调制与解调技术课件.ppt

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1、3.2 调制与解调技术,学习目标 理解四相移相键控（QPSK）调制技术 理解/4移位QPSK（/4-QPSK）调制技术 理解高斯最小移频键控（GMSK）技术,3.2 调制与解调技术,3.2.1 四相移相键控（QPSK）调制 3.2.2 /4移位QPSK（/4-QPSK）调制 3.2.3 高斯最小移频键控（GMSK）,调制解调技术的宗旨是为了使通信系统的抗干扰、抗衰落性能得到提高并使频率资源得到更充分的利用。一般在通信系统的发端进行调制，调制后的信号称为已调信号。 解调制或解调：接收机端要将已调信号还原成要传输的原始信号。,通过调制解调可以实现以下的主要功能： (1)便于传输：将所需传送的基带信

2、号进行频谱搬移至相应频段的信道上以便于传输； (2)抗干扰：调制后具有较小的功率谱占用率（即功率的有效性），从而提升抗干扰能力； (3)提高系统有效性：单位频带内传送尽可能高的信息率(bit/s/Hz)，即提高频谱有效性。,按照调制器输入信号的形式，调制可分为模拟调制和数字调制，而数字调制又分为线性调制技术和恒包络调制技术。目前的移动通信系统都是采用数字调制技术，包括有缓变调频（TFM）、相干移相键控（CPSK）、四相移相键控（QPSK）、高斯最小移频键控（GMSK）等，数字调制技术具有抗干扰能力强、易于加密、语音间隙噪声小等优点。 调制技术的选择对数字蜂窝移动系统的容量有直接的影响，它通过每

3、赫兹每秒比特数(b/shz-1)决定着单物理信道得带宽效率。,3.5 QPSK调制,3.5.1 二相调制BPSK 3.5.2 四相调制QPSK 3.5.3 偏移QPSKOQPSK3.5.4 /4-QPSK,3.5.1 二相调制BPSK,1.二相调制信号SBPSK(t),在二进制相位调制中，二进制的数据bk=1可以用相位不同取值表示，例如,其中,由于,，所以BPSK信号一般也可以表示为,3.5.1 二相调制BPSK,设二进制的基带信号b(t)的波形为双极性NRZ码,BPSK信号的波形如图3.22所示。,3.5.1 二相调制BPSK,功率谱,：BPSK 信号是一种线性调制，当基带波形为NRZ码时，

4、其功率谱如图3.23所示。,如图，基带波形为NRZ码时 BPSK信号有较大的副瓣，副瓣的总功率约占信号的总功率10%，带外辐射严重 为了减小信号带宽，可考虑用M进制代替二进制。,3.5.2 四相调制QPSK,QPSK信号,在QPSK调制中，在要发送的比特序列中,每两个相连的比特分为一组构成一个4进制的码元，即双比特码元。双比特码元的4种状态用载波的四个不同相位(k=1,2,3,4)表示。这种对应关系叫做相位逻辑。例如,QPSK信号可以表示为：,其中A为信号的幅度，,为载波频率。,QPSK信号产生,QPSK信号可以用正交调制方式产生。,把串行输入的（ak，bk）分开进入两个并联的支路I支路（同相

5、支路）和Q支路（正交支路），分别对一对正交载波进行调制，然后相加便得到QPSK信号。,QPSK信号的功率谱和带宽,正交调制产生QPSK信号实际上是把两个BPSK信号相加。它们有相同的功率谱 ，带宽也为B=Rb。频带效率B/Rb则提高为1。,一个未滤波QPSK信号的功率谱密度为,式中C为通过1电阻的归一化平均信号功率，,为比特持续时间。,假定调制器中使用了具有升余弦函数均方根特性、滚降系数为 (最佳特性时)的频谱成形滤波器，则很容易得到QPSK信号滤波后的频谱，如图3-8所示。 图3-8中曲线(a)是未滤波QPSK频谱，曲线(b)是带幅度均衡器的滚降系数为的升余弦函数的幅度响应。,图3-8 QP

6、SK信号的功率谱密度,QPSK信号的包络特性和相位跳变,当基带信号为方波脉冲（NRZ）时，QPSK信号具有恒包络特性。由升余弦滤波器形成的基带信号是连续的波形,但 QPSK信号的包络也不再恒定。QPSK是一种相位不连续的信号,在码元转换的时刻，信号的相位发生跳变。通过星座图可以看出跳变的幅度为180和90。,信号包络的恒定特性可以使用非线性（C类）功率放大器，这种高功率放大器对电池容量有限的移动用户设备有重要意义；而非恒定包络信号对非线性放大很敏感，它会通过非线性放大而使功率谱的副瓣再生，因此应当设法减小信号包络的波动幅度，所采取的措施就是减小信号相位的跳变幅度。,3.5.3 偏移QPSK（O

7、QPSK）,把QPSK两个正交支路的码元时间上错开Ts/2=Tb，这样每经过Tb时间，只有一个支路的符号发生变化，因此相位的跳变就被限制在90，减小了信号包络的波动幅度。功率谱和带宽效率不变。调制原理图和相位跳变路径为：,由OQPSK各点波形可以看出，它的包络变化的幅度要比QPSK小许多，且没有包络零点。由于两个支路符号的错开并不影响它们的功率谱，OQPSK信号的功率谱和QPSK相同，因此有相同的带宽效率。 与QPSK相比，OQPSK信号对放大器的非线性不那么敏感，信号的动态范围比较小，因此可以有较高的功率效率同时不会引起副瓣功率显著的增加。在CDMA/IS95中，移动台就使用这种调制方式向基

8、站发送信号。,3.5.4 /4-QPSK,在移动环境下，多径衰落使得相干检测十分困难，而且往往导致工作性能比非相干检测更差，所以常常希望采用差分检测。 为了兼顾频带效率、包络波动幅度小和能采用差分检测，/4-QPSK是一种很好的折中.它的相位跳变最大幅度大于OQPSK而小于QPSK，只有45和135，因此信号包络波动幅度大于OQPSK而小于QPSK。 采用差分编码的/4-QPSK就称作/4-DQPSK。,/4-DQPSK信号产生,/4-DQPSK可采用正交调制方式产生。其原理图如图3.37所示,输入数据经串/并变换之后得到同相通道I和正交通道Q的两种非归零脉冲序列SI和SQ。 通过差分相位编码

9、， 使得在kTst(k+1)Ts 时间内， I通道的信号Uk和Q通道的信号Vk发生相应的变化，再分别进行正交调制之后合成为/4-DQPSK信号。 (这里Ts是SI和SQ的码宽，Ts=2Tb。),/4-DQPSK信号的相位跳变,可能的取值有个： ，由两个彼此偏移的两个QPSK星座图构成，相位的跳变总是在这两个星座图之间交替进行，跳变的路径如图3.39的虚线所示。,注意：所有的相位路径都不经过原点（圆心）。这种特性使得信号的包络波动比QPSK要小，即降低了最大功率和平均功率的比值。,.3 最小移频键控MSK,3.3.1 相位连续的FSK 3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱,3.3.1

10、相位连续的FSK,2FSK信号,设要发送的数据为ak=1,码元长度为Tb。在一个码元时间内，它们分别用两个不同频率f1, f2的正弦信号表示，例如:,式中,定义载波角频率(虚载波) 为：,1, 2对c 的角频偏为：,定义调制指数h:,根据ak ,h ,Tb可以重写一个码元内 2FSK信号表达式:,式中,称作附加相位。,产生2FSK信号两种不同的方法：开关切换方法（相位不连续）和调频（相位连续），如图3.3,3.3.1 相位连续的FSK,所谓相位连续是指不仅在一个码元持续期间相位连续，而且在从码元ak-1到ak转换的时刻kTb，两个码元的相位也相等，即,即,这样就要求满足关系式:,即要求当前码元

11、的初相位由前一码元的初相位、当前码元ak和前一码元ak-1来决定。 这关系就是相位约束条件。 这两种相位特性不同的FSK信号波形如图3.4所示。,由图3.4可以看出，相位不连续的2FSK信号在码元交替时刻，波形是不连续的，而CPFSK信号是连续的，这使得它们的功率谱特性很不同。图3.5分别是它们的功率谱特性例子。,可以发现，在相同的调制指数h情况下，CPFSK的带宽要比一般的2FSK带宽要窄。这意味着前者的频带效率要高于后者。 随着调制指数h的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数h不宜太大。但过小又因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测。所以应当从它们的相关系数以及信号的带宽综

12、合考虑。,2FSK信号的归一化互相关系数可以求得如下（为方便讨论，令它们的初相为零）：,通常总是cTb =2fc/fb 1,或cTb=n，因此略去第一项，得到,-h关系曲线如图3.6。,3.最小移频键控,从图中可以看出，当调制指数h=0.5，1，1.5，.时，=0, 即两个信号是正交的，信号的正交有利于新号的检测。在这些使=0的参数h最小值为1/2，此时在Td给定的情况下，对应的两个信号的频率差|f1-f2|有最小值从而使FSK信号有最小的带宽 h=0.5的CPFSK就称作最小移频键控MSK。它是在两个信号正交的条件下，对给定的Rb有最小的频差。,3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱

13、,由于h=1/2，MSK的相位约束条件就是,由于|ak-ak-1|总为偶数，所以初始相位为零时，其后各码元的初相位为的整数倍。,1.相位路径,相位路径的例子如图3.7所示，其中初始相位为零。图中可以看到的取值为0，-、-、-、3、.（k=0,1,2.）。,3.MSK的功率谱,MSK的功率谱为,式中A为信号的幅度。,由图可见，MSK 信号比一般2FSK信号有更高的带宽效率。,功率谱特性如图3.8所示。为便于比较，图中也给出一般2FSK信号的功率谱特性。,3.4 高斯最小移频键控GMSK,GMSK是一种恒包络调制方式，可以采用功率效率高而便宜的非线性功率放大器，这使用户单元（手机）的价格比较低，有

14、利于当时移动电话的普及。,高斯滤波器的传输特性 GMSK信号的波形和相位路径 GMSK信号的调制与解调GMSK功率谱,尽管MSK信号已具有较好的频谱和误比特率性能， 但仍不能满足功率谱在相邻频道取值(即邻道辐射)低于主瓣峰值60 dB以上的要求。 这就要求在保持MSK基本特性的基础上， 对MSK的带外频谱特性进行改进， 使其衰减速度加快。MSK信号可由FM调制器来产生， 由于输入二进制非归零脉冲序列具有较宽的频谱， 从而导致已调信号的带外衰减较慢。 如果将输入信号经过滤波以后再送入FM调制， 必然会改善已调信号的带外特性。,3.4.1 高斯滤波器的传输特性,GMSK就是基带信号经过高斯低通滤波

15、器的MSK，如图3.9,高斯低通滤波器的冲击响应为,(2 - 44),式中， Bb为高斯滤波器的3 dB带宽。,(2 - 45),(2 - 46),当BbTb取不同值时， g(t)的波形如图 2 - 12 所示。,该滤波器对单个宽度为Tb的矩形脉冲的响应为,图 2 - 12 高斯滤波器的矩形脉冲响应,(2 - 47),GMSK的相位轨迹如图 2 - 13 所示。,GMSK的信号表达式为,图 2 - 13 GMSK的相位轨迹,(2 - 48),从图 2 - 12 和图 2 - 13 可以看出， GMSK通过引入可控的码间干扰(即部分响应波形)来达到平滑相位路径的目的， 它消除了MSK相位路径在码

16、元转换时刻的相位转折点。 从图中还可以看出， GMSK信号在一码元周期内的相位增量， 不像MSK那样固定为/2， 而是随着输入序列的不同而不同。 由式(2 - 47)可得,(2 - 49),式中,尽管g(t)在理论上是在-t+范围内取值， 但实际中需要对g(t)进行截短， 仅取(2N+1)Tb 区间， 这样可以证明(t)在码元转换时刻的取值(kTb)是有限的，在当前码元内的相位增量(t)仅与(2N+1)个比特有关， 因此(t)的状态是有限的。 这样我们就可以事先制作cos (t)和sin (t)两张表， 根据输入数据读出相应的值， 再进行正交调制就可以得到GMSK信号， 如图 2-14 所示。

17、,图 2 - 14 波形存储正交调制法产生GMSK信号,GMSK信号的功率谱密度如图215所示。从图中可以看出，随着BbTb的减小，功率谱衰减明显加快。在GSM系统中，要求在(f-fc)Tb=1.5时功率谱密度低于60dB，从图215中可以看出，BbTb =0.3时GMSK的功率谱即可满足GSM的要求。,图 2 - 15 GMSK的功率谱密度,当BbTb取不同的值时，GMSK信号在相邻信道的带外辐射功率与本信道内的总功率之比如图2-16所示。由图可见，在BbTb一定时，f Tb越大则邻道干扰越小。在频道间隔fTb一定时， BbTb越小则邻道干扰越小。例如，数据速率1/Tb=16kb/s,频道间隔f =25/16=1.56。从图2-16可以查得在BbTb=0.3时，邻道干扰为-80dB； BbTb=0.25时为-70dB。,图 2 - 16 GMSK信号对邻道的干扰功率,