（通信与信息系统专业论文）信号调制方式自动识别研究.pdf

摘要 通信信号通常是以不同的调制方式在不同的频带上传输。随着 通信信号调制方式的多样化和复杂化，信号环境越来越密集，通信 信号调制方式的识别逐渐成为截获信号处理研究领域一个十分重要 的课题，因此对它的研究显得非常的重要和迫切。它的基本任务就 是在复杂多变和有噪声干扰的条件下确定出接收信号的调制方式和 调制参数，从而为进一步分析和处理信号提供依据。 近几十年来人们针对不同的调制信号提出了许多调制识别方 法。本文在前人的基础上深入地研究了通信信号的调制识别问题。 首先，介绍了调制的基本原理，以及基本的模拟信号和数字信号调 制类型，对它们的时域和频域特性进行了分析，研究了基本调制方 式的关键特征参数；其次，介绍了基于决策理论和基于信号瞬时幅 度方差的模拟信号识别方法，并进行了仿真分析研究；再次，介绍 了基于决策理论和基于小波变换的数字信号调制识别方法，并提出 了一种改进的s y m 4 小波分析方法来对数字调制信号进行识别；最 后，研究了基于决策理论的模拟与数字调制方式联合识别问题，并 提出了通过提取待识别信号的码速率来分类模拟信号和数字信号的 方法，因为码速率是模拟调制方式与数字调制方式的显著差别之一。 经过大量的仿真实验，以上算法的有效性得到了验证。 关键词调制方式，特征提取，决策理论，小波变换 a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o ns i g n a l sa r e u s u a l l y t r a n s f e r r e dw i t hv a r i o u s m o d u l a t i o n t y p e s i nd i f f e r e n t f r e q u e n c yb a n d s a l o n gw i t ht h e d i v e r s i f i c a t i o na n dc o m p l i c a t i o no fm o d u l m i o nt y p e s ，m o d u l a t i o n i d e n t i f i c a t i o no fc o m m u n i c a t i o ns i g n a l sb e c o m e sa ni m p o r t a n tr e s e a r c h s u b j e c ti nt h ef i e l do fi n t e r c e p t e ds i g n a lp r o c e s s i n g a sar e s u l t ，i ti s m u c hm o f ei m p o r t a n ta n du r g e n tt om a k ear e s e a r c ho ni t t oi d e n t i f y t h em o d u l a t i o nt y p ea n dm o d u l a t i o np a r a m e t e r so fc o m m u n i c a t i o n s i g n a l si nt h ec o m p l i c a t e da n dn o i s ye n v i r o n m e n ti s i t sb a s i ct a s li n o r d e rt op r o v i d et h eb a s i sf o rf u r t h e ra n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g d u r i n gt h e l a s ts e v e r a l d e c a d e s ，r e s e a r c h e r sp r o p o s e dm a n y m e t h o d st os o l v et h ep r o b l e mo fm o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o nf o rd i f f e r e n t m o d u l a t i o ns i g n a l s b a s e do nt h er e s e a r c hb e f o r e ，t h i st h e s i sh a sa f u r t h e rs t u d yo nt h em o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o no fc o m m u n i c a t i o ns i g n a l s f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e dt h em o d u l a t i o np r i n c i p l ea n dt h eb a s i c m o d u l a t i o nm e t h o d so fb o t hd i g i t a la n da n a l o gs i g n a l s ，a n da n a l y z e d t h e i rf e a t u r e si nb o t h t i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n ；t h e n ，i ta n a l y z e dt w o p o p u l a r i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d so fa n a l o ga n d d i g i t a l m o d u l a t i o n s r e s p e c t i v e l y ；t h i r d l y , t h et h e s i sp r o p o s e da ni m p r o v e dw a yo fd i g i t a l m o d u l a t i o ni d e n t i f i c a t i o nm e t h o du s i n gw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ；f i n a l l y t h et h e s i sr e s e a r c h e do nt h ei d e n t i f i c a t i o no fc o m b i n a t i o no fa n a l o ga n d d i g i t a ls i g n a l s ，a n dp r o p o s e dan e ww a yt os e p a r a t ea n a l o gs i g n a l sf r o m d i g i t a ls i g n a l s n em a i np a r a m e t e rb e i n gu s e di ss y m b o lr a t e a sw ea l l k n o wt h a ts y m b o lr a t ei sad i s t i n c t i v ed i f f e r e n c eb e t w e e na n a l o ga n d d i g i t a lm o d u l a t i o n t h r o u g hs i m u l a t i o n ，t h em e t h o d sm e n t i o n e da b o v e h a v eb e e np r o v e dt ob ee f f e c t i v e k e yw o r d sm o d u l a t i o nt y p e ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，d e c i s i o nt h e o r y , w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n 1 1 1 原创性声明 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。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南大学或其它单位的 学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论 文中作了明确的说明。 作者签名：j 翟掐 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名：堂 ll-_。ii-_。r- 中南大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 人类社会建立在信息交流的基础上，通信足推动人类社会文明、进步与发 展的巨大动力。按照传统的理解，通信就是信息的传输与交换。在当今的信息 社会，通信与传感、计算机技术紧密结合，成为整个社会的高级“神经中枢”。 所以通信在人类社会生活中的作用是十分巨大的。 克服距离上的障碍，迅速而准确地传递信息，是通信的任务。为了能够充 分有效地利用频带资源，延长信号的传输距离并提高抗干扰能力，通信信号通 常是以不同的调制方式在不同的频带上传输。随着通信信号调制方式的多样化 和复杂化，信号环境越来越密集，通信信号调制方式的识别显得尤为重要和迫 切。 通信信号调制识别的基本任务是在多信号环境和有噪声干扰的条件下确定 出接收信号的调制方式和其它信号参数，从而为进一步分析和处理信号提供依 据。 如何有效的监视和识别这些信号，在军事和民用领域都是十分重要的研究 课题。在军事领域，通信信号调制方式的识别是对敌方通信进行干扰或侦听的 前提，一旦知道了调制类型，就可以估计调制参数，从而有针对性地制定侦察 和反侦察策略。在民用方面，比如信号确认、干扰识别和频谱监测等无线电管 理工作，其任务就是监视合法的无线电电台是否严格遵守分配给他们的工作参 数的限制，同时侦听非法电台的干扰和来源，而通信信号调制识别技术是实现 这些非合作通信任务的关键技术之一。 另外，数字通信的快速发展形成了多种通信体制并存的局面，而且这些通 信体制的调制方式和接入技术各不相同，这给多种体制之间的通信互联带来了 很大的障碍。通信信号调制识别技术能够自动地识别通信信号的调制方式，在 多体制通信互联和软件无线电方面有着十分重要的应用。尤其是近二十年来， 计算机技术、高速数字信号处理技术以及高速专用器件的快速发展使得通信信 号调制识别技术的工程实现有了保证，通信信号调制识别技术在非合作通信领 域的重要地位以及在无线电应用中的价值也得到了进一步的认识，这方面的研 究也越来越受到国内外众多学者的重视。 中南大学硕卜学位论文第一章绪论 1 2 识别过程概述 通信信号调制方式的识别过程是典型的模式识别过程。将接收到的信号正 确地归为某一调制类型是调制方式自动识别的任务，其识别过程通常可以概括 如图1 1 所示。 图i - i 通信信号调制方式自动识别的一般过程 信号预处理部分的主要任务就是将从接收机接收到的信号通过中频变换等 操作转变为适合后续处理的信号流，预处理任务的一般包括：频率变换，同相 和正交分量，载频估计和载频分量的消除等。 为了能够对信号调制方式做出正确的判断，需要提取一些特征值，这些特 征值足某一种或某一组调制方式与其它调制方式的差异所在。这类特征信息通 常包含在信号的瞬时幅度，瞬时相位和瞬时频率等瞬时信息中，或包含在信号 的功率谱中。 分类判决就是根据识别对象特征的观察值将其分到某个类别中去。在这一 部分，判决门限的选择是至关重要的，因为它直接影响到分类判决的准确程度。 目前，常用的分类器包括模式匹配分类器，假设检验分类器和人工神经网络分 类器。由分类器的不同，可以将自动调制识别算法分为三类：即统计模式识别 方法，决策理论识别方法和人工神经网络方法。统计模式识别方法主要用于高 信噪比的环境，而其它两种方法则适合于任何信噪比条件下的通信环境。 1 3 研究历史及现状 通信信号调制识别分为人工识别和自动识别两类。 人工识别是最占老、最成熟的一类方法。其主要过j f 旱就是将接收到的高频 信号经过中频变换之后，输入到一系列对应于不同调制方式的解调器中，观察 其输出。操作人员通过耳机、示波器、频谱分析仪等仪器分析经过不同解调器 解调之后的输出信号，并通过经验判定其调制类型。人工参与识别调制信号的 方法识别效率低，准确率也不高，只适用于持续时间较长、码元速率较低的幅 度键控( a m p l i t u d es h i t tk e y i n g ，a s k ) 信号和调制指数较大的频移键控 ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，f s k ) 信号，但不能识别需要相干处理的相移键控( p h a s e s h i f tk e y i n g ，p s k ) 信号i 。1 。 中南大学硕 学位论文 第一章绪论 近年来随着通信技术的发展，通信信号的体制、调制样式更加多样和复杂， 信号环境越来越密集，人工参与的识别方法就显得无能为力，这就对信号调制 识别提出了新的要求。随着微电子技术的发展，人们开始探索使用以计算机软 件为核心的电子设备来自动识别信号的调制方式。经过科技工作者几十年的努 力，人们逐渐掌握了代替人工操作的新的调制识别技术，这种新技术不仅可以 克服人工参与识别时遇到的各种困难，而且对中心频率和带宽的估计误差、相 邻信道串音、噪声和衰落效应等干扰因素也具有较强的鲁棒性。 1 9 6 9 年4 月，c s w a v e r 等在斯坦福大学技术报告上发表了第一篇研究自 动调制识别的论文采用模式识别技术实现调制类型的自动分类。此后，不断 有研究调制识别技术的论文出现在各类技术刊物上。 目前，信号调制方式识别的方法主要有两种，一种是基于决策理论的识别 方式，它的基本框架是符合假设检验，适用于待识别种类有效的情况；另一种 是基于统计模式的识别方法，它的基本框架则是先从信号中提取事先选定的特 征，然后进行模式识别。这种方法一般由两部分组成，其一是特征提取，它的 作用是从接收到的信号中抽取区别与其它信号的特征参数；另一部分是模式识 别，它的作用是根据提取的特征参数确定信号的调制方式。不论是决策论途径 还是模式识别途径，通信信号的自动调制识别实际上都是假设检验和统计推断 这两个基本数学方法的结合。后一种方式不需要假设条件，可以实现信号的盲 识别，因此在实际的调制识别中经常用到闭。 1 9 8 4 年，l i e d t k e 同时采用基于决策理论和统计模式识剐的方法来对数字 调制信号进行分类，这种识别方法硬件实现非常复杂，在信噪比( s i g n a lt on o i s e r a t i o ，s n r ) 三1 8 d b 时，能够达到较为理想的识别率p 1 。1 9 8 7 年，m a n l n l o l l e 等 人采用模式识别方法估计数字调制信号的载频和比特率，当s n r 2 3 5 d b 时，他 们所研制的分类器才具有较高的识别率1 4 1 。1 9 8 9 年，h s u e 提出了利用信号过零 点的时间b 1 隔和相位差的直方图分类载波信号( c a r r i e rw a v e ，c w ) 、m p s k ( m u l t i p l ep s k ) 和m f s k ( m u l t i p l ef s k ) 信号，仿真结果表明，在s n r 2 1 5 d b 的情况下，可分类上述信号i s 6 1 。1 9 9 0 年，p o l y d o r o s 等人采用决策理论来识别 二进制相移键控( b i n a r yp s k ) 和四进制相移键控( q u a d r a t u r ep s k ) 信号，然 而，他们的分类方法不够健壮，因为只有在初始相位和符号率已知的情况下， 该分类器才能够以较高的分辨率分辨这两种信号i ”。1 9 9 1 年，d o m i n g u e z 等人 研制出一种通用的分类器，该分类器能通过决策判决识别模拟和数字调制信号， 然而，该分类器在s n 飚 4 0 d b 时，才具有较好的识别效果，当信噪比等于1 0 d b 时，除了q p s g 的正确识别率为7 外，其余数字调制信号的识别率都为0 ：在 s n r = 1 5 d b 时，该分类器的性能并没有多大改掣8 1 。1 9 9 2 年，a s s a l e h 提出了利 中南大学硕士学位论文第一章绪论 用自回! r 1 模型( a u t o r e g r e s s i o nm o d e l ，a rm o d e l ) 提取信号瞬时频率和瞬时带 宽作为特征参数实现数字调制信号的分类方法，在满足s n p 也1 5 d b 的情况下， 可分类c w 、m p s k 和m f s k 信号( 9 i 。1 9 9 3 年，k c h o 利用信号的小波变换和 信号幅度归一化后的小波变换实现p s k 、f s k 、q a m 信号的调制分类【l o 。在 1 9 9 5 年到1 9 9 8 年的三年中，n a n d i 和i z z o u z 等人对特征值的选择和提取做了 大量研究，提出了利用七个关键特征参数识别调制信号类型的方法，该方法采 用决策理论、神经网络和神经网络级联的方法对模拟和数字调制信号进行分类， 经过仿真分析，所有分类器在信噪比为1 0 d b 以上时能达到较高的识别率 1 1 - 1 4 , 2 4 2 5 1 。1 9 9 8 年，l i um i n g q u a n 将a r 模型提取的瞬时频率和瞬时带宽参数 用于多种数字信号的识别，在满足s n r 2 0 d b 情况下，有很好的识别效果1 1 5 1 。 近几年来，人们又将神经网络技术、小波变换技术、高阶谱分析技术与调 制识别技术相结合，提出了很多新型的调制识别方法。 下面将对信号调制方式中最常见的四种方法进行介绍。 1 统计模式识别方法 通信信号的自动识别是一个典型的模式识别问题。采用统计模式识别方法 的自动识别系统可以分为两个子系统：特征提取子系统和模式识别子系统。特 征提取子系统主要是从未处理信号中提取所需要的特征分量，如瞬时频率、瞬 时相位和瞬时幅度等。而模式识别子系统的主要功能则是通过由特征提取子系 统提取来的特征分量判别信号的调制类型。 2 基于决策论方法 决策论的方法是在决策理论的框架内，用概率和复合假设检验的观点研究 调制识别问题，获得分类器的判决准则。采用这种方法的分类器在最小化平均 代价函数的意义上是最优的。分类器的性能可以由一定信噪比下正确判决的概 率表示。这种方法的复杂性和最优判决准则依赖于与接收信号相关的未知参数 的个数。但是，即使对于简单的调制类型，如b p s k 和q p s k 的识别，最优判 决准则公式也是很繁琐的。 3 人工神经网络的方法 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 法在每个节点( 神经元) 处的特征判决门限是自动选取的，而且对门限选取具有自学习，自适应能力。 另外，a n n 法每次判决使用全部特征量，而不仅仅是其中的一个，这就使得识 别成功率与特征参数选用的次序无关。而且，它识别的正确概率与单个特征参 数的识别性能关系不大，主要与整体性能有关。 4 基于小波分析的调制识别技术 小波变换特别适用于分析突变信号。调制类型的识别一般被分为两大类： 4 i：i jl1 ij_111 中南大学硕十学位论文第一章结论 类问识别和类内识别。类自j 识别是指在不同类型的调制方式之间进行识别，如 a s k 、f s k 和p s k 的识别。而类内识别则是指在同一类调制类型内进一步区分， 如b p s k 和q p s k 之间的区分。使用小波变换识别数字信号调制类型时，无需 任何先验知识，而且能够使用快速的算法进行计算，基本做到实时。 1 4 论文主要研究内容及结构安排 本文以基于基本时域、频域和功率谱特征的方法为前提，分别研究了模拟 调制信号和数字调制信号的识别技术，在其基础上研究了模拟调制信号和数字 调制信号的联合识别，主要内容和研究成果如下： 第二章讨论了几种基本的模拟调制信号和数字调制信号的调制原理，介绍 了通信信号的时域频域特性等基本特征，这些特征是信号最直观和最常用的原 始特征，给出了各种信号的瞬时幅度、瞬时相位和瞬时频率表达式，并对其性 质进行了分析。 第三章主要研究了目前较为流行的两种模拟调制信号的调制识别方法，并 利用仿真对特征参数门限值的选择进行了较为深入的研究，成功识别了幅度调 制( a m p l i t u d em o d u l a t i o n , a m ) ，抑制载波双边带调制( d o u b l es i d e b a n d s u p p r e s s e dc a r r i e r , d s b s c 。d s b ) ，单边带调制( s i n g l es i d e b a n d , d s b ) ，残 留边带调制( v e s t i 西a ls i d e b a n d ，v s b ) ，频率调制( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，f m ) ， 联合调制( a m f mc o m b i n e dm o d u l a t i o n ，a m f m ) 等信号。 第四章介绍了基于决策理论和基于小波变换的数字调制信号的识别方法。 在基于决策理论的识别方法中，通过选择合适的门限，成功识别了2 a s k ， 4 a s k ，2 p s k ，4 p s k ，2 f s k ，4 f s k 等常见的数字调制信号。在基于小波变换 的识别方法中，提出了改进的识别算法，将提取信号小波变换后的特征参数值 用于识别过程，通过仿真，较为成功的识别了2 a s k 、4 a s k 、2 p s k 、2 f s k 和 4 f s k 信号。 第五章研究了模拟调制信号和数字调制信号的联合识别问题，并提出了一 种新的分类模拟调制信号和数字调制信号的方法。数字调制信号区别于模拟调 制信号的一个最大特征就是码元速率，本文提出了用小波变换之后码元速率的 功率谱来分类模拟调制信号和数字调制信号的方法，通过仿真证明了此方法具 有良好的识别效率。 最后对全文进行了总结，给出了本文提出的调制方式识别方法的优缺点以 及对识别技术的展望。 中南大学硕士学位论文第二章调制原珲简介 2 1 引言 第二章调制原理 调制方式识别的主要任务在于提取信号的关键特征参数。因为这些特征参 数的本身或对其进行一定的处理之后能够表现出信号调制方式的不同。通过对 这些特征参数进行一定的分类，就能够达到识别信号调制方式的目的。 直接从原始样本进行分类是无目的的，这是由于对分类来说，重要的不是 一个模式的完整描述，而是导致区别不同类别模式的那些“选择性”信息的提 取，也就是说，特征提取的主要目的就是提取尽可能集中表征显著类别差异的 模式信息。另一个目的则是尽可能缩小数据集，以提高识别效率，减小计算量。 特征参数的提取和选择是非常重要的，因为它强烈地影响到分类器的设计及其 性能。理想情况下，经过特征提取和选择得到的特征矢量对于不同调制类型有 明显的差别。然而在实际问题中却常常不容易找到那些最重要的特征，或受条 件限制不能对它们进行测量，这就使特征提取和选择的任务复杂化，从而成为 信号调制识别系统中最困难的任务之一。 本章主要介绍常用通信信号的调制方式，时域和频域特性及其基本特征参 数。 一 2 2 调制原理及作用 由信源产生的原始信号，大多属于低通型信号，然而，大多数实际信道是 带通型的，为了能够在实际的信道中传输信号，就必须使信号的频谱与信道的 特性相匹配，这就需要调制。 具体的说，调制就是用待传输的原始信号去控制高频信号的某一参量，使 它随原始信号的变化而变化。原始信号常称为调制信号或基带信号；被调制的 高频信号起着运载原始信号的作用，因此称为载波；调制后所得到的某参数随 着基带信号变化的高频信号称为已调信号。 调制是通信系统中非常重要的部件，它的作用如下： 1 为了与信道匹配。因为自然界中要传送的信号大多数为低通型信号，为 使低通型信号在带通型信道中传输，这就需要调制。因此，调制的本质就是把 信号的频谱搬移到信道的通频带之内，使信号频谱与信道的特性相匹配。 2 为了频分多路复用。由于信道的带宽远大于某单路信号的带宽，在信道 7 中南大学硕士学位论文第二章调制原理简介 上仅传输单路信号造成极大浪费，如果要实现一条信道上的多路信号传输，而 且各路信号彼此互不干扰，可以采用调制将各路信号所占用的频带在信道通带 内一个接一个排列，并且互不重叠，从而实现多路通信。 3 为了电波辐射。根据天线电波传输原理，为了有效的把电磁能量耦合 到空间，天线直径或长度至少与传输信号波长相当。3 k h z 信号要有效辐射，天 线尺寸约需要1 0 5 m ，这样庞大的天线无法实现；若用3 g h z 对该信号进行调制， 则天线尺寸仅1 0 r a m 就够了【l ”。 4 为了频率分配。随着通信、广播、电视等的发展，空间频率资源越来 越紧张，为了充分利用频率资源，需对频率进行分配，使各种应用互不干扰。 5 可以减小干扰。因为干扰信号的时间、频谱位置足不断变化的，可以 通过调制减小干扰的影响。 综上所述，调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方 法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。 2 3 模拟调制 目前，模拟调制通常是以正弦信号作为载波进行调制的。 正弦信号有三个参量：振幅、频率和相位，根据原始信号所控制参量的不 同，模拟连续波调制分为幅度调制、频率调制和相位调制。 目静较为常见的模拟调制方式有a m ，d s b ，s s b ，v s b ，f m ，a m f m 等。 2 3 1 幅度调制 幅度调制就是用调制信号s ( ，) 去控制高频载波c ( f ) 的振幅，使c ( f ) 的振幅随 j ( f ) 的变化而变化。 设正弦信号的一般表达式为 c o ) = 4 伽( 2 唾f + ) ( 2 - 1 ) 式中，五为载波信号频率，a 为载波幅值，锄为载波初相位。那么，经幅度调制 之后的信号可以表示为 墨( f ) = a s ( t ) c o s ( 2 x f 。t + c , o o ) ( 2 2 ) 其中，s ( f ) 为基带信号。 幅度调制的数学模型如图2 1 所示。 8 j，1l i ij，j11 i，j 中南大学硕学位论文第二章调制原珲简介 图2 - 1 幅度调制的一般模型 图2 l 中，h ( 力可以是几种不同特性的滤波器，根据日( 力的特性及s ( f ) 所 包含频谱成分的不同，幅度调制可以分为如下四种调制方式： ( 1 ) 完全调幅( a m ) 日为全通网络，且调制信号j ( f ) 中含有直流成 分； ( 2 ) 抑制载波双边带调制( d s b ) 日( ，) 为全通网络，且调制信号j ( r ) 中 不包含直流成分； ( 3 ) 单边带调制( s s b ) 日是截止频率为正的高通或低通滤波器， 且调制信号j ( f ) 不包含直流成分； ( 4 ) 残留边带调制( v s b ) 日( 门为特定的互补特性滤波器，且调制信 号s “) 中不含直流成分； 设j ( f ) 的频域表达式为s ( 门，那么根据频域变化的性质，幅度调制之后的 信号s 。( r ) 对应的频域表达式s a f ) 为 疋：e a s ( f ) 坐华竺矿脚西 = e 爿掣e - t 2 “( f - l ) + 掣e - j 2 r t ( f + f r ) d t = i a s t 一，：) 4 - i a s ( f 4 - z ) = 詈 s c r 一) + s ( ，+ z ) 】 上述调制信号经过不同特性的滤波器，就会得到不同的调制输出。 1 ) a m 调制 在a m 调制中，基带信号s ( r ) 中含有直流成分，设 s o ) = s o + s a t ) 式中，s o 为直流成分，疋( f ) 为交变分量，并且要求 岛 k ( f ) i 一 其中，k ( f ) l 一为交变分量绝对值的最大值只有满足这一要求， 过调幅，调制波包络才不会出现失真。 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 才不会出现 因为h 为全通网络，也即有日( 力= l ，所以a m 已调信号的时域和频域 表达式分别为 9 -t_-：；olli-r-_iri-r o-l-r o-l-i-ii o-l 中南大学硕十学位论文 第一章调制原弹简介 ( f ) = 心椰( f ) 】e o s 2 x f t ( 2 - 6 ) ：了s o 万( ，一正) + 8 ( s + z ) + i 1 最( ，一z ) + 爱( ，+ z ) ( 2 7 ) a m 调制的一般模型如图2 - 2 所示。 帛 图2 - 2 a m 调制一般模型 为了深入全面地了解m v l 信号，我们以包含直流成分的单频基带信号为例 来分析其频谱特性。 设s ( f ) = s o + 墨c o s 2 z f t ，则相应的a m 已调信号表达式为 s z _ t ( t ) = s ( ，) c ( r ) = 岛一2 石口+ s - - 2 - l c o s r 2 万( z + 例+ s - - 2 l e o s 2 万( z 一例2 - 8 由式( 2 - 8 ) 可以看出，单频f 调制的a m 信号包含三个频率成分：分别为 一 载频正，和频亦称为上边频( 频率为z + f ) 和差频办即下边频( 频率为z f ) 。 对式( 2 8 ) 进行傅立叶变换，得到单频a m 调制信号的频谱函数为 乳村( 厂) = 粤p ( 厂+ 正) + j 驴一五) 】 + 粤b c r + l o + f ) + j 驴一五一f ) 】 ( 2 9 ) t + 粤p u + 正一，) + 6 驴一五+ f ) 】 根据式( 2 9 ) ，可以画出单频a m 信号的频谱图。f 扫f l t2 - 3 可以看出，( 门 是s ( 门向右和向左线性搬移z 的结果。向右搬移为正频域，向左搬移为负频域。 通常，把频率为z 的分量成为载频一把频率为( z + f ) 的分量称为上边频， 把频率为旺一，) 的分量称为下边频。所以说，a m 调制信号的频谱包括载频 和上、下边频。 1 0 中南大学硕士学位论文第= 章调制原珲简介 一， d上， l 。 图2 - 3 调制信号s ( t ) 及a m 信号频谱图 图2 - 4 以单频调制信号为例，展示a m 调制前后它的时域和频域波形图。 僵 豫撵点数 一i i ij ( a ) 调制前波形( b ) 调制前频谱( c ) 调制后波形( d ) 调制后频谱 图2 - 4 单频信号a m 调制前后时、频域波形图 由图2 - 4 可以看出，当基带信号含有直流成分时，经过a m 调制之后的信 号功率有很大一部分集中在载频成分上，而这一部分并不携带任何有关基带信 号的频率信息。因此，对于a m 调制而占，其调制效率不高。 2 1s c d s b 调制 为了能够有效地提高调制效率，人们提出了将基带信号的直流成分滤除只 传送边带分量的调制方式，这就是d s b 调制。 如前所述，d s b 信号与a m 信号的区别是前者不传送载波，因此只要将式 ( 2 6 ) 中的品= 0 ，就得到了d s b 信号表达式。设d s b 信号的时日j 函数为j ( r ) ， k 中甫大学硕卜学位论史 第二章调制晾理简介 则 ( f ) = s ( f ) c ( t ) = j 。( f ) c o s 2 x f d ( 2 1 0 ) 其对应的频域表达式为 ( ，) = 了1 奠( 厂一z ) + s ( f + z ) ( 2 - 1 1 ) 以单频调制信号为例，d s b 信号调制前后的时域和频域波形如图2 5 所示。 由图2 5 可以看出，d s b 信号不再包含载频分量，只包含上下两个边带的 信息，并且上下两个边带的频谱对于载频正完全对称，其中任何一个边带都包 含了基带信号的频率信息。因此，从信息传输的角度来看，这仍然没有能够充 分地利用频带资源。 ( a ) 调制前波形( b ) 调制前额谱( c ) 调制后波形( d ) 调制后频谱 图2 - 5 单频信号d s b 调制前后时频域波形图 3 ) s s b 调制 为了进一步提高调制效率，s s b 调制方式应运而生。它是一种只传送调幅 波一个边带的通信方式。 s s b 调制按照所选取的边带不同，可以分为u s b 调制和l s b 调制。相对 于d s b 调制，s s b 调制在产生电路上多了一个单边带滤波器。 首先以单频调制为例来分析s s b 调制的时日j 表达式。设基带信号为 sc o s 2 7 r f t ，f 为基带信号频率，则s s b 信号表达式为 s b q 、= s i c o s 2 ，r f t c o s 2 符露 ：要湖陬肚f 川 2 m 中南大学硕士学位论文 第二童调制原理简介 上式中上边带取“+ ”号，下边带取“- ”号。 由此可以看出，s s b 信号是一个等幅正弦波，频率分别为z + f 和z f 。 运用积化和差公式，式( 2 一1 2 ) 可以化为 它 a i ( f ) = 詈c o s 2 x f t c o s 2 1 t f c t t - 害- s i n 2 x f t s i n 2 7 r f , t ( 2 - 1 3 ) 上式中，s i n 2 z t f t 可以看成是e o s 2 x f t 移相兰。 2 上述关系虽然仅仅是单频条件下得到的，但却不失一般性。对任意基带信 号j 。( f ) ，根据频谱分析，它都可以看成是由许许多多的正弦信号叠加而成。用 ：一( f ) 表示s ( f ) 中所有频率成分均移相；，它被称为信号j ( f ) 的希尔伯特 ( h i l b e r t ) 变换。因此，任意基带信号s s b 调制的时间表达式为 = 争c o s 2 研千( f ) s i n 2 7 r l f ( 2 “) 其中，“”号为上边带调制，“+ ”号为下边带调制。 ( a ) 调制前波形( b ) u s b 调制后波形( c ) l s b 调制后波形 ( d ) 调制前频谱( e ) u s b 调制后频谱( f ) l s b 调制后频谱 图2 - 6 单频信号s s b 调制前后时频域波形图 由图2 - 6 可以看出，s s b 调制信号由于仅包含一个边带，因此功率为d s b 调制信号功率的一半，大大提高了信号的调制效率。 4 ) v s b 调制 v s b 调制是从s s b 调制派生出来的一种调制方式，因为s s b 调制用滤波 器法实现时，要求滤波器具有理想的高、低通特性，这常常是难以达到的，特 ；：，舭j之4 撕 御 伽 船 。 相 钍 中南大学硕十学位论文第= 章调制原理简舟 别是当调制信号具有丰富的低频成分时，对高、低通滤波器的要求就更高，几 乎无法实现。 通常的滤波器在通带、阻带之问有一个过渡带，可以用这种滤波器作为s s b 调制的边带滤波器。如果用这种有过渡带的滤波器来获得s s b 信号，那么结果 就如图2 7 所示。 ( a ) 待调制信号频谱( b ) d s b 调制后信号频谱 ( c ) 具有过渡带的高通魔波器频率特性图( d ) 输出信号 图2 7 残留边带调制频谱图 图2 7 中，将待调制信号频谱设为矩形的目的是更清楚地看出v s b 调制原 理。 由图2 7 ( d ) 可以看出，输出信号把上边带信号几乎全部输出，只是在正 附近，上边带信号有一部分缺失；与此相反，在正附近的下边带信号反而有部 分漏过。如果缺少了的上边带频谱与漏过来的下边带频谱关于z 呈现奇对称， 那么2 7 ( d ) 所示的频谱就是v s b 调制信号频谱，而具有如图2 7 ( c ) 所示 在疋附近呈现奇对称或者说具有互补特性的滤波器称为残留边带滤波器。 应该说明的是，原信号的频谱不一定是矩形，可以是任意形状，只要v s b 滤波器具有互补特性，经过搬移，在正、负频域两频谱叠加，就一定能够恢复 原调制信号频谱。 v s b 信号的时日j 表达式比较复杂，可以表示为 1 4 中南大学硕学位论文 第二章调制原理简介 ( f ) = 1 ( 帅) s 2 形洱严1 砩i n 2 研 ( 2 1 5 ) 其中，最0 ) 是( f ) 即经过移相要，同时幅度又受到具有互补特性的v s b 滤波 器的衰减的信号。 2 3 2 角度调制 用待调制信号去控制高频载波的频率或相位使其频率或相位按调制信号的 规律变化的调制方式分别称为f m 调制和p m 调制。由于f m 和p m 这两种调 制都表现在高频载波总相角受到调制，所以统称为角度调制。 角度调制属于非线性调制。在这种调制方式下，角调信号频谱不再是待调 制信号频谱的简单搬移，而是呈现了非线性的变换关系。 一般角度调制信号的表达式为 矗o ) = 4 c o s 【q f + 欢f ) 】 ( 2 1 6 ) 式中，【皱f + 烈f ) 】称为瞬时相位，q f 是未被调制的载波相位，妒( f ) 是瞬时相位 与载波相位的差，称为瞬时相位偏移。型! ! 皇! 丛丛为信号的瞬时频率，d o _ ( t ) 为信号的瞬时频率偏移。 所谓f m 调制，就是瞬时频率偏移皇娶堕随调制信号s ( ，) 的规律变化而变 化。根据定义，有 ，壁竺盟：k d 5 ( f ) (217)t 、， 、。 其中，嘭为比例常数，称为调制器灵敏度，单位为弧度秒伏。则调制信号的 瞬时相位偏移为 p o ) 2l k i s ( r ) d r( 2 - 1 8 ) 因此，f m 调制信号时域一般表达式为 ( r ) = 4 c o s2 万肛+ l 巧如) d ( 2 - 1 9 ) 显然，f m 调制信号的瞬时相位偏移与基带信号成积分关系。 调相信号是瞬时相位偏移随基带信号规律变化而变化的调制波，其表达式 为 中南大学硕士学位论史第：事调制晾珲简介 矿( ，) = k p s ( t ) ( 2 2 0 ) j 乙为常数，称为调相器灵敏度，单位为弧度，伏。因此，p m 调制信号的时域衷 达式为 s p u ( t ) = 4c o s l 2 万z f + k p s ( f ) ( 2 2 1 ) 对比式( 2 1 9 ) 和( 2 2 1 ) 可以看出，调相信号波形也是一个疏密变化的 等幅波，但是它的疏密变化并不直接反映基带信号s ( f ) 的幅度，而是与基带信 号幅度的变化率相对应。从本质上说，p m 和f m 调制都足改变了载波的总相 角。本文只讨论f m 调制。 ( a ) 调制前波形( b ) f m 调制后波形( c ) p m 调制后波形 ( d ) 调制前额谱( e ) f m 调制后频谱( f ) p m 调制后频谱 图2 - 8 单频信号f m 、p m 调制前后时频域波形图 由图2 8 所示，对于单频调制，其f m 调制和p m 调制信号都包含了丰富 的频率成分，而且其频谱关于载频是呈对称分南的。 2 3 3 联合调制 联合调制是a m 调制和f m 调制的结合，因此，它既具有a m 调制的特性， 也具有f m 调制的特点。 设控制调制信号幅度的基带信号为焉( r ) ，控制其频率变化的基带信号为 岛( f ) ，则a m f m 调制的时间表达式为 只i f n ，o ) = ( 彳+ 丑o ) ) c o s2 石z f + l 巧屯( f ) d f j ( 2 - 2 2 ) 以单频调制信号为例，联合调制i i i 后的时域和频域波形如图2 - 9 所示。 1 6 ，：，舭d盘寸 鼬 仰 m 轴 。 秘 雠 中南大学硕卜学 迂论文第二章调制原理简介 5 3 般2 1 0 1 ( a ) s k t ) 波形( b ) s z o 波形( c ) a m - f m 调制后时域波形( d ) a m - f m 调制后频谱 图2 - 9 单额信号联合调制时域、颊域波形图 2 4 数字调制 用数字基带信号对高频载波的某一参量幅度、频率或相位三者之一进 行控制，使其随数字基带信号的变化而变化，这个过程称为数字调制，相应的 就有数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制。 在调制原理上，数字调制与模拟调制相似。一般来说，可以用键控的方式 来产生数字调制信号，因此上述信号又分别称为幅度键控、频率键控和相位键 控，这些是最基本的数字调制方式。 2 4 1 幅度键控 幅度键控是一种最古老的调制方式。随着近几年对信息速率要求的提高， 要在较窄的频带内实现较高的信息传输速率，多进制幅度键控( m u l t i p l e a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ，m a s k ) 得到了广泛的应用。 a s k 信号有两种实现方法：乘法器实现法和键控法。 用乘法器实现a s k 信号的调制框图如图2 1 0 所示。 茹p ( 葛p 尘 1 0 0 3 2 以 图2 - 1 0 a s k 调制信号的乘法器实现 1 7 irl-lrli or-r。fl-tll li_i【r-rrlri-l-l -l-rii-l 中南大学硕仁学位论史第二章调制原理简介 图2 1 0 中， 吼 表示随机的输入信息序列。经过基带信号形成器后，产生 波形序列，设形成器的基本波形为g ( t ) ，通常足持续时日j 为瓦的矩形脉冲，则 波形序列为 j ( f ) = a k g