第二章 数字信号的调制与解调

第二章 数字信号的调制与解调
主要讲述的内容： 信息传递方式一般分为基带传输和频 带传输两种。
基带传输是指无需进行基带频谱搬移 就能以基带信号形式传输的方式。 频带传输若将基带信号的频谱搬移到 某个载波频带内进行传输的方式。
2.0
预备知识
微波与卫星通信中的调制、 解调技术的特点和种类
2.1
2.2
(1) 窄带调频
●调频的概念 频率或相位的变化都可以看成是载波 角度的变化。
任何一个余弦型的时间函数，如果它 的振幅是不变的，则可用下式表示：
f t A cos t
由调频的概念可以得出已调频信号f(t) 与调制信号s（t）之间的关系，即
通常将由调频引起的最大瞬时相位偏 移远小于30°的情况称为窄带调频，此时 近似有下列关系成立：
如果该滤波器带宽选择合适就能够滤 出带外噪声。 低通滤波器，将基带之外的高频分量 滤除，最后得到的是频分多路复用信号。
4．频率调制信号系统的传输特性
在卫星通信中信号首先被调制到中频 （一般70MHz），然后利用上变频器将其 变换到射频（只是频谱的简单搬移）。
最后由发射天线进行发射，当卫星转 发器接收到此信号之后，将其转发到相应 的地球站所对应的下行链路之中，并由接 收地球站进行接收。下面就对此过程中的 几个问题进行讨论。
相关解调（又称同步检波）：需要在 接收端知道发射载波的频率和相位（恢复 相干载波以用于与接收的已调信号相乘）。 其中乘机检波器也叫鉴相器，是将输入的 带通信号变为基带信号的下变频电路。
非相关解调（又称包络检波）：即不 需要知道有关的信息，它的输出信号与输 入信号实际包络成正比。
2.0.3复用
1．复用的概念
① 调频信号的传输带宽B 设每一话路占4KHz的带宽，考虑到相 邻话路之间留出5%的间隔， 基带信号最高频率 Fm≈4（1+5%）×n =4.2×252 =1058kHz
调频信号的传输带宽
B 2( Fp lf r Fm )
=2×（3.16×2.82×577+1058）kHz =12.4MHz
通常我们把在同一信道中能够同时传 输多路信息的方式称为多路复用。
2．两种复用方式
频分复用和时分复用。 所谓频分复用（FDM）是指按频率分 割信号的方法，时分复用（TDM）则是指 按时间分割的方法。
TDM与FDM的差别在于： TDM是从时域的角度进行分析，使各 路信号在时间上彼此分开；而在频域上彼 此混叠在一起。FDM是从频域的角度进行 分析，使各路信号在频率上彼此分开；而 在时域上彼此混叠在一起。
式中取多路电话信号的峰值因数 Fp=3.16，负载因数 l =2.82，测试音有效 频偏 f r =577kHz。
通常考虑到卫星转发器设计时，给各 载波都留有10~25%的保护带宽（卫星通信 中的频分多址），故取B=15MHz。
2.2.2 模拟信号的调制
我们这里仅介绍常用的FDM/FM（频 分多路复用/调频）系统中的调频信号的产 生与解调原理。
1．调频信号的产生
产生调频信号的方法有两种。一种是 直接法，另一种是倍频法。
直接法：用基带信号直接改变载波的 频率。
倍频法：是一种间接方法。先将基带 信号积分，然后去实施窄带调频（因为窄 带调相时，振荡器可以采用高稳定度的石 英振荡器，从而提高了载频稳定度。它的 定义是），然后再用倍频的方法将其变换 成宽带信号。
倍频器是一个非线性器件。其输入、 输出端之间的关系为：
（2-3）
2．调频信号的解调
在图2-2中给出了调频信号的解调过程 （只看虚线框及以后的部分）。 用于解调FM信号的电路成为鉴频器， 它的输出电压与输入频偏成 f 正比。
鉴频器实质由一个起微分作用的微分 器和一个包络检波器组成。限幅器起到保 持中频载波包络恒定的作用。
在SDH数字微波通信系统中，采用多 进制编码的64QAM（正交幅度调制）、 128QAM、256QAM和512QAM调制方式， 同时还采用多载频的传输方式。
例如采用4个载频，使每个载频都用 256 QAM调制方式去传输100Mbit/s信息， 这样一个波道的4个载频同时传送，就可以 传输4倍这样的信息。
数字调制： 综上所述，在卫星系统中，要求数字 调制具有以下特点。
● 不主张采用ASK技术（抗干扰性差， 误码率高）
●选择尽可能少地占用射频频带，而 又能高效利用有限频带资源，抗衰落和干 扰性能强的调制技术
●采用的调制信号的旁瓣应较小以减 少相邻通道之间干扰
本章将针对上述叙述，首先讨论模拟 调制（FM），然后讨论现代数字卫星通信 所使用的各种调制方式：一部分为功率有 效的调制技术，如四相相移键控 （QPSK）、偏置四相相移键控（OQPSK） 和最小移频键控（MSK）；另一部分为频 谱有效的调制技术，如多电平幅度调制 （MQAM）。
假如要发射一个300Hz的音频信号 （其波长为106m），则就必须要用 100km长的天线，这是无法实现的。
2．另外，大气层对基带信号迅 速衰减，对较高频率范围的信号则 能传播很远的距离，因此，要通过 大气层远距离传送基带信号，就需 要极高频率的载波信号来携带被传 送的基带信号，这就是调制。
2.0.2调制定理
(1) 调频信号（频分多路复用信号） 的带宽 只要系统所提供的传输带宽（B ）足 以容纳调频波频谱能量的98%以上时， 就可忽略信号失真的影响，我们把此 时的带宽称为射频传输带宽。
据分析资料显示，当调频指数mf >1 时，载波和（mf +1）个边带所携带的能量 占调频波总能量的98%以上，因此此时可 认为传输带宽为
B 2(m f 1) Fm
（2-4）
由于FDM信号的波形与Hale Waihona Puke Baidu噪声的波形 很相似，其峰值频偏对应于信号的峰值电 压，而信号的峰值电压与峰值因数 Fp 有 关，所谓峰值因数 F p ，它是峰值电压与 有效电压的比值。
所以峰值频偏可表示为：
f p F p lf
r
（2-6）
式中， f r 为测试音的有效频偏，它是 指在多路电话信号的相对电平为0 dB点传 送1mW测试音信号时，频率调制器输出端 所产生的有效值频偏。
话信号有效电压的参数，所以 l f r 就 表示了多路电话信号的有效值频偏。
l 为负载因数，实际上是反映多路电
F p 为多路信号的峰值因数。在卫星通 信中其取值范围为 F p =3.16~4.45 (相当于
10~13dB)。
(2) 调频解调器输出信噪比
信噪比是衡量系统传输质量的一种重 要参数，其数值上等于信号功率与噪声功 率之比。
模拟信号调制：所调制的基带信号为 模拟信号时的调制就是模拟信号调制。
数字信号调制：所调制的基带信号为 数字信号时的调制就是数字信号调制。 模拟调制与数字调制的基本区别就在 于其基带信号的形式不同。
但是都采用余弦波作为载波信号，由 于余弦信号有幅度、相位和频率三种基本 参量，因此可以构成调幅、调相和调频三 种基本调制方式
性
数字微波的发展方向：既扩大容量， 又不占用较大的信道带宽 ——采用多进制编码的调制方式 ——采用多载频的传输方式
从前在低速数字微波通信系统设备中， 一个波道的发信机（或收信机）只使用一 个载频（即射频）。由于在数字微波通信 中存在多径衰落，而且所采用的数字信号 频谱又宽，因而如何将传输频谱变窄是惟 一一种有效的方法。
2.1 微波与卫星通信中的调制、 解调技术的特点和种类 2.1.1 微波通信中的调制、解调 技术的特点和种类
数字微波通信系统：用脉冲形式的基 带序列对中频频率70MHz或140MHz进行 调制后，再变换（只是进行频谱的直接搬 移，不再进行调制处理）到微波频率。
具有以下特点： ● 调制信号的功率谱较窄 ● 具有较高频谱效率 ● 相对短波而言，具有较好的传输特
频分复用与模拟信号的调制
时分复用与数字信号的调制与解调
2.3
2.4
相干解调的载波跟踪技术
2.0 预备知识
2.0.1为什么要调制？
1．无线电通信使用空间辐射方式， 把信号从发射端传送到接收端。根 据电磁波理论，发射天线尺寸为被 发射信号波长的十分之一或更大些， 信号才能有效地被发射出去 （λ=c/f）。
在虚框之前的部分是进行从射频到中 频的下变频变换，对应于发送端调制到中 频后进行的从中频到射频的变换，与调频 信号的解调无关。
3．卫星通信中调频信号的调制与 解调
解调图： 图2-2 LNA：低噪声放大器
当信号在大气中传输时，由于某种因 素的影响，会在有用信号中夹杂着噪声， 这样当接收天线收到FM信号时，也接收到 噪声信号，这些噪声信号同样经过低噪声 放大器和下变频器变成中频频率，并同有 用信号一起进入中频带通滤波器。
1．调制的概念
所谓调制是指用基带信号对载波（通 常为余弦或正弦）波形的某些参数（如幅 度、相位和频率）进行控制，使这些参数 随基带信号的变化而变化。通常是将调制 信号调制到中频（70MHz或140MHz）， 然后在频谱搬移到射频（此时不调制）。
2．调制的分类
根据调制信号的性质，调制又可分为 模拟信号调制和数字信号调制。
进入接收端的接收功率用Si表示和噪 声功率用Ni表示 解调信噪比增益（解调器输出与输入 信噪比之比）
（2-8）
由上式可知，当输入端的信噪比一定 时，所获得的输出端的信噪比越大，系统 的解调信噪比增益越大。例如卫星系统中 常取mf=5，那么此时解调信噪比增益达到 450。
【例2-1】在采用FDM/FM方式工作的 卫星通信系统中，已知工作频率为6GHz， 试计算一个载波传输252路电话信号时所需 的传输带宽和信噪比增益。
而其占用的频谱却与只用一个载频传 输时所占用的频谱相当。同样对于 1024QAM系统，一个波道可以使用更多载 频，使数字微波朝着既扩大容量，又不占 用较大的信道带宽方向发展。
2.1.2卫星通信中的调制、解调 技术的特点和运用种类
在卫星通信系统中，既采用了模拟调 制，也采用了数字调制。
模拟调制：采用频率调制的目的是为 了增加传输带宽，得到大的调制制度增益， 有利于地球站接收机获得较高的载躁比 （CNR），或给定CNR可以减少卫星转发 器的功率。
2.2 频分复用与模拟信号的调制
2.2.1 频分复用原理
我们需要传送n个信号，每个信号的频 谱限制在（-Ωm，Ωm）以内。
我们将这几个信号分别调制在载波 ωc1、ωc2、…、ωc n上。为了不使各个频 谱重叠，故每个载波与相邻载波之间至少 要求相隔2Ωm。
在接收端进行信息接收时各路信号应 严格地限制在本信道通带之内。这样当信 号经过带通滤波器之后就可提取出各自信 道的已调波，然后通过解调器、低通滤波 器之后，可获得原信号。
由式（2-3）可知微分器的输出为：
sd (t ) A[ c 2K f s(t )] sin( c t 2K f s( )d )
0
t
可见这是一个调幅调频信号。当该信 号经过包络检测器时，直流分量将被滤除， 从而获得与s（t）成正比的包络信息，然 后再经过低通滤波器，将基带之外的高频 分量滤除。
并可采用图2-1中虚线部分所示的结构 来实现窄带调频。
如果设调制信号s（t）的最高频率为 Fm（相当于前面的Ωm）； 载波对频率为ωc的载波进行调制以后， 载波的频率会随着信号s（t）的变化而变 化，则变化的载波频率与标称频率ωc的差 f 值，称为频偏，用 表示，
(2) 倍频法实现宽带调频
3．调制定理
在通信系统中，常常会遇到基带信号 f(t)和余弦信号相乘的情况。
信号的频谱由一个频率位置搬移到另 一个频率位置上。
概念： 上边带：位于ωc之上的部分 下边带：位于ωc之下的部分
4．解调原理
解调也叫检波，其作用就是从接收到 的已调波中无失真地恢复出调制信号。调 幅信号的解调技术可大致分为两类：相关 解调和非相关解调。
频分复用系统中的主要问题在于各路 信号之间存在相互干扰。这是由于系统非 线性器件的影响使各路信号之间产生组合 波，当其落入本波道通带之内时，就构成 干扰。
特别值得注意的是在信道传输中的非 线性所造成的干扰是无法消除的，因而频 分复用系统中对系统线性的要求很高，同 时还必须合理地选择各路载波频率，并在 各路载波频带之间增加保护带来减小干扰。