對于遙測發(fā)射機的調制的選擇

1、對于遙測發(fā)射機的調制的選擇設計一個用于遙感勘測的發(fā)射機需要仔細考慮調制方案。對于這樣的一個系統(tǒng)，天氣遙測發(fā)射機需要以384b/s (48 B)的速度發(fā)送數(shù)字數(shù)據，這些數(shù)據來自多路變送器(傳感器)測量溫度、壓力、濕度、風速和全球定位系統(tǒng)(GPS)數(shù)據(協(xié)調和時間數(shù)據)的輸出。使用從402到406MHz的4MHz的分配帶寬及200個20-kHz的頻道使得發(fā)射器工作在特高頻帶的低段。 發(fā)射機包括三個基本部分：基帶、帶有高頻合成儀的射頻級和同步回路。本文集中分析發(fā)射機的基帶回路，包括對射頻級所需信號的處理和預備，例如脈沖成形、誤差修正、譯碼、交叉存取和調制。 脈沖成形使得干擾的影響最小化，它通過一個同

2、步/正交調制為展頻處理限制一個信號的帶寬： 其中：d(n)為輸入數(shù)據(二進制或多級數(shù))，g(t)為脈沖波形信號，s(t)為成形信號。 各種各樣的脈沖波形可以用來限制帶寬，包括升余弦公式和高斯公式。在時域范圍內，升余弦公式為： 其中，r為滑動系數(shù)(0 < r < 1)。 既然在使用中信噪比(SNR)非常低，當氣球上升時，發(fā)射機不能穩(wěn)定，一些信號衰落是不可避免的，因此，需要使用誤差檢測和校正措施。卷積編碼器隨同回旋交錯機對于低信噪比下的數(shù)字式發(fā)射機是一個相當不錯的想法。交錯機通過很大范圍的數(shù)據分配區(qū)間誤差從來最小化區(qū)間誤差。卷積編碼器依靠向源符號增加足夠的冗余和連續(xù)或用小塊連續(xù)地處理信

3、息取得無誤傳輸。 圖1顯示一個四態(tài)的卷積編碼器，比率定義為輸入位的數(shù)目與輸出位數(shù)目的比。這個系統(tǒng)有一個輸入和兩個輸出，結果譯碼率為二分之一。卷積編碼器的狀態(tài)數(shù)由延遲單元(存儲器)所決定，輸出不僅由輸入電流決定，還與先前的輸入或輸出有關。換句話說，譯碼器是一個有限狀態(tài)的機器。 通常，對于k/n這樣一個比率的卷積譯碼器對于一個信息輸入位有k個移位寄存器，n個輸出譯碼位由寄存器的內容和輸入信息位以線性組合(異或門)所確定。當比率是1/n時，一種出名的鑿孔技術可以運用以取得更高比率的卷積譯碼器。 編碼的形式由發(fā)生器或發(fā)生器序列所決定： 發(fā)生器可以寫成多項式D的形式，D為一個單元延時。 發(fā)生器可以表示成

4、二進制的形式，如g0 = 1 1 1和g1 = 1 0 1，這里，1代表與異或加法器有連接而0就代表與異或加法器沒有連接。他們也可以表示成八進制系統(tǒng)，如7, 5。當前系統(tǒng)使用了不同的發(fā)生器，并帶有運用MATLAB的數(shù)學分析/仿真程序由MathWOrks工具來實現(xiàn)171, 131發(fā)生器的卷積運算。 在多路情況下，發(fā)射機需要一個交錯器來改善位誤碼率。在當前的運用中，一個回旋交錯器伴隨著卷積乘積編碼器使用。在交錯的過程中(圖2)，每一個單元代表一位，伴隨著分布的鄰近位在接受端輕松恢復。 選擇校正調制有很多重要的尺度，包括發(fā)射機的總費用、面積、電源和所需的發(fā)射機的移動性。對于當前的運用，發(fā)射機是可置部

5、件并且只使用一次或兩次，因此必須降低成本。發(fā)射機也應該盡量小、盡量輕。發(fā)射機設計在+9-VDC電源下運行。受限的供應電源要求發(fā)射機工作在非線性情況下，這就意味著要使用等幅波包調制方法。由于發(fā)射機的移動性，振蕩效應和多普勒效應可以導致死區(qū)而使接收器沒有信號應該引起關注。盡管卷積編碼增強了系統(tǒng)數(shù)據處理器的一個附加的負載并使得電源消耗上升，但它卻能最小化由于多普勒效應、衰退效應以及多徑效應而導致的數(shù)據損失。考慮效率而仔細選擇調制形式，它將能滿足在+9-VDC電源下系統(tǒng)的性能要求。 按振幅移鍵方式，載波的幅值按照傳輸數(shù)據而變化。依照二進制傳輸，載波幅值將以圖2中兩種值中的一種出現(xiàn)。由于信號幅值的波動，

6、調制方法自身在噪聲信道的效率并不高，但它通常結合其他的調制方案來跳高系統(tǒng)的光譜效率。 依靠頻率作為調制參數(shù)，就是頻率移鍵(FSK)。當使用二進制數(shù)來調制載波頻率時，圖4所示的兩種載波頻率就產生了。頻率分離(頻差)可以選擇從而可以產生正交(/2相位)傳輸。FSK調制在噪聲存在情況下是十分有效的，但需要結合例如相位解調等其他的調制方式來增加頻譜帶寬。FSK的二進制帶寬(BFSK)為：BW = 4fb,，這里fb為基帶數(shù)據頻率，或： d(t)為+1或1由二進制輸入所決定；為固定偏移。傳輸信號要么為： 要么為： 信號的角頻率wH = w0 + 或wL = w0。BFSK信號可以由圖5的簡單調節(jié)器而產生

7、。在這個結構里，兩個平衡調制器交替使用，一個的載波角頻率為wH，另一個為wL。EH和EL的振幅依照圖5的圖標產生，因此調節(jié)器的功能如同開關一樣。因此，BFSK的信號可以重新寫成等式10，它可與二進制相位移鍵(BPSK)相比較。在BFSK中，兩個術語的幅值在0 和1之間交替變化，同時在BPSK中，幅值在1和1之間交替變化。BFSK信號的終點之間的距離比BPSK信號分離點之間的距離要短。通過比較三角恒等式11或交替變化的等價表達式12，可以進一步提高BFSK和BPSK的方案。 第一個術語沒有攜帶任何信息。在這個公式中第二個術語與BPSK相似，并伴隨著由sint所形成的數(shù)據這樣一個較小的差別。因此，

8、BFSK并沒有分享BPSK的噪聲電阻。多頻相移鍵控包含多級傳輸而非二進制數(shù)據，其總帶寬B=2Mf，其中M為符碼(碼元)數(shù)，fs為符碼率。因此，M進制FSK比其它調制方案(如M進制PSK)要求有更寬的帶寬。與其它調制方案(如BPSK.)相比，隨著M上升，誤碼率率下降。 在相移鍵控調制(PSK)系統(tǒng)中，載波的相位隨著數(shù)據的變化而變化，通過保持載波幅度大體不變，本方案可提供較好的噪聲阻抗。將PSK 與ASK兩者相結合可大大地提高頻譜效率。發(fā)送一個波形做為載波，用基帶信號作為調制波就可實現(xiàn)二進制移相鍵控BPSK(BPSK信號也可視作調幅信號)。 在典型的PSK信號頻譜中，主瓣 (90?以上的信號功率都

9、集中在此 )和副瓣間的分貝差為14 dB。如此高的副瓣會導致鄰道干擾，因此需降低副瓣的功率。通過對基帶信號和低通濾波可有效抑制(盡管不能完全消除)不必要的副瓣信號。然而，這樣會造成有用信號失真，導致信號通道中某個數(shù)據位和其鄰近數(shù)據位的局部重迭 ，這一現(xiàn)像被稱為碼間干擾?？刹捎镁鉃V波器使碼間干擾ISI最小化。 如圖6所示，可采用信號混頻器相應地改變載波的幅度、相位或頻率以實現(xiàn)對載波的調制，混頻器輸出兩種信息狀態(tài)，分別代表1和0。與混頻器相比，正交調制器可同時改變載波的任一參數(shù)(幅度、相位或頻率)以表示相應信息。正交調制器由一個移相器，兩個混頻器另加信號混頻級組成。 正交調制器產生一個正交相位位

10、移鍵控信號，該信號可用式13表示，其中： QPSK基帶信號的相位突變會引起高頻頻譜成分，頻譜寬度也相對變寬?；鶐У念l譜范圍較大，并隨著載波的傳輸被移到載波附近，但其頻結構不變。 當符碼率為1/Tsb,時，QPSK中的相位發(fā)生突變(可高達180度) ，Tb為數(shù)據率。 這類相位突變會使載波幅度發(fā)生本質變化，導致QPSK通信系統(tǒng)中的故障。許多系統(tǒng)在其發(fā)射機中采用非線性功率輸出級以抑制幅度變化，然而，也因為其非線性，這些輸出級會在主瓣范圍外產生頻譜成分，從而抵消帶通限制過濾效應，并導致通道間干擾。Staggered 或正交(偏移)QPSK (OQPSK), 將相位變化限制在90度 (常用來代替180度

11、)。 通過將相移限制在90度，QPSK數(shù)據列被逐個延遲數(shù)據率的半個周期，信號包封不會為0。BPSK的誤碼率與 QPSK 及 OQPSK相同。 最小移頻鍵控的一個重要特性就是其相位的連續(xù)性。偏移正交相移調制QPSK 和MSK一樣，調制后的傳輸數(shù)據占用半個正弦波周期。MSK 的信號重迭為常量，避免了像OQPSK系統(tǒng)中的90度相位突變。在MSK中，與正交載波相乘的基帶信號波形比偏移四相相位鍵控OQPSK中陡峭的方波要平滑許多。與此同時，MSK的主瓣頻寬為QPSK主瓣頻寬的1.5倍;而MSK的副瓣頻寬較小，這使得濾波更為容易。 MSK的數(shù)學表達式為式14。MSK信號為正交信號，其中的每項與數(shù)據相乘，為

12、使其平滑，數(shù)據通過正弦波調制。 因其波形類似OQPSK的修改版 ，故也可稱它為"shaped OQPSK."。可將MSK信號按FSK信號形式顯示。 通過使用三角等式，MSK的方程可為15式，式中兩項的幅度可用式16中的EH 、 EL來取代，則MSK信號如式17所示。 若de(t) and do(t) 為雙極值 +1、 1，與此同時EH、EL的值分別為0 、1。盡管傳輸信號的幅度保持不變，但其角頻率為 wH 或 wL，有點像FSK信號。至于位間隔Tb,的正交狀態(tài)，以下結果是令人滿意的： 考慮到三角等式2sin(A)sin(B) = cos(A + B) cos(A B),，可

13、見，在以下條件時信號可保持正交狀態(tài)： 從而有21式。 當 m n = 1且fL 0.時，可得fL 與fH間的最小差值。當m、n為最小值，即n = 1 且 m = 2時, 則 fH = 3fb/4 、 fL = fb/4. 當 wL wH = 2 , 則 = 2(fb/4). 正因如此，這一調制方案被稱之為最小相移鍵控(MSK) 至此，輸入數(shù)據已被調制成半個正弦波形。在高斯MSK (GMSK)中,輸入數(shù)據用高斯脈沖調制。與MSK相比，其相移被降至小于/2，且相位狀態(tài)間的過渡也更平滑。 高斯脈沖的數(shù)學表達式如下： 其中：=3dB帶寬 在連續(xù)相位調制方案中，載波的相位變化更為平滑。然而，若要使這一平滑的相位變化保持其連續(xù)性，就要將之前的符號(symbol)存儲于存儲器L，當L=