数字信号调制解调基础

数字信号调制解调基础日期：2014-722014年5月21日内容1、通信系统概述2、信号调制基础3、IQ调制解调原理4、基于AgilentVSA的数字信号解调5、一些关键技术6、基于MATLAB的QPSK信号解调实例通信系统的分类接入网核心网有线接入无线接入卫星接入高空平台蜂窝接入微波接入FWAWLANWPAN通信网光纤接入•PON，APON•FTTB/C/H/R混合光纤同轴网CablemodemDSL(ADSL,HDSL)32014年5月21日脉冲调制ASK，FSK，PSK，QAM模拟数字模拟数字PAM，PPMPCM，ADPCM传输方式：基带传输，频带传输复用方式：频分，时分，码分和空分调制方式：线性AM，DSB，SSB，VSB非线性FM，PM连续波通信系统的分类32014年5月21日通信系统的组成通信系统一般模型模拟通信系统模型32014年5月21日数字通信系统模型通信系统的组成32014年5月21日数字通信系统各部分的作用①实现模拟信号的数字化传输即完成A/D变化。②提高信号传输的有效性。即在保证一定传输质量的情况下，用竟可能少的数字脉冲来表示信源产生的信息。通过数据压缩技术减少码元数量和降低码元速度（1）信源:把原始信息变换成原始电信号。（2）信源编码：32014年5月21日神舟七号伴飞卫星发回的两张图片的对比（A）压缩前的彩色照片（B）压缩后的黑白照片32014年5月21日（3）加密：在需要保密的场合，为了保证信息安全，人为的将被传输的信号扰乱；（4）信道编码数字通信系统各部分的作用①信道编码的目的：信道编码主要解决数字通信的可靠性和增强系统的抗干扰能力。②信道编码的原理：对传输的信息码元按一定的规则加入一些冗余码（监督码），形成新的码字，接收端按照约定好的规律进行检错甚至纠错。（5）数字调制：把数字基带信号频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。数字射频通信系统方框图32014年5月21日为何采用数字通信系统32014年5月21日数字通信系统优点1.数字通信比模拟通信抗干扰能力强，通过中继再生后可消除噪声积累2.数字信号比模拟信号易于调制3.数字信号比模拟信号保密性强4.自动发现和控制差错5.便于和电子计算机结合6.设备便于集成化、微型化…………数字通信系统缺点1.需要的传输带宽较大2.对同步要求较高，系统复杂随着技术进步，数字通信系统的瓶颈都已得到解决，因此，其应用必然会越来越广泛。22014年5月21日内容1、通信系统概述2、信号调制基础3、IQ调制解调原理4、基于AgilentVSA的数字信号解调5、一些关键技术6、基于MATLAB的QPSK信号解调实例32014年5月21日为何需要调制？32014年5月21日天线的尺寸必须与发射信号波长相比拟；把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，实现信道的多路复用，提高信道利用率；扩展信号带宽，提高系统抗干扰能力，抗衰落能力，用带宽换信噪比；BacktoBasicsTrainingCopyrightAgilent30Jan20136模拟调制-AMBacktoBasicsTrainingCopyrightAgilent30Jan20136模拟调制-PM和FM112014年5月21日注意：在数字调制中，基带调制信号是数字式的，而调制过程不是数字的数字调制tttt1010数字数据数字基带调制信号幅度频率相位幅度和相位二进制移幅键控(2ASK)基带信号：2ASK信号：()()nsstagtnT0,1,(1-)nPaP概率为概率为0coscetstt0()[()]cosnscnetagtnTt1100tt(a)0etst二进制移幅键控(2ASK)(续)2ASK实现方案：(a)采用乘法器实现(b)采用开关电路实现通过该方式输出的信号也称通断键控(OOK)信号。乘法器s(t)te0tccos~载波fc开关电路Ks(t)te0二进制移幅键控(2ASK)(续)2ASK信号的带宽ASK信号是一种由基带信号线性调制载波后产生的信号信号频谱是基带信号频谱简单地搬移，带宽是原基带信号的两倍。()()nsstagtnT0coscetstt二进制移频键控(2FSK)对于二元信号序列，一般地有：相应地2FSK信号的一般表示形式为na0,11,01nPaP发送码时，概率为发送码时，概率为0,11-1,0nPaP发送码时，概率为发送码时，概率为012coscosnSnnSnnnetagtnTtagtnTt二进制移频键控(2FSK)(续)若记则有()()nsstagtnT()()nsstagtnTnnttsttste210coscos1100tt(b)1f2f2f1fst0et二进制移频键控(2FSK)(续)2FSK实现方案：(a)采用变容二极管模拟调频实现(b)采用开关电路实现通过键控法实现模拟调频器s(t)te01f~2f~1f载波载波开关Kte0s(t)二进制移相键控(2PSK)设二元信号序列其中2PSK信号可表示为若为一非归零矩形脉冲，则2PSK信号为()()nsstagtnT1,1,1nPaP概率为概率为0coscetstt0cos,cos,1cctPettP概率为概率为tg1100tt(c)0XX0st0et二进制移相键控(2PSK)(续)2PSK信号的波形示意图2PSK信号调制的实现方案s(t)相乘双极性不归零te0载波s(t)te0载波~0K开关移相二进制数字调制系统的性能比较二进制数字调制系统的性能比较1.关于误码率若信噪比r一定，2PSK系统的误码率低于2FSK系统，2FSK系统的误码率低于2ASK系统采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率2.关于频带利用率：在码元速率一定的情况下，2FSK的频带利用率最低2ASK和2PSK相当；3.对信道特性变化的敏感性：2ASK对信道特性变化敏感，性能最差；2FSK和2PSK不敏感结论是：综合考虑，PSK最常用256QAM8bits/second/HzMajorModulationGoal:--SpectralEfficiencyTheoreticalBandwidthEfficiencyLimits:BPSK1bit/second/HzQPSK8PSK16QAM32QAM2bits/second/Hz3bits/second/Hz4bits/second/Hz5bits/second/Hz64QAM6bits/second/Hz282014年5月21日302014年5月21日ModulationEfficiencyTrade-OffAsthecomplexityofthemodulationincreases,theradiobecomesmorespectrallyefficient.However,italsobecomesmoresusceptibletoerrorscausedbynoiseanddistortionPatternRAMBinaryInfotobetransmittedSymbolMappingandBasebandFiltersMaptodigitalsymbolsDACDACI110001011010100101110010101010thentoDigitalIQsignals00-1+j101--1+j110--1-j111-1-j1VectorModulationSignals–BBGBlockDiagramBasebandIQsignalgeneration-ContainsinformationtobetransmittedDAC’sConvertDigitalIQsignalstoanalogIQsignalsQBacktoBasicsTrainingCopyrightAgilent30Jan201315IQSendtoModulator22014年5月21日内容1、通信系统概述2、信号调制基础3、IQ调制解调原理4、基于AgilentVSA的数字信号解调5、一些关键技术6、基于MATLAB的QPSK信号解调实例AmpFreq,PhaseModulation:WheretheInformationResides？V(t)=A(t)*cos[2πfct+Φ(t)]BacktoBasicsTrainingCopyrightAgilent30Jan20136调制信号的失量图表示0degPhaseMagnitudePhasedeg0PhaseChange0BothChangedegFrequencyChange2014年5月21日Change0deg112014年5月21日GeneratingSignals–DigitalModulation实际使用中，使用IQ调制方式：V(t)=A(t)*cos[2πfct+Φ(t)]令I’(t)=A(t)*cos[Φ(t)]，Q’(t)=A(t)*sin[Φ(t)]根据三角公式，上式变为V(t)=I’(t)*cos(2πfct)-Q’(t)*sin(2πfct)基带信号载波信号注意：I’(t)和Q’(t)并不正交I和Q分量最重要的特性是它们是独立的分量(正交)。GeneratingSignals–DigitalModulation从根本上讲，IQ调制就是直角坐标到极坐标的转换IQ解调I-Q解调是I-Q调制的镜像IQ调制的好处提高频谱利用率；I-Q调制器不使用非线性，难实现的相位调制，而是简单的对载波幅度及其正交量进行线性调制。I-Q调制可以生成从数字制式到射频脉冲甚至线性调频雷达等各种调制。在I-Q平面上观查信号经常能更好地洞察信号。串扰、数据偏移、压缩以及AM-PM失真等用其它方法难以呈现的现象在I-Q平面上可以轻松查看。信号的解调也同样简单明了。使用I-Q解调至少理论上可以轻松地恢复基带信号。IQ解调IQ解调IQ解调IQ解调22014年5月21日内容1、通信系统概述2、信号调制基础3、IQ调制解调原理4、基于AgilentVSA的数字信号解调5、一些关键技术6、基于MATLAB的QPSK信号解调实例VSA信号分析原理框图VSA信号分析详细框图VSA数字解调器原理Q幅度误差（MagnitudeError）误差矢量（ErrorVector）参考信号（ReferenceSignal)相位误差(PhaseError)I被测信号数字调制误差的定量描述误差矢量幅度ErrorVectorMagnitude(EVM)=(Averageerrormagnitude)(maximumsymbolmagnitude)x100%被测试信号矢量图显示（时域测量）标准信号矢量图显示（时域测量）矢量误差信号时域显示（时域测量）矢量误差信号频谱显示（频域测量）VSA测试结果显示数字调制信号误差汇总报表EVMrms:矢量误差平均值，MagErr:幅度误差平均值；PhaseErrrms:相位误差平均值；FreqErr:频率误差Rho:相关系数QuadErr:I/Q信号相位正交误差；EVMpk:矢量误差峰值MagErrPk:幅度误差峰值PhaseErrrms:相位误差峰值IQoffset:IQ信号偏移（载波泄漏）SNR：信噪比GainImb:I/Q信号幅度平衡度22014年5月21日内容1、通信系统概述2、信号调制基础3、IQ调制解调原理4、基于AgilentVSA的数字信号解调5、一些关键技术6、基于MATLAB的QPSK信号解调实例基带数字滤波器数字滤波被用来对基带信号进行限带以减少码间串扰基带数字滤波器根据奈奎斯特第一准则，最简单的满足无码间串扰最简单的理想低通滤波器传输特性和冲激响应分别为sssT,0T