（信号与信息处理专业论文）高速数字调制解调.pdf

摘裘 在组成通信系统的备个功能模块中，调制解调模块是熊中很随 要戆筵号交换环繁，它鬟要焚瑷翁售譬涉及裂墓繁露射壤，遣寄串 频处理的过程，因此有比较高的技术含量和实现难度。高濂数字调 瀚解谲技术豹开发稻盛蠲麓够缀好酾满足各麓逶僚领蠛对信号簸 理的需求，对于实现图形、图像、文件等数据的实时传递有着十分 现实的意义。 在本设计中，麓者开发了以m s k 调制方式为基础盼套数字调 制解调系统。整个工作包括了从理论分析计簿到具体的器件实现。 实瑷过程又趣括了较馋部分的饶真调遽、磋馋部分熬设诗开发，以 及软件下载到硬件后整个模块包括和外界模块的协调工作。该系统 睾为一令无线露终逶售终溃援熬一懿分，在羧截模块靛摇褥下键够 完成指定的调制解调功能，处理的基带数据速率可以高于6 4 0 k b p s ， 在餮前的无线溺遥信领域是缀瀚的；系统中采强了i ) s p 翻f p g a 辐 结合的全数字化处理方式，德台现代化通信设备对离速、大运算爨 处理的需求，同时系统也具有狠大的廷活性和可扩耀性。 本论文则主要阐述了在实现这一调制鳞调系统的过稷中所涉 及到的对数字调伟0 解调理论和技术的分析研究，以及对高速数字处 理按术瞧分辑硬炎，当然瞧对本方案爨薅斡软疆终设诗愚路彝实现 做了较为详细的介绍，尤其是一些设计相对较为创新和独到的地 方。 关键词：m s l ( ，d s p ，f p g a ，正交调制，基带波形生成，中频数字化 数字下变频 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 a 1 3 s t r a o t m o d u l a t i 0 1 1a n dd e i i l o d u l a t i o no r ei m i n o r t a n ts i g n a l t r a r l s f o r r l l1 i n k sina l l t h ep a r ts0 fac o m m u n ic a t i o ns y s t e 册 t h es i g n a lsb e1 3 r o c e ss e di nt h isp o r td e a isw i t ht h eb a s e b a n d f f e q u e l 2 c y 1 1 - 1 d t h er a d i 0f r e q u e n c y ，s 0n l et i m es1 3 r o c ess e sin t h ei n t e r m e d i a t ef re q u er l c yb a n dt o o ，s 0ah ig h te c h f l o l o g y c o f i t e n ta n dah jg h d e g r e e o fd i f f i c l i l t y isir l v o l v e d t h e d e v e l o i ) r n e n ta n da ! o p l ic a t i o l q o ft h eh ig h s p e e d d ig i t a l m o d u l a t i o na n dd er a o d u l a t i 0 1 3t e c h l 3 0 l o g y c a nf i tt h e r e c u i r e m e n t o f d i g i t a l s ig n a l 1 9 o c e s s in g i ns o m a n y c o e l l l u f i i c a t i o nf ic l d s i th a ss 0p f a c t i c a ls i g n i f ic a n cet 0t h e h ig hs p e e dt r a ns i t i 0 1 3o fp i c t u r e s ，f i le sa n ds o m eo t h e rt y p e s o fd a t a s ir lt h is p r oje c t t h e w r i t e rd e v e l o l p e dad ig i t a l m o d u l a t i o nl = t l q dd e m o d u l a t i0 ns ys t e m ， w h ic hb a s e d0 nt h em s k m o d u l a t ior 1 y h ew o r kb e g a r lw i t ht h ee t r l a l y z i n ga n dc a lc u l a t i o n i 1 3t h et h e o t yf i e l d ，t h e nr e l 9 1i z e dt h ep r o je c to nt h ed e v i c e s t h et e a l iz i l lg p l o c e s sir l v 0 1 v e dt h es o f t w a r es i m u l a t i n ga n d d e b u g g in g ，t h e b a r d w a r ed es i g n ，a n dm a k i n gt h ec o m l 。le t e s y s t e m w o r kw e l la f t e rd o w n l o a d i n gt h es o f t w a r ei n t 0t h e h a r d w a r e a se t , p a r to ft h et e r m i n a t i o f ii 1 1aw i r e le s sc 0 l l f f f l ur l ic a t i 。n n e t w o r k t h es ys t e l nc a nw o r ku r i d e rt h ec o n t r o lo ft h ew h o i e c o m l l l u f i ic a t i ot i s y s t e l n t h eh a se b a n di n p u to ft h em o d u l a t i 0 1 3 1 a r l t c a nh a sad l t ar a teh ig h e rt h a n6 4 0k b p s ，t h i sisas 0 h ig hr a t ei i qw i r e ) e s sc o l n i n u i 3 ic a t i 0 1 3f i o w d s pa n df p g aa i eu s e d t o g e t h e r t or e e t l iz et h ec or n p l e t ed i g i t a lp r o c es s i n g int h e s y s t e m ，t h i ss a l is f ie dt h er e q u i r e m e n to f * o h eh i g hs p e e d i i 塑i 型垫奎堂堡主塑塞点建塑量塑型塑塑 c a l c u l a t i o ni nt h o s e c o m m u n i c a t i o nd e v ic es a n d i tis f l e x i b l ea n dc a nb e d e v e l o p e d t h isth e s isf o c us e so nt h ea n a l y z in ga n dr e s e a r c h i n go f t h e o r ie sa n d t e c h n 0 1 0 9 i e s0 1 2t h e d i g i t a lm o d u l a t i o na n d d e m o d u i a t i o b ，o nt h eh i g hs p e e dd i g i t a lp r o c e s s i n ge i t h e r a ls o ，t h e d e t a i1s0 ft h e s 0 f t w a r ea n dh a t d w a r ed e s i g n , e s p e c i a l l yt h en e wid e a l sa m ei n t r o d u c e d k e yw o r d s ：m s k ( t h em i n i m u ms h i f t k e y ) ，d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) ，f p g a ( f i l e dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ) ，o r t h o g o n a l m o d u l a t e ，b a s e - b a n dw a v e f o r m p r o d u c e ，d i g i t a li f ( i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y ) ，d i g i t a ld a w nc o n v e r t e r i i i u 予科技大学硕士论文高速数字调制解调 独创憾声明 本人声骥，辑呈交鲍学瘦论文是本人在撼妫指导下墩行的研究 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 不包含为获褥电子科技大学蕺箕它教弯梳褥静学位或诞书露使瘸 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 文中挎了明确麴说臻莠表示嚣意。 签名：! 堡! 堕日期j 枷i 年；罔 目 关于论文使用授权的说明 本学筏论文作者完全了勰泡子科技大学有关傺聱、使 用学位论文的规定，有权保豳并向国家有关部门或机构送 交论文懿复窜 孛帮磁盘，兔诲论文被瓷阕弱整阗。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，可以采爝影印、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： l ! 15 婚师签名： 2 1 1 课题的来源 第一章绪论 调制和解调直以来都是通信系统中必不可少的重要部分、也 是通信信号处理技术中的一个重要组成。对于一个组网通信系统来 说，它是属于通信网络的物理层功能。 本课题的调制解调研究任务直接来源于某个无线局域互联网 通信系统的研制。构建互联网的主要目的是针对当前的数字化需求 和应用背景，提供一种能够适应未来需求又连接目前的通信设备， 满足实时性要求、基于全互联互通要求的“无缝”移动通信网络平 台。而每个终端机负责实现网络中的数据链路层和物理层功能。本 文涉及课题需要完成的工作就是实现该终端机中的调制和解调模 块。 由于业务类型、数据速率、工作频段、发射功率、传输距离、 通信带宽、接受灵敏度等等主要指标的要求和限制，我们选择的调 制方式是m s k 调制。本文就是在对m s k 调制方式进行研究和实现的 基础上，进一步完成对高速数字调制解调相关的理论和技术问题的 分析和研究。 1 2相关的研究状况 作为任何一个通信系统中的重要环节，调制和解调技术的研究 和发展直备受关注。尤其是近十多年来，无线通信有了巨大发展， 要求既传输信令数据，又传输各种各样的信息数据，因此系统中必 须采用能满足高速通信需求的数字调制技术，为此，各种性能更优， 更加能适应无线通信中频谱有限、干扰源多、并且具有很强时变性 的通信信道的调制技术也不断的创新发展。总之，我们所采用的调 制技术的最终目的就是使得调制以后的信号对干扰有较强的抵抗 作用，同时对相邻的信道信号干扰较小，解调方便且易于集成。 电子科技大学硕士论文高速数字调伟4 解调 恒包络挝术能适威信道的非线性，并且保持较小的频谱占用率 多进制调制更是提高频谱利用率的十分有效的方法。从传统数字调 潮鼓寒扩殿鲍技术毒正交摇移键控( o p s k ) 、正交调薅( q 矗錾) 、最 小移频键控( m s k ) 、商斯滤波灏小移频键控( g m s k ) 、距交幅度调 制( q a m ) 、正交频分艇用调制( o f d m ) 等等。其中几种已经在数字 蜂窝移囊邋髂系统孛褥鬟广瑟交耀，冀藿筑信遘宽度为2 5 k h z ，数 据速率为从几k b p s 到+ k 百k b p s 。 移动通信蜂窝无线网的顺利发展对无线髑域网( w l a n ) 通信起 罄专杰懿箍凄器爱。8 0 2 i l 是i e e e 聂耪裁汀秘一令w l a n 禄建， 主要用于解决办公室扁域网和梭圈网中用户与用户终端的无线撩 入，业务主要限于数据访问。其中物理层定义了数据传输的信号特 惩帮疆裁，定义了露个r f 簧籍方法器一卞红拜绫簧稔方法，r f 蕊 输方法采用扩频调制拽术来满足施大多数国家工作规范。在该标准 中r f 传输标准是跳频扩频和赢接序列扩频，工作在2 。4 0 0 0 g h z 2 ，4 8 3 5 g h z 频段。囊接枣襄扩颧蘩矮b p s k 稻d q p s k 谴粼蓑术，支 持l m b i t s 和2 m b n 8 数据传输速举。跳频扩颗采用2 唾电平g f s k 调制技术，支持l m b i t s 数据传输速率。红外线传输方法工作在 8 5 0 n 瑶9 5 0 m b 段，蹲毽磅搴秀2 驿，支持夔数据簧赣速率为i m b i t s 和2 m b i t s 。由于它衣速率和传输距离上都不能满足人们对通信的 滋一步需翳，所以8 0 2 ，1 1 标准很快被8 0 2 。1 1 b 所取代。19 9 9 年9 月，8 0 2 。l t b 疆歪式懿准。该蠢瀣麓定w l a n 工俸颏莰为2 。4 g h z 2 4 8 3 5 g h z ，数据传输谜率根据实际情况在1 1 m b i t s 、5 。5 m b i t s 、 2 m b i t s 、1 m b i t s 的不同速率间自动切换，传输距离控制在5 0 1 5 0 荚足。该舔准廷鼹8 0 2 ，l l 翳一令替充，袋霉替镁穰磷键控溪 制方式，采用点对点模式和基本模式两种运作模式。它激变了w l a n 的设计状况，扩大了w l a n 的应用领域。新徽w l a n 的傣号调制可采 怒正交额分多露裁式( o f d m ) 技术，镶证在无缓窀渡簧输甭嚣楚情 况下，仍材良好的通惰性能。 数字调制解调披术的研究和开发工作蒯光艰数字通信领域一 鲻筷速茇鼹蓑。楚褥通信戆囊量蔼谯、逮囊曼毫、镬输题寒更遮、 2 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 更加灵活方便。 在应用通信技术的众多领域中，军事通信是其中很重要的 令。褒代菠争霹装嚼戆痿惠依蔟滋越寒越大，扶装场惫予建罄蘩各 种作战指撵控制系统，无不需要大量的数据。军事通僚也正在向高 速率、数据化方向发展。i e e e8 0 2 1 l b 可以提供5 。5 “11 m b p s 的 速率，不仅麓够疆供话音还链提袋多媒钵等数据监务，邈合褒代黢 争数据通信的要求。圜内外众多的通信工程师也正在这个领域进行 着研究开发工作，希缀更好的选择和开发适合的调制解调系统，更 好静适痘移动无线礴络毫速可爨邋信熬要黎。 电子科技大游碛士讼吏熬遘数字调铡解调 瓣= 章数学谲鞭解调 整霭黢遴蕊蓑统中，遥接箍遂赛蓉，黉漱镲垮骞缎好弱羧予扰 照力；舔毪尊凝带黉源又十努霄隈，要袋缕曝功率谱在辕篱懿壤袋上 占霄密瀚辩宽。调涮虢懑昧蕾掇艇带信蹲转黉为个鞠时基带掰蠢 频率嚣鬻麓黪蛰逶傣号，势蠖冀热囊一淹鹩摭予找能力。数字谣剁 瓣谣澈起髂统戆模拟方式蠢甍瑟麓挠臻声懿潼裟受添戆挠信遵衰 落能力；爨现越来氇缀鞠的炙滴，容翁将凡种澎式的倍意( 翔数据、 落警露鋈像) 融会谯一起褥辘；褥透过逸撵套遥黪诵秘方式，将巍 蚤集中程黎瓣菝带穗，满足嚣线逶蔼系鲮鼹僖晕变换环节熟要求； 西藏，数字调铺及榭艨豁解调戏为无线遂德系统靛繁漤缀成部分。 2 ， 数掌骠麓方式 在无线数字遴债繁统中，海了在裔陵抟簇繁癀器1 袋健送簧鬻漶 攀熬鹚元，蒡羹暴嚣躐枣粢癸臻率辏麓，我们嚣甍逸鬣秘蕊窄带数 字调捌方式。 被寝鬻裂数字悉缓邋蠖中麴密谚数字稍铡鲻诞鼗术，成其霄下 剿黪点： ( i ) 功攀港窄。一般樊求酲调籁傣号巍部簇遂戆憝镳射手擒懿予 骞鬟继号4 0 、6 0 d g 。 2 频谱藏枣蕊。涟撵考熊杏瓣定簿鞭澄蠹穗遴蒸雾魏靛意，滚 慧安瓣邋偿瓣嚣求。 3 ) 簸戆髋蘸。焉线遥嵇嚣壤黻衰落、予拣黟礤声羚褥疯，必缀 羧据撬予撬黪力谯逡碾裁方爨。 ( 蝣能接受莲分捻测。出予鼹统接收继母的衰落粒频移特憾，榭 千勰溃熬涟筏臻萎变麓，露差努梭溅不嚣载波恢鼗，熊塞理浚遮鲻 步，获褥好鹃误磷谯髓。 蛰功率散率离。要求在 绒挫工孛罄横式f ，魅髓转化小，恕漾 液搴囊。 毒 电子辩疆大学碾士论文离速数字谪镯解饔 满足以上要求的数字调制方式大致可阻分为两大类，即线性调 裁按术鞠潺包络落露技零。奁线淫褒髑毅零中，抟鼙蠡信号虢疆浚 s ( t ) 随数字信号卅( t ) 的变化而线性变化，它的带宽效率高，因此 非常适用于在有限频带内要求容纳很多用户的无线通倥系统：它最 大静嚣煮怒实蕊对只耱经蠲功率效率爨豹线注r f 敖大器对绩号送 行放大，因为非线性放大器会导致已滤除的旁瓣再生，造成严重的 频谱扩展，引起对邻i 茔信道的干扰。使用憾包络调制时，不管调制 信号翅褥变拖，载波靛藕痉是溪定匏，藩母能在袭线瞧疆蒂信迄中 使用，经过非线性放大器不会引起信号频谱的扩展，带外辐射低； 并且可以用限幅或怒鉴频的方法检测，能够很好的抵抗随机噪声謦 由臻巍衰落萼l 起的信号波蘑，麓纯接渡穗设诗；讴楚遮耱帮誉翻援零 的不足在予它占用的带宽往往比线性调制宽。常用的窄带调制方斌 有q p s k 、4 一q p s k 、b f s k 、m s k 、g m s k 等等。另外，多进制调制 因为可以获褥受离豹频谱效率搿备受关注，穗与叠乏弱辩解谖器静笈 杂度和比特差错率的增大也随之而来；频分复用和码分多址的策略 也开始使用在无线邋信的调制方案中。下西就先介绍几种常用的数 字谲甓方式，并着耋分拆毖较它镅蕊频谱感性。勇羚魄简要介绥铡 用幅度和相位携带信息的q a m 多进制调制方式和正交频分复用 o f d m 调制方式。 2 1 10 p s k 蹬襁搬移键控q p s k 是匿避铡p s k ，也舔正交糖移键控。避为 在单个调秘码中有2 个比特被发射，它的谮宽是b p s k 的l 2 倍。 载波的相侥取值共有4 个，它们间隔相等，例如取o 、n 2 、“和 3n 2 ，绒者n 4 、3 4 、5 4 、7 4 。圈2 - l 蘑爨了这两耪l 蠹 况下的榴位星座图。 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 j 蜘 厂、。 。“7 糟 j、 。厂、7 ， l。 抟 圈2 1q p s k 的两种相位虽艇图 焉数学表达式，q p s k 簧号瑶以定义兔 s 删( f ) = 璧哪t + ( k - 1 ) z 2 】姗矧，2 ，3 ，4 姗( 2 - 1 ) 式中5 是璐元间隔，笛子沈特周麓死的两倍。面萎；名；称为鼹 元能量，爿+ 为正弦波载波幅值。利用三角憾等式可以袋达为： s 口m ( ) = - 2 t 等c o s ( k - 1 弦，2 】。s ( 2 巧玲一 s s i n f ( k - 1 弦，2 j s i n ( 2 硗f ) 公式( 2 2 ) 由此可以得到q p s k 调制器的组成结构如图2 - 2 ，它可以看成是由 嚣兮b p s k 溺裁器缀戏豹，另豁蟪毅了串并转换电蹙葶瓣魏法器邀路。 三面订 固申俨 q p s k 信号的功率谱为 c 伊邻鬻h 鬻) 2 卜c z s ， 在实际系统中鬻缆用豹是鼹穗援对摆移键控( 4 d p s k ) ，二进制 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 基带信息比特流经过麓分编码器之后才通过上述q p s k 调制。可以 避免理想q p s k 相于解调中存在的幽于相于载波初相不确定而导致 懿解调输爨数字售号极往不确定，氇就是裙彼模赣阍瑟。 n 4q p s k 灞嗣鼹雀q p s k 綦礁上发展熬来鹃，它鹣特点在予 码元转换时它的相位跳变值为“4 或3 “4 。而在q p s k 中，存 在1 8 0 的相位翻转，这带来了事富的功率谱旁瓣能量，限带引起 鹣包络起伏在通过 线往功放屠又会带来鬏谱扩散。透茂n 4 q p s k 比起q p s k 限带滤波后有较小的包络起伏，在非线性信道中有 爨优的频谱效率。n 4q p s k 还有个最大的优点是：它可以接受 菲相干释调，这将太大麓纯接收瓿酌设诗。 图2 - 3 域出了4q p s k 调制方式的相饿星座图，肖8 个均匀 阉隔豹相缎状态，弗被分成了两缎。相位交耱在用白点和黑点表示 的两组之阍跳变，剐最大的葙位虢变就哭麓为主“4 萃鞋3z 4 。 髓 嚼。翱。 褥。每。 圈2 3z 4q p s k 葙位星联翔 在n 4q p s k 的调制器构成中，比起q p s k 来，基带的两路并 行数据要多经过一个储号映射的模块才产生同相信号i 和正交信 号。获射熬过程尧： 耋。二cos(ok)=：ik_一l，cos(o。k)一-qq。k-,sin(ksin(o,iks i n ( c o s ( # k j 公式( 2 4 )。级=) = 一，。) 一q 。 ) 1 式中壤= 瓯；+ 露，o k 霸瓯，分饕是簿夤帮c - 1 令璃元懿藏位，相移蔹 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 与两路输入码元m 和m 仇的关系如表2 - 1 。两路信号 、幺通常分 别通过升余弦脉冲成形滤波，生成基带波形，( t ) 和0 ( t ) ，然后对 互相正交的c o s ( 2 彤t ) 和s i n ( 2 冠f ) 进行调制，相加后便得到4q p s k 调制信号。，。、g 的值以及，( ) 和窜( t ) 的幅度峰值可能的取值有 5 个0 ，l ，压2 。 表2 1 与输入比特相对应的载波相移 信息比特对( 删、珊仉)相移政 ( 1 ，1 )4 ( 0 ，1 )3n 4 ( 0 ，0 )一3 4 i( 1 ，o )一4 从这些讨论中可以知道，n 4q p s k 信号内的信息完全包含在 载波在两个相邻码元之间的相位差九中。因此它可以接收非相干的 基带差分检测。并且在无线移动通信信道中，由于多普勒频移的影 响加大，产生严重的寄生相位调制，使相干解调的性能变差；再加 上非相干差分检测电路实现简单，能快速同步，所以n 4q p s k 的 基带差分解调已经成为较佳的方案。只要保证本地载波频率与发射 机载波频率完全相同，用差分检测就可以抵消噪声、干扰等等引起 的相位漂移，得到两个相邻码元之间的相位差，并判决出同相和正 交两路比特信息。 n 4o p s k 的调制器映射逻辑虽然不同于q p s e ，但并没有改变 基带数据的概率分布、速率和波形，因此两者具有相同的理论功率 谱密度，但由于n 4q p s k 具有较小的包络起伏，通过非线性传输 后，实际的频谱效率将优于q p s k 。 2 1 3b f s k b f s k 是基本的二进制频移键控，载波频率随两个可能的信息 状态( 二进制数l 和0 ) 而变化。b f s k 的一般表达式为； 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 s 一( f ) k ，2 等c o s m ( l “仲】公式( 2 _ 5 ) s 一( f ) h = 。= 等c o s m ( “伸丁a 工= 丘+ v 和 = ：一a f 表示了两个独立的载波频率。 对b f s k 信号的解调可以有相干和非相干两种，另外一种常用 的简便方式就是过零检测法，根据过零率来检测已调信号中的频率 蛮化。 2 1 4m s k n 4o p s k 虽然消除了q p s k 信号中18 0 的相位突变，但并没 有从根本上解决包络起伏的问题。而最小频移键控( m s k ) 调制就 是一种包络恒定、相位连续的调制方式。它是连续相位的频移键控 的一种特殊形式。从连续相位f s k 的角度，m s k 信号可以表示为 s m s k ( t ) = a c o s 2 月f o t + ( 州 公式( 2 - 6 ) b f s k 中s b f s k ( r ) k 。和j ( r ) k 。两个信号正交，石和 满足如下 条件 鲈= 一厶= n 2 t b ，n = 1 ，监，鸪 公式( 2 - 7 ) 而当b f s k 的调制指数。= ( 2 a f ) r 。= o 5 ，即两个频点对应于载频 分别的频偏为1 4 t h ，两频点之间的频差a f = j 2 t 。时，有 正= ；( 一+ ，2 ) 公式( 2 8 ) ( f ) = 埘厂+ ( 。) = 2 焉+ ( 0 ) ，( 。) 为初始相位 可以得到m s k 信号的表达式 s 一( f ) = a c o s 2 矾f 2 焉+ ( 。) 】，。f 瓦，通常认为矿( 。) 2 。 公式( 2 9 ) 另外m s k 也可以看成是一类特殊的q p s k 调制。只是q p s k 两路 基带信号的矩形波形被正弦形脉冲所代替，另外在正交支路引入 t 。2 的偏移。用这种方式，m s k 信号可以表示为 9 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 觥( f ) = i ( t ) c o s ( 2 n f j ) 一q ( t ) s i n ( 2 n f 。0 公式( 2 10 ) 其中， ，囝。嚣。tc o s ( t g t 2 毛) r c t ( t - 2 n t , 一霸 ” 公式( 2 1 1 ) q ( f ) 一b 。s i n ( 衙，2 r 6 ) - r c t ( t 一2 n 瓦j a 。帮b 。分别是二进割僚息数据流缀过串著交羧褥到韵“静比特流” 和“偶窿特流”，取僖为l ，分剐对应l 和0 。 如图2 - 4 所示为m s k 的相位网络图。可以看出，从码元开始处 剐羁元终了处载波摆位之差都是x 2 ；载波稳位在一个磷元周期内 按线性规律变化，斜率的正负取决于p 。= 一b 。的值，以敬+ l 时， 斜率为正，p 。取一1 时，斜率为熊；相位中( t ) 是不断疑化的，变 化靓律潢是糖位连续鹣蘩求。 m s k 信号的功率谱为 2 孚2 羔筹料 2 h 。， 近似与，4 成反比，频率高的地方，能量变得小。 调制前先经过差分编码的m s k 调制，在谈比特率相同的情况 下，信号与礤声的功率谱密度篦魄越普遥鹩穗于解谣褥戮了提高。 ， 篇 獬 ，。、携 “1 vl 圈2 - 4m s k 的相位网络图 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 2 1 4g m s k m s k 信号的旁瓣低，但主瓣不够窄，因此通常认为m s k 信号频 谱利用率低。除此之外，它几乎具有无线移动通信系统所希望的其 它所有特性，比如恒定包络、相对窄的带宽、可以相干检测等等。 高斯最小频移键控g m s k 就是为了取得更好的频谱特性，提高频谱 利用率，在m s k 基础上改进得来得一种调制方式。 由m s k 的定义知道，它是对双极性波形进行特殊的f s k 调制得 到的，如果在载波调制之前，在基带加上低通滤波器对矩形信号进 行预滤波，时域波形被平滑了，可能得到更好的频谱特性。作为预 滤波的低通滤波器应具有如下特性： 带宽窄，过渡带尖锐； 脉冲响应的过冲量小，防止瞬时偏差过大； 保持滤波器输出脉冲的面积不变，以保证相邻码元之间2 的相移； 高斯低通滤波器满足上述特性，用它作为预滤波基带滤波器，能够 获得良好的带外辐射抑制和误比特性能，并且保持m s k 调制的优良 特性。滤波器频率相应函数为 h g ( 厂) = e - x 2 ，2 公式( 2 1 3 ) 冲激响应g ( t ) 同样也为高斯函数 五g ( f ) = 生8 - - 7 r 2 1 2 7 d2 公式( 2 1 4 ) d 参数n 与滤波器的3 d b 带宽b 之间有以下关系 口：l n 2 ：0 5 8 8 7公式( 2 - 1 5 ) 口2 _ ：= 一= 一 笃alj 4 2 b b 调制前首先将基带信号成形为高斯形脉冲如图2 - 5 ( 实际应用中使 用的是截尾的高斯脉冲) ，再进行m s k 调制，这样就得到了g m s k 信 号。成形后的高斯脉冲包络无陡峭沿，也没有拐点，因此相位路径 电子辩技大学矮论文裹速数字满靠l 解谰 得到进一步的平滑。 阁2 5g m s k 中的成形高断脉冲 g m s k 滤波器司以用其3 d b 滞宽b 和基带码元间隔t 。来定义， 露鞋s k 信号裁等价予b t 无穷大弱g m s k 售号。b t 乘辍越小，爨对 应的g m s k 信号的功率谱越紧凑，即频谱利用率越高；与此同时引 入的码间干扰也会增大。因此需蒙选择合适的高斯滤波器参数，谢 文献证疆，当b t = o 5 8 8 7 霹，由麓龋滤波产生懿码闯予貔骶号l 起瓣 误码率将遮最小；折衷考虑频谱斧1 j 用率和误码率两个方丽，b t = o 2 5 是蜂窝式觅线系统的一个很好选择。 2 1 5 凡种二进制裙带数字调制方式的比较 在设计数字遗偿系统鞋重，选择噻一耱数字龌制方式是十分重臻 的闯题，这往往是顿带利用率、误比特率、倍嗓比翻设备实现复杂 度等等多种因素综合考虑，根据具体的使用环境和条件进行比较才 娆做出载冁的。 分别介绍了几种常用的二逝制窄带数字调制方式之后，下面就 对主要的q p s k 、4q p s k 、m s k 和g m s i ( 这四种调制方式进行比较。 驮藏嚣熬努毒厅可良囊遵，b l s k 溪铡毽终瞧定、摇簸连续，驮投 本上解决了在q p s k 中存在的1 8 0 相位突变润题和在n 4q p s k 调 1 2 羲耋子奉嘻擅大学臻主论文裹速数挚调裁解调 制中依然存在的包络起伏问题。并且从它们的功率谱表达式知道， m s k 绩号茨功率港透 眭与，4 皴爱逡，瑟q p s k 弱功率灌赠送窀爻与f 2 成反比，因此，相对于q p s k 而言，m s k 信号的能量更加集中猩频 率较低处，如图2 6 ( 1 ) 所示。m s k 信号功率谱的第一个过零点频 率燕正0 。7 5 最，藉q p s k 豹繁一个过零悫频率魏0 。5 最，m s k 信号虽然有低的旁瓣，但是由于主瓣不够窄，功率谱不紧凑，它的 频谱利用率就显得不够好。 g m s k 调毅是对m s k 调躐豹改逶。在g m s k 中，交予在载波频率 调制之前对基带信哮进行了简斯预滤波，得到比较紧凑的功率谱， 提高了频谱利用率。g m s k 信号功率谱和m s k 信号功率谱的比较如 图2 - 6 ( 2 所示，强孛还翻爨了捷焉不瓣8 f 参数豹离簸颈滤浚低 通滤波器得到的不同g m s k 信号功率谱。 g m s k 调制是赞恒包络调制技术，在非线性移幼通信信遵上 其有较好约性麓，并盈有较嵩鹣毫源效攀。徨与数字线幢调翻技术 相比，懒包络方式总是有频谱效率较低的缺点。而“4q p s k 缀然 与q p s k 调制信号鼹有相同的理论功率谶密度，但陡于n 4q p s k 其有较小的包络起伏，通过线缝祷输瑟，辖之爨悠道线往纯祷偿 技术，实际的频谱效率优于q p s k ，与g m s k 信号相比也具有较胬的 频谱效搴积功率利用性能。 图2 6m s k 与q p s k 以及g m s k 的功率谱比较 综合分掇毙竣霹滋褥窭下蘸的缝暴： 在q p s k 、n 4q p s k 、m s k 和g m s k 邀四种调制方式中，频谱效 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 率最高的是通过升余弦脉冲成形滤波的n 4q p s k ，其次是g m s k ； 但是在非线性放大的条件下，n 4q p s k 的性能会受到很大限制， 电源效率较低：而m s k 调制信号虽然谱零点带宽和3 d b 带宽相对较 大，但是9 9 能量带宽最小，也就是当信道带宽限制足够的情况 下，接收端能够获得m s k 信号更多的能量，也就是更多的信息量； 而在误比特率性能的比较上，通常使用的b t = 0 2 5 的g m s k 调制最 差，它需要在比其它三种调制方式大约高1d b 的信噪比条件下才能 获得与它们一样的瀑码性能；就实现的复杂度来说，g m s k 的调制 解调对设备的要求是最高的。因此，在泛欧6 s m 数字蜂窝移动通信 系统中，由于频道间隔特别小，要求十分有效地控制带外辐射，因 此采用了b t = o 3 的g m s k 调制。北美a c i ) 一t i a 标准采用了4q p s k 调制方式，主要因为它较高的频谱利用率，但当移动通信中运用这 种调制技术时，对绽射端功放和传输信道的线行性要求就很高，如 果采用非线性功放，还必须辅以线性化补偿技术。如果想要很好的 利用上述这两种调制方式的优势，整个通信系统的实现复杂度是比 较高的。 在本课题隶属的整个通信系统中，对信号还采用了跳频调制的 方式，每个频道的带宽约为1 m h z ，相对于基带码元6 4 0 k h z 的带宽 而言，采用m s k 调制就可以很好的利用信号的能量，并且简化调制 解调端的实现。综合考虑这个无线传输系统的发射功率、传输距离、 接受灵敏度等等指标的要求，并与基带采用的编码方案做一个权 衡，考查差错概率和带宽效率，另外也包括系统的运用环境和课题 的一些其它要求，选择了m s k 调制方式。m s k 技术的调制解调实现 将在后面小节具体介绍。 2 1 6 口a m p s k 调制中，传输信号的幅度保持在一恒定值，只是根据数据 的不同改变信号的相位。通过同时改变信号的相位和幅度，可以得 到一种新的调制方式q a m 调制。 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 正交幅度调制q a m 是将来自信息序列的两个分离的k 比特码元 a ，b 。 同时加给两个正交载波c o s ( 2 矾f ) 和s i n ( 2 矾f ) 得到的。它的信 号波形可以表示为： s q a m ( f ) = a 。g ( t ) e o s ( 2 矾 ) 一a 。g ( t ) s i n ( 2 矾0 公式( 2 - 1 6 ) 式中m = 1 ，2 ，3 2 ，o t ts 。a 。和a 。，是两个正交载波携带的信息 的信号幅值，g ( ) 为信号脉冲。若令 峄厢哦a n l 等j 馘 则q a m 的信号波形也可以表示为 ( f ) = v , o g ( t ) c o s ( 2 矾，+ 见，) 公式( 2 1 8 ) 从上式可以看出，q a m 是脉冲幅度调制和相移键控的组合，腻个幅 值的p a m 和慨个相位的p s k 的任意组合都可以构成一个凹进制的 q a m ，胙腻版。进制的q a m 信号的星座图内有m 个表示不同码元 组合的信号点位置。 q a m 调制的功率谱和带宽效率与多进制p s k 调制相同，而在功 率效率方面就优于p s k 调制了。并且材值越大，q a m 信号的带宽利 用率和功率利用率就越高。 2 1 70 f d m 采用多载波调制( m c m ) 可以解决无线信道中多径效应产生的问 题。多载波调制采用多个载波信号，它把数据流分解为若干个子数 据流，再利用这些子数据流分别去调制若干个载波。所以，多载波 调制信道中，数据传输速率相对较低，码元周期加长，只要时延扩 展与码元周期相比小于一定的门限，就不会造成码间干扰。因而多 载波方案可以解决信道的时间弥散性问题。传统频分多址( f d m a ) 是将频带分为若干不相交的子频带来传输并行的数据流，在接收端 用一组滤波器来分离各子信道。这种方法简单、直接，但是频谱利 用率低，子信道间要留有保护频带，n 较大时多个滤波器的实现也 比较复杂。 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 正交频分复用o f d m 调制( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o d i u lt i p l e x i n g ) 的多个载波相互正交，一个信号内包含有整数个载 波周期，每个载波的频点都是和相邻载波零点重叠，这种载波间的 部分重叠提高了频带利用率，而且正交多载波的利用，使信道衰落 引起的突发误码分散到不相关的子信道上，变为随机性误码，有效 地减少和克服了码间干扰带来的影响。o f d m 技术中又把所有并行 子信号合并成一个独立信号传输，这样增加了数据的吞吐量，提高 了传输速度。 0 f d m 的实现过程是，在发送端，串行码元序列先进行基带调 制输出盔，d ，凶。然后串并转换成n 路子码元，分别调制在 正交的n 个，0 ，。，n 一1 子载波上，最后将n 路调制信号相 加发送出去。在接收端，首先对接收信号进行采样，然后使用n 个 相同的子载波进行n 路解调，再将这n 路解调信号并串输出，复现 发送的原始信号。 实现o f d m 的基础是子载波必须满足正交，如果正交性恶化， 系统性能会严重下降，产生o f d m 特有的子载波串扰。在恶劣的无 线环境中实现子载波的精确正交是它的一个难点。 2 2m s k 调制解调的实现 由2 ，1 3 节中的分析知道m s k 信号的产生过程如下： ( 1 ) 对输入数据序列进行差分编码； ( 2 ) 把差分编码后的输出数据用串并变换电路分成两路，并相互交 错一个比特宽度五、； ( 3 ) 用加权函数c o s ( 疵2 瓦) 和s i n 叼2 瓦) 分别对两路数据进行加权； ( 4 ) 用两路加权后的数据分别对正交载波e o s o 。，和s i n 。f 进行调制； ( 5 ) 把两路输出信号进行叠加。 根据上面讨论的m s k 信号产生过程，m s k 调制器的实现框图如 图2 7 所示，而m s k 解调端的最佳接收机方框图如图2 8 所示： 1 6 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 一塑鳖瓤；两嚣习+ 慝 ah 一jl 蘸2 - 7m s k 谰澍器豹实现穰潍 c o s ( t 2 k ) c o s 2 “曩 燃疆l 信号 一 s i n ( “t 2 t o s i n 2 “嚣 图2 8m s k 最佳接收机框图 基于m s k 信号的调剃形式，除了理论上鹣理想最健接蚊解调方 式外，可以用于m s k 解调的方法述有很多。如果把m s k 信号看成是 正交b f s k 调制，用b f s k 的相干解调或是非相干鉴频方式解调都可 以姣复出信惑彦剜，谖比特率毖怒最佳接收巍然是有掰下洚。另终 为了保持相位的连续憔，m s k 在安现调制时怒有记忆的，因此也可 以采用差分解调的方法。 在数字方式静m s k 释调孛，豢溺静方法怒墓荣正交梭测或是纂 带鉴频器检测。两种方式把m s i ( 调制信号从射频变换到基带的处瑗 过程是相同的，只是黢频方式在熬带的处理中加入了根据幅度计算 糖垃，又投握糖位愿弱瓣薅频零豹诗算过稷，镶巅二了鏊豢处理器熬 累加判决。解调的实现框图只惩在最佳接收机原理穰圈上略作改 动，如图2 9 。 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 土厂 一釜j 卜_ 叫低通滤波卜+ i ( t ) s ( t ) c o s 2 “玎一 s l n 2 “正t q ( t ) 图2 9m s k 解调实现框图 得到了i ( t ) 和q ( t ) ，直接对这两路信号分别做判决，并把判 决的结果合为一路，再进行差分解码就可以得到解调出的信息数 据。或者，由于在凋制的前端已经进行了若分编码，根据频率信息 解调就可以直接恢复出发送端的信息。进行坐标变换可以从i ( t ) 和q ( t ) 两路正交数据得到相位和幅度信息，进而计算出频率信息， 计算的数学表达式如下： 幅度： a ( ，) = ，( f ) 2 + 9 ( f ) 2 姚m c t a n ( 哿 鲥。1 ” 瞬时频率： ，( f ) = 璺上学，。是一个很短的时间延迟 对表示瞬时频率信息的数据进行采样累加，判决，得出的检测结 果就是发送的信息数据了。 m s k 信号应该具有以下特点： ( 1 ) 已调信号的振幅是恒定的； ( 2 ) 信号的频率偏移严格的等于1 ( 4 t 。) ，相应的调制指数 七日= ( 2 a f ) r 6 = 0 5 ； ( 3 ) 以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确的线性变 化n 2 ： ( 4 ) 在一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数倍： ( 5 ) 在码元转换时刻，信号的相位是连续的，也就是说信号的波形 斗 一 鞫 m 警 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 没有突变。 值得讨论的是，在跳频通信系统中，当基带模块送出的数据速 率一定的情况下，如果不能保证每个跳频频率的选择都让发射信号 的载波满足特点( 4 ) 会出现什么样的情况呢? 通过多次实验观察，这 样改变了m s k 本身的一些特性，可能在某种程度上削减了m s k 信号 频谱的优越性或是不能很严格的保证调制信号的相位连续性。但是 根据目前的实验情况来看，在接收端的基带处理中通过鉴频之后的 检测判决正确性几乎没有受到影响。 以上对几种适用于无线通信系统的数字调制解调方式进行了 详细的分析和讨论，包括各自的原理、实现的方法等等：并且对各 自的性能特点做了一个综合的比较。在下面的章节中将会针对m s k 数字调制解调的具体实现工作进行讨论。在分析具体的高速数字调 制解调实现方案之前，也必须要先对高速数字处理这门技术和它相 关的一些原理、知识进行深入的学习，并作一个简要的介绍。 电子科技大学硕士论文高速数字调制解调 第三章高速数字处理技术 3 1 解调中需要的高速数字处理技术 在数字调制实现方案中，基带的处理，包括基带数据的正交变 换、波形的生