第五講：軟件無線電調制解調技術-20130328-范玉衡

第五講：數(shù)字調制解調技術主講人：李玉柏ybli@1第一節(jié)：軟件無線電中數(shù)字調制

通用算法在當代通信中，通信信號的種類繁多，如果按照常規(guī)的方法，產生一種信號就要一種硬件電路，那么，要使一個通信機產生多種信號，其電路就會極其復雜，體積、重量都會很大。軟件無線電中，各種調制信號是以一個通用的數(shù)字信號處理平臺為支撐，利用各種軟件來產生的。這就是正交調制算法2信源I多相濾波相乘信源Q多相濾波相乘相加正交調制的實現(xiàn)框圖1）數(shù)字調制通用算法——正交調制3從理論上來說，各種信號都可以用正交調制的方法來實現(xiàn)，其表達式：

調制信號的信息都應該包括在I(t)和Q(t)內。另外，由于各種調制信號都在數(shù)字域實現(xiàn)的，因此，在數(shù)字域上實現(xiàn)時要對上式進行數(shù)字化。軟件無線電中的調制通用算法42）典型數(shù)字信號的調制算法振幅鍵控信號（2ASK）：一個二進制的振幅鍵控信號可以表示為一個單極性脈沖和一個正弦信號相乘。2FSK是符號0對應載波頻率為ω1，符號1對應載波頻率為ω2的以調波形。52FSK的IQ正交調制表達式二進制頻移鍵控信號（2FSK）的表達式：

請給出該調制的正交分量、的表達式;6典型數(shù)字信號的調制算法二進制相移鍵控信號（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)字調制方式。

(βn取值為±1；αn發(fā)0時取1，發(fā)1時取-1）四進制數(shù)字相位調制（QPSK）是受信息控制的相位參數(shù)，它有四種可能的取值。對QPSK而言：7最小頻移鍵控（MSK）：就是調制指數(shù)最?。╤=0.5）的連續(xù)相位的FSK。

式中T為碼元寬度，an為±1，是第n個碼元的起始相位：

只要把數(shù)據進行適當?shù)木幋a，同樣可以用調頻的方法實現(xiàn)MSK信號的調制。典型數(shù)字信號的調制算法8GMSK調制信號

GMSK調制就是把輸入數(shù)據經過高斯低通濾波器進行預調制濾波后，再進行MSK調制信號的數(shù)字調制方式。

這種信號具有恒復包絡，功率譜集中，頻譜較窄等特點。（前面已述）典型數(shù)字信號的調制算法9第二節(jié)、軟件無線電數(shù)字通用解調算法1）信號解調通用模型從理論上說，正交解調法可以對所有的樣式進行解調。在軟件無線電中選取數(shù)字正交解調法。LPFLPFNCO解調算法解調輸出數(shù)字正交解調的通用模型10盡管調制的樣式多種多樣，但實質上不外乎用調制信號去控制載波的某一個或者幾個參數(shù)。因此，一般的已調信號都可以表示成：的形式。通過對上式的分解，我們可以得到：

令：信號解調通用模型11則s(n)可以表示成：

顯然，XI(n)為同相分量，XQ(n)為正交分量。

因此，解調的關鍵是求出XI(n)與XQ(n)，因為信號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提取機帶信號信號解調通用模型12知道了XI(n)與XQ(n)，我們可以對各式各樣的信號進行解調。總的說來，信號的調制方式包含在一下三大類中：信號解調通用模型1）AM類2）PM類3）FM類13在調相類與調頻類的解調中，對的計算時要進行除法與反正切運算，這對非專用的數(shù)字處理器來說是比較復雜的。因此，我們不得不尋求其他的簡便方法來解決這個問題。信號解調通用模型14通用正交解調算法是建立在相關接收的基礎上。接收機本地產生同頻同相的本振信號：2）解調算法的載頻失配問題如果本地產生的本振信號存在頻率和相位偏差，稱為失配，將影響接收性能。對于調幅信號具有抗失配能力15對于調頻信號，正交解調得到：可見當載波失配和差相是常量時，解調輸出只不過增加了一個直流分量，減去該分量，就可以得到解調信號。有一定的抗失配能力！但性能下降！解調算法的載頻失配問題16對于調相信號，如BPSK/QPSK/MSK等，正交解調要得到相位：解調算法的載頻失配問題顯然調相信號沒有抗失配能力，因此本地信號必須實現(xiàn)同頻同相：工程上采用載波同步技術來實現(xiàn)！！17第三節(jié)：軟件無線電中的同步技術在相干解調時，接收端需要提供一個與接收信號中的調制載波同頻同相的相干載波。這個載波的獲取稱為載波提取或載波同步。在數(shù)字通信中，還需要知道碼元的起始時刻以及幀的開始與結束，故還需要幀同步與位同步。181）載波同步載波同步的方法可以分為兩類：插入導頻法：發(fā)送有用信號的同時發(fā)送導頻信號；直接法：從收到的信號中提取。

1）平方變換法

2）同相正交鎖相環(huán)法

3）DSP通過軟件實現(xiàn)19正交鎖相環(huán)法（科斯塔斯鎖相環(huán)）LPFLPFVCO環(huán)路濾波信號輸入I支路Q支路科斯塔斯環(huán)原理框圖V1V2V3V5V4V6Vd輸出信號20設輸入的抑制載波雙邊帶信號為：并假定環(huán)路鎖定，且不考慮噪聲的影響，則

VCO輸出的兩路互為正交的本地載波分別為

式中，θ

為VCO輸出信號與輸入已調信號載波之間的相位誤差。正交鎖相環(huán)法（科斯塔斯鎖相環(huán)）21信號分別與v1、v2相乘后得：

經低通濾波后分別為正交鎖相環(huán)法（科斯塔斯鎖相環(huán)）22式中的可能是直流1，或者可以分解為直流和交流分量。由于鎖相環(huán)作為載波提取環(huán)時，其環(huán)路濾波器的帶寬設計的很窄，只有中的直流分量可以通過，因此vd可寫成：正交鎖相環(huán)法（科斯塔斯鎖相環(huán)）低通濾波器應該允許m(t)通過。V5、V6相乘產生誤差信號。23如果我們把圖中除環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）以外的部分看成一個等效鑒相器（PD），其輸出vd正是我們所需要的誤差電壓。通過環(huán)路濾波器濾波后去控制VCO的相位和頻率，最終使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數(shù)值，而Vd沒有剩余頻差（即頻率與ωc同頻）。此時VCO的輸出V1=cos(ωct+θ)就是所需的同步載波，而

V5=1/2m(t)cosθ≈1/2m(t)

就是解調輸出。正交鎖相環(huán)法（科斯塔斯鎖相環(huán)）242）位同步位同步是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程。它與載波同步存在異同。載波同步是相干解調的基礎，而位同步是定時的基礎。位同步是正確取樣判決的基礎，所提取的位同步信息是頻率等于碼速率的定時脈沖，相位則根據判決時信號波形決定，可能在碼元中間，也可能在碼元終止時刻或其他時刻。實現(xiàn)方法有延遲相關法、包絡檢波法和波形變換法等。25將接收信號與一定的延遲信號相乘，得到位時鐘的幾波信號分量，來提取位同步信號。該方法與相干解調類似，不過其遲延時間要小于接收碼長T。接收信號與延遲信號相乘后，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的頻率分量。移相遲延提純脈沖形成遲延相干法原理框圖BPSK的延遲相干法26這是一種從頻帶受限的中頻PSK信號中提取位同步信息的方法，其波形圖如下圖所示。當接收端帶通濾波器的帶寬小于