第五章软件无线电基本算法--电子科技大学(经典)

第五章软件无线电中的信号处理算法主讲人：李玉柏[e-mail]本章主要内容基于正交调制的调制算法基于正交调制的解调算法同步技术及相关算法通信调制样式识别§5.1软件无线电中的调制算法5.1.1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。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。)sin()()cos()()(ttQttItsCC)sin()()cos()()(SCSCnnQnnIns5.1.2模拟信号调制算法1.调频（FM）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。)])([cos()(0dttktAtstfC令：将s(t)的表达式展开，带入u(t)化简，可得：可以看出：dttktf)(0sin)sin(cos)cos()(tAtAtsCCsin)(cos)(tQtI2、调幅（AM）调幅就是使载波的振幅随调制信号的变化规律而变化。从信号表达式中，我们很容易得出：ttmAtsCacos))(1()(0)())(1()(tQtmAtIa3、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，只有上、下边带分量，无载波分量。要实现正交信号只需令：ttAtsCcos)()(0Q(t));()(tAtI4、单边带信号（SSB)SSB是滤除双边带信号的一个边带而得到的。LSSB表达式：USSB表达式：其中，代表Hilbert变换。)sin()()cos()()(^tttttsCC)sin()()cos()()(^tttttsCC^)(t对LSSB:对USSB:^);()();()(ttQttI^);()();()(ttQttI5.1.3数字信号调制算法1、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。)cos()()(ttmtsC其中，m(t)为单极性脉冲，可以表示为：(g(t)是持续时间为T的矩形脉冲，an是信号源给出的二进制符号）要实现正交调制，只要令：I(t)=0Q(t)=m(t))()(nTtgatmnn2、二进制频移键控信号（2FSK）2FSK是符号0对应载波频率为w1，符号1对应载波频率为w2的以调波形。)cos()()cos()()(2_1tnTtgatnTtgatfnnnn)()(;0)()(_tmtQtIaann的反码是3、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。(an取值为±1；发0时取1，发1时取-1）)cos()()(tnTtgatsnCn4、DPSK调制：DPSK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。它与PSK的区别仅仅在于编码方式不同。5、M进制数字频率调制（MFSK）：MFSK是FSK的直接推广！式中，△ωm(m=0,1,…,M-1)是与an相对应的载波角频率偏移)cos()()(ttnTtgtsmnC6、M进制数字振幅调制（MASK）7、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：MASK与ASK在调制方式上无本质的区别。an为信源给出的M进制电平。)cos()()(tnTtgatfnCn)cos()()(nnCtnTtgts)(nnnnnnTtgtQnTtgtI)sin()()()cos()()(8、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。通常用星座图可以直观的表示出来。QAM信号的数学表达式为：只要令：就可以实现QAM信号了。nnCnCntnTtgbtnTtgats)sin()()cos()()(nnnnnTtgbnTtgatI)(Q(t))()(9、最小频移键控（MSK）所谓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)2cos()(nknCtTattsn时；时；111nnnnnnnaanaa10、GMSK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。§5.2软件无线电解调算法5.2.1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，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，通过加载不同的软件来实现对所有信号的解调。LPFLPFNCO解调算法解调输出)cos(nC)sin(nC)(ns)(nXI)(nXQ数字正交解调的通用模型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：)](cos[)()(nnnAnsC)](sin[)sin()()](cos[)cos()()(nnnAnnnAnsCC)](sin[)()()](cos[)()(nnAnXnnAnXQI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)](sin[)()](cos[)()(nnXnnXnsQI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：调幅（AM）调制调相（PM）调制调频（FM）调制针对信号的调制方式，我们可以这样来解调：1.AM类2.PM类3.FM类22)]([)]([)(nXnXnAQI])()([)(nXnXarctgnIQ])1()1([])()([)(nXnXarctgnXnXarctgnfIQIQ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方法来解决这个问题。)(n)()1()()1()]1()()[()]1()()[()()(')(')()()()()(')(')()(')(22nXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnnfIQQIIIQQQIQIQIQIQIQI5.2.2模拟信号解调算法1.AM解调解调方法：（1）根据通用模型求出XI(n)与XQ(n)（2）按照调幅类解调方法求出A(n))sin()()()cos()()(00nAnXnAnXQI)()()(22nAnXnXQI3）在AM调制中，（m(n)为调制信号）所以，只需减去一个常数，就能得到调制信号m(n)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，因为正弦和余弦的平方和恒等于1，所以，这种“失配”并不影响我们的解调。)()(0nmAnA2.DSB解调（调幅类）（1）根据通用模型求出XI(n)与XQ(n)（2）按照调幅类解调方法求出A(n)（3）在DSB调制中，A(n)就是调制信号m(n)0)()()(nXnmnXQI)()()(22nAnXnXQIDSB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。3.SSB解调（调幅类）方法1：通用解调模型1）根据通用模型求出XI(n)与XQ(n)2）由SSB表达式可知，XI(n)就是调制信号m(n))(ˆ)()()(nmnXnmnXQISSB解调方法二：该方法主要利用了Hilbert变换的性质，即：Hilbert变换NCO)sin(nC)cos(nC)(ns解调输出)cos()()sin()()sin()()cos()(nnmnnmHnnmnnmHCCCC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)()(sin)()(cos)()sin()()cos()(22nmnnmnnmnnsnnsCCCC4.FM解调（1）根据通用模型求出XI(n)与XQ(n)（2）按照调频类解调方法求出f(n)))(sin()())(cos()(0000nmkAnXnmkAnXQI正交分量：同相分量：0)()(nmkXXarctgnIQ)()1()()(nkmnnnf3）可以看出，在FM中，f(n)就是调制信号m(n)乘上一个系数。同AM信号一样，FM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：))(sin()())(cos()(00nnmkAnXnnmkAnXQI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：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，减去该分量，就可以得到解调信号。)()]1()1([])([)1()1()()()(nkmnnmknnmknXnXarctgnXnXarctgnIQIQ5.2.3数字调制信号的算法1.ASK解调（1）根据通用模型求出XI(n)与XQ(n)（2）按照调幅类解调方法求出A(n))sin()()()cos()()(00mnganXmnganXmmQmmI正交分量：同相分量：mmQImnganXnXnA)()()()(22（3）对于ASK信号,只需要抽样判决，就可以得到调制码元am。ASK信号的正交解调性能和AM一样，具有较强的抗载频失配能力。（MASK信号的解调方法与ASK一样）2.FSK解调（1）根据通用模型求出XI(n)与XQ(n)（2）按照调频类解调方法求出f(n))sin()()()cos()()(00namngAnXnamngAnXmmQmmI正交分量：同相分量：])1()1([])()([)(nXnXarctgnXnXarctgnfIQIQmmamng)(（3）对FSK信号，在计算出瞬时频率f(n)后，对f(n)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FSK一样）3.MSK解调（1）根据通用模型求出XI(n)与XQ(n)（2）按照调频类解调方法求出f(n))2sin()()()2cos()()(00mmmQmmmIXnaTmngAnXXnaTmngAnX正交分量：同相分量：])1()1([])()([)(nXnXarctgnXnXarctgnfIQIQmmmXaTnf'2)(（3）抽样判决，恢复码元（GMSK与SFSK的解调方式与MSK相同）4.PSK解