解調(diào) 非相干解調(diào)，F(xiàn)SK可采用FM的解調(diào)方法。 連續(xù)相位，可采用相干解調(diào)高斯濾波高斯濾波FSK（GFSK） 高斯濾波器降低了帶外輻射。22lnexp)(2BffH高斯濾波器高斯濾波器 采用高斯濾波器進(jìn)行脈沖成型。高斯濾波存在碼間干擾(ISI)FSK的性能的

10、性能FSK的誤比特率相干解調(diào)：非相干解調(diào)：正交相位調(diào)制（正交相位調(diào)制（QPSK） 是正交調(diào)制的最基本形態(tài)，幾種調(diào)制方式的匯合點。 四進(jìn)制相位調(diào)制（4-PSK） ； 正交相位調(diào)制（QPSK）； 四進(jìn)制QAM調(diào)制（4-QAM)；fttyfttxts2sin)(2cos)()(x(t),y(t)取-1， +1成型濾波后的成型濾波后的QPSK 為了限制信號的帶寬需要對基帶信號進(jìn)行成型濾波，一般采用SRRC濾波器。 濾波器造成了信號包絡(luò)的變化，不再是恒定包絡(luò)。產(chǎn)生了幅度調(diào)制。因為濾波器限制了信號的帶寬，在穿越零點時，信號沿變得緩慢，從而產(chǎn)生調(diào)幅效應(yīng)。包絡(luò)為零偏移偏移QPSK（OQPSK） OQPSK是對

11、QPSK的變形 ，將正交的I、Q信號錯開1/2符號周期。 成型濾波后，I的包絡(luò)波峰對應(yīng)Q的包絡(luò)波谷， 成型濾波后，I的包絡(luò)波谷對應(yīng)Q的包絡(luò)波峰， 包絡(luò)不會為零，降低對發(fā)射機(jī)線性要求。 ftTtyfttxtsb2sin22cos)(x(t),y(t)取-1， +1I,Q信號的交錯，并沒有改變由兩個DSB信號疊加的本質(zhì)，因此OQPSK的頻譜和QPSK沒有差別的。OQPSK OQPSK的星座圖。 I、Q交替變化，而不是同時變化，所以星座的遷移最大只有90度。從星座圖上看，QQPSK的狀態(tài)遷移并不穿越原點，從而避免調(diào)幅效應(yīng)。OQPSK和QPSK具有同樣的誤碼性能。 /4移相移相QPSK /4-QPSK

12、是QPSK和OQPSK的折衷。 是一種差分編碼方式，根據(jù)輸入的信息確定差分相位。 相移在DQPSK的基礎(chǔ)上增加了/4，從而使奇數(shù)狀態(tài)和偶數(shù)狀態(tài)分別形成了兩個星座圖，信號在兩個星座圖間交替。 消除了DQPSK信號通過原點的狀態(tài)遷移。 狀態(tài)總在變化。OQPSK產(chǎn)生的AM最小， /4-QPSK其次，QPSK最大。相干解調(diào)的性能和QPSK相同，非相干解調(diào)惡化3dB。最小頻移鍵控（最小頻移鍵控（MSK） 對OQPSK進(jìn)一步改變，使用半余弦脈沖代替方波作為基帶信號波形，從而產(chǎn)生了MSK信號。 基帶信號沒有躍變，相位連續(xù)。 高頻分量減小，低邊帶。 bbTtTttx0 ,21cosfttyfttxts2sin

13、)(2cos)()( bbTtTtty0 ,21sin xxsin2cos參考公式： xxcoscos xxsinsinMSK的頻譜的頻譜 MSK的邊帶低于QPSK，但是帶寬卻高于QPSK。 連續(xù)相位連續(xù)相位FSK 最小頻移鍵控（MSK），是調(diào)制度最小（ d=0.5）的連續(xù)相位FSK。 采用正交調(diào)制表示時，為余弦脈沖的OQPSK信號。d=0.5是正交連續(xù)相位FSK允許的最小調(diào)制度。 采用角調(diào)制表示： bbTtTttx0 ,21cos bbTtTtty0 ,21sin復(fù)包絡(luò)函數(shù) tjytxtg)(其中： tbdmFjTtjeetg022/)(bTttm0 , 1)(其中：5 . 0222bbdF

14、TFT調(diào)制度：最大頻偏：RTFb4121MSK具有恒包絡(luò)，對功放的線性要求低。MSK的誤碼性能的誤碼性能 MSK誤碼性能和QPSK一樣。高斯濾波高斯濾波MSK（GMSK） 在進(jìn)行MSK調(diào)制之前，先對基帶信號使用高斯濾波器進(jìn)行成型濾波，抑制頻譜邊帶。GMSK 高斯濾波器在抑制頻譜帶寬的同時，造成碼間干擾。BT值變小，邊帶抑制變好但是碼間干擾增大。GMSK的誤碼性能的誤碼性能 同樣，GMSK的誤碼隨BT變小而惡化。正交幅度調(diào)制（正交幅度調(diào)制（QAM） QAM信號由兩個正交的DSB信號合成。 QPSK就是最簡單的4-QAM。fttyfttxts2sin)(2cos)()(x(t),y(t)取多進(jìn)制極

15、性碼QAM信號的解調(diào)信號的解調(diào) QAM信號需要采用相干解調(diào)。 QAM解調(diào)需要恢復(fù)載波，一般有三類方法： 采用QPSK的恢復(fù)環(huán)路進(jìn)行統(tǒng)計跟蹤。 矢量扣除法。 采用通用載波恢復(fù)環(huán)。QAM信號載波恢復(fù)信號載波恢復(fù) 采用QPSK的恢復(fù)環(huán)路進(jìn)行統(tǒng)計跟蹤。 只對對角線上的符號進(jìn)行跟蹤。 所有符號隨機(jī)分布，偏離對角線的符號作為干擾矢量。 采用窄帶環(huán)路濾波，跟蹤性能不好。QAM信號載波恢復(fù)信號載波恢復(fù) 矢量扣除法 識別偏離對角線的符號，并予以扣除。 在基帶信號上扣除，或在誤差信號上扣除。 矢量扣除造成環(huán)路增益低。矢量扣除法矢量扣除法 矢量扣除法,采用了誤差扣除方式。QAM信號載波恢復(fù)信號載波恢復(fù) 采用通用載波

16、恢復(fù)環(huán)（Universal Carrier Recovering Loop）。QAM信號載波恢復(fù)信號載波恢復(fù) 采用通用載波恢復(fù)環(huán)的多電平判決和奇偶校驗實現(xiàn)。16QAM：M-QAM：QAM的性能的性能 QAM的誤比特性能0220212log311212log31111NEMMerfcMNEMMerfcMPbbs022212log311log2log1NEMMerfcMMPMPbsb網(wǎng)格編碼調(diào)制（網(wǎng)格編碼調(diào)制（TCM） 將卷積型糾錯編碼和多進(jìn)制調(diào)制結(jié)合起來。 內(nèi)碼（Inner Coding）和外碼（Outer Coding）。 m/(m+1)的TCM調(diào)制通用模型。 在m位符號中插入1位冗余位。關(guān)于

17、卷積糾錯編碼，相信編解碼專題講座中會有更精彩的介紹。TCM調(diào)制調(diào)制 8-PSK的TCM調(diào)制，a)4狀態(tài) b)8狀態(tài)TCM調(diào)制調(diào)制 8-PSK的符號集分割。 不再對單個符號進(jìn)行硬判決。 對由多個符號串聯(lián)起來的符號序列進(jìn)行軟判決。最大似然檢測。符號間距離逐漸增大。2/3編碼的8PSK和4PSK具有一樣的頻譜效率，卻獲得3dB的編碼增益。信號失真在星座圖上的影響信號失真在星座圖上的影響 白噪聲、相位抖動、諧波失真直接序列擴(kuò)頻（直接序列擴(kuò)頻（DSSS） 極性碼頻譜第一零點是一倍基帶速率?；鶐俾试礁?，頻譜越寬。 DSSS采用一個偽噪聲序列碼(PN)，來提高基帶速率，擴(kuò)展了信號頻譜。帶寬擴(kuò)展因子功率譜密

18、度低，類似百噪聲長碼和短碼長碼和短碼 PN碼片（Chip）在一個符號內(nèi)，稱為短碼系統(tǒng)； PN碼片跨越多個符號，也就是每個符號內(nèi)的PN序列不同，稱為長碼系統(tǒng)。DSSS調(diào)制調(diào)制 典型的調(diào)制結(jié)構(gòu)。 調(diào)制類型可以是PSK和正交調(diào)制。白噪聲白噪聲 白噪聲的特性。PN碼的特性碼的特性 平衡（序列求和不大于1，直流電平小，載波抑制） 平均（連碼幾率小，頻率豐富） 自相關(guān) 互相關(guān) 正交碼不相關(guān)。PN碼類型碼類型 M序列（m-sequence）碼，和擾碼一節(jié)內(nèi)容一樣。PN碼類型碼類型 巴克（Barker）碼脈沖壓縮雷達(dá)通過巴克碼調(diào)制后，可提高目標(biāo)檢測能力。802.11采用11位巴克碼作為調(diào)制碼。PN碼類型碼類型

19、 黃金碼（Gold codes）,由兩個m序列碼相加得到。 互相關(guān)性能得到控制。 自相關(guān)特性有損傷。GPS中的C/A碼就是一種Gold碼PN碼類型碼類型 沃什碼（Hadamard-Walsh Codes） 長度為N的碼集 產(chǎn)生算法 列與列正交 同步CDMA利用此特性獲得優(yōu)越的互相關(guān)性能。Hadamard-Walsh Codes也用于分組糾錯變碼WCDMA碼信道DSSS解調(diào)解調(diào) DSSS的典型解調(diào)框圖PN碼匹配濾波器碼匹配濾波器 采用抽頭移位寄存器結(jié)構(gòu)。采用抽頭移位寄存器的接收機(jī)稱為RAKE接收機(jī)。PN碼匹配濾波器碼匹配濾波器 采用積分采樣濾波器PN碼同步碼同步 串行同步。PN碼同步碼同步 超前

20、滯后環(huán)。窄帶干擾時的解調(diào)窄帶干擾時的解調(diào) PN碼的相關(guān)特性，對接收信號是解擴(kuò)的過程，對窄帶干擾變成了擴(kuò)頻的過程。 抗干擾解擴(kuò)的過程是信號的功率壓縮，而干擾的功率擴(kuò)展，從而使SNR提高寬帶干擾時的解調(diào)寬帶干擾時的解調(diào) PN碼的相關(guān)特性，對接收信號（PN碼相同）是解擴(kuò)的過程，對寬帶干擾（PN碼不同）沒有作用。 多用戶，碼分子信道。多用戶時，需要選擇互相關(guān)特性好的的碼序列集。白噪聲條件下的解調(diào)白噪聲條件下的解調(diào) PN碼的自相關(guān)特性，對接收信號（PN碼相同）是解擴(kuò)的過程，對白噪聲沒有作用。 負(fù)信噪比檢測。因為碼元能量相同，DSSS和相同速率的傳統(tǒng)調(diào)制方法誤碼性能是一樣的。跳頻擴(kuò)頻（跳頻擴(kuò)頻（FHSS）

21、 將調(diào)制和跳頻相結(jié)合。 將整個擴(kuò)頻帶寬分成若干個傳統(tǒng)調(diào)制信道，信號在這些信道內(nèi)以PN碼驅(qū)動調(diào)頻。瞬間是窄帶信號，平均起來是寬帶。DSSS是PN碼相移，F(xiàn)HSS是PN碼頻移。快跳頻和慢跳頻快跳頻和慢跳頻 一個符號內(nèi)有多個調(diào)頻，稱為快跳。 一個調(diào)頻內(nèi)有多個符號，稱為慢跳。FHSS的解調(diào)的解調(diào) 接收機(jī)采用和發(fā)射機(jī)相同的PN碼，非相干解調(diào)。 信號通過跳頻減少窄帶干擾的時間。 多用戶采用不同的PN碼作為調(diào)頻序列。采用非相關(guān)軟判決時，F(xiàn)SK的誤碼性能：N是頻點數(shù)。雷達(dá)中可以通過線性調(diào)頻方式進(jìn)行脈沖壓縮，獲得信噪比增益。正交頻分復(fù)用（正交頻分復(fù)用（OFDM） 利用多個正交的子載波同時傳送數(shù)據(jù)。由于使用了子載

22、波，使得頻率選擇性衰落變成了單載波的平衰落。在ADSL的DMT調(diào)制中，每個子載波可以選擇不同的調(diào)制方式。OFDM的框圖的框圖 采用頻域綜合的方式。BPSK調(diào)試時的誤碼性能：相信OFDM專題講座中會有更精彩的介紹。幀同步幀同步 區(qū)分串行數(shù)據(jù)，將之轉(zhuǎn)化為字和字節(jié)。 識別正確數(shù)據(jù)，解決相位模糊問題。 提供糾錯解碼電路的同步時鐘。 確定糾錯編碼的碼塊，比如DVB中用0 x47標(biāo)志MPEG幀頭，RS解碼器此刻復(fù)位，開始接收碼字。 也可以作為識別擾碼的起點，比如DVB將8個MPEG幀放在一起，將第一個幀0 x47取反為0 xB8，解擾器此刻復(fù)位，重置種子，開始解擾。 突發(fā)調(diào)制技術(shù)中，作為數(shù)據(jù)捕獲的關(guān)鍵字（

23、Unique Word）,解調(diào)器通過相干算法，估計出載波相位、時鐘相位的初始值，以實現(xiàn)恢復(fù)環(huán)路快速入鎖。 關(guān)鍵字位于幀的頭部，稱為前導(dǎo)（Preamble）。突發(fā)調(diào)制技術(shù)突發(fā)調(diào)制技術(shù) 需要快速恢復(fù)載波和符號。 同樣采用增加前導(dǎo)碼（Preamble） 1載波的同步； 2符號（碼）的同步； 3突發(fā)幀的起始位置的同步；突發(fā)調(diào)制技術(shù)突發(fā)調(diào)制技術(shù) 一般情況下Preamble包括三個部分的數(shù)字序列， 一段不變化的符號序列，信號呈現(xiàn)CW狀態(tài)，利于載波恢復(fù)； 一段符號盡可能的變化，有豐富的過零點，利于符號的恢復(fù)； 一個相關(guān)性很好的Uique Word，用于突發(fā)幀起始位置的確定。 現(xiàn)在的Preamble 一般就是

24、一個單一的Uique Word 一般一個相關(guān)性很好的Uique Word，它的過零點也是很豐富的，一旦找到幀的起始位置，就可以去除信號上的調(diào)制，恢復(fù)載波和同步信息。Compl e xSa mpl e s1- SymbolDe l a yCor r e l a t orCompl e xConj uga t e采用差分編碼延遲解調(diào)，對解調(diào)數(shù)據(jù)取相關(guān)，產(chǎn)生幀定位。調(diào)制技術(shù)兩個重要比較調(diào)制技術(shù)兩個重要比較 功率效率（Power Efficiency） 信號的噪聲免疫能力，表示為Eb/No，信號位能量和噪聲功率密度的比值。 對一種調(diào)制方式來說，就是需要提高多大的信號功率可以獲得相應(yīng)的BER性能。 比如DSSS可以在噪聲電平以下（負(fù)信噪比）檢測信號。 頻譜效率（Spectral Efficiency） 在有限的帶寬內(nèi)傳送數(shù)據(jù)的能力。使用每赫茲比特率表示：rb/BT bps/Hz。頻譜效率的極限依據(jù)香農(nóng)（Shannon）定律得出：C/B=log2(1+S/N) 數(shù)據(jù)率和碼寬度的折衷。 1024QAM信號在一個碼寬度（碼周期）能可傳送10bit數(shù)據(jù)。調(diào)制技術(shù)兩個重要比較調(diào)制技術(shù)兩個重要比較 幾種調(diào)制方法的功率效率和頻譜效率410b