[信息与通信]第3章 微波传输中的调制解调技术研.ppt

微波通信技术 第3章微波传输中的数字调制与解调技术 Review 本章主要内容 2 1调制 解调基础2 2数字调制解调技术及微波实现2 3全数字调制解调技术2 4矢量调制技术2 4眼图 2 1调制解调基础 为什么要调制 数字基带信号 低频信号不适合信道传输 无线系统中 只有当天线尺寸与波长可比拟时才能有效地辐射功率 调制到高频 可以实现频率复用 改变信号占据的带宽 利用调制解调技术可以提供有效的方法来克服信道缺陷 如信道的加性噪声 失真和衰落 什么是调制 把信号变换成适于传输的形式 但我们通常认为调制是将信号搬移到频率高的带限信号 BB 频率 调制过程 Modulator Baseband BB Carrier ModulatedCarrier SignalProcessing 00110100101 AnalogorDigital RF MW LW AnalogModulatingSignal Note Modulationisananalogprocess MinimizeBandwidthforEfficientSpectralUse SinewaveZeroBandwidth NonSinewaveBandwidth Freq Time Whydoweusesinewavecarriers TheSinewaveCarrier Whatparameterscanbevariedor modulated Instantaneous Amplitude frequency andphase ApplyingModulation Legal confinedtoanallocatedbandw fixedmodulationAvailablebandwidthTransmissiongoalsandpropagationBasebandcontent voice video dataAntennasizeCostandcomplexity Whatfactorsdeterminewhichmodulationtouse ApplyingModulationAllocatedFrequencyBands ApplyingModulationBasebandContent AMBroadcastBand 540kHz 1600kHz Voice 3kHzBW Video 4MHzBW YES DoesNotFit Modulationbandwidthis basebandbandwidth ApplyingModulationPropagationConsiderations Atmosphere uWUHF MM LW MWSW VHFUHFuW LW ApplyingModulationAntennaConsiderations Anantennamustbeaminimumofaquarterwavelength l 4 topropagate l m 3x108 frequency Hz Forfrequency 10MHzl 4 7 5meters900MHzl 4 0 08meters l 4 ApplyingModulationCostandcomplexity Cost Complexity bits sec Hertz 1 10 FM 1024QAM 调制解调基础 调制类型模拟调制 AM FM PM数字调制 ASK FSK PSK QAM TheDigitalRevolution MoreInformationCapacityDigitalDataHigherSignalQualityGreaterInformationSecurityQuickerSystemAvailability AvailablebandwidthPermissablePowerInherentnoiselevel DemandFor Constrainedby PhysicsadRegulations MarketForces TheFundamentalTrade Off ComplexHardware ComplexHardware LessSpectrum MoreSpectrum TrendsintheIndustry QAM FSK QPSKVectorSignals AM FMScalarSignals TDMA CDMATime VariantSignals RequiredMeasurementCapability Signal SystemComplexity 2 2数字调制解调技术及微波实现 2 2 1数字调制技术基础 幅度键控 ASK 正交幅度相位调制 QAM 频率键控 FSK 相位键控 PSK 重要概念 1 功率效率 保证比特差错率小于规定值所需要的最低平均归一化信噪比 2 频带效率 反映不同的调制方式在相同带宽下可传输的最高信息速率 通常利用表示 3 频带效率和功率效率之间存在互换特性 信道容量 提高信噪比能增加信道容量 当噪声功率N 0 信道容量C 这意味着无干扰信道容量无穷大 信道带宽无限增大 信道容量仍是有限的 因为N n0 W n0为噪声的单边带功率谱密度 信道容量一定时 带宽W与S N是可以彼此互换的 即S N一定时可以牺牲W来保证信道容量 也可以牺牲发射功率来保证信道容量 几种数字调制信号的比较 BPSK 1 Numberofbitspersymbol Transmissionbandwidth Modulationformat QPSK 2 16QAM 4 F F 2 F 4 I Q 0 1 I Q 00 01 10 11 I Q 0000 Constellation 调制方式的性能比较表 BER 10 6 滚降系数 Sinx函数 不同滚降系数的相应特性 数字已调载波的频谱 采用线性调制时 在射频范围内所占带宽是基带带宽的2倍 通信带宽要求 2 2 2数字调制解调及实现 ASK调制 ASK信号频谱 ASK解调技术 数字调制 FSK调制 FSK信号频谱 FSK解调技术 数字调制 BPSK调制 C PSK信号频谱 利用双平衡混频器实现BPSK调制 BPSK的解调 QPSK的调制与解调 在数字微波通信中比较常用可以看作是两个正交的BPSK的组合 BPSK与QPSK的调制频谱 QPSK调制 f 4 3 4 p 利用双BPSK实现QPSK调制 QPSK相干解调 QPSK载波恢复 科斯塔斯环 PSK载波恢复的相位模糊问题 相位模糊带来的问题 利用差分编码来解决相位模糊问题 载波恢复环路的主要技术指标 静态相位误差锁相环为一个相位控制环路 锁定后为了维持环路锁定所存在的固有相差 称为静态相差 较大的情况下 为减少 须提高VCO的压控灵敏度kv和PLL的鉴频灵敏度kd 一般情况下 3 5 载波恢复环路的主要技术指标 2 恢复载波的相位抖动恢复载波的相位抖动会引起最佳判决点信噪比变坏 导致错误的判决 抖动主要由环路滤波器的带宽决定 相位差跟踪电压的变动是恢复载波相位抖动的主要原因 相位抖动的均方值 噪声带宽 IFBW 解调器输入端的信噪比 归一化码元信噪比 调制码流的时钟频率 数字调制 QAM调制 两路独立的信号对正交的两个载波进行幅度调制后合成的的信号称为正交幅度调制 记为QAM 二电平正交幅度调制有四种状态 称为4QAM 四电平正交幅度调制有16种状态 称为16QAM 16QAM和64QAM在通信中比较常用QAM的优点 可以充分利用信号平面 相比MPSK具有更好的抗干扰性 16QAM 数字调制信号的星座图表示 16QAM BPSK QPSK 8PSK MPSK与MQAM的抗噪声性能比较 载干比 载干比 也称载波干扰保护比 是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值 用C I表示 单位dB 在第二代移动通信系统CDMA网络中 要求C I 15dB 32分之一 即载波比干扰功率高32倍以上 此时误码率满足要求 信息正常传输 GSM网络要求C I 9dB 工程上增加3dB裕量 即C I 12dB 数字调制技术复杂程度的比较 2 3全数字调制解调技术 模拟数字化硬件软件化系统模块化 全数字调制解调的优点 系统结构通用 功能实现灵活 不同的通信系统可由相对一致的硬件利用不同的软件来实现 系统功能的改进和升级也很方便 提供不同系统互操作的可能性 只要在硬件平台上加载相应的软件并配备相应的射频部分 就能很自然地实现互通 通信系统的生成期缩短 一般而言 软件开发周期比硬件短 这样易于快速跟踪市场变化 满足新需求 同时也降低了系统更新成本 由于系统主要功能都由软件实现 可通过新的信号处理手段提高抗干扰性能 其它诸如系统频带监控 可编程信号波形 在线改变信号调制方式等功能的实现也成为可能 关键技术 带通采样 ADC技术带通采样即是欠采样的一种方式 可以通过远低于奈奎斯特频率来进行采样 采样后 信号频谱将被无限复制 ADC是信号采样系统的关键器件之一 是连接模拟与数字系统的桥梁 随着数字技术的飞速发展 ADC已被广泛应用于语音 医学成像 声纳 雷达 电子战 仪器 消费电子和通信系统中 而ADC的采样速率和分辨力由于受到半导体器件工艺 A D变换的孔径抖动 比较器的门限判决精度等因素的制约 发展比较缓慢 平均每8年提高1 5位 ADI公司的产品最具代表性 该公司的14位高速A D变换器 AD6645 的采样率已达到105MSPS 多音无杂散动态范围 SFDR 高达 100dBc 模拟输入带宽为250MHz AD9244的采样率为65MSPS SFDR为 83dBc 模拟输入带宽高达750MHz 12位的高速A D变换器AD9430的采样率可达到210MSPS SFDR为 85dBc 模拟输入带宽为700MHz 数字下变频 根据正交变换理论 一个实信号的Hilbert变换与此信号是正交的 可以用一个复解析信号来表示一个实信号 数字混频正交变换就是在AD采样后形成数字序列 然后用两个正交本振序列相乘 通过数字低通滤波来实现IQ信号的产生 这两个正交序列的正交性是完全可以得到保证的 只要DSP运算精度高就可 但在采样率很高时 如果阻带衰减要求比较大 滤波器阶数很高 实现就会很困难 基于多相滤波的方法可以解决这个问题 高效数字滤波 对于基带抽取 滤波器为低通的数字滤波器 对于中频信号的抽取 则是带通滤波器 无论抽取和内插 均需设计一个满足要求的抗混叠滤波器 这个滤波器的性能好坏将直接影响取样率变换的效果和实时处理能力 数字滤波器的频率响应可表示为 STEL 2176解调部分 主要由 模数转换 模块 数字下变频 自动频率控制 自动增益控制 模块 滤波与时钟恢复模块 自适应均衡 前向纠错编码 模块和时钟模块等组成 STEL 2176调制部分 主要由数据接收及信道编码模块 星座点映射模块 滤波器及内插滤波器 调制模块 数模转换 模块 时钟模块等组成 2 3矢量调制 Polarvs I Q Format Projectsignalto I and Q axesPolartoRectangularConversion 0deg I Q Q Value I Value WhyuseIandQ GoodInterfacewithDigitalSignalsandCircuitsCanbeImplementedwithSimpleCircuits TrendtowardDigitalRadios TransmitterBasics ConverttoDigitalifnecessary signalcoding DSP ChannelCoding compression errorcorr MaptoI QModulationShapingFilterModulateConverttoRFFilter Amplify SendtoAntenna ReceiverBasics ConverttoIFFilterCarrier SymbolRecoveryDemodulateDecodeBitsConverttoAnalog ifnecessary 中频调制的问题 结构复杂 体积大 需增加中频频率合成器 对上变频器的输出滤波器的要求比较苛刻 要求高Q值滤波器 线性相位特性 滤波器成本往往高于集成混频器 当中频频率较低时 往往要采用两次变频方案 以利于滤波器设计 成本高 可靠性差 由于发信机的部件较多 因此增加了设备成本 其平均无故障时间缩短 可靠性下降 限制了最高数据速率 高速率数字基带信号 如1000MbPs 要求调制器的载波频率高 频带宽 己调制信号的质量在上变频过程中将不可避免地下降 变频环节的非线性产生失真 带内失真分量干扰信号使误差矢量幅度增加 而带外的频谱扩散将影响邻近频道 高Q值滤波器不良的群时延特性 幅频特性也会导致信号失真 对上变频器后面的输出滤波器的性能要求极高 尤其是在载波频率很高 如卫星通信系统 的应用领域 中频调制的缺点尤为突出 矢量调制器的结构 矢量调制器的原理 非理想矢量调制器的分析 非理想矢量调制器的分析 Cont 非理想矢量调制器的分析 Cont 非理想矢量调制器的分析 Cont 非理想矢量调制器的分析 Cont 非理想矢量调制器的分析 Cont 非理想矢量调制器的分析 Cont 根据IEEE802 16的定义 误差矢用信号矢量最大幅度规一化值表示 非理想矢量调制器的分析 Cont 邻近功率泄露是矢量调制器的另一项重要指标 表示了调制器的线性度要抑制不需要的组合频率分量 需满足以下两个条件 调制器为线性调制调制输入信号为限带信号 可以使组合频率分量的幅度很小 WBandVectorModulatorSeeVectorModulatorforW bandSoftwareRadarTechniquesIEEEMTT Vol49 No 8 2001 2 4眼图 眼图的形成将接收滤波器输出送至示波器的y轴输入端 然后调整示波器水平扫描周期 使其与接收码元的周期同步 这时可从示波器显示的图形上 观察出码间干扰和噪声的影响 从而估计出系统的优劣程度 所谓眼图是指示波器显示的图形 因为在传输二电平信号时 它很象一只眼睛 眼图参量 眼图参量 1 峰值串扰 max 指最大可能的码间干扰发生在所有干扰在抽样时刻具有相同极性时 眼图参量 2 闭眼度 定义为峰值干扰 ma