YunSDR无线通信实验讲义
上篇 基础篇
第 1 讲 数字射频通信简介
1.1 数字调制和矢量调制
我们先回顾一下矢量调制和数字调制。数字调制是无线、卫星和地面通信行业中使用的一个术语，指数字状态由载波相对相位和/或幅度表示的一种调制。虽然我们讨论的是数字调制，但是应记住这种调制并不是数字的，而真正是模拟的。调制是按照调制(基带)信号的幅度变化成比例地改变载波的幅度、频率或相位。参见下图。在数字调制中，基带调制信号是数字式的，而调制过程不是数字的。
图 1-1 数字调制系统的方式
基于具体的应用，数字调制可以同时或单独改变幅度、频率和相位。这类调制可以通过传统的模拟调制方案，例如幅度调制(AM)、频率调制(FM)或相位调制(PM) 来完成。不过在实际系统中，通常使用矢量调制(又称为复数调制或 I-Q 调制)作为替代。矢量调制是一种非常强大的调制方案，因为它可生成任意的载波相位和幅度。在这种调制方案中，基带数字信息被分离成两个独立的分量: I (同相)和 Q(正交)分量。这些 I 和 Q 分量随后组合形成基带调制信号。I 和 Q 分量最重要的特性是它们是独立的分量(正交) 。在下面的讨论中你将进一步了解 I 和 Q 分量，以及数字系统使用它们的原因。
理解和查看数字调制的简单方法是使用图 1-2 所示的 I-Q 矢量图。在大多数数字通信系统中，载波频率是固定的，因此只需考虑相位和幅度。未经调制的载波作为相位和频率参考，根据调制信号与载波的关系来解释调制信号。相位和幅度可以作为 I-Q 平面中的虚线点在极坐标图或矢量坐标图中表示。参见图 1-2 。I 代表同相位(相位参考)分量,Q 代表正交 (与相位相差 90°)分量。你还可以将同相载波的某具体幅度与正交载波的某具体幅度做矢量加法运算来表示这个点,这就是 I-Q 调制的原理。
将载波放入到 I-Q 平面预先确定的某个位置上，然后发射已编码信息。每个位置或状态(或某些系统中状态间的转换)代表某一个可在接收机上被解码的比特 码型。状态或符号在每个符号选择计时瞬间(接收机转换信号时)在 I-Q 平面的映射称为星座图。参见图 1-3。一个符号代表一组数字数据比特，它们是所代表的数字消息的代号。每个符号包含的比特数即每符号比特数(bit)由调制格式决定。例如，二进制相移键控(BPSK)使用 1 bit，正交相移键控(QPSK)使用2 bit ，而 8 相移键控(8PSK)使用 3bit 。理论上，星座图的每个状态位置都应当显示为单个的点。但由于系统会受到了各种损伤和噪声的影响，会引起这些状态发生扩散(每个状态周围有分散的点呈现)。图 1-3 显示了 16 QAM 格式(16 正交幅度度调制)的星座图或状态图; 注意，此时有 16 个可能的状态位置。该格式使用 4 比特数据串，编码为单个幅度/相位状态或符号。为了产生这一调制格式，基于被传输的代码，I 和 Q 载波都需采用 4 个不同的幅度度电平。
在数字调制中，信号在有限数量的符号或状态中移动。载波在星座图各点间移动的速率称为符号率。使用的星座状态越多，给定比特率所需的符号率就越低。符号率十分重要，
因为它代表了传输信号时所需的带宽。符号率越低，传输所需的带宽就越小。例如，前面提到过的 16QAM 格式使用每符号4 比特的速率。如果无线传输速率为 16 Mbps ，则符号率= 16 (Mbps)除以4 比特即4 MHz。此时提供的符号号率是比特率的四分之一和一个更高效的传输带宽(4MHz 相对 16 MHz)。
1.2 I-Q 调制解调
在数字通信中，I-Q 调制将已编码的数字 I 和 Q 基带信息放入载波中。参见图 4。I-Q调制生成信号的 I 和 Q 分量。从根本上讲，它是直角坐标—极坐标转换的硬件或软件实现。
I-Q 调制接受 I 和 Q 基带信号作为输入，并将它们与相同的本地振荡器(LO)混合。注意，这个可能是数字(软件) LO 。下面，I 和 Q 均会上变频到射频载波频率。I 幅度信息调制载波生成同相分量，Q 幅度信息调制 90° (直角)相移的载波生成正交分量，这两种正交调制载波信号相加生成复合 I-Q 调制载波信号。I-Q 调制的主要优势是可以容易地将独立的信号分量合并为单个复合信号，随后同样容易地再将这个复合信号分解为独立的分量部分。
以 90°分离的信号彼此之间呈直角或正交关系。I 和 Q 信号的正交关系意味着这两个信号是真正独立的，它们是同一信号的两个独立分量。虽然 Q 输入的变化肯定会改变复合输出信号，但不会对 I 分量造成任何影响。同样地，I 输入的变化也不会影响到 Q 信号。
如图 1-5 所示，I-Q 解调是图 1-4 所示的 I-Q 调制的镜像。I-Q 解调从复合 I-Q 调制输入信号中恢复原始的 I 和 Q 基带信号。
解调过程的第一步是将接收机 LO 锁相至发射机载频。为了正确地恢复 I 和 Q 基带分量，必须要把接收机 LO 锁相至发射机载波(或混频器 LO) 。随后，I-Q 调制载波与未相移的 LO 和相移 90° 的 LO 混合，生成原始的 I 和 Q 基带信号或分量。
从根本上讲，I-Q 解调过程就是极坐标—直角坐标的转换。通常如果没有极坐标—直角坐标转换，信息不能在极坐标格式上绘制并重解释为直角值。参见图 1-2 。这种转换与I-Q 解调器所执行的同相和正交混合过程完全一致。
下面我们给出正交调制解调的数学模型。I 路和 Q 路分别输入两个数据 a 和 b ，I 路信号与cos⑴0t 相乘，Q 路信号与sin ⑴0t 相乘，之后再叠加（通常 Q 路在叠加时会乘以-1），输出信号为：s(t) = a cos ⑴0t _b sin ⑴0t 。至此完成解调。
接收端收到s(t)后，分为两路：
1.3 为什么使用 I 和 Q
数字调制使用 I 和 Q 分量，因为它可提供简单有效、功能强大的调制方法来生成、发射与恢复数字数据。I-Q 域中的调制信号具有很多优势 :
a. I-Q 的实现提供一种生成复信号(相位和幅度均改变)的方法幅度。I-Q 调制器不使用非线性、难实现的相位调制，而是简单的对载波幅度度及其正交量进行线性调制。具有宽调制带宽和良好线性的混频器很容易得到，基于基带和中频软件的 LO 也是。为生成复调制信号，只需产生信号的基带 I 和 Q 分量。I-Q 调制的一个关键优势是调制算法可以生成从数字制式到射频脉冲甚至线性调频雷达等各种调制。
b. 信号的解调也同样简单明了。使用 I-Q 解调至少理论上可以轻松地恢复基带信号。
c. 在 I-Q 平面上观察信号经常能更好地洞察信号。串扰、数据偏移、压缩以及 AM-PM失真等用其它方法难以呈现的现象在 I-Q 平面上可以轻松查看。
1.4 数字通信发射机概念
通信发射机开始于语音编码(假设进行语音传输 )，即对模拟信号进行量化并转化为数字数据(数字化)的过程。随后，数据压缩用于降低数据速率并提高频谱效率。信道编码和交织属于常见技术，通过最小化噪声与干扰的影响来改进信号完整性。额外的比特经常被用来进行误差校准或者作为识别和均衡的训练序列。这些技术还使与接收机的同步(找寻符号时钟)更简单。符号编码器将串行比特流转换为适当的 I 和 Q 基带信号，对应具体的系统每个信号映射到 I-Q 平面上符号。符号时钟代表各个符号传输的频率和精确计时。当符号时钟跳变时，发射载波在正确的 I-Q(或幅度/相位)值上代表具体的符号(星座图的特定点)。各个符号的时间间隔即为符号时钟周期，其倒数是符号时钟频率。当符号时钟与检测符号的最佳瞬时同步时，符号时钟相位是正确的符号。
一旦 I 和 Q 基带信号生成后，它们会被过滤(带限)以提高频谱效率。未经过滤的无线数字调制器的输出会占用非常宽的带宽(理论上是无限宽) 。这是因为调制器被基带 I-Q 方波的快速跳变所驱动；时域上的快速跳变等同于频域上的宽频谱。这种情况不可接受是因为它会减少其他用户的可用频谱并造成对邻近用户的信号干扰，称之为邻信道功率干扰。基带滤波通过限制频谱以及限制对其它信道的干扰解决了这一问题。实际上，滤波减缓了状态之间的快速转换，从而限制了频谱。不过滤波也不是没有缺点，它会导致信号和数据传输性能的下降。
信号质量的下降是由于频谱分量的减少、过冲以及滤波器时间(脉冲)响应引起的有限振铃效应。频谱分量减少了就会使信息丢失，从而可能导致接收机重建信号困难，甚至是不可重建的。滤波器的振铃响应可能持续很久，以致影响到随后的符号，并产生码间串扰(ISI) 。ISI 定义为前后符号的多余能量干扰到当前的符号，导致接错误地解码。滤波器的最佳选择就成为频谱效率和 ISI 的折衷。在数字通信设计中，有一款常用的特定类型的滤波器称为 Nyquist 滤波器。Nyquist 滤波器是一个理想的滤波器选择，因为它能够最使数据速率最大化而且最小化 ISI 并限制信道带宽需求。在以后的章节，你将会进一步了解这种滤波器。为了改进系统的整体性能，滤波器一般会在发射机和接收机之间共享或分配。在这种情况下，为了最小化 ISI ，滤波器必须尽可能地匹配发射机和接收机并正确实现。
已过滤的 I 和 Q 基带信号是 I-Q 调制器的输入。调制器中的 LO 可能工作在中频(IF)或直接工作在最终的无线射频(RF)上。调制器的输出是中频(或射频)上的两个正交 I 和 Q信号的合成。调制后，如果需要，信号会上变频到射频。再将任何多余的频率过滤掉，最后信号送入到输出放大器并传输。
1.5 数字通信接收机概念
接收机从本质上说是发射机的反向实现，但在设计上更为复杂。接收机首先把输入的射频信号下变频为中频信号，然后进行解调。解调信号和恢复原始数据的能力通常难度较大。发射信号经常被空气噪声、信号干扰、多径或衰落等因素影响而遭到损坏。
解调过程通常包括以下阶段：载波频率恢复(载波锁定)、符号时钟恢复(符号锁定) 、信号分解为 I 和 Q 分量(I-Q 解调)、I 和 Q 符号检测、比特解调和去交织(解码比特)、解压缩(扩展至原始比特流) ，如果需要最后是数模转换。
接收机与发射机的主要区别是需要恢复载波和符号时钟。在接收机中，符号时钟的频率和相位(或计时)都必须正确，才可以成功地解调比特和恢复已发射信息。例如，符号时钟的频率设置正确但相位错误，就是说如果符号时钟与符号间的过度同步，而不是符号本身，解调将会失败。
接收机设计的一项艰巨任务是建立载波和符号时钟恢复算法。有些时钟恢复技术包括测量调制幅度度变化、或者在带有脉冲载波的系统中可以使用功率打开事件。当发射机的信道编码提供训练序列或同步比特时，这项任务便可以简单些。
1.6 选择恰当的滤波器
在数字通信系统中，基带滤波可能出现在发射机或接收机上，或者分布在发射机和接收机之间，发射机中完成一半滤波，接收机中完成另外一半。这是个很重要的概念，会影响到解调器在处理 I-Q 测量波形和 I-Q 参考波形时所需的滤波器类型。
选择正确的解调基带滤波可能并不像想象中的那么简单直接，尤其是对于分布式系统。例如，北美数字蜂窝 (NADC) 标准采用分布式滤波 ，在发射机和接收机中都使用了根升余弦滤波器。在 YunSDR 调制解调里，使用一个根升余弦滤波器(与系统接收机滤波匹配，系统发射机含有一个类似滤波器)。
滤波器α和 BT 带宽时间产品
可精确代表被测系统的一个滤波器参数是滤波器带宽系数，定意为滤波器α 或 BT。每个滤波器类型将会有一个对应的滤波器带宽系数。Nyquist 滤波器使用α , 高斯滤波器使用 BT。解调器对测量滤波器和参考滤波器使用相同的α或 BT 值。
根据具体的应用需求，数字通信使用许多滤波器类型，传统上，使用 Nyquist(升余弦 )滤波器是因为它能最小化 ISI。如图 1-6 所示，Nyquist 滤波器脉冲响应的峰值幅度出现在符号时刻 t = 0 幅度时，而在所有其它符号时刻为零。也就是说，该响应在符号周期的整数倍(1 除以fs)通过零点。这意味着 Nyquist 已过滤的符号不会干扰周围的符号(即符号间干扰为零)。虽然 Nyquist 滤波器可最大限度地减少 ISI，但对于有些应用 ISI 并不是最重要的标准。另外两种常用的滤波器类型是高斯滤波器和 Chebyshev 滤波器。高斯滤波器不具备最佳的 ISI 特性，但在平衡载波功率、占用带宽和符号时钟恢复方面具有优势。它通常使用在 GSM (全球移动通信系统)的无线电话系统中。Chebyshev 滤波器具有陡降特性，能够有效减少对相邻信道的功率泄漏。Chebyshev 滤波器通常应用在使用 CDMA (码分多址)调制方案的无线电话系统中，例如 cdmaOne 和cdma2000 。除了这里探讨的类型外，数字通信领域还采用许多其它类型的滤波器。
Alpha (α)描述了 Nyquist(升余弦)滤波器的滚降程度。参见图 1-6 。Alpha 也称为滚降或多余带宽因子。α值较高，则会增加理论最小值之外的带宽。调制原理指出，发射一个信号所需的最小带宽等于符号率的一半。不过，要实现这个系统带宽，需要一个完美的砖墙式( 矩形)滤波器，也就是α等于 0 ，占用带宽等于符号率。但砖墙式滤波器并不能实现，所以实际中的通信系统一般采用α 等于 0.3 的滤波器。α值为 0.3 意味着滤波器将使用比理论最小值多 30%的占用带宽，这个值是频谱效率和最小 ISI 的一个很好的折衷。对于给定α 的占用带宽近似等于采样率乘以(1+α)。
BT (带宽时间产品)是高斯滤波器对应的滤波器系数，描述了这个滤波器的滚降程度。高斯滤波器通常使用 0.3 ~ 0.5 的 BT 值。
更多内容见附件
免责声明：
本页面/内容部分素材来源于互联网公 开 信 息，旨在传递更多信息，不代表本平台立场。
版权归原作者或机构所有，如涉及侵权，请通过平台联系我们，我们将在核实后第一时间处理。
本平台对转载内容的真实性、准确性不作任何保证，用户需自行判断并承担使用风险
