第五章軟件無線電基本算法

1、第五章第五章 軟件無線電軟件無線電中的信號處理算法中的信號處理算法主講人：李玉柏主講人：李玉柏本章主要內容本章主要內容 5.1 軟件無線電中的調制算法軟件無線電中的調制算法5.1.1 信號調制通用模型信號調制通用模型 在當代通信中，通信信號的種類繁多，如果在當代通信中，通信信號的種類繁多，如果按照常規(guī)的方法，產生一種信號就要一種硬件電按照常規(guī)的方法，產生一種信號就要一種硬件電路，那么，要使一個通信機產生多種信號，其電路，那么，要使一個通信機產生多種信號，其電路就會極其復雜，體積、重量都會很大。路就會極其復雜，體積、重量都會很大。 軟件無線電中，各種調制信號是以一個通用軟件無線電中，各種調制信號

2、是以一個通用的數字信號處理平臺為支撐，利用各種軟件來產的數字信號處理平臺為支撐，利用各種軟件來產生的。生的。信源信源I I多相濾波多相濾波相乘相乘信源信源Q Q多相濾波多相濾波相乘相乘相加相加tCcostCsin正交調制的實現框圖正交調制的實現框圖 從理論上來說，各種信號都可以用正交調制的從理論上來說，各種信號都可以用正交調制的方法來實現，其表達式：方法來實現，其表達式： 調制信號的信息都應該包括在調制信號的信息都應該包括在I(t)和和Q(t)內。另內。另外，由于各種調制信號都在數字域實現的，因此，外，由于各種調制信號都在數字域實現的，因此，在數字域上實現時要對上式進行數字化。在數字域上實現時

3、要對上式進行數字化。)sin()()cos()()(ttQttItsCC)sin()()cos()()(SCSCnnQnnIns5.1.2 模擬信號調制算法模擬信號調制算法1.調頻（調頻（FM） 調頻就是載波頻率隨調制信號成線性變化的調頻就是載波頻率隨調制信號成線性變化的一種調制方式。一種調制方式。)(cos()(0dttktAtstfC令：令：將將s(t)的表達式展開，帶入的表達式展開，帶入u(t)化簡，可得：化簡，可得： 可以看出：可以看出：dttktf)(0sin)sin(cos)cos()(tAtAtsCCsin)(cos)(tQtI2、調幅（、調幅（AM） 調幅就是使載波的振幅隨調制

4、信號的變化規(guī)律而調幅就是使載波的振幅隨調制信號的變化規(guī)律而變化。變化。 從信號表達式中，我們很容易得出：從信號表達式中，我們很容易得出：ttmAtsCacos)(1 ()(0)()(1 ()(tQtmAtIa3、雙邊帶信號（、雙邊帶信號（DSB） 雙邊帶信號是由載波同調制信號直接相乘得到的，雙邊帶信號是由載波同調制信號直接相乘得到的，只有上、下邊帶分量，無載波分量。只有上、下邊帶分量，無載波分量。 要實現正交信號只需令：要實現正交信號只需令：ttAtsCcos)()(0Q(t) );()(tAtI4、單邊帶信號（、單邊帶信號（SSB) SSB是濾除雙邊帶信號的一個邊帶而得到的。是濾除雙邊帶信號

5、的一個邊帶而得到的。 LSSB表達式：表達式： USSB表達式：表達式： 其中，其中， 代表代表Hilbert變換。變換。)sin()()cos()()(tttttsCC)sin()()cos()()(tttttsCC)(t對對LSSB: 對對USSB:);()();()(ttQttI);()();()(ttQttI5.1.3 數字信號調制算法數字信號調制算法1、振幅鍵控信號（、振幅鍵控信號（2ASK） 一個二進制的振幅鍵控信號可以表示為一個單極一個二進制的振幅鍵控信號可以表示為一個單極性脈沖和一個正弦信號相乘。性脈沖和一個正弦信號相乘。)cos()()(ttmtsC其中，其中，m(t)為單極

6、性脈沖，可以表示為：為單極性脈沖，可以表示為： ( g(t)是持續(xù)時間為是持續(xù)時間為T的矩形脈沖，的矩形脈沖， an 是信號源給出的二進制符號）是信號源給出的二進制符號）要實現正交調制，只要令：要實現正交調制，只要令： I(t) = 0 Q(t) = m(t)()(nTtgatmnn2、二進制頻移鍵控信號（、二進制頻移鍵控信號（2FSK） 2FSK是符號是符號0對應載波頻率為對應載波頻率為w1，符號，符號1對應載波對應載波頻率為頻率為w2的以調波形。的以調波形。)cos()()cos()()(2_1tnTtgatnTtgatfnnnn)()(; 0)()(_tmtQtIaann的反碼的反碼是是

7、3、二進制相移鍵控信號（、二進制相移鍵控信號（2PSK） 2PSK方式是鍵控的載波相位按基帶脈沖序列的規(guī)方式是鍵控的載波相位按基帶脈沖序列的規(guī)律而改變的數字調制方式。律而改變的數字調制方式。 ( an取值為取值為1；發(fā)；發(fā)0時取時取1，發(fā)，發(fā)1時取時取-1）)cos()()(tnTtgatsnCn4、DPSK調制：調制： DPSK調制是利用前后相鄰碼元調制是利用前后相鄰碼元的相對載波相位去表示數字信息的一種表示方式。的相對載波相位去表示數字信息的一種表示方式。它與它與PSK的區(qū)別僅僅在于編碼方式不同。的區(qū)別僅僅在于編碼方式不同。5、M進制數字頻率調制（進制數字頻率調制（MFSK）：）：MFSK

8、是是FSK的直接推廣！的直接推廣！ 式中，式中， m (m = 0, 1, , M-1) 是與是與an 相對應的相對應的載波角頻率偏移載波角頻率偏移)cos()()(ttnTtgtsmnC6、M進制數字振幅調制（進制數字振幅調制（MASK）7、四進制數字相位調制（、四進制數字相位調制（QPSK） 是受信息控制的相位參數，它有四種可能是受信息控制的相位參數，它有四種可能的取值。對的取值。對QPSK而言：而言： MASK與與ASK在調制方式上無本質的區(qū)別。在調制方式上無本質的區(qū)別。 an為信源給出的為信源給出的M進制電平。進制電平。)cos()()(tnTtgatfnCn)cos()()(nnCt

9、nTtgts)(nnnnnnTtgtQnTtgtI )sin()()( )cos()()(8、正交振幅調制（、正交振幅調制（QAM） QAM是一種多進制混合調幅調相的調制方式。通是一種多進制混合調幅調相的調制方式。通常用星座圖可以直觀的表示出來。常用星座圖可以直觀的表示出來。QAM信號的數學表達式為：信號的數學表達式為：只要令：只要令： 就可以實現就可以實現QAM信號了。信號了。nnCnCntnTtgbtnTtgats )sin()()cos()()(nnnnnTtgbnTtgatI )(Q(t) )()(9、最小頻移鍵控（、最小頻移鍵控（MSK） 所謂所謂MSK，就是調制指數最?。ǎ褪钦{制

10、指數最?。╤=0.5)的連續(xù)相位的的連續(xù)相位的FSK。 式中式中T為碼元寬度，為碼元寬度，an為為1， 是第是第n個碼元的起始相位個碼元的起始相位 只要把數據進行適當的編碼，同樣可以用調頻的方法實現只要把數據進行適當的編碼，同樣可以用調頻的方法實現MSK信號的調制信號的調制)2cos()(nknCtTattsn時；時；111 nnnnnnnaanaa10、GMSK信號信號 GMSK調制就是把輸入數據經過高斯低通濾波器調制就是把輸入數據經過高斯低通濾波器進行預調制濾波后，再進行進行預調制濾波后，再進行MSK調制信號的數字調制信號的數字調制方式。調制方式。 這種信號具有恒復包絡，功率譜集中，頻譜較

11、這種信號具有恒復包絡，功率譜集中，頻譜較窄等特點。窄等特點。 5.2 軟件無線電解調算法軟件無線電解調算法5.2.1 信號解調通用模型信號解調通用模型 軟件無線電幾乎所有的功能都靠軟件來實現，軟件無線電幾乎所有的功能都靠軟件來實現，解調也不例外。從理論上說，正交解調法可以對所解調也不例外。從理論上說，正交解調法可以對所有的樣式進行解調，所以，在軟件無線電中，選取有的樣式進行解調，所以，在軟件無線電中，選取了數字正交解調法。了數字正交解調法。 根據以上思想，我們可以構建一個通用模型，根據以上思想，我們可以構建一個通用模型，通過加載不同的軟件來實現對所有信號的解調。通過加載不同的軟件來實現對所有信

12、號的解調。LPFLPFNCO解解調調算算法法解調輸出解調輸出)cos(nC)sin(nC)(ns)(nXI)(nXQ數字正交解調的通用模型數字正交解調的通用模型 盡管調制的樣式多種多樣，但實質上不外乎盡管調制的樣式多種多樣，但實質上不外乎用調制信號去控制載波的某一個或者幾個參數。用調制信號去控制載波的某一個或者幾個參數。因此，一般的已調信號都可以表示成：因此，一般的已調信號都可以表示成： 的形式。的形式。 通過對上式的分解，我們可以得到：通過對上式的分解，我們可以得到： 令：令：)(cos)()(nnnAnsC)(sin)sin()()(cos)cos()()(nnnAnnnAnsCC)(si

13、n)()()(cos)()(nnAnXnnAnXQI 則則 s(n) 可以表示成：可以表示成： 顯然，顯然，XI(n) 為同相分量，為同相分量，XQ (n) 為正交分量。為正交分量。 因此，解調的關鍵是求出因此，解調的關鍵是求出 XI (n) 與與 XQ (n)，因，因為信號信息都包含在里面了。為信號信息都包含在里面了。 載頻同步載頻同步 載波相位同步載波相位同步 碼流頻率同步碼流頻率同步 I/Q提取機帶信號提取機帶信號)(sin)()(cos)()(nnXnnXnsQI 知道了知道了XI (n)與與 XQ (n)，我們可以對各式各樣的，我們可以對各式各樣的信號進行解調。總的說來，信號的調制方

14、式包含在信號進行解調?？偟恼f來，信號的調制方式包含在一下三大類中：一下三大類中： 調幅（調幅（AM）調制）調制 調相（調相（PM）調制）調制 調頻（調頻（FM）調制）調制 針對信號的調制方式，我們可以這樣來解調：針對信號的調制方式，我們可以這樣來解調：1. AM類類2. PM類類3. FM類類22)()()(nXnXnAQI)()()(nXnXarctgnIQ) 1() 1()()()(nXnXarctgnXnXarctgnfIQIQ 在調相類與調頻類的解調中，對在調相類與調頻類的解調中，對 的計算時的計算時要進行除法與反正切運算，這對非專用的數字處理要進行除法與反正切運算，這對非專用的數字處

15、理器來說是比較復雜的。因此，我們不得不尋求其他器來說是比較復雜的。因此，我們不得不尋求其他的方法來解決這個問題。的方法來解決這個問題。)(n)() 1()() 1( )1()()()1()()( )()()()( )()()()()()( )( )(22nXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnXnnfIQQIIIQQQIQIQIQIQIQI5.2.2 模擬信號解調算法模擬信號解調算法1. AM解調解調 解調方法：解調方法： （1）根據通用模型求出）根據通用模型求出XI(n)與與 XQ(n) （2）按照調幅類解調方法求出）按照調幅類解調方法求出A(n)sin

16、()()()cos()()(00nAnXnAnXQI)()()(22nAnXnXQI3）在）在AM調制中，調制中， （m (n)為調為調制信號）所以，只需減去一個常數，就能得到調制信號）所以，只需減去一個常數，就能得到調制信號制信號 m (n) 由于一些原因，本地載波和信號載波并不能夠由于一些原因，本地載波和信號載波并不能夠嚴格地同頻同相，但是，因為嚴格地同頻同相，但是，因為正弦和余弦的平方正弦和余弦的平方和恒等于和恒等于1，所以，這種，所以，這種“失配失配”并不影響我們的并不影響我們的解調。解調。)()(0nmAnA2. DSB解調（調幅類）解調（調幅類） （1）根據通用模型求出）根據通用模

17、型求出XI (n)與與 XQ (n) （2）按照調幅類解調方法求出）按照調幅類解調方法求出A(n) （3）在）在DSB調制中，調制中，A(n)就是調制信號就是調制信號 m(n)0)()()(nXnmnXQI)()()(22nAnXnXQIDSB信號解調時要求本地載頻與信號載頻同相，信號解調時要求本地載頻與信號載頻同相，此時，同相分量的輸出就是解調信號。就不必在此時，同相分量的輸出就是解調信號。就不必在進行上述第二步的運算。同頻同相本地載波的提進行上述第二步的運算。同頻同相本地載波的提取，可以利用數字科斯塔斯環(huán)獲得。取，可以利用數字科斯塔斯環(huán)獲得。3. SSB解調（調幅類）解調（調幅類） 方法方

18、法1：通用解調模型：通用解調模型 1）根據通用模型求出）根據通用模型求出 XI(n) 與與 XQ(n) 2）由）由SSB表達式可知，表達式可知， XI(n)就是調制信號就是調制信號m (n)()()()(nmnXnmnXQI SSB解調方法二：解調方法二： 該方法主要利用了該方法主要利用了Hilbert變換的性質，即：變換的性質，即：Hilbert變換NCO)sin(nC)cos(nC)(ns解調輸出解調輸出)cos()()sin()()sin()()cos()(nnmnnmHnnmnnmHCCCC按照上圖的運算過程有：按照上圖的運算過程有： 所以，經上述運算就可以解調出調制信號所以，經上述運

19、算就可以解調出調制信號)( )(sin)()(cos)( )sin()()cos()(22nmnnmnnmnnsnnsCCCC4. FM解調解調 （1）根據通用模型求出）根據通用模型求出XI(n)與與 XQ(n) （2）按照調頻類解調方法求出）按照調頻類解調方法求出f(n)(sin()()(cos()(0000nmkAnXnmkAnXQI正交分量：正交分量：同相分量：同相分量：0)()(nmkXXarctgnIQ)() 1()()(nkmnnnf 3）可以看出，在）可以看出，在FM中，中，f(n)就是調制信號就是調制信號m(n)乘乘上一個系數。同上一個系數。同AM信號一樣，信號一樣，FM信號用

20、正交解信號用正交解調方法解調時，有較強的抗載頻失配能力。當本調方法解調時，有較強的抗載頻失配能力。當本地載頻與信號載頻存在頻差和相差時，同相分量地載頻與信號載頻存在頻差和相差時，同相分量和正交分量可以表示為：和正交分量可以表示為：)(sin()()(cos()(00nnmkAnXnnmkAnXQI 同樣對正交與同相分量之比值進行反切及差分同樣對正交與同相分量之比值進行反切及差分運算，就可以得到：運算，就可以得到： 由此可見，當載波失配和差相是常量時，解調由此可見，當載波失配和差相是常量時，解調輸出只不過增加了一個直流分量輸出只不過增加了一個直流分量 ，減去該分量，減去該分量，就可以得到解調信號

21、。就可以得到解調信號。)( )1() 1()( ) 1() 1()()()(nkmnnmknnmknXnXarctgnXnXarctgnIQIQ5.2.3 數字調制信號的算法數字調制信號的算法1. ASK解調解調 （1）根據通用模型求出）根據通用模型求出XI(n)與與 XQ(n) （2）按照調幅類解調方法求出）按照調幅類解調方法求出A(n)sin()()()cos()()( 00mnganXmnganXmmQmmI正交分量：正交分量：同相分量：同相分量：mmQImnganXnXnA)()()()(22 （3）對于）對于ASK信號信號,只需要抽樣判決，就可以得到只需要抽樣判決，就可以得到調制碼元

22、調制碼元 am 。 ASK信號的正交解調性能和信號的正交解調性能和AM一樣，具有較強一樣，具有較強的抗載頻失配能力。（的抗載頻失配能力。（MASK信號的解調方法與信號的解調方法與ASK一樣）一樣）2. FSK解調解調 （1）根據通用模型求出）根據通用模型求出XI(n)與與 XQ(n) （2）按照調頻類解調方法求出）按照調頻類解調方法求出f(n)sin()()()cos()()( 00namngAnXnamngAnXmmQmmI正交分量：正交分量：同相分量：同相分量：) 1() 1()()()(nXnXarctgnXnXarctgnfIQIQmmamng)( （3）對）對FSK信號，在計算出瞬時

23、頻率信號，在計算出瞬時頻率f(n)后，對后，對f(n)經抽樣門限判決，即可得到調制信號經抽樣門限判決，即可得到調制信號am 。 （MFSK信號的解調方法與信號的解調方法與FSK一樣）一樣）3. MSK解調解調 （1）根據通用模型求出）根據通用模型求出XI(n)與與 XQ(n) （2）按照調頻類解調方法求出）按照調頻類解調方法求出f(n)2sin()()()2cos()()( 00mmmQmmmIXnaTmngAnXXnaTmngAnX正交分量：正交分量：同相分量：同相分量：) 1() 1()()()(nXnXarctgnXnXarctgnfIQIQmmmXaTnf2)(（3）抽樣判決，恢復碼元

24、）抽樣判決，恢復碼元 （GMSK與與SFSK的解調方式與的解調方式與MSK相同）相同）4. PSK解調解調 （1）根據通用模型求出）根據通用模型求出XI(n)與與 XQ(n) （2）按照調相類解調方法求出）按照調相類解調方法求出)sin()()()cos()()( 00mmQmmImngAnXmngAnX正交分量：正交分量：同相分量：同相分量：mmIQmngnXnXarctgn)()()()(（3）對）對PSK信號，計算出瞬時相位信號，計算出瞬時相位 后，后， 對對 進行抽樣判決，即可得到調制信號進行抽樣判決，即可得到調制信號 。 【注意注意】在解調時，需要本地載波與信號載波嚴在解調時，需要本

25、地載波與信號載波嚴格的同頻同相，才能計算出格的同頻同相，才能計算出 ，同頻同相可由，同頻同相可由數字科斯塔斯環(huán)獲得。數字科斯塔斯環(huán)獲得。 （MPSK信號的解調方法與信號的解調方法與PSK類似）類似）)(nm)(n)(n5. QPSK信號解調信號解調 方法一：方法一： 將將QPSK可以看成兩個可以看成兩個BPSK信號的組合。信號的組合。 （1）根據通用模型求出）根據通用模型求出XI(n)與與 XQ(n)sin()()cos()()(nmngbnmnganSCmmCmm)()()()( mngbnXmnganXmmQmmI正交分量：正交分量：同相分量：同相分量：（2）分別對）分別對XI(n)與與

26、XQ(n)進行抽樣判決，即進行抽樣判決，即 可恢復出并行數據?？苫謴统霾⑿袛祿?（3）并串轉換，得到調制信號）并串轉換，得到調制信號 (OQPSK信號的解調與信號的解調與QPSK類似）類似）QPSK信號解調信號解調方法二：方法二： QPSK的一般表達式為：的一般表達式為： （1）正交分解可得：）正交分解可得：nnCnnTtgnS)cos()()(nnnnnTtgtQnTtgtI)sin()()()cos()()( （2）計算出）計算出 ，并算出，并算出 的值的值 （3）根據）根據 的值查表的值查表n1nn編碼編碼00011011090180270QPSK信號解調摸板信號解調摸板6. QAM解

27、調解調 （1）根據通用模型求出）根據通用模型求出XI(n)與與 XQ(n) （2）分別對）分別對XI(n)與與 XQ(n)進行抽樣判決，即進行抽樣判決，即 可恢復出并行數據。可恢復出并行數據。 （3）并串轉換，得到調制信號）并串轉換，得到調制信號)()()()( mngbnXmnganXmmQmmI正交分量：正交分量：同相分量：同相分量： 5.3 軟件無線電中的同步技術軟件無線電中的同步技術 在相干解調時，接收端需要提供一個與接收信在相干解調時，接收端需要提供一個與接收信號中的調制載波同頻同相的相干載波。這個載波號中的調制載波同頻同相的相干載波。這個載波的獲取稱為載波提取或的獲取稱為載波提取或

28、載波同步載波同步。載波同步是實。載波同步是實現相干解調的先決條件?，F相干解調的先決條件。 在數字通信中，還需要知道碼元的起始時刻以在數字通信中，還需要知道碼元的起始時刻以及幀的開始與結束，故還需要及幀的開始與結束，故還需要幀同步幀同步與與位同步位同步。 本節(jié)主要討論了一些同步技術。本節(jié)主要討論了一些同步技術。5.3.1 載波同步載波同步 載波同步的方法可以分為兩類：載波同步的方法可以分為兩類： 第一類：第一類：插入導頻法插入導頻法. 發(fā)送有用信號的同時發(fā)送導頻信號發(fā)送有用信號的同時發(fā)送導頻信號 （極少采用）（極少采用） 第二類：第二類：直接法直接法. 從收到的信號中提取。從收到的信號中提取。

29、1） 平方變換法平方變換法 2） 同相正交鎖相環(huán)法同相正交鎖相環(huán)法 3） DSP通過軟件實現通過軟件實現 這種方法是設法從接收信號中提取同步載波。這種方法是設法從接收信號中提取同步載波。有些信號，如有些信號，如DSB-SC、PSK等，它們雖然本身不等，它們雖然本身不直接含有載波分量，但經過某種非線性變換后，直接含有載波分量，但經過某種非線性變換后，將具有載波的諧波分量，將具有載波的諧波分量， 因而可從中提取出載波因而可從中提取出載波分量來。下面介紹幾種常用的方法。分量來。下面介紹幾種常用的方法。1）平方變換法）平方變換法 所謂平方變換法就是對輸入信號進行平方后，所謂平方變換法就是對輸入信號進行

30、平方后，獲取所需的載波。原理圖如下：獲取所需的載波。原理圖如下：直接法載波同步直接法載波同步平方律部件平方律部件2fS 窄帶濾波器窄帶濾波器二分頻器二分頻器信號輸入信號輸入載波輸出載波輸出平方法載波同步平方法載波同步此方法廣泛用于建立抑制載波雙邊帶信號的載波此方法廣泛用于建立抑制載波雙邊帶信號的載波同步。同步。設調制信號設調制信號m(t)無直流分量，則抑制載波無直流分量，則抑制載波的雙邊帶信號為：的雙邊帶信號為： 接收端將該信號經過非線性變換接收端將該信號經過非線性變換平方律平方律器件后得到：器件后得到：)cos()()(ttmtsC)2cos()(21)(21)cos()()(222ttmt

31、mttmteCC 上式的第二項包含有載波的倍頻上式的第二項包含有載波的倍頻2c的分量。的分量。若用一窄帶濾波器將若用一窄帶濾波器將2c頻率分量濾出，再進行二頻率分量濾出，再進行二分頻，就可獲得所需的相干載波。分頻，就可獲得所需的相干載波。2）正交鎖相環(huán)法（科斯塔斯鎖相環(huán)）正交鎖相環(huán)法（科斯塔斯鎖相環(huán)）LPFLPFVCO2環(huán)路濾波環(huán)路濾波信號輸入信號輸入I支路支路Q支路支路科斯塔斯環(huán)原理框圖科斯塔斯環(huán)原理框圖V1V2V3V5V4V6Vd輸出信號輸出信號 在此環(huán)路中，壓控振蕩器（在此環(huán)路中，壓控振蕩器（VCO）提供兩路互）提供兩路互為正交的載波，與輸入接收信號分別在同相和正交為正交的載波，與輸入接

32、收信號分別在同相和正交兩個鑒相器中進行鑒相，經低通濾波之后的輸出均兩個鑒相器中進行鑒相，經低通濾波之后的輸出均含調制信號，含調制信號， 兩者相乘后可以消除調制信號的影響，兩者相乘后可以消除調制信號的影響， 經環(huán)路濾波器得到僅與相位差有關的控制壓控，從經環(huán)路濾波器得到僅與相位差有關的控制壓控，從而準確地對壓控振蕩器進行調整。而準確地對壓控振蕩器進行調整。 設輸入的抑制載波雙邊帶信號為：設輸入的抑制載波雙邊帶信號為： 并假定環(huán)路鎖定，且不考慮噪聲的影響，則并假定環(huán)路鎖定，且不考慮噪聲的影響，則 VCO輸出的兩路互為正交的本地載波分別為輸出的兩路互為正交的本地載波分別為 式中，式中，為為VCO輸出信

33、號與輸入已調信號輸出信號與輸入已調信號 載波之間的相位誤差。載波之間的相位誤差。ttmCcos)()sin()cos(21tvtvCC信號信號 分別與分別與v1、 v2相乘后得相乘后得 經低通濾波后分別為經低通濾波后分別為ttmCcos)()2cos()cos(21 )cos(cos)(3ttmtttmvCCC)2sin()sin(21 )sin(cos)(4ttmtttmvCCCcos)(215tmv sin)(216tmv 低通濾波器應該允許低通濾波器應該允許m(t) 通過。通過。V5、V6 相乘產生誤差信相乘產生誤差信號。號。 當當m(t)為矩形脈沖的雙極性數字基帶信號時，為矩形脈沖的雙

34、極性數字基帶信號時， 即使即使 m(t) 不為矩形脈沖序列，式中的不為矩形脈沖序列，式中的 可以分解為可以分解為直流和交流分量。由于鎖相環(huán)作為載波提取環(huán)時，直流和交流分量。由于鎖相環(huán)作為載波提取環(huán)時， 其環(huán)其環(huán)路濾波器的帶寬設計的很窄，只有路濾波器的帶寬設計的很窄，只有m (t) 中的直流分量可中的直流分量可以通過，因此以通過，因此vd可寫成：可寫成： 如果我們把圖中除環(huán)路濾波器（如果我們把圖中除環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器）和壓控振蕩器（VCO）以外的部分看成一個等效鑒相器（）以外的部分看成一個等效鑒相器（PD），其輸），其輸出出vd正是我們所需要的誤差電壓。正是我們所需要的誤差電壓。2s

35、in)(812tmvd1)(2tm)(2tm2sinddkv 通過環(huán)路濾波器濾波后去控制通過環(huán)路濾波器濾波后去控制VCO的相位和頻率，的相位和頻率，最終使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數值，而最終使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數值，而 Vd 沒有剩余頻差（即頻率與沒有剩余頻差（即頻率與c同頻）。此時同頻）。此時VCO的的輸出輸出 V1= cos(ct+) 就是所需的同步載波，而就是所需的同步載波，而 V5= 1/2 m(t)cos1/2 m(t) 就是解調輸出。就是解調輸出。 5.3.2 位同步位同步 位同步是指在接收端的基帶信號中提取碼元位同步是指在接收端的基帶信號中提取碼元定時的過程。定時的過程。

36、它與載波同步有一定的相似和區(qū)別。它與載波同步有一定的相似和區(qū)別。載波同步是相干解調的基礎，而位同步是定時的載波同步是相干解調的基礎，而位同步是定時的基礎?；A。位同步是正確取樣判決的基礎，只有數字通信才位同步是正確取樣判決的基礎，只有數字通信才需要，需要， 并且不論基帶傳輸還是頻帶傳輸都需要位并且不論基帶傳輸還是頻帶傳輸都需要位同步；所提取的位同步信息是頻率等于碼速率的同步；所提取的位同步信息是頻率等于碼速率的定時脈沖，相位則根據判決時信號波形決定，可定時脈沖，相位則根據判決時信號波形決定，可能在碼元中間，也可能在碼元終止時刻或其他時能在碼元中間，也可能在碼元終止時刻或其他時刻。實現方法也有刻

37、。實現方法也有插入導頻法（外同步法）插入導頻法（外同步法）和和直直接法（自同步法）。接法（自同步法）。1、自同步（直接法）、自同步（直接法） 這一類方法是發(fā)端不專門發(fā)送導頻信號，而直這一類方法是發(fā)端不專門發(fā)送導頻信號，而直接從接收的數字信號中提取位同步信號。這種方法接從接收的數字信號中提取位同步信號。這種方法在數字通信中得到了最廣泛的應用。常常通過濾波在數字通信中得到了最廣泛的應用。常常通過濾波法，延遲相干法，鎖相等方法實現。法，延遲相干法，鎖相等方法實現。 1）波形變換）波形變換-濾波法濾波法 不歸零的隨機二進制序列，不論是單極性還是不歸零的隨機二進制序列，不論是單極性還是雙極性的，雙極性的

38、， 當當P(0)=P(1)=1/2時，都沒有時，都沒有f=1/T，2/T等線譜，因而不能直接濾出等線譜，因而不能直接濾出f=1/T的位同步信號分的位同步信號分量。但是，若對該信號進行某種變換，例如，變成量。但是，若對該信號進行某種變換，例如，變成歸零的單極性脈沖，其譜中含有歸零的單極性脈沖，其譜中含有f=1/T的分量，然的分量，然后用窄帶濾波器取出該分量，再經移相調整后就可后用窄帶濾波器取出該分量，再經移相調整后就可形成位定時脈沖。形成位定時脈沖。 這種方法的原理框圖如下圖所示。它的特點是這種方法的原理框圖如下圖所示。它的特點是先形成含有位同步信息的信號，再用濾波器將其取先形成含有位同步信息的

39、信號，再用濾波器將其取出。出。 圖中的波形變換電路可以用微分、整流來實現。圖中的波形變換電路可以用微分、整流來實現。波形變換波形變換窄帶濾波窄帶濾波移相移相脈沖形成脈沖形成基帶信號基帶信號濾波法原理圖濾波法原理圖 這是一種從頻帶受限的中頻這是一種從頻帶受限的中頻 PSK 信號中提取信號中提取位同步信息的方法，其波形圖如下圖所示。當接位同步信息的方法，其波形圖如下圖所示。當接收端帶通濾波器的帶寬小于信號帶寬時，使頻帶收端帶通濾波器的帶寬小于信號帶寬時，使頻帶受限的受限的 2PSK 信號在相鄰碼元相位反轉點處形成信號在相鄰碼元相位反轉點處形成幅度的幅度的“陷落陷落”。經包絡檢波后得到圖。經包絡檢波

40、后得到圖 (b) 所示所示的波形，它可看成是一直流與圖的波形，它可看成是一直流與圖 (c) 所示的波形所示的波形相減，相減， 而圖而圖(c) 波形是具有一定脈沖形狀的歸零波形是具有一定脈沖形狀的歸零脈沖序列，含有位同步的線譜分量，脈沖序列，含有位同步的線譜分量， 可用窄帶濾可用窄帶濾波器取出。波器取出。2）包絡檢波）包絡檢波-濾波法濾波法從從2PSK信號中提取位同步信息信號中提取位同步信息 該方法與相干解調類似，不過其遲延時間該方法與相干解調類似，不過其遲延時間 要要小于接收碼長小于接收碼長T。接收信號與延遲信號相乘后，就。接收信號與延遲信號相乘后，就可以得到一組脈沖寬度為可以得到一組脈沖寬度

41、為 的歸零碼，這樣就可以的歸零碼，這樣就可以得到位同步信號的頻率分量。得到位同步信號的頻率分量。移相移相遲延遲延提純提純脈沖形成脈沖形成遲延相干法原理框圖遲延相干法原理框圖3）延遲相干法）延遲相干法4）鎖相法）鎖相法 位同步鎖相法的基本原理與載波同步的類似，位同步鎖相法的基本原理與載波同步的類似，在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產生的在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產生的位同步信號的相位，若兩者相位不一致（超前或位同步信號的相位，若兩者相位不一致（超前或滯后），鑒相器就產生誤差信號去調整位同步信滯后），鑒相器就產生誤差信號去調整位同步信號的相位，直至獲得準確的位同步信號為止。號的相位，

42、直至獲得準確的位同步信號為止。2、外同步（插入導頻法）、外同步（插入導頻法） 在發(fā)射端專門發(fā)射導頻信號。在發(fā)射端專門發(fā)射導頻信號。5.3.3 幀同步幀同步 數字通信時，一般總是以若干個碼元組成幀，數字通信時，一般總是以若干個碼元組成幀，以幀為單位進行傳輸。幀同步的任務就是在位同以幀為單位進行傳輸。幀同步的任務就是在位同步的基礎上識別出這些數字信息幀的步的基礎上識別出這些數字信息幀的“開頭開頭”和和“結尾結尾”的時刻，使接收設備的幀定時與接收到的時刻，使接收設備的幀定時與接收到的信號中的幀定時處于同步狀態(tài)。的信號中的幀定時處于同步狀態(tài)。方法：方法： 幀同步通常利用在數字信息流中插入特殊的幀同步通

43、常利用在數字信息流中插入特殊的碼組作為每幀的頭尾標記。該碼組應在信息碼中碼組作為每幀的頭尾標記。該碼組應在信息碼中很少出現，即使偶爾出現，也不可能依照幀的規(guī)很少出現，即使偶爾出現，也不可能依照幀的規(guī)律周期出現。在接收端產生出與發(fā)射端相同的碼律周期出現。在接收端產生出與發(fā)射端相同的碼組，并與收到的信號進行相關性運算，當相關值組，并與收到的信號進行相關性運算，當相關值最大的時候，就認為找到了幀的起始位置。最大的時候，就認為找到了幀的起始位置。 因此，幀同步的關鍵是尋找實現同步的特殊因此，幀同步的關鍵是尋找實現同步的特殊碼組。對該碼組的基本要求是碼組。對該碼組的基本要求是 （1）具有尖銳單峰特性的自

44、相關函數；具有尖銳單峰特性的自相關函數； （2）便于與信息碼區(qū)別；）便于與信息碼區(qū)別； （3）碼長適當，以保證）碼長適當，以保證 傳輸效率。傳輸效率。 符合上述要求的特殊碼組有：全符合上述要求的特殊碼組有：全0碼、全碼、全1碼、碼、1與與0交替碼、交替碼、 巴克碼、電話基群幀同步碼巴克碼、電話基群幀同步碼0011011。目前常用的幀同步碼組是。目前常用的幀同步碼組是巴克碼。巴克碼。 巴克碼巴克碼巴克碼是一種有限長的非周期序列。它的定義如下：巴克碼是一種有限長的非周期序列。它的定義如下： 一個一個n位長的碼組位長的碼組 x1, x2, x3， ，xn，其中，其中xi的的取值為取值為+1或或1，

45、若它的局部相關函數若它的局部相關函數 則稱這種碼組為巴克碼。目前已找到的所有巴則稱這種碼組為巴克碼。目前已找到的所有巴克碼組如下表所示。其中的、號表示克碼組如下表所示。其中的、號表示xi的取值的取值為為+1、 -1，分別對應二進制碼的，分別對應二進制碼的“1”或或“0”。njnjjxxjRijnii, 00, 100, 0)(11或或巴克碼組巴克碼組 n巴克碼組巴克碼組2 (11) 3 （110） 4(1110)； (1101) 5 (11101) 7(1110010) 11(11100010010) 13(1111100110101) 5.4 信號調制樣式的自動識別信號調制樣式的自動識別 對

46、信號的解調，前提條件是確知該信號的調制對信號的解調，前提條件是確知該信號的調制樣式及其參數如信號帶寬，波特率等等。在軟件無樣式及其參數如信號帶寬，波特率等等。在軟件無線電電臺中，由于它所特有的多頻段，多功能，多線電電臺中，由于它所特有的多頻段，多功能，多體制等特點，使得接收方無法在某一個特定的調制體制等特點，使得接收方無法在某一個特定的調制方式下進行等待接收。這時，能自動識別調制樣式方式下進行等待接收。這時，能自動識別調制樣式就顯得尤為重要。就顯得尤為重要。5.4.1 模擬調制信號的自動識別模擬調制信號的自動識別 對模擬信號的識別，關鍵是要從接收的信號中對模擬信號的識別，關鍵是要從接收的信號中

47、提取用于信號樣式識別的信號特征參數。對模擬提取用于信號樣式識別的信號特征參數。對模擬信號而言，可以采用以下四種參數進行識別。信號而言，可以采用以下四種參數進行識別。 1）零中心歸一化瞬時幅度之譜密度的最大值）零中心歸一化瞬時幅度之譜密度的最大值 2）零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量絕對）零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量絕對 值的標準偏差值的標準偏差 3）零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量的標）零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量的標 準偏差準偏差 4）譜對稱性）譜對稱性1、零中心歸一化瞬時幅度之譜密度的最大值、零中心歸一化瞬時幅度之譜密度的最大值 rmax 定義如下：定義如下： 式中，式中，

48、NS為取樣點數，為取樣點數，acn (i)為零中心歸一化為零中心歸一化瞬時幅度：瞬時幅度：/)(max2maxScnNiaFFT1)()(iaiancnNiSaaniaNmmiaia1)(1)()(；其中：其中： 主要用來區(qū)分是主要用來區(qū)分是FM信號還是信號還是DSB或者或者AM_FM信號。因為對信號。因為對FM信號，其瞬時幅度為常數，信號，其瞬時幅度為常數，所以它的零中心歸一化瞬時幅度所以它的零中心歸一化瞬時幅度can(i)0；對應的；對應的頻譜密度也就為頻譜密度也就為0。而。而DSB與與AM_FM信號零中心歸信號零中心歸一化瞬時幅度一化瞬時幅度acn(i) 0；對應的頻譜密度也就不為；對應

49、的頻譜密度也就不為0。 在現實中，常常不是以在現實中，常常不是以0為標準來判斷的，而是為標準來判斷的，而是需要設一個判決門限需要設一個判決門限 t ( )，判決規(guī)則如下：，判決規(guī)則如下： 時，判為時，判為FM信號；信號； 時，判為時，判為DSB或者或者AM_FM信號；信號；maxmax)(maxmaxt)(maxmaxt2、零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量絕、零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量絕對值的標準偏差：對值的標準偏差：apap2)()(2)(1)(1tntnaiaNLaiaNLapicic為瞬時相位為瞬時相位；(i) )(1)()(10SNiSoNLiNii定義如下：定義如下：用來區(qū)

50、分用來區(qū)分DSB信號和信號和AM-FM信號！信號！其中：其中：3、零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量、零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量的標準偏差的標準偏差：定義如下：定義如下：dp2)()(2 )(1)(1tntnaiaNLaiaNLdpicicdp 主要用來區(qū)分不含直接相位的主要用來區(qū)分不含直接相位的AM，VSB信號和含直接相位的信號和含直接相位的DSB，LSB，USB等信號。等信號。4、譜對稱性、譜對稱性 PP由下式定義：由下式定義： P = ( P L - PU) / ( P L + PU )式中：式中：cnfiLiSP12)(cnficnUfiSP12) 1(P參數主要區(qū)分頻譜對稱的

51、信號（參數主要區(qū)分頻譜對稱的信號（AM、FM等等）與頻譜不對稱的信號（）與頻譜不對稱的信號（VSB、LSB等）等） 根據上述四個特征參數，不難得出對模擬信號根據上述四個特征參數，不難得出對模擬信號AM、FM、VSB、LSB、USB、AM_FM的調的調制樣式自動識別流程圖。制樣式自動識別流程圖。模擬調制信號識別模擬調制信號識別)(dpdpt)(PtP )(PtP )(maxmaxt)(apapt0PAMVSBDSBAM_FMFMLSBUSBYYY5.4.2 數字調制的自動識別數字調制的自動識別數字調制信號的自動識別與模擬調制信號的自動數字調制信號的自動識別與模擬調制信號的自動識別大同小異，除了前

52、面用到的識別大同小異，除了前面用到的 、 、 外外還要用到以下兩個特征參數。還要用到以下兩個特征參數。 1、零中心歸一化瞬時幅度絕對值的標準偏差、零中心歸一化瞬時幅度絕對值的標準偏差 2、零中心歸一化非弱信號段瞬時頻率絕對值、零中心歸一化非弱信號段瞬時頻率絕對值 的標準偏差的標準偏差dpapmaxaaaf2112)(1 )(1SSNicnSNicnSaaiaNiaN2)()(2 )(1 )(1tntnaiaNaiaNafifcifc幾個參數的作用：幾個參數的作用： ：區(qū)分：區(qū)分FSK與與ASK或者或者PSK ：區(qū)分：區(qū)分4PSK與與2PSK或者或者ASK ：區(qū)分：區(qū)分ASK與與2PSK ：區(qū)分

53、：區(qū)分4FSK與與2FSK ：區(qū)分：區(qū)分2ASK與與4ASKmaxapdpafaa數字調制信號識別數字調制信號識別)(maxmaxt)(apapt4PSK)(dpdpt2PSK)(aaaat2ASK4ASK)(afaft4FSK2FSKNNNNN5.4.3 模擬數字調制信號的聯合自動識別模擬數字調制信號的聯合自動識別在前面的基礎上，我們只要再增加幾個參數就在前面的基礎上，我們只要再增加幾個參數就可以進行模擬數字調制信號的聯合自動識別：可以進行模擬數字調制信號的聯合自動識別： 1、零中心歸一化非弱信號段瞬時幅度的標準偏、零中心歸一化非弱信號段瞬時幅度的標準偏差差 2、零中心歸一化瞬時幅度的緊致性（四階矩）、零中心歸一化瞬時幅度的緊致性（