各種數(shù)字調(diào)制方法對比

1、調(diào)制是所有無線通信的基礎(chǔ)，調(diào)制是一個將數(shù)據(jù)傳送到無線電載波上用于發(fā)射的過程。如今的大多數(shù)無線傳輸都是數(shù)字過程，并且可用的頻譜有限，因此調(diào)制方式變得前所未有地重要。如今的調(diào)制的主要目的是將盡可能多的數(shù)據(jù)壓縮到最少的頻譜中。此目標(biāo)被稱為頻譜效率，量度數(shù)據(jù)在分配的帶寬中傳輸?shù)乃俣?。此度量的單位是比特每秒每赫茲（b/s/Hz ）。現(xiàn)在已現(xiàn)出現(xiàn)了多種用來實(shí)現(xiàn)和提高頻譜效率的技術(shù)。幅移鍵控（ASK ）和頻移鍵控（FSK ）調(diào)制正弦無線電載波有三種基本方法：更改振幅、頻率或相位。比較先進(jìn)的方法則通過整合兩個或者更多這些方法的變體來提高頻譜效率。如今，這些基本的調(diào)制方式仍在數(shù)字信號領(lǐng)域中使用。圖 1 顯示了二

2、進(jìn)制零的基本串行數(shù)字信號和用于發(fā)射的信號以及經(jīng)過調(diào)制后的相應(yīng)AM 和 FM 信號。有兩種 AM 信號： 開關(guān)調(diào)制 （ OOK ） 和幅移鍵控（ ASK ） 。 在圖 1a 中 , 載波振幅在兩個振幅級之間變化，從而產(chǎn)生ASK 調(diào)制。在圖1b 中，二進(jìn)制信號關(guān)斷和導(dǎo)通載波，從而產(chǎn)生OOK 調(diào)制。圖 1: 三種基本的數(shù)字調(diào)制方式仍在低數(shù)據(jù)速率短距離無線應(yīng)用中相當(dāng)流行：幅移鍵控（a）、開關(guān)鍵控（b）和頻移鍵控（c）。在載波零交叉點(diǎn)發(fā)生二進(jìn)制狀態(tài)變化時，這些波形是相干的。AM 在與調(diào)制信號的最高頻率含量相等的載波頻率之上和之下產(chǎn)生邊帶。所需的帶寬是最高頻率含量的兩倍，包括二進(jìn)制脈沖調(diào)制信號的諧波。頻移

3、鍵控（FSK ）使載波在兩個不同的頻率（稱為標(biāo)記頻率和空間頻率，即fm 和 fs ）之間變換（圖1c ）。FM 會在載波頻率之上和之下產(chǎn)生多個邊帶頻率。產(chǎn)生的帶寬是最高調(diào)制頻率（包含諧波和調(diào)制指數(shù)）的函數(shù)，即：m = f （ T）f 是標(biāo)記頻率與空間頻率之間的頻率偏移，或者： f = fs fmT 是數(shù)據(jù)的時間間隔或者數(shù)據(jù)速率的倒數(shù)（1/bit/s ）。M 的值越小，產(chǎn)生的邊帶越少。流行的FSK 版本是最小頻移鍵控（MSK ），這種調(diào)制方式指定m = 0.5. 還使用 m = 0.3 等更小的值。接下來我們討論兩種進(jìn)一步提高ASK 和 FSK 的頻譜效率的方法。第一個方法是選擇數(shù)據(jù)速率、載波頻

4、率和移頻，以便發(fā)生二進(jìn)制狀態(tài)變化時，正弦載波不會出現(xiàn)不連續(xù)。這些不連續(xù)性會產(chǎn)生短時脈沖波干擾，這種干擾會增加諧波含量和帶寬。這里的思路是使二進(jìn)制數(shù)據(jù)的停止和開始時間與正弦載波在零交叉點(diǎn)出現(xiàn)振幅或頻率變化的時間同步。這稱為連續(xù)相或相干操作。與非相干信號相比，相干ASK/OOK 和相干 FSK 的諧波較少，帶寬較窄。第二種方法是在調(diào)制之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。這種方法可以對信號進(jìn)行修整，從而延長上升時間和下降時間， 減少諧波含量。特別的高斯濾波器和升余弦低通濾波器的用途就在于此。GSM 蜂窩電話廣泛使用了一種流行的整合方案，即高斯濾波MSK（ GMSK ），這種方案可以在200kHz 信道中實(shí)現(xiàn)270k

5、bps 的數(shù)據(jù)速率。二進(jìn)制相移鍵控（BPSK ）和正交相移鍵控（QPSK ）二進(jìn)制相移鍵控（BPSK ）是一種非常流行的數(shù)字調(diào)制方式，該調(diào)制方式是在發(fā)生每一個二進(jìn)制狀態(tài)變化時將正弦載波進(jìn)行180 的相移（圖2 ）。BPSK 在零交叉點(diǎn)出現(xiàn)相變時是相干的。BPSK 的正確解調(diào)需要信號與相同相位的正弦載波進(jìn)行對比。這涉及到載波恢復(fù)和其他的復(fù)雜電路。圖 2: 在二進(jìn)制相移鍵控中，請注意二進(jìn)制0 的相位是怎樣為0 ，而二進(jìn)制1 的相位是怎樣為180 的。當(dāng)二進(jìn)制狀態(tài)發(fā)生變換時，相位發(fā)生變化，因此信號是相關(guān)的。差分 BPSK 或 DPSK 是比較簡單的調(diào)制方式，這兩種調(diào)制試試會將接收到的比特相位與以前的

6、比特信號的相位進(jìn)行對比。BPSK 是頻譜效率極高的一種調(diào)制方式，你可以以與帶寬（即1bit/Hz ）相等的數(shù)據(jù)速率傳送數(shù)據(jù)。正交 PSK（ QPSK ）是 BPSK 的一種比較流行的變體，在該方式中，調(diào)制器產(chǎn)生兩個相移為90 的正弦載波。二進(jìn)制數(shù)據(jù)對每個相位進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生四個相移為45 的唯一的正弦信號。兩個相位疊加在1 ）。一起，產(chǎn)生最終的信號。每一對唯一的比特都產(chǎn)生具有不同相位的載波（表表1圖 3a 通過相量圖描述了QPSK, 圖中的相量表示載波正弦振幅峰值，及其位置表示相位。圖3b 中的星座圖顯示了同樣的信息。由于每一個載波相位都表示兩比特數(shù)據(jù)，因此QPSK 是一種頻譜效率極極高的調(diào)

7、制方式。其頻譜效率為2bit/Hz, 這是同一帶寬中BPSK 能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)據(jù)速率的兩倍。圖 3: 可以不使用時域波形來表示調(diào)制方式。比如，QPSK 可以用相量圖（a）或者星座圖（b）表示，這兩種圖都表示相位和振幅的大小。數(shù)據(jù)速率和波特率理論上的最大數(shù)據(jù)速率或信道容量（C）（單位為bits/s ）是信道帶寬（B）信道（單位為Hz）和信噪比（ SNR ）的函數(shù)：C = B log2 （ 1 + SNR ）這就是所謂的香農(nóng)-哈特雷定律。最大數(shù)據(jù)速率與帶寬成正比，與SNR 成對數(shù)比。在誤碼率（BER）一定的情況下，噪聲會大幅降低數(shù)據(jù)速率。另一個關(guān)鍵因素是波特率，即每秒傳送的調(diào)制符號數(shù)。調(diào)制符號這個術(shù)語

8、是指正弦載波信號的一種具體狀態(tài)。它可以是振幅、頻率、相位或者這些參數(shù)的某種形式的組合。基本的二進(jìn)制傳輸模式采用每個符號一比特的機(jī)制。在 ASK 調(diào)制方式中，二進(jìn)制0 表示一個振幅，二進(jìn)制1 表示另外一個振幅。在FSK 調(diào)制方式中，二進(jìn)制 0 表示一個載波頻率，二進(jìn)制 1 表示另一個載波頻率。在 BPSK 調(diào)制方式中，二進(jìn)制 0 表示0 相移，二進(jìn)制 1 表示180 相移。以上的每一種調(diào)制方式都采用每個符號一比特的機(jī)制。數(shù)據(jù)速率（單位為bits/s ）按比特時間（tb ）的倒數(shù)計：bits/s = 1/ tb采用每比特一個符號的機(jī)制時，波特率與比特率相同。不過，如果每個符號傳輸多個比特，波特率就

9、會降至比特率的每個符號的比特數(shù)分之一。比如，如果按每個符號2 比特傳輸，波特率即為比特率的二分之一。舉例來講，采用QPSK 調(diào)制方式時，70Mb/s 的數(shù)據(jù)流是以35 個符號/秒的波特率傳輸?shù)?。多相移鍵控（M-PSK ）在 QPSK 調(diào)制方式下，每個符號為2 比特，其頻譜效率極高。由于有四種振幅相位組合，因此QPSK4-PSK. 通過使用較小的相移，每個符號可以傳輸更多比特。8-PSK 和 16-PSK 是比較常用的調(diào)制8-PSK 采用八個符號，這些符號之間存在45 的等幅載波相移，從而可以實(shí)現(xiàn)每個符號傳輸三比特。16-PSK 采用 22.5 的等幅載波信號相移。該方案可以實(shí)現(xiàn)每個符號傳輸4

10、比特。雖然多相移鍵控（ M-PSK ） 的頻譜效率較高，但是小相移數(shù)越大，在有噪聲的環(huán)境下解調(diào)信號就越難。M-PSK 的優(yōu)勢在于等幅載波可以使用效率更高的非線性功放。正交調(diào)幅（QAM ）創(chuàng)建具有某種振幅和相位組合的符號可以進(jìn)一步增加每個符號傳輸?shù)谋忍財?shù)。這種方法稱為正交調(diào)幅QAM ）。比如，8QAM 使用四種載波相位和兩個振幅級來實(shí)現(xiàn)每個符號傳輸3 比特。其他流行的調(diào)制16QAM 、 64QAM 和 256QAM, 這三種調(diào)制方式每個符號分別傳輸4、 6 和 8 比特。4:16QAM 同時使用振幅和相位來實(shí)現(xiàn)4bit/Hz 的頻譜效率。在此示例中，有三個幅移和12 個相移。雖然 QAM 的頻譜

11、效率極高，但是在有噪聲的情況下解調(diào)信號的難度也更大，其振幅變化往往是隨機(jī) QAM 在有線電視、Wi-Fi 無線局域網(wǎng)（LAN ）、衛(wèi)星和蜂窩電話系統(tǒng)中使用相幅相鍵控（APSK ）幅相鍵控 （ APSK ） 是一種從M-PSK 和 QAM 演變而來的調(diào)制方式，這種調(diào)制方式是隨著更高級QAMQAM （比如 16QAM 和更高）具有很多不同的振幅級和相移。這此外， 這些多個振幅級需要線性功放（ PA） ， 而線性功放的效率要比非線性功放（比如 C 類功放） 低。PA 的非線性區(qū)工作的可能性就越大，從而提高功率水平。APSK 使用更少的振幅級。這種調(diào)制方式基本上將符號排列到兩個或更多恒定相位差為 的同

12、心環(huán)中。16APSK 采用雙環(huán)PSK 格式（圖5）。此調(diào)制方式稱為4-12 16APSK, 中心環(huán)有四個字符，外環(huán)12 個字符。圖 5:16APSK使用兩個振幅級A1 和 A2 以及 16 個偏移為 的不同相位位置。此調(diào)制技術(shù)已廣泛用于衛(wèi)星領(lǐng)域。采用兩個振幅級差較小的振幅級時，可使放大器在更加靠近非線性區(qū)的位置工作，從而提高效率和功率輸出。由于APSK 非常適合使用普遍使用的行波管（TWT ）功放，因此APSK 主要用在衛(wèi)星應(yīng)用中。正交頻分復(fù)用（OFDM）正交頻分復(fù)用（OFDM）通過整合調(diào)制技術(shù)和復(fù)用技術(shù)來提高頻譜效率。傳輸信道被分成許多較小的子信道或子載波。選擇副載波頻率和間距時需使它們成正

13、交關(guān)系。這樣，其光譜就不會互相干擾，因此就不需要防護(hù)頻帶（圖6 ）。圖 6: 在 IEEE 802.11n Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)的 OFDM 信號中， 56 個副載波在20MHz 信道中的間隔為312.5kHz.使用 64QAM 調(diào)制方式時，可以實(shí)現(xiàn)300Mbps 的數(shù)據(jù)速率。要傳輸?shù)拇袛?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被分成數(shù)據(jù)速率較低的并行信道。然后這些數(shù)據(jù)速率較低的信號被用來調(diào)制每一個副載波。BPSK、 QPSK 和幾種級別的QAM 是最常見的調(diào)制方式。802.11n 標(biāo)準(zhǔn)對BPSK、 QPSK 、16QAM 和 64QAM 進(jìn)行了定義。64QAM 可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)300Mbps 左右的數(shù)據(jù)速率。只有數(shù)字信號處理（DS

14、P ）技術(shù)會產(chǎn)生復(fù)雜的調(diào)制過程。反向快速傅立葉變換（IFFT）產(chǎn)生用于傳輸?shù)男盘?。FFT 過程會恢復(fù)接收器端的信號。OFDM 的頻譜效率相當(dāng)高。該效率取決于副載波數(shù)和調(diào)制方式，不過它可以高達(dá)30bit/s/Hz. 由于高帶寬， 這種調(diào)制方式通常會占用大量副載波，由于衰減、多路反射以及UHF 和微波無線電信號傳播中常見的類似效應(yīng)，這種調(diào)制方式還不容易出現(xiàn)丟失信號的情況。當(dāng)前， OFDM 是使用最為廣泛的數(shù)字調(diào)制方式。這種調(diào)制方式的應(yīng)用范圍包括Wi-Fi LAN 、 WiMAX寬帶無線網(wǎng)絡(luò)、長期演進(jìn)（LTE ） 4G 蜂窩系統(tǒng)、數(shù)字用戶線路（DSL ）系統(tǒng)和大多數(shù)電力線通信（PLC）應(yīng)用。 頻譜效

15、率的確定頻譜效率是在分配的帶寬中數(shù)據(jù)的傳輸速率的量度，其單位為bit/s/Hz （ b/s/Hz ）。每一種調(diào)制方式都有其理論最高頻譜效率（表2 ）。表2SNR 是影響頻譜效率的另一個重要因素。該因素還可以用載波噪聲功率比（CNR）來表示。此量度是針對給定CNR 值的 BER.BER 是在給定的傳輸比特數(shù)中出錯的比例。由于與信號級相比，噪聲變得更大，因此會出現(xiàn)更多錯誤。有些調(diào)制方式不易受噪聲影響。ASK/OOK 和 QAM 等振幅調(diào)制方式極易受噪聲影響，因此對于給定的調(diào)制而言，這些調(diào)制方式的BER 較高。相位和頻率調(diào)制（BPSK 和 FSK 等）在有噪聲的環(huán)境中具有更好的表現(xiàn)，因此對于給定的噪

16、聲級，這些調(diào)制方式需要的信號功率較少。影響頻譜效率的其他因素雖然調(diào)制方式在頻譜效率中起著非常關(guān)鍵的作用，但是無線設(shè)計中的其他因素也會影響頻譜效率。比如，使用正向糾錯（FEC）技術(shù)可以大幅改進(jìn)BER. 這種編碼方式可以增加額外的比特數(shù)，因此可以檢測和糾正錯誤。這些額外的編碼比特會增加信號的開銷，從而降低數(shù)據(jù)的凈比特率，不過這往往是CNR 的一位數(shù)dB改進(jìn)的一個可以接受的折衷因素。如今幾乎所有的無線系統(tǒng)都有這種編碼增益。數(shù)字壓縮是另一個有用的技術(shù)。要發(fā)送的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)易受用來大幅減少信息量的壓縮算法的影響。這樣就可以減少數(shù)字信號量，以便這些信號以更短更慢的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸。比如，數(shù)字手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語言

17、（VoIP ）電話的語言信號就是經(jīng)過壓縮的。MP3 或 AAC 文件的音樂經(jīng)過壓縮后可以獲得更快的傳輸速度，并且所需的存儲空間也更小。視頻經(jīng)過壓縮后，高分辨率的圖像 可以更快地傳輸或者在帶寬有限的系統(tǒng)中傳輸。影響頻譜效率的另一個因素是多輸入多輸出（MIMO ）的使用，該技術(shù)使用多個天線和收發(fā)器來傳送兩個或多個比特流。單個高速率流被分成兩個并行流，并同時以相同的帶寬進(jìn)行傳輸。通過對流及其獨(dú)特的通路特性進(jìn)行編程，接收器可以對每個流進(jìn)行識別和解調(diào)，并將其重編成原始的流。因此，MIMO 可以提升數(shù)據(jù)速率、噪聲性能和頻譜效率。802.11n 和 802.11ac/ad 等更新的無線LAN （ WLAN

18、）標(biāo)準(zhǔn)以及LTE 和 WiMAX 等蜂窩標(biāo)準(zhǔn)都采用MIMO 技術(shù)。圖 7: 這是以 BER 和 CNR 表示多種流行的調(diào)制方式及其頻譜效率的比較圖。請注意， 對于給定的BER,QAM級別越高，所需的CNR 越大。調(diào)制和解調(diào)的實(shí)現(xiàn)過去， 實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)的電路往往是唯一的。如今， 大多數(shù)現(xiàn)代無線電都是軟件定義無線電（ SDR ） ，在這類無線電中，調(diào)制和解調(diào)等功能都是通過軟件的方式實(shí)現(xiàn)的。DSP 算法執(zhí)行以前指定給調(diào)制器和解調(diào)器電路的工作。調(diào)制過程是從要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被送至產(chǎn)生兩個數(shù)據(jù)輸出的DSP 器件開始的，這兩個數(shù)字輸出用來定義接收器端恢復(fù)數(shù)據(jù)所需的振幅和相位信息。DSP 產(chǎn)生兩個基帶流，這兩個基

19、帶流被發(fā)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ DAC ） ，從而產(chǎn)生模擬當(dāng)量。這些調(diào)制信號向混頻器提供載波。載波信號與混頻器之間有90 的相移。從混頻器獲得的正交輸出信號合在一起產(chǎn)生要傳輸?shù)男盘?。如果載波信號的頻率為最終的傳輸頻率，那么該復(fù)合信號將被放大，然后被發(fā)送至天線。這個過程稱為直接轉(zhuǎn)換。載波信號的頻率也有可能是較低的中頻（IF）。該中頻信號通過另一個混頻器被上變頻至最終的載波頻率，然后被施加到發(fā)射器功放。在接收器端，來自天線的信號被放大，然后下變頻至中頻，或者直接下變頻至最初的基帶信號。來自天線的放大信號與載波信號一起被施加到混頻器。施加到混頻器的載波信號之間也有90 的相移。混頻器產(chǎn)生最初的基帶模擬信號

20、，然后該信號在一對模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC ）中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并被發(fā)送至 DSP 電路，該電路中的解調(diào)算法用來恢復(fù)最初的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這里要考慮三個重點(diǎn)。首先，調(diào)制和解調(diào)過程采用兩個正交信號。如果相位和振幅將要在調(diào)制或解調(diào)過程中保存和捕獲時，DSP 算法就需要兩個正交信號。其次， DSP 電路可能是傳統(tǒng)的可編程DSP 芯片，也可能通過實(shí)現(xiàn)算法的固定數(shù)字邏輯來實(shí)現(xiàn)。固定邏輯電路尺寸更小速率更快，由于在調(diào)制或解調(diào)過程中具有低延遲而往往得到優(yōu)先使用。第三，如果調(diào)制方式為QPSK 或 QAM, 發(fā)射器中的功放就需要是線性放大器，這樣才能真實(shí)地再現(xiàn)振幅和相位信息。如果采用ASK 、 FSK 和 BPSK 調(diào)制方

21、式，可以要使用效率更高的非線性放大器。對更高頻譜效率的追求頻譜是有限的資源，它總是供不應(yīng)求。多年來，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）和其他政府機(jī)構(gòu)已分配了大多數(shù)電磁頻譜，并且大多數(shù)頻譜都處在積極使用的狀態(tài)。現(xiàn)在，蜂窩和陸地移動無線電領(lǐng)域存在頻譜供不應(yīng)求的局面，從而限制了高數(shù)據(jù)速率等業(yè)務(wù)的拓展和新用戶的加入。解決這個問題的一個方案是通過將更多用戶壓縮到相同或更少的頻譜中并實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率來提高使用效率。改進(jìn)的調(diào)制和訪問方案可能會有所幫助。最密集的頻譜區(qū)之一是聯(lián)邦政府、州政府和消防局和警察局等當(dāng)?shù)毓舶踩珯C(jī)構(gòu)使用的陸地移動無線電（ LMR）和專用移動無線電（PMR）頻譜。目前，這些頻譜是由FCC 認(rèn)

22、證分配的頻譜150 至 174MHzVHF 頻譜和 421 至 512MHz UHF 頻譜。大多數(shù)無線電系統(tǒng)和手持機(jī)都使用占用25kHz 信道的 FM 模擬調(diào)制。最近FCC 已經(jīng)要求所有的這類無線電都切換到12.5kHz 信道。這種轉(zhuǎn)換稱為窄帶轉(zhuǎn)換，它可以使可用信道數(shù)翻倍。窄帶轉(zhuǎn)換有望提升無線電訪問信道的能力。此外，窄帶還意味著可以在系統(tǒng)中增加更多的無線電。這種轉(zhuǎn)換必須在2013 年 1 月 1 日之前進(jìn)行。否則機(jī)構(gòu)或公司可能會失去認(rèn)證或者被罰款。由于對新無線電系統(tǒng)和手持機(jī)的需求仍存在，因此這種轉(zhuǎn)換的成本將非常高。未來， FCC 有望授權(quán)從12.5kHz 信道進(jìn)一步轉(zhuǎn)換到6.25kHz 信道，

23、 這樣就又在不增加分配的頻譜量的情況下將容量增加了一倍。這種轉(zhuǎn)換尚未提供時間表。新設(shè)備可以使用模擬或數(shù)字調(diào)制方式。通過調(diào)整調(diào)制指標(biāo)并使用其他窄帶轉(zhuǎn)換技術(shù)可以將標(biāo)準(zhǔn)模擬FM置于 12.5kHz 信道上。不過，6.25kHz 信道中的模擬FM 無法工作，因此必須使用數(shù)字技術(shù)。數(shù)字技術(shù)可以將語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并使用壓縮技術(shù)產(chǎn)生可以調(diào)制到窄帶的極低速率的串行數(shù)字信號。這種數(shù)字調(diào)制技術(shù)有望滿足窄帶轉(zhuǎn)換目標(biāo)，并帶來一些額外的性能優(yōu)勢。目前已經(jīng)開發(fā)了新的調(diào)制技術(shù)和協(xié)議（包括P25 、 TETRA 、 DMR 、 dPMR 和 NXDN ）來滿足這一要 TOC o 1-5 h z 求。所有這些新技術(shù)都必

24、須滿足FCC 法規(guī)第 90 部分和 /或歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（ETSI ）標(biāo)準(zhǔn)（如針對LMR的 TS-102 490 和 TS-102-658 ）的要求。最流行的數(shù)字LMR 技術(shù) P25 目前已在美國12.5kHz 信道上得到廣泛使用。其頻分多址（FDMA）技術(shù)可將分配的頻譜分成6.25kHz 或 12.5kHz 信道。P25 項(xiàng)目的第I 階段使用四符號FSK （ 4FSK ）調(diào)制技術(shù)。早期推出的標(biāo)準(zhǔn)FSK 使用兩種頻率或音調(diào)（ tone ） 來實(shí)現(xiàn) 1bit/Hz 的頻譜效率。不過，4FSK 是使用四種頻率的FSK 技術(shù)的一種變體，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)2bit/Hz 的效率。 使用該方案時，該標(biāo)準(zhǔn)可以

25、在12.5KHz 的信道中實(shí)現(xiàn)9600bit/s 的數(shù)據(jù)速率。使用 4FSK 技術(shù)時，載波頻率出現(xiàn) 1.8kHz 或 600Hz 的頻移，以實(shí)現(xiàn)四個符號。在第 2 階段，使用一種兼容的QPSK 調(diào)制技術(shù)在6.25kHz 信道中實(shí)現(xiàn)類似的數(shù)據(jù)速率。發(fā)生 45或 135 的相移，以實(shí)現(xiàn)四個符號?，F(xiàn)已開發(fā)出一款獨(dú)一無二的解調(diào)器，它可以檢測到4FSK 或 QPSK信號，以恢復(fù)數(shù)字語音。僅需要發(fā)射端的另一調(diào)制器即可實(shí)現(xiàn)從第1 階段到第2 階段的轉(zhuǎn)換。美國以外的地區(qū)使用最廣泛的數(shù)字LMR 技術(shù)是 TETRA, 即陸地中繼無線電。這種 ETSI 標(biāo)準(zhǔn)在歐洲以及非洲、亞洲和拉丁美洲應(yīng)用相當(dāng)廣泛。其時分多址（T

26、DMA ）技術(shù)可將四個數(shù)字語音或數(shù)據(jù)信號復(fù)用至25kHz 信道。單個信道可用來支持每個用戶的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的四個時隙的數(shù)字流。這相當(dāng)于相鄰的6.25kHz 信道中的四個獨(dú)立信號。這種調(diào)制方式是 /4 -DQPSK, 數(shù)據(jù)速率是每時隙7.2kbps.另一個 ETSI 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字移動無線電（DMR ）在 12.5kHz 信道中使用4FSK 調(diào)制技術(shù)。這種調(diào)制技術(shù)通過使用雙時隙TDMA 方式在 12.5kHz 信道中實(shí)現(xiàn)等效的6.25kHz 信道。 語音通過數(shù)字方式進(jìn)行編碼，帶糾錯功能，基本速率是3.6kbps.12.5kHz 頻帶的數(shù)據(jù)速率是9600kbps.類似的技術(shù)還有dPMR, 這是一種數(shù)字專用移動

27、無線電標(biāo)準(zhǔn)。此ETSI 標(biāo)準(zhǔn)也使用4FSK 調(diào)制技術(shù)，不過使用的多址技術(shù)是6.25kHz 信道中的FDMA. 帶糾錯功能時的語音編碼速率也是3.6kbps.LMR 廠商 Icom 和 Kenwood 已開發(fā)出另一個LMR 標(biāo)準(zhǔn) NXDN. 該標(biāo)準(zhǔn)旨在使用數(shù)字語音壓縮技術(shù)和四符號 FSK 系統(tǒng)在 12.5 或 6.25kHz 信道中工作。可以選擇一個信道用來傳輸語音或數(shù)據(jù)?；緮?shù)據(jù)速率為4800bit/s. 多址技術(shù)是FDMA.NXDN 和 dPMR 是兩個類似的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗鼈兌荚?.25kHz 信道中使用4FSK 和 FDMA. 不過由于數(shù)據(jù)協(xié)議和其他特性不相同，這兩種技術(shù)并不兼容。由于所有這

28、些數(shù)字技術(shù)都是類似的，并且在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)工作，因此飛思卡爾（Freescale ）公司開發(fā)出了一款整合RF 收發(fā)器和ARM9 處理器的單芯片數(shù)字無線電，該無線電經(jīng)過編程后可以適用于任何數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)。如果不使用多個協(xié)議的話，MC13260 片上系統(tǒng)（SoC ）可以成為手持機(jī)無線電的基礎(chǔ)。NovelSat 公司推出的一種稱為NS3 調(diào)制的新技術(shù)就是提高給定信道的頻譜效率并增加數(shù)據(jù)吞吐能力的調(diào)制技術(shù)的另一個實(shí)例。衛(wèi)星定位在距地球22,300 英里的圍繞赤道的軌道上。這稱為地球靜止軌道，該軌道上的衛(wèi)星以與地球同步的方式旋轉(zhuǎn)，因此它們的運(yùn)動軌跡是固定的，這使其成為一個非常合適的從地球上的一個位置到另一位置

29、的信號中繼平臺。衛(wèi)星上有多個轉(zhuǎn)發(fā)器，它們可以撿拾來自地球的弱上行線路信號，并將該信號以不同的頻率重新發(fā)送。這些轉(zhuǎn)發(fā)器是線性設(shè)備，具有固定帶寬，一般為36MHz. 有些新型衛(wèi)星具有72MHz 的信道轉(zhuǎn)發(fā)器。帶寬固定時，數(shù)據(jù)速率也是固定的，并且由調(diào)制技術(shù)和多址技術(shù)決定。問題是如何滿足由于對更高通信能力的日益增長的需求而引起的提高遠(yuǎn)程衛(wèi)星中的數(shù)據(jù)速率的要求。解決方法很簡單，就是創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)頻譜效率更高的調(diào)制技術(shù)。NovelSat 公司正是按照這個思路做的。該公司的 NS3 調(diào)制技術(shù)可以將帶寬容量提高多達(dá)78%.這種提高來自以前推出的APSK 調(diào)制技術(shù)的修訂版。常用的衛(wèi)星傳輸標(biāo)準(zhǔn)DVB-S2 是一個可以

30、使用QPSK 、 8PSK 、 16APSK 和 32APSK 調(diào)制方式和不同的正向糾錯（FEC）方案的單個載波（一般是L 波段 950 至 1750MHz ）。最常見的應(yīng)用是視頻傳輸。NS3 技術(shù)通過多個振幅和相位符號提供64APSK 調(diào)制方式，提高了頻譜效率，在DVB-S2 技術(shù)的基礎(chǔ)上有所提升。此外還包含了低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC ）碼。這種整合可以在72MHz 的轉(zhuǎn)發(fā)器中實(shí)現(xiàn)358Mbps 的最高數(shù)據(jù)速率。由于調(diào)制方式是APSK, 因此 TWT PA 不必進(jìn)行回退，以保留完美的線性度。因此與 DVB-S2 相比，它們能以更高的功率工作，并實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更低的CNR.NovelSa

31、t 公司的 NS1000 調(diào)制器和NS2000 解調(diào)器可用來將衛(wèi)星系統(tǒng)升級至NS3. 在大多數(shù)應(yīng)用中，針對給定的CNR,NS3 都可以在DVB-S2 基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率的提升。Chirp 擴(kuò)頻技術(shù)綜述摘要： 眾所周知，擴(kuò)頻技術(shù)具有顯著的抗干擾和抗衰落特性，并且具有低功耗，及低的被檢測概率，因此，擴(kuò)頻技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于民用和軍用通信中。常用的擴(kuò)頻技術(shù)主要有三種：直接序列擴(kuò)頻，跳頻和 chirp 擴(kuò)頻 ( Chirp Spread Spectrum， CSS) 技術(shù)。 相比于前兩者，Chirp擴(kuò)頻技術(shù)的抗多普勒頻移能力更強(qiáng)，且可有效的抗深度衰落。由于水聲信道的多普勒頻移是不可忽略的，因此，有必要對

32、chirp 擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行深入的研究，使其能成為水聲通信中一種新的調(diào)制體制。另外，近年來FRFT( Fractional Fourier Transform ，分?jǐn)?shù)階傅里葉變換)是信號處理領(lǐng)域一個研究熱點(diǎn)，不同于普通的傅里葉變換，F(xiàn)RFT的基函數(shù)正是一系列chirp 函數(shù)，這使得FRFT可用于檢測chirp 信號和 chirp 參數(shù)估計，因此，將其引入Chirp 擴(kuò)頻系統(tǒng)。本文將介紹chirp 擴(kuò)頻技術(shù)的基本原理，及其主要發(fā)展和應(yīng)用，并對基于chirp 擴(kuò)頻的多址方案進(jìn)行討論。最后還將介紹基于FRFT的Chirp 擴(kuò)頻系統(tǒng)。Chirp 擴(kuò)頻技術(shù)簡介CSS技術(shù)是用線性調(diào)頻的Chirp 脈沖調(diào)制發(fā)送

33、信息來達(dá)到擴(kuò)頻效果的。Chirp 脈沖是正弦信號，在一定時間段內(nèi)，其頻率隨時間線性增加或減小。與DSSS、 FHSS相似，CSS利用了它的整個帶寬去擴(kuò)展信號的頻譜，不同的是CSS不需要加入任何偽隨機(jī)序列，它利用了Chirp 脈沖自身的頻率線性特征，其頻率是連續(xù)變化的。CSS與DSSS的解擴(kuò)原理也有相似之處。DSSS是通過PN 序列擴(kuò)頻的，其解擴(kuò)需要利用PN 序列良好的自相關(guān)特性，即：其自相關(guān)遠(yuǎn)大于互相關(guān)。在接收端，如果本地PN 序列與接收到的 PN 序列具有相同的相位時，相關(guān)運(yùn)算出現(xiàn)最大值。所以可以通過自相關(guān)運(yùn)算，對信號進(jìn)行解擴(kuò)， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)符號的檢測。CSS的解擴(kuò)利用了脈沖壓縮原理。接收信號經(jīng)

34、過匹配濾波后，出現(xiàn)了尖峰脈沖，接收機(jī)可以通過對尖峰脈沖的能量捕獲來進(jìn)行數(shù)據(jù)符號的檢測。匹配濾波在一定程度上可以看作是求自相關(guān)。所以可以認(rèn)為CSS和DSSS都是通過對擴(kuò)頻序列(信號)求自相關(guān)來解擴(kuò)的。與傳統(tǒng)的擴(kuò)頻技術(shù)相比，Chirp 擴(kuò)頻有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：Chirp 擴(kuò)頻的處理增益由信號的時間帶寬積 TB決定，而Chirp 信號的時間帶寬積遠(yuǎn)大于1，所以利用Chirp 脈沖傳送數(shù)據(jù)，有較強(qiáng)的抗干擾能力。Chirp 擴(kuò)頻利用了非常寬的頻帶，即使在非常低的發(fā)射功率下，仍然可以抗多徑衰落。同時Chirp 擴(kuò)頻還能抗移動通信中常見的多普勒頻移?！?1】. 調(diào)制方式目前用于Chirp 擴(kuò)頻通信的調(diào)制方法可分

35、為兩大類，二進(jìn)制正交鍵控(Binary OrthogonalKeying， BOK)調(diào)制和直接調(diào)制(Direct Modulation ， DM)。在 BOK中， Chirp 信號被用于表示調(diào)制后的符號；而在DM 中， Chirp 信號僅用于擴(kuò)展已調(diào)信號的頻譜。在 BOK系統(tǒng)中，使用兩個正交的線性調(diào)頻信號。它們的線性調(diào)頻率( chirp rate) 正好相反。一個是正的，稱為up-chirp，一個是負(fù)的，稱為down-chirp ，分別用來表示不同的信號，例如，用 up-chirp 表示“ 1”，用 down-chirp 來表示“0”。 Chirp 擴(kuò)頻是一種低速的調(diào)制方式，為了提高數(shù)據(jù)速率，

36、在BOK 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)【2】提出了一種多進(jìn)制鍵控調(diào)制，稱為Multiple Chirp-rate Shift Keying ( MCrSK) ，即用不同的調(diào)頻率和Miki,.2,1, 初始頻點(diǎn)if0 來對信息進(jìn)行相應(yīng)的映射。這類似于MFSK，但是該系統(tǒng)比MFSK魯棒性更強(qiáng)，且頻譜利用率更高。這種系統(tǒng)在設(shè)計的時候需考慮不同調(diào)頻率的選取方案。文獻(xiàn)【3】提出的M-ary chirpspread spectrum modulation (MCSS)系統(tǒng)，本質(zhì)上和MCrSK系統(tǒng)是相同的。DPSK-MCSS則是在差分編碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行多進(jìn)制chirp 調(diào)制，可降低系統(tǒng)對同步的要求。在 DM 系統(tǒng)中，信

37、號先是經(jīng)過數(shù)字調(diào)制，如DPSK,DQPSK等，后直接乘以一個Chirp 信號，用于對已調(diào)信號進(jìn)行擴(kuò)展。在這里，chirp 信號的功能與DSSS中PN 序列的功能相同。這種調(diào)制方式簡單，易于實(shí)現(xiàn)，整個系統(tǒng)只到了一種線性調(diào)頻信號，接收端處理也較簡單。DM系統(tǒng)的靈活之處在于它可以和各種不同的映射方式結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)簡單的多進(jìn)制調(diào)制。Chirp 擴(kuò)頻多址方案作為一種擴(kuò)頻信號，Chirp 信號具有固有的抗干擾特性。特別是當(dāng)存在多普勒頻移和在多徑衰落信道下傳播時，chirp 信號更能體現(xiàn)其優(yōu)勢?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，越來越多的學(xué)者正在研究其在多用戶環(huán)境下的性能。1996 年， Said E. El-Khamy et al. 提出了一種有效的多址接入技術(shù)multi-user chirp modulation （ M-CM） 【 4】 ，該技術(shù)的重點(diǎn)在于多用戶chirp 調(diào)制信號的設(shè)計，即設(shè)計一種有效的線性調(diào)頻率選取規(guī)則，使得每個用戶占有相同的帶寬并且能量相等。但是，隨著用戶數(shù)的增加，各用戶的chirp 信號之間的互相干擾影響也在不斷的增加，從而使系統(tǒng)誤