时分复用与数字信号的调制与解调.ppt
,2.3 时分复用与数字信号的调制与解调,2.3.1 时分复用与数字调制2.3.2 PSK2.3.3 QAM2.3.4 MSK,GMSK2.3.5 调制信号的传输特性,2.3.1 时分复用与数字调制,时分复用TDM：在数字通信中，信道中所传输的是数字信号，因而首先应按PCM或其他模拟信号数字化处理技术，将模拟的话音信号变换成数字信号，然后以时间分割信号的方法，使多路信号能够利用同一条信道进行独立的传输，这种方法就是时分复用。可见时分复用是利用不同的时隙来传送各路不同信号的。复用后的信号为数字基带信号。,由于采用了TDM方式，因而也给系统提出了新的课题，这就是时钟同步问题。同步：所谓同步是指接收端能够从所接收的数据中正确识别出各路信号，因此要求接收端有定时提取电路。,2数字调制(1)数字调制的概念及分类 数字调制：当用以调制的信号是数字信号时,我们称这种调制为数字调制。在数字调制中仍然采用余弦波作为载波信号，由于余弦信号有幅度、相位和频率三种基本参量，因此可以构成数字调幅、数字调相和数字调频三种基本调制方式，如图2-3 所示。,调制波形,数字调幅：以基带数字信号控制一个载波的幅度，称为数字调幅，又称幅移键控，简写为ASK。二进制幅移键控（基带信号是二进制信号）用2ASK表示。数字调相：以基带数字信号控制一个载波的相位，称为数字调相，又称相移键控，简写为PSK（DPSK：相对调相）。二进制相移键控用2PSK表示。数字调频：以基带数字信号控制一个载波的频率，称为数字调频，又称频移键控，简写为FSK。二进制频移键控用2FSK表示。,2.3.2 PSK,PSK,图中的0和180是以未调载波0作参考相位的。图中的0和180的变化是相对于已调信号的前一码元的相位，或者说，这里的变化是以已调信号的前一码元相位作参考相位的。,2调相信号的产生与解调,(1)绝对调相（2PSK）信号的产生与解调 调制：其产生方法有直接调相法和相位选择法两种。,直接调相法（图a）就是采用大家所熟悉的环行调制器（平衡调制器）产生调制信号的方法。左边是载波，初始相位为0度。下边是作为控制开关用的基带信号应是双极性脉冲:即把原“1”码变为+1电位；把“0”码变为-1电位;这只要加上直流移位电压即可做到。右边是已调波。,图2-6（a）移相的原理是：当基带信号为“+1”时（左正右负），上、下两个二极管导通。根据变压器同名端（图中者为同名端）的原理(载波的相位都是在同名端之间互相感应传输)，此时输出端载波的初始相位与输入端相同，即0相位；当基带信号为“-1”时，中间两个二极管导通（上、下两个二极管截止）；此时输出端载波的初始相位与输入端反相，即相位；从而达到了移位的目的。即1码输出相位与载波相同，0码输出相位与载波相差。,图2-6（b）是相位选择法的方案图：首先发出载波，其相位为0，再经倒相器将载波移相，从而准备了具有0相位和相位的两种载波信号。基带信号中的“1”码控制上支路，使上支路（相乘）0相位载波信号再输出；基带信号中的“0”码（通过基带码倒相器变为“1”码）控制下支路，下支路的载频倒相为，成为相位载波信号，（相乘）相位载波信号再输出。从而达到了移位的目的。即1码输出相位与载波相同，0码输出相位与载波相差。,解调：相干解调方式：需要在接收端知道发射载波的频率和相位（恢复相干载波以用于与接收的已调信号相乘）。由于2PSK信号中无载波频率分量，所以无法从接收的已调信号中直接提取相干载波。下面介绍一种可解调2PSK信号的相干检测法。,左端输入2PSK信号s(t)是已调波。1表示0相位；0表示相位。将输入2PSK信号s(t)作全波整流，使整流后的信号中含有2fc频率的周期波；再利用窄带滤波器取出2fc频率的周期信号；再经限幅（将正弦信号变成矩形脉冲，此时频率为2fc）、二分频（将频率除以二变为fc）电路得到载波fc；最后经过相乘器（图1与图5相乘）再经低通滤波（前两个波形信号为正，后两个波形信号为负）即可得输出基带信号。图中的低通滤波器常指积分器。,这种2PSK信号的解调存在一个问题，即2分频器电路输出存在相位不定性或称相位模糊问题。当二分频器电路输出的相位不定时，相干解调的输出基带信号就会存在0或1倒相现象，这就是2PSK方式不能直接应用的原因所在。解决这一问题的方法就是采用相对调相，即2DPSK方式。,(2)相对调相信号的产生与解调,调制：根据前面的知识点可知，2DPSK信号与2PSK信号之间存在着内在的联系。只要将输入的基带数据序列变换成相对序列，即差分码序列，然后用相对序列去进行绝对调相，便可得到2DPSK信号，如图2-8（a）所示。,式中，为异或。按上式计算时，初始值Dn-1可以任意假定。按式(2-9)应有：当an=1时，DnDn-1；当an=0时，Dn=Dn-1。上例中的两个Dn 序列都可以作为差分码序列，不管用哪一个序列，最后的结果都是一样的。,(2)相对调相信号的产生与解调,解调：2DPSK的解调有两种方法：极性比较法和相位比较法。图2-8（b）所示是极性比较法（与发送端的极性比较法原理恰好相反）的实现原理框图。,极性比较法是对2DPSK信号先进行2PSK解调，然后用码变换器将差分码变为绝对码。在进行2PSK解调时，可能会出现“1”，“0”倒相现象，但由差分码变换为绝对码后的码序列是唯一的，即与倒相无关。接收端码变换器的功能是完成Dn an。由式(2-9)运算，应有（2-10）可见不论倒相与否，Dn与Dn-1总是相与的关系。2DPSK信号的另一种解调方法是相位比较，又称差分相干解调法。,3PSK(1)多相调相的概念,即用多种相位或相位差来表示数字数据信息。,如果把输入二进制数据的每k比特变成一组，则构成所谓的k比特码元，每一个k比特码元都有2k种不同状态，因而必须用M=2k种不同相位或相位差来表示，称为M相调相。即用一种相位去携带一组二进制信息码，如图2-9（b）、（c）所示。,四相调相，既可以表示为QPSK，也可以表示为4PSK，它是用载波的四种不同相位来表征传送的数据信息。在QPSK调制中，首先对输入的二进制串数据按二位数字编成一组，我们把由两个二进制码组成的码元称为双比特码元，其组合共有22种：00、01、10、11，即有22=4种不同状态,故可以用M22=4种不同相位或相位差来表示，这里M22=4，故称为四相调相。,八相调制方式时，在一个码元时间内可传送3位码，其组合共有23种，即有23种不同状态：000、001、010、011、100、101、110、111，故可以用M23种不同相位或相位差来表示，这里M23=8，故称为八相调相。采用多相调制的级数愈多，系统的传输速率愈高;(优点)但相邻载波之间的相位差愈小，接收时要区分它们的困难程度就愈大，将使误码率增加。（缺点）,3PSK(2)四相调制的两种调相关系（一）,四相调制相是用载波（连续波）的四种相位（起始相位）与两位二进制信息码（双比特码）的组合（00、01、11、10）对应。,其中两位二进制信息码，前一位信息比特用A代表，后一位信息比特用B代表；用AB表示双比特码，且相邻双比特码之间，只有一位不同，这种排列关系叫格雷码，也叫循环码。在多相调制信号进行解调时，这种码型有利于减少相邻相位误判而造成的误码，可提高数字信号频带传输的可靠性。,若在载波的一个周期（2）内均匀地分成四种相位，可有两种方式，即（0、/2，3/2）和（/4，3/4，5/4，7/4）两种。故四相调相电路与这两种方式对应，就有/2调相系统和/4调相系统之分。两个系统双比特码与已调波起始相位的对应关系示于表2-1。根据表2-1的相位关系，可画出四相调相已调波在两种调相系统中的矢量图，和两种调相系统已调波的起始相位点位置的示意图。,(3)四相调相的方式 四相调相也有绝对调相和相对调相两种方式，分别记作4PSK和4DPSK。绝对调相的载波起始相位与双比特码之间有一种固定的对应关系；相对调相的载波起始相位与双比特码之间就没有固定的对应关系，它是以前一时刻双比特码对应的相对调相的载波相位为参考而确定的。,(4)QPSK信号的产生与解调_ 调制：四相调相的电路有很多种，常见的有正交调制法和相位选择法。其中正交调制法使用得最为普遍，其输出信号是两种正交的2PSK信号的合成。,用串并变换电路将输入的二进制序列依次分为两个并行的序列。每一对AB即为一个双比特码元。双极性A和B数据脉冲分别经过平衡调制器，对载波 和与之正交的载波 进行二相调相，其中上、下通路就是2PSK的直接调相法，其中平衡调制器即环行调制器。基带信号应是双极性脉冲。,上通路中，载波相位为0当A信号为“+1”时，此时输出端载波的初始相位与输入端相同（0）；当A基带信号为“-1”时，输出端载波的初始相位与输入端反相（），下通路中，载波相位变化/2当B信号为“+1”时，此时输出端载波的初始相位与输入端相同（/2）；当B基带信号为“-1”时，输出端载波的初始相位与输入端反相（3/2）；将两路输出叠加，即得图213（a）中的实线向量。,可见一个4PSK信号可以看作两种载波正交的2PSK信号(A与B)的合成。注意：我们知道AB二码元的组合有00，01，11和10四种。当序列由00到01，然后到11，再到10，最后回到00的过程，其相位路径是沿正方形边界变化，只有两个码同时出现改变时，相位路径将沿对角线变化，即过原点，如图2-13（b）所示。,解调：由于一个4PSK信号可以看作两种正交的2PSK信号的合成，所以，它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调。,前面已经指出，2PSK的解调方法采用相干解调方式，因此4PSK就要用两个正交的相干载波分别来解调两个分量A和B。因此图2-12(b)中，上、下两个支路分别是2PSK信号解调器，它们分别用来检测双比特码元中的A和B码元，然后通过并串变换电路还原为串行数据信息。,4OQPSK,(1)OQPSK（offset:偏移量）信号 OQPSK称为参差（偏移）四相移相键控，它是在QPSK基础之上发展起来的。,从QPSK的相位矢量图（图2-13）中可以看出，当两位码同时变化时，QPSK信号的相位矢量必将经过原点，这意味着QPSK信号经过滤波器后，其包络将在相位矢量过原点时为0（此时没有信号），如图2-16所示，可见此时包络起伏性最大。,如果再加上卫星信道的非线性及AM/PM效应的影响，那么这种包络的起伏性将转化为相位的变化，从而给系统引入了相位噪声，严重时会影响系统通信质量.因此应尽可能地使调制后的波形具有等幅包络特性。OQPSK正是在此思路的基础之上发展起来的。,在QPSK调制中只是当A和B路的符号同时发生变化时，相位路径才会通过原点;如果人为地让A与B支路间存在一定的时延，那么将使两个支路的跳变时刻彼此错开（先变A再变B），从而避免相位路径过原点的现象;也就彻底地消除了滤波后信号包络过零点的情况。,OQPSK信号的产生与解调调制,调制：在图2-18中给出OQPSK调制解调器的原理示意图，在与图2-12的QPSK调制解调进行比较后，我们可以得出这样的结论。这就是它们之间的区别仅仅在于OQPSK调制解调器的B支路增加了一个延时器，所延时的时间Tb为符号间隔的一半，即 本图中即延时1bit。即同相和正交载波进行调制的两路二进制码序列，在时间上错开半个码长，所以称这种调相方式为偏移四相移相键控。,解调：OQPSK信号的相干解调原理也与QPSK的相干解调原理相同，同样存在相位模糊问题（通过加入差分编码器解决），而且由A和B支路的彼此独立性决定了OQPSK 的相干解调误码性能也与QPSK相同。,2.3 时分复用与数字信号的调制与解调,2.3.1 时分复用与数字调制2.3.2 PSK2.3.3 QAM2.3.4 MSK,GMSK2.3.5 调制信号的传输特性,2.3.3 QAM,QAM是正交幅度调制的英文缩写，又称正交双边带调制。它是将两路独立的基带波形分别对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，所得到的两路已调信号再进行矢量相加，这个过程就是正交幅度调制。,可见这是一种既调幅又调相的调制方式，它广泛地使用在微波通信（个别卫星通信设备也采用此调制方式）中。这是一种频谱有效的数字调制。下面我们首先从二电平的数字调幅（2ASK）开始介绍。,12ASK信号,2ASK信号的产生 ASK：数字调幅，又称幅移键控，是指载波幅度随基带数据信号变化的调制方式。2ASK是一种最简单的数字调幅方式，基带信号是二进制数字信号。,12ASK信号2ASK信号的产生,二进制数字信号调幅可有两种情况：一是调制信号为单极性脉冲序列，其调制信号和已调ASK信号波形如图220(a)所示；另一种是调制信号为双极性脉冲序列，其调制信号和已调ASK信号波形如图220(b)所示。,12ASK信号2ASK信号的调制解调,图2-19是数字调幅系统基本构成框图，这里的调制信号是经过基带形成的数据序列。图中的调制解调器实际上就是一个乘法器。,12ASK信号2ASK信号的功率谱,12ASK信号2ASK信号的功率谱,单极性信号作调制信号，由于单极性信号中含有直流分量，所以已调信号的功率谱中就含有c的载波频率分量。,双极性信号作调制信号，由于双极性信号中不含有直流分量，所以已调信号的功率谱中就不含有c的载波频率分量。称为抑制载频的双边带调制。,2QAM（正交调幅）,为什么要引入？,由调相的原理知道，增加载波调相的相位数，可以提高信息传输速率，即增加信道的传输容量。但是单纯靠增加相数，一则使设备复杂化，再则误码率也随之增加，于是提出了具有较好性能的正交调幅方式。,由于多进制调相方法的已调波其包络是等幅（恒定）的，故限制了两个正交通道上的电平组合。当正交系数为cosk、sink时，其多相调相已调波的幅度符合 换句话说，已调波矢量的端点都被限制在一个圆上。QAM调制方法与其不同，它的已调波可由每个正交通道上的调幅信号任意组合，其已调波的矢量端点当然就不被限制在一个圆上，故QAM调制是既调幅又调相的一种方式。,由16PSK和16QAM已调波矢量端点的星座图可明显看出，16QAM的16个已调波矢量端点不在一个圆上，点间距离较远。解调时，区分相邻已调波矢量容易，故误码率低（与相同点数的PSK相比）；当把坐标原点与各矢量端点连线，可看出各已调波矢量的相位和幅度均有变化.所以说QAM方式的载波是既调幅又调相的。,(1)4QAM的正交调制法,当调制级数比较小时，4QAM比4PSK的优越性还不明显。,其相位与4PSK相同：A路的“1”对应于0相位，A路的“0”则对应于180相位；B路的载波与A路相差90，则B路的“1”对应于90相位，B路的“0”对应于270相位。,A，B两路调制输出经合成电路合成，则输出信号可有四种不同相位，各代表一组AB的组合，即AB二元码组。AB二元码共有四种组合，即00，01，11，10。这四种组合所对应的相位矢量关系如图2-23(a)右部所示。,(1)16QAM的正交调制法,我们首先来分析其调制原理:信息速率为fB的基带数字序列经串/并变换后，在两个正交支路I、Q中都变成两个二进制码，其码元速率为fB/2。在A、B每个支路中，2/4电平变换是按格雷码规律进行的。四电平与二电平码组的对应关系如下表：,可见2/4电平变换电路相当于又一次串/并变换，而使每个支路具有四电平信号，故码速又降低了一半为fB/4。经预滤波限带后，送入相乘器进行抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）。相乘器输出即为抑制载波的四电平调幅信号。同相支路和正交支路的四电平调幅信号在合成器中进行矢量相加，经滤波放大后，即可输出16QAM已调波。,(1)16QAM的正交调制法,如果只画出矢量端点，则如图2-23(b)所示，称为QAM的星座表示。如星座图上有四个星点，则称为4QAM。从星座图上很容易看出：A路的“1”码位于星座图的右侧，“0”码在左侧；而B路的“1”码则在上侧，而“0”码在下侧。星座图上各信号点之间的距离越大抗误码能力越强。,16QAM的解调16QAM的正交调制法,16QAM相干解调器电路的原理方框图示于图2-22（b），其结构与多相PSK解调器类似。,为了将相乘器（解调器）输出的四电平信号变成二进制码，在同相支路和正交支路各设置了三个阈值比较器（因为有4个幅度）。当四电平的某电压值超过某阈值时，则该比较器的输出为高电平，不到最小阈值时，比较器输出为最低电平。三个阈值比较器的输出并行送入逻辑电路，逻辑电路根据输入的不同阈值等级，处理成相应的双比特二电平码，完成4/2电平便换。同相和正交支路的fB/2码流（双比特码元）再经过并/串变换，就可恢复发端速率为fB的基带码。,2.3 时分复用与数字信号的调制与解调,2.3.1 时分复用与数字调制2.3.2 PSK2.3.3 QAM2.3.4 MSK,GMSK2.3.5 调制信号的传输特性,2.3.4 MSK，GMSK,FSK称为数字调频，又称频移键控，它是指载波频率随基带数据信号而变化的一种调制方式。MSK是FSK的一种特例，MSK称为最小频移键控，它是一种恒定包络的调制方式。它是一种功率有效的调制方式。,前面讲的功率有效的调制方式OQPSK调制方式消除了1800的载波相位变化，使它在功率和频带利用方面都优于QPSK，但是却并没有在根本上消除码元间存在的载波相位跃变。MSK缓和了码间相位跃变，降低了频带要求。其主要特点是相邻两码元转换时，载波相位是连续的，频移等于码元速率的1/4；实现自同步比较简单。,其抗非线性的性能要优于QPSK，甚至优于后面将介绍的/4-QPSK，它的带外辐射要比QPSK的带外辐射低。此外为了进一步减小带外辐射，因此在MSK的基础上研究了几种改进型。下面逐一地进行介绍。,2.3.4 MSK,GMSK,12FSK 2FSK是二进制的移频键控，它是用二进制数字信号来控制载波频率，当传送“1”码时输出频率f1；当传送“0”码时输出频率f0。根据前后码元载波相位是否连续，数字调频又可分为相位不连续的移频键控和相位连续的移频键控。图225给出了初相为0、相位连续的2FSK信号波形。,FSK,特点：已调波的频率随着输入基带信号的变化而变化。,由图可见，一个相位不连续的2FSK信号，可以看作是载波频率f1和f0的两个2ASK信号的复合。可利用2ASK信号的功率谱密度求得相位不连续的2FSK信号的功率谱密度（相位连续的2FSK信号的功率谱密度也是如此），如图2-4（c）所示。,图中h为调制指数，它是调频系统的一个重要系数，它与数据调制信号速率fb（=1/Tb）有关，具体关系为由图可以看出，2FSK信号的功率谱密度由两个双边带谱叠加而成。若两个载波频率之差较小，如小于数据调制信号速率fb，则连续谱呈现单峰；如两个载波频率之差较大，会出现双峰。,2最小频移键控MSK,PSK，QAM等调制方式具有相位突变的特点，因而影响已调信号高频分量的衰减。连续相位的移频键控是在传统的频率调制技术的基础上发展起来的种调制方式。在连续相位的移频键控的基础上发展了最小移频键控的调制方式，即MSK方式。MSK方式在功率利用率和频带利用率上均优于2PSK，因此MSK调制方式已广泛运用于地面移动通信和卫星移动通信领域。最小移频键控MSK是相位连续2FSK的一个特例。MSK又称快速移频键控FFSK。,(1)MSK信号,解释：这时，两个频率差是最小的，且保持两个频率正交（两个频率的相关系数为零）（因为MSK信号所选择的两个信号频率f1和f0在一个码元期间的相位积累严格地相差180，所以有2（f1-f0）b=m，令m取最小值1，则f1-f01/2b，这正是MSK信号所要求的频率间隔）。,能使相差半个周期的正弦波产生最大的相位差。MSK信号所选择的两个信号频率f1和f0在一个码元期间的相位积累严格地相差180，即f1和f0信号的波形在一个码元期间恰好差半个周期。可以由下面的公式证明，那么 成立。,已调信号的相位路径是连续的。这一点可以从其相位矢量图（如图2-26）中看出，如果输入码元为“0”时的对应波形为“+1”，而输入码元为“1”时的对应波形为“-1”，那么由图可见，输入“0”码元时，相位将增加/2，而当输入“1”码元时，则相位将减小/2。在图2-27中画出了一个已知输入序列的相位矢量图。可以看出在所获得的相应MSK信号中不存在相位突变的现象。,MSK已调波（h=0.5的调频波）在第K个码元时间内的波形可以表示成：,将(2-16)、(2-16)式代入到(a)式，MSK信号可写成 其中Ik、Qk是与ak-ak-1（设bkak-ak-1，即bk是ak差分编码的相对码）有关的值，并且经分析得知相对码的奇数位赋于Ik，偶数位赋于Qk，所以Ik和Qk时间上相差Tb/2（因为经过了串/并变换）。可见，MSK本来是从FSK引申出来的，但经过正交展开后，又可视为是OQPSK的推广。,MSK信号产生,首先对输入序列 进行差分编码（得到它的相对码bk）；再经过串/并变换，并使同相（I）与正交（Q）通道相互偏移Tb/2，再分别进行加权，然后分别对正交载波cos0t和sin0t进行调制。最后得到两路信号线性相加后的合成波，而每个码元间隔内合成波的振幅为常数。,3GMSK 在邻道间隔很小的场合，例如在移动通信以及卫星移动通信系统中要求邻道干扰小于-6070dB。尽管MSK信号的功率谱特性比QPSK信号有所改善，但仍不能满足要求：相位路径虽然是连续的，但有尖角，所以带外辐射过大，旁瓣较大。为了进一步改善已调信号的功率谱特性，就必须采用GMSK。,GMSK是在MSK之前加上一个高斯滤波器，如图2-29所示。这个滤波器是用来抑制旁瓣输出的，因此要求该滤波器要具有下列特性：(1)带宽窄，可抑制高频分量，具有陡峭的截止特性；(2)冲击响应的过冲较小，可以避免出现过大的瞬时频偏；(3)滤波器输出脉冲的面积保持恒定，即保证调制指数h=0.5。,这样当调制信号（基带数据信号）经过高斯滤波器和MSK调制器之后，就可获得恒包络的GMSK信号，而且可以正交展开，它的相位路径在MSK的基础上进一步得到的改善。但同样也引出了新的问题。GMSK的性能与高斯滤波器（也是低通滤波器）的特性紧密相关。,设高斯滤波器的3dB带宽为B，它与码速率fb的比值是低通滤波器的重要参数，即，该值既可以大1，也可以小于1，下面分别进行介绍：,当 时，则表示高斯滤波器的带宽大于基带数据信号的带宽，可见BTb值愈大，滤波器抑制高频分量的作用愈弱，当BTb时，相当于加高斯滤波器，因此GMSK输出的已调信号就是MSK信号：,当 时，则表示高斯滤波器对对基带数据信号有高频抑制作用，这种抑制作用愈显著，也就是旁瓣被滤除的愈多，如图2-30所示。,从图中可以看出，当BTb0.8时，旁瓣急剧下降，那么对相邻波道的干扰也随之减小，当BTb=0.25时，对相邻波道干扰将低于-60dB，所以通常采用BTb=0.20.25的滤波器，尽管抑制了邻道干扰，但经分析发现，GMSK的未调制基带信号存在码间干扰，其大小与BTb成反比，着当然也会影响其传输性能，因此GMSK的误码性能要比MSK差的原因。,
