第4-軟件無線電基本算法課件

1、本章主要內(nèi)容基于正交調(diào)制的調(diào)制算法基于正交調(diào)制的解調(diào)算法同步技術(shù)及相關(guān)算法通信調(diào)制樣式識(shí)別 4.1 軟件無線電中的調(diào)制算法4.1.1 信號(hào)調(diào)制通用模型 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。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 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

2、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。4.1.2 模擬信號(hào)調(diào)制算法1.調(diào)頻（FM） 調(diào)頻就是載波頻率隨調(diào)制信號(hào)成線性變化的一種調(diào)制方式。令：將s(t)的表達(dá)式展開，帶入u(t)化簡(jiǎn)，可得： 可以看出：2、調(diào)幅（AM） 調(diào)幅就是使載波的振幅隨調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律而變化。 從信號(hào)表達(dá)式中，我們很容易得出：3、雙邊帶信號(hào)（DSB） 雙邊帶信號(hào)是由載波同調(diào)制信號(hào)直接相乘得到的，只有上、下邊帶分量，無載波分量。 要實(shí)現(xiàn)正交信號(hào)只需令：4、單邊帶信號(hào)（SSB) SSB是濾除雙邊帶信號(hào)的一個(gè)邊帶而得到的。 LSSB表達(dá)式： USSB表達(dá)式： 其中， 代表Hilbert變換。對(duì)LSSB: 對(duì)USS

3、B:4.1.3 數(shù)字信號(hào)調(diào)制算法1、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。其中，m(t)為單極性脈沖，可以表示為： ( g(t)是持續(xù)時(shí)間為T的矩形脈沖， an 是信號(hào)源給出的二進(jìn)制符號(hào)）要實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制，只要令： I(t) = 0 Q(t) = m(t)2、二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)（2FSK） 2FSK是符號(hào)0對(duì)應(yīng)載波頻率為w1，符號(hào)1對(duì)應(yīng)載波頻率為w2的以調(diào)波形。3、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。 ( an取值為1；發(fā)0時(shí)取1，發(fā)1時(shí)取-1）4、DPSK調(diào)制： DPSK調(diào)

4、制是利用前后相鄰碼元的相對(duì)載波相位去表示數(shù)字信息的一種表示方式。它與PSK的區(qū)別僅僅在于編碼方式不同。5、M進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制（MFSK）：MFSK是FSK的直接推廣！ 式中， m (m = 0, 1, , M-1) 是與an 相對(duì)應(yīng)的載波角頻率偏移6、M進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制（MASK）7、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： MASK與ASK在調(diào)制方式上無本質(zhì)的區(qū)別。 an為信源給出的M進(jìn)制電平。8、正交振幅調(diào)制（QAM） QAM是一種多進(jìn)制混合調(diào)幅調(diào)相的調(diào)制方式。通常用星座圖可以直觀的表示出來。QAM信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：只要令： 就可以實(shí)現(xiàn)

5、QAM信號(hào)了。 4.2 軟件無線電解調(diào)算法4.2.1 信號(hào)解調(diào)通用模型 軟件無線電幾乎所有的功能都靠軟件來實(shí)現(xiàn)，解調(diào)也不例外。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)，所以，在軟件無線電中，選取了數(shù)字正交解調(diào)法。 根據(jù)以上思想，我們可以構(gòu)建一個(gè)通用模型，通過加載不同的軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)所有信號(hào)的解調(diào)。LPFLPFNCO解調(diào)算法解調(diào)輸出數(shù)字正交解調(diào)的通用模型 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： 則 s(n) 可以表示成： 顯然，XI(n) 為同相分量，XQ (n) 為

6、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) 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： 調(diào)幅（AM）調(diào)制 調(diào)相（PM）調(diào)制 調(diào)頻（FM）調(diào)制 針對(duì)信號(hào)的調(diào)制方式，我們可以這樣來解調(diào)：1. AM類2. PM類3. FM類4.2.2 模擬信號(hào)解調(diào)算法1. AM解調(diào) 解調(diào)方法： （1）根據(jù)通用模型求出XI(n)與 XQ(n) （2）按照調(diào)幅類解調(diào)方法求出A(n)3）在AM調(diào)制中， （m (n)為調(diào)制信號(hào)）所以，只需減去

7、一個(gè)常數(shù)，就能得到調(diào)制信號(hào) m (n) 2. DSB解調(diào)（調(diào)幅類） （1）根據(jù)通用模型求出XI (n)與 XQ (n) （2）按照調(diào)幅類解調(diào)方法求出A(n) （3）在DSB調(diào)制中，A(n)就是調(diào)制信號(hào) m(n)DSB信號(hào)解調(diào)時(shí)要求本地載頻與信號(hào)載頻同相，此時(shí)，同相分量的輸出就是解調(diào)信號(hào)。就不必在進(jìn)行上述第二步的運(yùn)算。同頻同相本地載波的提取，可以利用數(shù)字科斯塔斯環(huán)獲得。3. SSB解調(diào)（調(diào)幅類） 方法1：通用解調(diào)模型 1）根據(jù)通用模型求出 XI(n) 與 XQ(n) 2）由SSB表達(dá)式可知， XI(n)就是調(diào)制信號(hào)m (n) SSB解調(diào)方法二： 該方法主要利用了Hilbert變換的性質(zhì)，即：Hi

8、lbert變換NCO解調(diào)輸出按照上圖的運(yùn)算過程有： 所以，經(jīng)上述運(yùn)算就可以解調(diào)出調(diào)制信號(hào)4. FM解調(diào) （1）根據(jù)通用模型求出XI(n)與 XQ(n) （2）按照調(diào)頻類解調(diào)方法求出f(n) 3）可以看出，在FM中，f(n)就是調(diào)制信號(hào)m(n)乘上一個(gè)系數(shù)。同AM信號(hào)一樣，F(xiàn)M信號(hào)用正交解調(diào)方法解調(diào)時(shí)，有較強(qiáng)的抗載頻失配能力。當(dāng)本地載頻與信號(hào)載頻存在頻差和相差時(shí)，同相分量和正交分量可以表示為： 同樣對(duì)正交與同相分量之比值進(jìn)行反切及差分運(yùn)算，就可以得到： 由此可見，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)。4.2.3 數(shù)字調(diào)制信號(hào)的算法1. AS

9、K解調(diào) （1）根據(jù)通用模型求出XI(n)與 XQ(n) （2）按照調(diào)幅類解調(diào)方法求出A(n) （3）對(duì)于ASK信號(hào),只需要抽樣判決，就可以得到調(diào)制碼元 am 。 ASK信號(hào)的正交解調(diào)性能和AM一樣，具有較強(qiáng)的抗載頻失配能力。（MASK信號(hào)的解調(diào)方法與ASK一樣）2. FSK解調(diào) （1）根據(jù)通用模型求出XI(n)與 XQ(n) （2）按照調(diào)頻類解調(diào)方法求出f(n) （3）對(duì)FSK信號(hào)，在計(jì)算出瞬時(shí)頻率f(n)后，對(duì)f(n)經(jīng)抽樣門限判決，即可得到調(diào)制信號(hào)am 。 （MFSK信號(hào)的解調(diào)方法與FSK一樣）3. MSK解調(diào) （1）根據(jù)通用模型求出XI(n)與 XQ(n) （2）按照調(diào)頻類解調(diào)方法求出f

10、(n)（3）抽樣判決，恢復(fù)碼元 （GMSK與SFSK的解調(diào)方式與MSK相同）4. PSK解調(diào) （1）根據(jù)通用模型求出XI(n)與 XQ(n) （2）按照調(diào)相類解調(diào)方法求出（3）對(duì)PSK信號(hào)，計(jì)算出瞬時(shí)相位 后， 對(duì) 進(jìn)行抽樣判決，即可得到調(diào)制信號(hào) 。 【注意】在解調(diào)時(shí)，需要本地載波與信號(hào)載波嚴(yán)格的同頻同相，才能計(jì)算出 ，同頻同相可由數(shù)字科斯塔斯環(huán)獲得。 （MPSK信號(hào)的解調(diào)方法與PSK類似）5. QPSK信號(hào)解調(diào) 方法一： 將QPSK可以看成兩個(gè)BPSK信號(hào)的組合。 （1）根據(jù)通用模型求出XI(n)與 XQ(n)（2）分別對(duì)XI(n)與 XQ(n)進(jìn)行抽樣判決，即 可恢復(fù)出并行數(shù)據(jù)。 （3）并

11、串轉(zhuǎn)換，得到調(diào)制信號(hào) (OQPSK信號(hào)的解調(diào)與QPSK類似）QPSK信號(hào)解調(diào)方法二： QPSK的一般表達(dá)式為： （1）正交分解可得： （2）計(jì)算出 ，并算出 的值 （3）根據(jù) 的值查表編碼00011011QPSK信號(hào)解調(diào)摸板 4.3 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。載波同步是實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。 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。 本節(jié)主要討論了一些同步技術(shù)。4.3.1 載波同步 載波同步的方法可以分為兩類： 第一類：插入導(dǎo)頻法. 發(fā)送有用

12、信號(hào)的同時(shí)發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào) （極少采用） 第二類：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) 這種方法是設(shè)法從接收信號(hào)中提取同步載波。有些信號(hào)，如DSB-SC、PSK等，它們雖然本身不直接含有載波分量，但經(jīng)過某種非線性變換后，將具有載波的諧波分量， 因而可從中提取出載波分量來。下面介紹幾種常用的方法。1）平方變換法 所謂平方變換法就是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行平方后，獲取所需的載波。原理圖如下：直接法載波同步平方律部件2fS 窄帶濾波器二分頻器信號(hào)輸入載波輸出平方法載波同步此方法廣泛用于建立抑制載波雙邊帶信號(hào)的載波同步。設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)無直流分量，則抑

13、制載波的雙邊帶信號(hào)為： 接收端將該信號(hào)經(jīng)過非線性變換平方律器件后得到： 上式的第二項(xiàng)包含有載波的倍頻2c的分量。若用一窄帶濾波器將2c頻率分量濾出，再進(jìn)行二分頻，就可獲得所需的相干載波。4.3.2 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。 它與載波同步有一定的相似和區(qū)別。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)，只有數(shù)字通信才需要， 并且不論基帶傳輸還是頻帶傳輸都需要位同步；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)方法也有插入導(dǎo)頻法（外同步法）和直接法（自

14、同步法）。 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延遲相干法鎖相法 位同步鎖相法的基本原理與載波同步的類似，在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產(chǎn)生的位同步信號(hào)的相位，若兩者相位不一致（超前或滯后），鑒相器就產(chǎn)生誤差信號(hào)去調(diào)整位同步信號(hào)的相位，直至獲得準(zhǔn)確的位同步信號(hào)為止。2、外同步（插入導(dǎo)頻法） 在發(fā)射端專門發(fā)射導(dǎo)頻信號(hào)。4.3.3 幀同步 數(shù)字通信時(shí)，一般總是以若干個(gè)碼元組成幀，以幀為單位進(jìn)行傳輸。幀同步的任務(wù)就是在位同步的基礎(chǔ)上識(shí)別出這

15、些數(shù)字信息幀的“開頭”和“結(jié)尾”的時(shí)刻，使接收設(shè)備的幀定時(shí)與接收到的信號(hào)中的幀定時(shí)處于同步狀態(tài)。方法： 幀同步通常利用在數(shù)字信息流中插入特殊的碼組作為每幀的頭尾標(biāo)記。該碼組應(yīng)在信息碼中很少出現(xiàn)，即使偶爾出現(xiàn)，也不可能依照幀的規(guī)律周期出現(xiàn)。在接收端產(chǎn)生出與發(fā)射端相同的碼組，并與收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，當(dāng)相關(guān)值最大的時(shí)候，就認(rèn)為找到了幀的起始位置。 因此，幀同步的關(guān)鍵是尋找實(shí)現(xiàn)同步的特殊碼組。對(duì)該碼組的基本要求是 （1）具有尖銳單峰特性的自相關(guān)函數(shù)； （2）便于與信息碼區(qū)別； （3）碼長(zhǎng)適當(dāng)，以保證 傳輸效率。 符合上述要求的特殊碼組有：全0碼、全1碼、1與0交替碼、 巴克碼、電話基群幀同步碼0011011。目前常用的幀同步碼組是巴克碼。 巴克碼巴克碼是一種有限長(zhǎng)的非周期序列。它的定義如下： 一個(gè)n位長(zhǎng)的碼組 x1, x2, x3， ，xn，其中xi的取值為+1或1， 若它的局部相關(guān)函數(shù) 則稱這種碼組為巴克碼。目前已找到的所有巴克碼組如下表所示。其中的、號(hào)表示xi的取值為+1、 -1，分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制碼的“1”或“0