调制特性

2024-10-31

调制特性（共5篇）

调制特性篇1

把要传送的信号装载到某一高频振荡(载频)信号上去的过程叫做调制,当载波为正弦波信号时,为连续调制。连续波调制以单频正弦波为载波,受控参数可以是载波的幅度um,频率ω或相位φ。因而出现了调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种调制方式。

振幅调制是用调制信号去控制载波的振幅,使其随调制信号线性变化,而保持载波的频率不变。在幅度调制中,根据所取出已调信号的频谱分量不同,分为普通调幅(AM)、抑制载波的双边带调幅(DSB)、抑制载波的单边带调幅(SSB)。

1 标准调幅波

1.1 调幅波的数学表达式

设简谐调制信号uΩ(t)=UΩcos Ωt,载波信号uo(t)=Uocos ω0t,则调幅波的振幅:

$\begin{array}{l} u (t) = U_{o} + Κ_{d} u_{Ω} \cos Ω t \\ = U_{o} (1 + \frac{Κ_{d} U_{Ω}}{U_{o}} \cos Ω t) \\ = U_{o} (1 + m_{a} \cos Ω t) \end{array}$

其中:Kd为比例常数。

普通调幅信号的数学表达式为:

$u (t) = U_{o} (1 + m_{a} \cos Ω t) \cos ω_{0} t (1)$

式中 $m_{a} = \frac{Κ_{d} U_{Ω}}{U_{o}}$ 称为调幅度,是调幅波的主要参数之一,它表示载波电压振幅受调制信号控制后改变的程度。一般0<ma≤1。

1.2 AM调幅波的波形图

当载波频率ω0≫调制信号频率Ω且0<ma≤1时,可画出uΩ(t),uo(t)和已调幅波u(t)的波形,如图1所示。调幅波是一个载波振幅按照调制信号的大小线性变化的高频振荡,载波频率保持不变。

$\begin{array}{l} m_{a} = \frac{\frac{1}{2} (U_{\max} - U_{\min})}{U_{o}} = \frac{U_{\max} - U_{o}}{U_{o}} \\ = \frac{U_{o} - U_{\min}}{U_{o}} (2) \end{array}$

若调制信号为非对称信号,如图2所示,则此时调幅度分为上调幅度ma上和下调幅度ma下,ma越大,调幅越深。

$m_{a 上} = \frac{U_{\max} - U_{o}}{U_{o}} m_{a 下} = \frac{U_{o} - U_{\min}}{U_{o}} (3)$

当ma=1时,调幅达到最大值,称为百分之百调幅。当ma>1时,AM信号波形将出现某一段时间包络反相,称为过调制,如图3所示。这将使被传送的信号产生失真,实际电路中必须避免。

1.3 调幅信号的频谱及带宽

将调幅波的数学表达式式(1)展开:

$\begin{array}{l} u (t) = U_{o} (1 + m_{a} \cos Ω t) \cos ω_{0} t \\ = U_{o} \cos ω_{0} t + \frac{1}{2} m_{a} U_{o} \cos (ω_{0} + Ω) t + \\ \frac{1}{2} m_{a} U_{o} \cos (ω_{0} - Ω) t (4) \end{array}$

u(t)是由ω0,ω0+Ω和ω0-Ω三个不同频率分量的信号组成的。其中ω0+Ω称为上边频分量,ω0-Ω称为下边频分量。调幅信号的频谱图如图4所示,相应的调幅信号频谱在载频两侧将形成上下边带。对于单音信号调制已调幅波,从频谱图上可知其占据的频带宽度B=2Ω,对于多音频的调制信号,若其频率范围是Fmin～Fmax,则已调信号的频带宽度等于调制信号最高频率的两倍,即:

$B_{A Μ} = 2 F_{\max}$

1.4 AM调幅波的功率关系

将式(1)所示调幅波作用在负载电阻R上,则可求出其功率关系:载波功率:

$Ρ_{Ο Τ} = \frac{1}{2} \frac{U_{o}^{2}}{R} (5)$

每个边频功率(上边频或下边频):

$Ρ_{S B 1} = Ρ_{S B 2} = \frac{1}{2} \frac{(\frac{1}{2} m_{a} U_{o}^{2})}{R} = \frac{1}{4} m_{a}^{2} Ρ_{Ο Τ} (6)$

上下边频总功率:

$Ρ_{D S B} = 2 Ρ_{S S B} = \frac{1}{2} m_{a}^{2} Ρ_{Ο Τ} (7)$

在调幅信号一周期内,AM信号的平均输出功率是:

$Ρ_{Μ A} = Ρ_{Ο Τ} + Ρ_{D S B} = (1 + \frac{1}{2} m_{a}^{2}) Ρ_{Ο Τ} (8)$

2 双边带调幅波与单边带调幅波

2.1 抑制载波的双边带调幅波

从普通调幅波的功率关系知道,当ma=1时,其中2/3的载波功率不含信息,实际上这部分功率白白浪费了。为了克服这个缺点,提高设备的功率利用率,可以不发送载波,而只发送边带信号,这就是抑制载波的双边带调幅波(DSB),其数学表达式为:

$u_{D S B} (t) = \frac{1}{2} m_{a} U_{o} \cos (ω_{0} + Ω) t + \frac{1}{2} m_{a} U_{o} \cos (ω_{0} - Ω) t$

或 uDSB(t)=Vocos Ωtcos ω0t (9)

其波形图和频谱图可见表1。双边带调幅信号的振幅仍随调制信号变化,但已不是在Uo值基础上变化,而是在零值上下变化。在调制信号uΩ(t)=0的瞬间,高频载波的相位出现180°突变,呈现M型。与普通调幅波相比,双边带调幅的频谱图中抑制掉了载波分量(虚线)。其所占据的频带宽度仍为调制信号频谱中最高频率的两倍,即BDSB=2Fmax。

2.2 单边带调幅波

从频谱图上可以看出,上边频与下边频的频谱分量是对称的,都含有相同的信息。因此,为了节省所占有的频带,提高频带利用率,也可以只发送单个边带信号,称之为单边带通信(SSB),这种调制方式既节约了功率又节省了频带。

SSB的数学表达式为:

$u (t) = \frac{1}{2} m_{a} U_{o} \cos (ω_{0} + Ω) t (10)$

或

$u (t) = \frac{1}{2} m_{a} U_{o} \cos (ω_{0} - Ω) t (11)$

可看出当单频信号进行单边带调幅时,其已调波为一个等幅的高频振荡信号,频率为ω0+Ω或ω0-Ω。频谱分量仅有一个边频分量。

摘要：调制是将要传送的信息装载到某一高频(载波)信号上去的过程。振幅调制是用调制信号去控制载波的幅度,使其随调制信号线性变化,而保持载波的频率不变。在幅度调制中,根据已调信号的频谱分量不同,分为普通调幅(标准调幅AM)、抑制载波的双边带调幅(DSB)、抑制载波的单边带调幅(SSB)。它们的主要区别是产生的方法和频谱结构不同。

关键词：载波,调制,调幅,频谱

参考文献

[1]胡宴如.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,1993.

[2]杨昌汉.高频电子线路[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2001.

[3]高如云.通信电子线路[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

[4]樊京,张宏伟.基于时空神经网络的AM调辐波解调方法研究[J].现代电子技术,2006,29(15):9-10,14.

高频功率放大器调制特性分析篇2

高频功率放大器是通信系统发送设备的重要组成部分[1,2]。它的主要功能是可以提供足够大的高频输出功率，以便将信号通过天线辐射出去。高频功率放大器的另外一个作用是可以构成高电平调幅电路，利用调制信号控制放大器的输出，这样既可以实现调幅，又能够兼顾功率和效率。因此，讨论高频功率放大器的调制特性非常必要。

高频实验中经常使用的实验箱虽然也可以实现调幅功能，但是因为工作在高电平的电路很容易损坏[3]，且电路固定，学生所能做的操作仅仅只是连接几根导线，这与课本上的理论知识联系不紧密，无法调动学生的积极性和主动性。使用仿真软件可以很好地克服这个缺点[4,5]。仿真实验中，学生自己设计电路，自己确定测量对象或测量方式。这样既加深了对理论知识的理解，又锻炼了学生的动手能力，充分调动学生的学习兴趣和主动性[6,7,8]。

本文使用Multisim仿真软件对高频功率放大器的调制特性进行分析。根据分析结果，设计调幅电路，查看调幅结果，并对两种调幅电路进行比较。

1 高频功率放大器仿真电路

根据高频功率放大器的原理图[2]，设计仿真分析电路如图1所示。

图中：Vb为基极激励电压，即高频信号输入，振幅为1 V、频率1 MHz;VBB为基极偏置电压，为了保证工作在丙类状态，VBB为-1 V;VCC为集电极偏置电压，大小12 V；谐振回路中电感L取126μH；电容C取200 pF；负载电阻R取20 kΩ。

2 负载特性

高频功率放大器的负载特性是指在输入信号和偏置电压不变的条件下，放大器的集电极电流电压随负载电阻的变化关系[2]。电阻分别选择0.5 kΩ，1 kΩ，10 kΩ，20 kΩ，50 kΩ时观察集电极电压波形，如图2所示。

从波形图可以观察到当电阻在小于10 kΩ，波形振幅变化较大，说明此时处于欠压状态。当电阻在10～50 kΩ之间变化时，输出波形变化不大，说明此时处于过压状态。

结论：随着负载的增大，电压从迅速增大到基本保持不变，这个过程也就是课本上所说的从欠压进入到过压状态。因此可适当调整负载大小，以保证放大器工作在过压或欠压状态。

3 集电极调制特性

高频功率放大器的集电极调制特性是指在输入信号Vb、负载电阻R、基极偏置电压VBB不变的条件下，功率放大器的输出随电源电压VCC变化关系[9]。

3.1 VCC对工作状态的影响

当输入信号Vb、负载电阻R、基极偏置电压VBB不变时，随VCC的增大，放大器的工作状态从过压区到临界再进入欠压区[2]。若负载电阻R设置为20 kΩ，保证放大器工作在过压状态。集电极电源电压分别选择2 V,12 V,20 V，对应集电极电压输出波形如图3所示。从输出波形可以观察到此时输出波形的频率不变，振幅随VCC呈线性变化。

3.2 集电极调幅电路

根据集电极的调制特性，可以实现集电极调幅，即将调制信号与直流电源VCC串联，并保证放大器工作在过压状态，那么集电极回路输出的高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，实现了调幅。仿真电路如图4所示。调制信号为正弦波，频率1 kHz，振幅取3 V，与VCC串联。

通过示波器观察谐振回路输出波形为普通调幅波，如图5所示，包络变化与调制信号频率相同、相位相反。调幅度可通过调整调制信号振幅实现。

4 基极调制特性

高频功率放大器的基极调制特性是指在输入信号Vb、负载电阻R、集电极偏置电压VCC不变的条件下，功率放大器的输出随电源电压VBB变化关系[9]。

4.1 VBB对工作状态的影响

当输入信号Vb、负载电阻R、集电极偏置电压VCC不变时，随VBB的增大，放大器的工作状态从欠压区到临界再进入过压区。VBB取值分别为0.05 V,0.07 V,0.1 V,0.3 V，对应的集电极电压输出如图6所示。

从图6所示输出波形可以观察到此时输出波形频率不变，振幅随VBB成线性变化。当VBB超过0.6 V时，输出电压振幅基本不变，即已进入过压状态。

4.2 基极调幅电路

根据基极调制特性，可以实现基极调幅，即将调制信号与直流电源VBB串联，并保证放大器工作在欠压状态，那么集电极回路输出的高频电压振幅将随调制信号的变化而变化，于是得到调幅波输出。

仿真电路如图7所示。调制信号为正弦波，频率20 kHz，振幅取40 mV，与VBB串联。VBB取值为0.04 V，以保证放大器工作在欠压状态。为了使观察效果明显，激励信号V4振幅调整为0.5 V。

通过示波器观察谐振回路输出波形为普通调幅波，如图8所示。从图中可看包络变化与调制信号频率相同、相位相同。由此可知调幅度可通过调整调制信号振幅实现。

5 结论

本文使用Multisim仿真软件对高频功率放大器的调制特性进行了仿真测试。仿真结果显示了集电极调幅所需要的调制信号振幅较大，即此时需要大功率的调制信号源；而基极调幅所需调制信号振幅很小，此时所需调制功率很小。这也是两种高电平调幅的主要区别。

与实验箱测试相比，使用Multisim进行仿真测试不但锻炼了学生的动手能力，还充分调动了学生的实验积极性，加深了对理论知识的理解，提高了学生的创新主动性。

参考文献

[1]曾兴雯,刘乃安,陈健.高频电路原理与分析[M].4版.西安:西安电子科技大学出版社,2006.

[2]张肃文.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3]马英.高频电子线路实验箱利弊的思考[J].实验科学与技术,2007,5(2):93-94.

[4]车晓岩,胡新艳.高频电子线路实验教学研究[J].价值工程,2014,33(8):233-234.

[5]车晓岩,霍文晓.高频电子线路实验教学的初步探索[J].科技信息,2014(5):135-137.

[6]任丹.基于Multisim的高频功率放大器特性分析[J].辽东学院学报:自然科学版,2011,18(2):114-117.

[7]朱高中.基于Multisim的高频谐振功率放大器仿真实验[J].实验室研究与探索,2013(2):92-94.

[8]郑文.基于Multisim的高频功率放大器仿真分析[J].实验科学与技术,2014,12(1):22-23.

FQPSK的调制特性及性能仿真篇3

1982年,美国人Feher发明了一种称为无码间干扰和抖动的交错正交相移键控(Intersymbol Interference and Jitter Free OQPSK)的调制方式(IJF-OQPSK)。这种调制体制在频域的性能优良,但是在时域,它的高频调制信号却出现了3 dB的包络起伏,1986年Feher和Kato对该调制体制进行了改进,通过在IJF-OQPSK的基础上引入交叉相关来消除3 dB的包络起伏,从而使得信号在时域的包络恒定,并且具有在频域频谱主瓣窄、旁瓣滚降快的特点,这种调制体制就叫FQPSK。

这种体制和当时出现的MSK、GMSK和TFM等许多优秀体制一样,可以运用于各种频带资源紧张的通信系统。但是到了90年代中后期,这种体制没有像GMSK、TFM等体制那样在最需要提高信道带宽利用率的通信领域内获得应用,而开始在遥测领域内活跃了起来。与此同时,在航天遥测领域,随着遥测数据量的不断增大,寻求高数据率遥测调制体制的工作在靶场先进遥测计划(ATRM)和靶场司令官委员会遥测组的支持下早已进行了,空间遥测组织在其他项目中也涉及这一工作。

Systemview是一强有力的系统仿真与分析工具,有效利用它,可以在短时间内完成对系统仿真与分析的设计。本文正是基于Systemview ,对FQPSK体制的调制解调技术进行了仿真分析与研究。

1 FQPSK的前身IJF-OQPSK

无符号间干扰和抖动-交错正交相移键控(IJF-OQPSK)是现代数字调制技术中新型的调制方式之一,它首先对基带信号进行IJF编码,将其转换为一种无符号间干扰和抖动、频谱主瓣窄以及快速滚降的基带信号,然后进行OQPSK调制。经过分析,得出了归一化的基带功率谱密度为:

undefined。

通过仿真得到其理论功率谱均优于OQPSK、MSK,但其时域包络会有3 dB的起伏,使得它通过非线性器件时仍会引起频谱扩展,因此必须对其改进。

2 FQPSK的调制特性

经过对上述IJF-OQPSK调制进行改进,即在IJF编码后增加了一个交叉相关单元以减少其包络起伏,得到FQPSK。其调制原理方框图如图1所示。

从图1可以看出其关键技术是IJF编码和交叉互相关运算,除此之外还有多种解释来说明方框图中的IJF编码和交叉互相关器的过程,一种是可以将FQPSK在每半个符号间隔内对IJF编码器输出对进行的互相关操作,变形为在每个全符号间隔内直接对I和Q输入数据序列进行一次映射;一种是可以把该映射过程直接解释为网格编码,从而把FQPSK技术与纠错编码技术联系起来,并且使得发射端设备简单。本文要介绍的即是基于网格编码的FQPSK调制。

2.1 FQPSK的半符号间隔映射

FQPSK的半符号间隔映射是在传统的IJF-OQPSK方式下的I、Q两路信道中各加入1个数量受控的互相关量,可以减少包络起伏,这种方式是通过相关因子A来控制相关量的大小,具体相关过程是将I相2个码元符号和Q相2个码元符号在每半个符号间隔内进行相关运算,运算过程如下:

① I相信号为零时,Q相信号为最大峰值信号;

② I相信号非零时,Q相信号最大值衰减到undefined

③ Q相信号为零时,I相信号为最大峰值信号;

④ Q相信号非零时,I相信号最大值衰减到undefined

当undefined时,其包络起伏接近0 dB,功率谱密度相对于传统的OQPSK和IJF-OQPSK都有较好的特性,因而相应减少了经过非性部件后的频谱扩展,降低了邻道干扰,提高了功率有效性。这种方法实现了准恒包络调制,但在每半个符号间隔就要进行波形选择,I、Q两路信号在选择时也是互相关联,在实现上较为复杂,因此下文就提出了相对较简单的网格编码的FQPSK调制方案。

2.2 网格编码的FQPSK调制实施方案

网格编码的FQPSK是在满足交叉相关的基础上,在一个码元间隔内进行波形选择,传统的FQPSK是根据I、Q的相关选择一对I、Q的适用波形,在选择过程中I、Q波形之间是互相关联的,而网格编码的FQPSK是根据相关运算分别选择I、Q波形,在选择过程中,I、Q两路波形是分别选择的,相对独立。网格编码的FQPSK互相关器的基本原理框图如图2所示。

undefined。

式中,dIn和dQn分别为图1中经过串并变换后的2路数据。经过此变换使得这二者都在(0,1)集合内取值,然后定义索引i和j的BCD表示为:

undefined。

式中,

undefined。

2.3 Systemview仿真实现

通过采用Systemview对网格编码的仿真可以在分析窗口下用Systemview信宿计算器和分析视窗直接给出FQPSK的时域波形,功率谱等各种特性曲线。经过仿真可知经过载波调制生成的波形具有恒包络的特性,对其进行的功率谱密度仿真通过与OQPSK和QPSK的功率谱密度比较,发现FQPSK的旁瓣滚降最快,它以(fTs)-6的滚降速度下降,主瓣与第一旁瓣峰值差约为约为42 dB,因此具有较大的频谱效率,而QPSK和OQPSK的旁瓣以(fTs)-2下降,主瓣与第一旁瓣峰值差约为14 dB。如表1的数据也说明了虽然FQPSK主瓣稍宽,但是其滚降速度很快,在宽出的带宽内所包含的信号能量比重已经很小,因此其谱性能是优良的。正是由于FQPSK的良好的频谱特性,使得它在要求压缩传输频谱带宽,提高功率利用率,保持信号包络恒定,降低带外功率,减少码间干扰的航天遥测调制体制中有一定的应用前景。

2.4 FQPSK的3种接收机

针对FQPSK的这种网格编码特性,从相关文献可知它的接收方式有3种。最简单的是逐符号检测的S&H接收机,最佳的是全维特比接收机,介于二者之间的是简化的维特比接收机。通过Matlab仿真得到如表2所示的各接收机的BER性能。

3 结束语

FQPSK调制通过IJF编码在很大程度上改善了信号的功率谱密度特性,而后又通过交叉相关运算使信号的时域包络恒定,调制信号在带限非线性信道中传输时由于几乎不存在包络起伏,遭受非线性的影响很小,虽然其误码率性能不如OQPSK ,但是它具有更小的频谱扩展。并且在调制方面,IJF编码和交叉相关用FPGA可以很容易实现,在解调时可以采用OQPSK 解调器,虽然并非最佳的。本文正是基于这些特点,着重分析了FQPSK的调制原理和相关调制特性,它优于OQPSK的波形和频谱特性,并且其优良的频谱特性适应于目前射频频谱资源紧张的情形,但其相关技术还待进一步研究,如载波提取、位同步提取等。因此在未来的航天遥测应用中,FQPSK具有一定的应用前景。

摘要：FQPSK是针对高频谱效率和高功率效率要求产生的一种调制方式。主要研究了FQPSK的调制原理,并利用Systemview进行仿真,计算了其功率谱密度(PSD)。其误码率特性采用Matlab仿真进行了分析研究。仿真结果表明,FQPSK的波形具有恒包络,频谱具有主瓣窄、旁瓣滚降快的特点。

关键词：IJF-OQPSK,FQPSK,功率谱密度,网格编码

参考文献

[1]王士林,陆存乐.现代数字调制技术[M].北京:人民邮电出版社,1987.

[2]SIMON MK.高带宽效率数字调制及其在深空通信中的应用[M].夏云,孙威,译.北京:清华大学出版社,2006.

调制特性篇4

导航系统自古以来在人类历史上都发挥着重要作用,随着科技的发展,越来越多的军用和民用设备开始采用卫星导航系统作为导航的基本手段。现有的卫星导航系统主要有美国的GPS系统,俄罗斯的GLO-NASS系统,中国的北斗卫星导航系统以及欧盟的伽利略系统。卫星导航系统在进行通信时需要占用一定的频谱带宽,由于频谱资源的有限性,如何使这些卫星导航系统能够在有限的频带范围内高效工作又不相互影响,是一个亟需解决的问题。

频谱资源的分配工作由国际电信联盟(ITU)来完成,由于它对导航频段分配的限制,伽利略系统和GPS系统必须共用一个带宽,而最理想的中心频点以及C/A码信号都已经被GPS系统所占据,因此伽利略系统的信号在设计时只能避开C/A码信号所处的频段。本文提到的BOC(Binary Offset Carrier,二进制偏移载波)信号调制技术就是在伽利略系统设计过程中由John.W.Betz提出的一种新型的载波调制方式。文中介绍了BOC信号调制的基本原理和产生过程,重点利用Matlab对信号的频谱特性进行了分析,指明了这种信号调制方式的优点;并在此基础上对其常用的一些扩展技术进行了简要介绍。

1 BOC调制的基本原理和特性

GPS系统的信号调制多采用BPSK(二进制相移键控)调制。为了避开它的中心频点,BOC信号在设计时需要进行一定的频谱搬移。因此,BOC信号调制技术的基本原理是在原有的广泛应用于GPS系统的BPSK基础上,增加一个二进制副载波(目前主要是由正弦或余弦型符号函数(sgn函数)构成的副载波,即形似sgn[sin(t)]或sgn[cos(t)],以正弦或余弦信号为参数的符号函数),使其频谱产生适当偏移。这种调制方式的最大特点是信号功率谱的主瓣发生了分裂,变成对称的两部分,并且根据所选择的参数不同,两个分裂主瓣的距离也可以变化。BOC信号调制的原理图如图1所示。

可见,BOC信号调制实际上就是以一个方波作为副载波,对卫星产生的码元信号进行一次辅助调制,之后再将其调制到主载波上,即信号S(t)和一个频率为fs的副载波相乘,使信号的频谱分裂成两部分,位于主载波的左右两部分。从另一种角度来看,BOC信号调制技术实际是为信号的功率谱赋形的一种反推过程,是根据实际需要而生成的一种调制技术。

BOC信号的复数表达式如下:

式中:ak是经过数据调制后的扩频码,有单位幅值,相位则在符号表中随机选取。对于二进制调制来说,符号表中的符号只有两个:+1和-1,即是二相的。一般情况下,符号可以是正交相移键控、更高阶相移键控或交错正交相移键控等;CTs(t)是副载波,是周期为2Ts的周期函数;μnTs(t)是扩频符号,是持续时间为nTs的矩形脉冲,n是一个正整数,表示在一个扩频符号持续期内副载波的半周期数;θ和t0分别是相对于某个基准的相位和时间偏移。

由上式可见,当没有副载波CTs(t-t0)时,偏移载波调制信号就是普通的PSK调制信号,或者说,偏移载波调制信号是一个调制了副载波的普通PSK调制信号。

在BOC调制信号中,扩频码与扩频符号之积μnTs(t-knTs-t0)是持续时间为nTs,幅值为+1或-1的矩形脉冲,副载波CTs(t)为方波。图2是一个简单的BOC信号调制波形的示例。

BOC信号调制主要由两个参数来描述:副载波频率和传播的码率,表示为BOC(m,n),其中参数m表示副载波频率为fs=m×fbase,n表示码率为fc=n×fbase,其中fbase=1.023MHz是卫星导航信号的基频。例如,BOC(5,2)表示fs=5×1.023MHz=5.115MHz和fc=2×1.023MHz=2.046MHz。

图3所示是BOC调制信号产生的方框图,所有的数据码、扩频码、副载波和射频信号均由一个共用的基准时钟产生,因此跨零点是对齐的。此外,所有的基带信号都是二进制的,因此可以用二进制逻辑电路来实现BOC调制信号,而不需要使用线性电路,这也是BOC调制信号的优点之一。

2 BOC调制信号的频谱特性

为了导出BOC调制信号的频谱,可以将式(1)改写成如下的等效形式,即有特殊形状扩频符号的BPSK调制信号:

可见,qnTs中包含方波的n个半周期Ts,也就是n个+1和-1之间的变换。当n为偶数时,qnTs(t)是一个均值为零的平衡符号。

当BOC扩频序列的二进制值为等似然、独立且均匀分布时,借助于对BPSK调制信号频谱公式的推广,可以从式(2)求出BOC调制的归一化基带功率谱密度:

可见,当n分别为偶数与奇数时,功率谱密度之间只是一个正弦或者余弦函数的差别。

BOC调制信号的功率谱密度函数形状由一些主瓣和副瓣构成,并具有如下特征:

(1)主瓣数与在主瓣之间的副瓣数之和等于n,即2fs/fc;

(2)主瓣宽度(功率谱密度零点之间的频率间距)是扩频码速率的两倍,这和普通PSK调制相同,而旁瓣宽度等于码速率,即比主瓣窄一半;

(3)主瓣的最大值发生在比副载波频率fs略小的地方,这是因为上下边带之间有相干交互作用的缘故;

这样,当fs,fc及n取不同的值时,将会有不同的频谱。由于BOC调制的扩频码是矩形脉冲,副载波也是方波,因此,它的频谱是无限带宽的。

为了验证以上结论,对一些典型的BOC调制信号的功率谱密度进行仿真,结果如图4所示。

BOC信号调制技术具有以下优点:可以实现频段共用,同时实现频谱分离;具有更好的相关函数性能,其相关函数相对于相同码速率的BPSK调制方式而言更为陡峭,从而具有更高的码跟踪精度和更好的多径分辨能力。

3 其他BOC调制技术简介

BOC调制主要包括基本的正弦调制SinBOC,余弦调制CosBOC;复用调制MBOC,包括复合调制CBOC和时分调制TMBOC;交替载波调制AltBOC等。

3.1 MBOC调制

MBOC(Multiplexed Binary Offset Carrier,复合二进制偏移载波)调制其实是BOC副载波调制信号的一种复用方式。这是由Guenter W.Hein领导的GPS信号设计团队和John W.Betz领导的Galileo信号设计团队共同提出的一种调制方式。目前经过优选,主要讨论和设计应用的是BOC(1,1)和BOC(6,1)的组合。根据数据通道和导频通道的功率分配要求,以及采取具体的调制方式不同,这种组合可以有很多种,具体可参考相关文献。

作为一种信号复用的统称,MBOC的实现方法目前主要有两种,即CBOC(Composite BOC)和TMBOC(Time-Multiplexed BOC)。前者用于欧盟Galileo系统的L1OS信号,后者用于美国GPS系统的L1C信号。简单说来,CBOC是根据BOC(1,1)和BOC(6,1)不同的功率(幅值)权重构成的四电平符号来实现的调制,是幅值的复合式实现;而TMBOC则是一种类似时分复用的方式,即规定一组码片的长度,在这组码片里固定的几个位置里是BOC(6,1),其他位置都是BOC(1,1)。

3.1.1 伽利略系统的CBOC信号

如果BOC(6,1)被用于数据信道和导频信道,则基带OS(开发服务)部分可以表示为:

式中:CD和CP分别是数据信道和导频信道的扩频码序列;d是导航信息;x和y分别是BOC(1,1)和BOC(6,1)的副载波波形;分别表示BOC(1,1)和BOC(6,1)的波形的权重。

3.1.2 GPS L1C信号的TMBOC调制信号

TMBOC调制信号模型可以表示为如下形式:

式中:S1是用BOC(1,1)副载波时的时间段;S2是用BOC(6,1)副载波时的时间段。S2的长度是扩频码长度的P%。GPS L1C信号的导频信道占总能量的75%,数据信道占25%。而且仅有导频信道包含BOC(6,1)成分,也就是说,数据信号是纯粹的BOC(1,1)信号,导频信号是TMBOC(6,1,4/33)。大部分接收机都是利用导频信道进行跟踪的,因为它们具有更强的相位跟踪性能和较长的连续积分时间。

以上这两种方式都能满足功率谱分配的要求,但在功率谱函数的形状上有所不同。这样,在热噪声和多径效应存在的情况下,可以用这两种方法通过在远离中心频率处增加一些功率来改善跟踪性能。

3.2 AltBOC调制

AltBOC(Alternative BOC,交替二进制偏移载波)是一种和BOC调制信号类似的新型信号调制方式,它主要用于伽利略系统中的E5频带的开放服务(OS)信号的传输。AltBOC调制技术具有一般BOC信号的所有优点,如频谱分离,抗干扰能力强,测距精度高等,同时又不像BOC调制信号那样,两个主瓣传输相同的信息。具体说来,在AltBOC调制中,可以做到使一个主瓣的边带传输一路信号,这样对频谱的利用率更高,而这种方法带来的缺点是带宽过宽,在实现和接收时受滤波器带宽限制较大。此外,理论的AltBOC信号为非恒包络信号,为了在传输过程中通过饱和大功率放大器时不产生非线性失真,对AltBOC信号进行调整,使之成代化具有重要意义。为恒包络的8PSK-AltBOC信号。

AltBOC调制方式的优点如下:

(1)频谱利用率高:与BOC信号相比,等效于BOC的上边带和下边带传输不同的信号;

(2)接收比较灵活:在信号接收端,既可以将整个频段信号作为整体接收,然后采用AltBOC接收技术进行处理,也可以上下频段信号单独接收处理。若单独接收,将等效为传统的QPSK调制;

(3)同时接收整个频段信号,其损耗低于分别接收上下频段信号;

(4)可改善抗码噪声、码多径、载波多径的性能,同时可降低电离层的影响,具有很好的码跟踪性能。

4 结语

本文从基本原理、信号形式、自相关函数、功率谱以及调制特性等方面对BOC信号调制技术及其扩展技术做了介绍,并用Matlab软件对频谱特性进行了较为详细的仿真分析,从这些分析可以看出,BOC信号调制技术具有其他卫星导航信号调制方法所不具备的特殊性质,因此是目前最合适的用于实现频谱共用与频谱分离的卫星导航信号调制方法,这对进一步研究导航信号现

摘要：BOC调制技术是一种广泛应用于GPS的现代化以及伽利略系统中新型信号调制技术。为研究其频谱特性,分析了BOC调制技术的基本原理及信号的产生过程,应用Matlab软件对其频谱特性进行了仿真,阐述了这种信号调制方式的优点;此外对其扩展技术MBOC,CBOC,TMBOC以及AltBOC做了简要介绍,对进一步研究导航信号现代化具有一定意义。

关键词：卫星导航系统,二进制偏移载波,调制,频谱特性,导航信号

参考文献

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[2]卡普兰.GPS原理与应用[M].寇艳红,译.北京:电子工业出版社,2007.

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[9]刘松林.BOC调制扩频信号同步技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.

调制特性篇5

脉冲阶梯调制技术起源于20世纪80年代的欧洲,是瑞士科学家研究的成果。脉冲阶梯调制发射机在之后的几次技术改进中成为了科技含量高、较为先进的中短波发射机,主要用于广播电视行业。从今天的国际广播电视事业来看,脉冲阶梯调制发射机已经得到了相当广泛的应用,可以说世界各国几乎都在使用脉冲阶梯调制发射机为广播事业服务。脉冲阶梯调制发射机的实用性、发射效率较高。整个发射机使用的是PSM技术,而高频系统与乙类板调及PDM发射机是一样的。

2 脉冲阶梯调制发射机的工作原理及特性研究

2.1 脉冲阶梯调制发射机的工作原理

脉冲阶梯调制发射机的工作原理,脉冲阶梯调制发射机与其他广播用发射机的不同在于调制器技术的不同。脉冲阶梯调制发射机的调制器系统主要由电源、开关放大器、滤波器等组成。其开关放大器是通过一组开关的串联形成的。这种发射机放大的特性是可以把板调发射机的高压直流电分散使用,经过多个电压的串联操作使调制发射机的电子管得到其需要的板压。以500kW的脉冲阶梯调制发射机来说,它就有32组875V的电压整流装置。在发射机载波情况下,通过16组串联操作的低压整流装置能够出现14kW的数据。在装置百分百调幅峰值上,能够通过上述两倍的低压整流装置的串联出现两倍于其的数据。在装置百分百调幅谷点上,可以让相关的低压整流装置不进行串联工作,出现零电压的数值。同时,可以对装置的电压进行改变,这就可以对载波情况下的串联电压进行改变。因为在这种情况下,整个一台脉冲阶梯调制发射机所受到的串联电压是固定的,被转换后的相关数字信号所操控。就是说,不论在什么情况下进行相关操作,都要保证开关工作数量符合装置工作所需要的电压。

通过上述操作能够取得一个与音频信号相似的阶梯电压波形,它可以通过低压滤波器的处理后进行原有声音再现,即显现出了原有的音频信号。

2.2 脉冲阶梯调制发射机的特性

笔者在上文中也有提到,脉冲阶梯调制发射机与其他广播用发射器的区别主要是调制器方面的技术不同。首先来说,整个发射机采用频带较宽的开关放大器,这里就存在着一个避免调谐的情况,这也就使整个系统需要调谐的相关级数数量变少。在发射机中,推动级的主要作用是阻隔,放大工作中的增益不高,因此是通过三极管放大系统组成的。这就能够产生相当平坦的负载环境给其宽放,并且在实际的短波发射工作中不需要再次均匀操作,这就给整个发射机带来了内部设计精简的作用。在发射机中使用高科技四极管的高末级放大器能够摆脱集成电路的使用,只需要简单的单边电路就可以正常进行工作,这就大大降低了对电子管的依赖,从数量上直接减少了电子管使用。在这其中有一点也需要注意,就是单边电路有不平稳的运行特征,因此,必须用平衡转换方式对其进行处理。

综上所述,人们不难看出脉冲阶梯调制发射机的很多特点特性。第一,发射机的稳固性性好,整个脉冲阶梯调制发射机仅有两个电子管,具有结构简单的特点。在发射机的维护中也非常便利,实用性强。第二,在发射机的正常工作下,整个发射机的工作效率能够达到接近80%的数值甚至更高,这是其他发射机所难以达到的。第三,整个发射机的科技含量较高,发送广播的声音质量高。在发射机中的一些零件(如部分开关放大器)损坏不能工作的情况下,发射机仍然能够顺利工作,进行广播工作。同时,脉冲阶梯调制发射机也有一些新技术出现,例如:浮动性的载波操控、单边广播等。在发射机工作负担过大时,发射机会自动监测工作功率,并进行相应的降低调整,保证发射机的正常使用。

3 结语

在当前我国经济社会大发展的现状下,广播电视行业也在寻求新发展。脉冲阶梯调制发射机作为广播事业的重要技术支持,需要被熟知、了解,不断对其进行研究和技术更新,才能促进发射机技术的不断进步,为广电广播事业的发展提供助力。

参考文献

[1]梁雯.脉冲阶梯调制发射机的工作原理及特性[J].电子制作,2015(16).

【调制特性】推荐阅读：

直接调制07-15

调制方案10-15

调制技术10-16

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调制参数06-12

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饲料调制08-07