频带信号的发送和接收的有效理解
基带信号通过调制转换成频带信号。调制的基本思路就是发送端产生高频载波信号,让高频载波的幅度、频率或相位随着调制信号变化,接收端收到后,从中将调制信号恢复出来。
根据要调制的信号是模拟信号还是数字信号,调制分为:模拟调制和数字调制
模拟调制
一、标准幅度调制
幅度调制的基本思路是:用低频电信号去控制高频无线电信号的幅度,也就是在发送端让高频无线电信号的幅度随着低频电信号变化,到了接收端将高频无线电信号的幅度变化信息提取出来就可以恢复低频电信号。
100kHz的高频载波波形
已调高频信号
低频电信号的幅值必须恒大于零,否则高频载波信号的幅度不会完全按照低频电信号来变化。
如果低频电信号不是恒大于0,假设幅度变化范围为-1-+1
则
基带信号与高频载波直接相乘得到的信号波形
不是我们期望的波形
所以要将低频信号电平抬高A0,使其恒大于0,这就是标准幅度调制
原理框图
解调原理
利用二极管的单向导通性和电容的高频旁路和隔直特性就可以实现解调
第一步:二极管单向导通,负幅度的信号滤去
第二步;利用电容的高频旁路特性进行低通滤波得到基带信号波形
第三部:利用电容的隔直特性将基带信号搬回零电平附近
频谱分析:标准调幅信号:s(t)=[f(t)+A0]cosωct
调制效率:
s(t)=[f(t)+A0]cosωct=f(t)cosωct+A0cosω0t
由这个表达式可以看出:只有前面部分f(t)cosωct承载了有用信息f(t),后面部分A0cosωct并没承载有用信息。
由于A0>|f(t)|,标准幅度调制的效率低于50%
mean(f(t))^2 /mean(f(t)2)+A02<50%
标准幅度调制由于接收机方案非常简单、成本低,因此被广泛应用于无线电广播中。但因其调制效率太低,在双向无线电通信中很少采用。
所以引入
双边带调制
很明显包络检波法信号会严重失真,采用相干解调
频谱分析
基带信号
余弦信号频谱
双边带调制已调信号的频谱
接受信号与本地余弦载波相乘信号频谱
上边带和下边带部分携带的信息相同
单边带调制
只要在双边带调制的基础上,用理想低通滤波器截取下边带或用理想高通滤波器截取上边带即可
解调原理
同双边带调制一样,采用相干解调
通过频谱分析可以解调出原信号频谱,恢复f(t)
IQ调制
前面讲的双边带调制和单边带调制都是利用一路载波来传输一路信号。
如果采用两路载波,一路载波为cosωct,另外一路载波为-sinωct,则可以同时并行传输两路信号。这就是IQ调制,又叫正交调制。
调制原理:
两个时刻保持垂直的向量长度分别为x(t)和y(t),旋转角速度为ωc=2πfc,二者合成的向量为S。
如果只有一路信号可y(t)=jx(t),保持正交。
因为x(t)和y(t)都是随时间t变化的,所以向量S的长度在旋转过程中也是不断变化的,向量S在实轴上的投影就是IQ调制信号:s(t)=x(t)cosωct-y(t)sinωct。
因为长度分别为x(t)和y(t)的两个向量在旋转过程中一直保持垂直状态,所以IQ调制又被称为“正交调制”。
解调原理:
解调原理:
I路输入信号x(t)的频谱
Q路输入信号y(t)的频谱
coswct信号的频谱
-sinwct的频谱
IQ调制器输出信号s(t)的频谱
接收端s(t)coswct的频谱
低通滤波后,可得到x(t)的频谱;
接收端-s(t)sinwct的频谱
低通滤波后,可得到y(t)的频谱;
数字调制
一、数字调制
数字调制的思路与模拟调制类似,通过控制高频载波的幅度、频率或相位来实现数字信号的传输。PSK调制和QAM调制是移动通信系统中最常见的两种数字调制。
二、PSK调制
相移键控,让高频载波的相位随输入的数字信号变化
1.BPSK:二相相移键控,载波的相位有两种分别代表0和1
2.QPSK:四相相移键控,载波的相位有四种分别代表00 01 11 10
3.8PSK:八相相移键控,载波的相位有八种分别代表000 001 011 010 110 111 101 100
三、QAM调制
相位数增加,一个码元可传输的比特数增加,相位数的增加会使已调信号的抗干扰能力下降
PSK调制时让载波的相位随着输入数据变化,载波的幅度没有变化,只要让载波的幅度和相位都随着输入数据变化就可以了,这就是QAM正交幅度调制
16QAM:幅度和相位的组合共16种,分别表示0000、0001、0011、0010、…、1001、1000,如图7-51所示。
四、数字调制的实现
1)BPSK调制
0对应的载波相位为0,已调信号为:cosωct
1对应的载波相位为π,已调信号为:cos(ωct+π)=-cosωct
两个已调信号中都有cosωct,完全可以采用幅度调制来实现,只要在幅度调制之前增加一个映射即可。BPSK调制实现原理如图7-52所示。
假定输入数据位0110
2)BPSK的解调
2.QPSK
1)QPSK调制
00对应的载波相位为π/4,已调信号为:
01对应的载波相位为3π/4,已调信号为:
11对应的载波相位为5π/3,已调信号为:
10对应的载波相位为7π/4,已调信号为:
4个已调信号中都有cosωct和sinωct,完全可以采用IQ调制来实现,只要在IQ调制之前增加一个映射即可。QPSK调制实现原理如图所示。
2)QPSK解调
根据前面所讲IQ调制的解调原理,低通滤波后,IQ信号波形就可以被恢复出来,只要在每个码元的中间时刻进行采样判决,就可以恢复出数据。
3.8PSK
1)调制原理、
2)解调
根据前面所讲IQ调制的解调原理,低通滤波后,IQ信号波形就可以被恢复出来,只要在每个码元的中间时刻进行采样判决,就可以恢复出数据
4.16QAM
1)16QAM调制
2)解调根据前面所讲IQ调制的解调原理,低通滤波后,IQ信号波形就可以被恢复出来,只要在每个码元的中间时刻进行采样判决,就可以恢复出数据
总结:不同阶数的调制方式差别主要是在映射和采样判决部分
BPSK调制:调制时,1个比特映射为1个I路数据,Q路数据恒为0电平;解调时,采样得到的1个I路数据映射为1个比特。
QPSK调制:调制时,2个比特映射为1对IQ数据;解调时,采样得到的1对IQ数据映射为2个比特。
8PSK调制:调制时,3个比特映射为1对IQ数据;解调时,采样得到的1对IQ数据映射为3个比特。
16QAM调制:调制时,4个比特映射为1对IQ数据;解调时,采样得到的1对IQ数据映射为4个比特。
五、星座图
BPSK I路乘以coswct Q路乘以-sinwct;2个星座点位于复平面的单位圆
每个星座点到原点的距离为1;2个星座点到原点距离的方均根为1
QPSK I路乘以coswct Q路乘以-sinwct;4个星座点位于复平面的单位圆
每个星座点到原点的距离为1;4个星座点到原点距离的方均根为1
8PSK I路乘以coswct Q路乘以-sinwct;8个星座点位于复平面的单位圆
每个星座点到原点的距离为1;8个星座点到原点距离的方均根为1
16QAM I路乘以coswct Q路乘以-sinwct;16个星座点到原点距离的方均根为1
六、数字调制的映射关系
QPSK调制输入数据和载波相位的映射关系,可以发现:输入数据是按00、01、11、10顺序与π/4、3π/4、5π/4、7π/4进行一一映射的,为什么没有按00、01、10、11的顺序进行映射呢?这要从接收端的QPSK解调说起。
由于信道条件不是理想的,当QPSK调制后的IQ数据通过信道到达接收端解调时,得到的IQ数据不会正好位于星座图中4个点正中央的位置,而是分布在这4个点周边一定范围内,如图所示。
接收端如何判决解调得到的IQ数据是星座图中的哪个点呢?最简单的办法就是看距离4个点中的哪个点最近。
例如:假定QPSK解调得到的IQ数据(I0,Q0)位于IQ平面的第一象限,则判决接收到的数据为00,如图所示。
当信道质量比较差时,发送时IQ数据位于某个象限,接收时IQ数据有可能跑到别的象限去了。从概率的角度讲,接收时IQ数据跑到相邻象限的概率要高于非相邻象限。
还是以发送数据是00为例,发送时IQ数据位于第一象限,如果接收时IQ数据没出现在第一象限,那么出现在二、四象限的概率要高于第三象限。按上述映射关系,接收数据误判为01(错1个比特)和10(错1个比特)的概率要高于误判为11(错2个比特)的概率,也就是说错1个比特的概率要高于错2个比特的概率。
如果将QPSK映射关系改为:按00、01、10、11顺序与π/4、3π/4、5π/4、7π/4进行一一映射
还以发送数据是00为例,接收数据误判为01(错1个比特)和11(错2个比特)的概率要高于误判为10(错1个比特)的概率,也就是说错2个比特的概率增大了。
像00、01、11、10这样,相邻的两个码之间只有1位数字不同的编码叫作格雷码
七、调制效率
不同阶数数字调制的调制效率不同。相同码元速率情况下,数字调制的阶数越高,每个码元承载的比特数越多,调制效率越高,比特速率也就越高。
在通信信道中持续固定时间,具有一定相位或幅值的一段余弦载波,就是码元。
单位时间内传输的码元个数称为波特率,单位为:Baud
例如:每秒传输100个码元,对应的波特率为100 Baud。
注意区分信息传输速率,也就是比特速率。
采用16QAM调制时,每个码元可以传输4个比特,如果波特率为100 Baud,则比特速率为100×4=400bit/s。