MQAM调制解调系统设计

北京化工大学 硕士学位论文 MQAM调制解调系统设计 姓名：贾墨林 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：聂伟 20091130 摘要 M Q , U U 调制解调系统设计 摘要 软件无线电是一种开放式的体系结构，通过对通用硬件平台加载软件 来实现各种无线通信功能。基于软件无线电的调制解调器是当前通信领域 研究的热点之一。调制解调是移动通信中的一项关键技术，它的好坏直接 关系着通信系统的性能。 随着数字时代发展对信息传输量的增加，各种现代调制解调技术都在 追求可靠高速的数据传输。要在统一传输信道中实现多数据传输，需要一 种节约有限频谱资源，提高频谱利用率的调制方式。M Q A M 技术满足了 这一点。这使M Q A M 技术在当前通信领域甚至是4 G 通信系统中倍受重 视。 随着对通信、电子信息类人才项目开发能力的需求也不断增加，高校 通信教学改革势在必行。本文从培养学生实际动手能力出发，设计出集验 证性和设计性于一体，具备较高的综合性和系统性的实验系统。实现一种 基于F P G A 的软件无线电M Q A M 调制解调实验系统。文章首先介绍了 M Q A M 技术发展情况，论文核心部分主要阐述了M Q A M 调制解调及载 波恢复数学模型、软件设计、F P G A 实现方案、测试结果及分析。本文提 出了种新的1 6 Q A M 快速载波恢复算法及实现方案，并设计了一个更便 于人机对话的可视化实验平台。系统采用一个通用硬件平台和模块化的软 件设计实现M Q A M 调制解调实验系统。通过仿真与实际测试，结果正确 北京化工大学硕士学位论文 且工作稳定可靠。 关键字：F P G A ，软件无线电，实验系统，M Q A M ，调制解调，载波恢 复 H 摘要 D E S I G NO FM Q A MM O D U L A T O R D E M O D U L A T O R S Y S T E M A B S T R A C T S o f t w a r er a d i oi sa no p e na r c h i t e c t u r ew h i c hc e n t r a lc o n c e p t i o ni st o s t a n d a r d i z e dh a r d w a r ep l a t f o r ma n dr e a l i z ev a r i o u sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n sv i al o a d i n gs o f t w a r e M o d u l a t o ra n dD e m o d u l a t o rb a s e do nS o f t R a d i oa r ef o c u s e si nt e l e c o m m u n i c a t i o na r e a s r e c e n t l y M o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o ni sac r u c i a l t e c h n o l o g y i nm o b i l e c o m m u n i c t i o n ，i t s p e r f o r m a n c ec a nc o n t r i b u t ed i r e c t l yt oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m W i t h ，Av a r i e t yo fm o d e mm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa r e s e e k i n gs t a b l ec a p a b i l i t yo fh i g h s p e e dr a t et os a t i s f yt h eu r g e n i r e q u i r eo f v a s tc o m m u n i c a t i o nd a t ei nt h ed i g i t a le r ao fi n f o r m a t i o n I no r d e rt oa p p l y s e v e r a la p p l i c a t i o n si nt h es a m ep r o p a g a t i o nc h a n n e l ，w em u s ti m p r o v et h e b a n d w i d t he f f i c i e n c yt os a v el i m i t e d f r e q u e n c yr e s o u r c e sa n da c h i e v e h i 曲一s p e e dt r a n s m i s s i o nr a t e T h e r e f o r et h ew i d e - b a n dt e c h n i q u e sw h i c hi s M Q A M h a sb e c o m eo n eo ff o c u s e so fa c a d e m i ca n d4 Gc o m m u n i c a t i o n W i t ht h e r e q u i r e m e n t o f c a p a b i l i t y o fp r o j e c t d e v e l o p m e n t o f t e l e c o m m u n i c a t i o n sa n dt e l e i n f o r m a t i o ne n g i n e e r T h ee x p e r i m e n tt e a c h i n gi n t h eu n i v e r c i t ya n dc o l l e g em u s tb er e f o r m e d T h i sp a p e rg i v e saq u a l i t yd e s i g n o fs y n t h e s i z ea n ds y s t e m a t i c n e s st of o s t e rh a n d s o nc a p a b i l i t ya n dp r e s e n t sa 北京化工大学硕士学位论文 d e s i g no fM Q A Mm o d u l a t o r d e m o d u l a t o rb a s e do ns o f t w a r ed e f i n e dr a d i o w i t hF P G A T h ec h a r a c t e r i s t i c sa n do v e r v i e wo fM Q A Ma r ef i r s t l yi n t r o d u c e d ， t h e nm a t h e m a t i c a ls t r u c t u r e so ft h em o d u l a t o r d e m o d u l a t i o n sa n dc a r r i e r r e c o v e r y , d e s i g no fs o f t w a r e ，r e a l i z a t i o no ft h ep r o g r a mb a s e do nF P G Aa n d a n a l y s i so ft e s tr e s u l t s T h i sp a p e re l a b o r a t ean e wa l g o r i t h mo f16 Q A M c a r r i e rr e c o v e r ya n dt h ed e s i g no fe x p e r i m e n th a r d w a r ew i t hv i s u a l i z a t o n S y s t e mb a s e so nac o m m o nh a r d w a r ep l a t f o r ma n dm o d u l a rs o f t w a r ed e s i g nt o a c h i e v et h ee x p e r i m e n ts y s t e mo fM Q A M m o d u l a t o r d e m o d u l a t o r K E YW O R D S ：F P G A , s o f t w a r er a d i o ，e x p e r i m a t a ls y s t e m ，M Q A M ， m 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 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：一研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北。 京化工大学。学校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，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：日期： 导师签名：筮堑日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在数字化时代巨大信息量传输的迫切需求下，各种现代调制解调技术都在追求可 靠的高速数据传输。如何节约优先的频谱资源、提高频谱利用率、实现高速数据传输 成为当前重要的研究热点之一【l 】。M Q A M 技术以其高效的频谱利用率以及其调制解调 阶数可根据传输信道性能自适应变化的特性在通信领域尤其是第四代移动通信中备 受重视。软件无线电以其高度的灵活性和兼容性成为第四代移动通信的一个重要的实 现手段，是实现高阶M Q A M 调制解调技术和自适应技术的桥梁。软件无线电的出现， 使无线电技术由以硬件为主的时代走向以软件为主的时代【2 , 3 1 ，可以认为是继模拟通信 到数字通信，固定通信到移动通信之后无线通信领域的第三次突破。 通信和电子信息技术作为新的支柱产业，发展非常迅速，技术更新快，社会对创 新型实践型技术人才需求也不断增加。实验教学在整个教学环节中具有两方面作用， 一是对理论知识的学习和验证，二是通过对理论知识的深入理解，做进一步的创新研 究，提高动手能力。高校为国家培养的人才不但理论知识要扎实，同时还应具备一定 的专业技术应用能力，这就要求学生在校期间除了要接受课堂教育，还要受到系统的 工程实践训练 4 1 。目前信息产业的飞速发展对高校的通信和电子信息类教学提出了新 的挑战，要求更新的实验器材，更新的前沿技术，增开综合性设计性实验，提高学生 综合专业素质和对前沿技术的了解。 1 2 课题的背景和意义 1 2 1 调制解调技术的发展 调制解调技术是移动通信中的关键技术，调制解调效果的好坏直接影响通信系统 的性能。所以要根据不同移动通信信道的特性选择合适的调制解调方式。根据调制信 号的不同可以分为模拟调制技术和数字调制技术两类，早期的模拟调制有模拟幅度调 制( A M ) 、模拟频率调制( F M ) 。模拟调制的抗干扰能力较差，而且频率的复用能力 较低。数字调制可以分为幅度键控( A S K ) 、频移键控( F S K ) 和相移键控( P S K ) 。 高斯最小移频键控( G M s K ) 和4 - D Q P S K 具有较强的抗多径衰落性能，带外功率 辐射小等特点，分别在二代和第三代移动通信中得到广泛的使用。在数字化时代巨大 信息量传输的迫切需求下，各种现代调制解调技术都在追求可靠的高速数据传输。数 字通信技术的发展使得电信网、广播电视网和计算机互联网出相互融合的趋势。要在 北京化工大学硕士学位论文 统一传输信道中实现诸多通信应用，需要节约优先的频谱资源，提高频谱利用率，实 现高速数据传输，因而宽带数据通信是当前重要的研究热点之一。为此，近几十年来 人们不断地提出一些新的调制解调技术。正交振幅调制( Q A M ) 和正交频分复用 ( O F D M ) 方式在恒参信道中有高的频谱利用率。正交振幅调制在有线电视网络高速 数据传输和卫星通信等领域得到了广泛应用，而正交频分复用在高清晰数字电视广播 系统和宽带无线接入等领域得到了成功应用。O F D M 是一种特殊的多载波调制技术， 也是一种复用技术。O F D M Q A M 调制解调系统是第四代移动通信系统的核心技术的 一个主要备选方案。另外，在未来的移动通信系统中，自适应调制技术和自适应识别 解调技术也将成为研究的热点，它可以根据移动信道传播条件的变化自适应的调整传 输的速率及调制解调方式，充分发挥频谱的效率。而软件无线电是实现这种多模式自 适应调制解调技术的桥梁。 随着软件无线电技术成为第四代移动通信的关键技术，基于软件无线电的调制解 调器成为当前通信领域研究的热点之一【5 】。目前实现软件无线电调制解调器主要有基 于D S P 、F P G A 、专用芯片或它们的组合几种方法【6 】。其中D S P 比较适合话音或图象处理； F P G A 具有实时性好、对逻辑运算处理快、用户可重复编程和外设配置简单等优点，但 早期的F P G A 由于门数和速度的限制很难实现复杂算法：专用芯片指标满足实际应用， 但大多数芯片功能单一，通用性差1 7 - 9 。随着F P G A 技术的发展，已经出现更多门数、更 高速度、功能更强的F P G A ，其内部嵌入多种I P 核，这些为实现基于F P G A 技术的软件无 线电调制解调器成为可能【l o J 软件无线电( S o f t w a r eR a d i o ) 的概念是由J o cM i t o l a 于19 9 2 年最早提出的，特指用 软件来定义和实现各种功能的无线通信设备。软件无线电的中心思想是构造一个标准 化、模块化、开放性的通用硬件平台，将调制解调、通信协议、编解码等各种通信功 能用软件来完成，并且将宽带A D 和D A 转换器尽可能的靠近天线，减少通信系统 中的模拟环节，从而研制出具有更高灵活性的无线通信系统【1 1 , 1 2 。软件无线电主要由 天线、射频前端、宽带A D - - D A 转换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件 组成【1 3 J 。理想的软件无线电组成结构如图1 1 所示【1 4 1 。 图1 - 1 理想软件无线电组成机构 F i g 1 - 1I d e a lS t r u c t u r eo fS o f t w a r eR a d i o 软件无线电具有很多优点： 2 第一章绪论 ( 1 ) 灵活的可重配置性与开放性。软件无线电系统的使用的开放性使其具有软件可 重配置的灵活性，软件的灵活性决定了应用系统的灵活性。系统只有具有灵活的可配 置特性，才可以实现系统多波段、多波型、多制式乃至多媒体的工作【1 5 】，也使在线改 变信号调制方式成为可能。方便改进和升级大大缩减了采用各种新的信号处理手段提 高功能和性能的开发周期。 ( 2 ) 硬件平台的标准化与模块化。软件无线电系统的功能通过软件定义，系统功 能的灵活程度与可扩展程度依赖于硬件的频率范围、动态范围、可配置程度等性能指 标。硬件平台的结构模块化程度越高，标准化程度越强，可供给软件定义的特性越多； 在同一硬件平台下完成的功能越强大和多样化，其软件无线电实现系统就越复杂。因 此，软件无线电平台力求做到模块化、标准化、高带宽【l 酗。这样，不仅能和新体制 电台通信，还能与旧体制电台兼容并且提供不同系统互操作的可能性，延长了软件无 线电使用周期，节约成本【1 9 】 1 2 2Q A M 技术发展现状 随着多媒体技术的发展，要求通信网信息传输速率越来越高，而可用频带资源有 限，现有的调制方式越来越不能满足通信容量的要求，如何采取一种调制技术在有限 的频谱资源中提供高容量、高速率的多媒体综合业务，是移动通信领域中一个令人关 注的课题。因此为了能在很大程度上解决上述问题，现代调制解调技术要解决的一个 重要问题是如何提出一种高频谱利用率的调制方案 2 0 2 1 1 。 1 9 9 5 年B D a n e s h r a d ，H S a m u e l i 提出了用于D S L 传输的全数字Q A M 系统， R D G a u d c n z i ，M L u i s e 给出了一种非线性卫星信道的网格编码1 6 Q A M 接收系统 2 2 1 。 Q A M 调制在信号幅度和相位上都携带有信息，频谱利用率高，可以满足大量和快速 的信息传输。 随着信息产业的发展，Q A M 技术已经广泛应用于高清数字电视广播、宽带接入 网技术及数字微波传输等宽带通信领域。美国、和日本三个数字有线电视标准都采用 了Q A M 调制方式，如D V B - C ；现代宽带接入技术中X D S L 、L M D S 、M M D S 都采用 了Q A M 调制技术；数字微波传输L M D S 、H F C 网络也都采用了Q A M 调制方式。近 几年来，随着数字技术的发展，现代C A T V 双向网、宽带接入网技术A D S L 等也多采 用Q A M 调制方式L z j J 。 在通信系统中，高性能调制解调技术是保证高速数据传输的关键。随着移动通信 领域中微蜂窝和微微蜂窝的出现，小区的半径越来越小，以致通信交换距离很短，收 发机间的障碍较少。信道的衰落情况有了很好的改善，接收信号中就会存在较强的之 大分量，多径衰落特性由瑞利衰落变为莱斯衰落，对调制信号振幅的影响就相应减小 了，使得原本被认为不适合移动通信Q A M 技术已经适合用于移动信道【2 4 1 。为了满足 北京化工大学硕士学位论文 用户对高速分组数据业务日益增长的需求，也为了能够更好的与其他无线技术对数据 业务的支持向竞争，3 G P P 在R e l 5 引入了H S D P A 技术，在信道条件良好时采用1 6 Q A M 调制( W C D M A 标准) 。Q A M 技术已经成为第四代移动通信的调制技术【2 5 】。 现在Q A M 调制仍存在频繁的相位跳变问题，相位跳变会产生较大的谐波分量， 因此如果能过在保证Q A M 调制所需的相位区分度的前提下，尽量减少或消除这种相 位跳变就可以大大抑制谐波分量，从而进一步提高频谱利用率f 凋；对于Q A M 随着阶 数的提高，频带利用率就越高，携带的信息量就越大，但同时对解调技术要求也越高 【印；数字通信技术、集成电路设计技术及半导体制造技术的发展使得在单芯片上实现 高速Q A M 调制解调器成为可能。高速Q A M 调制解调的实现不仅需要稳定的高性能 算法，而且需要V L S I 实现1 2 1 1 。 1 2 3 基于软件无线电的M Q A M 教学实验系统 很多高校都将M Q A M 技术作为移动通信等课程的重点内容，而高阶Q A M 算法复 杂，是一个教学难点。通信技术的快速发展要求通信专业的学生和科技人员不但要掌 握扎实的理论知识，还应具有较强的工程概念和动手能力。因此，本文设计一种用于 教学的M Q A M 教学实验平台。该实验系统采用软件无线电通用硬件平台实现，可进 行不同的软件移植，满足对M Q A M 技术及其他移动通信技术教学实验的需要。本系 统除了进行教学实验外，也非常适合用于电子竞赛、创新培养计划、研究生课题等教 学项目，对软件无线电和移动通信领域的研究有积极的意义。 目前，市场及大学中出现的实验器材大体包括基于软件平台和硬件平台两种： l 、实验软件平台 综合来说，用软件来对实验装置进行仿真有以下几个优点【2 8 , 2 9 1 ：易于实现较为复 杂的实验过程；实验所需时间较少，实验效率高；使学生能够直接从理论角度，掌握 通信技术；便于记录和分析实验过程和实验结果常用的有： 1 ) 利用M a t l a b 软件实现 M a t l a b 算法仿真功能强大，随着通信领域的发展，增加了很多通信模块库，方便 针对通信中技术及算法的仿真。 2 1 利用M u l t i s i m V 7 软件实现 M u l t i s i m V 7 软件是由I n t e r a c t i v eI m a g e T e c h n o l o g i e s 公司开发的一种用于电路仿真 和设计的E D A 软件，系统高度集成，界面直观，操作方便，具有数字、模拟及数字 模拟混合电路的仿真能力，但无法控制底层硬件不能从外界采集信号，进行实时处理 1 3 4 o 3 】基于l a b v i e w 的虚拟仪器 美国国家仪器公司( N a t i o n a lI n s t r u m e n t s ) 在1 9 8 6 年推出了一种革命性的图形编 4 第章绪论 程语言L a b v i e w ，使用者可以以一般的电脑搭配经济的硬件设备来建立自己的仪器控 制系统。例如，信号源，滤波器等。该设备在界面的制作上具有较大优势【2 8 】。 4 ) 利用S y s t 既n V i e w 软件 美国E l a n i x 公司推出的基于W i n d O W 8 的动态仿真软件S y s t e m V i e w ，用它进行通 信系统仿真实验简单、直观，不需要编程，反映的物理概念和现象明确。 以上软件适用于对M Q A M 调制解调及局部算法的仿真。对调解解调过程中信号 经过各个模块后的现象的反应不够直观。 2 、实验硬件平台 硬件实验可以比较直观地反映实验的现象，也可以提高学生自身的动手能力，真 实的硬件环境给予同学们感观上的认同感和真实性。很多高校在实验教学上作出相应 改革，更新通信和电子信息类教学实验设备，市场上也不断的涌现新型的实验设备， 如：百科融创的R C G I I I 光纤通信实验箱、康芯公司的G W 系列F P G A S O P C 实验开 发系统，北京万控的W K - W B T X - 1 微波通信实验箱【2 9 1 。 近些年，软件无线电技术倍受关注，将硬件作为其通用的基本平台，把尽可能多 的无线及个人通信的功能用软件来实现，从而将无线通信新系统、新产品的开发逐步 转移到软件上来。F P G A 以其接口简单、速度快、精度高、稳定性好、集成高方便等 优点被广泛应用于软件无线电系统。因此，本文以通用的硬件平台来完成设计开发， 也正是实验教学平台的研究重点。 1 3 论文研究的主要内容 本文针对目前利用前景非常被看好的M Q A M 技术进行了研究。本文提出了一种 新的解调算法，并结合了软件无线电理论和设计思想研究并开发了一套M Q A M 可 用于课程实验教学中的可视化实验装置。本文内容组织结构如下： 第一章，完成了课题相关领域的现状分析。包括对M Q A M 技术的发展现况、应 用领域及技术研究，对软件无线电技术的应用状况及发展前景，对目前高校通信信息 类专业实验装置等问题进行了总结和分析。 第二章，在论文的核心部分首先对M Q A M 调制系统进行了研究。做出了正交幅 度调制算法分析并给出了本文的具体设计方案。 第三章，对应前文的调制方案，给出了相应的解调方案。 第四章，从模拟锁相环原理、结构和性能入手，过渡到数字化锁相环，然后重点 阐述本文所提出的对1 6 Q A M 载波恢复的详细设计方法。 第五章，根据设计及仿真所需要的硬件资源，在充分考虑系统性能的基础上，针 对实验教学设备，本文给出了适合学生实验的可视化M Q A M 硬件平台的设计。 5 北京化工大学硕士学位论文 第六章，文章最后给出了M Q A M 调制解调系统的系统测试和性能分析。 6 第二章MQA M 调制原理与设计 2 1 调制解调原理 2 1 1 模拟调制技术 第二章M Q A M 调制原理与设计 调制的实质是进行频谱交换，经过调制后的已调波应当具有两个特性：一是携带 基带信号信息；二是适合信道传输。模拟调制技术分为幅度调制和角度调制两种。 ( 1 ) 幅度调制 幅度调制( A M ) 是指用调制信号控制载波的幅值，是一种线性调制技术，实现 了调制信号频谱的线性搬移。在幅度调制中主要有调幅( A M ) ，以及抑制其载波分量 的双边带调制( D S B ) 、单边带调制( S S B ) 、残留边带调制( V S B ) 。A M 调制实现起 来比较简单，但是调制效率低，有用信息的载波功率只占了不到5 0 发射功率。D S B 率除了A M 中不携带信息的载波分量，S S B 只保留了上个可反应全部信息的边带信号， V S B 较S S B 更容易实现。 对于幅度调制而言，A M 常用包络检波法解调，其检波输出正比于输入信号的包 络变化，为非相干解调。而所有抑制载波分量幅度调制的效率提高了，但是已调信号 的包络不再与调制信号的变化相一致，因此不能采用包络检波解调方式，一般都是采 用相干解调方式。 ( 2 ) 角度调制 角度调制是用调制信号控制载波的角度，是一种非线性调制技术，有较好的抗噪 声性能。角度调制包括频率调制( F M ) 和相位调制( P M ) ，两者可以互换。F M 指载 波的瞬时角频率偏移随调制信号的变化而线性变化，P M 指载波的瞬时相位偏移是调 制信号的线性函数。正弦波的频率的变化会引起相位的变化，同样，相位的变化也会 引起频率的变化，两者的变化均为角度变化，所以统称为角度调制。在角度调制中已 调信号的频谱不再是调制信号频谱的线性搬移，会产生许多新的频谱成分。另外，根 据调制前后信号带宽的相对变化可以将角度调制分为窄带角度调制( 窄带F M ) 宽带 角度调制和( 宽带F M ) 。 对于角度调制而言，其中窄带F M 与A M 信号频谱结构相似，可以看成线性调制， 可以采取相干解调或非相干解调，而宽带角度调制只能用非相干解调方式解调。第一 代的模拟蜂窝移动通信系统采用的是宽带F M 方式。 7 北京化工大学硕士学位论文 2 1 2 数字调制技术 用数字信号控制高频载波，将基带数字信号变换为频带数字信号的过程为数字调 制。它与模拟调制的区别主要是基带信号不同，是用数字信号直接控制载波某个参量 来实现的( 幅度、频率或相位) 。下面介绍几种常用的数字调制方式。 ( 1 ) 二进制振幅键控( A S K O O K ) A S K 信号形式为： 咒躐= 趣a , g r ( t - n T ) c o s c o J 式( 2 1 ) a m ) 为单极性不归零二进制序列。 实现框图如图2 1 所示： 二进制 信号 i c o s q tA S K S - q - _ o 图2 - 1 A S K 调制 F i g 2 - 1A S K m o d u l a t i o n 已调信号功率谱密度如下： 乞篮( 厂) = 了A 2 【( 厂一z ) + ( + z ) 】式( 2 2 ) 对A S K 解调的方式有包络检波和相干解调两种方式。包络检波方法为让信号通过 一个低通滤波器，然后进行硬判决，得到基带信号信息。如图2 - 2 图2 - 2 A S K 解调 F i g 2 - 2T h ed e m o d u l a t i o no f A S K ( 2 ) 二进制移频键控( F S K ) F S K 信号产生可以分为：直接调频法和频率键控法。直接调频法是用数字基带矩 形脉冲控制一个振荡器的频率参数，直接改变振荡频率，输出不同的频率信号；频率 键控法是用数字基带矩形脉冲作为控制两个不同频率信号的载波源。 对F S K 解调方式有很多，如鉴频法、差分检测法、包络检测法及过零检测法等。 8 第二章M Q A M 调制原理与设计 鉴频法是将等幅调频波变换成调幅调频波，再经过振幅检波器( 通常为低通滤波器) 提取频率变化信息；差分检测法原理是将输入信号与其延迟信号进行比较，检测出不 同频率信息；包络检测法是用两个窄带的分路滤波器分别滤出两个频率的子信号，经 过包络检波后取出它们的包络，然后经过抽样判决得到基带信号。 ( 3 ) - - 进制移相键控( P S K ) P S K 利用载波相位变化来直接表示数据信息，称为绝对移相，信号表达为： = 趣a , g r ( f n T , ) e o s 彩d 式( 2 - 3 ) k 。 为双极性二进制数字序列，取值为+ 1 或1 。实现框图如图2 3 所示： 二进制 图2 - 3 P S K 调制框图 F i g 2 - 3T h ed i a g r a mo f P S K m o d u l a t i o n 一般情况下在+ l 和1 等概出现时，二进制移相键控信号的功率谱密度由离散谱和 连续谱组成，其结构与二进制振幅键控信号的功率谱密度相似，带宽也是基带信号带 宽的两倍，已调信号功率谱密度同式( 2 2 ) 。 相关的调试方式还有D P S K ，是利用现对移相实现数据传输。调制方法相同，只 是调制前要对基带信号进行差分编码。信号的抗干扰性优于P S K ，可以解决接收端相 载波 位囱步 图2 - 4 P S K 相干解调框图 F i g 2 - 4T h ec o h e r e n td e m o d u l a t i o nd i a g r a mo fP S K 当基带信号为1 时，载波与调制信号乘积为： C O S ( ( B 。t ) 口e o s ( c o 。f ) = 【l + c o s ( 2 c a 。f ) 】式( 2 - 4 ) 它的取值范围为【O ，1 】。当调制码为0 时，载波与调制信号乘积为： 9 北京化工大学硕士学位论文 一c o s ( q f 乒b 0 8 ( 吐f ) = 一去【1 + c o s ( 2 q f ) 】式( 2 5 ) 它的取值范围则为 1 ，0 】。经过低通滤波器滤除高频分量后只剩基带码元信息，抽样判 决后输出。 ( 4 ) 正交幅度调制( Q A M ) 单独利用幅度或相位携带信息时不能充分利用频谱。下面介绍一下近几年发展起 来几种现代高阶数字调制技术。以1 6 进制为例，1 6 P S K 星座图如图2 - 5 ( a ) ，若采用 幅度与相位结合的方式一种可能的星座图如图2 5 嘞，记作1 6 Q A M 。 Q 广 、 、 。一 - 0 一 ) 飞 。、1 Q 一 、 - f I | t f l J 、f l 7 气 I ( a )( b ) 图2 - 51 6 P S K ( a ) 与l 删 v t C o ) 矩形星座图 F i g 2 - 5T h er e c t a n g u l a rc o n s t e l l a t i o nd i a g r a mo f1 6 P S K ( a ) a n d1 6 Q A M ( b ) 1 6 P S K 只利用了相位信息，没有利用幅度信息，以至正交两个方向分别具有8 个 幅度值。而1 6 Q A M 充分利用了相位和幅度信息，充分利用正交两路的幅度信息分别 只用2 个幅值就表达了1 6 个信息点的信息。两者均可采用正交调制的方式，如图2 - 6 。 电平 I 一翮 变换 口一掣，r 、调制。 输出一 I 并 峪- Q 一杰 厶广一 串 转 换 电平 变换 图2 - 6 正交调制模型 F i g 2 - 6T h eM o d e lo f Q u a d r a t u r eM o d u l a t i o n 不同的是M P S K 在M 4 时正交两路基带信号不相互独立，以保证合成矢量点在 圆周上。而M Q A M 调制正交两路相互独立，可以看成是两个正交抑制载波双边带调 幅信号相加。可知M Q A M 最高频谱利用率为l 0 9 2Mb i t s H z 。M Q A M 当M - - - 4 时就是 Q P S K ，如果利用2 3 ( b ) 这种矩形星座做映射，则为4 - Q P S K 。如果在正交调制时， 将两路正交基带信号相对延迟个基带信号间隔，则会起到减小调制信号包络起伏的 1 0 第二章MQA M 调制原理与设计 作用。这种方法称为交错正交相移键控( O Q P S K ) 。 M Q A M 信号解调采用正交相干解调法，如图2 7 。 调 信 上任丑一蜀娶卜 恫 并 出 回 转 换 广1 o ) 是宽度为互 的单个基带信号波形。 设， 北京化工大学硕士学位论文 = 彳一C O S 。a n A y 刀= A s i n 2 么式( 2 7 ) A n = qX 去+ y ： 上式、“由输入数据确定，决定了已调Q A M 信号在信号空间中的坐标点。1 1 由Q A M 调制阶数决定。式中，y 一代表对c o s c o c t 和s i n m c t 载波进行调制的离散数字码元， 取值为l ，3 ，5 。式( 2 6 ) 变为： s c D = 莓4 9 0 九z ，c o s 纸 c o s 吖一 莓以g c r n z ，s 证纯 s i n q t ：= ：莩。c ：g c r ，z ：r ：， 。sc z k r Y 。 y g t t - n r , ) s , i n t o ： 式c 2 8 ， = l 毛g o 一刀t ) l c o s 吐f ll s 式( 2 8 ) L J L 矗J = 】，( f ) c o s 纹f + 彳( f ) s i n 吐f 可知相位角为： ；a r c t a n ( X ( t ) 】 ( t ) ) 式( 2 9 ) 令4 加一刀乃) = 只综上由式( 2 6 ) 可知n 时刻及下一时刻n + 1 信号表示为： S , ( t ) f n - - 一P 厅p c ：o s ( m e t + 伊n ) 、，f 加互，。+ 1 ) 乃】伽 0 ) 式( I o ) & + l ( f ) = 只+ lc o s ( m c t + f o 肿1 ) 印2 ；协+ 1 ) 2 ：】协 o ) 瓦( 2 - I 令缈= + l 一则， 邑+ l ( f ) = 只+ lc o s ( m c t + + 力式( 2 - 1 1 ) 可见卸为相位跳变。这种相位跳变的存在会增大调制信号的谐波分量，从而使频带 展宽。由于有用信息主要集中在频谱的主峰附近，谐波分量中几乎不含有有用信息， 所以从提高频谱利用率角度，如果能够设法在保持每个码元主要区间内相位不变的前 提下，滤除高次谐波分量【3 l 】。从而既可以保证Q A M 调制所必须的相位差别，又避免 了相位改变时的剧烈跳变造成的谐波分量带来的频谱展宽。 M Q A M 调制器设计如图2 8 。 1 2 第二章M Q A M 调制原理与设计 图2 - 8 M Q A M 调制器设计 F i g 2 - 8D e s i g no fM Q A MM o d u l a t o r 图中，输入的二进制序列经过串并转换，输出速率减半的两路并行序列，在分别经过 2 到L 电平变换，此过程是差分编码与星座映射过程。对M = 4 ，1 6 ，6 4 ，2 5 6 。L - - 2 ， 4 ，8 ，1 6 。成型滤波包括内插和滤波两个部分，然后进行正交调制。调制载波由D D S 技术生成，具体设计方案将在第三章给出。 2 2 2 星座映射与差分编码 串并转换后生成并行r 比特码流，对M = 4 ，1 6 ，6 4 ，2 5 6 ，r = 2 ，4 ，6 ，8 。然后进 行差分编码，差分编码过程如图2 - 9 。 串习耠医 格 雷 并b L Q 刀 码 转 ；一 座 换 星 映 射 图2 - 9 差分编码 F i g 2 - 9D i f f e r e n t i a lC o d i n g 采用相干检测的方式进行解调时需要一个参考载波信号，这个信号由载波恢复电 路产生。这个恢复生成的参考载波存在四相位模糊问题，这种模糊度会使解调出的码 元存在某种不确定性f l o 】。最佳的方法是使用四进制差分编译码克服四项相位模糊。对 表示信号矢量说处象限的两个最高比特进行差分编码，其他比特用来规定每个象限中 信号矢量配置，并用这种配置呈现9 0 度镜像旋转对称规则，同时导致了误码扩散。 北京化工大学硕士学位论文 对多电平信号进行检测并恢复成二进制码时，格雷码电平逻辑比自然码电平逻辑具有 更好的误码性能，所以映射时采用格雷编码映射。这种格雷差分编译码方法的误码扩 散倍数( f e = 2 ) 比其它四进制差分方法都小【3 2 。4 】。 对I 、Q 两路的高位进行格雷差分编码，低位保持不变。编码公式如下，其中，o 为异或。 和( a n ( 3 b X 口一。I n - ! ) + ( 。以地。级一l ，式( 2 1 2 ) 级= ( 口弗0 k ) 蛾0 幺一1 ) + ( 口。0 b n 。0 I n 1 ) 、 对应解调端解码公式为： 乏三微三妯I n - - I ) 卜+ 篡I n 呈麓三撩船聊“= ( ，一0 级) ( 级o (0 幺) ( 级0 级一1 ) 、 7 星座映射单元就是要实现码符号到I Q 两路多幅度电平的变换，这种映射关系通常采 用星座图来表示。由式( 2 - 7 ) 和式( 2 8 ) 可得： s 艿( D = x 厅厶( f ) + ) ，疗兀( f ) 式( 2 - 1 4 ) 式中 兀( f ) = g ( f ) c o s ( 吐O A ，式( 2 1 5 )l7 、一， 兀= 一- g ( t ) s i n ( r - o c t ) 其中彳2 等为g ( O 的能t ，则有： S 。= h 。，Y 。】= 【4 一彳，b n A 】式( 2 - 1 6 ) 为了解调端得到理想的误码率，星座点间的距离应取得尽量大，但同时又不能因成型 滤波器输入比特限制占用大量资源。对M = 4 ，1 6 ，6 4 ，2 5 6 ，映射正交矢量点对应为 1 ，3 ，5 ，7 。 任意一对信号之间欧氏距离是： d 。= U s 一一s 1 l = 圭【( a l 。- a m ) 2 + ( 氏一k ) 2 】式( 2 1 7 ) 相邻点间的最小距离为： i n = d 虿式( 2 1 8 ) 因为错误概率主要取决于信号点之间的最小距离，根据所有星座点等概率出现的前提 条件来计算平均发射功率： 1 4 第二章MQA M 调制原理与设计 2 2 3 成型滤波器设计 = 吉静2 瑚式( 2 棚) 成型滤波器包括整数倍内插值和N y q u i s t 滤波两个部分。内插不仅可以提高时域 分辨率，而且可以用来提高输出信号的频率。整数倍内插就是在两个原始样点之间插 入I - 1 个零值，若设原始信号抽样序列为想S ( n ) ，则内插后的序列为S ( m ) 的话： s ( 脚) = s ( 二 ) ，( K = o ，土，垃，) 式( 2 2 0 ) 可推导频谱为： 洲2 蝥伽弦叫。蝥伽) z 卅式( 2 - 2 1 ) m 0 7 珊) = S ( e j m l ) 图2 一l O ( a ) 为原始谱，( b ) 为内插后未经滤波图，这是在( P 弘) 中部仅含有S ( e j a 1 ) 的 基带成分，还含有器频率大于x l l 得高频成分，为了恢复出原始谱，则必须对内插后 的信号进行低通滤波，滤波后如图( c ) 所示。 ( a ) 厂 、 竹 厂H 。 图2 - 1 0 内插过程图 F i g 2 - 1 0p r o c e d u r eo fi n t e r p o l a t i o n 为减少码间干扰，提高频谱利用率，对发送谱进行必要加工，需要成型滤波器。 它可有效利用信道，节约频谱资源，减少码间干扰。限带就是消除内插器上变作用所 产生的高频成分，同时对调制解调精度有影响。根据N y q u i s t 第一准则和第三准则， 采取收发等分方式的均方根升余弦滚降滤波器。设计发送滤波器时根据不同的滚降系 数得到不同效果。总传输频域响应函数为： 北京化工大学硕士学位论文 胃( ，) = 熹 I 】4 ( 1 + 口) 时域函数为： 椰) = 筹器式( 2 2 3 ) 数字滤波器一般有I I R 和F I R 两种。I I R 滤波器由于存在着输出对输入的反馈，可 用比F I R 滤波器少的抽头阶数来满足指标要求。而F I R 比I I R 能得到严格的线性相位。 F I R 采用非递归结构，无论理论上还是实际实现都是稳定的，精度误差较小。F I R 滤 波器设计灵活、种类多，可根据各种幅度和相位特性来选择设计方法。本文采用K a i s e r 窗F I R 滤波器，具体设计后文处理。 2 2 4 数字信号源 常用的数字码型有：单极性不归零码( N R Z ) 、双极性不归零码、单极性归零码 ( 1 湿) 、双极性归零码和差分码等。在本文中讨论的基带码型为单极性不归零码。 基带信号可表示为： s , ( t ) = a i g r ( t - n T 。) i = 1 ，2O f Z 式