对于遥测发射机的调制的选择

对于遥测发射机的调制的选择
设计一个用于遥感勘测的发射机需要仔细考虑调制方案。

对于这样的一个系统，天气遥测发射机需要以384b/s (48 B)的速度发送数字数据，这些数据来自多路变送器(传感器)测量温度、压力、湿度、风速和全球定位系统(GPS)数据(协调和时间数据)的输出。

使用从402到406MHz的4MHz的分配带宽及200个20-kHz 的频道使得发射器工作在特高频带的低段。

发射机包括三个基本部分：基带、带有高频合成仪的射频级和同步回路。

本文集中分析发射机的基带回路，包括对射频级所需信号的处理和预备，例如脉冲成形、误差修正、译码、交叉存取和调制。

脉冲成形使得干扰的影响最小化，它通过一个同步/正交调制为展频处理限制一个信号的带宽：
其中：d(n)为输入数据(二进制或多级数)，g(t)为脉冲波形信号，s(t)为成形信号。

各种各样的脉冲波形可以用来限制带宽，包括升余弦公式和高斯公式。

在时域范围内，升余弦公式为：
其中，r为滑动系数(0 < r < 1)。

既然在使用中信噪比(SNR)非常低，当气球上升时，发射机不能稳定，一些信号衰落是不可避免的，因此，需要使用误差检测和校正措施。

卷积编码器随同回旋交错机对于低信噪比下的数字式发射机是一个相当不错的想法。

交错机通过很大范围的数据分配区间误差从来最小化区间误差。

卷积编码器依靠向源符号增加足够的冗余和连续或用小块连续地处理信息取得无误传输。

图1显示一个四态的卷积编码器，比率定义为输入位的数目与输出位数目的比。

这个系统有一个输入和两个输出，结果译码率为二分之一。

卷积编码器的状态数由延迟单元(存储器)所决定，输出不仅由输入电流
决定，还与先前的输入或输出有关。

换句话说，译码器是一个有限状态的机器。

通常，对于k/n这样一个比率的卷积译码器对于一个信息输入位有k个移位寄存器，n个输出译码位由寄存器的内容和输入信息位以线性组合(异或门)所确定。

当比率是1/n时，一种出名的凿孔技术可以运用以取得更高比率的卷积译码器。

编码的形式由发生器或发生器序列所决定：
发生器可以写成多项式D的形式，D为一个单元延时。

发生器可以表示成二进制的形式，如g0 = [1 1 1]和g1 = [1 0 1]，这里，1代表与异或加法器有连接而0就代表与异或加法器没有连接。

他们也可以表示成八进制系统，如[7, 5]。

当前系统使用了不同的发生器，并带有运用MATLAB的数学分析/仿真程序由MathW O rks工具来实现[171, 131]发生器的卷积运算。

在多路情况下，发射机需要一个交错器来改善位误码率。

在当前的运用中，一个回旋交错器伴随着卷积乘积编码器使用。

在交错的过程中(图2)，每一个单元代表一位，伴随着分布的邻近位在接受端轻松恢复。

选择校正调制有很多重要的尺度，包括发射机的总费用、面积、电源和所需的发射机的移动性。

对于当前的运用，发射机是可置部件并且只使用一次或两次，因此必须降低成本。

发射机也应该尽量小、尽量轻。

发射机设计在+9-VDC电源下运行。

受限的供应电源要求发射机工作在非线性情况下，这就意味着要使用等幅波包调制方法。

由于发射机的移动性，振荡效应和多普勒效应可以导致死区而使接收器没有信号应该引起关注。

尽管卷积编码增强了系统数据处理器的一个附加的负载并使得电源消耗上升，但它却能最小化由于多普勒效应、衰退效应以及多径效应而导致的数据损失。

考虑效率而仔细选择调制形式，它将能满足在+9-VDC电源下系统的性能要求。

按振幅移键方式，载波的幅值按照传输数据而变化。

依照二进制传输，载波幅值将以图2中两种值中的一种出现。

由于信号幅值的波动，调制方法自身在噪声信道的效率并不高，但它通常结合其他的调制方案来跳高系统的光谱效率。

依靠频率作为调制参数，就是频率移键(FSK)。

当使用二进制数来调制载波频率时，图4所示的两种载波频率就产生了。

频率分离(频差)可以选择从而可以产生正交(π/2相位)传输。

FSK调制在噪声存在情况下是十分有效的，但需要结合例如相位解调等其他的调制方式来增加频谱带宽。

FSK的二进制带宽(BFSK)为：
BW = 4f b,，这里f b为基带数据频率，或：
d(t)为+1或1由二进制输入所决定；Ω为固定偏移。

传输信号要么为：
要么为：
信号的角频率w H = w0 + Ω或w L = w0－Ω。

BFSK信号可以由图5的简单调节器而产生。

在这个结构里，两个平衡调制器交替使用，一个的载波角频率为w H，另一个为w L。

E H和E L的振幅依照图5的图标产生，因此调节器的功能如同开关一样。

因此，BFSK的信号可以重新写成等式10，它可与二进制相位移键(BPSK)
相比较。

在BFSK中，两个术语的幅值在0 和1之间交替变化，同时在BPSK中，幅值在1和＋1之间交替变化。

BFSK信号的终点之间的距离比BPSK信号分离点之间的距离要短。

通过比较三角恒等式11或交替变化的等价表达式12，可以进一步提高BFSK和BPSK的方案。

第一个术语没有携带任何信息。

在这个公式中第二个术语与BPSK相似，并伴随着由sinΩt所形成的数据这样一个较小的差别。

因此，BFSK并没有分享BPSK的噪声电阻。

多频相移键控包含多级传输而非二进制数据，其总带宽B=2Mf，其中M为符码(码元)数，f s为符码率。

因此，M进制FSK比其它调制方案(如M进制PSK)要求有更宽的带宽。

与其它调制方案(如BPSK.)相比，随着M上升，误码率率下降。

在相移键控调制(PSK)系统中，载波的相位随着数据的变化而变化，通过保持载波幅度大体不变，本方案可提供较好的噪声阻抗。

将PSK 与ASK两者相结合可大大地提高频谱效率。

发送一个波形做为载波，用基带信号作为调制波就可实现二进制移相键控BPSK(BPSK信号也可视作调幅信号)。

在典型的PSK信号频谱中，主瓣 (90??以上的信号功率都集中在此 )和副瓣间的分贝差为14 dB。

如此高的副瓣会导致邻道干扰，因此需降低副瓣的功率。

通过对基带信号和低通滤波可有效抑制(尽管不能完全消除)不必要的副瓣信号。

然而，这样会造成有用信号失真，导致信号通道中某个数据位和其邻近数据位的局部重迭，这一现像被称为码间干扰。

可采用均衡滤波器使码间干扰ISI最小化。

如图6所示，可采用信号混频器相应地改变载波的幅度、相位或频率以实现对载波的调制，混频器输出两种信息状态，分别代表1和0。

与混频器相比，正交调制器可同时改变载波的任一参数(幅度、相位或频率)以表示相应信息。

正交调制器由一个移相器，两个混频器另加信号混频级组成。

正交调制器产生一个正交相位位移键控信号，该信号可用式13表示，其中：
QPSK基带信号的相位突变会引起高频频谱成分，频谱宽度也相对变宽。

基带的频谱范围较大，并随着载波的传输被移到载波附近，但其频结构不变。

当符码率为1/T s= 0.5T b,时，QPSK中的相位发生突变(可高达180度) ，T b为数据率。

这类相位突变会使载波幅度发生本质变化，导致QPSK通信系统中的故障。

许多系统在其发射机中采用非线性功率输出级以抑制幅度变化，然而，也因为其非线性，这些输出级会在主瓣范围外产生频谱成分，从而抵消带通限制过滤效应，并导致通道间干扰。

Staggered 或正交(偏移)QPSK (OQPSK), 将相位变化限制在90度 (常用来代替180度)。

通过将相移限制在90度，QPSK数据列被逐个延迟数据率的半个周期，信号
包封不会为0。

BPSK的误码率与 QPSK 及 OQPSK相同。

最小移频键控的一个重要特性就是其相位的连续性。

偏移正交相移调制QPSK 和MSK一样，调制后的传输数据占用半个正弦波周期。

MSK 的信号重迭为常量，避免了像OQPSK系统中的90度相位突变。

在MSK中，与正交载波相乘的基带信号波形比偏移四相相位键控OQPSK中陡峭的方波要平滑许多。

与此同时，MSK的主瓣频宽为QPSK主瓣频宽的1.5倍;而MSK的副瓣频宽较小，这使得滤波更为容易。

MSK的数学表达式为式14。

MSK信号为正交信号，其中的每项与数据相乘，为使其平滑，数据通过正弦波调制。

因其波形类似OQPSK的修改版，故也可称它为"shaped OQPSK."。

可将MSK信号按FSK信号形式显示。

通过使用三角等式，MSK的方程可为15式，式中两项的幅度可用式16中的EH 、 EL来取代，则MSK信号如式17所示。

若de(t) and do(t) 为双极值 +1、 1，与此同时EH、EL的值分别为0 、1。

尽管传输信号的幅度保持不变，但其角频率为 w H或 w L，有点像FSK信号。

至于位间隔T b,的正交状态，以下结果是令人满意的：
考虑到三角等式2sin(A)sin(B) = cos(A + B) cos(A B),，可见，在以下条件时信号可保持正交状态：
从而有21式。

当 m n = 1且f L≠ 0.时，可得f L与f H间的最小差值。

当m、n为最小值，即n = 1 且 m = 2时, 则 f H = 3fb/4 、 f L = fb/4. 当 w L w H = 2 Ω, 则Ω = 2π(fb/4). 正因如此，这一调制方案被称之为最小相移键控(MSK)
至此，输入数据已被调制成半个正弦波形。

在高斯MSK (GMSK)中,输入数据用高斯脉冲调制。

与MSK相比，其相移被降至小于π/2，且相位状态间的过渡也更平滑。

高斯脉冲的数学表达式如下：
其中：β=3dB带宽
在连续相位调制方案中，载波的相位变化更为平滑。

然而，若要使这一平滑的相位变化保持其连续性，就要将之前的符号(symbol)存储于存储器L，当L=1时，该调制方案亦为一个完整响应系统或二进制CPM(被定义为MSK)，当L大于1时，其为局部响应CPM方案。

与OQPSK或 MSK相比，连续相位调制方案之优势在于，它确保可快速频谱抑制及保证较窄的频谱。

若用MATLAB 及 Simulink对 MSK、GMSK调制器进行仿真，通道边界的功率等级优于80dB，这是因为按无线规定，临近通道的最大允许等级必须优于60dB。

通过以上仿真，所有的调制器都能达到这一要求。