第五章软件无线电基本算法电子科技大学(经典)ppt课件.ppt

第五章 软件无线电中的信号处理算法,主讲人：李玉柏,本章主要内容,基于正交调制的调制算法基于正交调制的解调算法同步技术及相关算法通信调制样式识别,5.1 软件无线电中的调制算法,5.1.1 信号调制通用模型 在当代通信中，通信信号的种类繁多，如果按照常规的方法，产生一种信号就要一种硬件电路，那么，要使一个通信机产生多种信号，其电路就会极其复杂，体积、重量都会很大。软件无线电中，各种调制信号是以一个通用的数字信号处理平台为支撑，利用各种软件来产生的。,信源I,多相滤波,相乘,信源Q,多相滤波,相乘,相加,正交调制的实现框图,从理论上来说，各种信号都可以用正交调制的方法来实现，其表达式：调制信号的信息都应该包括在I(t)和Q(t)内。另外，由于各种调制信号都在数字域实现的，因此，在数字域上实现时要对上式进行数字化。,5.1.2 模拟信号调制算法,1.调频（FM）调频就是载波频率随调制信号成线性变化的一种调制方式。,令：将s(t)的表达式展开，带入u(t)化简，可得：可以看出：,2、调幅（AM）,调幅就是使载波的振幅随调制信号的变化规律而变化。从信号表达式中，我们很容易得出：,3、双边带信号（DSB）,双边带信号是由载波同调制信号直接相乘得到的，只有上、下边带分量，无载波分量。要实现正交信号只需令：,4、单边带信号（SSB),SSB是滤除双边带信号的一个边带而得到的。LSSB表达式：USSB表达式：其中，代表Hilbert变换。,对LSSB:对USSB:,5.1.3 数字信号调制算法,1、振幅键控信号（2ASK）一个二进制的振幅键控信号可以表示为一个单极性脉冲和一个正弦信号相乘。,其中，m(t)为单极性脉冲，可以表示为：(g(t)是持续时间为T的矩形脉冲，an 是信号源给出的二进制符号）要实现正交调制，只要令：I(t)=0 Q(t)=m(t),2、二进制频移键控信号（2FSK）,2FSK是符号0对应载波频率为w1，符号1对应载波频率为w2的以调波形。,3、二进制相移键控信号（2PSK）,2PSK方式是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的数字调制方式。(an取值为1；发0时取1，发1时取-1）,4、DPSK调制：DPSK调制是利用前后相邻码元的相对载波相位去表示数字信息的一种表示方式。它与PSK的区别仅仅在于编码方式不同。5、M进制数字频率调制（MFSK）：MFSK是FSK的直接推广！式中，m(m=0,1,M-1)是与an 相对应的载波角频率偏移,6、M进制数字振幅调制（MASK）,7、四进制数字相位调制（QPSK）是受信息控制的相位参数，它有四种可能的取值。对QPSK而言：,MASK与ASK在调制方式上无本质的区别。an为信源给出的M进制电平。,8、正交振幅调制（QAM）,QAM是一种多进制混合调幅调相的调制方式。通常用星座图可以直观的表示出来。,QAM信号的数学表达式为：只要令：就可以实现QAM信号了。,9、最小频移键控（MSK）,所谓MSK，就是调制指数最小（h=0.5)的连续相位的FSK。式中T为码元宽度，an为1，是第n个码元的起始相位 只要把数据进行适当的编码，同样可以用调频的方法实现MSK信号的调制,10、GMSK信号,GMSK调制就是把输入数据经过高斯低通滤波器进行预调制滤波后，再进行MSK调制信号的数字调制方式。这种信号具有恒复包络，功率谱集中，频谱较窄等特点。,5.2 软件无线电解调算法,5.2.1 信号解调通用模型 软件无线电几乎所有的功能都靠软件来实现，解调也不例外。从理论上说，正交解调法可以对所有的样式进行解调，所以，在软件无线电中，选取了数字正交解调法。根据以上思想，我们可以构建一个通用模型，通过加载不同的软件来实现对所有信号的解调。,数字正交解调的通用模型,尽管调制的样式多种多样，但实质上不外乎用调制信号去控制载波的某一个或者几个参数。因此，一般的已调信号都可以表示成：的形式。通过对上式的分解，我们可以得到：令：,则 s(n)可以表示成：显然，XI(n)为同相分量，XQ(n)为正交分量。因此，解调的关键是求出 XI(n)与 XQ(n)，因为信号信息都包含在里面了。载频同步 载波相位同步 码流频率同步 I/Q提取机带信号,知道了XI(n)与 XQ(n)，我们可以对各式各样的信号进行解调。总的说来，信号的调制方式包含在一下三大类中：调幅（AM）调制 调相（PM）调制 调频（FM）调制 针对信号的调制方式，我们可以这样来解调：,1.AM类2.PM类3.FM类,在调相类与调频类的解调中，对 的计算时要进行除法与反正切运算，这对非专用的数字处理器来说是比较复杂的。因此，我们不得不寻求其他的方法来解决这个问题。,5.2.2 模拟信号解调算法,1.AM解调 解调方法：（1）根据通用模型求出XI(n)与 XQ(n)（2）按照调幅类解调方法求出A(n),3）在AM调制中，（m(n)为调制信号）所以，只需减去一个常数，就能得到调制信号 m(n)由于一些原因，本地载波和信号载波并不能够严格地同频同相，但是，因为正弦和余弦的平方和恒等于1，所以，这种“失配”并不影响我们的解调。,2.DSB解调（调幅类）（1）根据通用模型求出XI(n)与 XQ(n)（2）按照调幅类解调方法求出A(n)（3）在DSB调制中，A(n)就是调制信号 m(n),DSB信号解调时要求本地载频与信号载频同相，此时，同相分量的输出就是解调信号。就不必在进行上述第二步的运算。同频同相本地载波的提取，可以利用数字科斯塔斯环获得。,3.SSB解调（调幅类）方法1：通用解调模型 1）根据通用模型求出 XI(n)与 XQ(n)2）由SSB表达式可知，XI(n)就是调制信号m(n),SSB解调方法二：该方法主要利用了Hilbert变换的性质，即：,按照上图的运算过程有：所以，经上述运算就可以解调出调制信号,4.FM解调（1）根据通用模型求出XI(n)与 XQ(n)（2）按照调频类解调方法求出f(n),3）可以看出，在FM中，f(n)就是调制信号m(n)乘上一个系数。同AM信号一样，FM信号用正交解调方法解调时，有较强的抗载频失配能力。当本地载频与信号载频存在频差和相差时，同相分量和正交分量可以表示为：,同样对正交与同相分量之比值进行反切及差分运算，就可以得到：由此可见，当载波失配和差相是常量时，解调输出只不过增加了一个直流分量，减去该分量，就可以得到解调信号。,5.2.3 数字调制信号的算法,1.ASK解调（1）根据通用模型求出XI(n)与 XQ(n)（2）按照调幅类解调方法求出A(n),（3）对于ASK信号,只需要抽样判决，就可以得到调制码元 am。ASK信号的正交解调性能和AM一样，具有较强的抗载频失配能力。（MASK信号的解调方法与ASK一样）,2.FSK解调（1）根据通用模型求出XI(n)与 XQ(n)（2）按照调频类解调方法求出f(n),（3）对FSK信号，在计算出瞬时频率f(n)后，对f(n)经抽样门限判决，即可得到调制信号am。（MFSK信号的解调方法与FSK一样）,3.MSK解调（1）根据通用模型求出XI(n)与 XQ(n)（2）按照调频类解调方法求出f(n),（3）抽样判决，恢复码元（GMSK与SFSK的解调方式与MSK相同）,4.PSK解调（1）根据通用模型求出XI(n)与 XQ(n)（2）按照调相类解调方法求出,（3）对PSK信号，计算出瞬时相位 后，对 进行抽样判决，即可得到调制信号。【注意】在解调时，需要本地载波与信号载波严格的同频同相，才能计算出，同频同相可由数字科斯塔斯环获得。（MPSK信号的解调方法与PSK类似）,5.QPSK信号解调 方法一：将QPSK可以看成两个BPSK信号的组合。（1）根据通用模型求出XI(n)与 XQ(n),（2）分别对XI(n)与 XQ(n)进行抽样判决，即 可恢复出并行数据。（3）并串转换，得到调制信号(OQPSK信号的解调与QPSK类似）,QPSK信号解调,方法二：QPSK的一般表达式为：（1）正交分解可得：,（2）计算出，并算出 的值（3）根据 的值查表,QPSK信号解调摸板,6.QAM解调（1）根据通用模型求出XI(n)与 XQ(n)（2）分别对XI(n)与 XQ(n)进行抽样判决，即 可恢复出并行数据。（3）并串转换，得到调制信号,5.3 软件无线电中的同步技术,在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。载波同步是实现相干解调的先决条件。在数字通信中，还需要知道码元的起始时刻以及帧的开始与结束，故还需要帧同步与位同步。本节主要讨论了一些同步技术。,5.3.1 载波同步,载波同步的方法可以分为两类：第一类：插入导频法.发送有用信号的同时发送导频信号（极少采用）第二类：直接法.从收到的信号中提取。1）平方变换法 2）同相正交锁相环法 3）DSP通过软件实现,这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。有些信号，如DSB-SC、PSK等，它们虽然本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波分量来。下面介绍几种常用的方法。1）平方变换法 所谓平方变换法就是对输入信号进行平方后，获取所需的载波。原理图如下：,直接法载波同步,此方法广泛用于建立抑制载波双边带信号的载波同步。设调制信号m(t)无直流分量，则抑制载波的双边带信号为：接收端将该信号经过非线性变换平方律器件后得到：,上式的第二项包含有载波的倍频2c的分量。若用一窄带滤波器将2c频率分量滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波。,2）正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）,在此环路中，压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控振荡器进行调整。,设输入的抑制载波双边带信号为：并假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则 VCO输出的两路互为正交的本地载波分别为 式中，为VCO输出信号与输入已调信号 载波之间的相位误差。,信号 分别与v1、v2相乘后得 经低通滤波后分别为,低通滤波器应该允许m(t)通过。V5、V6 相乘产生误差信号。当m(t)为矩形脉冲的双极性数字基带信号时，即使 m(t)不为矩形脉冲序列，式中的 可以分解为直流和交流分量。由于锁相环作为载波提取环时，其环路滤波器的带宽设计的很窄，只有m(t)中的直流分量可以通过，因此vd可写成：如果我们把图中除环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）以外的部分看成一个等效鉴相器（PD），其输出vd正是我们所需要的误差电压。,通过环路滤波器滤波后去控制VCO的相位和频率，最终使稳态相位误差减小到很小的数值，而 Vd 没有剩余频差（即频率与c同频）。此时VCO的输出 V1=cos(ct+)就是所需的同步载波，而 V5=1/2 m(t)cos1/2 m(t)就是解调输出。,5.3.2 位同步,位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。它与载波同步有一定的相似和区别。载波同步是相干解调的基础，而位同步是定时的基础。位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要，并且不论基带传输还是频带传输都需要位同步；所提取的位同步信息是频率等于码速率的定时脉冲，相位则根据判决时信号波形决定，可能在码元中间，也可能在码元终止时刻或其他时刻。实现方法也有插入导频法（外同步法）和直接法（自同步法）。,1、自同步（直接法）,这一类方法是发端不专门发送导频信号，而直接从接收的数字信号中提取位同步信号。这种方法在数字通信中得到了最广泛的应用。常常通过滤波法，延迟相干法，锁相等方法实现。1）波形变换-滤波法 不归零的随机二进制序列，不论是单极性还是双极性的，当P(0)=P(1)=1/2时，都没有f=1/T，2/T等线谱，因而不能直接滤出f=1/T的位同步信号分量。但是，若对该信号进行某种变换，例如，变成归零的单极性脉冲，其谱中含有f=1/T的分量，然后用窄带滤波器取出该分量，再经移相调整后就可形成位定时脉冲。,这种方法的原理框图如下图所示。它的特点是先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器将其取出。图中的波形变换电路可以用微分、整流来实现。,这是一种从频带受限的中频 PSK 信号中提取位同步信息的方法，其波形图如下图所示。当接收端带通滤波器的带宽小于信号带宽时，使频带受限的 2PSK 信号在相邻码元相位反转点处形成幅度的“陷落”。经包络检波后得到图(b)所示的波形，它可看成是一直流与图(c)所示的波形相减，而图(c)波形是具有一定脉冲形状的归零脉冲序列，含有位同步的线谱分量，可用窄带滤波器取出。,2）包络检波-滤波法,从2PSK信号中提取位同步信息,该方法与相干解调类似，不过其迟延时间 要小于接收码长T。接收信号与延迟信号相乘后，就可以得到一组脉冲宽度为 的归零码，这样就可以得到位同步信号的频率分量。,3）延迟相干法,4）锁相法,位同步锁相法的基本原理与载波同步的类似，在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。,2、外同步（插入导频法）,在发射端专门发射导频信号。,5.3.3 帧同步,数字通信时，一般总是以若干个码元组成帧，以帧为单位进行传输。帧同步的任务就是在位同步的基础上识别出这些数字信息帧的“开头”和“结尾”的时刻，使接收设备的帧定时与接收到的信号中的帧定时处于同步状态。方法：帧同步通常利用在数字信息流中插入特殊的码组作为每帧的头尾标记。该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照帧的规律周期出现。在接收端产生出与发射端相同的码组，并与收到的信号进行相关性运算，当相关值最大的时候，就认为找到了帧的起始位置。,因此，帧同步的关键是寻找实现同步的特殊码组。对该码组的基本要求是（1）具有尖锐单峰特性的自相关函数；（2）便于与信息码区别；（3）码长适当，以保证 传输效率。符合上述要求的特殊码组有：全0码、全1码、1与0交替码、巴克码、电话基群帧同步码0011011。目前常用的帧同步码组是巴克码。,巴克码,巴克码是一种有限长的非周期序列。它的定义如下：一个n位长的码组 x1,x2,x3，xn，其中xi的取值为+1或1，若它的局部相关函数 则称这种码组为巴克码。目前已找到的所有巴克码组如下表所示。其中的、号表示xi的取值为+1、-1，分别对应二进制码的“1”或“0”。,巴克码组,5.4 信号调制样式的自动识别,对信号的解调，前提条件是确知该信号的调制样式及其参数如信号带宽，波特率等等。在软件无线电电台中，由于它所特有的多频段，多功能，多体制等特点，使得接收方无法在某一个特定的调制方式下进行等待接收。这时，能自动识别调制样式就显得尤为重要。,5.4.1 模拟调制信号的自动识别,对模拟信号的识别，关键是要从接收的信号中提取用于信号样式识别的信号特征参数。对模拟信号而言，可以采用以下四种参数进行识别。1）零中心归一化瞬时幅度之谱密度的最大值 2）零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对 值的标准偏差 3）零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量的标 准偏差 4）谱对称性,1、零中心归一化瞬时幅度之谱密度的最大值 rmax,定义如下：式中，NS为取样点数，acn(i)为零中心归一化瞬时幅度：,主要用来区分是FM信号还是DSB或者AM_FM信号。因为对FM信号，其瞬时幅度为常数，所以它的零中心归一化瞬时幅度can(i)0；对应的频谱密度也就为0。而DSB与AM_FM信号零中心归一化瞬时幅度acn(i)0；对应的频谱密度也就不为0。在现实中，常常不是以0为标准来判断的，而是需要设一个判决门限 t()，判决规则如下：时，判为FM信号；时，判为DSB或者AM_FM信号；,2、零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对值的标准偏差：,3、零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量的标准偏差：,定义如下：,主要用来区分不含直接相位的AM，VSB信号和含直接相位的DSB，LSB，USB等信号。,4、谱对称性 P,P由下式定义：P=(P L-PU)/(P L+PU)式中：,P参数主要区分频谱对称的信号（AM、FM等）与频谱不对称的信号（VSB、LSB等）,根据上述四个特征参数，不难得出对模拟信号AM、FM、VSB、LSB、USB、AM_FM的调制样式自动识别流程图。,5.4.2 数字调制的自动识别,数字调制信号的自动识别与模拟调制信号的自动识别大同小异，除了前面用到的、外还要用到以下两个特征参数。1、零中心归一化瞬时幅度绝对值的标准偏差 2、零中心归一化非弱信号段瞬时频率绝对值 的标准偏差,几个参数的作用：区分FSK与ASK或者PSK：区分4PSK与2PSK或者ASK：区分ASK与2PSK：区分4FSK与2FSK：区分2ASK与4ASK,5.4.3 模拟数字调制信号的联合自动识别,在前面的基础上，我们只要再增加几个参数就可以进行模拟数字调制信号的联合自动识别：1、零中心归一化非弱信号段瞬时幅度的标准偏差 2、零中心归一化瞬时幅度的紧致性（四阶矩）3、零中心归一化瞬时频率的紧致性,1、零中心归一化非弱信号段瞬时幅度的标 准偏差,该参数主要用于区分DSB信号和2PSK信号，也可以用来区分AM_FM信号和4PSK信号。（因为对于2PSK和4PSK信号，无幅度调制信息，所以 0，而对于DSB和AM_FM信号，0）,2、零中心归一化瞬时幅度的紧致性-四阶矩,该参数主要用来区分AM信号和ASK信号。AM 具有较高的紧致性，而ASK紧致性较小。3、零中心归一化瞬时频率的紧致性 该参数主要用来区分FM信号和FSK信号。FM具有较高的紧致性，而FSK紧致性较小。,5.4.4 信号调制样式自动识别中应该注意 的问题,前面从原理上介绍了如何进行调制样式的自动识别，但是，在实现这些算法的时候可能还会碰到一些实际的问题，特别是以下几个问题值得我们注意：,1、采样速率的选取 2、非线性相位分量 的选取 3、瞬时频率 的计算 4、载频估计 5、非弱信号段判决门限 at 的选取 6、特征参数门函数 t(x)的确定,5.4.5 基于人工神经网络的调制识别,以前：按照一定的先后顺序对特定的特征参数进行判断，一旦有特征参数出现误差判断出错。人工神经网络：整个识别的过程从全局特征来综合分析判断，个别特征参数的失真不会带来全局性的影响，判断成功的几率大的多。,人工神经网络的结构：,人工神经网络（ANN）法调制识别原理结构,人工神经网络的算法：,1、预处理阶段 2、训练阶段、学习阶段 3、测试阶段 各个阶段主要功能如下：,1、预处理阶段 主要是从信号中提取特征值2、训练阶段、学习阶段 根据不同的调制样式的信号（用于训练的信号样本对人工神经网络进行训练和学习，以获得节点计算的加权矢量W1、W2。3、测试阶段 判断信号，输出结果,课堂练习1,画出信号解调通用模型,课堂练习2,通信调制信号一般可以用正交调制的方法来实现，其表达式：请分别给出对 进行调幅（AM）、四进制数字相位调制（QPSK）两种方式调制的正交分量、的表达式,作业：,参见本章习题和思考题2、4、6,