（通信与信息系统专业论文）qam调制解调技术的研究和实现.pdf

：一：一：= ：一塑：鋈型些坠篓兰垒：一：一：一 摘要 众所周知。信息传输的核心问题是有效性和可靠性，调制解调技术的发 展正是体现了：这思想。从最早的模拟调幅调频技术的日臻完善，到现在数 字调制技术的广泛运用，使得信息的传输更为有效和可靠。 本文所介绍的调制技术( q a m ) 应用范围非常广泛，它不仅应用在移动通 信领域，还在数字视频广播卫星通信( d v b s ) 、有线电视传输等领域得到广 泛应用。q a m 调制技术之所以得到如此广泛的应用，在于它具有很高的频 带利用率，这在带宽资源不是很丰富的移动通信和卫星通信中更显现出该调 制技术的优越性。 本文首先介绍了2 a s k 、b p s k 和q p s k 信号的产生和解调原理，这些 是q a m 调制技术的基础，q a m 调制技术是在a s k 、p s k 基础上发展起来 的一种调制方式。然后，提出了一种基于c p l d 的q a m 中频调制和解调方 案及其实现方法。调制和解调采用了1 6 q a m ，完成了从基带到中频和中频 到基带的变换，电路中采用了集成芯片，大大缩小了该部分电路的面积，使 整个系统的小型化成为可能。论文重点讨论了实现调制和解调所用到的基础 理论和部分实现电路，以及实现方案。 本文所设计的方案实现了q a m 调制和解调。该方案提出的思想和方法 对自适应调制系统和m q a m 变速率调制系统的设计奠定了基础。 关键词调制器；解调器；载波恢复；q a m 一些堡型鳖鎏塑些墼堕坠一 a b s t r a c t a se v e r y o n ek n o w s ，t h ek e yq u e s t i o no ft h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni s v a l i d i t ya n dd e p e n d a b i l i t y t h ed e v e l o p m e n to fm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n t e c h n o l o g yi s t or e f l e c tt h i st h o u g h t f r o mt h ee a r l i e s ti n t e g r i t yo ft h ea n a l o g a m p l i t u d em o d d a t i o na n df r e q u e n c ym o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t ot h ew i d e l yu s e o fd i g i t a lm o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s n o w a d a y s ，a l lt e c h n o l o g i e s m a k et h e i n f o r i l l a t i o nt r a a s m i s s i o nm o r ee f f e c t i v ea n dl l a b l e t h em o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ( q a m ) r e c o m m e n d e do ft h i sp a p e ri sw i d e l y u s e d ，a n di ti su s e dn o to n l yi nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nf i e l d ，b u ta l s oi no t h e r f i e l d s ，s u c ha sd i g i i a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ( d v b s ) f i e l d ，w i r e dt e b x i s i o nt r a n s m i s s i o nf i e l d ，e t e t h er e a s o n sw h yq a mm o d u l a t i o n t e c h n o l o g yg e t t ：s oe x t e n s i v ea p p l i c a b l el i e si ni t sh i g hf r e q u e n c yb a n du t i l i z a t i o n r a t i o 1 1 1 i si st h em o d u l a t i o nt e c h n o l o g ys u p e r i o r i t yi nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n a n ds a t e l l i t ec c m m u n i c a t i o nf i e l d s ，i nw h i c ht h eb a n d w i d t hr e s o u r c e sa r en o ts o a b u n d a n t f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ef o r m u l a t i o no f2 a s k ，b p s ka n dq p s k s i g n a la n dd e m o d u l a t i o np r i n t i p l e s ，w h i c ha r e t h eb a s i so fq a mm o d u l a t e t e c h n o l o g y q a mi sak i n do fm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hd e v e l o p e do nt h e b a s i so fa s k ，p s km o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s t h e n ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r da r e t h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns c h e m ea n dt h er e a l i z a t i o nm e t h o do fq a mi f s i g n a lb a s e dg nc p l d m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na d o p t16 q a m ，w h i c h f i n i s ht h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nt h eb a s e b a n da n di n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya r e a s t h ei n t e g r a t e dc h i pi nt h ec i r c u i t ，w h i c hg r e a t l yn a r r o w i n gt h ec o r r e s p o n d i n g c i r c u i ta r e a m l 妇i tp o s s i b l et om i n i m i z et h ew h o l es y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e s o nt h eb a s i st h eo r yo fm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na n dp a r t l yr e a l i z i n gc i r c u i t t h es c h e m ed e s i g n e di nt h i s p a p e rh a sr e a l i z e d t h em o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o nc fq a m t h et h o u g h ta n dm e t h o di nt h i ss c h e m ei st h ef u n d a m e n t o ft h e s e l f - a d a p t a t i o nm o d u l a t i o ns y s t e ma n dt h em q a ms p e e dc h a n g i n g m o d u l a t i o ns y s t e m k e y w o r d sm o d u l a t o r , d e m o d u l a t o r , c a r r i e rr e c o v e r y , q a m i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景与意义 第l 章绪论 1 1 1q a m 在移动通信中的应用 随着移动用户数量的不断增加，传统通信系统的容量已经越来越不能满 足通信的要求。而可用频带资源有限，也不能靠无限增加频道数目来解决系 统容量问题。另外，人们亦不满足移动通信单一的语音服务，希望能利用移 动电话进行图像等多媒体信息的通信。在i m t 2 0 0 0 国际标准中定义的未来 个人通信，是多种业务的综合，它不仅有传统的语音服务( 9 6 k b p s ) ，还需提 供更高速率的( 3 8 4 k b p s ，2 m b p s ) 的多媒体业务。对于这些高速数据的传输， 如果采用一般的调制技术，信道带宽将会急剧增加，从而进一步加剧频率资 源紧张的状况 因此，如何在有限的频谱资源中提供高容量、高速率的多媒体综合业 务，是移动通富领域中一个令人关注的课题。而确定一种高频谱利用率的调 制方案能在很大程度上解决上述问题。 移动通信系统的无线信道传输环境，通常被认为是一种较为恶劣的传输 环境。它不像有线信道那样具有固定的和可预见的特性，而是有较强的随机 性，还存在同频道干扰和相邻频带干扰等。因此，与有线通信相比，移动通 信系统对调制技术的性能还需要有更高的要求，包括以下几点i lj ： ( 1 ) 高的频带利用率( 单位为b i t ( s h z ) ) ； ( 2 ) 信号功率与同频道的干扰功率比( c 伽要高于某一“安全”阈值； f 3 ) 已调信号的频带窄，带外辐射功率小，对邻近信道的干扰小： ( 4 ) 抗多径衰落能力强； ( 5 ) 恒定或近似恒定的已调信号包络，具有较高的功放效率： ( 6 ) 调制解凋设备简单。 不过，在某一确定的应用环境下，一种调制方式不可能同时满足上述要 求，而只能侧重于某些方面的性能。现有移动通信系统的主要业务是低速的 语音服务，其核心问题是提高语音服务的质量。因此，对其相应调制技术的 要求是具有很好的抗干扰能力，且带外辐射小。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 对第三代移动通信系统而言，除了要考虑提高语音服务质量之外，更重 要的是要解决：； 何在有限频带资源中提供多媒体综合业务。因此，第三代移 动通信系统在选择调制方案时，就不能只考虑抗干扰性能，而应更多考虑频 带利用率与灵活性。传统的调制方案只适用于低容量、低速率的语音服务， 却难以满足高容量、高速率的多媒体业务。而正交振幅调制( q a m ， q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 是一种具有高频谱利用率，且可以根据传 输环境与传输信源的不同，自适应地调整其调制速率的调制技术，因此能很 好地缓和可用频带紧张状况及实现多速率的多媒体综合业务传输【2 1 。 随着微蜂 鲟( m i c r o c e l l ) 与微微蜂窝( p i c r o c e l l ) 的出现，小区的半径越来越 小，通信距离很短。由于传输路径很短，收发信机之间的障碍较少，信道的 衰落状况就有r 很好的改善。接收信号中就会存在较强的直达分量，多径衰 落特性由r a y i e i g h 衰落变为r i c i a n 衰落，对振幅的影响就相应减小了。这 样，原来被认为不适合传统移动信道的q a m 也可以在r i c i a n 信道中使用。 q a m 调制方式有效缓解了传输网络的带宽矛盾。一般数字调制方式下，通 常一个码元携带l b i t 的信息，而q a m 调制的调制信号幅度和相位都携带信 息，对应m q a m 中随m 值的增大，所携带的信息量也随着增加，例如 1 6 q a m 中一个码元携带4 b i t 的信息，6 4 q a m 中一个码元携带6 b i t 的信 息，m q a m 中一个码元携带n ( 2 u = m ) b i t 的信息，大大提高了信道的频谱利 用率p ，4 】。因此，q a m 调制方式广泛的应用于传输领域。 而且，q t _ m 的码间距比m a s k ，m p s k 的要大，所以在提高频带利用 率基础上，对。吴码率的影响不大，也是它得到广泛应用的一个原因。 1 1 2q a m 在国内外的研究现状及分析 随着q a m 调制技术在移动通信中的应用及其技术的发展，以及越来越 多的信息量传揄的要求。q a m 调制技术在有线数字电视的前端调制和接收 以及v d s l 宽带传输中也得到了广泛应用【5 扣j 。 蓝拓扑于1 9 9 9 年1 0 月在国内率先推出数字有线电视( d v b c ) q a m 调 制器，结束了中国有线数字电视市场没有国产q a m 调制器的历史。q a m 调制器是有线数字电视前端专用设备，其功能是接收来自m p e g 2 视频服务 器、复用器等设备的传输流数据( t s 流1 ，进行纠错编码和q a m 调制，输出 的射频信号直接在有线电视网上传送。目前，国内的q a m 数字调制器的调 制方式支持4 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 、2 5 6 q a m ，输入数据流的比特率：2 5 6 m b p s ，输出射频信号频率在4 7 8 7 0 m h z 范围，频带带宽8 m h z 。 在v d s l 调制技术过程中，根据技术分析，采用q a m 调制技术在系统 功耗、抗噪声性能和互操作性等方面具有更优的性能，q a m 技术是v d s l 应用的最佳选择之一”。q a m 调制技术专注于v d s l 信号的时域处理，考 虑了线路上信号的串行和模拟特性，并对系统中的数字和模拟信号进行优 化。 v d s l 5 1 0 0 是一种正交幅度调制芯片组，它是英飞凌公司的提供的超高 速数字用户线路芯片。完全符合所有国际标准的要求，其设计是要支持在单 一的铜双扭线进行7 0 4 0 m b p s 的非对称式数据通信与5 0 5 0 m b p s 的对称式 数据通信。v f s l 5 1 0 0 的特色是计算机软件所控制的频率规划与传输协议选 择，包括能在整个v d s l 标准所界定的频谱中，提供灵活频率分配的原生 以太网络与异步传输模式( a t m ) 。 可见，q a m 调制技术不论在d v b c 、v d s l 宽带传输中【9 】还是在无线 领域的移动通府中的应用日益重要。利用q a m 调制技术可以更有效的利用 频率带宽。卓联半导体公司( z a r z i n ks e m i c o n d u c t 0 0 在2 0 0 4 年6 月7 日推出 了业界第一款符合新的d v b - s 2 ( 数字视频广播卫星2 ) 国际传输标准的单片 调谐器z l l 0 0 3 8 。z l l 0 0 3 8 调谐器是为先进卫星s t b ( 机顶盒) 而设计的，用 于向用户提伊高速i n t e r n e t 、h d t v ( 高清晰度电视) 和其他宽带业务。在 z l l 0 0 3 8 调谐器中就使用了1 6 q a m 调制方式【8 1 。 在欧洲、北美、东亚地区的政府和研究机构，以及诺基亚、爱立信、 n t td o c o m o 等企业推出的4 g 技术标准中，调制方式均采用了q p s k ( 4 q a m ) 、1 6 q a m 或6 4 q a m 。 1 2 p l d 在通信中的应用 1 2 1p l d 的基本概念 p l d 是可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i e e ) l 臼简称，f p g a 是 现场可编 f 3 ) 够) j ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的简称，两者的功能基本 相同，编程等过程也基本相同，只是芯片内部的实现原理和结构略有不同， 可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或c p l d f p g a 或 p l d 10 1 。 p l d 作为信号快速处理与传输的载体之一，正日益受到科学界与工程 堕签墨三些奎兰三兰塑主兰垡丝苎 界的关注。随着数字电路技术的不断发展，p l d 的内部集成越来越高，运 算速度越来越快( 时钟高频化) 。开发p l d 在通信方面的应用，使其代替其 它通信专用芯寺实现调制解调的功能，这是课题的一个重大意义所在。 简单地讲：p l d 是这样一种a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ，专用集成电 路) ：内部有才：量的门电路，通过软件编程可以实现这些门电路不同的连接 关系，从而整个p l d 对外就完成了不同的功能，并且这些门电路的连接关 系可以用软件编程重复改变。 p l d 是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝 毫不亚于7 0 年代单片机的发明和使用。可以毫不夸张的讲，p l d 能完成任 何数字器件的叻能，上至高性能c p u ，下至简单的门电路，都可以用p l d 来实现。p l d 如同一张白纸或者是一堆积木，工程师可以通过传统的原理 输入法，或是硬件描述语言( v e r i l o g h d l 、v h d l 、a h d l 等) 自由的设计一 个数字系统。通过软件仿真我们可以事先验证设计的正确性。在p c b 完成 以后，还可以利用p l d 的在线编程功能，随时修改设计而不必改动硬件电 路。使用p l d 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少p c b 面积， 提高系统的可靠性。 1 2 2p l d 的发展历程及概述 当今社会黾数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成 电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集 成电路、发展到超大规模集成电路( v l s i c ) 以及许多具有特定功能的专用集 成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完 全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计a s i c 芯片，而 且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的 a s i c 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件 ( f p l d ) ，其中应用最广泛的当属f p g a 和c p l d 。早期的可编程逻辑器件只 有可编程只读存储器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存储器r ( e p r o m ) 和电可擦 除只读存储器( e e p r o m ) = 种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字 逻辑功能。其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器 件，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门和一个 “或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与或”表达式描述， 所以，p l d 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。 一塑墼些堂塑堡些篁塑_ 一 这一阶段f | 勺产品主要由p a l ( 可编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用逻辑阵列) 。 p a l 由一个面编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输 出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。p a l 器件是现场可编程的， 它的实现工艺肓反熔丝技术、e p r o m 技术和e e p r o m 技术。还有一类结 构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列( p l a ) ，它也由一个“与”平面和 一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。p l a 器件 既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在p a l 的基础上，又发展了一种 通用阵列逻辑g a l ，如g a l l 6 v 8 ，g a l 2 2 v 1 0 等。它采用e e p r o m 工 艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而 它的设计具有j 艮强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的p l d 器件 的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构 也使它们只能实现规模较小的电路【l “。 为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期。a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了 类似于p a l 结构的扩展型c p l d 和与标准门逻辑类似的f p g a ，它们都具 有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件 兼容了p l d ：阳通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵 活。与门阵列等其它a s i c 相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成 本低、开发工足先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等 优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。几乎所有应用门 阵列、p l d 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用p l d 器件。 1 2 3p l d 的优点 p l d 芯片都是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外，还 具有以下几个特点： ( 1 ) 随着v l s i c 工艺的不断提高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体 管，p l d 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所 能实现的功能趣越来越强，同时也可以实现系统集成； ( 2 ) p l d 五：片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担 投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件 环境来完成芯片的最终功能设计。所以p l d 的资金投入小，节省了许多潜 在的花费； ( 3 ) 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用 一一堕玺苎三些盔堂三兰堡圭兰垡丝苎 不同软件就可实现不同的功能。所以，用p l d 试制样片，能以最快的速度 占领市场。p l d 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和 编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编 译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出 p l d 的优势。电路设计人员使用p l d 进行电路设计时，不需要具备专门的 集成电路深层次的知识，p l d 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精 力进行电路设汁，快速将产品推向市场。 1 2 4 数字信号处理的特点 与模拟信号处理相比，数字信号处理有如下特点： ( 1 ) 可程控性，可以只涉及一个硬件配置，然后设计各种软件来执行多 样的信号处理l 壬务，如一个数字滤波器，可以通过重新编程来完成低通、高 通、带通和带i 俎等不同的滤波任务； ( 2 ) 稳定性好，没有时漂、温漂； ( 3 ) 可重复性好，无论多少台计算机去计算同一序列的和，都会提供一 模一样的结果而模拟电路则不可能； ( 4 ) 易于实现自适应算法； ( 5 ) p l d 是基于大规模的集成电路。 随着微电子技术的发展，通信传输中越来越广泛地应用数字信号处理， 数字信号处理较传统的模拟信号处理的优点不断在实际应用中得到体现： ( 1 ) 数字信号较模拟信号处理具有较大抗干扰能力，易于实现机器设备 之间的匹配； ( 2 ) 数据处理具有较高的信噪比，在处理过程中不会产生噪声累积； ( 3 ) 数字数据具有高度的灵活性，易于处理、缓存、组合，可以时分多 用、并行处理具有极好的重现性、可靠性和预见性，对噪声、非平衡干扰 和多径干扰，都有相应的方法进行信号处理。 1 3 本文主要研究内容 本课题研究了q a m 调制、解调的原理，着重研究了1 6 q a m 调制器、 解调器的原理。设计和实现，在深入研究调制解调部分的组成、功能、算法 及c p l d 结构功能的基础上，从硬件和软件两方面，开发了基于c p l d 的 1 6 q a m 调制解调模块，从而提高传输频带的利用率。具体研究内容如下： 。：一丝垩些兰堂型兰些耋：一 ( 1 ) 对调制、解调技术进行了一定的分析和研究，为具体实现q a m 的调 制、解调系统敞理论基础。 ( 2 ) 介绍了q a m 调制、解调原理并给出了实现方法。 ( 3 ) 提出了一种基于c p l d 的q a m 调制、解调的实现方法：用q u a r t u s i i 软件设计完成c p l d 内部电路功能。 ( 4 ) 设计了一种采用c p l d 为基础平台的调制、解调的方案。硬件平台 上用c p l d 、r f 2 7 1 3 核心器件，配以a d ，d a 转换器等外围器件实现了 具体电路设计。 ( 5 ) 在硬件的基础上，通过b y t e b l a s t e r m vp c 并口下载电缆，把计算机 内通过q u a r t u si i 仿真生成的+ p o f 文件下载到c p l d 芯片，并进行硬件调 试。 1 4 本文结构 本文的第l 章介绍了本课题的背景、意义、国内外的研究现状及分析和 课题研究的内容；第2 章介绍了数字调制技术的部分理论基础知识，如 2 a s k 、b p s k q p s k 调制解调等，以及在此基础上产生的q a m 调制解调 技术；第3 章主要介绍了1 6 q a m 调制器的设计方案、硬件实现、软件算法 以及器件原理等；第4 章阐述了1 6 q a m 解调器的原理、硬件设计方案和软 件算法实现等内容，并通过调试试验板和进行仿真来证实结论；最后给出了 本文的结论。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章调制解调技术的基础理论 2 1 调制的慧义 所谓调制就是把信号变换成适合于在传输电路中进行传输的形式的一 种过程。与其相反的过程就是解调。在无线通信中，基本的调制方法是使电 磁波( 即载波) 的振幅、相位、频率等随着基带信号( 调制信号) 的电压而变 换。信号中所雹含的信息，经过调制后，由基带变换到载波频带，通过发信 机和收信机传输以后，进行解调，再变换为基带。 数字信号调制解调过程如图2 1 所示。 t x ：发信机 r x ：收信机 m o d ：数字调制器 d e m o d ：数字解调器 图2 - 1 数字信号调制解调过程 数字信号育两种传输方式：基带传输和频带传输。基带传输就是数字信 号直接传送：频带传输是用基带信号调制载波后的传输方式。 数字调制共有三种基本形式：a s k ( 振幅键控) 、f s k ( 频移键控) 和 p s k ( 相移键控) ，其它形式的调制都是在这三种方式上衍生而来的。也可以 分为线形( a s k ) 调制和非线性( f s k ，p s k ) 调制两种方式。 2 22 a s k 调制解调原理 2 2 12 a s k 调制 2 a s k 概念：用二进制的数字信号去调制等幅的载波。即传“1 ”信号 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ；= = = = = = = = = = = = = = = = ! = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = 兰= = = = = = = = ! = = 竺= = = = = = = = = = = = = 皇苎 时，发送载波，传“0 ”信号时，送0 电平。所以也称这种调制为通( o n ) 、 断( o 键控o o k 。2 a s k 信号可表示为： 瓢( ，) = s ( t ) e o s c o o t = a g ( t - n t , ) c o s c o o t ( 2 1 ) 式中j ( f 卜一髓机的单极性矩形脉冲序列； g ( f 卜持续时间为瓦的矩形脉冲； f l ，出现概率为p 如2 0 ，出现概率为( 1 - p ) 。 2 a s k 信号产生模型如图2 2 所示。 图2 - 22 a s k 信号产生模型 2 2 22 a s k 解调 2 a s k 相干解调组成原理框图如图2 3 所示。 图2 - 32 a s k 相干解调原理框图 当2 a , s k1 言号通过乘法器和低通滤波器之后，在抽样判决器输出端得到 的波形s ( f ) 。 2 3b p s k 调制解调原理 2 3 1b p s k 调制 b p s k 方式是键控的载波相位按基带脉冲序列( 二进制) 的规律而改变的 数字调制方式1 2 】。b p s k 的信号形式一般表示为： 一篁墼坐些星丝型堡些二一 s ( t ) = ：a g ( t - n t ) c o s ( ( o o t ) ( 2 - 2 ) ” 式中日r 一发送二进制符号0 时a n 取1 ，发送二进制符号1 时a 。取- l ； “，) 一持续时间为r 的矩形脉冲。 在用b p s k 调制方式时由于发送端以某个相位作基准，因而在接收端也 必须有这样一个固定的基准相位作参考。如果参考相位发生变化，则接收端 恢复的信息就二会出错。即存在相位模糊现象。为此，在实际中一般采用差分 相移键控( d p s 目。d p s k 是利用前后相邻码元的相对载波相位去表示数字信 息的一种表示疗法。d p s k 和b p s k 只是对信源数据的编码不同。在实现 d p s k 调制时，只要先把源信息序列( 绝对码) 变换成相对码，然后进行 b p s k 调制就可以了。相对码就是按相邻符号不变表示原信息0 ，相邻符号 改变表示原信患1 的规律变换而成的。 在一般情况下，b p s k 与2 a s k 的功率谱一样，但2 a s k 信号总存在离 散谱，b p s k 可能无离散谱。二者带宽相同。b p s k 的波形如图2 - 4 所示。 r e ( t ) 图2 4 b p s k 信号波形 2 3 2b p s k 解调 b p s k 相二产解调组成原理框图如图2 5 所示。 本地载波定时脉冲 图2 - 5b p s k 相干解调原理框图 堕玺鎏三些奎兰三兰塑圭兰垡兰苎 _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 当b p s k 信号通过乘法器和低通滤波器之后，在抽样判决器输出端得到 的波形s ( 0 。 2 4 多进制数字相位调制的原理 多进制数字相位调制又称多相制，它是利用载波的多种不同相位( 或相 位差) 来表征数字信息的调制方式。 由于m 种相位可以用来表示k 比特码元的2 种状态，故有2 。= m 。假 设k 比特码元昀持续时间为瓦，则m 相调制波形的表达式为： s ( t ) = g ( f n t , ) c o s ( c 0 0 t + q k ) ：圭g ( f 一门i ) c 。s 卜g g ( f n i ) s i n r 。3 式中伊r 受调相位，可以有肘种不同取值； k = c o s , o k ； b = s i n 妒k 。 2 4 1q p s k 调制解调原理 四相制与二相制相似，可以分为四相绝对移相调制( 记为4 p s k 或q p s k ) 和四相相对移相调制( 记为4 d p s k 或d q p s k ) 。 ( 1 ) q p s k 概念按照传送码元对应的载波的起始相位的不同，分为a 、 b 两种方式。 对于a 方式和b 方式均可以用矢量图2 - 6 表示。 位 l o a 方式b 方式 图2 - 6q p s k 信号的矢量图 a 方式传送的码元与载波起始相位对应关系如下： 当传双比特码元o o 时，发送起始相位为0 。的载波：当传x 2 e v , 特码元 1 0 时，发送起始相位为4 5 0 的载波：当传双比特码元1 1 时，发送起始相位 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 为9 0 0 的载波；当传双比特码元0 1 时，发送起始相位为2 2 5 0 的载波。按这 种定义方式定义的q p s k 系统称r d 2 系统( 也称a 方式) 。 对q p s k 涪号还有另外一种定义方式：称兀4 系统或b 方式。具体定义 如下： 当传双比特码元o o 时，发送起始相位为4 5 0 的载波；当传双比特码元 1 0 时，发送起始相位为1 3 5 0 的载波；当传双比特码元11 对，发送起始相 位为2 2 5 0 的载波；当传双比特码元0 l 时，发送起始相位为3 1 5 0 的载波。 ( 2 ) q p s k 调制q p s k 的信号产生有两种方法： 调相法：它是由两路相互正交的b p s k 相加构成。调相法产生q p s k 的系统框图如图2 7 所示。 图2 - 7 调相法产生q p s k 的系统框图 图2 7 中串并变换器将输入的二进制序列变成两路并行的双极性序 列，将这两路信号分别进行b p s k 调制后再相加，这样就得到的q p s k 信 号。 相位选择法：用相位选择法产生q p s k 信号的原理如图2 8 所示。 簇h 逻辑选相电路h 瓣 4 5 0 i1 3 5 0 i1 2 2 5 。1 3 1 5 。 四相载波发生器 图2 - 8 相位选择法产生q p s k 的系统框图 四相载波发生器分别送出调相所需的四种不同相位的载波。按照串并 变换器输出的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波。 ( 3 ) q p s k 解调q p s k 信号可以看作是两个正交b p s k 信号的合成，所 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 以它可以采用与b p s k 信号相似的解调方法进行解调，即由两个b p s k 信号 相干解调器构成，其组成方框图如图2 9 所示。 图2 - 9 q p s k 解调方框图 在q p s k 系统中仍然存在相位模糊的现象，所以真正实用的四相调相 信号也是d q p s k 。 2 4 2d q p s i ( 调制解调原理 ( 1 ) d q p s i t ：概念传双比特码元o o 时，载波的起始相位与前一双比特码 元的载波起始：馆位相同，l i p , a q , = 0 0 ；传双比特码元l o 时，载波的起始相位 与前一双比特码元的载波起始相位相差9 0 0 ，即a q = 9 0 0 ：传双比特码元1 1 时，载波的起始相位与前一双比特码元的载波起始相位相差1 8 0 0 ，l i p a q = 1 8 0 0 ：传双比特码元0 1 时，载波的起始相位与前一双比特码元的载波起始 相位相差2 7 0 0 ，即q = 2 7 0 0 。按这种定义方式定义的d q p s k 系统称r d 2 系 统( 也称a 方式) 。 如果是7 l 饵系统( 也称b 方式) ，则传“o o ”时，a t p = 4 5 。；传“1 0 ” 时，中= 1 3 5 。，传“l l ”时，币= 2 2 5 。；传“o l ”时，平= 3 1 5 。 对于a 方式和b 方式可以用矢量图2 - 1 0 表示。 1 0 0 0 0 l 图2 - 1 0d q p s k 信号的矢量图 ( 2 ) d q p s i q 调制d q p s k 信号的产生方法：先将输入的双比特码元经码 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 型变换，再用码型变换器输出的双比特码元进行q p s k 调制，则所得到的 输出信号便是d q p s k 信号。通常采用的方法是码变换加调相法、码变换加 相位选择法。 码变换加凋相法，它产生的d q p s k 信号的原理框图与调相法产生的 q p s k 信号框图基本相同，只是在串并转换器后面多个码变换器。 码变换加相位选择法，它产生的d q p s k 信号原理框图与相位选择法产 生q p s k 信号的原理框图基本相同。只是，逻辑选相电路除具有按规定选 择载波的相位：外，还应该具有将绝对码转换成相对码的功能。 ( 3 ) d q p s g 解调d q p s k 信号的解调方法有极性比较法和相位比较法两 种方式。两种方式的解调方法同q p s k 大致相同，只是先把抽样判决之后 的码元进行与同制过程相反的码元变换，然后通过并串转换器输出。 2 5 正交幅度调制 图2 - 1 1 是4 a s k 调制和8 p s k 调制信号的空间矢量图。从图2 - 1 1 中的 矢量端点分布直观的观察可以看出：单独使用幅度或者相位携带数据信息 时，信号空间得不到最充分的利用。a s k 信号的矢量端点分布在同一条直 线上，p s k 信号的矢量端点分布在同一个圆上。随着信号数的增加，各矢 量端点之间的最小距离也将随之减小，相应的误码率也就随之增加。如果我 们将矢量端点合理的分配到信号空间平面上，就可以增加端点之间的最小距 8 p s k 图2 - 1 14 a s k 和8 p s k 空问矢量图 离，也就减少了误码率。q a m 调制方式就是把调制波的相位和振幅结合起 来，让相位、：辐度都携带信息。在信号最大幅度为1 的情况下，以1 6 p s k 和方型1 6 q a m 为例，两者码间距分别为【1 3 】： 勰= 2 s ；n 景= 吣，、= 熹= ， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 可见方型的1 6 q a m 的码间距要比1 6 p s k 码间距大些，对提高接收端 的识别和降低误码率有好处。 2 5 1q a m 调制原理 在通信传输领域中，为了使有限的带宽有更高的信息传输速率，负载更 多的用户必须采用先进的调制技术，提高频谱利用率。q a m 就是一种频率 利用率很高的调制技术。 所谓正交幅度调制，就是用两个独立的基带信号对两个相互正交的同频 载波进行抑制载波的双边带调s t l ( d s b ) ，利用同一带宽内频谱的正交性来实 现i 、q 两路并行信号的传输。正交幅度调制的一般表达式为1 1 4 】： l ，( f ) = 4c o s m o t + 蛾s i n t a o t ( 2 - 4 ) 式中 c o s 0 ) o 卜一同相信号或者i 信号； s i n t o o 卜一正交信号或者o 信号； 爿。，岛，分别为载波c o s f o o r ，s i n c o o t 的离散振幅； 舯一d 。和的电平数，取值1 ，2 ，m 。 一。和巩确定q a m 信号在信号空间的坐标点。称这种抑制载波的双边 带调制方式为正交幅度调制。 1 6 q a m 信号的产生有两种基本方法：一种是正交调幅法，它是用两路 正交的4 a s k 信号迭加而成；另一种是复合相移法，它是用两路独立的 q p s k 信号迭加而成。 f 1 ) i f 交调幅法正交调幅法原理图如图2 1 2 所示。 图2 - 1 2 正交调幅法原理图 在发射端，调制比特数据经过串并转换后分成两部分，分别进行2 4 值电平转换。然后通过低通滤波器，抑制调制信号的带外辐射功率，再与两 堕玺鎏三些盔堂三兰堡主堂丝丝苎 。一 路相位相差9 c o 的同频载波相乘，构成两路4 a s k 信号，最后两路4 a s k 信 号相加输出1 f q a m 调制信号y ( d 。此种方法需要的调制器数量少，结构简 单 1 5 , 1 6 1 。 ( 2 ) 复合相移法复合相移法产生的1 6 q a m 信号的矢量图如图2 - 1 3 所 示。 0 1 1 1 b 2 a 2 0 0 上 1 1 1 0 l o 第一支路第二支路 、6 棚2 b l 口 0 1 0 10 1 0 00 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1o l h厕“0 0 1 0 、 1 1 0 11 l 归0 0 11 0 0 0 x 1 1 1 11 l l o1 0 1 l1 0 1 0 图2 - 1 3 复合相移法产生的1 6 q a m