无线物联网调制解调器层技术解析

### 无线物联网调制解调器层技术解析 在无线通信领域，调制解调器层的技术对于信号的准确传输和接收至关重要。本文将深入探讨调制解调器层的多个关键技术，包括符号错误概率、不同类型的解调器以及同步技术等。 #### 1. IEEE 802.15.4 OQPSK 输出 IEEE 802.15.4 中的 OQPSK 采用直接序列扩频技术。其调制器的复值基带输出具有特定特征，Q 臂输出延迟一个码片，半波正弦形状跨越两个码片周期，且码片速率与特定参数相等。 #### 2. 符号错误概率 在选择物理层时，符号错误概率是一个重要的考虑因素。它决定了错误率，而错误率会限制吞吐量，这就需要高层功能来减轻其影响。 符号错误概率取决于接收器，而非调制方式。调制类型会影响接收器的选择，但最终是接收器的实现决定了符号错误概率。符号错误发生在解调器错误确定接收到的符号值时，多种失真会影响接收器测量信号值和解调信号的能力： - **加性高斯白噪声（AWGN）**：影响解调器区分不同符号的能力。 - **小尺度衰落**：会导致信号功率突然下降，与 AWGN 结合时，进一步阻碍解调器区分符号。 - **符号间干扰**：由多径信道或调制方案引起，会使符号模糊，难以区分。 - **相位和频率偏移**：使接收信号星座图在复平面上旋转，与静态决策区域结合时，导致解调器误识别符号。 - **非线性失真**：如模数转换器的削波，会产生不需要的频谱分量，导致接收符号的歧义。 - **拥塞频段的干扰**：会破坏接收信号，导致更多符号错误。 因此，在指定误比特率时，必须同时指定接收器模型、其缺陷以及使用的信道类型。 #### 3. 相关接收器 相关接收器在无线数字通信中是一种重要的接收器类型。其结构对于线性和非线性调制是相同的，即将输入信号与已知波形进行相关，相关结果提供符号幅度和相位的测量。 以相关解调器为例，有两个相关器，分别针对相同频率但相位相差 180 度。对于二进制相移键控（BPSK）的反极性信号，这种设计的优势最大。当 BPSK 信号为 0 度时，逻辑高相关器返回正值，逻辑低相关器返回负值；当 BPSK 信号为 180 度时，情况相反。对于频移键控（FSK），它代表正交信号，当 BFSK 信号传输逻辑高时，逻辑高相关器返回正值，而逻辑低信号只返回噪声，因为假设 BFSK 信号中代表逻辑电平的两个频率是正交的。 BPSK 通过相关解调器每比特享有的能量是 BFSK 的两倍，因为 BPSK 的逻辑高和逻辑低相关器都能成功与信号相关，只是极性相反，而 BFSK 只有一个相关器能成功与信号相关，另一个成为噪声源。 相关解调器假设符号定时和载波频率已经恢复。如果符号同步未完成，相关器的定时会出错；如果载波同步未完成，相关器的输出幅度会受影响，且可能随时间相位反转。 #### 4. 反正切解调器 对于频率调制方案，如 FSK 和最小移频键控（MSK），可以通过对调制信号的角度求导来进行解调。信号具有恒定包络和变化的角度，其表达式为： \[s(t) = Me^{j\theta(t)}\] 角度函数提取 \(s(t)\) 的角度，\(\theta(t)\) 是 \(s(t)\) 的瞬时相位，对其求导得到瞬时频率 \(m(t)\)： \[m(t) = \frac{d\ angle\{s(t)\}}{dt} = \frac{d\theta(t)}{dt}\] 在数字实现时，导数可以表示为一阶差分： \[\Delta\theta = \theta[n] - \theta[n - 1]\] 这种解调技术可以通过“反正切解调器”实现。输入信号乘以延迟一个样本的该信号的共轭，然后取反正切提取乘积的角度： \[e^{j\theta[n]}e^{-j\theta[n - 1]} = e^{j\Delta\theta[n]}\] \[atan\left(\frac{imag\{e^{j\Delta\theta[n]}\}}{real\{e^{j\Delta\theta[n]}\}}\right) = angle(e^{j\Delta\theta[n]}) = \Delta\theta[n]\] 需要注意的是，这个过程是非线性的，因此热噪声不再遵循高斯分布，而是遵循莱斯分布的相位分布。 #### 5. 反正切和相关接收器用于 FSK 的比较 这里考虑的两种失真类型是噪声和相位/频率偏移。相关解调器在误比特率（BER）性能上具有更好的下限，在载波和定时恢复完美的