数字微波调制与解调技术课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第2章,103,微波通信,郑玉峰,微波通信郑玉峰,第二章 数字微波调制与解调技术,2.1二进制幅度键控,2.2 二进制相位键控,2.3 多相相位键控,2.4多进制正交幅度调制,第二章 数字微波调制与解调技术2.1二进制幅度键控,数字通信系统模型,数字通信系统模型,数字调制的基本形式,数字调制也称键控信号,有三种基本的调制方式：ASK，FSK，PSK,载波 正弦波,调制信号 数字信号,数字调制的基本形式数字调制也称键控信号,有三种基本的调制方式,2.1二进制幅度键控（2ASK）,Amplitude Shift Keying,又称通断键控（OOK）,2ASK信号的产生,乘法器,模拟幅度调制方法,键控方法,OOK On-Off Keying,2.1二进制幅度键控（2ASK） Amplitude Sh,基带波形,典型波形:,基带波形是单极性不归零码,信号波形,0 1 0 0 1 0,基带波形典型波形:基带波形是单极性不归零码信号波形0,g(t)是脉宽为T,s,的单个矩形脉冲,在某一码元持续时间T,s,内观察,g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲,f,P,S,(f ),f,P,B,(f ),上边带,下边带,已调信号的功率谱,一般已调信号,B(t)为调制信号，是一平稳随机信号,在（0，2）上均匀分布,B (t)与,相互独立,基带信号功率谱和频带信号功率谱的关系,fPS(f )fPB(f )上边带下边带已调信号的功率谱一般,2ASK的功率谱密度,B(t)是单极性的随机矩形脉冲序列,根据矩形波形g（t）的频谱特点，对于所有m0的整数有,2ASK的功率谱密度B(t)是单极性的随机矩形脉冲序列,当P=1/2时,当P=1/2时,数字微波调制与解调技术课件,2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成,2ASK信号带宽是基带脉冲波形带宽的两倍,2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成2ASK信号带,ASK信号的解调方法,ASK信号有两种基本的解调方法：,非相干解调（包络检波法）,相干解调（同步检测法）,ASK信号的解调方法 ASK信号有两种基本的解调方法：,1.相干解调,也称同步解调，,接收,信号经过带通滤波器抑制来自信道的带外干扰，乘法器进行频谱反向搬移，以恢复基带信号。低通滤波器用来抑制相乘器产生的高次谐波干扰。,1.相干解调也称同步解调，接收信号经过带通滤波器抑制来自信道,（1）,发“,1,”码时情况,发“,1,”码时，接收到的,ASK,信号为 + ，它能顺利地通过带通滤波器。 为零均值的高斯白噪声，经过带通滤波器后变为窄带高斯噪声，用 表示。经过低通滤波器后，输出信号为,x,（,t,），,也就是取样判决器的输入信号。,（1）发“1”码时情况,（2）,发“,0,”码时情况,发“,0,”码时，,ASK,信号输入为,0,，噪声仍然存在，经过低通滤波器后，输出信号为,x,（,t,），,x,（,t,）也是取样判决器的输入信号。,综合上面的分析，可得,（2）发“0”码时情况,下面讨论判决问题。,若没有噪声，上式简化为,此时判决电平取,0,A,的中间值A/2，大于A/2判为“,1,”码，小于A/2判为“,0,”码。在无噪声时，判决一定是正确的。,下面讨论判决问题。,相干解调需要在接收端产生一个与发送端同频同相的本地载波，设备比较复杂，所以在2ASK中很少使用,相干解调需要在接收端产生一个与发送端同频同相的本地载波，设备,2.包络解调,包络解调是一种非相干解调,（,ASK,包络解调方框图）,2.包络解调 包络解调是一种非相干解调 （ASK包络解调方框,发“1”码时的情况,包络检波器的输入为，为信号加窄带高斯噪声，输出为信号加窄带高斯噪声的包络，它服从莱斯分布，如左图所示。,其概率密度为,发“1”码时的情况包络检波器的输入为，为信号加窄带高斯噪声，,发“0”码时的情况,包络检波器输入为 ，输出 则为的包络，即噪声的包络，它服从瑞利分布，,如上页图所示,。其概率密度为,发“0”码时的情况包络检波器输入为 ，输出,与同步解调相似，为使误码率最小，判决电平应为 和 的交点的横坐标值，如,图中 ，称为最佳门限，经分析，得到,当信噪比 （即大信噪比）时，,与同步解调相似，为使误码率最小，判决电平应为 和,2.2 2PSK，2DPSKPhase Shift Keying， Differential PSK,相位键控技术出现时间是比较晚的，但出现后，就比幅度键控、频率键控显示出更多优点，成为中小容量数字微波通信系统的一种主要传输方式。,主要是四相与八相的相位键控系统使用较多。四相制记为4PSK或QPSK,2.2 2PSK，2DPSKPhase Shift Ke,是基带脉冲波形，,为双极性不归零脉冲信号,2PSK信号的表示,是基带脉冲波形，2PSK信号的表示,g(t)是脉宽为T,s,的单个矩形脉冲,在某一码元持续时间T,s,内观察,0相位发送0, 相位发送1.,g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲0相位发送0, 相位发送,载波,移相,2PSK调制方框图（,相位选法择,）,0,PSK调制可以用相乘器，也可以用相位选择器,2PSK调制,载波移相2PSK调制方框图（相位选法择）0PSK调制可,2PSK信号的功率谱密度,由于 为双极性矩形基带信号，故：,2PSK信号的功率谱密度,当双极性基带信号“1” , “0”出现概率相等则：,连续谱部分与2ASK信号的连续谱基本相同(仅相差一个常数因子),因此 2PSK信号的带宽与2ASK相同,当双极性基带信号“1” , “0”出现概率相等则： 连,数字微波调制与解调技术课件,由于PSK信号的功率谱中无载波分量，必须采用相干解调的方式。,PSK相干解调器,由于PSK信号的功率谱中无载波分量，必须采用相干解调的方式。,2PSK,信号的解调：,不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为：,2PSK信号的解调：,2PSK,接收系统各点波形如图所示：,2PSK接收系统各点波形如图所示：,在相干解调过程中，如何得到同频同相的相干载波是个关键问题。只有对信号进行非线性变化，才能得到相干载波。,常用的载波恢复电路有两种，一种是平方环电路，,在相干解调过程中，如何得到同频同相的相干载波是个关键问题。只,平方环法提取载波,平方环法提取载波,Costas 环法提取载波,Costas 环法提取载波,这两种载波提取电路中，在提取载波与调制载波相位差=n（n为任意整数）时都为锁相环的稳定平衡点。锁相环工作时可能锁定在任何一个稳定平衡点上，考虑到在周期内取值可能为0或，因而可能产生 180的相位模糊。相位模糊对模拟通信关系不大， 因为人耳听不出相位的变化。但对数字通信的影响就不同了， 它有可能使2PSK相干解调后出现“反向工作”的问题，克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的方法是对调制器输入的信息序列进行差分编码，即采用相对移相（2DPSK），并且在解调后进行差分译码恢复信息。,这两种载波提取电路中，在提取载波与调制载波相位差=n（n为,2.2.2 二进制差分相移键控（2DPSK）,1. 一般原理及实现方法,它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用本码元与前一码元相位之差（相位偏移 ）来传送数字信息的。,相位偏移 ,= 数字信息“1”,=0 数字信息“0”,2.2.2 二进制差分相移键控（2DPSK）,数字信息,绝对码,0 0 1 1 1 0 0 1,PSK,DPSK,相对码,0 0 0 1 0 1 1 1 0,数字信息绝对码 0 0 1 1 1 0,载波,移相,2DPSK调制方框图,码变换,0,相对移相：绝对码相对码绝对移相,载波移相2DPSK调制方框图码变换0相对移相：绝对码,相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。,绝对码和相对码是可以互相转换的，其转换关系为：,同步检测输出有一个码元错误，码变换输出引起两个相邻码元错误,相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成,绝对码： 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0,2PSK信号相位： 0 0 0 0,相对码1： 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0,2DPSK信号相位： 0 0 0 0 0 0,相对码2： 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1,2DPSK信号相位 0 0 0 0 0 ,J222,绝,对移相与相对移相的关系,绝对码：,数字微波调制与解调技术课件,相对相移本质上就是对相对码信号的绝对相移,。,即,实现相对调相的最常用方法如图所示。,相对相移本质上就是对相对码信号的绝对相移。即,2DPSK,的解调有两种:,一种是相干解调-码变换法,（极性比较法），,一种是差分相干解调（相位比较法）,。,（1）相干解调-码变换法,其解调原理是：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。 在解调过程中，若相干载波产生180相位模糊， 解调出的相对码将产生倒置现象，但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊度的问题。,2DPSK的解调有两种:,2DPSK信号相干解调（极性比较法）原理图和各点时间波形,2DPSK信号,2DPSK信号相干解调（极性比较法）原理图和各点时间波形 2,解调原理是直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用， 故解调器中不需要码反变换器。由于差分相干解调方式不需要专门的相干载波，因此,是一种非相干解调方法,。,2）差分相干解调,解调原理是直接比较前后码元的相位差，从而恢复发,2DPSK信号差分相干解调(相位比较法）原理图和各点时间波形,接收信号,2DPSK信号差分相干解调(相位比较法）原理图和各点时间波形,2.3 多相相位键控（MPSK）,多进制数字信号调制特点,在相同的码元传输速率下，信息传输速率比二进制系统高。 R,b,=R,B,2,M b/s,在相同的信息传输速率下，多进制码元传输速率比二进制低。增大码元宽度，会增加码元的能量，并能减少由于信道特性引起的码间干扰的影响。,在相同的噪声下，多进制数字调制系统的抗噪声性能低于二进制数字调制系统。,2.3 多相相位键控（MPSK）多进制数字信号调制特点,多相制相位键控信号的形式,是第k位码元的数字信息，是M进制的可能的取值为,多相制相位键控信号的形式 是第k位码元的数字信息，,其等效基带信号的指数表达式,可以看到，,相位键控等效信号可以分为,同相分量 和正交分量,其等效基带信号的指数表达式可以看到，相位键控等效信号可以分为,举几个例子说明多相相位信号的正交展开问题。,二相相位键控,4相相位键控,8相相位键控,举几个例子说明多相相位信号的正交展开问题。,1.,二相相位键控,：,M=2， =0 或1， =90度，这样,则,这样信号只有正交分量 没有同相分量 ，相当于用双极性基带信号对 进行平衡调幅。,输入码元 的信息量平均完全放在 上。,1. 二相相位键控：,2PSK QPSK 8PSK,相位键控信号矢量图,2PSK QPSK 8P,若 =0度，则,这样信号只有同相分量 没有正交分量 ，相当于用双极性基带信号对 进行平衡调幅。,数字微波调制与解调技术课件,2.,四相相位键控（QPSK）,：,M=2， =0,1,2, 或3， =45度，这样,则,这样既有正交分量 又有同相分量 ，相当于用双极性基带信号对两个正交信号进行平衡调幅。,2. 四相相位键控（QPSK）：,2PSK QPSK 8PSK,相位键控信号矢量图,2PSK QPSK 8P,3.,八相相位键控（8PSK）,：,M=2， =0,1,2,3,4,5,6或7， =22.5度，这样,3. 八相相位键控（8PSK）：,2PSK QPSK 8PSK,相位键控信号矢量图,这样等效基带信号既有同相分量 又有正交分量 ，每个分量的码元都是4进制编码,。,2PSK QPSK 8P,2.3.2 相位逻辑,相位键控的一个显著特点就是用载波的相位来传递信息。载波相位与 信息码元有一一对应的关系。,载波相位是多进制的，但常用的信号是2进制的，这样存在二进制码元和多进制相位间的相互转换问题，这称为相位逻辑。,2.3.2 相位逻辑相位键控的一个显著特点就是用载波的相位来,变换的方式不唯一的。常用的有自然码变换逻辑和格雷码变换逻辑。,格雷码的特点：相邻的二进制编码间只有一位不同（,码距为1,）,为什么要用格雷码？因为,在进行解调的时候，错误的最大概率是判决到相邻的码组上。,变换的方式不唯一的。常用的有自然码变换逻辑和格雷码变换逻辑。,自然码逻辑,格雷码逻辑,自然码逻辑,以8进制码之间的变换说明他们的变换关系,自然码为 ，格雷码为 ，之间的码变换关系为,以8进制码之间的变换说明他们的变换关系,2.3.3差分编码,与二进制绝对相位键控因为载波恢复要产生相位模糊一样，多进制相位键控的载波恢复也会产生相位模糊。,对MPSK，载波恢复具有M重相位模糊，,D=0,1,2,M-1,2.3.3差分编码与二进制绝对相位键控因为载波恢复要产生相位,若我们让相位键控的发送码 和输入的信息码 存在以下关系，,在接收端按如下恢复信息码,这样就能恢复正确的码组，这就是多进制的差分编码和差分译码。,-,若我们让相位键控的发送码 和输入的信息码 存,数字微波调制与解调技术课件,数字微波调制与解调技术课件,8PSK自然码差分编码器,8PSK自然码差分编码器,8PSK自然码差分译码器,8PSK自然码差分译码器,2.3.4 QPSK的调制,相当于用双极性基带信号对两个正交信号进行平衡调幅。,2.3.4 QPSK的调制,数字微波调制与解调技术课件,两种调相系统的矢量图和起始相位角,两种调相系统的矢量图和起始相位角,QP,S,K的星座图和相位转移图,调相法产生QPSK信号的调制原理,QPSK的星座图和相位转移图调相法产生QPSK信号的调制原理,微波四相调制器,串联型四相微波调制器,微波四相调制器串联型四相微波调制器,并联型四相微波调制器,并联型四相微波调制器,普通的二极管由PN结组成。在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN 二极管。正因为有本征(Intrinsic)层的存在，PIN 二极管应用很广泛，从低频到高频的应用都有，主要用在RF领域，用作RF 开关和RF保护电路，也有用作光电二极管(PhotoDiode)。PIN 二极管包括PIN光电二极管和PIN开关二极管。,微波开关利用PIN管在直流正,反偏压下呈现近似导通或断开的阻抗特性,实现了控制微波信号通道转换作用。 PIN 二极管的直流伏安特性和PN结二极管是一样的，但是在微波频段却有根本的差别。,普通的二极管由PN结组成。在P和N半导体材料之间加入一薄层低,由于PIN 二极I层的总电荷主要由偏置电流产生，而不是由微波电流瞬时值产生，所以其对微波信号只呈现一个线性电阻。此阻值由直流偏置决定，正偏时阻值小，接近于短路，反偏时阻值大，接近于开路。因此PIN 二极对微波信号不产生非线性整流作用，这是和一般二极管的根本区别，所以它很适合于做微波控制器件。因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关（即微波开关）、移相、调制、限幅等电路中。,由于PIN 二极I层的总电荷主要由偏置电流产生，而不是由微波,PIN二极管的特性:,加,负电压（或零偏压）时，PIN管等效为电容+电阻；加正电压时，PIN管等效为小电阻,。用改变结构尺寸及选择PIN二极管参数的方法，使短路的阶梯脊波导的反射相位（基准相位）与加正电压的PIN管控制的短路波导的反射相位相同。还要求加负电压（或0偏置）的PIN管控制的短路波导的反射相位与标准相位相反（-164+164之间即可）。,PIN二极管的特性:,2.3.5 QPSK信号的解调,四相相位调制可以看成两路正交PSK信号的合成，故可用相类似的方式解调。,接收到的信号利用正交的相干载波进行接收，得到携带的两路信息码，经过并/串转换为串行的数据信息。,2.3.5 QPSK信号的解调四相相位调制可以看成两路正交P,4PSK信号解调器,LPF,抽样判决,LPF,抽样判决,并/串,a,b,/2,4PSK信号解调器LPF抽样判决LPF抽样判决并/串ab,在四相绝对相位调制系统中，相干载波的产生通常采用四倍频-四分频法。,在四相绝对相位调制系统中，相干载波的产生通常采用四倍频-四分,2.3.6 4DPSK的调制和解调,由于四相绝对相位信号调制时，相干载波的相位会出现四种不确定性，从而使得解调后的输出也存在四种不确定性。为了消除它的影响，实际通信中一般采用四相相对相位信号调制。,2.3.6 4DPSK的调制和解调由于四相绝对相位信号调制时,4DPSK信号的产生,4DPSK信号的产生,4DPSK信号的解调,4DPSK信号的解调,受调相位,有M种不同取值,多相调制的波形可以看作是对两个正交,载波进行多电平双边带调制所得信号之,和,多相调制信号的带宽与多电平双边带,调制时的相同.,2.3.7 8DPSK的调制和解调,受调相位,有M种不同取值2.3.7 8D,数字微波调制与解调技术课件,数字微波调制与解调技术课件,幅度选择器的作用：,选择输出信号幅度为cos,/8或,cos3,/8,8DPSK的调制,幅度选择器的作用：8DPSK的调制,8进制解调方框图,8进制解调方框图,2.4正交振幅调制(QAM),在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化。过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视。,2.4正交振幅调制(QAM)在现代通信中，提高频谱利用率一直,MQAM调制原理,正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。,式中，A,n,是基带信号幅度，g(t-nT,s,)是宽度为T,s,的单个基带信号波形。上式还可以变换为正交表示形式:,正交振幅调制信号的一般表示式为,MQAM调制原理式中，An是基带信号幅度，g(t-nTs)是,令,则,令则,QAM信号调制原理图如图所示。为了抑制已调信号的带外辐射，该L电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器。,QAM信号调制原理图,QAM信号调制原理图如图所示。为了抑制已调信号的带外辐射，该,信号矢量端点的分布图称为星座图。通常，可以用星座图来描述QAM信号的信号空间分布状态。,16QAM的星座图,(a) 方型16QAM星座； (b) 星型16QAM星座,信号矢量端点的分布图称为星座图。通常，可以用,若信号点之间的最小距离为2A，且所有信号点等概率出现,，则平均发射信号功率为,对于方型16QAM，信号平均功率为,对于星型16QAM，信号平均功率为,若信号点之间的最小距离为2A，且所有信号点等概率出现，则平均,对于16PSK，信号平均功率为,两个QAM间功率相差1.4dB。而方形QAM,与PSK间相差4.2dB。,对于16PSK，信号平均功率为两个QAM间功率相差1.4dB,另外，两者的星座结构也有重要的差别。一是星型16QAM只有两个振幅值，而方型16QAM有三种振幅值；二是星型16QAM只有8种相位值，而方型16QAM有12种相位值。这两点使得,在衰落信道中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。,(9.1 - 6),另外，两者的星座结构也有重要的差别。一是星型16QAM只有两,若已调信号的最大幅度为1,，则MPSK信号星座图上信号点间的最小距离为,而MQAM信号矩形星座图上信号点间的最小距离为,式中，L为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数，M=L,2,。,(9.1 - 6),若已调信号的最大幅度为1，则MPSK信号星座图上信号点间的最,可以看出，当M=4时，d,4PSK,=d,4QAM,，实际上，4PSK和4QAM的星座图相同。当M=16时，d,16QAM,=0.47，而d,16PSK,=0.39，d,16PSK,d,16QAM,。这表明，,16QAM系统的抗干扰能力优于16PSK,。,可以看出，当M=4时，d4PSK=d4QAM，实际上，4PS,MQAM信号的星座图,MQAM信号的星座图,MQAM解调原理,MQAM信号同样可以采用正交相干解调方法，其解调器原理图如图所示。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测。,MQAM信号相干解调原理图,MQAM解调原理MQAM信号相干解调原理图,数字微波调制与解调技术课件,数字微波调制与解调技术课件,8PSK信号点,各信号点之间的最小距离是2A,8PSK信号点各信号点之间的最小距离是2A,