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5、OQPSK-Transmitterandreceiver偏移四相相移键控-发射机和接收机26
6、PAM-FiberLink脉幅调制帕姆-光纤链路29
四、实验小结31
五、参考文献.............................................................................33
【引言】
现代通信系统中,数字调制技越来越广泛,现有的通信系统都在由模拟方式向数字方式过渡。
数字通信技术采用数字技术进行加密和差错控制,便于集成,因此数字通信具有模拟通信不可比似的优势。
数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参数进行控制,使载波的这些参量随基带信号的变化的变化而变化。
根据控制的载波参量的不同,数字调制有调幅,调相和调频三种基本形式,并可以派生出多种其他形式。
由于传输失真,传输损耗以及保证带内特性的原因,基带信号不适合在各种信道上进行长距离传输。
为了进行长途传输,必须对数字信号进行载波调制,将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。
因此,大都分现代通信系统都使用数字调制技术。
另外,由于数字通信具有建网灵活,灵活容易采用数字OQPSK也称为偏移四相相移键控差错控制技术和数字加密,便于集成化,并能够进入综合业务数字网(ISDN),所以通信系统都有由模拟方式向数字方式过渡的趋势。
因此,对数字通信系统的分析与研究越来越重要,数字调制作为数字通信系统的重要都分之一,对它的研究也是有必要的。
通过对调制系统的仿真,我们可以更加直观的了解数字调制系统的性能及影响性能的因素,从而便于改进系统,获得更佳的传输性能。
常见的数字调制方法如:
ASK——幅移键控调制,把二进制符号0和1分别用不同的幅度来表示。
FSK——频移键控调制,即用不同的频率来表示不同的符号。
如2KHz表示0,3KHz表示1。
PSK——相移键控调制,通过二进制符号0和1来判断信号前后相位。
如1时用π相位,0时用0相位。
GFSK——高斯频移键控,在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度。
GMSK——高斯滤波最小频移键控,GSM系统所用调制技术。
QAM——正交幅度调制。
DPSK——差分相移键控调制。
OQPSK——偏移四相相移键控。
【摘要】
1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制(PCM)的概念,从此之后通信数字化的时代应该说已经开始了,但是数字通信的高速发展却是20世纪70年代以后才开始的。
随着时代的发展,用户不再满足于听到声音,而且还要看到图像;
通信终端也不局限于单一的电话机,而且还有传真机和计算机等数据终端。
现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。
1、数字调制概述数字信号的载波调制是信道编码的一部分,之所以在信源编码和传输通道之间插入信道编码是因为通道及相应的设备对所要传输的数字信号有一定的限制,未经处理的数字信号源不能适应这些限制。
由于传输信道的频带资源总是有限的,因此在充分得利用现有资源的前提下,提高传输效率就是通信系统所追求的最重要指标之一。
模拟通信很难控制传输效率,最常见到的单边带调幅(SSB)或残留边带调幅(VSB)可以节省近一半的传输频带。
由于数字信号只有―0和―1两种状态,所以数字调制完全可以理解为像报务员用开关键控制载波的过程,因此数字信号的调制方式一般均为较简单的键控方式。
常用的数字调制技术有2ASK(AmplitudeShiftKeying,幅移键控)、4ASK、8ASK、BIT/SK(PhaseShiftKeying,相移键控)、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等,频带利用率从1bit/s/Hz~3bit/s/Hz。
更有将幅度与相位联合调制的QAM(QuadratureAmplitudeModulation,正交振幅调制)技术,目前数字微波中广泛使用的256QAM,其频带利用率可达8bit/s/Hz,8倍于2ASK或BIT/SK。
此外,还有可采用减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术,为某些专门应用环境提供了强大的工具。
近年来,四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展,并已应用于高速MODEM中,为进一步提高传输效率奠定了基础。
总之,数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信,调制技术的种类也远远多于模拟通信,大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性。
2、映射信息与表示、承载它的信号之间存在着对应关系,这种关系称为―映射。
接收端正是根据事先约定的映射关系从接收信号中提取发射端发送的信息的。
信息与信号间的映射方式可以有很多种,不同的通信技术就在于它们所采用的映射方式不同。
实际上,数字调制的主要目的在于控制传输效率,不同的数字调制技术正是由其映射方式区分的,其性能也是由映射方式决定的。
一个数字调制过程实际上是由两个独立的步骤实现的:
映射和调制,这一点与模拟调制不同。
映射将多个二元比特转换为一个多元符号,这种多元符号可以是实数信号(在ASK调制中),也可以是二维的复信号(在PSK和QAM调制中)。
例如在QPSK调制的映射中,每两比特被转换为一个四进制的符号,对应着调制信号的4种载波。
多元符号的元数就等于调制星座的容量。
在这种多到一的转换过程中,实现了频带压缩。
3、调制方式数字调制就是将数字符号变成适合于信道传输的波形。
所用载波一般是余弦信号,调制信号为数字基带信号。
利用基带信号去控制载波的某个参数,就完成了调制。
调制的方法主要是通过改变余弦波的幅度、相位或频率来传送信息。
其基本原理是把数据信号寄生在载波的上述三个参数中的一个上,即用数据信号来进行幅度调制、频率调制或相位调制。
数字信号只有几个离散值,因此调制后的载波参数也只有有限个值,类似于用数字信息控制开关,从几个具有不同参量的独立振荡源中选择参量,为此把数字信号的调制方式称为―键控。
数字调制分为调幅、调相和调频三类,分别对应―幅移键控(ASK)、―相移键控(PSK)和―频移键控(FSK)三种数字调制方式。
在―幅移键控方式中,当―1出现时接通振幅为A的载波,―0出现时关断载波,这相当于将原基带信号(脉冲列)频谱搬到了载波的两侧。
如果用改变载波频率的方法来传送二进制符号,就是―频移键控的方法,当―1出现时是低频,―0出现时是高频。
这时其频谱可以看成码列对低频载波的开关键控加上码列的反码对高频载波的开关键控。
如果用―0和―1来改变载波的相位,则称为―相移键控。
这时在比特周期的边缘出现相位的跳变,但在间隔中部保留了相位信息。
接收端解调通常在其中心点附近进行。
一般来说,PSK系统的性能要比开关键控FSK系统好,但必须使用同步检波。
调制的基本原理是用数字信号对载波的不同参量进行调制,其基本公式如下:
载波S(t)=Acos(ωt+ψ)S(t)的参量包括:
幅度A、频率ω、初相位ψ,调制就是要使A、ω或ψ随数字基带信号的变化而变化。
其中ASK调制方式是用载波的两个不同振幅表示0和1;
FSK调制方式是用载波的两个不同频率表示0和1;
而PSK调制方式是用载波的起始相位的变化表示0和1。
根据传输信号是二进制信号还是多进制信号和对载波的哪个参数进行调制,可以把数字频带传输分为:
二进制、多进制数字振幅键控(ASK)二进制、多进制数字频移键控(FSK)二进制、多进制数字相移键控(PSK)二进制、多进制差分相移键控(DPSK)除上面所述的二相位、二频率和二幅度系统外,还可以采用各种多相位、多振幅和多频率的方案。
在DVB系统中卫星传输采用QPSK,有线传输采用QAM方式,地面传输采用COFDM(编码正交频分复用)方式。
但ASK、PSK和FSK这三种数字调制方式仍是最主要的。
【关键词】数字调制键控脉冲调制方式
一、几种常见调制方式的简介
1.ASK幅移键控(AmplitudeShiftKeying)
―幅移键控又称为―振幅键控‖,记为ASK。
也有称为―开关键控‖(通断键控)的,所以又记作OOK信号。
ASK是一种相对简单的调制方式。
幅移键控(ASK)相当于模拟信号中的调幅,只不过与载频信号相乘的是二进制数码而已。
幅移就是把频率、相位作为常量,而把振幅作为变量,信息比特是通过载波的幅度来传递的。
二进制振幅键控(2ASK),由于调制信号只有0或1两个电平,相乘的结果相当于将载频或者关断,或者接通,它的实际意义是当调制的数字信号为―1‖时,传输载波;
当调制的数字信号为―0‖时,不传输载波。
原理如图3-24所示,其中s(t)为基带矩形脉冲。
一般载波信号用余弦信号,而调制信号是把数字序列转换成单极性的基带矩形脉冲序列,而这个通断键控的作用就是把这个输出与载波相乘,就可以把频谱搬移到载波频率附近,实现2ASK。
实现后的2ASK波形如图1-2所示。
图1-1ASK调制原理
图1-2输出后的2ASK的波形
2、FSK频移键控(FrequencyShiftKeying)
所谓FSK就是用数字信号去调制载波频率,是数字信号传输中用的最早的一种调制方式。
此方式实现起来比较容易,抗噪声和抗衰减性能好,稳定可靠,是中低速数据传输最佳选择。
频移就是把振幅、相位作为常量,而把频率作为变量,通过频率的变化来实现信号的识别,原理如图1-3所示。
在FSK中传送的信号只有0和1两个,而在M-FSK中则通过M个频率代表M个符号。
输出后的2FSK波形如图1-4所示。
图1-32FSK调制原理
图1-42FSK输出后的波形
3、PSK相移键控(PhaseShiftKeying)
在PSK调制时,载波的相位随调制信号状态不同而改变。
如果两个频率相同的载波同时开始振荡,这两个频率同时达到正最大值,同时达到零值,同时达到负最大值,此时它们就处于―同相状态;
如果一个达到正最大值时,另一个达到负最大值,则称为―反相。
一般把信号振荡一次(一周)作为360度。
如果一个波比另一个波相差半个周期,我们说两个波的相位差180度,也就是反相。
当传输数字信号时,―1码控制发0度相位,―0码控制发180度相位。
PSK相移键控调制技术在数据传输中,尤其是在中速和中高速的数传机(2400bit/s~4800bit/s)中得到了广泛的应用。
相移键控有很好的抗干扰性,•在有衰落的信道中也能获得很好的效果。
我们主要讨论二相和四相调相,在实际应用中还有八相及十六相调相。
PSK也可分为二进制PSK(2PSK或BIT/SK)和多进制PSK(MPSK)。
在这种调制技术中,载波相位只有0和π两种取值,分别对应于调制信号的―0和―1。
传―1―信号时,发起始相位为π的载波;
当传―0信号时,发起始相位为0的载波。
2PSK的调制原理如图1-5所示。
由―0和―1表示的二进制调制信号通过电平转换后,变成由―–1和―1表示的双极性NRZ(不归零)信号,然后与载波相乘,即可形成2PSK信号,如图1-6所示。
图1-52PSK调制原理
图1-6输出的2PSK的波形
图1-7的PSK信号矢量图中画出了2PSK、QPSK、8PSK的矢量图。
图1-7中只画出了矢量的端点,省去了矢量箭头,这样的矢量图也称为―星座图。
在星座图中,星座间的距离越大,信号的抗干扰能力就越强,接收端判决再生时就越不容易出现误码。
图1-7PSK信号矢量图
以上三种调制技术所对应的波形比较如图1-8所示。
图1-8ASK、FSK、PSK波形比较
4、QAM正交振幅调制(QuadratureAmplitudeModulation)
QAM(QuadratureAmplitudeModulation)就是用两个调制信号对频率相同、相位正交的两个载波进行调幅,然后将已调信号加在一起进行传输或发射。
在NTSC制和PAL制中形成色度信号时,用的就是正交调幅方式将两个色差信号调制到色度副载波上。
QAM也可用于数字调制。
数字QAM有4QAM、8QAM、16QAM、32QAM等调制方式。
其中,16QAM和32QAM广泛用于数字有线电视系统。
下面以16QAM为例介绍其原理。
图1-8给出了16QAM调制器框图及星座图。
作为调制信号的输入二进制数据流经过串—并变换后变成四路并行数据流。
这四路数据两两结合,分别进入两个电平转换器,转换成两路4电平数据。
例如,00转换成–3,01转换成–1,10转换成1,11转换成3。
这两路4电平数据g1(t)和g2(t)分别对载波cos2πfct和sin2πfct进行调制,然后相加,即可得到16QAM信号。
QAM调制效率高,要求传送途径的信噪比高,适合有线电视电缆传输。
在美国,正交调幅通常用在地面微波链路,不用于国内卫星,欧洲的电缆数字电视采用QAM调制,而加拿大的卫星采用正交调幅。
QAM是幅度、相位联合调制的技术,它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特,因此在最小距离相同的条件下,QAM星座图中可以容纳更多的星座点,即可实现更高的频带利用率,目前QAM星座点最高已可达256QAM。
PSK只利用了载波的相位,它所有的星座点只能分布在半径相同的圆周上。
当星座点较多时,星座点之间的最小距离就会很密,非常容易受到噪声干扰的影响。
调制技术的可靠性可由相邻星座点之间的最小距离来衡量,最小距离越大,抵抗噪声等干扰的能力越强,当然前提是信号的平均功率相同。
当噪声等干扰的幅度小于最小距离的1/2时,解调器不会错判,即不会传输误码;
当噪声等干扰的幅度大于最小距离的1/2时,将传输误码。
因此PSK一般只用在8PSK以下,常用的是BIT/SK和QPSK。
当星座点进一步增加时,即需要更高的频带利用率时,就要采用QAM调制。
在PSK中I信号和Q信号互相不独立,为了得到恒定的包络信号,它们的数值是受到限制的,这是PSK信号的基本特性。
如果去掉这一限制,就得到正交幅度调制QAM。
作为一个特例,当每个正交信号只有两个数值时,QAM与4-PSK完全相同。
当M>
4时QAM的信号星座呈正方形分布,而不再像PSK那样沿着一个固定的圆周分布。
图1-816QAM调制器框图及星座图
5、QPSK四相移键控(QuadriPhaseShiftKeying)
QPSK(QuadriPhaseShiftKeying)数字解调包括:
模数转换、抽取或插值、匹配滤波、时钟和载波恢复等。
在实际的调谐解调电路中,采用的是非相干载波解调,本振信号与发射端的载波信号存在频率偏差和相位抖动,因而解调出来的模拟I、Q基带信号是带有载波误差的信号。
这样的模拟基带信号即使采用定时准确的时钟进行取样判决,得到的数字信号也不是原来发射端的调制信号,误差的积累将导致抽样判决后的误码率增大,因此数字QPSK解调电路要对载波误差进行补偿,减少非相干载波解调带来的影响。
此外,ADC的取样时钟也不是从信号中提取的,当取样时钟与输入的数据不同步时,取样将不在最佳取样时刻进行所得到的取样值的统计信噪比就不是最高,误码率就高,因此,在电路中还需要恢复出一个与输入符号率同步的时钟,来校正固定取样带来的样点误差,并且准确的位定时信息可为数字解调后的信道纠错解码提供正确的时钟。
校正办法是由定时恢复和载波恢复模块通过某种算法产生定时和载波误差,插值或抽取器在定时和载波误差信号的控制下,对A/D转换后的取样值进行抽取或插值滤波,得到信号在最佳取样点的值,不同芯片采用的算法不尽相同,例如可以采用据辅助法(DA)载波相位和定时相位联合估计的最大似然算法。
数字调制用“星座图”来描述,星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数:
(1)信号分布;
(2)与调制数字比特之间的映射关系。
星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系,这种关系称为“映射”,一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义,即可由星座图来完全定义。
四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息,是四进制移相键控。
QPSK是在M=4时的调相技术,它规定了四种载波相位,分别为45°
,135°
,225°
,315°
,调制器输入的数据是二进制数字序列,为了能和四进制的载波相位配合起来,则需要把二进制数据变换为四进制数据,这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组,共有四种组合,即00,01,10,11,其中每一组称为双比特码元。
每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成,它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。
QPSK中每次调制可传输2个信息比特,这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。
解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。
首先将输入的串行二进制信息序列经串-并变换,变成m=log2M个并行数据流,每一路的数据率是R/m,R是串行输入码的数据率。
I/Q信号发生器将每一个m比特的字节转换成一对(pn,qn)数字,分成两路速率减半的序列,电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t),然后对coswct和sinwct进行调制,相加后即得到QPSK信号。
QPSK是一种频谱利用率高、抗干扰性强的数调制方式,它被广泛应用于各种通信系统中.适合卫星广播。
例如,数字卫星电视DVB-S2标准中,信道噪声门限低至4.5dB,传输码率达到45Mb。
6、OQPSK偏移四相相移键控(offset-QPSK)
是QPSK的改进型。
它与QPSK有同样的相位关系,也是把输入码流分成两路,然后进行正交调制。
不同点在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。
由于两支路码元半周期的偏移,每次只有一路可能发生极性翻转,不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。
因此,OQPSK信号相位只能跳变0°
、±
90°
,不会出现180°
的相位跳变。
OQPSK信号可采用正交相干解调方式解调,它与QPSK信号的解调原理基本相同,其差别仅在于对Q支路信号抽样判决时间比I支路延迟了T/2,这是因为在调制时Q支路信号在时间上偏移了T/2,所以抽样判决时刻也应偏移T/2,以保证对两支路交错抽样。
OQPSK克服了QPSK的l80°
的相位跳变,信号通过BPF后包络起伏小,性能得到了改善,因此受到了广泛重视。
但是,当码元转换时,相位变化不连续,存在90°
的相位跳变,因而高频滚降慢,频带仍然较宽。
图1-9键控法调制原理
7、DPSK差分移相键控(differentialphaseshiftkeying)
DPSK(differentialphaseshiftkeying)具有很好的解调性能,因此将DPSK自适应解调的误码性能与DPSK相干解调性能作比较具有重要意义。
在二进制相移键控方式中,有绝对调相和相对解调两种方式。
近年来自适应滤波(ADF)技术在通信系统中应用越来越广泛,如自适应干扰抵消、自适应频率跟踪与检测等。
随着大规模集成电路技术的发展,采用现有的DSPK使自适应滤波技术的关键算法付诸于工程实际已有可能。
DPSK调制解调是数据传输的常用手段之一。
常用的DPSK解调方法有两种,即差分相干解调和相干解调法。
DPSK相干解调的性能较好而常常被采用,其性能优劣主要在于如何得到同频同相载波。
相干解调在实现上结构复杂、成本高,在工作频率高的场合下实现难度较大。
自适应滤波技术中的单频跟踪技术在运用于信号解调时,兼有锁相和相干解调的功能,通过检测2DPSK信号的相位信息并适当调整跟踪步长,可以获得优良的解调性能。
2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对相位值去表示数字信息的一种方式。
现假设用Φ表示本码元初相与前一码元初相之差,并规定:
Φ=0表示0码,Φ=π表示1码。
则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如2PSK信号是用载波的不同相位直接去表示相应的数字信号而得出的,在接收端只能采用相干解调。
在这种绝对移相方式中,发送端是采用某一个相位作为基准,所以在系统接收端也必须采用相同的基准相位。
如果基准相位发生变化,则在接收端回复的信号将与发送的数字信息完全相反。
所以在实际过程中一般不采用绝对移相方式,而采用相对移相方式。
定义△Φ为本码元初相与前一码元初相之差,假设:
△Φ=0代表数字信息“0”;
△Φ=π代表数字信息“1”;
则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下:
数字信息:
10110111012DPSK信号相位:
图1-102DPSK调制与解调总原理框图
p2DPSK信号的调制原理
一般来说,2DPSK信号有两种调试方法,即模拟调制法和键控法。
2DPSK信号的模拟调制法框图如图2所示,其中码变换的过程为将输入的单极性不归零码转换为双极性不归零码。
pp00pp
图1-11模拟调制法
2DPSK信号的的键控调制法框图如图3所示,其中码变换的过程为将输入的基带信号差分,即变为它的相对码。
选相开关作用为当输入为数字信息“0”时接相位0,当输入数字信息为“1”时接π。
图1-12键控法调制原理
二、OptiSystem应用软件简介
OptiSystem(光通信系统设计软件),什么是Optisystem?
光通讯系统正在变得日益复杂。
这些系统通常包含多个信号通道、不同的拓扑结构、非线性器件和非高斯噪声源,对们的设计和分析是相当的复杂和需要高强度劳动的。
先进的软件工具使得这些系统的设计和分析变得迅速而有效。
OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包,它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身,从长距离通讯系统到LANS和MANS都适用。
一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器,OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。
它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展,而成为一系列广泛使用的工具。
全面的图形用户界面控制光子器件设计、器件模型和演示。
巨大的有源和无源器件的库包括实际的、波长相关的参数。
参数的扫描和优化允许用户研究特定的器件技术参数对系统性能的影响。
因为是为了符合系统设计者、光通讯工程师、研究人员和学术界的要求而设计的,OptiSystem满足了急速发展的光子市场对一个强有力而易于使用的光系统设计工具的需求。
优点·
投资风险大幅度降低,快速投入市场
·
快速、低成本的原型设计
系统性能的全面认识
辅助设计容差参数的参数灵敏性评估
面向用户的直观的设计选项和脚本
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