第五讲：软件无线电调制解调技术
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移相 提纯 脉冲形成
迟延
迟延相干法原理框图
包络检波-滤波法原理
这是一种从频带受限的中频 PSK 信号中提取位 同步信息的方法，其波形图如下图所示。当接收 端带通滤波器的带宽小于信号带宽时，使频带受 限的 2PSK 信号在相邻码元相位反转点处形成幅 度的“陷落”。
经包络检波后得到图 (b) 所示的波形，它可看成 是一直流与图 (c) 所示的波形相减， 而图(c) 波形 是具有一定脉冲形状的归零脉冲序列，含有位同 步的线谱分量， 可用窄带滤波器取出。
对于调幅信号具有抗失配能力
A(n) [ X I (n)]2 [ X Q (n)]2
解调算法的载频失配问题
对于调频信号，正交解调得到：
X Q ( n) X Q (n 1) f (n) arctg arctg X ( n ) X ( n 1) I I [k m(n) n ] [k m(n 1) (n 1) ] km(n)
LPF Q支路
V3
科斯塔斯环原理框图
V5
正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）
设输入的抑制载波双边带信号为：
m(t ) cos C t
并假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则 VCO输出的两路互为正交的本地载波分别为
v1 cos (C t ) v2 sin (C t )
式中，θ 为VCO输出信号与输入已调信号 载波之间的相位误差。
n n
n
典型数字信号的调制算法
最小频移键控（MSK）：就是调制指数最小 （h=0.5）的连续相位的FSK。
s(t ) cos(C t ak
n
2T
t n )
式中T为码元宽度，an为±1， n 是第n个码元的 起始相位：
n 1 n n n
an an 1时； an an 1时；
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。
典型数字信号的调制算法
GMSK调制信号
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。
语音x(n) x(n) y ( n) g ( n) t k x ( n )
s(n) A(n) cos(C n) cos[ (n)] A(n) sin( C n) sin[ (n)] 令： X (n) A(n) cos[ (n)] I X Q (n) A(n) sin[ (n)]
信号解调通用模型
则 s(n) 可以表示成：
s(n) X I (n) cos[ (n)] X Q (n) sin[ (n)]
显然调相信号没有抗失配能力，因此本地信号必须 实现同频同相： 工程上采用载波同步技术来实现！！
第三节：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。 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。
1）载波同步
载波同步的方法可以分为两类： 插入导频法：发送有用信号的同时发送 导频信号； 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
正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）
I支路
V4
LPF
V6 Vd
V2
信号输入
VCO 环路滤波
2
输出信号
V1
正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）
信号 m(t ) cos C t 分别与v1、 v2相乘后得：
v3 m(t ) cos C t cos(C t )
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 m(t )[cos cos( 2C t )] 2 v4 m(t ) cos C t sin( C t )
1 m(t )[sin sin( 2C t )] 2
经低通滤波后分别为
1 v5 m(t ) cos 2
1 v6 m(t ) sin 2
正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）
低通滤波器应该允许m(t) 通过。V5、V6 相乘产 生误差信号。 1 2
vd m (t ) sin 2 8
这种信号具有恒复包络，功率谱集中，频谱较窄 等特点。（前面已述）
高斯滤波
调频MSK
第二节、软件无线电数字通用解调算法
1）信号解调通用模型
从理论上说，正交解调法可以对所有的样式进行 解调。在软件无线电中选取数字正交解调法。
LPF
cos(C n )
X I (n)
s ( n)
NCO
sin(C n )
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
信号解调通用模型
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： 1）AM类 A(n) [ X I (n)]2 [ X Q (n)]2 2） PM类 (n) arctg[
V5= 1/2 m(t)cosθ≈1/2 m(t)
就是解调输出。
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。 它与载波同步存在异同。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，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。
n n
2 an g (t nT )sin(t 2)sin(ct )
I (t ) g (t nT ) cos(t 2) Q(t ) 2 an g (t nT )sin(t 2)
n n
典型数字信号的调制算法
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。 s(t ) n g (t nT ) cos(C t )
(βn取值为±1；αn发0时取1，发1时取-1）
n
四进制数字相位调制（QPSK） s(t ) g (t nT ) cos(C t n )
(n) 是受信息控制的相位参数，它有四种可能
的取值。对QPSK而言： I (t ) g (t nT ) cos(n ) Q(t ) g (t nT )sin(n )
软件无线电中的调制通用算法
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：
s(t ) I (t ) cos(C t ) Q(t ) sin( C t )
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。
X Q ( n) X I ( n) X Q ( n) X Q (n 1) 3）FM类 f (n) arctg[ ] arctg[ ] X I ( n) X I (n 1) ]
信号解调通用模型
在调相类与调频类的解调中，对 (n)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简 便方法来解决这个问题。
实现方法有延迟相关法、包络检波法和波形变换 法等。
BPSK的延迟相干法
将接收信号与一定的延迟信号相乘，得到位时钟的 几波信号分量，来提取位同步信号。 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。
式中的 m 2 (t ) 可能是直流1，或者可以分解为直流 和交流分量。由于锁相环作为载波提取环时， 其 环路滤波器的带宽设计的很窄，只有 m 2 (t ) 中的直 流分量可以通过，因此vd可写成：
vd kd sin 2
正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）
如果我们把图中除环路滤波器（LF）和压控振荡 器（VCO）以外的部分看成一个等效鉴相器 （PD），其输出vd正是我们所需要的误差电压。 通过环路滤波器滤波后去控制VCO的相位和频率， 最终使稳态相位误差减小到很小的数值，而 Vd 没有剩余频差（即频率与ωc同频）。此时VCO的 输出 V1= cos(ωct+θ) 就是所需的同步载波，而
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。 有一定的抗失配能力！但性能下降！
解调算法的载频失配问题
对于调相信号，如BPSK/QPSK/MSK等，正交解 调要得到相位：
X Q ( n) ˆ (n) arctg (n) n (n) X I ( n)
f ( n) ' ( n) X I (n) X 'Q (n) X 'I (n) X Q (n) 2 2 X I ( n) X Q ( n) X I (n) X 'Q (n) X 'I (n) X Q (n) X I (n)[ X Q (n) X Q (n 1)] X Q (n)[ X I (n) X I (n 1)] X I (n 1) X Q (n) X Q (n 1) X I (n)
n n _
请给出该调制的正交分量 I (t ) 、 Q(t ) 的表达式;
_ s(t ) an g (t nT ) cos(ct t ) an g (t nT ) cos(2t t) 2 2 n n
g (t nT ) cos(t 2) cos(ct )
LPF
解 调 算 法
解调输出
X Q (n)
数字正交解调的通用模型
信号解调通用模型
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：
s(n) A(n) cos[C n (n)]
的形式。通过对上式的分解，我们可以得到：
第五讲：数字调制 解调技术
主讲人：李玉柏 ybli@uestc.edu.cn
第一节：软件无线电中数字调制 通用算法
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。 这就是正交调制算法
s(t ) an g (t nT ) cos(1t ) an g (t nT ) cos(2t )
n n _
2FSK的IQ正交调制表达式
二进制频移键控信号（2FSK）的表达式：
s(t ) an g (t nT ) cos(1t ) an g (t nT ) cos(2t )
s (n) I (n) cos(
nC
S
) Q(n) sin(
nC
S
)
2）典型数字信号的调制算法
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。
s(t ) an cos(C t )
2FSK是符号0对应载波频率为ω1，符号1对应载波 频率为ω 2的以调波形。
2）解调算法的载频失配问题
通用正交解调算法是建立在相关接收的基础上。 接收机本地产生同频同相的本振信号：
sin(C n ) , cos(C n )
如果本地产生的本振信号存在频率和相位偏差， 称为失配，将影响接收性能。
X I (n) A(n) cos[ (n) n ] X Q (n) A(n)sin[ (n) n ]
迟延
迟延相干法原理框图
包络检波-滤波法原理
这是一种从频带受限的中频 PSK 信号中提取位 同步信息的方法，其波形图如下图所示。当接收 端带通滤波器的带宽小于信号带宽时，使频带受 限的 2PSK 信号在相邻码元相位反转点处形成幅 度的“陷落”。
经包络检波后得到图 (b) 所示的波形，它可看成 是一直流与图 (c) 所示的波形相减， 而图(c) 波形 是具有一定脉冲形状的归零脉冲序列，含有位同 步的线谱分量， 可用窄带滤波器取出。
对于调幅信号具有抗失配能力
A(n) [ X I (n)]2 [ X Q (n)]2
解调算法的载频失配问题
对于调频信号，正交解调得到：
X Q ( n) X Q (n 1) f (n) arctg arctg X ( n ) X ( n 1) I I [k m(n) n ] [k m(n 1) (n 1) ] km(n)
LPF Q支路
V3
科斯塔斯环原理框图
V5
正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）
设输入的抑制载波双边带信号为：
m(t ) cos C t
并假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则 VCO输出的两路互为正交的本地载波分别为
v1 cos (C t ) v2 sin (C t )
式中，θ 为VCO输出信号与输入已调信号 载波之间的相位误差。
n n
n
典型数字信号的调制算法
最小频移键控（MSK）：就是调制指数最小 （h=0.5）的连续相位的FSK。
s(t ) cos(C t ak
n
2T
t n )
式中T为码元宽度，an为±1， n 是第n个码元的 起始相位：
n 1 n n n
an an 1时； an an 1时；
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。
典型数字信号的调制算法
GMSK调制信号
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。
语音x(n) x(n) y ( n) g ( n) t k x ( n )
s(n) A(n) cos(C n) cos[ (n)] A(n) sin( C n) sin[ (n)] 令： X (n) A(n) cos[ (n)] I X Q (n) A(n) sin[ (n)]
信号解调通用模型
则 s(n) 可以表示成：
s(n) X I (n) cos[ (n)] X Q (n) sin[ (n)]
显然调相信号没有抗失配能力，因此本地信号必须 实现同频同相： 工程上采用载波同步技术来实现！！
第三节：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。 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。
1）载波同步
载波同步的方法可以分为两类： 插入导频法：发送有用信号的同时发送 导频信号； 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
正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）
I支路
V4
LPF
V6 Vd
V2
信号输入
VCO 环路滤波
2
输出信号
V1
正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）
信号 m(t ) cos C t 分别与v1、 v2相乘后得：
v3 m(t ) cos C t cos(C t )
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 m(t )[cos cos( 2C t )] 2 v4 m(t ) cos C t sin( C t )
1 m(t )[sin sin( 2C t )] 2
经低通滤波后分别为
1 v5 m(t ) cos 2
1 v6 m(t ) sin 2
正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）
低通滤波器应该允许m(t) 通过。V5、V6 相乘产 生误差信号。 1 2
vd m (t ) sin 2 8
这种信号具有恒复包络，功率谱集中，频谱较窄 等特点。（前面已述）
高斯滤波
调频MSK
第二节、软件无线电数字通用解调算法
1）信号解调通用模型
从理论上说，正交解调法可以对所有的样式进行 解调。在软件无线电中选取数字正交解调法。
LPF
cos(C n )
X I (n)
s ( n)
NCO
sin(C n )
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
信号解调通用模型
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： 1）AM类 A(n) [ X I (n)]2 [ X Q (n)]2 2） PM类 (n) arctg[
V5= 1/2 m(t)cosθ≈1/2 m(t)
就是解调输出。
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。 它与载波同步存在异同。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，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。
n n
2 an g (t nT )sin(t 2)sin(ct )
I (t ) g (t nT ) cos(t 2) Q(t ) 2 an g (t nT )sin(t 2)
n n
典型数字信号的调制算法
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。 s(t ) n g (t nT ) cos(C t )
(βn取值为±1；αn发0时取1，发1时取-1）
n
四进制数字相位调制（QPSK） s(t ) g (t nT ) cos(C t n )
(n) 是受信息控制的相位参数，它有四种可能
的取值。对QPSK而言： I (t ) g (t nT ) cos(n ) Q(t ) g (t nT )sin(n )
软件无线电中的调制通用算法
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：
s(t ) I (t ) cos(C t ) Q(t ) sin( C t )
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。
X Q ( n) X I ( n) X Q ( n) X Q (n 1) 3）FM类 f (n) arctg[ ] arctg[ ] X I ( n) X I (n 1) ]
信号解调通用模型
在调相类与调频类的解调中，对 (n)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简 便方法来解决这个问题。
实现方法有延迟相关法、包络检波法和波形变换 法等。
BPSK的延迟相干法
将接收信号与一定的延迟信号相乘，得到位时钟的 几波信号分量，来提取位同步信号。 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。
式中的 m 2 (t ) 可能是直流1，或者可以分解为直流 和交流分量。由于锁相环作为载波提取环时， 其 环路滤波器的带宽设计的很窄，只有 m 2 (t ) 中的直 流分量可以通过，因此vd可写成：
vd kd sin 2
正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）
如果我们把图中除环路滤波器（LF）和压控振荡 器（VCO）以外的部分看成一个等效鉴相器 （PD），其输出vd正是我们所需要的误差电压。 通过环路滤波器滤波后去控制VCO的相位和频率， 最终使稳态相位误差减小到很小的数值，而 Vd 没有剩余频差（即频率与ωc同频）。此时VCO的 输出 V1= cos(ωct+θ) 就是所需的同步载波，而
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。 有一定的抗失配能力！但性能下降！
解调算法的载频失配问题
对于调相信号，如BPSK/QPSK/MSK等，正交解 调要得到相位：
X Q ( n) ˆ (n) arctg (n) n (n) X I ( n)
f ( n) ' ( n) X I (n) X 'Q (n) X 'I (n) X Q (n) 2 2 X I ( n) X Q ( n) X I (n) X 'Q (n) X 'I (n) X Q (n) X I (n)[ X Q (n) X Q (n 1)] X Q (n)[ X I (n) X I (n 1)] X I (n 1) X Q (n) X Q (n 1) X I (n)
n n _
请给出该调制的正交分量 I (t ) 、 Q(t ) 的表达式;
_ s(t ) an g (t nT ) cos(ct t ) an g (t nT ) cos(2t t) 2 2 n n
g (t nT ) cos(t 2) cos(ct )
LPF
解 调 算 法
解调输出
X Q (n)
数字正交解调的通用模型
信号解调通用模型
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：
s(n) A(n) cos[C n (n)]
的形式。通过对上式的分解，我们可以得到：
第五讲：数字调制 解调技术
主讲人：李玉柏 ybli@uestc.edu.cn
第一节：软件无线电中数字调制 通用算法
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。 这就是正交调制算法
s(t ) an g (t nT ) cos(1t ) an g (t nT ) cos(2t )
n n _
2FSK的IQ正交调制表达式
二进制频移键控信号（2FSK）的表达式：
s(t ) an g (t nT ) cos(1t ) an g (t nT ) cos(2t )
s (n) I (n) cos(
nC
S
) Q(n) sin(
nC
S
)
2）典型数字信号的调制算法
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。
s(t ) an cos(C t )
2FSK是符号0对应载波频率为ω1，符号1对应载波 频率为ω 2的以调波形。
2）解调算法的载频失配问题
通用正交解调算法是建立在相关接收的基础上。 接收机本地产生同频同相的本振信号：
sin(C n ) , cos(C n )
如果本地产生的本振信号存在频率和相位偏差， 称为失配，将影响接收性能。
X I (n) A(n) cos[ (n) n ] X Q (n) A(n)sin[ (n) n ]