（电路与系统专业论文）高码率64qam调制器的研究.pdf

摘要 摘要 9 0 年代以来，随着电信传输技术的不断发展，同步数字系y f j ( s d h ) 成为新一代 数字传输体制。目前，在数字微波传输网中s d h 逐步取代了原来所使用的准同步 数字系列( p d h ) 。s d h 体制具有传输容量大、组网灵活、长途传输质量高等优点， 因而其应用日益广泛。s d h 的广泛应用对基带信号的处理方式、纠错编码在数字 微波系统中的应用以及高效率的数字微波调制技术等都提出了新的要求。 在调制解调方面，随着中、大容量数字微波通信系统的快速发展，系统的数 据传输速率要求越来越高，频谱资源的紧张程度也在不断加剧。传统的移幅键控 ( a s k ) 、移相键控( p s k ) 和移频键控( f s k ) 这三种数字调制解调方式因其较低的频谱 利用率，已经很难满足需要了。m 进制正交振幅调制与解调( m q a m ) 作为一种高 效的频谱利用方式，成为了目前国内外研究的热点。 在基带信号的处理方面，m q a m 调制的基带信号需要经过扰码、串并转换、 差分编码和星座图映射等处理。 在纠错编、译码的处理方面，m q a m 调制要求纠错码具有相位透明性。l e e 氏纠错码具有相位透明性和较低冗余度，在m q a m 调制系统中应用较多。 本文完成了一个6 4 q a m 调制系统的完整设计，包括基带处理部分、差错控制 部分和正交调制部分，并通过仿真测试。基带信号的数据速率为7 5 m b p s 。纠错码 采用能纠单个l e e 氏错误的一种l e e 氏码8 进n ( 8 4 ，8 1 ) s l e c 码。基带信号 的处理和纠错编码处理采用了f p g a 实现。同时，本系统还完全兼容q p s k 调制 方式以及m q a m ( m = 8 ，1 6 ，3 2 ，1 0 2 4 ) 调制方式。 本文还提出了一种易于实现的m q a m 调制系统的构造；一种新型的能够克服 亚稳态发生的异步f i f o 的实现方法；一种新型的适合于f p g a 实现的l e e 氏纠 错编码的硬件实现方法。 下面是本文的内容安排： 第一章：绪论，介绍了无线通信的发展概况及发展趋势。阐明了本课题的研 究意义以及本文的主要工作内容。 第二章：无线调制传输方式研究。研究了无线通信中常用的数字调制方式及 解调的实现方式，其中包括b p s k 调制、q p s k 调制、m s k 调制、f s k 调制和q a m 调制等。 摘要 第三章：基带信号处理的研究。介绍了q a m 调制所需的基带信号处理的内容 和方法。包括扰码、差分编码和l e e 氏纠错码的原理和实现方法。 第四章：6 4 q a m 调制器方案设计。详细介绍了本课题6 4 q a m 调制器的实现 方案。将整个系统划分为几个模块，分别介绍其实现方法，并给出仿真数据。 第五章：6 4 q a m 调制器的电路实现及实验结果。 第六章：全文总结。全面总结了本文所完成的工作及意义。 关键词：q a m 调制，l e e 氏纠错码，异步f i f o ，f p g a i i a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c e9 0 ，w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft e l e c o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y , s y n c h r o n o u sd i s t a ls e r i e sh a sb e e ng r a d u a l l yb e c o m e st h en e wd i g i t a l t r a n s m i s s i o ns y s t e m n o w , s d hh a sg r a d u a l l yt a k e np l a c eo ft h eq u a s i 。s y n c h r o n o u s d i g i t a ls e r i e s ( p d h ) u s e di no l dd a y si nd i g i t a lm i c r o w a v e t r a n s m i s s i o nn e t w o r k s d h i s c h a r a c t e r i s t i cw i t hl a r g et r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , n e t w o r ka g i l i t y , l o n g - h a u l t r a n s m i s s i o na n dh i g hq u a l i t y t h e r e f o r e ，i ti sw i d e l yu s e d t h ew i d ea p p l i c a t i o np u t f o r w a r dt h en e wd e m a n d so fh a n d l i n gs t y l e ，e r r o r - c o r r e c t i n gc o d e su s e di nd i g i t a l m i c r o w a v es y s t e ma n dh i g h e f f i c i e n c ym o d u l a t i o nt e c h n i q u ei nd i g i t a lm i c r o w a v e s y s t e m i nm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na r e a , w i mt h ef a s td e v e l o p m e n to fm e d i u ma n d l a r g ec a p a c i t yd i g i t a l m i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h er e q u i r e m e n to fd a t a t r a n s m i s s i o nr a t ei nas y s t e mi sh i g h e ra n dh i g h e r , a l s o ，t h ei n t e n s ed e g r e eo fs p e c t r u m r e s o u r c e si sm u c hs t r o n g e r t h et h r e et r a d i t i o n a ld i g i t a lm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n t y p e s ，a m p l i t u d e s h i f tk e y i n g ( a s k ) ，f r e q u e n c y - s h i f tk e y i n g ( p s k ) a n dp h a s e - s h i f t k e y i n g ( f s k ) ，b e c a m eh a r d l ys a t i s f i e d t h en e e d sa n ym o r e ，f o ri t sl o ws p e c t r u m e f f i c i e n c y m - a r yq 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 na n dd e m o d u l a t i o n ( m q a m ) b e c a m e t h es t u d yf o c u si n t e r n a t i o n a l l y , a sw e l la sn a t i o n a l l y i nb a s e b a n dp r o c e s s i n ga r e a ，b a s e - b a n ds i g n a lo fm q a mm o d u l a t i o nn e e d s c r a m b l i n gc o d e ， s e r i a l p a r a l l e lc o n v e r s i o n , d i f f e r e n t i a le n c o d i n ga n dc o n s t e l l a t i o n m a p p i n gp r o c e s s i n g ，e r e i ne r r o r - c o r r e c t i n ge n c o d i n ga n dd e c o d i n ga r e a ,m 删 m o d u l a t i o nr e q u i r e s e r r o r - c o r r e c t i n gh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fp h a s et r a n s p a r e n c y l e ee r r o r - c o r r e c t i n gi s b o t ho fp h a s et r a n s p a r e n c ya n dl o w e rr e d u n d a n c y , u s e di nm q a m m o d u l a t i o ns y s t e ma l o t t h i sa r t i c l ec o n t a i n saw h o l ed e s i g no f6 4 q a m ，i n c l u d i n gt h ep a r to f b a s e b a n d p r o c e s s i n g ，e r r o rc o n t r o la n dq u a d r a t u r em o d u l a t i o n ，a n dp a s s e d t h es i m u l a t i o nt e s t t h e d a t ar a t eo fb a s e - b a n di s7 5 m b p s e r r o rc o r r e c t i n gc o d ea d o p t sal e ee r r o r - c o r r e c t i n g ， w h i c hi sc a p a b l eo fc o r r e c t i n go n eo ft h es i n g l el e ee r r o rt h a ti s8 一a r yc o d e ( 8 4 ，81 ) i u a b s t r a c t s l e cc o d e t h eh a n d l i n go fb a s e b a n ds i g n a la n de r r o r - c o r r e c t i n ge n c o d i n gh a sb e e n i m p l i c a t e db yf p g a a tt h es a m et i m e ，t h i ss y s t e m i sf u l l yc o m p a t i b l eo fq p s k m o d u l a t i o nf o r ma n dm q a m ( m = 8 ，1 6 ，3 2 ，1 0 2 4 ) m o d u l a t i o nf o r m t h i sa r t i c l em e n t i o n e da ne a s yr e a l i z a t i o ns t r u c t u r eo fm q a mm o d u l a t i o ns y s t e m ； an e wr e a l i z a t i o nm e t h o do fa s y n c h r o n o u sf i f ow h i c hi sc a p a b l eo fo v e r c o m i n g m e t a s t a b l es t a t e t oo c c u r ；a l s oan e wr e a l i z a t i o nm e t h o do fl e ee r r o r - c o r r e c t i n g e n c o d i n ga d a p t i n gt of p g a b d o wi st h ea r r a n g e m e n to f “sp a p e r ： c h a p t e ro n e ：i n t r o d u c t i o n i n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt r e n do f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dc l a r i f y i n gt h es i g n i f i c a n c eo ft h em s e a r c hs u b j e c t ，a sw e l l a st h em a i ni d e ao ft h ep a p e r c h a p t e rt w o ：r e s e a r c ho fw i r e l e s sm o d u l a t i o nt r a n s m i s s i o nm o d e s t u d y i n gt h e m o s tu s e dd i 【g i t a lm o d u l a t i o nt y p e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i n c l u d i n gp s k m o d u l a t i o n ，q p s km o d u l a t i o n ，m s km o d u l a t i o n ，f s k m o d u l a t i o na n dq a m m o d u l a t i o n ，e t c c h a p t e rt h r e e ：r e s e a r c ho fb a s e - b a n ds i g n a lp r o c e s s i n g i n t r o d u c i n gt h ec o n t e n t a n dm e t h o do fb a s e - b a n ds i g n a lp r o c e s s i n gr e q u i r e db yq a m m o d u l a t i o n ；i n c l u d i n go f t h et h e o r ya n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fs c r a m b l i n gc o d e ，d i f f e r e n t i a le n c o d i n ga n dl e e e r r o r - c o r r e c t i n ge n c o d i n g c h a p t e rf o u r ：d e s i g no f6 4 q a mm o d u l a t o rp l a n t h a ti sw r i t i n gs p e c i f i c a l l yt h e r e a l i z a t i o np l a no ft h e6 4 q a mm o d u l a t o r d i v i d e st h ew h o l es y s t e mi n t oaf e wm o d u l e s ； i n t r o d u c e de a c hr e a l i z a t i o nm e t h o d ，a n dg i v et h es i m u l a t i o nd a t a c h a p t e rf i v e ：t h ec i r c u i ta p p l i c a t i o na n d t e s tr e s u l to f6 4 q a m m o d u l a t o r c h a p t e rs i x ：s u m m a r i z e t h a ti ss u m m a r i z i n gt h ew h o l ew o r ka n ds i g n i f i c a n c ei n t h i sp 印e r k e y w o r d s ：q a mm o d u l a t i o n ，l e ee r r o r - c o r r e c t i n ge n c o d i n g , a s y n c h r o n o u sf i f o ， f p g a i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：细牙年5 月弘日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝导师签名：盟 日期：加缪年歹月。目 第一章引言 第一章引言 人类社会是建立在信息交流的基础上的，通信是推动人类社会文明、进步与 发展的巨大动力。人类的通信方式也由最初的语言、人力、马力以及烽火台等原 始通信方式进入了信息时代，通信的种类日益繁多，包括有线通信、无线通信、 微波通信、光网络通信等。现代通信系统是信息时代的生命线。现代通信网不再 是单一的电话网或电报文字通信网，而是一个综合性的为多种信息服务的通信网。 为了适应世界性的经济活动的需要，人类已经迅速建立起世界性的全球通信网。 当前，电信市场中全球竞争日趋激烈，发展渐趋缓慢。但无线通信领域依然 保持了较好的增长势头。特别是在中国，移动通信增长持续强劲，成为整个电信 产业发展支柱和强劲拉动力量。近期，除传统的移动通信技术的应用推广，无线 新技术层出不穷，使无线通信领域呈现出勃勃生机。随着无线通信市场的成长， 无线通信与人们生活其他领域的结合，孕育着新的无限广阔的发展空间，比如当 前的照相手机，未来的手机身份认识，手机数字电视等。未来的手机可能成为每 个人随身的超级智能终端，其功能将延伸至人们生活的各个邻域。也许在未来的 某一天，货币将终结于无线终端。无线代表了人类对自由的渴望，而各种功能向 无线的集成，已经成为人类科技发展的重要方向【3 1 。 1 1移动通信的发展概述【l 】 移动通信是指移动体之间或者移动物体与固定物体之间的通信。陆地公众蜂 窝移动通信是一个典型的移动通信系统。而借助于超大规模集成电路( v s l i ) 技术、 计算机技术和网络通信技术的最新研究成果，未来的移动通信将能够达到在任何 时i n ( a n y t i m e ) 、任何地点( a n y w h e r e ) 、向任何人( a n y b o d y ) 提供可靠而高效通信服 务的终极目标。 早在1 8 9 7 年马可尼就是在移动物体与固定物体之间进行并完成无线通信试验 的因此，无线电通信诞生之日即是移动通信产生之时。但是，真正的移动通信技 术的发展应从2 0 世纪2 0 年代开始。其代表是美国供警察使用的车载无线电系统， 它是工作在2 m h z 的专用移动通信系统，不能与公众网相联接。2 0 世纪4 0 年代开 始了建立公用移动通信系统阶段。美国首先建立了世界上第一个公用汽车电话网， 电子科技大学硕士学位论文 可实现人工交换与公众电话网的连接，但网络容量较小。2 0 世纪6 0 年代，移动通 信实现了无线频道的自动选择和与公众电话网的自动拨号连接。并且开拓了 15 0 m h z 和4 5 0 m h z 工作频段。从而形成了移动通信的无线传输、信道管理及移动 交换的基本技术。 自2 0 世纪7 0 年代中期以来，移动通信迎来了其蓬勃发展的时期。1 9 7 8 年， 美国贝尔实验室提出了蜂窝通信的概念并研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，使 得第一代大容量公众蜂窝通信系统得以迅猛发展，这是现代通信发展史上的重要 里程碑。微电子技术、蜂窝小区技术、v l s i 技术和计算机技术为第一代模拟移动 通信系统提供了商用的必要条件。第一代移动通信系统的推出满足了用户对移动 通信的实际需求，用户数量增加很快，而用户的膨胀进一步推动了移动通信系统 新技术的研发和商用。中国第一代模拟移动通信系统自2 0 世纪9 0 年代初正式运 营，到2 0 0 0 年模拟系统彻底退出了现网运营。 8 0 年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统( g s m ) ，随后美国和日本等 也相继推出了各自的第二代数字移动通信系统。2 0 世纪9 0 年代初，美国高通 f q u a l c o m m ) 公司推出了窄带码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统i s 9 5 。第二代数 字移动通信系统具有比第一代模拟移动通信系统大得多的网络容量、更佳的安全 保密性和更好的通信质量等优点，自推出以来得到了极大的发展。在中国，g s m 系统自2 0 世纪9 0 年代中期正式运营以来，几年时间里以超常规的速度发展，至 2 0 0 3 年2 月底移动通信用户己经达到2 亿1 千6 百万户，移动电话用户普及率达 到了1 6 2 部百人。手机从最初的高消费品和身份的象征己经蜕变成现在的普通电 子消费品，给人们的生产和生活带来极大的方便。 第二代移动通信系统主要是为支持话音业务和低数据速率业务而设计的。而 从2 0 世纪9 0 年代中期开始的计算机互联网浪潮更将数据业务的应用推上了前所 未有的高潮，w w w 浏览、收发e m a i l ，视频音频点播、网上资料查询甚至网上直 播在短短的时间内己经成为一种时尚生活方式，成为现代生活不可或缺的部分。 中国移动己将现有第二代g s m 网升级到通用分组数据业务( g p r s ) ，中国联通将 c d m a o n e 升级到c d m a 2 0 0 0 1 x ，两种号称二代半技术的应用都是为了迎合用户 的数据需求。同时“信息化带动工业化”已经成为传统工业企业加强管理和进一 步发展的推动力。 目前存在两种不同的技术观点：一种是移动通信网络从g s m g p r s w c d m a h s d p a 逐步演进：第二种是采用无线宽带接入技术如8 0 2 1 1 ( w e a n ) 和 8 0 2 1 6 ( w m a n ) 来补充甚至替代现有的二代半网络。两种观点表明了未来蜂窝移动 2 第一章引言 通信发展的趋势：基于m 的核心网络能够无缝接入各种使用不同通信技术的无线 网络。 1 2 移动通信技术对传输调制方式的要求 在目前的通信系统中，各种各样的信息大多采用数字信号传输。然而，随着 我国社会经济的不断发展，各种无线电新技术、新设备和新业务迅速应用于社会 生活的各个领域，无线电台站数量逐年递增，频率资源日益紧张，电磁环境日趋 复杂。因此，在无线频谱资源日益紧张的今天，频率资源的利用率显得尤为重要， 如何利用有限的频率传输更多的信息也就成为一个需要探讨的问题了。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： ( 1 ) 高的频带利用率( 单位为b p s h z ) ； ( 2 ) 信号功率与同频道的干扰功率比( c i ) 要高于某一“安全”阈值； ( 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 ) 调制解调设备简单。 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。传统的移动通信系统的主要业务是低速的语音服 务。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。 而对于目前通信系统而言，更重要的是要解决如何在有限频带资源中传输更大量 的信息。因此，在高数据率数字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。显然，传统的调制方案只适用于低 容量、低速率的数据传输系统，却难以满足高容量、高速率的传输系统。而正交 振幅调制( q a m ) 是一种具有高频谱利用率，且有可能灵活地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，因此能在有限的带宽资源内 实现高速率的数字信号传输。 电子科技大学硕士学位论文 1 。3 本文的主要工作 下面是本文“高码率6 4 q a m 调制器的研究 课题中所完成的工作： ( 1 ) 介绍了无线通信的发展概况及发展趋势。 ( 2 ) 研究了无线通信中常用的数字调制的实现方式，其中重点在于q a m 调制。 ( 3 ) 介绍了无线通信的调制系统的基带信号处理的常用方法。 ( 4 ) 介绍了无线通信的调制系统的差错控制编码技术。着重研究了l e e 氏编 码的原理和实现方法。 ( 5 ) 阐述了可编程逻辑电路c p l d f p g a 的发展。并介绍了应用f p g a 实现 q a m 调制器基带信号处理和差错控制编码。 ( 6 ) 给出本课题研制高码率6 4 q a m 调制器的总体设计方案。其中用到了a d i 公司的a d 8 3 4 5 芯片作为正交调制芯片，a d 9 7 6 1 作为d a 转换器和成型滤波器。 利用m a x i m 公司的m a x 2 6 2 0 产生9 0 0 m h z 的载频信号。用a l t e r a 公司的f p g a 进行基带信号的处理和纠错编码的实现。 ( 7 ) 给出了硬件实验系统，给出了最后的软件仿真和硬件实现结果。 4 第二章无线通信中的数字调制技术研究 第二章无线通信中的数字调制技术研究 调制就是对信号的编码信息进行处理，使其变成适合传输的形式的过程。一 般来说，这意味着把基带信号( 信源) 转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带 通信号。这个带通信号叫做己调信号。调制可以通过使高频载波随信号幅度的变 化而改变载波的幅度、相位或者频率来实现。而解调则是将基带信号从载波中提 取出来以便预定的接收者( 信宿) 处理和理解的过程。 现代移动通信系统都使用数字调制技术。超大规模集成电路( v l s i ) 和数字信号 处理( d s p ) 技术的发展使数字调制比模拟的传输系统更有效。数字调制比模拟调制 有许多的优点，其中包括更好的抗噪声性能，更强的抗信道损耗，更容易复用各 种不同形式的信息和更好的安全性等。除此之外，数字传输系统适应于可以检查 和( 或1 纠正传输差错的数字差错控制编码，并支持复杂的信号条件和处理技术，像 信源编码、加密技术和为提高整个通信链路性能的均衡技术。 传统数字信号的三种致字调制的基本形式是： ( 1 ) 幅度键控( a s k ) ：保持幅度变和不变，可以得n - - 进制( 或m 进带i ) a s k 。 ( 2 ) 频移键控( f s k ) ：保持频率变和不变，可以得到二进s u ( 或m 进青i ) f s k 。 ( 3 ) 相移键控( p s k ) ：保特相位变和不变，可以得n - 进制( 或m 进带i ) p s k 。 各种不同的数字调制技术都是在这三种基础上发展起来的，都是对一路或几 路载波信号的某一个或几个参数调制构成的。 在更高级的调制系统中，当个新的符号传输时载波会有两个参数同时改变。 最普遍的方法是固定频率，同时改变幅度和相位，这种方法被称为正交振幅调制 ( q a m ) 。 每种不同的调制方法具有不同的发送和接收设计，具有不同的带宽和误码率。 在此正交振幅调制的基本原理。表2 1 为常见的通信系统所使用的调制方式【2 1 。 5 电子科技大学硕士学位论文 表2 1常见通信系统使用的调制方式 调制方式通信系统 m s k g m s k欧洲蜂窝移动电话g s m 以及a m p s 的移动数据传输c d p d b p s kc a b l em o d e m 卫星通信、美国的窄带c d m a 、北美数字蜂窝系统n a d c 、 q p s k d q p s k 日本的p d c 以及p h s o q p s k美国的窄带c d m a 、卫星通信 f s k g f s k欧洲数字无绳电话d e c t 、数字寻呼系统p o c s a g f l e x 、e r m e s 1 6 q a m地面微波数字通信、数据机、d v b c 、d v b t 下面就移动无线通信中常用的数字调制技术进行探讨。 2 1 幅度键控( a s k ) 在幅度键控中载波幅度是随着调制信号而变化的。m 进制幅度键控信号中， 载波幅度有m 种取值，每个符号间隔殆内发送种幅度的载波信号。m 进制幅度健 控信号的时域表达式为： 广 s u a 脉( f ) = l g ( f n t s ) i c o s c o c f ( 2 1 ) ln j 其中，烈力为基带信号波形，为载波角频率，殆为信号间隔，锄为幅度值。 a 咒可以有m 种取值。 最简单的形式是载波在二进制调制信号1 或0 的控制下通或断，这种二进制 幅度键控方式称为通一断键控( o o k ) 它的时域表达式为 s o o k ( t ) = a n * a c o s 0 9 c t ( 2 2 ) 这里，彳为载波幅度，婢为载波频率，a 刀为二进制数字。 f 1 ，出现概率为 尸 a n2 1 ( ；，出现概率为1 一p ( 2 - 3 ) 一般情况下，调制信号可以是具有一定波形形状的二进制序列( 二元基带信 号1 ，即： 6 第二章无线通信中的数字调制技术研究 b ( f ) - z 口。g ( t - n t s ) ( 2 4 ) 这里，乃为信号间隔，g ( 0 为调制信号的时间波形，二进制幅度键控信号的一 般时域表达式为 广 只腿( f ) - - i a g ( t 一，z 五) i c o s f ( 2 5 ) l 打j 二进制幅度键控的调制器可以用一相乘器来实现，对于通断键控信号来说， 相乘器则可以用一个开关电路来代替，调制信号为1 时开关电路导通，为0 时开 关电路切断。 解调器可以用包络检波来实现，如图2 1 所示。 2 2 相移键控( p s k ) 图2 12 a s k 信号的包络检波器框图 定时脉冲 数字调相是一种常采用的线性调制技术，其显著的特点是频谱利用率高，特 别适用于频带受限的无线通信系统。在m 进制载波相位调制中，信道上发送的信 息被加载到载波的相位上，所对应的m 种持续时间为乃的符号可表示为 而 s i ( t ) 2 等s ( 叫嘲) 呕坯江o ，1 ，2 ，m 。 ( 2 - 6 ) 上式中，盛为单位符号的信号能量，即0 t 五时间间隔内的信号能量； 为载波角频率谚为相位，有m 种取值。 对于矩形包络的m p s k ，其已调信号的时域表达式为 = 莓璧咧啪盹坝蝴 ( 2 - 7 ) 其中，r e c t 表示矩形函数 7 电子科技大学硕士学位论文 咧归 蜒f 妻磊 ， 矽0 ) 为载波在f = 咒五时刻的相位，矽( ”) = 谚) ，i = 0 ，1 ，m 一1 。它的m 种取值 通常为等间隔，即： 办= 吾棚户0 ，1 ，m - 1 ( 2 - 9 ) 这里，乡为初相位。 将式( 2 7 ) 展开，设秒- - 0 ，经推导可得： & 艘( f ) = i ( t ) c o s c o c t q ( t ) s i n c o c t( 2 一l o ) 蹴z 口b 产。r e c 砸t ( t ：箍j 弘 i - q ( f ) = 一，z 五) 瞄。u 卜壁啾川 防均 卜偿s i n 舶， 尝试把式( 2 1 0 ) 中第一项称为同相分量，第二项称为正交分量。由此可见， m p s k 信号可以看成是对两个正交载波进行多电平双边带调制后所得两路m s k 信 上 上土 霉毒2 r , l l c 图2 - 2m p s k 功率谱密度 第二章无线通信中的数字调制技术研究 对于m = 2 的二进制相位调锘i ( b p s k ) 。对应于发送信息“0 ”和“1 ”载波相位 分别为o o = o 矛no , = 万对于多进制调制，m = 2 七，k 为一个发送符号所代表的比特数， 相同的频带相对b p s k 传输了k 倍的信息，即系统的频带利用率提高了k 倍。例如 m = 4 的4 p s k ( q p s k ) ，o o = 0 ，q = n - 2 ，o o = 万，q = 3 n 2 ，其频率利用率是b p s k 的2 倍。 2 2 1二进制相移键控( b p s k ) 二进制相移键控( b p s k ：b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) ，载波的相位随调制信号 1 或者0 而改变，二进制相移键控已调信号的表达式为： s 础) = b 加五) c o s f ( 2 - 1 3 ) + 1 概率为p 2 1 - 1 , 概率为1 一p ( 2 - 1 4 ) 若g ( f ) 是幅度为1 宽度为t s 的矩形脉冲，则有 品蹦( z ) = - 4 - c o s ( o c t = c o s ( t + 4 ) ，谚= o 或万( 2 1 5 ) 当数字信号传输速率与载波频率间有确定的倍数关系时，典型的波形如图2 - 3 所示。 4 一 图2 - 3b p s k 信号的典型波形 将式( 2 - 1 5 ) 所示b p s k 信号与式( 2 2 ) 所示o o k 信号相对比可知，b p s k 信号是 双极性非归零码的双边带调制，而o o k 信号则是单极性非归零码的双边带调制。 前者调制信号没有直流分量，因而是抑制载波的双边带调制。由次可见，b p s k 信 号的功率谱与o o k 信号的相同，只是少了一个离散的载频分量。 9 电子科技大学硕士学位论文 信号矢量端点的分布图定义为该信号的星座图。b p s k 的星座图如图2 - 4 ( 1 ) 所 示，图2 - 4 ( 2 ) 为其相位图，有0 和两个相位。 ( 2 ) 图2 4 ( 1 ) b p s k 信号星座图( 2 ) b p s k 信号相位图 b p s k 基带信号的眼图如图2 5 所示，“眼睛”的张开程度可以作为基带传输系 统性能的一种量度。图中展现的为双极性二元码无码问干扰的理想情况。对于m 元码，可以看到( m 一1 ) 只眼睛。 0 、，l 。 ，彪、，矗 ， 弋7 i 、弋7 i 7、二，、： l 图2 5b p s k 中双极性二元码的眼图 b p s k 调制器可以采用相乘器，也可以采用相位选择器来实现。如图2 - 6 所示 为相乘法。 第二章无线通信中的数字调制技术研究 图2 - 6b p s k 相乘调制器 已调信号 a c o s 2 7 r f c t b p s k 解调必须要采用相干解调，由于b p s k 信号是抑制载波双边带信号，不 存在载频分量，因而无法从已调信号中直接用滤波法提取本地载波。只有采用非 线性变换才能产生新的频率分量。常用的载波恢复电路有两种，一种是平方环电 路，另一种是科斯塔斯( c o s t a s ) 环。 2 2 1 1平方环 图2 7 为用平方环模型完成b p s k 解调的方案。设输入信号为： u ( t ) = 足豚) = _ + c o s c o c t( 2 1 6 ) 则平方处理后的信号为： 识f ) - - c o s 2 f = 丢( 1 + c 。s 2 f ) ( 2 - 1 7 ) 图2 - 7 用平方环完成b p s k 解调 可见平方器的输出出现2 c o c 的谱线。图2 - 6 中第一个带通滤波器用于限制输入 噪声，第二个带通滤波器用于滤出2 c o c 的频率分量。锁相环对2 的频率锁定。压 控振荡器输出信号设为 “肋( 砂= a s i n ( 2 c o c t + 2 a 力 ( 2 1 8 ) 电子科技大学硕士学位论文 式中a 为幅度，2 a 矽为相位差。所以乘法器输出为： u p ( f ) = k p l r n ( f ) u v c o ( t ) = 竽s 酢 2 蝴+ 竽s i n ( 4 ”2 蝴+ 竽s 婶蝴 k p 为乘法器系数。甜p ( ，) 经环路低通滤波器后得： ( f ) = k p , r k l a s i l l ( 2 ) = 髟s i n ( 2 矽) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 式中k l 为低通滤波器的传输系数，k d 为常数。根据式( 2 2 2 ) 可知，平方环具 有正弦型鉴相曲线。v c o 输出经过一个2 分频器，得： u 。= a a c o s ( c o c t + 5 2 5 ) ( 2 2 1 ) 口为分频器的系数。u ( o 与“力相乘后通过低通滤波器后为： d ：_ a x 2 ac 。s ( 矽) d i ：q( 2 2 2 ) 式中k p ：为乘法器系数，为常数。所以就完成了同相路数据研的解调。 2 2 1 2c o s t a s 环 c o s t a s 环又称同相一正交环。如图2 - 8 所示，在此环路中，误差信号是由同相 一正交两路相乘后提供的。 图2 - 8c o s t a s 环解调b p s k 框图 设输入c o s t a s 环的b p s k 信号为qc o s ( c o d ) ，压控振荡器输出设为 c o s ( c 0 c t + a # ) ，矽为输入信号与v c o 输出的载波相位差。则同相、正交两路乘 1 2 第二章无线通信中的数字调制技术研究 法器的输出为： fp 沁) = 翰qc o s ( c o c t ) c o s ( c o c t + 矽) 1p q ( f ) = 4c 。s ( r o d ) c 。s ( 国c h 矽) 2 。2 3 ) k p z 、k m 为相乘系数。以力、p q ( t ) 经低通滤波器后得： f 儿= ! z k h k d 1c o s ( 蝴 k 知吒肼o s ( 蝴 q 乏4 k u 、凰q 为低通滤波器系数。蹦力、凡q ( 力相乘后的结果为： 尸2 互1 廓翰巧q 如墨q c 。s ( 矽) s i n ( 矽) ( 2 - 2 5 ) = 巧s i n ( 2 a # ) 肠为乘法器系数。上式中k a = 吉群k 尸，k 户q k 垃为常数。因此c o s t a s 环具有 正弦型的鉴相曲线。 当c o s t a s 环锁定后，矽具有很小的值。因此从图2 - 7 同相路l p f 后可得到数 据d i 。 平方环和c o s t a s 环的搽相特性如图2 9 所示。 l 旺0 ，、 八一r | | 。 、 一j r i 0 7 | | jj 、f 7 q 图2 - 9 平方环和科斯塔斯环的鉴相特性 矽= n 2 z 的各点都是稳定平衡点。锁相环在工作时可能锁定在任何一个稳定平 衡点上。这意味着恢复出的相干载波可能与所需要的理想本地载波同相，也可能 反相。这种相位关系的不确定性，称为0 、万相位模糊度。这种问题在其他的载波 电子科技大学硕士学位论文 恢复环路( 如逆调制环、判决反馈环、松尾环等性能良好的环路) 中，也同样存在。 而且在多进制相移键控中也同样存在。但是可以对输入的数字基带信号采用差分 编码来克服相位模糊度。即采用二进制差分相移键控( 2 d p s k ) 。它首先对数字基带 信号进行差分编码，即由绝对码表示变为相对码( 差分码) 表示，然后再进行绝对调 相。由于d p s k 中，数字信息是用前后码元己调信号的相位变化来表示的，因此 用有相位模糊度的载波进行相干解调时并不影响相对关系。虽然解调得到的相对 码完全是0 、1 倒置，但经差分译码得到的绝对码不会发生任何倒置现象，从而克 服了载波相位模糊度问题。 2 2 2 正交相移键控( q p s k ) 【3 】 图2 1 0 给出了典型的q p s k 发射机的框图。单极性二进制信息流比特率为凰， 首先用一个单极性一双极性转换器将它转换为双极性非归零( y r z ) 序列。然后比特 流优( f ) 分为两个比特流研，o ) 和m o ( o ( 同相和正交流) ，每个的比特率为月。= r b 2 。 比特流m ，( f ) 叫做“偶”流，m 。( f ) 叫做“奇 流。两个二进制序列分别用两个正 交的载波c o s c o c t 和s i n c o d 调制。两个已调信号每一个都可以看作是一个b p s k 信 号，对它们求和产生一个q p s k 信号。调制器输出端的滤波