（物理电子学专业论文）基于fmcdma方式下的数字广播教学系统的研究.pdf

摘要 教学广播系统普遍存在于全国各大校园内，主要服务于外语教学。现有的教学广 播系统采用模拟方式，工作于f m 8 5 8 7 m h z ，在2m h z 带宽内提供一套或有限的几 套外语节目，这远远不能满足不同语种不同层次的学生的需要，针对这一现状，本文 提出一种新的基于f m c d m a 方式的数字广播教学系统，即把码分多址技术应用于 广播系统中，不再使用传统的f d m a 节目信道划分方式，而是使用c d m a 节目信道 划分方式。在2 m h z 带宽范围内，用一台发射机就可以发送3 2 套节目信号。 本文在提出该系统的基础上，主要对该系统中的调制解调技术、扩频解扩技术和 系统输出的频谱结构做了深入的分析研究工作。利用仿真软件获得了大量的实验数据 和仿真图形。仿真及分析结果表明：c d m a 系统具有更优越的抗噪声性能；信息调 制部分的平滑化处理在c d m a 系统中不会改善频谱的利用效率：运用平滑化w a is h 码进行扩频和解扩时，在保证信息传输可靠性与非平滑化系统接近的情况下，能够将 发射功率降低到非平滑化系统的9 0 5 ，5 0 d b 带宽减小到非平滑化系统的一半左右， 这有利于降低对临近频段的干扰，提高频谱的利用效率。 关键词：调频广播系统，码分多址，平滑化，功率谱 a b st r a c t t h et e a c h i n gb r o a d c a s t i n gs y s t e mg e n e r a l l ye x i s t si ne a c hc a m p u si no u rc o u n t r y i t m a i n l ys e r v e sf o rt h ef o r e i g nl a n g u a g et e a c h i n g t h ee x i s t i n gt e a c h i n gb r o a d c a s t i n gs y s t e m a d o p t sa n a l o gm o d e ，w h i c hw o r k sb e t w e e nf m 8 5 8 7 m h z ，i to f f e r sa s e to rs e v e r a ls e t so f f o r e i g np r o g r a mi nt h er a n g eo f2 m h z ，b u ti tc a r ln o tm e e tt h en e e d so fd i f f e r e n tl a n g u a g e s a n dd i f f e r e n tl a y e r so fs t u d e n t s a g a i n s tt h i s e x i s t i n gs t a t e ，w ep u tf o r w a r dan e w f m c d m am o d eb a s e ds y s t e mo fd i g i t a lt e a c h i n gb r o a d c a s t i n g ，w h i c ha p p l i e st h e t e c h n o l o g yo fc d m a i nb r o a d c a s t i n gs y s t e m ，a n di tw i l ln o tu s et h em o d eo ft r a d i t i o n a l f d m at od i v i d ec h a n n e l sb u tt h em o d eo fc d m a ，i nt h er a n g eo f2 m h z ，w ec a ns e n d3 2 s e t so f p r o g r a ms i g n a l sb yo n et r a n s m i t t e r i nt h i sa r t i c l e ，o nt h ef o u n d a t i o no ff m c d m as y s t e m ，w em a i n l yd ot h ep r o f o u n d a n a l y t i c a ls t u d yo nt h et e c h n o l o g yo fm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，s p r e a ds p e c t r u ma n d d i s p r e a ds p e c t r u ma n ds p e c t r a ls t r u c t u r eo ft h eo u t p u ts y s t e m w eg e tl o t so ft e s td a t aa n d s i m u l a t i o ng r a p h s t h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec d m a s y s t e mh a s m u c hm o r es u p e r i o rp e r f o r m a n c eo nn o i s e i m m u n e ；t h ec o n t i n u o u sp r o c e s s i n gi nt h ep a r t o fs i g n a lm o d u l a t i o nc a r ln o ti m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs p e c t r u mi nc d m as y s t e m ；u n d e r t h es i t u a t i o n ，m a k i n gs u r et h a tt h ep r o x i m i t yo ft h er e l i a b i l i t yo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n t ot h ea n s m o o t h e ds y s t e m t h ep o w e ro ft h et r a n s m i s s i o nc a nd e c l i n et o9 0 5 o ft h e u n s m o o t h e ds y s t e m ，t h eb a n d w i d t ho f - 5 0 d bw i l ld e c l i n et oa l m o s to n eh a l fo ft h e u n s m o o t h e ds y s t e mi ns p r e a ds p e c t r u ma n dd i s p r e a ds p e c t r u mb yu s i n gc o n t i n u o u s w a l s hc o d e s t h i sm e t h o di sg o o df o rd e c r e a s i n gt h ed i s r u p t i o nt ot h ea p p r o a c hw a v e b a n da n di n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c yo fs p e c t r u m k e y w o r d s ：f mb r o a d c a s ts y s t e mc d m a c o n t i n u o u s p o w e rs p e c t r u m u 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表 或撰写过的研究成果。 5 ，其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意 作者签名：豳：垒 日期：芝堕：! ： ! 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版：有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：趟：盔! 坠 日期：绝：g ：j ! ： 第一章前言 1 1c d m a ( 码分多址) 概述 1 1 1 通信系统的发展历史“1 移动通信的发展历史可以追溯到1 9 世纪。1 8 6 4 年，m a x w e l l 从理论上证明了电 磁波的存在，这一理论于1 8 7 6 年被赫兹实验证实，接着1 9 0 0 年马可尼等人利用电磁 波作了远距离通信的实验获得了成功，从此通信进入了无线通信的新时代。 最初的移动通信系统是为军事的需要而建立并不断发展起来的。民用移动通信系 统在2 0 世纪4 0 年代以后开始问世。到7 0 年代中期以后，由于民用移动通信用户数 量的增加，频率资源的矛盾日益尖锐。为了解决这一矛盾，美国贝尔实验室提出了蜂 窝组网理论。蜂窝的意思就是将一个大区域划分为几个小区，相邻的小区使用不同的 频率进行传输，以避免相互干扰；而在相隔一定距离的另一个小区可以重复使用同一 组工作频率。蜂窝组网理论为移动通信技术的发展奠定了基础。 ( 1 ) 第一代蜂窝移动通信系统( 1 g ) 一模拟蜂窝移动通信系统 基于蜂窝组网理论，世界上许多国家都建立了各自不同标准的蜂窝移动通信系 统，例如美国的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) 、英国的t a c s ( t o t a l a c c e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、日本的n a m t s 、北欧的n m t s ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e s y s t e m ) 和原联邦德国的n e 髓r _ c 等。这些系统在移动通信信道中传输的都是模拟 电话信号，且均采用f d m a ( 频分多址) 的多址方式。 ( 2 ) 第二代蜂窝移动通信系统( 2 g ) 一数字蜂窝移动通信系统 对于模拟的f d m a 系统而言，由于其频率利用效率低、保密性能差、抗干扰能 力弱等缺陷，远远不能满足日益增长的移动用户的需要。因此，欧洲邮电管理委员会 于1 9 8 2 年成立了移动通信特别小组，开发数字蜂窝移动通信系统，即g s m ，g s m 是第二代蜂窝移动通信系统之一。1 9 9 1 年，g s m 数字蜂窝移动通信系统在欧洲问世。 数字蜂窝移动通信系统最大的优点就是抗干扰能力和潜在的大容量。第二代蜂窝移动 通信系统在发展的过程中没有形成全球统一的标准，全球多种系统并存，例如，欧洲 的以t d m a ( 时分多址) 为基础的g s m 系统、日本的以t d m a 为基础的j d c 系统、 美国的以f d m a 和以数字t d m a 为基础的i s 一1 3 6 混合系统以及以n - - - c d m a 为基 础的i s 一9 5 系统，且系统之间互不兼容。所以这些系统无法实现全球漫游，而且提 供的服务主要是传递话音和简短消息。 ( 3 ) 第三代蜂窝移动通信系统( 3 g ) 一宽带蜂窝移动通信系统 第三代蜂窝移动通信系统所要达到的主要目标是实现全球无缝隙的移动漫游，并 提供包括声音、数据和多媒体的各种业务。3 g 系统采用c d m a 技术。 1 1 2 通信系统中的多址方式“” 无论是1 g 、2 g 、3 g 或更早期的无线通信系统，其最根本的任务都是实现多个 用户对其他用户进行通信，为了使基站能够从众多用户发出的信号中区分出各个用户 的信号、使用户能够从基站发出的众多信号中识别出哪一个是发给自己的信号，必须 对不同的用户发出的信号和基站发给不同用户的信号赋予不同的特征，这就是通信中 的多址技术。 多址技术是解决多用户共享资源的技术，有如下几种模式：f d m a ( 频分多址) 、 t d m a ( 时分多址) 、c d m a ( 码分多址) 和s d t a ( 空分多址) 。 f d m a 是将给定频谱按要求分成若干频段( 如图1 1 ) ，在连接通信时每个用户占 用其中之一，在呼叫的过程中其他用户不能共享这个频段。这样，每个信道占用一个 载频，相邻载频之间的间隔应该满足传输信号带宽的要求。 图1 1f d m a 的多址接入方式 t d m a 是将连续时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，而无论是帧还是 时隙均不相互重叠，每个时隙就是一个分配给用户的通信信道( 如图1 2 ) 。 图1 2f d t r d m a 的多址接入方式 2 c d m a 系统将每个用户分配了各自特定的地址码，多用户共用一个信道来传输信 息( 如图1 3 ) 。c d m a 系统的地址码相互具有正交性，系统的接收端必须用完全一致 的本地地址码对所需信号进行相关检测，其他不同码字的信号因为和本地码不同而不 能被接收。 圈1 3f d c d m a 的多址接入方式 s d m a ( 空分多址) 技术是利用空间分割构成不同的信道。举例来说，在一颗卫星 上使用多个天线，各个天线的波束射向地球表面的不同区域。这样，地面上不同地区 的地球站，即使在同一时间使用相同的频率进行工作，也不会彼此形成干扰。空分多 址( s d m a ) 是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，有利于充分利用频率 资源。 以上四种模式是最基本的多用户接入方式，在现有的和将来的系统中，很少有 单独采用以上任何一种接入方式的，基本上都是这四种基本方式的某种组合( 如图 1 4 ) 。 图1 4t d f d c d m a 的多址接入方式 1 1 3c d m a 的特点 与其他多路接入方式相比，c d m a 系统有着许多的优点，与本文相关的主要有 以下几个方面： ( 1 ) 功率谱密度低 低的功率谱密度使得c d m a 系统对窄带系统的干扰很小，有可能与其他系统共 用频段。因此基于c d m a 技术建立起来的数字广播系统对传统的模拟调频系统就不 会造成太大的干扰。 ( 2 ) 抗多径干扰能力强 在一个无线电信道中，发射机和接收机之间不只有一条路径，不同路径的信号具 有不同的时延和到达角度。而c d m a 系统中的去扩展会将时间延迟信号视为一个干 扰信号，仅将它的小部分功率放在信息带宽上。 ( 3 ) 抗窄带干扰能力强 在c d m a 系统的接收端，去扩展过程使窄带干扰信号变成扩展信号，降低了在 信息频段上的干扰功率，相对于去扩展后的信息信号，它只相当于背景噪声。因此去 扩展过程提高了通信系统的抗窄带干扰能力。 ( 4 ) 网络建设成本低 c d m a 系统的许多用户可共享同一频率，从而使它具有系统容量大、频谱利用 率高、频率划分简单等优势，大大降低了系统的建设成本。 以上优点是其他多址技术所不具备的，因此，在本文所提出的数字广播教学系统 中采用了c d m a 技术。 1 2 数字广播系统简介及本文的研究对象 1 2 1 公共广播系统的数字化趋势“”“1 传统的模拟广播系统在我国已经有了几十年的历史，在电视普及之前，它曾经是 为千家万户提供信息和娱乐节目的主要工具。今天，广播系统仍然是不可缺少的公共 媒体。模拟广播系统早就已经十分成熟，但它自身的弱点也暴露无疑：模拟广播系统 频谱利用效率低，调频广播的频率间隔是1 0 0 k h z ，也就是说如果不考虑地区干扰， 每个电台要占用1 0 0k h z 的带宽，如果考虑地区干扰，频率间隔更大：模拟广播系 统的抗干扰能力差，这直接影响了收听质量；模拟广播系统都采用大功率发射，上千 瓦的发射功率只有几十瓦用于信息传输，功率利用效率很低，同时也产生了大量的电 磁污染。随着无线电事业的蓬勃发展，频率资源越来越少，空中电磁波的能量也许有 一天会强到令人无法忍受的地步；随着c d 的出现，模拟广播的音质让人感觉到了前 所未有的遗憾。因此，在上世纪世界上许多国家均提出要建立数字广播系统。 数字广播系统，就是在信号的发射端，首先运用语音编码技术将语音信号转换成 数字信号，然后再使用数字调制技术将数字信号发送给用户手中的接收机，接收机再 通过解码将数字信号恢复成声音信号，而不是像模拟广播系统那样直接将模拟声音信 4 号调制到载波上发送给用户。这样用户就可以收听到和c d 唱片一样品质的声乐节 目。为了克服恶劣的无线信道对信号的影响，在数字广播系统中可以很方便地采用纠 错码技术以保证信号的正确传输；数字广播系统的发射功率很小，如果采用c d m a 技术发射功率将更小，这有利于节约能量且大大减小了电磁污染。此外，数字化还有 频率利用率高、便于计算机处理和控制等优异的性能。 上世纪9 0 年代，世界上一些发达国家已经将建立数字广播系统付诸行动。1 9 9 7 年，日本电信技术委员会( t t c ) 提出实施数字广播系统的建议；9 0 年代初欧洲成 立了窄带数字广播机构e u r e k a l 5 5 9 ；1 9 9 8 年世界数字无线电组织( d r m ) 成立并开 始着手寻找最佳的数字调幅广播系统，2 0 0 1 年r r u 通过了d r m 提交的关于数字调 幅广播系统的草案。 7 1 2 0 0 3 年6 月1 6 日在日内瓦进行了数字广播的播出，音频质量 发生了质的改变，使广大收听者耳目一新。在我国，数字广播系统正处于研究阶段。 1 2 2 本文的研究对象 本文的研究对象是校园教学广播系统。校园教学广播系统是广播系统的重要组成 部分，工作于调频8 5m h z - - 8 7 m h z ，主要服务于各大高校为广大学生播放外语节目， 以方便学生提高外语听力。目前，校园教学广播系统仍然采用模拟方式，其最大的缺 陷是频带利用效率低，在2 m 带宽上只播放一套节目。对于任何一所高校，学生的英 语水平是有等级差异的，一套节目显然不能满足不同层次学生的需要。针对这一矛盾， 有的学校就排出了每周节目表，而四、六级考试的时候，规模小的学校就让四级考生 利用无线广播收听听力内容、六级考场用收录机现场播放。这样虽然也解决了问题， 但仍然有很多不方便的地方。再去考虑那些含外语专业的学校，各种语种的专业同时 并存，同一语种的学生又存在着等级差异，这时只能同时提供一套节目的校园广播就 显得力不从心。因此，增加校园教学广播系统的容量对成千上万的学生来说非常必要。 为了满足教学的需要，本文提出一种新的数字式教学广播系统，采用c d m a 技 术，利用一个发射频率，2 m h z 的带宽，同时提供3 2 套外语节e l ，频率资源的利用 效率可大大提高。由于c d m a 系统很强的抗干扰能力该广播系统的传输可靠性可 以得到保证。c d m a 系统的输出信号功率很小，且类似于高斯白噪声，所以该系统 的信号对现有的调频信号干扰很小。 中国的大学生成千上万，且人数有逐年增加的趋势，因此这种新型的数字广播教 学系统有着广阔的应用前景，并且能够创造可观的经济价值。 该广播系统中涉及到的技术很多，本文主要针对如何进一步提高频谱利用效率的 问题研究其中的调制解调、扩频解扩技术。 ，本文的结构，第一章为绪言，讲述本文的研究背景；第二章从总体上给出数字教 学广播系统的框架结构，并对在本文中不做主要研究的有关技术作简单介绍：第三章 研究该系统中的调制解调技术；第四章研究扩频和解扩技术；第五章总结全文。 第二章数字广播教学系统的结构 2 1 系统结构【8 】【9 】 2 1 1 整体结构 图2 1 系统框图 数字广播教学系统结构如图2 1 所示。由教材语音库、发送端、接收端和联系发 送端和接收端的c a t i ( c o m p u t e r a s s i s t e d t e l e p h o n ei n t e r v i e w ) 子系统组成。教材语 音库存放大量的语音数据；发送端把语音库中的语音数据经过纠错编码后，再发送出 去；接收端把接收到的信号经过一系列处理变成声音提供给用户：c a t i 子系统用来 供用户选择节目和向用户反馈信息。 2 1 2 发送端 图2 2 系统发送端框图 图2 2 是数字广播系统发送端框图。图中有0 3 1 共3 2 个信道，每个信道具有 相同的内部模块，完成各自不同节目信号的b c h 编码、信号调制和扩频调制。其中， b c h 编码模块将每帧二进制信息转换成( 2 8 7 ，2 6 0 ) b c h 纠错码形式，这样每帧二 7 进制信息在传输过程中如果某几位比特出错了，接收终端的b c h 解码器可以纠正任 意位置的1 3 位错，确保语音信息的正确传输；d q p s k 调制器完成二进制信息的 s t 4d q p s k 调制；扩频调制模块利用平滑化的3 2 x 3 2 w a l s h 码完成扩频任务。最 后3 2 路信号相加，加载到高频载波上发送出去。 2 1 3 接收端 图2 _ 3 是系统接收端框图。在接收端，3 2 路信号同时被接收。因为w f 址s h 码具 有很好的相关特性，因此在接收端利用与发送端相同的w a l s h 序列完成信号的解 扩，可以区分出不同的节目，这样用户就可以根据自己的需要选择收听3 2 套节目中 的任意一套节目。当用户通过接收机面板上的按键选台的时候，实际上是给接收机选 择了用来解扩的w a l s h 码序列。信号经解扩后成为石4d q p s k 已调信号，信息包 含在信号的相位内，再经过石4 d q p s k 解调，恢复出二进制信息。恢复出的二进制 信息并不全是有用信息，还包含为了达到纠错目的所增加的冗余比特，通过b c h 解 码去掉这些冗余比特，剩下的就是根据模拟声音信号所提取的有用信息。最后将这些 二进制信息进行解码就可获得声音信号。 图2 3 系统接收端框图 2 2 编码技术介绍 模拟广播系统是将声音转换成模拟电信号，然后把模拟电信号直接调制到高频载 波上发送出去。而数字广播系统发送、传输、接收的都是数字信号，因此必须把模拟 声音信号转换成数字信号，这个转换过程称之为编码。根据不同的目的，编码可以分 为信源编码和信道编码。 2 2 1 信源编码 信源编码的目的是将模拟信号转换为二进制信息，在传送声音信号的系统中，信 源编码可以通过语音编码技术来完成。由于传输数字信号所需要的带宽与比特速率有 着密切关系，在相同的调制方式下，比特速率越大所需带宽越宽，所以，语音编码技 术总是追求在尽量减少失真的情况下用尽可能低的比特速率对模拟语音信号进行数 字表达。 语音编码的方法可以分为三类：波形编码、声码器( 参数编码) 和混合编码。波 形编码技术以尽可能重构语音波形为原则进行数据压缩，即在编码端以波形逼近为原 则对语音信号进行压缩编码，解码端根据这些数据恢复出语音信号的波形。它具有语 音质量好、抗干扰性能强等优点，但所需用的编码速率高，一般在1 6 3 2 k b s 之间。 声码器技术则从听感的角度注重语音本身的重现，在编码器端分析出该模型参数并选 用适当的方式对其进行高效率的编码，解码器端则利用这些参数和语音产生模型重新 合成语音。它具有编码速率低的优点，可以达到2 4 k b s 以下，但语音质量差。混合 编码是这两种方法的结合，语音质量有明显的提高，其代价是编码速率明显上升，一 般在2 4 1 6 k b s 之间。 声码器编码具有很低的速率，但是声音失真大，不适合用在数字广播系统中。波 形编码声音质量很高，但是要求的比特速率较高，我们希望校园教学广播系统在给定 的2 m h z 带宽的范围内能够传输更多的信息，因此这种方法也不太适用。在本文建立 的数字广播教学系统中，声音编码器采用声码器和波形编码器的混合物一混合编码 器，称为“线性预测编码长期预测编码规则脉冲激励编码器( l p c l t p - r p e 编码 器) ”。l p c + l t p 为声码器，r p e 为波形编码器，再通过复用器混合完成模拟话音信 号的数字编码，每话音信道的编码速率为1 3 k b i t s 。声音信号被分成2 0 m s 每帧，则 每帧2 6 0 b i t 。 2 2 2 信道编码 实际信道不可能是理想的，信号在信道中传输总要受到噪声和衰落等信道损耗的 影响，这样在接收端收到的信息就有可能发生错误，也就是误码。为了降低发生这种 错误的可能性，在将节目信号编码成数字信息后，需要对这个数字基带信号添加冗余， 这个过程就是信道编码，或者称为差错控制编码。信道编码的目的是在给定信噪比 e 。n 。的情况下降低误码率：或者是在给定了误码要求的情况下降低发送信号时所 需要的信噪比e ，。 按照对信源序列处理方式的不同，纠错码可以分为两大类型：分组码和卷积码。 分组码就是把信息序列以七个码元分组，通过编码器将每组的k 个信息码元按一定的 规律产生r 个冗余码元，即校验码，输出长为n - k + ，的一个码组。每一码组的r 个 9 校验码仅与本码组的信息码元有关而与别的码组无关。分组码用0 ，七) 表示，n 表示 码长，k 表示信息码的数目一个码组的编码效率r 可定义为： r k n ( 2 1 ) 卷积码是将信息序列以个码元分段，通过编码器输出长度为r t 。的一个码段。 但是该码段的n 。一k o 个校验码不仅与本段的信息码有关，而且也与其前1 1 1 段的信息 码有关，故卷积码用o 。，k 。，l l i ) 表示，m 为编码存储器的级数，一个码段的编码效率 为： r - k o n o ( 2 2 ) 在进行差错控制编码时编码效率和差错控制能力是我们所关心的问题。纠正错码 是进行差错控制编码的目的，我们希望纠错的能力越强越好；当然只要校验码足够多， 纠错能力就会相应地增强，但是如果校验位太多，在一个码组中所占比例太大，那么 发送同样多的有用信息，就需要更大的带宽，所以我们又希望编码效率越高越好。综 合考虑纠错能力和编码效率，本系统中采用b c h 纠错码技术来进行差错控制。 b c h 码属于分组码的范畴。在需要发送的一个码组中，如果信息码元的数目 2 p 。1t k t2 p ，那么能纠正这个码组中q 个错误所需要的校验码的数目，一p q 0 0 1 。在 本系统中，我们将声音编码器输出的一帧2 6 0 个比特作为一组信息码，对每帧信息码 进行b c h 编码，并要求能够纠正每帧数据的任意3 位错误。因此每帧信息码必须加 2 7 位校验位，成为( 2 8 7 ，2 6 0 ) b c h 纠错码形式，编码效率为r 一2 6 0 2 8 7 9 0 6 。那 么，要传送1 3 k b p s 的信息，系统需要1 4 3 5 k b p s 的数据传送速率，本系统中每个信道 的数据传送能力为1 6 k b p s ，可以满足适时传送声音信号的要求。 1 0 第三章m 4 d q p s k 调制与解调技术 模拟信号经编码后成为数字信号，数字信号必须经过调制后才能在信道中传送。 由于石4 d q p s k 调制具有其独特的优越性，本系统中信息调制采用玎4 d q p s k 调 制方法。 3 1 r 4 d q p s k 调制 1 1 】 玎4d q p s k 是在q p s k 和o q p s k 基础上发展起来的一种数字调制技术，它在 码元转换时刻的相位突变限于土石4 或土斯4 ，没有因1 8 0 度相位突变而引起的 1 0 0 包络起伏，因此它比q p s k 和o q p s k 频率利用率高、频谱特性好，更适合于 在无线信道中传输。另# b 石4 d q p s k 在解调上可采用差分检测，能够避免由于时延 扩展、多普勒频移等造成的载波提取困难。正因为石4 d q p s k 调制具有这些突出的 优点，它在移动通信、卫星通信中已得到了广泛的应用。x 4d q p s k 已被确定为北 美第二代数字蜂窝移动通信系统d a m p s 和日本的j d c 蜂窝系统中的调制方式。 x 4 d q p s k 信号共有8 个相位状态 o ，n 4 ，a r 2 , 3 n 4 ，万，一3 a 4 , - n - 2 ，- r 4 ，全 部状态在两组q p s k 信号相位 o ，丌2 ，玎，一万2 和仁4 ，新4 ，一知4 ，石4 之间进行转 移。如图3 1 ，分别用圆点和方点表示这两组q p s k 相位，那么万4 d q p s k 相位只 能从圆点组转移到方点组，或者从方点组转移到圆点组。也就是说，如果现在的码元 周期中相位状态是圆点组中的某一个，那么下一个码元周期中的相位状态必然是方点 组中的某一个，反之亦然。 富 口， + ，一 差 分q 并 相 转 位 a ， 一 编 亚 换 码 j 图3 1 石4 d q p s k 相位转移图 图3 2 r 4 d q p s k 调制框图 t 4 d q p s k 调制原理框图如图3 2 所示，设输入二进制信息序列为扛。 ，经过 串并转换后得到两个二进制信息序列仁。 和 4 ：。) ，仁：。) 和仁：。 经差分相位编码 后得到，。和q ，在第k 个码元区间内，即k ts t + 1 ) r ( r 为码元周期) ，。和q 与忙n 和 口n + l 的关系由式3 1 、3 2 表示： l 一s 办- c o s ( 九1 + 九) ( 3 1 ) q s i n 九- s i n ( 丸1 + 丸) ( 3 2 ) 将式3 1 、3 2 展开，得到式3 3 、3 4 ： l i k 1c o s a # k 一么1s i n a k ( 3 3 ) q - q t - 1c o s a 丸+ l ls i n a 丸 ( 3 4 ) 式中：j 。、么第k 个码元的同相分量、正交分量i 九第k 个码元结束时已调信号的绝对相位； a 九由输入数据0 2 七+ 。口：。) 决定的相位差，有叫4 、- _ 3 石4 四种可能的取 值，其对应关系如表3 1 所示。 袁3 1 ( m 口曲与4 九的对应关系 4 m t 4 44 九 o03 4 01 3 4 lo 一4 l14 式3 3 、3 4 就是差分相位编码的原理。 ，。、幺再经过正交调制就可得到已调信号。因此，石4 d q p s k 己调信号为： e o ( 0 一i ic o s ( o 膏) 一么s i n ( t a t ) ( 3 5 ) 将式3 1 、3 2 代入式3 5 得： e 。p ) 一a c o s ( o 瞳+ 九1 + 丸) 一a c o s ( “+ 丸) ( 3 6 ) 式3 6 就是x 4d q p s k 己调信号的数学表达式，表面上看石4d q p s k 和 石4q p s k 似乎有着相同的数学形式，实质上两者的输出信号波形有着很大的区别， 为了便于说明问题，图3 - 3 给出了当输入信号相同时石4 d q p s k 和石4 q p s k 已调 信号的理想波形图，实际上在发送前信号通常要经过限带处理，限带后的波形图如图 3 4 所示。从图中可以看出，石4 d q p s k 可能出现的最大相位跳变为3 z 4 ，小于万， 而石4 q p s k 则有可能出现万的相位跳变，如图中第三码元和第四码元过渡时刻的小 圆点所示。y l 的相位跳变会使经过限带后的波形有1 0 0 的包络起伏，而石4d q p s k 波形因为不会发生石的相位跳变，包络起伏较小。因此石4 d q p s k 调制l ? , z 4 q p s k 调制更优越，更适合在无线信道中传输。 w、) 12。 ( a ) d q p s k 波形： wv ：v 2 a f b ) 0 p s k 波形 图3 3 石4 d q p s k 和石4 0 p s k 波形 图3 4 限带波形 3 2 万4 d q p s k 解调 万4d q p s k 有很多种解调方法，常见的有同步解调法、差分解调法和h i l b e r t 变换解调法，各种方法均有各自的优缺点。 3 2 1 相干解调法n 1 1 n ” 相干解调法的原理框图如图3 5 所示。 1 4 1 石4d q p s k 经信道传输后到达接收端，考虑到噪声的影响用艺o ) 表示，分别和 一组相互正交的载波信号相乘： e ：o ) c o s ( o 甜) 一，：c o s 2 ( 研) 一幺s i n ( 甜) c o s ( 耐) 。1 1 ； 1 + c o s ( 2 耐) 卜昙么s i n ( 2 耐) ( 3 7 ) e o ( t ) 【一s i n ( a 】t ) 】一一，：s i n ( a z ) c o s ( c a t ) + q ：s i n 2 ( 耐) = 一去ts i n ( 2 c o t ) + ；t 1 一c o s ( 2 甜t ) 二 式中：t = c o s t ； 么= s i n # + 。 再经过低通滤波，滤去高频成份得到t 、或。 差分运算框做如下运算： = t t l + q ：q ：一l = c o s i kc o s 妒k l + s i n 庐ks i n c k i = c o s a k g = 魏，：一i + t 珐一l = s i n o kc o s k i s i n 0 c o s b k 一1 = s i n a k 若五 0 ，经判决得日：。= 1 ，若 0 ，经判决得口= 1 ，若吼 0 ，经判决得口矗= 0 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 最后同相支路和正交支路的判决结果口：。、a 2 。经过并、串转换便得到二进制序 列k ：) 。 以上推导过程均没有考虑噪声的影响，实际上无线信道是非常恶劣的传输环境， 噪声的存在会使最终得到的序列k 和发送端的序列 吒 不完全一样，发生错误，这 可以通过纠错码来得到一定的控制。 图3 5 同步解调框图 3 2 2 差分解调法“5 1 相干解调法需要提职解调所需的相干载波，由于传输通道的衰落特性，提取相干 载波就变得较为困难，而差分解调法可以避免提取载波的问题。在不考虑噪声的情况 下，由3 6 式，接收到的信号可表示为： p 。( f ) = a c o s ( t + 丸) 在一个码元周期的无串扰时刻采样。可得： i ：= c o s ( 丸+ 目)o l = s i n ( 丸+ p ) ( 3 1 1 ) 通常码元周期是载波周期的整数倍因此在前一个码元的无串扰时刻采样值为： ，：1 一c o s ( 丸一l + 0 ) q ：1 ；s i i l ( 丸1 + 日) ( 3 1 2 ) 将式( 3 1 1 ) 、( 3 1 2 ) 所示的采用值做如式( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 所示的差分运算，再 经过判决、并串转换最终得到序列k 。 3 2 3h i l b e r t 变换解调法1 1 7 1 对于任意实信号茗o ) ，其频谱含正负频率成份，即： x ( j q ) ix 。( j q ) + x 。( j q ) ( 3 1 3 ) 设： 口o ) 。二 ( 3 1 4 ) 其傅氏变换为： 日。( j q ，一f 7 耋： n x ( t ) 的h i l b e r t 变换表示成： 王( r ) 。j = 。h n r ( t 一_ r 沁扛v fi i l _ l ：r ( f ) z ( r ) ( 3 1 6 ) 其傅氏变换为： x ( j q ) 一x ( j f 2 ) 日w ( ，q ) m j x ，( ，q ) + 皿。( j q ) ( 3 1 7 ) 若信号： y ( t ) 一x ( t ) + 面( r ) ( 3 1 8 ) 则该信号的傅氏变换为： y ( y q ) - x ( j q ) + 膣( q ) 一2 x 。( ，q ) ( 3 1 9 ) 即， y o ) 是一个只有正频率成份的信号。 利用h i l b e r t 变换进行解调的原理框图如图3 6 所示。 图3 6h i l b e r t 变换解调框图 鼋o ) 设接收到的石4 d q p s k 已调信号为厂0 ) ，( f ) 为实信号，其h i l b c r t 变换，( f ) 也 为实信号。令 则占o ) 还可表示为： 占( f ) - ，( f ) + 扩( f ) g ( t 、- a ( t ) e 即。 ，( f ) ir e 伯o ) 一a ( t ) c o s o ( t ) 】 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) 在式( 3 2 1 ) 中，o ( t ) 是z g ( t ) 的复角；再结合式( 3 6 ) 、( 3 2 2 ) 可以看出a ( t ) 为 常数且复角口p ) 为： 式中：载频： 毋相位信息。 根据式( 3 2 0 ) 、( 3 2 1 ) 可得： 在第k 个码元时刻： 则 日o ) 一0 2 t + g 。p ) 一 o ) + i 允0 ) 一a ( t ) e 。 p ) 在第k 1 个码元时刻： g k - i o ) 一 。p ) + 坑。( r ) - 爿( f ) e ，吼- o ) g ( r ) g ：一l ( f ) - 似t 0 弦吼o 4 1 ( f ) e 。吼t o 一e 限一 - o 1 所求差分相位： 丸一嚷p ) 一吼，o ) 一( c o t + 氟) 一( 甜+ 戎。) 一办一九。 ( f ) c o s ( a 丸) 一r e g 。o ) 占：。( f ) ) 一 o ) 一。o ) + o ) 一。o ) 吼o ) - s i n ( a 丸) 一i m g 。o ) g ：一。o ) ) - ( f ) 一。( f ) 一 o ) 一。o ) 若，0 ，经判决得口：。一1 ，若c 0 ，经判决得n 二+ 。一0 ； 若吼，0 ，经判决得口二- 1 ，若吼c 0 ，经判决得口一0 。 ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) 由于无线传输环境的影响，信号在传输过程中有可能会发生一定的相位偏移，因 此第k 个码元时刻信号的实际相位为 o k 0 ) ，o x + 丸+ 6 t 且偏移量屯不是恒定不变的，但是偏移量6 。的变化频率比码元的传输速率要慢得多， 也就是在下一个码元时刻信号的相位偏移以一。- 以，因此 纯一( 甜+ 丸+ 6 ) 一( 甜+ 戎一1 + 6 , - 1 ) 一九一九_ 1 所以这种解调方法能在一定程度上克服相位偏移带来的影响。 1 6 与此相类似，这种解调方法还能削减因多普勒频移带来的影响。由于移动终端的 运动，接收机收到的信号的载频会有一定的偏移，即 吼o ) 一( 埘+ q ) f + 丸 同样地，与码元传输速率相比较，这种频偏的变化是很缓慢的，因此 九i 【( + a m , 弘+ 氟】- 【 + a c o , - 1 弘+ 丸1 】一九一九t a 这三种解调方法在设计的时候各有各的难点，相干解调法的难点在于提取载波困 难：差分解调法的难点在于对定时的要求比较高，采样时刻的偏移会使采样值受到码 间干扰的影响：h i l b c r t 变换解调法的难点在于延时器的设计上，延时器必须延时一个 码元间隔的时间，若延时时间不够精确必然会影响到解调结果。 3 3 改进的石4 d q p s k 调制 与省，4 q p s k 调制方式相比，在相邻码元之间州4 d q p s k 消除了- t j t 的相位跳 变，但仍然存在着一, 4 - 州4 、新4 的相位跳变，相位跳变会使信号具有丰富的谐波成 份，占有较宽的频带。为了抑制信号的谐波成份，文献 1 9 1 设法将石4d q p s k 调制 方法进行改进，改进后的调制方法称为平滑相位的州4 d q p s k 调制，就是使相位在 相邻码元之间不发生丸的突变，而是从丸。平滑过渡到九。即 巳( f ) a c o s “+ 氟1 + 氟( f ) 】一a c o s c o x + 九- 1 + 九s 1 0 ) 】 ( 3 3 0 ) 式中：5 1 0 ) 平滑函数，在【o ，1 】之间取值。 啪) 伽“n 鲁】 i 1s f ( 3 3 1 ) 【0 e s e 式中：t 。l r ： 打相邻码元的过渡时间。 图3 7 ( a ) 、( b ) 分别给出了平滑相位州4 d q p s k 调制与非平滑州4 d q p s k 调 制的已调信号的仿真波形。由图可以看出，普通的州4 d q p s k 已调信号波形在相邻 码元之间有一个相位跳变；而平滑化卅4d q p s k 己调信号波形在相邻码元之间有一 个相位过渡区，在过渡区内，信号相位完成从前一码元的相位到后一码元相位的平滑 过渡，过渡区结束后即在码元的主要区间内相位达到了该码元时刻与差分编码相对应 的相位值。采用相位的平滑变化一方面可以使整个波形更加平滑，减轻因信号跳变引 起的谐波分量，另一方面又可以满足石4 d q p s k 已调信号相位转移的要求。 图3 8 给出了平滑相位州4 d q