调制就是将所需要传递的信号“搬运”到规定的频谱附近,信号调制主要出于两方面的原因技术层面和管理层面。
技术层面上,电磁波理论天线的尺寸和电磁波波长差不多的时候,能够获得较高的发射效率,所以需要将信号调制到较高的频率以减小天线的尺寸。管理层面上,频谱是一个国家的资源,需要专门的管理机构统一管理、分配、使用,这样才能避免相互间的干扰,使得无线通信称为可能。
1 模拟调制技术
我们以iq调制为例来讲解模拟调制,iq调制也叫做正交调制,数据分为两路分别进行载波调制,两路载波相互正交,i是in-phase(同相),q是quadrature(正交)。iq路信号是一路是0°,另一路是90°的正交信号,iq调制原理如图1.所示:
图1.iq调制原理图
i路和q路分别输入两个数据a,b, i路信号与cos(ωt)相乘,q路信号与sin(ωt)相乘,之后再叠加在一起(q路通常会乘-1),输出信号为s(t)。这个过程叫做iq调制。在复数域用 a+jb 表示输入信号,输入信号与 cos(ωt)+jsin(ωt)想乘后得到的实部即为输出信号,如图2所示
图2.复数域内的iq调制原理图
iq解调原理如图3所示,
3.iq调制与解调原理图
下面我们分别计算解调后的i路和q路输入,假设传输信道不受噪声影响。i路和q路调制出来的信号为:
滤波器将高频部分过滤到,得到输入的a和b信号。在复数域的解调关系与此一致,如图4所示。
4.复数域的iq调制与解调原理图
2 数字调制技术
在模拟信号的调制过程中,我们将基带信号频谱搬移到射频载波上的过程称之为调制技术。在数字通信技术中,调制的内涵在逐渐的扩大,从信息比特映射到基带信号的过程也被称之为调制。所以数字通信调制可以理解为一种映射关系,如下图5所示:
图5. 数字调制过程
数字信号bk首先映射成符号ik,在形成基带信号s(t),其中脉冲形成起到基带滤波和控制带外侧漏的作用。每个符号通过脉冲形成产生一个波形,把所有的波形按照时间顺序累加起来就得到了基带信号s(t)。数字调制主要任务是研究如何把比特 bk 映射到符号 ik。数字调制的基本方法包括调幅,调相和调频:
调幅:幅移键控,amplitude shift keying (ask)调相:相移键控,phase shift keying(psk)调频:频移键控,frequency shift keying(fsk)图6~8给出了几种调制方式的星座图,在星座图中,我们分别将输入的比特映射为幅值和相位的关系图。
图6.幅移键控(2ask, 4ask)
图7.相移键控星座图(bpsk,qpsk,8psk)
图8.qam星座图(4qam,16qam)
在第一节中,我们介绍了iq调制,现在我们演示如何使用iq调制来实现上述的数字调制技术,以16qam为例,第一象限的星座图可以描述为图9.
图9.16qam星座图
根据iq调制原理图(如图1所示),当系统数字信号为(0000)时,iq调制输出为:
其中s(t)的幅值和相位正好是16qam星座图,以i信道为横坐标轴,以q信道为纵坐标轴信号(0000)所对应的点。依次类推我们可以得到如下的映射关系表
在qam调制星座图中,点的分布在复平面的一定范围内。模相同的点相位不相同,相位相同的点模不同。
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