跳频通信系统培训_PPT_ 调制

1、 跳频通信系统中的调制技术 跳频通信系统中的关键技术 西安电子科技大学西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室综合业务网理论及关键技术国家重点实验室孙锦华孙锦华调制的概念调制是通信原理中一个十分重要的概念，是一种信号处理技术。无论在模拟通信、数字通信还是数据通信中都扮演着重要角色。 信信源源电电信信号号调调制制接接收收机机解解调调发发射射机机电电信信号号信信宿宿无线信道噪声和干扰消息模拟或数字信号调制的概念 比如，我们要把一件货物运到几千千米外的地方，我们必须使用运载工具，或汽车、或火车、或飞机。在这里，货物相当于调制信号，运载工具相当于载波；把货物装到运载工具上相当于调制，从

2、运载工具上卸下货物就是解调。这个例子虽然不十分贴切，但基本上类似于调制原理。为什么需要调制n频率变换 在无线通信中，需要传送的由语言、音乐转换来的属于低频的电信号，其频率范围从几十赫到数千赫，不能直接从天线辐射出去；必须借助于高频振荡，由它将低频信号“携带”到空间去，这就是所谓的“调制”方式。 电磁波的频率越高，向外辐射能量的本领就越大当天线尺寸与信号波长相比拟时，天线辐射效率最高 为什么需要调制频率分配 为了使各个无线电台发出的信号互不干扰，给每个电台都分配了不同的频率。利用调制技术把各种话音、音乐、图像等基带信号调制到不同的载频上，可以使接收者选择所需的电台信号。为什么需要调制多路复用每一

3、种物理信道的频率特性一般都远大于所传的基带信号带宽直接传输多路话音信号又会造成相互干扰，致使接收端无法分清各路信号 必须用调制技术使得多路信号在同一个信道中同时传输必须用调制技术使得多路信号在同一个信道中同时传输 为什么需要调制改善系统性能 FM（调频）抗干扰能力优于AM（调幅） 扩展频谱调制2log1SCBN调制的概念调制调制：把要传输的信号变换成适合信道传输的信号的过程。（按调制信号的变换规律去改变载波的某些参数）解调解调：在接收端通过解调器把带通信号还原成基带信号的过程。调制信号调制信号/基带信号基带信号：调制器的输入信号（调制前）已调信号已调信号：调制器的输出信号（调制后）载波载波:

4、正弦信号、脉冲串或一组数字信号调制的分类按调制信号的种类分为 模拟调制模拟调制调制信号为模拟信号，比如正弦型信号。 数字调制数字调制调制信号为数字信号，比如二进制序列。按调制参数的种类分为 幅度调制幅度调制载波的幅值随调制信号的变化而变化。 频率调制频率调制载波的频率随调制信号的变化而变化。 相位调制相位调制载波的相位随调制信号的变化而变化。对调制的要求移动通信信道的基本特征移动通信信道的基本特征带宽有限-提高频谱利用率。 频谱利用率频谱利用率：单位频带内所能传输的比特率（b/s/Hz） 干扰和噪声影响大-提高抗干扰能力存在多径衰落-提高抗衰落能力对调制的要求：对调制的要求：已调信号所占的带宽

5、要窄：频谱主瓣窄已调信号频谱副瓣的幅度要低，辐射到相邻频道的功率就小。经调制解调后的输出信噪比(S/N)较大或误码率较低。信号抗干扰、抗衰落能力强。调制方式研究的主要内容n调制的原理和已调信号的产生方法。n已调信号的频谱特性。n解调的原理和实现方法。n解调后的信噪比或误码率性能。模拟调制幅度调制最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。 幅度调制幅度调制：调幅(AM)、双边带(DSB)、单边带(SSB)和残留边带(VSB)调制载波振幅随调制信号变化调幅波的调制过程模拟调制角度调制角度调制是使正弦载波信号的角度随着基带调制信号的幅度变化而改变；角度变化的多少/快慢：调相

6、/调频；载波的幅度保持不变（恒包络）。调频调频(FM)：载波频率调相(PM)：载波相位随调制信号变化的调制方式像被压缩得不像被压缩得不均匀的弹簧均匀的弹簧模拟调制角度调制在模拟蜂窝移动通信中，调频是更为普遍应用的角度调制，这是因为FM不管信号的幅度如何，抗干扰能力都很强;调频也有自己的缺点（调频波比调幅波频带宽，频带利用率低，门限效应），所以在现在的移动通信技术中，我们更多地采用了数字调制方式来改善信号的传播。传统的短波、超短波模拟跳频电台中也广泛采用了AM、FM、SSB等模拟调制方式。数字调制现代移动通信系统都使用数字调制技术；数字调制就是用数字信号调制载波的不同参量(模拟调制就是用模拟信号

7、调制载波)。数字信号的优点： 处理速度的提高（适合机器处理）； 灵活性高，能适应各种业务要求； 抗干扰性能得到加强，无噪声积累； 容易加密，保密性强； 设备便于集成化、微型化影响选择数字调制方式的因素影响选择数字调制方式的因素功率效率高带宽效率高抗多径和衰落能力强容易实现、价格低廉调制方案性能的衡量调制方案性能的衡量 功率效率（功率效率（Power efficiency） 在保证一定错误概率的前提下接收端所要求的在保证一定错误概率的前提下接收端所要求的每比特信号能量每比特信号能量E Eb b与噪声功率谱密度与噪声功率谱密度N N0 0的比值。的比值。 0/PbEN调制方式Pe=10-5时所需信

8、噪比2ASK15.6dB2PSK9.6dB2FSK12.6dB调制方案性能的衡量调制方案性能的衡量带宽效率（带宽效率（Bandwidth efficiency） 描述了调制方式在一有限带宽内提供数据传输的能力。 一般，数据速率，占用带宽/(/ /)BR Bbit s Hzmax2/log (1)BSC BN带宽效率的理论上限带宽效率的理论上限在一个任意小的错误概率下，最大的带宽效率受限于信在一个任意小的错误概率下，最大的带宽效率受限于信道内的噪声道内的噪声调制方案性能的衡量调制方案性能的衡量在数字系统设计中，需要在功率效率功率效率和带宽效率带宽效率之间进行折衷折衷 加差错控制编码，（B ），B

9、， P 多进制调制，（ R ），B ， P 调制方案性能的衡量调制方案性能的衡量带宽为200KHz，SNR分别为10dB、30dB的信道的理论最大数据速率为多少？ 解：SNR=10dB10 B200KHz CBlog2(1+S/N)=200000log2(1+10)=691.886kbps GSM系统数据速率270.833kbps，是10dB条件下理论 值的40。 SNR=30dB1000 CBlog2(1+S/N)=200000log2(1+1000)=1.99Mbps 三种常用的数字调制技术模拟调制：对载波信号的参量进行连续调制数字调制：用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息数字调制载

10、波数字调制载波 S(t) = A cos ( t+ ) S(t)的参量包括的参量包括： 幅度幅度A、频率频率 、相位相位 数字调制就是数字调制就是要使这三个参量随要使这三个参量随数字数字基带信号的变化而变化基带信号的变化而变化三种常用的数字调制技术n幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)n频移键控FSK(Frequency Shift Keying)n相移键控PSK(Phase Shift Keying) 2ASK二进制幅移键控是指高频载波的幅度受调制信号的控制，而频率和相位保持不变。用二进制数字信号“1”和“0”控制载波的通和断，所以又称通断键控OOK（OnOff K

11、eying）。 这里，Ts为调制信号间隔，g(t)为单极性矩形脉冲信号的时间波形， an为二进制数字信息( )()nsns ta g tnT1,0,na出现概率为P 出现概率为1-P 2ASK由2ASK的定义可以得到其时域表达式 可见，2ASK信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦形载波相乘。2( )( )cos() cosASKcnscnsts tw ta g tnTw t2ASK信号的功率谱0fPB( f )0 fcfcfc fsfc fsfc fsfc fsfPASK( f )(a)(b) fsfs 2ASK信号的功率谱包含连续谱和离散谱，其中连续谱是数字基带信号s(t)经过线性

12、调制后的双边带谱，而离散谱为载波分量，出现在fc。 2ASK的频带宽度是基带信号宽度的两倍（谱零点带宽谱零点带宽）。功率谱密度的第功率谱密度的第一对过零点之间一对过零点之间集中了信号的主集中了信号的主要功率要功率1/ssfT2ASK信号的产生2ASK信号的产生方法有两种（a）模拟调制法 （b）键控法2ASK信号的解调（1）2ASK信号的解调可以采用非相干解调（包络检波）和相干解调（同步检波）两种方式来实现。非相干解调非相干解调2ASK信号的解调（2）相干解调相干解调2ASK信号的性能二进制幅移键控是数字调制中出现最早的，也是最简单的。这种方法最初用于电报系统，但由于它在抗噪声的能力上较差，故在

13、数字通信系统中用的不多。但常作为研究其它数字调制方式的基础。,202beASKEPQN相干检测相干检测024681012141610-610-510-410-310-210-1100Eb/N0(dB)BER2ASK coherent detection2PSK和2DPSK 相移键控是利用载波相位的变化来传递数字信息，通常可以分为： 二进制绝对相移键控（2PSK、BPSK） 二进制相对相移键控（2DPSK） 类似地， M进制绝对相移键控（ MPSK ） M进制相对相移键控（ MDPSK ）differential2PSK一般的如果二进制数字信号“1”和“0”，分别用载波的相位和0这两个离散值来表

14、示，而其幅度和频率不变，这种调制方式称为二相绝对相移键控。 思考：上式与2ASK有何区别？2( )() cosPSKnscnsta g tnTw t1,P11Pna概率，概率 2PSK2PSK（BPSK）调制）调制 设输入比特流为设输入比特流为an，则，则调制器输出为：调制器输出为： Acos2fct ，an=0 ； s(t)= -Acos2fct ，an=1 。 2PSK的波形2PSK信号的典型时间波形如图所示，图中所有数字信号“1”码对应载波信号的0相位，而“0”码对应载波信号的 相位（也可以反之）。11000tAATs2PSK信号的频谱2PSK信号可以看成特殊的2ASK信号。2PSK信号

15、的功率谱与2ASK信号功率谱中的连续部分的形状相同。因此这两种信号的带宽相同。2PSK的频带宽度是基带信号宽度的两倍。当双极性基带信号以相等的概率出现时，BPSK信号的功率谱中无离散谱分量，而此离散谱分量就是2ASK信号的载波分量。所以BPSK可以看成抑制载波的双边带幅移键控信号。2BPSKBBR2PSK信号的实现方法模拟调制法模拟调制法：二进制数字序列经码型变换，由单极性码形成幅度为 的双极性不归零码，与载波相乘而产生2PSK信号。键控法键控法：相位选择器。12PSK信号的相干解调BPSK信号的相干解调（2）要求提供与发端同频同相的相干载波 发送端同时传输一低电平的载波导频信号 无载波导频信

16、号，使用Costas环或平方环恢复载波 由于分频起点的不确定性，存在0、相位模糊，引起解调后数字“1”、“0”倒置，应用受限。表 2PSK信号的调制和解调过程 注：码元相位表示码元所对应的码元相位表示码元所对应的PSK信号的相位，信号的相位，1和和2表示相位为表示相位为的的PSK信号分别与相位信号分别与相位为为1和和2的本地载波相乘的本地载波相乘本地载波相位的不确定性造成了解调后的数字信号可能极性完全相反，形成1和0的倒置，引起信息接收错误。绝对调相和相对调相BPSK：绝对调相，利用载波相位的绝对数值来传送数字信息。DPSK：差分相移键控，利用前后码元载波相位的相对变化来传送数字信息。绝对调相

17、会出现“倒现象”或“反向工作现象”2DPSK调制调制相对相移键控是利用前后码元载波相位的相对变化来表示数字信号。相位相对变化是指本码元的初相与前一码元的初相之差。0,0k数字信息，数字信息11kkk2DPSK波形输入二进制信息先进行差分编码，由绝对码变成相对码，然后调相。使用相对码使用相对码跳跳变表示变表示绝对码绝对码“1”，相对码，相对码不变表示绝对码不变表示绝对码“0”。根据初始状态是高电根据初始状态是高电平或低电平，相对码平或低电平，相对码有两种波形。有两种波形。1001011011100100绝对码相对码载波2DPSK信号DPSK调制器调制器 无论发射信号是无论发射信号是2DPSK还是

18、还是2PSK信号，单从接收端信号，单从接收端看是区分不开的。因此，看是区分不开的。因此，2DPSK信号的功率谱密度和信号的功率谱密度和2PSK信号的功率谱密度是完全一样的。信号的功率谱密度是完全一样的。（a）模拟调制法 （b）相移键控法2DPSK的解调的解调2DPSK信号可以采用相干解调法(极性比较法)和差分相干解调法(相位比较法)。相干解调法：先对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，若相干载波产生180相位模糊，解调出的相对码将产生倒置现象，但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波

19、相位模糊的问题。 2DPSK相干解调器及各点波形 abcdef1000110抽样判决器带通相乘器低通码(反)变换器2DPSK信号acdef二进制信息位定时本地载波b2DPSK相干解调1001011011100100绝 对 码相 对 码载 波2DPSK信 号表 2DPSK信号的调制和解调过程 2DPSK相干解调2DPSK差分相干解调器及各点波形 abcd二进制信息e1000110抽样判决器带通相乘器低通2DPSK信号acde二进制信息b延迟Ts位定时2DPSK信号2DPSK的差分相干解调器要求信号的要求信号的载波频率足载波频率足够稳定，若够稳定，若载频变化载频变化w，则延时电路则延时电路引起额外

20、的引起额外的相位偏移相位偏移wTs，会影，会影响抗噪声性响抗噪声性能。能。表 2DPSK信号的调制和延迟解调过程 2DPSK的差分相干解调器DPSK的性能DPSK相干解调DPSK差分相干解调BPSK相干解调,022be DPSKEpQN,201exp2beDPSKEpN,02be BPSKEPQN,2e BPSKe DPSKeDPSKppp02468101210-1010-810-610-410-2100Eb/N0(dB)BERBPSK coherent detectionDPSK coherent detectionDPSK diff coherent detectionDPSK的性能采用差

21、分相干解调的DPSK的抗白噪声性能不如相干解调的绝对调相，但在抗频漂、抗多径效应及相位抖动等方面较优，解调电路简单，应用很广。2FSK调制二元数字基带序列控制载波频率的变化，而幅度和相位保持不变。 这里， 和 分别表示第 个信号码元的初始相位， 是 的反码 212()cos()()cos()nFSKnsnsnnnSta g tnTta g tnTtnnnanna2FSK调制原理设则，2FSK信号可以表示为： 12nsnnsns ta g tnTsta g tnT 21122( )cos()( )cos()FSKnnSts tts tt2FSK调制原理2FSK信号的功率谱及带宽一个2FSK信号可

22、看作两个不同频率2ASK信号的合成。根据2ASK信号功率谱密度的表达式，可以得到2FSK信号功率谱密度的表达式为 上式中， 和 分别是基带信号 和 的功率谱。 2111122221( )()()()()4FSKssssPfPffPffPffPff1( )sPf2( )sPf1( )s t2( )s t2FSK信号的功率谱及带宽2FSK信号的功率谱如图所示。图中012/2fff1ssfT2FSK信号的功率谱与信号的功率谱与2ASK信号的功率谱相似，同样包含连续谱和离散信号的功率谱相似，同样包含连续谱和离散谱。其中，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置谱。其中，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置 f1和和 f2上。连续谱的形状随着上。连续谱的形状随着| f1- f2 |的大小而异。的大小而异。BFSK信号的功率谱及带宽（2） 若以二进制移频键控信号功率谱第一个零点之间的若以二进制移频键控信号功率谱第一个零点之间的频率间隔计算其信号带宽，我们可以定义频率间隔计算其信号带宽，我们可以定义2FSK的频的频谱宽度为谱宽度为2122FSKsBffffc fsfcfc f