第 软件无线电基本算法PPT课件

4.1 软件无线电中的调制算法软件无线电中的调制算法4.1.1 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。第1页/共64页信源信源I I多相滤波多相滤波相乘相乘信源信源Q Q多相滤波多相滤波相乘相乘相加相加tCcostCsin正交调制的实现框图正交调制的实现框图第2页/共64页 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第3页/共64页4.1.2 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第4页/共64页令：将s(t)的表达式展开，带入u(t)化简，可得： 可以看出：dttktf)(0sin)sin(cos)cos()(tAtAtsCCsin)(cos)(tQtI第5页/共64页2、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：ttmAtsCacos)(1 ()(0)()(1 ()(tQtmAtIa第6页/共64页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：ttAtsCcos)()(0Q(t) );()(tAtI第7页/共64页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第8页/共64页对LSSB: 对USSB:);()();()(ttQttI);()();()(ttQttI第9页/共64页4.1.3 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第10页/共64页其中，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) = 0 Q(t) = m(t)()(nTtgatmnn第11页/共64页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第12页/共64页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第13页/共64页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， m (m = 0, 1, , M-1) 是与an 相对应的载波角频率偏移)cos()()(ttnTtgtsmnC第14页/共64页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与与ASK在调制方式上无本质的区别。在调制方式上无本质的区别。 an为信源给出的为信源给出的M进制电平。进制电平。)cos()()(tnTtgatfnCn)cos()()(nnCtnTtgts)(nnnnnnTtgtQnTtgtI )sin()()( )cos()()(第15页/共64页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。第16页/共64页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) )()(第17页/共64页 4.2 软件无线电解调算法软件无线电解调算法4.2.1 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。第18页/共64页LPFLPFNCO解解调调算算法法解调输出解调输出)cos(nC)sin(nC)(ns)(nXI)(nXQ数字正交解调的通用模型数字正交解调的通用模型第19页/共64页 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第20页/共64页 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第21页/共64页 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：第22页/共64页1. AM类2. PM类3. FM类22)()()(nXnXnAQI)()()(nXnXarctgnIQ) 1() 1()()()(nXnXarctgnXnXarctgnfIQIQ第23页/共64页4.2.2 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()()(00nAnXnAnXQI)()()(22nAnXnXQI第24页/共64页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) )()(0nmAnA第25页/共64页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第26页/共64页 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。第27页/共64页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)()()()(nmnXnmnXQI第28页/共64页 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解调输出解调输出)cos()()sin()()sin()()cos()(nnmnnmHnnmnnmHCCCC第29页/共64页 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第30页/共64页第31页/共64页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()(0000nmkAnXnmkAnXQI正交分量：正交分量：同相分量：同相分量：0)()(nmkXXarctgnIQ)() 1()()(nkmnnnf第32页/共64页 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第33页/共64页 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第34页/共64页第35页/共64页4.2.3 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()()( 00mnganXmnganXmmQmmI正交分量：正交分量：同相分量：同相分量：mmQImnganXnXnA)()()()(22第36页/共64页 （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）第37页/共64页第38页/共64页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：正交分量：同相分量：同相分量：) 1() 1()()()(nXnXarctgnXnXarctgnfIQIQmmamng)(第39页/共64页 （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）第40页/共64页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：正交分量：同相分量：同相分量：) 1() 1()()()(nXnXarctgnXnXarctgnfIQIQmmmXaTnf2)(第41页/共64页（3）抽样判决，恢复码元 （GMSK与SFSK的解调方式与MSK相同）第42页/共64页4. PSK解调 （1）根据通用模型求出XI(n)与 XQ(n) （2）按照调相类解调方法求出)sin()()()cos()()( 00mmQmmImngAnXmngAnX正交分量：正交分量：同相分量：同相分量：mmIQmngnXnXarctgn)()()()(第43页/共64页（3）对PSK信号，计算出瞬时相位 后， 对 进行抽样判决，即可得到调制信号 。 【注意】在解调时，需要本地载波与信号载波严格的同频同相，才能计算出 ，同频同相可由数字科斯塔斯环获得。 （MPSK信号的解调方法与PSK类似）)(nm)(n)(n第44页/共64页5. QPSK信号解调 方法一： 将QPSK可以看成两个BPSK信号的组合。 （1）根据通用模型求出XI(n)与 XQ(n)sin()()cos()()(nmngbnmnganSCmmCmm)()()()( mngbnXmnganXmmQmmI正交分量：正交分量：同相分量：同相分量：第45页/共64页（2）分别对XI(n)与 XQ(n)进行抽样判决，即 可恢复出并行数据。 （3）并串转换，得到调制信号 (OQPSK信号的解调与QPSK类似）第46页/共64页QPSK信号解调 方法二： QPSK的一般表达式为： （1）正交分解可得：nnCnnTtgnS)cos()()(nnnnnTtgtQnTtgtI)sin()()()cos()()(第47页/共64页 （2）计算出 ，并算出 的值 （3）根据 的值查表n1nn编码编码00011011090180270第48页/共64页QPSK信号解调摸板信号解调摸板第49页/共64页 4.3 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。载波同步是实现相干解调的先决条件。 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。 本节主要讨论了一些同步技术。第50页/共64页4.3.1 载波同步 载波同步的方法可以分为两类： 第一类：插入导频法. 发送有用信号的同时发送导频信号 （极少采用） 第二类：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通过软件实现第51页/共64页 这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。有些信号，如DSB-SC、PSK等，它们虽然本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量， 因而可从中提取出载波分量来。下面介绍几种常用的方法。1）平方变换法 所谓平方变换法就是对输入信号进行平方后，获取所需的载波。原理图如下：直接法载波同步平方律部件平方律部件2fS 窄带滤波器窄带滤波器二分频器二分频器信号输入载波输出平方法载波同步平方法载波同步第52页/共64页 此方法广泛用于建立抑制载波双边带信号的载波同步。设调制信号m(t)无直流分量，则抑制载波的双边带信号为： 接收端将该信号经过非线性变换平方律器件后得到：)cos()()(ttmtsC)2cos()(21)(21)cos()()(222ttmtmttmteCC 上式的第二项包含有载波的倍频上式的第二项包含有载波的倍频2c的分量。的分量。若用一窄带滤波器将若用一窄带滤波器将2c频率分量滤出，再进行二频率分量滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波。分频，就可获得所需的相干载波。第53页/共64页4.3.2 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。 它与载波同步有一定的相似和区别。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，只有数字通信才需要， 并且不论基带传输还是频带传输都需要位同步；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。实现方法也有插入导频法（外同步法）和直接法（自同步法）。第54页/共64页 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。移相移相迟延迟延提纯提纯脉冲形成脉冲形成迟延相干法原理框图迟延相干法原理框图延迟相干法第55页/共64页锁相法 位同步锁相法的基本原理与载波同步的类似，在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。第56页/共64页2、外同步（插入导频法） 在发射端专门发射导频信号。第57页/共64页4.3.3 帧同步 数字通信时，一般总是以若干个码元组成帧，以帧为单位进行传输。帧同步的任务就是在位同步的基础上识别出这些数字信息帧的“开头”和“结尾”的时刻，使接收设备的帧定时与接收到的信号中的帧定时处于同步状态。 方法： 帧同步通常利用在数字信息流中插入特殊的码组作为每帧的头尾标记。该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照帧的规律周期出现。在接收端产生出与发射端相同的码组，并与收到的信号进行相关性运算，当相关值最大的时候，就认为找到了帧的起始位置。第58页/共64页 因此，帧同步的关键是寻找实现同步的特殊码组。对该码组的基本要求是 （1）具有尖锐单峰特性的自相关函数； （2）便于与信息码区别； （3）码长适当，以保证 传输效率。 符合上述要求的特殊码组有：全0码、全1码、1与0交替码、 巴克码、电话基群帧同步码0011011。目前常用的帧同步码组是巴克码。 第59页/共64页巴克码 巴克码是一种有限长的非周期序列。它的定义如下： 一个n位长的码组 x1, x2, x3， ，xn，其中xi的取值为+1或1， 若它的局部相关函数 则称这种码组为巴克码。目前已找到的所有巴克码组如下表所示。其中的、号表示xi的取值为+1、 -1，分别对应二进制码的“1”或“0”。njnjjxxjRijnii, 00, 100, 0)(11或或第60页/共64页巴克码组巴克码组 n巴克码组巴克码组2 (11) 3 （110） 4(1110)； (1101) 5 (11101) 7(1110010) 11(11100010010) 13(1111100110101) 第61页/共64页4.4 信号调制样式的自动识别 对信号的解调，前提条件是确知该信号的调制样式及其参数如信号带宽，波特率等等。在软件无线电电台中，由于它所特有的多频段，多功能，多体制等特点，使得接收方无法在某一个特定的调制方式下进行等待接收。这时，能自动识别调制样式就显得尤为重要。第62页/共64页课堂练习1 画出信号解调通用模型 第63页/共64页64感谢您的观看！第64页/共64页