第五章软件无线电基本算法

1、第五章第五章 软件无线电软件无线电 中的信号处理算法中的信号处理算法 主讲人：李玉柏主讲人：李玉柏 本章主要内容本章主要内容 5.1 软件无线电中的调制算法软件无线电中的调制算法 5.1.1 信号调制通用模型信号调制通用模型 在当代通信中，通信信号的种类繁多，如果在当代通信中，通信信号的种类繁多，如果 按照常规的方法，产生一种信号就要一种硬件电按照常规的方法，产生一种信号就要一种硬件电 路，那么，要使一个通信机产生多种信号，其电路，那么，要使一个通信机产生多种信号，其电 路就会极其复杂，体积、重量都会很大。路就会极其复杂，体积、重量都会很大。 软件无线电中，各种调制信号是以一个通用软件无线电中

2、，各种调制信号是以一个通用 的数字信号处理平台为支撑，利用各种软件来产的数字信号处理平台为支撑，利用各种软件来产 生的。生的。 信源信源I I多相滤波多相滤波相乘相乘 信源信源Q Q多相滤波多相滤波相乘相乘 相加相加 t C cos t C sin 正交调制的实现框图正交调制的实现框图 从理论上来说，各种信号都可以用正交调制的从理论上来说，各种信号都可以用正交调制的 方法来实现，其表达式：方法来实现，其表达式： 调制信号的信息都应该包括在调制信号的信息都应该包括在I(t)和和Q(t)内。另内。另 外，由于各种调制信号都在数字域实现的，因此，外，由于各种调制信号都在数字域实现的，因此， 在数字域

3、上实现时要对上式进行数字化。在数字域上实现时要对上式进行数字化。 )sin()()cos()()(ttQttIts CC )sin()()cos()()( S C S C n nQ n nIns 5.1.2 模拟信号调制算法模拟信号调制算法 1.调频（调频（FM） 调频就是载波频率随调制信号成线性变化的调频就是载波频率随调制信号成线性变化的 一种调制方式。一种调制方式。 )(cos()( 0 dttktAts t fC 令：令： 将将s(t)的表达式展开，带入的表达式展开，带入u(t)化简，可得：化简，可得： 可以看出：可以看出： dttk t f )( 0 sin)sin(cos)cos()

4、(tAtAts CC sin)( cos)( tQ tI 2、调幅（、调幅（AM） 调幅就是使载波的振幅随调制信号的变化规律而调幅就是使载波的振幅随调制信号的变化规律而 变化。变化。 从信号表达式中，我们很容易得出：从信号表达式中，我们很容易得出： ttmAts Ca cos)(1 ()( 0)( )(1 ()( tQ tmAtI a 3、双边带信号（、双边带信号（DSB） 双边带信号是由载波同调制信号直接相乘得到的，双边带信号是由载波同调制信号直接相乘得到的， 只有上、下边带分量，无载波分量。只有上、下边带分量，无载波分量。 要实现正交信号只需令：要实现正交信号只需令： ttAts C co

5、s)()( 0Q(t) );()( tAtI 4、单边带信号（、单边带信号（SSB) SSB是滤除双边带信号的一个边带而得到的。是滤除双边带信号的一个边带而得到的。 LSSB表达式：表达式： USSB表达式：表达式： 其中，其中， 代表代表Hilbert变换。变换。 )sin()()cos()()( ttttts CC )sin()()cos()()( ttttts CC )(t 对对LSSB: 对对USSB: );()( );()( ttQ ttI );()( );()( ttQ ttI 5.1.3 数字信号调制算法数字信号调制算法 1、振幅键控信号（、振幅键控信号（2ASK） 一个二进制的

6、振幅键控信号可以表示为一个单极一个二进制的振幅键控信号可以表示为一个单极 性脉冲和一个正弦信号相乘。性脉冲和一个正弦信号相乘。 )cos()()(ttmts C 其中，其中，m(t)为单极性脉冲，可以表示为：为单极性脉冲，可以表示为： ( g(t)是持续时间为是持续时间为T的矩形脉冲，的矩形脉冲， an 是信号源给出的二进制符号）是信号源给出的二进制符号） 要实现正交调制，只要令：要实现正交调制，只要令： I(t) = 0 Q(t) = m(t) )()(nTtgatm n n 2、二进制频移键控信号（、二进制频移键控信号（2FSK） 2FSK是符号是符号0对应载波频率为对应载波频率为w1，符

7、号，符号1对应载波对应载波 频率为频率为w2的以调波形。的以调波形。 )cos()()cos()()( 2 _ 1 tnTtgatnTtgatf n n n n )()(; 0)( )( _ tmtQtI aa nn 的反码的反码是是 3、二进制相移键控信号（、二进制相移键控信号（2PSK） 2PSK方式是键控的载波相位按基带脉冲序列的规方式是键控的载波相位按基带脉冲序列的规 律而改变的数字调制方式。律而改变的数字调制方式。 ( an取值为取值为1；发；发0时取时取1，发，发1时取时取-1） )cos()()(tnTtgats n Cn 4、DPSK调制：调制： DPSK调制是利用前后相邻码元

8、调制是利用前后相邻码元 的相对载波相位去表示数字信息的一种表示方式。的相对载波相位去表示数字信息的一种表示方式。 它与它与PSK的区别仅仅在于编码方式不同。的区别仅仅在于编码方式不同。 5、M进制数字频率调制（进制数字频率调制（MFSK）：）：MFSK 是是FSK的直接推广！的直接推广！ 式中，式中， m (m = 0, 1, , M-1) 是与是与an 相对应的相对应的 载波角频率偏移载波角频率偏移 )cos()()(ttnTtgts m n C 6、M进制数字振幅调制（进制数字振幅调制（MASK） 7、四进制数字相位调制（、四进制数字相位调制（QPSK） 是受信息控制的相位参数，它有四种可

9、能是受信息控制的相位参数，它有四种可能 的取值。对的取值。对QPSK而言：而言： MASK与与ASK在调制方式上无本质的区别。在调制方式上无本质的区别。 an为信源给出的为信源给出的M进制电平。进制电平。 )cos()()(tnTtgatf n Cn )cos()()( n n Ct nTtgts )(n n n n n nTtgtQ nTtgtI )sin()()( )cos()()( 8、正交振幅调制（、正交振幅调制（QAM） QAM是一种多进制混合调幅调相的调制方式。通是一种多进制混合调幅调相的调制方式。通 常用星座图可以直观的表示出来。常用星座图可以直观的表示出来。 QAM信号的数学表

10、达式为：信号的数学表达式为： 只要令：只要令： 就可以实现就可以实现QAM信号了。信号了。 nn CnCn tnTtgbtnTtgats )sin()()cos()()( n n n n nTtgb nTtgatI )(Q(t) )()( 9、最小频移键控（、最小频移键控（MSK） 所谓所谓MSK，就是调制指数最小（，就是调制指数最小（h=0.5)的连续相位的的连续相位的FSK。 式中式中T为码元宽度，为码元宽度，an为为1， 是第是第n个码元的起始相位个码元的起始相位 只要把数据进行适当的编码，同样可以用调频的方法实现只要把数据进行适当的编码，同样可以用调频的方法实现 MSK信号的调制信号的

11、调制 ) 2 cos()( nk n C t T atts n 时； 时； 1 11 nnn nnn n aan aa 10、GMSK信号信号 GMSK调制就是把输入数据经过高斯低通滤波器调制就是把输入数据经过高斯低通滤波器 进行预调制滤波后，再进行进行预调制滤波后，再进行MSK调制信号的数字调制信号的数字 调制方式。调制方式。 这种信号具有恒复包络，功率谱集中，频谱较这种信号具有恒复包络，功率谱集中，频谱较 窄等特点。窄等特点。 5.2 软件无线电解调算法软件无线电解调算法 5.2.1 信号解调通用模型信号解调通用模型 软件无线电几乎所有的功能都靠软件来实现，软件无线电几乎所有的功能都靠软件

12、来实现， 解调也不例外。从理论上说，正交解调法可以对所解调也不例外。从理论上说，正交解调法可以对所 有的样式进行解调，所以，在软件无线电中，选取有的样式进行解调，所以，在软件无线电中，选取 了数字正交解调法。了数字正交解调法。 根据以上思想，我们可以构建一个通用模型，根据以上思想，我们可以构建一个通用模型， 通过加载不同的软件来实现对所有信号的解调。通过加载不同的软件来实现对所有信号的解调。 LPF LPF NCO 解解 调调 算算 法法 解调输出解调输出 )cos(n C )sin(n C )(ns )(nX I )(nXQ 数字正交解调的通用模型数字正交解调的通用模型 尽管调制的样式多种多

13、样，但实质上不外乎尽管调制的样式多种多样，但实质上不外乎 用调制信号去控制载波的某一个或者几个参数。用调制信号去控制载波的某一个或者几个参数。 因此，一般的已调信号都可以表示成：因此，一般的已调信号都可以表示成： 的形式。的形式。 通过对上式的分解，我们可以得到：通过对上式的分解，我们可以得到： 令：令： )(cos)()(nnnAns C )(sin)sin()( )(cos)cos()()( nnnA nnnAns C C )(sin)()( )(cos)()( nnAnX nnAnX Q I 则则 s(n) 可以表示成：可以表示成： 显然，显然，XI(n) 为同相分量，为同相分量，XQ

14、(n) 为正交分量。为正交分量。 因此，解调的关键是求出因此，解调的关键是求出 XI (n) 与与 XQ (n)，因，因 为信号信息都包含在里面了。为信号信息都包含在里面了。 载频同步载频同步 载波相位同步载波相位同步 码流频率同步码流频率同步 I/Q提取机带信号提取机带信号 )(sin)()(cos)()(nnXnnXns QI 知道了知道了XI (n)与与 XQ (n)，我们可以对各式各样的，我们可以对各式各样的 信号进行解调。总的说来，信号的调制方式包含在信号进行解调。总的说来，信号的调制方式包含在 一下三大类中：一下三大类中： 调幅（调幅（AM）调制）调制 调相（调相（PM）调制）调制

15、 调频（调频（FM）调制）调制 针对信号的调制方式，我们可以这样来解调：针对信号的调制方式，我们可以这样来解调： 1. AM类类 2. PM类类 3. FM类类 22 )()()(nXnXnA QI )( )( )( nX nX arctgn I Q ) 1( ) 1( )( )( )( nX nX arctg nX nX arctgnf I Q I Q 在调相类与调频类的解调中，对在调相类与调频类的解调中，对 的计算时的计算时 要进行除法与反正切运算，这对非专用的数字处理要进行除法与反正切运算，这对非专用的数字处理 器来说是比较复杂的。因此，我们不得不寻求其他器来说是比较复杂的。因此，我们不

16、得不寻求其他 的方法来解决这个问题。的方法来解决这个问题。 )(n )() 1()() 1( )1()()()1()()( )()()()( )()( )()()()( )( )( 22 nXnXnXnX nXnXnXnXnXnX nXnXnXnX nXnX nXnXnXnX nnf IQQI IIQQQI QIQI QI QIQI 5.2.2 模拟信号解调算法模拟信号解调算法 1. AM解调解调 解调方法：解调方法： （1）根据通用模型求出）根据通用模型求出XI(n)与与 XQ(n) （2）按照调幅类解调方法求出）按照调幅类解调方法求出A(n) )sin()()( )cos()()( 0 0

17、 nAnX nAnX Q I )()()( 22 nAnXnX QI 3）在）在AM调制中，调制中， （m (n)为调为调 制信号）所以，只需减去一个常数，就能得到调制信号）所以，只需减去一个常数，就能得到调 制信号制信号 m (n) 由于一些原因，本地载波和信号载波并不能够由于一些原因，本地载波和信号载波并不能够 严格地同频同相，但是，因为严格地同频同相，但是，因为正弦和余弦的平方正弦和余弦的平方 和恒等于和恒等于1，所以，这种，所以，这种“失配失配”并不影响我们的并不影响我们的 解调。解调。 )()( 0 nmAnA 2. DSB解调（调幅类）解调（调幅类） （1）根据通用模型求出）根据通

18、用模型求出XI (n)与与 XQ (n) （2）按照调幅类解调方法求出）按照调幅类解调方法求出A(n) （3）在）在DSB调制中，调制中，A(n)就是调制信号就是调制信号 m(n) 0)( )()( nX nmnX Q I )()()( 22 nAnXnX QI DSB信号解调时要求本地载频与信号载频同相，信号解调时要求本地载频与信号载频同相， 此时，同相分量的输出就是解调信号。就不必在此时，同相分量的输出就是解调信号。就不必在 进行上述第二步的运算。同频同相本地载波的提进行上述第二步的运算。同频同相本地载波的提 取，可以利用数字科斯塔斯环获得。取，可以利用数字科斯塔斯环获得。 3. SSB解

19、调（调幅类）解调（调幅类） 方法方法1：通用解调模型：通用解调模型 1）根据通用模型求出）根据通用模型求出 XI(n) 与与 XQ(n) 2）由）由SSB表达式可知，表达式可知， XI(n)就是调制信号就是调制信号m (n) )()( )()( nmnX nmnX Q I SSB解调方法二：解调方法二： 该方法主要利用了该方法主要利用了Hilbert变换的性质，即：变换的性质，即： Hilbert变换NCO )sin(n C )cos(n C )(ns 解调输出解调输出 )cos()()sin()( )sin()()cos()( nnmnnmH nnmnnmH CC CC 按照上图的运算过程有

20、：按照上图的运算过程有： 所以，经上述运算就可以解调出调制信号所以，经上述运算就可以解调出调制信号 )( )(sin)()(cos)( )sin()()cos()( 22 nm nnmnnm nnsnns CC CC 4. FM解调解调 （1）根据通用模型求出）根据通用模型求出XI(n)与与 XQ(n) （2）按照调频类解调方法求出）按照调频类解调方法求出f(n) )(sin()( )(cos()( 00 00 nmkAnX nmkAnX Q I 正正交交分分量量： 同同相相分分量量： 0 )()(nmk X X arctgn I Q )() 1()()(nkmnnnf 3）可以看出，在）可以

21、看出，在FM中，中，f(n)就是调制信号就是调制信号m(n)乘乘 上一个系数。同上一个系数。同AM信号一样，信号一样，FM信号用正交解信号用正交解 调方法解调时，有较强的抗载频失配能力。当本调方法解调时，有较强的抗载频失配能力。当本 地载频与信号载频存在频差和相差时，同相分量地载频与信号载频存在频差和相差时，同相分量 和正交分量可以表示为：和正交分量可以表示为： )(sin()( )(cos()( 0 0 nnmkAnX nnmkAnX Q I 同样对正交与同相分量之比值进行反切及差分同样对正交与同相分量之比值进行反切及差分 运算，就可以得到：运算，就可以得到： 由此可见，当载波失配和差相是常

22、量时，解调由此可见，当载波失配和差相是常量时，解调 输出只不过增加了一个直流分量输出只不过增加了一个直流分量 ，减去该分量，减去该分量， 就可以得到解调信号。就可以得到解调信号。 )( )1() 1( )( ) 1( ) 1( )( )( )( nkm nnmk nnmk nX nX arctg nX nX arctgn I Q I Q 5.2.3 数字调制信号的算法数字调制信号的算法 1. ASK解调解调 （1）根据通用模型求出）根据通用模型求出XI(n)与与 XQ(n) （2）按照调幅类解调方法求出）按照调幅类解调方法求出A(n) )sin()()( )cos()()( 0 0 mngan

23、X mnganX m mQ m mI 正正交交分分量量： 同同相相分分量量： m mQI mnganXnXnA)()()()( 22 （3）对于）对于ASK信号信号,只需要抽样判决，就可以得到只需要抽样判决，就可以得到 调制码元调制码元 am 。 ASK信号的正交解调性能和信号的正交解调性能和AM一样，具有较强一样，具有较强 的抗载频失配能力。（的抗载频失配能力。（MASK信号的解调方法与信号的解调方法与 ASK一样）一样） 2. FSK解调解调 （1）根据通用模型求出）根据通用模型求出XI(n)与与 XQ(n) （2）按照调频类解调方法求出）按照调频类解调方法求出f(n) )sin()()(

24、 )cos()()( 0 0 namngAnX namngAnX m m Q m m I 正正交交分分量量： 同同相相分分量量： ) 1( ) 1( )( )( )( nX nX arctg nX nX arctgnf I Q I Q m m amng)( （3）对）对FSK信号，在计算出瞬时频率信号，在计算出瞬时频率f(n)后，对后，对 f(n)经抽样门限判决，即可得到调制信号经抽样门限判决，即可得到调制信号am 。 （MFSK信号的解调方法与信号的解调方法与FSK一样）一样） 3. MSK解调解调 （1）根据通用模型求出）根据通用模型求出XI(n)与与 XQ(n) （2）按照调频类解调方法

25、求出）按照调频类解调方法求出f(n) ) 2 sin()()( ) 2 cos()()( 0 0 mm m Q mm m I Xna T mngAnX Xna T mngAnX 正正交交分分量量： 同同相相分分量量： ) 1( ) 1( )( )( )( nX nX arctg nX nX arctgnf I Q I Q m mm Xa T nf 2 )( （3）抽样判决，恢复码元）抽样判决，恢复码元 （GMSK与与SFSK的解调方式与的解调方式与MSK相同）相同） 4. PSK解调解调 （1）根据通用模型求出）根据通用模型求出XI(n)与与 XQ(n) （2）按照调相类解调方法求出）按照调相

26、类解调方法求出 )sin()()( )cos()()( 0 0 m m Q m m I mngAnX mngAnX 正交分量：正交分量： 同相分量：同相分量： m m I Q mng nX nX arctgn)( )( )( )( （3）对）对PSK信号，计算出瞬时相位信号，计算出瞬时相位 后，后， 对对 进行抽样判决，即可得到调制信号进行抽样判决，即可得到调制信号 。 【注意】在解调时，需要本地载波与信号载波严【注意】在解调时，需要本地载波与信号载波严 格的同频同相，才能计算出格的同频同相，才能计算出 ，同频同相可由，同频同相可由 数字科斯塔斯环获得。数字科斯塔斯环获得。 （MPSK信号的解

27、调方法与信号的解调方法与PSK类似）类似） )(n m )(n )(n 5. QPSK信号解调信号解调 方法一：方法一： 将将QPSK可以看成两个可以看成两个BPSK信号的组合。信号的组合。 （1）根据通用模型求出）根据通用模型求出XI(n)与与 XQ(n) )sin()()cos()()(nmngbnmnganS C m mC m m )()( )()( mngbnX mnganX m mQ m mI 正正交交分分量量： 同同相相分分量量： （2）分别对）分别对XI(n)与与 XQ(n)进行抽样判决，即进行抽样判决，即 可恢复出并行数据。可恢复出并行数据。 （3）并串转换，得到调制信号）并串

28、转换，得到调制信号 (OQPSK信号的解调与信号的解调与QPSK类似）类似） QPSK信号解调信号解调 方法二：方法二： QPSK的一般表达式为：的一般表达式为： （1）正交分解可得：）正交分解可得： n nCn nTtgnS)cos()()( n n n n nTtgtQ nTtgtI )sin()()( )cos()()( （2）计算出）计算出 ，并算出，并算出 的值的值 （3）根据）根据 的值查表的值查表 n 1 nn 编码编码00011011 0 90180270 QPSK信号解调摸板信号解调摸板 6. QAM解调解调 （1）根据通用模型求出）根据通用模型求出XI(n)与与 XQ(n)

29、 （2）分别对）分别对XI(n)与与 XQ(n)进行抽样判决，即进行抽样判决，即 可恢复出并行数据。可恢复出并行数据。 （3）并串转换，得到调制信号）并串转换，得到调制信号 )()( )()( mngbnX mnganX m mQ m mI 正正交交分分量量： 同同相相分分量量： 5.3 软件无线电中的同步技术软件无线电中的同步技术 在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信 号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波 的获取称为载波提取或的获取称为载波提取或载波同步载波同步。载波同步是实。载波同步是实 现相干解调

30、的先决条件。现相干解调的先决条件。 在数字通信中，还需要知道码元的起始时刻以在数字通信中，还需要知道码元的起始时刻以 及帧的开始与结束，故还需要及帧的开始与结束，故还需要帧同步帧同步与与位同步位同步。 本节主要讨论了一些同步技术。本节主要讨论了一些同步技术。 5.3.1 载波同步载波同步 载波同步的方法可以分为两类：载波同步的方法可以分为两类： 第一类：第一类：插入导频法插入导频法. 发送有用信号的同时发送导频信号发送有用信号的同时发送导频信号 （极少采用）（极少采用） 第二类：第二类：直接法直接法. 从收到的信号中提取。从收到的信号中提取。 1） 平方变换法平方变换法 2） 同相正交锁相环法

31、同相正交锁相环法 3） DSP通过软件实现通过软件实现 这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。 有些信号，如有些信号，如DSB-SC、PSK等，它们虽然本身不等，它们虽然本身不 直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后， 将具有载波的谐波分量，将具有载波的谐波分量， 因而可从中提取出载波因而可从中提取出载波 分量来。下面介绍几种常用的方法。分量来。下面介绍几种常用的方法。 1）平方变换法）平方变换法 所谓平方变换法就是对输入信号进行平方后，所谓平方变换法就是对输入信号进行平方后， 获取所需的载波。原理图如下：获

32、取所需的载波。原理图如下： 直接法载波同步直接法载波同步 平方律部件平方律部件2fS 窄带滤波器窄带滤波器二分频器二分频器 信号输入信号输入载波输出载波输出 平方法载波同步平方法载波同步 此方法广泛用于建立抑制载波双边带信号的载波此方法广泛用于建立抑制载波双边带信号的载波 同步。同步。设调制信号设调制信号m(t)无直流分量，则抑制载波无直流分量，则抑制载波 的双边带信号为：的双边带信号为： 接收端将该信号经过非线性变换接收端将该信号经过非线性变换平方律平方律 器件后得到：器件后得到： )cos()()(ttmts C )2cos()( 2 1 )( 2 1 )cos()()( 222 ttmt

33、mttmte CC 上式的第二项包含有载波的倍频上式的第二项包含有载波的倍频2c的分量。的分量。 若用一窄带滤波器将若用一窄带滤波器将2c频率分量滤出，再进行二频率分量滤出，再进行二 分频，就可获得所需的相干载波。分频，就可获得所需的相干载波。 2）正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）正交锁相环法（科斯塔斯锁相环） LPF LPF VCO 2 环路滤波环路滤波 信号输入信号输入 I支路支路 Q支路支路 科斯塔斯环原理框图科斯塔斯环原理框图 V1 V2 V3V5 V4 V6 Vd 输出信号输出信号 在此环路中，压控振荡器（在此环路中，压控振荡器（VCO）提供两路互）提供两路互 为正交的载波，与输入接收

34、信号分别在同相和正交为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交 两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均 含调制信号，含调制信号， 两者相乘后可以消除调制信号的影响，两者相乘后可以消除调制信号的影响， 经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从 而准确地对压控振荡器进行调整。而准确地对压控振荡器进行调整。 设输入的抑制载波双边带信号为：设输入的抑制载波双边带信号为： 并假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则并假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则 VCO输出的两路互为正交的本地载波分别为输出的两路互为正

35、交的本地载波分别为 式中，式中，为为VCO输出信号与输入已调信号输出信号与输入已调信号 载波之间的相位误差。载波之间的相位误差。 ttm C cos)( )sin( )cos( 2 1 tv tv C C 信号信号 分别与分别与v1、 v2相乘后得相乘后得 经低通滤波后分别为经低通滤波后分别为 ttm C cos)( )2cos()cos( 2 1 )cos(cos)( 3 ttm tttmv C CC )2sin()sin( 2 1 )sin(cos)( 4 ttm tttmv C CC cos)( 2 1 5 tmv sin)( 2 1 6 tmv 低通滤波器应该允许低通滤波器应该允许m(

36、t) 通过。通过。V5、V6 相乘产生误差信相乘产生误差信 号。号。 当当m(t)为矩形脉冲的双极性数字基带信号时，为矩形脉冲的双极性数字基带信号时， 即使即使 m(t) 不为矩形脉冲序列，式中的不为矩形脉冲序列，式中的 可以分解为可以分解为 直流和交流分量。由于锁相环作为载波提取环时，直流和交流分量。由于锁相环作为载波提取环时， 其环其环 路滤波器的带宽设计的很窄，只有路滤波器的带宽设计的很窄，只有m (t) 中的直流分量可中的直流分量可 以通过，因此以通过，因此vd可写成：可写成： 如果我们把图中除环路滤波器（如果我们把图中除环路滤波器（LF）和压控振荡器）和压控振荡器 （VCO）以外的部

37、分看成一个等效鉴相器（）以外的部分看成一个等效鉴相器（PD），其输），其输 出出vd正是我们所需要的误差电压。正是我们所需要的误差电压。 2sin)( 8 1 2 tmvd 1)( 2 tm )( 2 tm 2sin dd kv 通过环路滤波器滤波后去控制通过环路滤波器滤波后去控制VCO的相位和频率，的相位和频率， 最终使稳态相位误差减小到很小的数值，而最终使稳态相位误差减小到很小的数值，而 Vd 没有剩余频差（即频率与没有剩余频差（即频率与c同频）。此时同频）。此时VCO的的 输出输出 V1= cos(ct+) 就是所需的同步载波，而就是所需的同步载波，而 V5= 1/2 m(t)cos1/

38、2 m(t) 就是解调输出。就是解调输出。 5.3.2 位同步位同步 位同步是指在接收端的基带信号中提取码元位同步是指在接收端的基带信号中提取码元 定时的过程。定时的过程。 它与载波同步有一定的相似和区别。它与载波同步有一定的相似和区别。 载波同步是相干解调的基础，而位同步是定时的载波同步是相干解调的基础，而位同步是定时的 基础。基础。 位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才 需要，需要， 并且不论基带传输还是频带传输都需要位并且不论基带传输还是频带传输都需要位 同步；所提取的位同步信息是频率等于码速率的同步；所提取的位同步信息是频率等于码速率的

39、定时脉冲，相位则根据判决时信号波形决定，可定时脉冲，相位则根据判决时信号波形决定，可 能在码元中间，也可能在码元终止时刻或其他时能在码元中间，也可能在码元终止时刻或其他时 刻。实现方法也有刻。实现方法也有插入导频法（外同步法）插入导频法（外同步法）和和直直 接法（自同步法）。接法（自同步法）。 1、自同步（直接法）、自同步（直接法） 这一类方法是发端不专门发送导频信号，而直这一类方法是发端不专门发送导频信号，而直 接从接收的数字信号中提取位同步信号。这种方法接从接收的数字信号中提取位同步信号。这种方法 在数字通信中得到了最广泛的应用。常常通过滤波在数字通信中得到了最广泛的应用。常常通过滤波 法

40、，延迟相干法，锁相等方法实现。法，延迟相干法，锁相等方法实现。 1）波形变换）波形变换-滤波法滤波法 不归零的随机二进制序列，不论是单极性还是不归零的随机二进制序列，不论是单极性还是 双极性的，双极性的， 当当P(0)=P(1)=1/2时，都没有时，都没有f=1/T，2/T 等线谱，因而不能直接滤出等线谱，因而不能直接滤出f=1/T的位同步信号分的位同步信号分 量。但是，若对该信号进行某种变换，例如，变成量。但是，若对该信号进行某种变换，例如，变成 归零的单极性脉冲，其谱中含有归零的单极性脉冲，其谱中含有f=1/T的分量，然的分量，然 后用窄带滤波器取出该分量，再经移相调整后就可后用窄带滤波器

41、取出该分量，再经移相调整后就可 形成位定时脉冲。形成位定时脉冲。 这种方法的原理框图如下图所示。它的特点是这种方法的原理框图如下图所示。它的特点是 先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器将其取先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器将其取 出。出。 图中的波形变换电路可以用微分、整流来实现。图中的波形变换电路可以用微分、整流来实现。 波形变换波形变换窄带滤波窄带滤波移相移相脉冲形成脉冲形成 基带信号基带信号 滤波法原理图滤波法原理图 这是一种从频带受限的中频这是一种从频带受限的中频 PSK 信号中提取信号中提取 位同步信息的方法，其波形图如下图所示。当接位同步信息的方法，其波形图如下图所示。当接

42、 收端带通滤波器的带宽小于信号带宽时，使频带收端带通滤波器的带宽小于信号带宽时，使频带 受限的受限的 2PSK 信号在相邻码元相位反转点处形成信号在相邻码元相位反转点处形成 幅度的幅度的“陷落陷落”。经包络检波后得到图。经包络检波后得到图 (b) 所示所示 的波形，它可看成是一直流与图的波形，它可看成是一直流与图 (c) 所示的波形所示的波形 相减，相减， 而图而图(c) 波形是具有一定脉冲形状的归零波形是具有一定脉冲形状的归零 脉冲序列，含有位同步的线谱分量，脉冲序列，含有位同步的线谱分量， 可用窄带滤可用窄带滤 波器取出。波器取出。 2）包络检波）包络检波-滤波法滤波法 从从2PSK信号中

43、提取位同步信息信号中提取位同步信息 该方法与相干解调类似，不过其迟延时间该方法与相干解调类似，不过其迟延时间 要要 小于接收码长小于接收码长T。接收信号与延迟信号相乘后，就。接收信号与延迟信号相乘后，就 可以得到一组脉冲宽度为可以得到一组脉冲宽度为 的归零码，这样就可以的归零码，这样就可以 得到位同步信号的频率分量。得到位同步信号的频率分量。 移相移相 迟延迟延 提纯提纯脉冲形成脉冲形成 迟延相干法原理框图迟延相干法原理框图 3）延迟相干法）延迟相干法 4）锁相法）锁相法 位同步锁相法的基本原理与载波同步的类似，位同步锁相法的基本原理与载波同步的类似， 在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生

44、的在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的 位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或 滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信 号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。 2、外同步（插入导频法）、外同步（插入导频法） 在发射端专门发射导频信号。在发射端专门发射导频信号。 5.3.3 帧同步帧同步 数字通信时，一般总是以若干个码元组成帧，数字通信时，一般总是以若干个码元组成帧， 以帧为单位进行传输。帧同步的任务就是在位同以帧为单位进行传输。帧同步的任务就是在位同 步的

45、基础上识别出这些数字信息帧的步的基础上识别出这些数字信息帧的“开头开头”和和 “结尾结尾”的时刻，使接收设备的帧定时与接收到的时刻，使接收设备的帧定时与接收到 的信号中的帧定时处于同步状态。的信号中的帧定时处于同步状态。 方法：方法： 帧同步通常利用在数字信息流中插入特殊的帧同步通常利用在数字信息流中插入特殊的 码组作为每帧的头尾标记。该码组应在信息码中码组作为每帧的头尾标记。该码组应在信息码中 很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照帧的规很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照帧的规 律周期出现。在接收端产生出与发射端相同的码律周期出现。在接收端产生出与发射端相同的码 组，并与收到的信号进行相关性

46、运算，当相关值组，并与收到的信号进行相关性运算，当相关值 最大的时候，就认为找到了帧的起始位置。最大的时候，就认为找到了帧的起始位置。 因此，帧同步的关键是寻找实现同步的特殊因此，帧同步的关键是寻找实现同步的特殊 码组。对该码组的基本要求是码组。对该码组的基本要求是 （1）具有尖锐单峰特性的自相关函数；具有尖锐单峰特性的自相关函数； （2）便于与信息码区别；）便于与信息码区别； （3）码长适当，以保证）码长适当，以保证 传输效率。传输效率。 符合上述要求的特殊码组有：全符合上述要求的特殊码组有：全0码、全码、全1码、码、 1与与0交替码、交替码、 巴克码、电话基群帧同步码巴克码、电话基群帧同步

47、码 0011011。目前常用的帧同步码组是。目前常用的帧同步码组是巴克码。巴克码。 巴克码巴克码 巴克码是一种有限长的非周期序列。它的定义如下：巴克码是一种有限长的非周期序列。它的定义如下： 一个一个n位长的码组位长的码组 x1, x2, x3， ，xn，其中，其中xi的的 取值为取值为+1或或1， 若它的局部相关函数若它的局部相关函数 则称这种码组为巴克码。目前已找到的所有巴则称这种码组为巴克码。目前已找到的所有巴 克码组如下表所示。其中的、号表示克码组如下表所示。其中的、号表示xi的取值的取值 为为+1、 -1，分别对应二进制码的，分别对应二进制码的“1”或或“0”。 nj nj j xx

48、jR i jn i i , 0 0, 10 0, 0 )( 1 1 或或 巴克码组巴克码组 n巴克码组巴克码组 2 (11) 3 （110） 4(1110)； (1101) 5 (11101) 7(1110010) 11(11100010010) 13(1111100110101) 5.4 信号调制样式的自动识别信号调制样式的自动识别 对信号的解调，前提条件是确知该信号的调制对信号的解调，前提条件是确知该信号的调制 样式及其参数如信号带宽，波特率等等。在软件无样式及其参数如信号带宽，波特率等等。在软件无 线电电台中，由于它所特有的多频段，多功能，多线电电台中，由于它所特有的多频段，多功能，多

49、体制等特点，使得接收方无法在某一个特定的调制体制等特点，使得接收方无法在某一个特定的调制 方式下进行等待接收。这时，能自动识别调制样式方式下进行等待接收。这时，能自动识别调制样式 就显得尤为重要。就显得尤为重要。 5.4.1 模拟调制信号的自动识别模拟调制信号的自动识别 对模拟信号的识别，关键是要从接收的信号中对模拟信号的识别，关键是要从接收的信号中 提取用于信号样式识别的信号特征参数。对模拟提取用于信号样式识别的信号特征参数。对模拟 信号而言，可以采用以下四种参数进行识别。信号而言，可以采用以下四种参数进行识别。 1）零中心归一化瞬时幅度之谱密度的最大值）零中心归一化瞬时幅度之谱密度的最大值

50、 2）零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对）零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对 值的标准偏差值的标准偏差 3）零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量的标）零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量的标 准偏差准偏差 4）谱对称性）谱对称性 1、零中心归一化瞬时幅度之谱密度的最大值、零中心归一化瞬时幅度之谱密度的最大值 rmax 定义如下：定义如下： 式中，式中，NS为取样点数，为取样点数，acn (i)为零中心归一化为零中心归一化 瞬时幅度：瞬时幅度： /)(max 2 maxScn NiaFFT 1)()(iaia ncn N i S a a n ia N m m ia ia 1 )( 1)( )

51、(；其其中中： 主要用来区分是主要用来区分是FM信号还是信号还是DSB或者或者 AM_FM信号。因为对信号。因为对FM信号，其瞬时幅度为常数，信号，其瞬时幅度为常数， 所以它的零中心归一化瞬时幅度所以它的零中心归一化瞬时幅度can(i)0；对应的；对应的 频谱密度也就为频谱密度也就为0。而。而DSB与与AM_FM信号零中心归信号零中心归 一化瞬时幅度一化瞬时幅度acn(i) 0；对应的频谱密度也就不为；对应的频谱密度也就不为0。 在现实中，常常不是以在现实中，常常不是以0为标准来判断的，而是为标准来判断的，而是 需要设一个判决门限需要设一个判决门限 t ( )，判决规则如下：，判决规则如下：

52、时，判为时，判为FM信号；信号； 时，判为时，判为DSB或者或者AM_FM信号；信号； max max )( maxmax t )( maxmax t 2、零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝、零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝 对值的标准偏差：对值的标准偏差： ap ap 2 )()( 2 )( 1 )( 1 tntn aia NL aia NLap i c i c 为瞬时相位为瞬时相位；(i) )( 1 )()( 1 0 S N i S o NL i N ii 定义如下：定义如下： 用来区分用来区分DSB信号和信号和AM-FM信号！信号！ 其中：其中： 3、零中心非弱信号段瞬时相位非线性

53、分量、零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量 的标准偏差的标准偏差： 定义如下：定义如下： dp 2 )()( 2 )( 1 )( 1 tntn aia NL aia NLdp i c i c dp 主要用来区分不含直接相位的主要用来区分不含直接相位的AM，VSB 信号和含直接相位的信号和含直接相位的DSB，LSB，USB等信号。等信号。 4、谱对称性、谱对称性 P P由下式定义：由下式定义： P = ( P L - PU) / ( P L + PU ) 式中：式中： cn f i L iSP 1 2 )( cn f i cnU fiSP 1 2 ) 1( P参数主要区分频谱对称的信号（参数主要区

54、分频谱对称的信号（AM、FM等等 ）与频谱不对称的信号（）与频谱不对称的信号（VSB、LSB等）等） 根据上述四个特征参数，不难得出对模拟信号根据上述四个特征参数，不难得出对模拟信号 AM、FM、VSB、LSB、USB、AM_FM的调的调 制样式自动识别流程图。制样式自动识别流程图。 模拟调制信号识别模拟调制信号识别 )( dpdp t )(PtP )(PtP )( maxmax t )( apap t 0P AMVSBDSBAM_FMFMLSBUSB Y Y Y 5.4.2 数字调制的自动识别数字调制的自动识别 数字调制信号的自动识别与模拟调制信号的自动数字调制信号的自动识别与模拟调制信号的

55、自动 识别大同小异，除了前面用到的识别大同小异，除了前面用到的 、 、 外外 还要用到以下两个特征参数。还要用到以下两个特征参数。 1、零中心归一化瞬时幅度绝对值的标准偏差、零中心归一化瞬时幅度绝对值的标准偏差 2、零中心归一化非弱信号段瞬时频率绝对值、零中心归一化非弱信号段瞬时频率绝对值 的标准偏差的标准偏差 dp ap max aa af 2 11 2 )( 1 )( 1 SS N i cn S N i cn S aa ia N ia N 2 )()( 2 )( 1 )( 1 tntn aia N aia Naf if c if c 几个参数的作用：几个参数的作用： ：区分：区分FSK与与

56、ASK或者或者PSK ：区分：区分4PSK与与2PSK或者或者ASK ：区分：区分ASK与与2PSK ：区分：区分4FSK与与2FSK ：区分：区分2ASK与与4ASK max ap dp af aa 数字调制信号识别数字调制信号识别 )( maxmax t )( apap t 4PSK )( dpdp t 2PSK )( aaaa t 2ASK4ASK )( afaf t 4FSK2FSK N N N N N 5.4.3 模拟数字调制信号的联合自动识别模拟数字调制信号的联合自动识别 在前面的基础上，我们只要再增加几个参数就在前面的基础上，我们只要再增加几个参数就 可以进行模拟数字调制信号的联合自动识别：可以进行模拟数字调制信号的联合自动识别： 1、零中心归一化非弱信号段瞬时幅度的标准偏、零中心归一化非弱信号段瞬时幅度的标准偏 差差 2、零中心归一化瞬时