数字信号调制与解调技术论文---副本

数字信号调制与解调技术张海超(天津712)摘要调制技术是把基带信号变换成传输信号的技术。它将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM）。数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。它的缺点是需要较宽的频带，设备也复杂。调制技术又分为模拟调制技术与数字调制技术，其主要区别是：模拟调制是对载波信号的某些参量进行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连续估值，而数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送信息，在接收端只对载波信号的离散调制参量进行检测。与模拟调制系统中的调幅、调频和调相相对应，数字调制系统中也有幅度键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)三种方式，其中移相键控调制方式具有抗噪声能力强、占用频带窄的特点，在数字化设备中应用广泛，具体的数字调制方式有2FSK、2ASK、2PSK、QPSK、QAM、GSMK、MSK等。数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。在现在文明高速发展的今天，人们越来越离不开数字信息，数字通信也越来越重要，因此数字调制解调技术越来越被广泛应用。由于信道资源的紧张与人们越来越希望更快的通信速度与更好通信质量的要求的矛盾，将来必然还要寻找更加好的调制技术，它要求功率效率高，频带利用率高，并且易于实现，节能低碳，环保。激光调制通信、卫星通信、非恒包络调制等都是研究方向。数字调制解调的发展，必定会有力地推进通信、数字技术等各个领域的进步。关键字：数字、调制方式、解调方式一、概述调制是将各种基带信号转换成适于信道传输的调制信号(已调信号或频带信号)，就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。调制技术分为模拟调制技术与数字调制技术，其主要区别是：模拟调制是对载波信号的某些参量进行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连续估值，而数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送信息，在接收端只对载波信号的离散调制参量进行检测。1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制（PCM）的概念，从此之后通信数字化的时代应该说已经开始了，但是数字通信的高速发展却是20世纪70年代以后才开始的。随着时代的发展，用户不再满足于听到声音，而且还要看到图像；通信终端也不局限于单一的电话机，而且还有传真机和计算机等数据终端。现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。常用的数字调制技术有2ASK（AmplitudeShiftKeying，幅移键控）、4ASK、8ASK、BIT/SK（PhaseShiftKeying，相移键控）、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，频带利用率从1bit/s/Hz～3bit/s/Hz。更有将幅度与相位联合调制的QAM（QuadratureAmplitudeModulation，正交振幅调制）技术，目前数字微波中广泛使用的256QAM，其频带利用率可达8bit/s/Hz，8倍于2ASK或BIT/SK。此外，还有可采用减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术，为某些专门应用环境提供了强大的工具。近年来，四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展，并已应用于高速MODEM中，为进一步提高传输效率奠定了基础。数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信，调制技术的种类也远远多于模拟通信，大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性，除此之外，数字调制抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。在现在文明高速发展的今天，人们越来越离不开数字信息，数字通信也越来越重要，因此数字调制解调技术越来越被广泛应用。二、常用的数字调制解调技术1、几种基本的调制技术ASK—幅移键控调制：根据信号的不同，调节正弦波的幅度。PSK--相移键控调制：载波相位受数字基带信号的控制，如二进制基带信号为0时，载波相位为0，为1时载波相位为π,载波相位和基带信号有一一对应的关系。FSK--频移键控法：用数字信号去调制载波的频率。2、常用的几种调制技术QPSK-四相相移键控四相相移键控（QPSK），或称为正交PSK，是另一种角度调制、等幅数字调制形式。采用QPSK，一个载波上可能有四个输出相位。因为有四个不同的输出相位，必须有四个不同的输入条件，就要采用多于一个输入位。用二位时有四个可能的条件：00、01、10、11。所以采用QPSK，二进制输入数据被合并成两比特一组，称为双比特组，每个双比特组码产生4个可能输出相位中的一个。因此，对于每个两比特的双比特组依序进入调制器，会生成一个输出变化。输出端的变化速率（波特率）是1/2的输入比特率。OQPSK—交错正交相移键控QPSK信号，它的频带利用率较高，理论值达1b/s/Hz。但当码组0011或0110时，产生180°的载波相位跳变。这种相位跳变引起包络起伏，当通过非线性部件后，使已经滤除的带外分量又被恢复出来，导致频谱扩展，增加对相邻波道的干扰。为了消除180°的相位跳变，在QPSK基础上提出了OQPSK调制方式。OQPSK是在QPSK基础上发展起来的一种恒包络数字调制技术。这里，所谓恒包络技术是指已调波的包络保持为恒定，它与多进制调制是从不同的两个角度来考虑调制技术的。恒包络技术所产生的已调波经过发送带限后，当通过非线性部件时，只产生很小的频谱扩展。这种形式的已调波具有两个主要特点，其一是包络恒定或起伏很小；其二是已调波频谱具有高频快速滚降特性，或者说已调波旁瓣很小，甚至几乎没有旁瓣。采用这种技术已实现了多种调制方式，OQPSK以及本节以下各部分所讨论的数字调制技术都属于恒包络调制技术。一个已调波的频谱特性与其相位路径有着密切的关系，因此，为了控制已调波的频率特性，必须控制它的相位特性。恒包络调制技术的发展正是始终围绕着进一步改善已调波的相位路径这一中心进行的。OQPSK也称为偏移四相相移键控（offset-QPSK），是QPSK的改进型。它与QPSK有同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。不同点在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。由于两支路码元半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻转，不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此，OQPSK信号相位只能跳变0°、±90°，不会出现180°的相位跳变。OQPSK克服了QPSK的l80°的相位跳变，信号通过BPF后包络起伏小，性能得到了改善，因此受到了广泛重视。但是，当码元转换时，相位变化不连续，存在90°的相位跳变，因而高频滚降慢，频带仍然较宽。QAM—正交振幅调制在2ASK系统中，其频带利用率是（1/2）b/s/Hz。若利用正交载波技术传输ASK信号，可使频带利用率提高一倍。如果再把多进制与正交载波技术结合起来，还可进一步提高频带利用率。能够完成这种任务的技术称正交振幅调制（QAM）QAM是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。该调制方式通常有二进制QAM（4QAM）、四进制QAM（l6QAM）、八进制QAM（64QAM）等等，对于4QAM，当两路信号幅度相等时，其产生、解调、性能及相位矢量均与4PSK相同。QAM通过及调制振幅又调制相位，使频带利用率得到了了极大的提高。而QAM系统的性能虽比不上QPSK系统，但频带利用率高于QPSK。因此，在频带受限系统中，它是一种很有发展前途的调制方式。MSK—最小频移键控OQPSK虽然消除了QPSK信号中的l80°相位突变，但并没有从根本上解决包络起伏问题。一种能够产生恒定包络、连续信号的调制称为最小移频键控，常简记为MSK，有时也称为快速移频键控（FFSK）。MSK是2FSK的一种特殊情况，它具有正交信号的最小频差，在相邻符号交界处相位保持连续。在一个码元时间内，这类连续相位FSK（CPFSK）可表示为当为时间的连续函数时，已调波相位在所有时间上是连续的。若传0码时载频为，传1码时载频为，它们相对于未调载波的偏移为，上式又可写为其中比较两式可以看出，在一个码元时间内，相角式中，为初相角，取决于过去码元调制的结果，它的选择要防止相位的任何不连续性。对于FSK信号，当（为整数）时，就认为它是正交的。为了提高频带利用率，要小，当＝1时，达最小值，有△ωTb=π/2或者2△fTb=1/2=其中称为调制指数。由式上式得，频偏，频差它等于码元速率l/之半，这是正交信号的最小频差。CPFSK的这种特殊选择称为最小频移键控（MSK）。由式得假定=0综上得若还假定“＋”号对应于l码，“－”号对应于0码，将代人式（5-134），该式可写为在几个连续码元时间内，正斜率直线表示传1码时的相位轨迹，负斜率直线表示传0码时的相位轨迹。这种由可能的相位轨迹构成的图形称为相位网格图。在每一码元时间内，相对于前一码元载波相位不是增加/2，就是减少/2。在的奇数倍时刻相位取/2的奇数倍，在的偶数倍时刻相位取/2的偶数倍。因此，MSK波形的相位在每一码元结束时必定为/2的整数倍。由以上讨论可知，MSK信号具有如下特点:1、恒定包络，允许用非线性幅度饱和器件放大。2、连续相位，使得功率谱密度按4f速率降低。功率谱在主瓣以后衰减得较快。3、瞬时频率总是两个值之一，瞬时频移为bT41，bT1为比特速率。4、码元转换时刻，信号的相位是连续的，或者说，信号的波形没有突变。5、频谱带宽窄，从而可允许带通滤波器带宽较窄。GMSK—高斯最小频移键控为了减小已调波的主瓣宽度和邻道中的带外辐射，在TFM调制方式中，调制前对基带信号进行了“相关编码”处理。如果调制前对基带信号进行高斯滤波处理，也能达到上述目的。这就是另一种在移动通信中得到广泛应用的恒包络调制方法――调制前高斯滤波的最小频移键控，简称高斯最小频移键控，记为GMSK。GMSK的基本原理是让基带信号先经过高斯滤波器滤波，使基带信号形成高斯脉冲，之后进行MSK调制。由于滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿，亦无拐点，所以经调制后的已调波相位路径在MSK的基础上进一步得到平滑。GMSK信号解调可采用与MSK信号相同的正交相干解调方式。实现这种正交相干解调的关键是恢复参考载波和时钟。除此之外，还可采用模拟相加方法解调。三、数字调制与解调技术的选择与发展数字调制与解调方式的选择需要根据现实需要的具体要求，在各个调制与解调方式的优缺点上进行取舍。常常考虑的因素有：接收信噪比、误比特率（BER）的大小、对抗多径的衰落情况性能、占用最小的带宽、实现的难易程度以及成本的高低等等。由于信道资源的紧张与人们越来越希望更快的通信速度与更好通信质量的要求的矛盾，数字调制解调技术的发展成为科学家们迫切追求的一个课题，将来必然还会出现更加好的调制技术，它要求功率效率高，频带利用率高，并且易于实现，节能低碳，环保。现今，激光调制通信、卫星通信、非恒包络调制等都是研究方向。数字调制解调的发展，必定会有力地推进通信、数字技术等各个领域的进步。总结本文首先介绍了数字调制与解调技术的概念，然后详细描述了几种数字调制方式（2ASK、2PSK、2FSK、QPSK、0QPSK、QAM、MSK、GSMK）的原理和特点，最后介绍了影响选择数字调制方式的因素与数字调制技术的发展。参考文献：【1】《现代通信原理第2版》沈保锁侯春萍编著国防工业出版社【2】《通信原理简明教程》南利平编著清华大学出版社