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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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）。
B 2(m f 1) Fm
（2-4）
由于FDM信号的波形与热噪声的波形 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）Fra bibliotek 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。
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）。
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。
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。
(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
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
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。
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。
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。
2.1 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
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
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。
(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：
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