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数字调制解调技术的研究
摘要:
本文首先介绍数字调制解调技术的基本原理,然后介绍多进制的数字调制以及调制技术的新应用,随着技术的发展,又设计出了许多新的调制解调技术。
这些崭新的调制解调技术另辟蹊径,突破了传统的理论和模式,在以往调制解调技术的基础上,不断地更新改进,使传输速率更快,误码率更低,最后提出了一些当今最新的调制解调技术和发展趋势。
关键词:
数字通信多进制调制解调接入技术应用
Abstract:
Thispaperintroducesthebasicprinciplesofdigitalmodemtechnology,andintroducenewapplication-arydigitalmodulationandmodulationtechniques,withthedevelopmentoftechnology,hasdesignedmanynewmodemtechnology.Thesenewmodemtechnologyanotherwaytobreakthroughthetraditionaltheoriesandmodels,basedonpreviousmodemtechnology,constantlyupdatedtoimprove,sothatthetransmissionratefaster,lowererrorrate,andfinallymadeanumberoftoday*slatestmodemtechnologyandtrends.
Keywords:
DigitalcommunicationsmodulationanddemodulationAccessTechnologyApplication
1引言
调制和解调是现代通信的重要手段。
调制就是用基带信号对载波波形的某些参数进行控制,使这些参量随基带信号的变化而变化。
解调是调制的逆过程,它是从已调制的信号中恢复出原来调制信号的过程。
根据被调制的是模拟还是数字信号,调制技术分为模拟调制和数字调制两类。
模拟调制应用比较早,也比较广泛,主要应用于广播、电视和卫星通信。
而随着数字通信和数字技术的发展,数字调制所占的比例越来越高,而且不断有新的数字调制方式出现。
2数字调制解调技术的基本原理
数字调制的基本方式为3类:
振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。
2.1振幅键控(ASK)
ASK就是载波的振幅受二进制调制信号1或0的控制。
当信号为1,振幅为A;当信号为0,振幅为0o由于这种方式传输效率低,没有被广泛采用。
2ASK信号的一般表达式为
(2.1)
e2ASK(J=s(/)cos©/
其中g(J为单个矩形脉冲,脉宽为人。
s(f)=》a”g(f-叱)(2.2)
n
[1概率为P
Cln=\.亠「(2.3)
]o概率为1-P
仿真结果如下:
2.2频移键控(FSK)
FSK是载波的频率受二进制调制信号控制,用两个特定的频率分别代表信号0和1,用980
Hz和1180Hz发送/00信号和/10信号,而用1650Hz和1850Hz接受0和1信号。
例如在
CCITTV.21/公用交换电话网中使用的标准化300bit/s的双工调制解调器0标准中,将话音信道分为上下两个子信道,给信道1分配980-1180Hz的频带,给信道2分配1650-1850Hz的频带,而在每个子信道中采用FSK调制技术。
其中2FSK的表达式为:
AcosS/+0”)发送"1"时
+&”)发送吋
也可写成:
e2FSK(t)=工a”g(/-"7jcos(禺/+%)+^ang(t-nT^cos(0/+0”)n」L"_
其中g(”为单个矩形脉冲,脉宽为7;。
「1概率为P
a=v
"]o概率为1-P
an是a”的反码。
(pn和3n分别是第n个信号码元(1或0)的初始相位。
仿真结果如下:
2.3相移键控(PSK)
PSK是利用载波相位的变化来传送数据信息的,一般分为绝对移相和相对移相。
绝对移相是利用不同的相位去表示数据信息,而相对移相则利用载波的相对相位去表示数字信息,即利用前后码元载波相位的相对变化来表示数据信息。
例如CCITTV.22/公用交换电话网和点对点两线租用电话型电路上使用的标准化1200bit/s的双工调制解调器0标准就是采用PSK调制技术:
当输入信号为1时,输出相位为0的载波;若输入为0,输出相位为n的载波。
但是在实际通信中,为了克服倒相影响,常采用相对移相即相对差分移相键控(DPSK)o2DPSK信号的产生如图1所示。
DPSK只与前面码元的相位有关,而与绝对相位值无关,故解调时不受倒相
的影响。
其中2PSK的表达式为:
(2.6)
(2.7)
e2P$K(J=s(/)cos©
其中=工a”g(—"7j
n
这里g(f)为单个矩形脉冲,脉宽为7;。
仿真结果如下:
3、多进制数字调制技术
随着通信技术的迅速发展,通信速度已经越来越不适应发展的要求了,因此多进制数字调制应运而生,它指的是调制信号的不同状态数大于2的数字调制,当信道频带受限时可以使信息传输率增加,从而提高频带利用率。
现在多进制数字调制技术得到了越来越广泛的应用。
它也可以相应地分为多进制振幅键控、频移键控和移相键控。
多进制振幅键控(MASK),即载波的振幅有M种取值:
AO,A1,A2„AM-1,每个符号间隔T内发送一种振幅载波信号。
MASK的调制方法与2ASK的方法相同,不同的只是基带信号由二电平变为多电平。
多进制频移键控(MFSK),即载波的频率有M种取值。
MFSK信号常用频率选择法产生调制框图如图1所示。
图1MFSK调制器框图
串、井变换器
多进制移相键控(MPSK),即载波的相位有M种取值。
常用的有4PSK(又称QPSK)和
8PSK。
4PSK可以采用0^兀]2、疋、3刃2四种相位迪可以采用;r/4、3刃4、5兀/4、7^/4
四种相位。
双比特码元与载波相位的关系如表1所不。
调制框图如图2所不。
表1双比特码元和载波相位的关系
双特码元
载波相位
AB
A方式
B方式
00
0
225°
10
则
31亍
11
18(f
4宁
01
270
13亍
图2QPSK调制器框图
图中串/并变换器将输入的二进制数据序列依次分为两个并行序列。
设两序列中的二进制数据比特分别为A和B,每一对AB称为一个双比特码元。
双极性的A和B数据脉冲分别通过两个平衡调制器,对0相载波(cos(©f))及正交载波(sin(©))进行二相调制,再将两路输出叠加,得到如图2(b)的四相信号。
它可以看作两个正交的2PSK信号的合成,所以可采用与2PSK信号类似的相干检测法解调,其框图如图3所示,与调制刚好是一个逆过程。
图3四相调制信号的解调
另外,为了提高传输速率,现在经常采用幅度和相位复合调制方式(QAM)o所谓幅相联合调制是指调制载波的振幅和相位都随独立的基带信号而变化。
CCITTV.29/点对点四线租用电话型电路上使用的标准化9600bit/s调制解调器0标准就是采用4QAM调制方式。
在4QAM中,要传送的组合数据流经扰频后分为4比特一组,每4比特中的第一个比特决定了要传送信号的幅度,而其余3比特则决定要采用的相位变化,如表2、表3所示。
另外,目前较常使用的有16QAM、64QAM和256QAM。
表2比特和幅值关系表
绝对相位
Qi
相对信号码元幅度
i8(f,27(r
0
3
1
5
135°,22^,315°
0
1.414
1
4.242
表3比特和相位关系表
QiQ4
相位变化
Q3Q4
相位变化
001
(T
111
18CP
000
4宁
110
22空
010
9(r
100
27(r
011
13宁
101
3佇
4、调制解调技术的新趋势
随着信息电子技术和工艺的突飞猛进,一些新的调制解调技术突破传统的理论和模式,从而在速度上也远远突破了传统认识。
2.1ADSL调制解调器技术
非对称数字用户环路(ADSL)是一种崭新的调制解调技术,这种技术能够在普通的铜质电话线上提供几乎高于传统技术100倍的速率。
它通过现有的普通双绞线不对称地传送数据。
这种技术能向每个用户传送速率超过6Mbit/s的下行单向信息服务和速率可达640kbit/s的上下行双向信息服务。
由于普通模拟Modem均工作在音频范围(300-3400Hz频段)内,因此其信号传输速度受到了限制,ADSL就是充分利用了双绞线高达1.1MHz的频率范围。
ADSLModem采用的是离散多音频(DMT)的调制方式,这是一种类似于频分多路复用的调制方式,其频谱图如图5所示。
DATA
图4DMT调制方式
图4中输入的数据被分成N个子通道(也称为音频),每个子通道有相同的带宽和不同的中心频率。
每个子通道的频带带宽是4.3125kHz,在两个连续频带之间的间距也是4.3125kHz。
在每个子频带上都采用QAM调制。
系统根据每个子信道的信噪比自适应地给每个信道分配比特数。
当线路的信噪比大时,一个载波所携带的信息相对比较多,而当线路的信噪比小时,一个载波所携带的信息相对较少。
用快速傅里叶变换和反傅里叶变换来实现多路调制与解调。
2.CableModem技术
现在我们采用的Modem上网方式由于受到带宽的限制,其传输速率比较低。
利用现有的一些比较成熟的基础设施,如有线电视网,并加以一定的技术改造,使得其数据的传输从单向方式(只是用户看电视)改变为双向方式,这样的网络可以承接Inter-net服务方式(既有用户看电视的功能,又有上网访问的功能)。
线缆调制解调器(CableModem)就是基于有线电视网的调制解调器,它采用的上行调制技术是QPSK或是16QAM,下行采用的是64QAM或256QAM的调制方式,这也是一种非对称的通信模式。
CableModem上传速率为33.6Kbps,下传速率可
达到38Mbps»
3.无线调制解调技术
随着移动通信的应用迅速发展,实现无线数据通信越来越为人们所关心,因为无线通信网络在许多场合比有线通信来得方便,有时甚至是有线无法实现的。
无线Modem⑺⑻实现的功能就是把数字信号翻译成射频(RF)信号撚后从空中发射出去。
蜂窝移动无线系统正在使用的调制技术主要是用于北美AMPS-D第二代标准之一的P/4QPSK,它是在QPSK的基础上发展起来的一种新四相相移键控,其相位取值只有?
P/4、?
3P/4四种,矢量图如图5(a)所示。
这种四相相移键控的频谱特性比QP-SK好。
在这种调制制度中,相位矢量之间的跳变,最小值也小于180b,不会出现?
P的相位跳变。
其相位路
径如图5(b)所示。
图5兀/4qpsk相位矢量图及相位转迁路径
5调制解调新技术
随着技术的发展,又设计出了许多新的调制解调技术。
这些崭新的调制解调技术另辟蹊径,突破了传统的理论和模式,在以往调制解调技术的基础上,不断地更新改进,使传输速率更快,误码率更低。
5.1兀/2BPSK
在CDMA移动通信中使用兀/2BPSK0/2-shiftBPSK)调制技术,误比特率与QPSK相同,发射功率却比QPSK系统小一半。
实验表明,它在功耗、恒包络方面比传统的QPSK、兀/4qpsk和BPSK具有更多优势。
5.2扩展相移键控(EPSK)
这种调制技术的移相超过了传统的2兀范围(传统的范围是0~2兀或-疋~疋)。
传统的调制技术如果增加信号点就需要减少信号点与信号点之间的距离。
假如要使数据传输率从一次传送2位增加到3位,那么星座图中就增加了4个点,也就是说信号点与信号点之间的间距从90°变成45°。
这样当出现噪声时,会增加传输的误码率。
因此增加信号点与减少信号点之间的间距构成了一对矛盾。
EPSK就是在这种构思下产生的。
采用EPSK,我们可以随意加入新的信号点:
405°,495°,585°和675°,而不必减少信号点与信号点的间距。
5.3FQPSK
在无线通信中,人们希望已调信号具有恒幅包络,从而可以不影响频谱地使用放大器,有利于提高发射机的功率。
FQPSK就是在这种目的下产生的。
如果使用QPSK进行调制,在信号切换时,走的是对角线,不能保持恒包络。
而FQPSK在信号切换时走的是圆周,保持了恒包络,这样就可以提高发射机的功率。
6结论
调制解调技术的发展历史由来以久。
从模拟调制到数字调制,从二进制调制发展到多进制调制,虽然调制方式多种多样,但都是朝着一个方向发展;使通信更高速和更可靠。
未来10年将是世界电信史上技术发展最活跃的时期,技术的发展是如此之惊人,以至谁都无法准确描述未来信息通信技术的发展,但有一点是肯定的,那就是信息化正以前所未有的速度渗透到人类社会的各个方面,深刻地改变着人类的生存环境。
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