信号的调制与解调

一，数字调制和矢量调制的定义：

在无线、卫星以及地面通信领域中，“数字调制”是一个常用术语，在这一过程中，“基带”信号的变化会引起载波相应地在幅度、频率或相位上进行调整。具体来说，在这个过程中，“基带”信号的变化会引起载波相应地在幅度、频率或相位上进行调整。
如图所示：尽管我们主要探讨的是“数据传输”的相关技术，“信息编码”的核心在于将离散符号按照特定规则转化为可识别的形式。
其中一种重要方法被称为“差分编码”，其基本原理就是将原始信息与前一个已发送的信息进行比较并作出差分运算。
该方法的优势在于能够有效提高抗干扰能力的同时减少所需资源消耗。

数字调制可通过同时调整幅度、频率或相位来实现。传统模拟调制方案包括幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)等。然而，在实际应用中... 矢量调制是一种强大的数字通信技术。其关键特征在于它们是相互独立的正交分量。这些I/Q分量随后被组合成基带信号以完成信息传递过程

在多数数字通信系统中,载波频率保持恒定,因此只需关注其随时间变化的相位与幅度变化情况

二，I/Q调制解调

1，调制

在数字通信系统中运用I-Q调制技术将经编码后的数字I和Q基带信息加载到载波上。如图所示的内容展示了信号经过I-Q调制后输出的两个正交分量分别为I和Q。其基础原理是基于直角坐标与极坐标之间的转换关系，在硬件或软件层面实现这种转换关系的技术手段。

该系统通过接收 I 和 Q 基带信号并将其与本地振荡器(LO)进行调制，在数字处理中通常使用软件 LO。随后,I 和 Q 会转换为射频载波频率。其中,I 幅度信息编码生成同相分量,Q 幅度信息编码并经90°相移处理生成正交分量,这两部分正交载波叠加形成复合 I-Q 调制载波。I-Q 调制系统的主要优势在于能够方便地合并独立的信号分量形成单一复合信号,同样也能轻松分离出各个分量部分享受这一特性。由于90°分离的两个正交分量彼此之间呈直角关系,因此这两个分量实际上是同一原始信号的两个独立组成部分。值得注意的是,Q输入的变化可能会对输出信号的质量产生一定影响,而不会干扰到 I 分量的状态;类似地,I 输入的变化也不会对 Q 信号产生任何影响。

2，解调

如图所示,该过程是图1-4所示I-Q调制的镜像反转.通过该过程可从复合I-Q调制输入信号中恢复原始基带分量.解调的第一步即锁定接收机LO至载频源,以便准确提取基带分量.随后将I-Q调制载波与未相移及相移90度的LO进行混合处理,从而生成原始基带信号或分量.其本质是极坐标与直角坐标系之间的转换.若缺乏这种转换,信息将无法在极坐标形式展示并重新解析为直角数据.参见图1-2.这种转换方式与I-Q解调器执行的同相及正交混合操作完全一致.

3，正交调制解调的数学模型

通过I路和Q路分别输入数据a与b其信号与余弦函数cos(w0t)相乘其信号与正弦函数sin(w0t)相乘之后将两者进行叠加运算（值得注意的是在某些设计中会将Q路径上的信号取反）输出信号为：s(t)=a\cos(\omega_0 t)-b\sin(\omega_0 t)至此完成解调过程。接收端接收到s(t)后将其分为两路

三，为什么使用I和Q

在数字调制技术中采用的是I和Q分量这一关键组成部分；这是因为这种方案不仅具备简明扼要且功能丰富的特点，并且能够有效地生成、发射以及恢复所需的数据。其在I-Q域的表现同样具有显著的优势：能够实现精确的相位与幅度控制。

1, I-Q 的实现通过一种创新的方法实现了复信号（其相位与幅度均发生改变）的技术路径。I-Q 调制器避免使用非线性、难以实现的相位调制方式，在实际操作中采用对载波幅度及其正交分量进行线性调制的方法。这种设计使得具有宽广的调制带宽且具备良好线性的混频器能够较为容易地获得；同时基于基带信号源与中频处理系统的本地振荡器（LO）也能够方便地构建。在复信号生成过程中仅需分别产生信号的基带 I 和 Q 分量即可完成调制过程；而 I-Q 调制的一个显著优势在于其强大的适应能力：不仅能够支持从数字编码到射频脉冲的各种基本调制方式；还特别适合生成复杂的线性调频雷达信号等多样化应用需求。

2,信号的解码也同样简单直接。通过I-Q解调至少理论上能够轻易地恢复出基带信号。

在 I-Q 平面上观察信号通常能提供更深入的见解关于该信号。这些如串扰、数据偏移、压缩以及 AM-PM 失真等现象可以通过 I-Q 平面清晰地表现出来。

四，数字发射机和接收机概念

1，数字发射机概念

通信发射机开始于语音编码(假设进行语音传输 )，即对模拟信号进行量化并转化为 数字数据(数字化)的过程。随后，数据压缩用于降低数据速率并提高频谱效率。信道编码 和交织属于常见技术，通过最小化噪声与干扰的影响来改进信号完整性。额外的比特经常 被用来进行误差校准或者作为识别和均衡的训练序列。这些技术还使与接收机的同步(找 寻符号时钟)更简单。符号编码器将串行比特流转换为适当的 I 和 Q 基带信号，对应具体 的系统每个信号映射到 I-Q 平面上符号。符号时钟代表各个符号传输的频率和精确计时。 当符号时钟跳变时，发射载波在正确的 I-Q (或幅度/相位)值上代表具体的符号(星座图的 特定点)。各个符号的时间间隔即为符号时钟周期，其倒数是符号时钟频率。当符号时钟 与检测符号的最佳瞬时同步时，符号时钟相位是正确的符号。 一旦 I 和 Q 基带信号生成后，它们会被过滤(带限)以提高频谱效率。未经过滤的无线 数字调制器的输出会占用非常宽的带宽(理论上是无限宽)。这是因为调制器被基带 I-Q 方 波的快速跳变所驱动；时域上的快速跳变等同于频域上的宽频谱。这种情况不可接受是因 为它会减少其他用户的可用频谱并造成对邻近用户的信号干扰，称之为邻信道功率干扰。 基带滤波通过限制频谱以及限制对其它信道的干扰解决了这一问题。实际上，滤波减缓了 状态之间的快速转换，从而限制了频谱。不过滤波也不是没有缺点，它会导致信号和数据 传输性能的下降。 信号质量的下降是由于频谱分量的减少、过冲以及滤波器时间(脉冲)响应引起的有限 振铃效应。频谱分量减少了就会使信息丢失，从而可能导致接收机重建信号困难，甚至是 不可重建的。滤波器的振铃响应可能持续很久，以致影响到随后的符号，并产生码间串扰 (ISI)。ISI 定义为前后符号的多余能量干扰到当前的符号，导致接错误地解码。滤波器的 最佳选择就成为频谱效率和 ISI 的折衷。在数字通信设计中，有一款常用的特定类型的滤波器称为 Nyquist 滤波器。Nyquist 滤波器是一个理想的滤波器选择，因为它能够最使数 据速率最大化而且最小化 ISI 并限制信道带宽需求。在以后的章节，你将会进一步了解这 种滤波器。为了改进系统的整体性能，滤波器一般会在发射机和接收机之间共享或分配。 在这种情况下，为了最小化 ISI，滤波器必须尽可能地匹配发射机和接收机并正确实现。 已过滤的 I 和 Q 基带信号是 I-Q 调制器的输入。调制器中的 LO 可能工作在中频(IF) 或直接工作在最终的无线射频(RF)上。调制器的输出是中频(或射频)上的两个正交 I 和 Q 信号的合成。调制后，如果需要，信号会上变频到射频。再将任何多余的频率过滤掉，最后信号送入到输出放大器并传输。

2，数字接收机概念

接收机本质上是发射机功能的反向实现，在设计上却更为复杂。接收器首先将输入的射频信号经过下变频处理以获得中频信号，并进行解调操作。解调过程中的载波恢复、符号同步以及I-Q解调环节往往面临较高的技术挑战。此外，在传输过程中接收器会受到空气噪声、信号干扰、多径效应以及衰落等因素的影响而导致所接收到的信息质量下降甚至损坏。在解调流程中需要依次完成载波频率恢复（载波锁定）、符号时钟恢复（符号锁定）、I/Q分量分离（I-Q解调）、符号检测、比特解码以及交织（扩展）等关键步骤；如果系统配置较为复杂，则还需包含后续的数模转换环节以还原原始数据流。与发射器相比，在接收器中实现的是信息重建而非直接传输功能；其主要的技术难点在于如何准确恢复被干扰下的载波和符号时钟信号以保证后续数据解码工作的正常进行。例如，在某些情况下即使能够正确设置符号时钟频率但若相位配置出现偏差会导致同步失真从而影响最终数据解码效果；因此在接收器的设计过程中需要综合考虑多种因素以确保系统的可靠性与稳定性

3，恰当的滤波器

在数字通信系统中, 基带滤波通常会设置在射频模块或基带处理器中, 其位置主要取决于系统的具体需求. 在某些系统中, 在射频模块中完成全部滤波任务, 在基带处理器中则完成全部滤波任务. 这一概念的重要性体现在它直接指导着解调器对I-Q测量信号和I-Q参考信号进行处理时所采用的滤波器类型的选择. 实际应用中, 选择合适的解调基带滤波并非易事, 尤其是在分布式系统架构下. 例如,北美数字蜂窝(NADC)标准采用了分布式滤波方案, 在射频模块与基带处理器均采用了根升余弦型根线性相位低通 filters. 在YunSDR调制解调器中, 则采用了单个根升余弦型根线性相位低通 filter (与系统接收端匹配), 同时系统发射端也配置了一个类似的辅助filter以配合工作.

该方法能够准确反映被测系统的滤波特性。
每种滤波器类型对应一个特定的带宽系数。
Nyquist \, 滤波器使用α参数能够准确反映被测系统的滤波特性。
每种数字通信系统都会采用多种不同的带宽时间产品。
传统上，在数字通信系统中主要采用Nyquist (升余弦 ) 滤波技术。
其零点出现在符号周期整数倍的位置。
该响应在符号周期整数倍的位置通过零点。
这种响应特性使得Nyquist 已过滤信号不会干扰相邻符号（即符号间干扰为零）。
虽然Nyquist 滤波单独来看能最大限度地减少 ISI的影响，
但在某些特殊应用中，
ISI并不是最重要的考量因素。
另外两种常用的带宽时间产品是高斯型和切比雪夫型。
高斯型带宽时间产品的ISI性能并非最优，
但在载能功率平衡、频谱占用效率以及时钟恢复等方面表现更为出色，
因此常用于GSM无线通信系统中，
而切比雪夫型则具有陡峭下降特性，
能够在有效抑制相邻信道泄漏方面发挥优势，
因此常应用于基于CDMA技术的无线通信系统（如CDMA2000）等场景。
除了上述提到的技术之外，
数字通信领域还采用了许多其他类型的带宽时间产品。

Alpha (α)描述了 Nyquist(升余弦)滤波器的滚降程度。参见图 1-6。Alpha 也称为滚降 或多余带宽因子。α值较高，则会增加理论最小值之外的带宽。调制原理指出，发射一个 信号所需的最小带宽等于符号率的一半。不过，要实现这个系统带宽，需要一个完美的砖 墙式( 矩形)滤波器，也就是α等于 0，占用带宽等于符号率。但砖墙式滤波器并不能实现， 所以实际中的通信系统一般采用α 等于 0.3 的滤波器。α值为 0.3 意味着滤波器将使用比 理论最小值多 30%的占用带宽，这个值是频谱效率和最小 ISI 的一个很好的折衷。对于 给定α的占用带宽近似等于采样率乘以(1+α)。 BT (带宽时间产品)是高斯滤波器对应的滤波器系数，描述了这个滤波器的滚降程度。 高斯滤波器通常使用 0.3 ~ 0.5的BT值。