1、微 波 通 信 技 术第二章 微波通信中的数字调制与解调技术本章主要内容本章主要内容2.1 调制/解调基础2.2 模拟调制技术2.3 数字调制技术2.4 MPSK调制解调技术2.5 几种调制技术的比较2.6 全数字调制解调技术2.7 眼图2.1 2.1 调制解调基础调制解调基础 为什么要调制？调制类型模拟调制：AM、FM、PM数字调制：ASK、FSK、PSK2.2 2.2 模拟调制技术模拟调制技术AMFM PM幅度相位调制幅度相位调制模拟调制模拟调制AM调制调制 幅度时间载波调制信号m/2Vcmc+c-.V=Vcm(1+mcost)cosc ct t Vcm模拟调制模拟调制FM调制调制Volt
2、ageTime FM FM 信号参数信号参数V(t)=Vcmcos(c c+mf fcost)mf=max/模拟调制模拟调制PMVoltageTime mp=maxl相偏（相偏（调制指数调制指数）l调制信号频率调制信号频率l调制精度调制精度V(t)=Vcmcos(c ct t+mp pcost)FM/PM调制频谱特性调制频谱特性PM ModulatorFM Modulator mp=max mf=max/模拟调制模拟调制脉冲调制脉冲调制时间脉冲宽度脉冲开关比On/Off ratio脉冲上升时间脉冲重复频率=1/T脉冲重复周期（T）功率l载波频率载波频率l功率功率l脉冲宽度脉冲宽度l脉冲重复周期
3、脉冲重复周期 Tl上升上升/下降时间下降时间l开关比开关比l精度精度定义定义信号的参数信号的参数（脉冲重复频率（脉冲重复频率PRF=1/T）功率1/T1-1频率2.3 2.3 数字调制技术数字调制技术幅度键控幅度键控(ASK)(ASK)正交幅度相位调制正交幅度相位调制(QAM)(QAM)频率键控频率键控(FSK)(FSK)相位键控相位键控(PSK)(PSK)两个重要概念两个重要概念(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(3)频带效率和功率效率之间存在互换特性。信道容量：)/1(log2N
4、SWC)/(0NEfbp)/(HzbpsBNSCW44.1lim数字调制数字调制ASK调制调制ASKASK信号频谱信号频谱ASK解调技术解调技术带通带通滤波器滤波器输入输入半波或半波或全波整流全波整流低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器定时脉冲定时脉冲包络检波解调器包络检波解调器带通带通滤波器滤波器输入输入乘法器乘法器低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器定时脉冲定时脉冲相干解调器相干解调器coscosct输出输出输出输出数字调制数字调制FSK调制调制)(fPecffbcff bcff bcff2bcff2bfbf4.1bf30FSKFSK信号频谱信号频谱FSK解调技术解调技术带通带通滤
5、波器滤波器输入输入包络包络检波器检波器抽样抽样判决器判决器定时脉冲定时脉冲输出输出带通带通滤波器滤波器包络包络检波器检波器带通带通滤波器滤波器乘法器乘法器低通低通滤波器滤波器coscos1t输入输入带通带通滤波器滤波器乘法器乘法器低通低通滤波器滤波器coscos2t抽样抽样判决器判决器定时脉冲定时脉冲输出输出非相干解调非相干解调相干解调相干解调数字调制数字调制PSK调制调制(C)PSKPSK信号频谱信号频谱数字调制数字调制QAM调制调制 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四种状态
6、，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数字调制信号的星座图表示数字调制信号的星座图表示16QAMBPSKQPSK8PSK2.4 MPSK2.4 MPSK调制解调技术调制解调技术 二相移相键控（BPSK）四相移相键控（QPSK）BPSK的调制的调制(C)ortAtsiicBPSK0cos利用平衡混频器实现利用平衡混频器实现BPSK的调制的调制D1D2D3D4载波输入调制输入载波输出BPSK的解调的解调0)(cos)(ttAtsc)22cos()(0tBtuc带通带通滤波器滤波器输入输入平方平方环路环路滤波器滤波
7、器VCOVCO/2/2载波输出载波输出低通低通抽样抽样判决器判决器QPSK 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3,2,1,02124)cos()()(kkorktkTtgtskkkcks1,1sincos)(kkckckbatbtatsBPSK与与QPSK的调制频谱的调制频谱QPSK调制调制 串并 变 换 电 平 产 生 电 平 产 生 载 波 发生器 900移相 二进制信息 已调信号 )(tI )(tQ tfAc2cos tfAc2sin 1=3 /42=/43=-/44=-3 /4利用双利用双BPSK实现实现QPSK调制调制载波输入载波输出90o电桥0o合成器D1
8、D20o180o90o270o00011011QPSK相干解调相干解调o位定时位定时恢复恢复低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器并串并串变换变换二进制信息二进制信息低通低通滤波器滤波器QPSK信号QPSK信号抽样抽样判决器判决器载波载波恢复电路恢复电路9090移相器移相器QPSK载波恢复载波恢复-科斯塔斯环科斯塔斯环s(t)s(t)9090oPD1PD1LPF2LPF2LPF1LPF1VCOVCO_ _+LPF3LPF3PD2PD2PD3PD3PD4PD4PD5PD5u1u1u2u2u3u3u4u4sincoskkba1,1sincos)(kkckckbatbtats)sin(cos)si
9、n(coskkba)cos(sin)sin(coskkbasincoskkab2coskkba2sin2kkba4sinQPSK载波恢复的相位模糊问题载波恢复的相位模糊问题+180o-180oTheta载波恢复环路的主要技术指标载波恢复环路的主要技术指标1)静态相位误差静态相位误差 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。dvddkkku 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载波恢复环路的主要技术指标2)2)捕捉带和同步带捕捉带和同步带udfff1f2f4f3捕捉带同步带
10、载波恢复环路的主要技术指标载波恢复环路的主要技术指标3)恢复载波的相位抖动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。02/1)/(1NEfBNCBBssLiiLno相位抖动的均方值噪声带宽IF BW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2.5 2.5 几种数字调制信号的比较几种数字调制信号的比较BPSK1Number of bits per symbolTransmission bandwidthModulation formatQPSK216 QAM4FF/
11、2F/4IQ01IQ00011011IQ0000Constellation滚降系数滚降系数功率1/T1-1频率Sinx函数不同滚降系数的相应特性不同滚降系数的相应特性1ffsb占用带宽比特速率f 和 性能的比较(BER=10-6)pB型式2ASK-C（相干解调）AM2ASK-C（相干解调）2ASK-NC（非相干解调）4QAM（正交振幅键控）9QPR（正交部分响应QAM）12.512.59.511.70.800.801.702.25FM2FSK-NC（非相干解调）CPSK-NC(连续相位FSK非相干解调，h=0.7)MSK（最小频移键控，h=0.5）GMSK（高斯型最小频移键控）11.810.7
12、9.49.40.801.001.901.90PMBPSK（相干解调）DPSK（相干解调）DPSK-DC（二相差分相移键控，差分相干解调）QPSK4DPSKOQPSK（偏置键控QPSK）8PSK-C9.49.910.69.911.89.912.80.800.800.801.901.801.902.60AM/PM16APK（16状态振幅相位联合键控）13.4 3.10/NEbB表1 一些主要调制技术的性能比较（BER=10-6）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非希望信号电平的比值，用C/I表示，单位dB，
13、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信噪比 信噪比 解调门限 1 0 1 0 信噪比信噪比：是指线路中某一参考点的信号功率与无信号时固有的噪音功率之比，用S/N表示；单位为dB。信噪比数值越高，噪音越小。第一代移动通信系统模拟网络中，要求S/N 17dB（50倍），即信号比噪声功率强50倍，即可正常进行解调判决，达到要求的误码率第二代移动通信系统GSM网络中，要求S/N 9dB（8倍）第二代移动通信系统CDMA网络中，要求S/
14、N 6（4倍）可以看出，通信技术的发展，在调制/解调、信道编码、扩频技术等采用，降低了通信系统对信噪比的要求。C/I用在解调器前，S/N用在解调器后判决前。归一化信噪比归一化信噪比 归一化输入信噪比 Es 码元能量 N0 噪声单边带功率谱密度 码元能量与单位带宽内的噪声功率之比0NES0NES数字调制技术复杂程度的比较数字调制技术复杂程度的比较 O O K FSK N C C P FSK N C D PSK D Q PSK B PSK Q PSK Q A M M Q A M M PSK Q PR C P FSK C M SK MPSK与与MQAM的抗噪声性能比较的抗噪声性能比较39.0sin2
15、16PSKMPSKdMd47.01216QAMMQAMdMd2.6 2.6 全数字调制解调技术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
16、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。Bfffs2)(2minmaxcsffffn4)(2)12(minmax 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，平均每平均每8 8年提高年
17、提高1.51.5位位。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
18、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。高效数字滤波高效数字滤波()()jj kkH eh ke050100-1-0.500.511.520102030-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5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
19、频率响应可表示为 STEL-2176 解调部分解调部分 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。利用利用DDS实现数字调制实现数字调制时钟信号)(cos()2cos()(0tAftAtfttttphaseampROMDACLPF输出相位信息相位信息幅度信息幅度信息相位累加器波形波形M11111.100000.0 假定DDS的频率控制字(Freq
20、uencyTuning Word)为32bits，相位控制字(Phase offset word)为16bits,幅度控制系数(Amplitude scale factor)为14bits，则DDS的输出频率为clockoutfFTWf322 若输出频率为40MHz，系统时钟为122.88MHz，则FTW=1,433,053,867(0X556AAAAB)相位控制角度为DegreeRadiusPOWPOW1616236022 幅度控制系数为16142log202ASFASFScaleAmplitudeASK调制调制FM 调制调制BPSK2.7 2.7 眼图眼图 眼图的形成 将接收滤波器输出送至
21、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h0信号失真最佳抽样时刻过门限失真T噪声边际对定时抖动的灵敏度max眼图参量眼图参量(1)峰值串扰峰值串扰maxmax：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。h0信号失真最佳抽样时刻过门限失真T噪声边际对定时抖动的灵敏度max眼图参量眼图参量(2)闭眼度闭眼度：定义为峰值干扰max/最大取样值，用D表示无码间干扰时，D=0h0信号失真
22、最佳抽样时刻过门限失真T噪声边际对定时抖动的灵敏度max眼图参量眼图参量(3)开眼度开眼度（垂直张开度）：定义为1与闭眼度D之差。无码间干扰时，开眼度为1。h0信号失真最佳抽样时刻过门限失真T噪声边际对定时抖动的灵敏度max眼图参量眼图参量(4)噪声容限：噪声容限：最大抽样值h0与峰值串扰max之差。若噪声瞬时值在抽样时刻超过这个门限，则可能发生误判决。无码间干扰时噪声容限最大为h0h0信号失真最佳抽样时刻过门限失真T噪声边际对定时抖动的灵敏度max眼图参量眼图参量(5)过门限失真过门限失真：两电平时指眼图过零点交叉线的发散程度，定义为T/Ts无码间干扰时，T/Ts=0h0信号失真最佳抽样时刻
23、过门限失真T噪声边际对定时抖动的灵敏度max眼图参量眼图参量(6)定时误差灵敏度定时误差灵敏度：由眼图斜边的斜率决定。h0信号失真最佳抽样时刻过门限失真T噪声边际对定时抖动的灵敏度max眼图的特征眼图的特征 眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。眼图斜边的斜率表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜边越陡，系统对定时抖动越敏感。眼图左（右）角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围，称为零点失真量，在许多接收设备中，定时信息是由信号零点位置来提取的，对于这种设备零点失真量很重要。在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。在抽样时刻，噪声瞬时值超过噪声容限就有可能发生错误判决。眼图测试仪眼图测试仪 AgilentAgilent 86100C 86100C作业作业1、解释对PSK基带信号进行相干检测的意义。包络 检测器能用于检测BPSK信号吗？为什么？2、说明怎样用两路BPSK信号表示QPSK信号。并说明当数据率相同时，QPSK的信号的带宽是BPSK的一半。3、某卫星通信系统的数据率是1.544Mbit/s，计算BPSK和QPSK调制所需要的带宽。已知余弦滤波器的滚系数是0.2。
