第五讲：软件无线电调制解调技术-20130328-范玉衡

第五讲：数字调制解调技术主讲人：李玉柏ybli@1第一节：软件无线电中数字调制

通用算法在当代通信中，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。软件无线电中，各种调制信号是以一个通用的数字信号处理平台为支撑，利用各种软件来产生的。这就是正交调制算法2信源I多相滤波相乘信源Q多相滤波相乘相加正交调制的实现框图1）数字调制通用算法——正交调制3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：

调制信号的信息都应该包括在I(t)和Q(t)内。另外，由于各种调制信号都在数字域实现的，因此，在数字域上实现时要对上式进行数字化。软件无线电中的调制通用算法42）典型数字信号的调制算法振幅键控信号（2ASK）：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。2FSK是符号0对应载波频率为ω1，符号1对应载波频率为ω2的以调波形。52FSK的IQ正交调制表达式二进制频移键控信号（2FSK）的表达式：

请给出该调制的正交分量、的表达式;6典型数字信号的调制算法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律而改变的数字调制方式。

(βn取值为±1；αn发0时取1，发1时取-1）四进制数字相位调制（QPSK）是受信息控制的相位参数，它有四种可能的取值。对QPSK而言：7最小频移键控（MSK）：就是调制指数最小（h=0.5）的连续相位的FSK。

式中T为码元宽度，an为±1，是第n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MSK信号的调制。典型数字信号的调制算法8GMSK调制信号

GMSK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MSK调制信号的数字调制方式。

这种信号具有恒复包络，功率谱集中，频谱较窄等特点。（前面已述）典型数字信号的调制算法9第二节、软件无线电数字通用解调算法1）信号解调通用模型从理论上说，正交解调法可以对所有的样式进行解调。在软件无线电中选取数字正交解调法。LPFLPFNCO解调算法解调输出数字正交解调的通用模型10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。因此，一般的已调信号都可以表示成：的形式。通过对上式的分解，我们可以得到：

令：信号解调通用模型11则s(n)可以表示成：

显然，XI(n)为同相分量，XQ(n)为正交分量。

因此，解调的关键是求出XI(n)与XQ(n)，因为信号信息都包含在里面了。

载频同步载波相位同步码流频率同步

I/Q提取机带信号信号解调通用模型12知道了XI(n)与XQ(n)，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一下三大类中：信号解调通用模型1）AM类2）PM类3）FM类13在调相类与调频类的解调中，对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器来说是比较复杂的。因此，我们不得不寻求其他的简便方法来解决这个问题。信号解调通用模型14通用正交解调算法是建立在相关接收的基础上。接收机本地产生同频同相的本振信号：2）解调算法的载频失配问题如果本地产生的本振信号存在频率和相位偏差，称为失配，将影响接收性能。对于调幅信号具有抗失配能力15对于调频信号，正交解调得到：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，减去该分量，就可以得到解调信号。有一定的抗失配能力！但性能下降！解调算法的载频失配问题16对于调相信号，如BPSK/QPSK/MSK等，正交解调要得到相位：解调算法的载频失配问题显然调相信号没有抗失配能力，因此本地信号必须实现同频同相：工程上采用载波同步技术来实现！！17第三节：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载波同步。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，故还需要帧同步与位同步。181）载波同步载波同步的方法可以分为两类：插入导频法：发送有用信号的同时发送导频信号；直接法：从收到的信号中提取。

1）平方变换法

2）同相正交锁相环法

3）DSP通过软件实现19正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）LPFLPFVCO环路滤波信号输入I支路Q支路科斯塔斯环原理框图V1V2V3V5V4V6Vd输出信号20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

VCO输出的两路互为正交的本地载波分别为

式中，θ

为VCO输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）21信号分别与v1、v2相乘后得：

经低通滤波后分别为正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）22式中的可能是直流1，或者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，其环路滤波器的带宽设计的很窄，只有中的直流分量可以通过，因此vd可写成：正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）低通滤波器应该允许m(t)通过。V5、V6相乘产生误差信号。23如果我们把图中除环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）以外的部分看成一个等效鉴相器（PD），其输出vd正是我们所需要的误差电压。通过环路滤波器滤波后去控制VCO的相位和频率，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ωc同频）。此时VCO的输出V1=cos(ωct+θ)就是所需的同步载波，而

V5=1/2m(t)cosθ≈1/2m(t)

就是解调输出。正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）242）位同步位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。它与载波同步存在异同。载波同步是相干解调的基础，而位同步是定时的基础。位同步是正确取样判决的基础，所提取的位同步信息是频率等于码速率的定时脉冲，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刻。实现方法有延迟相关法、包络检波法和波形变换法等。25将接收信号与一定的延迟信号相乘，得到位时钟的几波信号分量，来提取位同步信号。该方法与相干解调类似，不过其迟延时间要小于接收码长T。接收信号与延迟信号相乘后，就可以得到一组脉冲宽度为的归零码，这样就可以得到位同步信号的频率分量。移相迟延提纯脉冲形成迟延相干法原理框图BPSK的延迟相干法26这是一种从频带受限的中频PSK信号中提取位同步信息的方法，其波形图如下图所示。当接收端带通滤波器的带宽小于