3.2-调制与解调技术解析.ppt

3.2 3.2 调制与解调技术调制与解调技术 学习目标学习目标 理解四相移相键控（理解四相移相键控（QPSKQPSK）调制技术）调制技术 理解理解/4/4移位移位QPSKQPSK（/4/4-QPSK-QPSK）调制技术）调制技术 理解高斯最小移频键控（理解高斯最小移频键控（GMSKGMSK）技术）技术 3.2 3.2 调制与解调技术调制与解调技术3.2.1 3.2.1 四相移相键控（四相移相键控（QPSKQPSK）调制）调制 3.2.2/43.2.2/4移位移位QPSKQPSK（/4/4-QPSK-QPSK）调制）调制 3.2.3 3.2.3 高斯最小移频键控（高斯最小移频键控（GMSKGMSK）调制解调技术的宗旨是为了调制解调技术的宗旨是为了使通信系统的抗干扰、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抗衰落性能得到提高并使频率资源得到更充分的利用用。一般在通信系统的发端进行调制，调制后的信。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。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。传输的原始信号。通过调制解调可以实现以下的主要功能：通过调制解调可以实现以下的主要功能：(1)(1)便便于于传传输输：将将所所需需传传送送的的基基带带信信号号进进行行频频谱谱搬移至相应频段的信道上以便于传输；搬移至相应频段的信道上以便于传输；(2)(2)抗抗干干扰扰：调调制制后后具具有有较较小小的的功功率率谱谱占占用用率率（即功率的有效性），从而提升抗干扰能力；（即功率的有效性），从而提升抗干扰能力；(3)(3)提高系统有效性提高系统有效性：单位频带内传送尽可能高：单位频带内传送尽可能高的信息率的信息率(bit/s/Hz)(bit/s/Hz)，即提高频谱有效性。，即提高频谱有效性。按照调制器输入信号的形式，调制可分为按照调制器输入信号的形式，调制可分为模拟模拟调制和数字调制调制和数字调制，而数字调制又分为，而数字调制又分为线性调制技术线性调制技术和恒包络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。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（数字调制技术，包括有缓变调频（TFMTFM）、相干移相）、相干移相键控（键控（CPSKCPSK）、四相移相键控（）、四相移相键控（QPSKQPSK）、高斯最小）、高斯最小移频键控（移频键控（GMSKGMSK）等，数字调制技术具有抗干扰能）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。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，它通过每赫兹每秒比特数接的影响，它通过每赫兹每秒比特数(b/s(b/s hzhz-1-1)决定决定着单物理信道得带宽效率。着单物理信道得带宽效率。3.5 QPSK3.5 QPSK调制调制3.5.1 3.5.1 二相调制二相调制BPSK BPSK 3.5.2 3.5.2 四相调制四相调制QPSK QPSK 3.5.3 3.5.3 偏移偏移QPSKQPSKOQPSKOQPSK3.5.4 /4-QPSK 3.5.4 /4-QPSK 3.5.1 3.5.1 二相调制二相调制BPSKBPSK1.1.二相调制信号二相调制信号S SBPSKBPSK(t 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 3.5.1 二相调制二相调制BPSKBPSK 设二进制的基带信号设二进制的基带信号b b(t t)的波形为双极性的波形为双极性NRZNRZ码码,BPSK,BPSK信号的波形如图信号的波形如图3.223.22所示。所示。3.5.1 3.5.1 二相调制二相调制BPSKBPSK功率谱功率谱 ：BPSK BPSK 信号是一种线性调制，当基带波形为信号是一种线性调制，当基带波形为NRZNRZ码码时，其功率谱如图时，其功率谱如图3.233.23所示。所示。如图，基带波形为如图，基带波形为NRZNRZ码时码时 BPSK BPSK信号有较大的副瓣，信号有较大的副瓣，副瓣的总功率约占信号的总功率副瓣的总功率约占信号的总功率10%10%，带外辐射严重，带外辐射严重 为了减小信号带宽，可考虑用为了减小信号带宽，可考虑用M M进制代替二进制。进制代替二进制。3.5.2 3.5.2 四相调制四相调制QPSKQPSKQPSKQPSK信号信号 在在QPSKQPSK调制中，在要发送的比特序列中调制中，在要发送的比特序列中,每两个相连的比特分为每两个相连的比特分为一组构成一个一组构成一个4 4进制的码元，即双比特码元。双比特码元的进制的码元，即双比特码元。双比特码元的4 4种种状态用载波的四个不同相位状态用载波的四个不同相位(k=k=1,2,3,4)1,2,3,4)表示。这种对应关系叫表示。这种对应关系叫做相位逻辑。例如做相位逻辑。例如 QPSKQPSK信号可以表示为：信号可以表示为：其中其中A A为信号的幅度，为信号的幅度，为载波频率。为载波频率。QPSKQPSK信号产生信号产生 QPSK信号可以用正交调制方式产生。把串行输入的（把串行输入的（a ak k，b bk k）分开进入两个并联的支）分开进入两个并联的支路路I I支路（同相支路）和支路（同相支路）和Q Q支路（正交支路），支路（正交支路），分别对一对正交载波进行调制，然后相加便得到分别对一对正交载波进行调制，然后相加便得到QPSKQPSK信号。信号。QPSKQPSK信号的功率谱和带宽信号的功率谱和带宽正交调制产生正交调制产生QPSKQPSK信号实际上是把两个信号实际上是把两个BPSKBPSK信号相加。信号相加。它们有它们有相同的功率谱相同的功率谱 ，带宽也为，带宽也为B B=R Rb b。频带效率。频带效率B B/R Rb b则提高为则提高为1 1。一个未滤波一个未滤波QPSKQPSK信号的功率谱密度为信号的功率谱密度为式中式中C C为通过为通过1 1 电阻的归一化平均信号功率，电阻的归一化平均信号功率，（式3-1）为比特持续时间。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、滚降系数为性、滚降系数为 (最佳特性时最佳特性时)的频谱成形滤波的频谱成形滤波器，则很容易得到器，则很容易得到QPSKQPSK信号滤波后的频谱，如图信号滤波后的频谱，如图3-83-8所示。所示。图图3-83-8中曲线中曲线(a)(a)是未滤波是未滤波QPSKQPSK频谱，曲线频谱，曲线(b)(b)是带幅度均衡器的滚降系数为是带幅度均衡器的滚降系数为的升余弦函数的的升余弦函数的幅度响应。幅度响应。图图3-8 QPSK3-8 QPSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度QPSKQPSK信号的包络特性和相位跳变信号的包络特性和相位跳变 当基带信号为方波脉冲（当基带信号为方波脉冲（NRZNRZ）时，）时，QPSKQPSK信号具有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的波形,但但 QPSK QPSK信号的包络也不再恒定。信号的包络也不再恒定。QPSKQPSK是一种相位不连续的信号是一种相位不连续的信号,在码元转换的时在码元转换的时刻，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的幅度为180180和和9090。信号包络的恒定特性可以使用非线性（信号包络的恒定特性可以使用非线性（C C类）功类）功率放大器，这种高功率放大器对电池容量有限的移动率放大器，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。的措施就是减小信号相位的跳变幅度。3.5.3 3.5.3 偏移偏移QPSKQPSK（OQPSKOQPSK）把把QPSKQPSK两个正交支路的码元时间上错开两个正交支路的码元时间上错开T Ts s/2=/2=T Tb b，这样每经过，这样每经过T Tb b时间，只有一个支路的符号发生变时间，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化，因此相位的跳变就被限制在9090，减小了信，减小了信号包络的波动幅度。功率谱和带宽效率不变。调制号包络的波动幅度。功率谱和带宽效率不变。调制原理图和相位跳变路径为：原理图和相位跳变路径为：由由OQPSKOQPSK各点波形可以看出，它的包络变化的幅各点波形可以看出，它的包络变化的幅度要比度要比QPSKQPSK小许多，且没有包络零点。由于两个支小许多，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，路符号的错开并不影响它们的功率谱，OQPSKOQPSK信号的信号的功率谱和功率谱和QPSKQPSK相同，因此有相同的带宽效率。相同，因此有相同的带宽效率。与与QPSKQPSK相比，相比，OQPSKOQPSK信号对放大器的非线性不那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。在的功率效率同时不会引起副瓣功率显著的增加。在CDMA/IS95CDMA/IS95中，移动台就使用这种调制方式向基站发中，移动台就使用这种调制方式向基站发送信号。送信号。3.5.4 3.5.4/4-QPSK/4-QPSK 在移动环境下，多径衰落使得相干检测十分在移动环境下，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，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。所以常常希望采用差分检测。为了为了兼顾频带效率、包络波动幅度小和能采兼顾频带效率、包络波动幅度小和能采用差分检测用差分检测，/4-QPSK/4-QPSK是一种很好的折中是一种很好的折中.它的它的相位跳变最大幅度大于相位跳变最大幅度大于OQPSKOQPSK而小于而小于QPSKQPSK，只有，只有4545和和135135，因此信号包络波动幅度大于，因此信号包络波动幅度大于OQPSKOQPSK而小于而小于QPSKQPSK。采用差分编码的采用差分编码的/4-QPSK/4-QPSK就称作就称作/4-DQPSK/4-DQPSK。/4-DQPSK/4-DQPSK信号产生信号产生/4-DQPSK/4-DQPSK可采用正交调制方式产生。其原理图如图可采用正交调制方式产生。其原理图如图3.373.37所示所示 输入数据经串输入数据经串/并变换之后得到同相通道并变换之后得到同相通道I I和正交通道和正交通道Q Q的两的两种非归零脉冲序列种非归零脉冲序列S SI I和和S SQ Q。通过差分相位编码，通过差分相位编码，使得在使得在kTkTsst t(k k+1)+1)T Ts s 时间内，时间内，I I通道的信号通道的信号UkUk和和Q Q通道的信号通道的信号V Vk k发发生相应的变化，再分别进行正交调制之后合成为生相应的变化，再分别进行正交调制之后合成为/4-DQP/4-DQPS SK K信信号。号。(这里这里T Ts s是是S SI I和和S SQ Q的码宽，的码宽，T Ts=2s=2T Tb b。)/4-DQPSK/4-DQPSK信号的相位跳变信号的相位跳变可能的取值有个：可能的取值有个：，由两个彼此，由两个彼此偏移的两个偏移的两个QPSKQPSK星座图构成，相位的跳变总是在星座图构成，相位的跳变总是在这两个星座图之间交替进行，跳变的路径如图这两个星座图之间交替进行，跳变的路径如图3.393.39的虚线所示。的虚线所示。注意：所有的相位路径注意：所有的相位路径都不经过原点（圆心）。都不经过原点（圆心）。这种特性使得信号的包这种特性使得信号的包络波动比络波动比QPSKQPSK要小，即要小，即降低了最大功率和平均降低了最大功率和平均功率的比值。功率的比值。.3.3 最小移频键控最小移频键控MSK MSK 3.3.1 3.3.1 相位连续的相位连续的FSKFSK 3.3.2 MSK3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱信号的相位路径、频率及功率谱3.3.1 3.3.1 相位连续的相位连续的FSK FSK 2FSK2FSK信号信号 设要发送的数据为设要发送的数据为ak=1,码元长度为码元长度为Tb。在一个。在一个码元时间内，它们分别用两个不同频率码元时间内，它们分别用两个不同频率f1,f2的正弦的正弦信号表示，例如信号表示，例如:式中式中 ,定义载波角频率定义载波角频率(虚载波虚载波)为：为：1 1,2 2对对c c 的角频偏为：的角频偏为：定义调制指数h:根根据据a ak k ,h h,T Tb b可可以以重重写写一一个个码码元元内内 2FSK2FSK信信号号表表达达式式:式中式中 称作附加相位。称作附加相位。产生产生2FSK2FSK信号两种不同的方法：开关切换方法（相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），如图位不连续）和调频（相位连续），如图3.33.33.3.1 3.3.1 相位连续的相位连续的FSKFSK 所所谓谓相相位位连连续续是是指指不不仅仅在在一一个个码码元元持持续续期期间间相相位位连连续续，而而且且在在从从码码元元a ak k-1-1到到a ak k转转换换的的时时刻刻kTkTb b，两两个个码码元元的的相相位位也也相等，即相等，即即即这样就要求满足关系式:即要求当前码元的初相位由前一码元的初相位、即要求当前码元的初相位由前一码元的初相位、当前码元当前码元ak和前一码元和前一码元ak-1来决定。来决定。这关系就是这关系就是相位相位约束条件约束条件。这两种相位特性不同的这两种相位特性不同的FSK信号波形如图信号波形如图3.4所所示。示。由图由图3.4可以看出，相位不连续的可以看出，相位不连续的2FSK信号在码元信号在码元交替时刻，波形是不连续的，而交替时刻，波形是不连续的，而CPFSK信号是连续的，信号是连续的，这使得它们的功率谱特性很不同。图这使得它们的功率谱特性很不同。图3.5分别是它们分别是它们的功率谱特性例子。的功率谱特性例子。可以发现，可以发现，在相同的调制指数在相同的调制指数h h情况下，情况下，CPFSKCPFSK的的带宽要比一般的带宽要比一般的2FSK2FSK带宽要窄。这意味着前者的频带带宽要窄。这意味着前者的频带效率要高于后者。效率要高于后者。随着调制指数随着调制指数h h的增加，信号的带宽也在增加。的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数从频带效率考虑，调制指数h h不宜太大。但过小又因不宜太大。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合考虑。当从它们的相关系数以及信号的带宽综合考虑。2FSK2FSK信号的归一化互相关系数可以求得如下（为方便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）：讨论，令它们的初相为零）：通常总是通常总是c cT Tb b =2=2ffc c/f/fb b 1,1,或或c cT Tb b=nn，因此略，因此略去第一项，得到去第一项，得到 -h h关系曲线如图关系曲线如图3.63.6。3.3.最小移频键控最小移频键控 从从图图中中可可以以看看出出，当当调调制制指指数数h h=0.5=0.5，1 1，1.51.5，.时时，=0,=0,即即两两个个信信号号是是正正交交的的，信信号号的的正正交交有有利利于于新新号号的的检检测测。在在这这些些使使=0=0的的参参数数h h最最小小值值为为1/21/2，此此时时在在TdTd给给定定的的情情况况下下，对对应应的的两两个个信信号号的的频频率差率差|f1-f2|f1-f2|有最小值从而使有最小值从而使FSKFSK信号有最小的带宽信号有最小的带宽 h h=0.5=0.5的的CPFSKCPFSK就就称称作作最最小小移移频频键键控控MSKMSK。它它是是在在两个信号正交的条件下，对给定的两个信号正交的条件下，对给定的R Rb b有最小的频差。有最小的频差。3.3.2 MSK3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱信号的相位路径、频率及功率谱由于由于h h=1/2=1/2，MSKMSK的相位约束条件就是的相位约束条件就是由于由于|a ak k-a ak k-1-1|总为偶数，所以初始相位为零时，其后总为偶数，所以初始相位为零时，其后各码元的初相位为各码元的初相位为的整数倍。的整数倍。1.1.相位路径相位路径相位路径的例子如图相位路径的例子如图3.73.7所示，其中初始相位为零。图所示，其中初始相位为零。图中可以看到的取值为中可以看到的取值为0 0，-、-、-、3 3、.（k k=0,1,2=0,1,2.）。3.MSK3.MSK的功率谱的功率谱MSK的功率谱为 式中式中A A为信号的幅度。为信号的幅度。由图可见，由图可见，MSK MSK 信号比一般信号比一般2FSK2FSK信号有更高的带宽效率。信号有更高的带宽效率。功率谱特性如图功率谱特性如图3.83.8所示。为便于比较，图中也给出一般所示。为便于比较，图中也给出一般2FSK2FSK信号的功率谱特性。信号的功率谱特性。3.4 3.4 高斯最小移频键控高斯最小移频键控GMSKGMSK GMSKGMSK是一种恒包络调制方式，可以采用功率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，有利于当时移动电话元（手机）的价格比较低，有利于当时移动电话的普及。的普及。高斯滤波器的传输特性高斯滤波器的传输特性 GMSKGMSK信号的波形和相位路径信号的波形和相位路径 GMSKGMSK信号的调制与解调信号的调制与解调GMSKGMSK功率谱功率谱 尽管尽管MSKMSK信号已具有较好的频谱和误比特率性能，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但仍不能满足功率谱在相邻频道取值(即邻道辐射即邻道辐射)低低于主瓣峰值于主瓣峰值60 dB60 dB以上的要求。以上的要求。这就要求在保持这就要求在保持MSKMSK基本特性的基础上，基本特性的基础上，对对MSKMSK的带外频谱特性进行改进，的带外频谱特性进行改进，使其衰减速度加快。使其衰减速度加快。MSKMSK信号可由信号可由FMFM调制器来产生，调制器来产生，由于输入二进制由于输入二进制非归零脉冲序列具有较宽的频谱，非归零脉冲序列具有较宽的频谱，从而导致已调信从而导致已调信号的带外衰减较慢。号的带外衰减较慢。如果将输入信号经过滤波以后如果将输入信号经过滤波以后再送入再送入FMFM调制，调制，必然会改善已调信号的带外特性。必然会改善已调信号的带外特性。3.4.1 3.4.1 高斯滤波器的传输特性高斯滤波器的传输特性GMSKGMSK就是就是基带信号基带信号经过经过高斯低通滤波器高斯低通滤波器的的MSKMSK，如，如图图3.93.9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。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