数字通信系统的调制技术 翻译

引言

这个应用笔记介绍了数字解调的概念在如今许多通信系统中的应用。重点放在解释那些设计用来提高系统效率的设备。大多数通信系统涉及到这三个类别之一：带宽效率、电源效率和成本效益。带宽效率定义为一个调制方案将数据投放到有限的带宽上的能力。电源效率定义为通信系统在最低的实际功率下可靠地发送信息的水平。在大多数通信系统中，带宽效率放在很重要的位置上。要优化的参数取决于特定系统的要求，可以在下面两个例子见。

对于地面数字微波无线电的设计者来说，最重要的是优秀的带宽效率同是具有低的比特错误率。他们有足够的电源以供使用不用去担心电源效率。他们并不太关心接受者的费用或者容易程度因为他们不必建立庞大的数量。另一方面，手持蜂窝电话设计人员重视电源效率因为这些手机需要用电池运行。费用也同样放在很重要的位置因为蜂窝手机必须用低费用去吸引更多的消费者。所以，这些通信系统牺牲一些带宽效率去提高电源效率和降低成本。

每当这些关于效率的参数（带宽、电源和成本）其中之一增加的时候，另一个也会随之减少，或者变得更加复杂也可能在不好的环境下不能很好地工作。成本费用是系统中的重中之重。低成本无线电总是被需要的。在过去，通过牺牲电源和带宽效率来减低无线电成本是可能的。而如今情况已经改变了。无线电频谱是非常有价值的，而那些不能很好地运用频谱效率的设备将会没有市场或者在竞争中被

新产品所代替。这些权衡因素必须在数字射频通信系统设计中考虑清楚。

应用笔记介绍：

?用于移动数字调制的原因;

?信息如何调制到同相和正交信号上;

?不同种类的数字调制;

?过滤技术来节省带宽;

?在数字调制信号中的方法;

?复用技术用于共享传输信道;

?数字信道以及接受者如何工作;

?数字射频通信系统的测量;

?重要的数字通信系统的关键规格概述表;

?应用在数字射频系统中的一个术语表

这些概念在任何通信系统的建构中均存在。如果你明白了这些结构，那么你就能够明白现在或者未来的任何通信系统如何工作。

第一章为什们进行数字调制

移动数字调制提供了赋予更多信息的能力，更适合于数字数据服务，更高的数据安全性，更好品质的通信系统以及更快的系统可用性。通信系统的发展有以下几方面限制因素：

? 可用的带宽

? 可用功率

? 系统的固有噪声电平

射频频谱必须共享，然而随着通信系统服务的增长每天都有更多的用户需求频谱。数字调制方案与模拟调制方案相比有更大的能力去传送更多的信息。

1.1折衷的简单性以及带宽

这是一个设备复杂度与信息带宽间的折衷在通信系统中,简单的硬件可用于在发射机和接收机之间的信息交流,然而，这用到了许多频谱，频谱限制了用户的数量。另外，更复杂的发射器和接收器可以用于发射同样的信息在更少的带宽内。过渡到越来越高的频谱效率的发射技术需要越来越复杂的硬件设备。复杂的硬件设备是难以设计、测试和建造的。折衷存在于通信系统之中，无论这个系统是通过线或者空气，模拟或者数字的方式。

图1 设备复杂度与信息带宽间的折衷

1.2行业发展趋势

在过去的几年中，一种主要的转变发生在从简单的模拟AM、FM、PM调制到新型的数字调制技术。数字调制包括：

? QPSK (四相相移键控)

? FSK (频移键控)

? MSK (最小移频键控)

? QAM (正交振幅调制）

在许多新的通信系统中，复杂性的另一个层面是多路复用。两种主要类型的多路复用是TDMA (时分多址) 和CDMA (码分多址)。有两种不同的方式去增加信号的多样性允许不同的信号被彼此分离。

图2 行业的发展趋势

2.1 发送信息

通过空气去发送信息，主要通过三大步骤

1 让一种纯净的载体形成发送端

2 把信息调制到这个载体上发送出去。任何能够可靠地观察到的信息

参数特征变化都能承载信息

3 在接收端，信息的变化被观测后解调。

图3 发送信息（数字或者模拟）

2.2信号能被改变的参数特征

信号只有三中参数特征始终可以被改变：幅度、相位和频率。然而，相位和频率只是通过不同的方式去观测同样的信号变化

图4信号可以改变的参数特征

在AM调制中，高频载波信号的幅值被改变与调制信号瞬间幅值成比例符合。频率调制（FM）是当今通信系统下最被广泛应用的模拟调制技术。在FM调制下，载波信号的幅值保持为常数，然而它的

频率却随着调制信号而发生改变。幅度和相位可以同时分别进行调制，但是这很难做到，更难以观测到。所以，在实际的通信系统中，信号被分离成另一种独立的部分：I信号（同相信号）和Q信号（正交信号）。这两部分彼此成正交关系并且不容易互相干扰。

2.3极坐标图——同时显示幅度和相位

极坐标图能够方便的同时观察到幅度和相位。以载波的频率和相位作为参考值并且与信号相关的被改变。信号的幅度和相位可以在极坐标图中观察到。在通信系统中的载波，相位是一个值得参考的数，同样，幅度也绝对是一个值得参考的数值。两者同样应用于数字通信系统中。极坐标图是数字通信当中多重显示的基础，尽管它常常通过直角坐标的同步信号和正交信号用于描述信号的向量。

图5 极坐标图同时显示相位和幅度

2.4信号的变化在极坐标图中的表示

这些表格展现了不同的调制方法在极坐标图中的不同形态。幅度调制之后向量和中心位置会有一段距离，相位调制后会有一段角度形成。

信号调制时的变化

幅度调制（AM）只改变信号的幅度。相位调制（PM）也只改变信号的相位幅度调制和相位调制可以同时进行。频率调制（FM）看上去和相位调制十分相似，尽管它改变的变量是频率而不是相位。

通过一个简单的幅度调制系统可以看出射频系统设计中一个具体的难点。在幅度调制中产生不相关的角度调制之后，在极坐标图观察到的结果是一条直线。这条直线从原点到某一峰值或者振幅值。然而，在实际情况中这条线并不是笔直的。幅度调制经常带来一些不想要的小幅相位调制。结果就得到了一条弯曲的线。如果在系统传送过程中有一些延迟，这条线也可能变成一条环状曲线。在任何会改变幅度的调制中，这样的失真都是不可避免的。因此，在一个系统中幅度调制的有效程度会对畸变函数有影响。

2.5 同相信号、正交信号的形式

在数字通信系统中，调制通常通过同相信号和正交信号来表示。这是一个用矩形表示的极坐标图。在极坐标图中，I轴位于零度的位置，Q轴位于90度的位置。信号矢量在I轴的投影是信号的同相部分，在Q轴的投影是正交部分。

图7 I-Q图标

2.6在无线发送端的I、Q信号

I/Q图表的形式是非常有实际价值的，因为它可以反映出大多数数字信号是通过I、Q调制器产生的这种方式。在发送端，I信号和Q信号通过相同的本地振荡器相加而成。一个90度的角度调节器放在本地振荡器的一条线路上。被90度分离的信号就形成了我们所知道的相互正交信号，这样的正交信号不会出现互相干扰的现象。他们是信号的两个相互独立的组成部分。当再次向相加时，他们就组成了一个混合的输出信号。这两路相互独立的I、Q信号都可以通过简单的电路完成发送和接受的功能。I、Q调制的这种方法主要优点体现在融

合相互对称的独立信号形成一个混合的信号，并且在之后把这个混合信号分离成相互独立的信号

图8 IQ信号在实际无线电发射系统中

2.7在无线接收端的I、Q信号

这个带有幅度和相位信息的混合信号输入到达接收端。这个输入信号和本地振荡器通过两路不同频率的载波相融合。一路是任意的零相位。另一路是有90度的相位变化。这个（有相位和幅度调制组成的）混合的输入信号被分离成同相信号部分和正交信号部分。这两路信号是相互独立并且相互正交的。其中一个变化并不会影响到另一个。通常情况下，信号不能再极坐标的形式绘制出来，也不能没有把极坐标形式转化成直角坐标形式之前为它的矩形形状做出更多的阐释。这种极坐标到直角坐标的转换正是I、Q信号在无线数字端相加的过程。一个本地振荡器、角度调节器和两个加法器可以有效并且准确的完成这种转换。

图9 在接收端的IQ信号

2.8为什么要用I、Q信号的方法

通过I、Q调制器可以很轻松地完成数字调制。大多数数字调制系统在I、Q平面上映射出许多个离散点。这就是我们所说的星座图。当信号从一点移动到另一点时，幅度和相位调制同时产生。要去完成这种幅度和相位同时进行调制的调制器是十分难以做到的。这对常用的相位调制器来说是不可能做到的。理论上来说，需要无限相移的能力才能让信号从原点开始沿着一个方向形成一个圆。另外，I、Q调制器可以轻松地完成AM调制和PM调制同时进行。I、Q方式控制的信号是是有界限的，然而可以通过恰当的I、Q信号相位调制形成无限圆的相位调制。

第3章不同的数字调制方法和相对效率

这一章包括了主要的数字调制方式，他们的主要应用、相对频谱效率以及主要的调制方式在实际应用中的一些改变。幸运的是，构成任何系统的调制模块是有限的。

3.1应用

这个表格包括了无线通信系统和视频通信系统中不同的调制方式的具体应用。

调制方式应用

MSK,GMSK GSM,CDPD

BPSK 远空遥测，光缆调制

QPSK, π/4 DQPSK 卫星，

CDMA,NADC,TETRA,PHS,PDS,LMDS

,DVB-S,光缆，光缆调制，TFTS OQPSK CDMA，卫星

FSK,GFSK DECT,RAM移动数据，

AMPS,CT2,ERMES,陆地移动，

公共安全

8，16VSB 北美数字电视，广播，光缆

8PSK 卫星，航空，遥测飞行员监控宽

带视频系统

16QAM 数字微波调制，调制解调

器,DVB-S,DVB-T

32QAM 地面微波，DVB-T

64QAM DVB-C，调制解调器，宽带机顶

盒，MMDS

256QAM 调制解调器，DVB-C,数字视频

尽管这份笔记重点放在无线通信中，出于完整性的考虑视频应用也在这份表格中列出，并且因为他们和其他的无线通信系统有着相同之处。

3.1.1比特率和符号率

为了去理解并且比较不同调制方式的效率，首先去理解比特率和符号率的不同是十分重要的。通信系统信道中信号带宽需要参考的符号率而不是比特率。

比特率

=

符号率÷

数

每个传送符号的比特位

比特率是一个系统比特流的频率。比如，通过一个8比特的抽样器发射无线电，在10kHz对噪音进行抽样。比特率，这个无线电基本的比特流速率，将要以8比特乘以每秒10千的抽样频率，或者80kbits 每秒。图10是QPSK信号的一个状态图，这个状态可以从0映射到1.这是一种常见的映射，但不是唯一的一种。任何映射都可以被用到。

图10 比特率和符号率

符号率是比特率除以每个传送符号的比特位数。如果每个传送符号都是一比特，那么符号率和比特率都将是80kbits每秒。如果每个传送符号是两比特，那么符号率将会是比特率的一半就是40kbits每秒。

符号率同时也叫做波特率。注意，波特率和比特率是不同的，这里常出现概念的混淆。如果每个传送符号能带有更多的比特位，那么同样的数据能够在更少的频带中发送。这就是为什么那些更复杂、使用更多数量状态的调制可以再更少的射频频带上传送信息。

3.1.2频带要求

可以通过8PSK的例子来看到符号率是如何影响频带需求的。它是PSK的一种变形。信号可以在任何时候转换成8种可能的状态中的一种。信号的相位在任意一个抽样时间里可以是8个数值中的一个。因为32=8，所以每个符号是3比特。这意味着符号率是比特率的三分之一。这是比较容易解码的。

图11频带要求

3.1.3抽样时间

抽样时间代表频率和每个符号传送的确切时间。在抽样时间转换中，载波在一个恰当的I、Q数值（相位或者幅度）代表一个特定的符号（星座图的一个特定点）。

3.2相移键控调制

数字调制中一个最简单的方式是二进制相移键控（BPSK）。BPSK的其中一个应用是深空遥测。一个恒定幅度的载波信号的相位在0度和180度间移动。在I Q平面上，I状态代表两个不同的状态数值，在星座图中可能有两个不同的位置，所以二进制的1或者0可以被发送，符号率就是每个符号一比特。

图12 相移键控

一个更常见的相移键控调制方式就是四相相移键控调制（QPSK）。它在许多应用中得到广泛应用，包括CDMA蜂窝服务，本地无线网络，铱系统和DVB-S。四相表示这个信号键控调节使得每个相位状态相差90度。信号键控90的增量变化通常是45度到135度到-45度到-135度。这些点可以很容易的使用一个I、Q调制器实现。每一路I、Q线路都只有两个数值，并且使得每个符号是亮比特。这里有4种状态，因为2的平方是4，所以它相比BPSK而言具有差不多两倍的带宽效率。

3.3频移键控调制

频率调制和相位调制是十分相关的。一个静态的频率增加1赫兹的频率调制意味着相位在以每秒360度的速度向前（2弧度/秒），与相位不改变的信号相关。FSK应用到许多的日常应用中去包括无线寻呼系统，一些无线系统——DECT和CT2.。

在FSK中，载波的频率被调制波信号要传送的数据改变。幅值并没有被改变。在二进制FSK中，一个“1”代表一个频率，一个“0”带便另一个频率

图13 频移键控

3.4最小频移键控

由于频移的向前或者是相移的减速，频移可以通过在每个符号周期采样相位检测。相移或者2N+1倍的二分之一π弧度可以轻松地被I、Q 解调器检测到。在偶数个符号，I通道将发送数据，当奇数个信号时，Q通道将发送数据。I和Q之间的正交关系简化了算法，降低了在移动接收机端的功率消耗。最小频移键控由于I、Q正交的关系导致在每符号有正（负）90度的相移。这种偏差成为MSK信号。这种偏差必须是反复出现准确的90度相移。MSK应用于GSM蜂窝标准中。一

个相移增加90度代表一比特的数据“1”，一个负90度的变化代表“0”。这种峰峰值频移的MSK信号等于一般的比特率。

FSK和MSK产生包络恒定的载波信号，没有振幅变化。这对于提高发送端的电源效率来说也是一种理想的数字特性。幅值变化可以在放大器的幅值变化端非线性的表现出来。产生频谱再生，相邻信道功率的一部分。所以，高效放大器（往往不太会是线性的）恒定包络，降低功耗。相对大偏差的FSK来说，MSK具有更窄的频谱。频谱的宽度同样被波形所带来的频率变化所改变。如果这些波形有快速转换或者高转换率，那么发射端的频谱将会变得更宽。在实际应用中，波形将通过一个高斯滤波器过滤，形成更窄的频谱。另外，高斯滤波器没有时域限制，这使得通过增加峰值偏差来拓宽频谱变为可能。通过一个高斯滤波器的MSK成为GMSK（高斯最小频移键控）。

3.5正交幅度调制

数字调制家族的另一位成员是正交幅度调制（QAM）。QAM应用的范围包括无线数字微波，DVB-C和调制解调器。在16QAM中，I信号和Q 信号各有4个值，这使得信号一共有16种可能的状态。在每个符号时间都可以从一种状态过度到另一种状态。因为16=2的4次方，所以每个传送符号都是4比特。它是由两比特的I信号和两比特的Q信号组成的。它的符号率是比特率的4分之1.所以这种调制具有更高的频谱利用率。它相对BPSK，QPSK，8PSK来说都更有效率。注意QPSK 和4QAM是相同的。

另一种变形是32QAM，在这种情况里I或Q信号都具有6个值，使得最后一共可能有36种状态。这么多种状态和2的幂最接近的是32.四个角落的状态由于最耗费能源所以被忽略。这减少了传送段电源消耗达到峰值的次数。因为2的5次方是32，所以它的每个符号是5比特，并且符号率是比特率的5分之1。在3.1.1的无线电例子中比较过256QAM与BPSK调制的带宽效率。BPSK用80k符号率发送每符号1比特的数据。使用256调制方法的系统可以仅仅用8分之1的带宽发送同样的数据。它是BPSK带宽效率的8倍多。然而，这其中也有一种均衡。无线电发射变得更加复杂也带来更大的可能被噪音干扰产生误码。QAM系统和QPSK系统在有噪音干扰时相比，具有更高的误码率。衡量这种不足的标准就是误码率。

在任何数字调制系统中，如果输入端的信号被扭曲或者严重衰减，那么在接收端最终都会失去信号时钟。如果接收端不能恢复信号时钟，它将不能解调或者说不能恢复任何数据。如果这种退化更少，那么信号时钟可以被恢复，可是如果它充满噪声，那么信号所在的位置也会充满噪声。同样的，信号将远远达不到它指定的位置，它将跨越到相邻的位置。在解调中使用的I、Q探测器将会错误解调使得信号到错误的位置中，导致比特错误。QPSK虽然效率不高，但是各个状态都在星座图的四个角落相隔很远这使得解调过程不容易产生错误解调。QPSK和同样误码率的QAM发送端相比具有更能小的电源消耗。

图14 QAM调制

3.6理论上的带宽效率限制

带宽效率描述的是如何有效地分配带宽加以利用或者说在有限的带宽内，调制方案如何适应数据。这个表格展示了各个主要调制方式的理论带宽效率限制。值得注意的是这些理论数值在实际状况下是不可能达到的，因为它要求完美的调制器，解调器，滤波器和信道。

调制方式和理论上的带宽效率限制

如果无线传送具有完美的滤波器（在频域是矩形的样子）那么被占用的带宽可以等于符号率。

为最大限度的提高频谱效率的技术，包括以下内容：

·将数据率做频移（像GSM）

·使用预调制滤波器减少占用的带宽，升余弦滤波器，如同在NADC,PDC,PHS,中带来的最佳频谱效率

·限制转换的类型

3.7在实际无线系统中频谱效率的例子

举QPSK的例子来说，QPSK信号1,1信号归一化变为-1.-1当I、Q 通道的+1值同时变为-1时，信号的星座图轨迹会通过原点。原点代表载波幅度为0。幅值为0表示此时的载波幅度为0。

并不是所有的QPSK变化，都会导致星座图轨迹会经过原点。如果I 的值改变但是Q没有改变，那么载波幅度只会改变一点，并不会经过原点。所以一些信号转化系统只会产生很小的幅值变化。如果时钟恢复电路要使得接收端时钟和发送端时钟所同步就必须解决这些不确定的幅值变化。

频谱再生不会自动地使得这些轨迹通过或者接近原点。如果放大器和连接电路是完美地线性系统，那么频谱并不会改变。问题是电路中总会存在一些非线性的因素。

幅值变化始终很大的信号会使非线性关系变得最大。这样的非线性关系会导致最后的失真。在连续调制系统中，会导致频谱再生或者扩大调制边带。用在这方面的另一个属于是“频谱飞溅”。这个词常用在在一个信号脉冲出现和消失的时候造成信号的带宽增加。

从这个例子中可以看出频谱效率在实际无线系统中已经实现。

TDMA版本的NADC系统中实现了48千位每秒的数据率在30 kHz的带

DQPSK的系统并且传送宽或 1.6比特每秒每赫兹。它是一个基于

4

2比特每符号。理论效率是每秒两位每赫兹在实际中是1.6比特每秒每赫兹。

另一个例子是，采用16QAM微波数字无线。这种信号比简单的系统诸如QPSK相比更容易受到噪声和失真。这种类型的信号通常被发送到可以直接观察到的微波上或者有线的线路使得噪声和干扰都很少。在这种微波数字无线系统中，比如比特率是140M比特每秒在52.5M这样非常宽的带宽上。频谱效率就是2.7比特每秒每赫兹。要实现这一点，需要一个非常明确的可见的传输路径和一个精确和优化的高功率收发器。

数字调制方式的变化

从3.2到3.4概述了多个调制方式的不同模块。在通信系统中一共有3大种不同的变化在基本模块的基础上：I、Q偏移调制，差分调制，恒定包络调制。

3.8I、Q偏移调制

第一变化是偏移调制。一个实例是偏移QPSK，这场常用语蜂窝CDMA 系统的反向（手机到基地）链接。

在QPSK中，I和Q比特流同时被调制。抽样时间，或者I和Q数字信号时间是同步的。在偏移QPSK中，I和Q比特流的是由一个比特周期偏移在它们的相对取向（一半的比特周期）。正如图标所示，从I过度到Q是偏移的，在任何给定时间只有两个比特流中的一个可变