3.2 调制与解调技术.ppt

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1、3.2 3.2 调制与解调技术调制与解调技术 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 3.2 调制与解调技术调制与解调技术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：(

2、1)便于传输：将所需传送的基带信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。3.2.13.2.1四相移相键控（四相移相键控（QPSKQPSK）调制）调制 QPSK技术应用广泛，是一种正交相移键控。图3-5为传统QPSK调制器框图.图3-5 QPSK调制器其基本工作原理如下：比特率为fb的输入单级二进制码流通过串/并(S/P)变转换器转换成比特率为fs=fb/2的两个比特流(同相和正交码流)。单双(U/B)变换器把两个比特流

3、变换成两个双极二进制信号，之后通过频谱形成滤波器，再被同相和正交载波调制。其中调制使用了双边带载波抑制幅度调制(DSS-SC-AM)技术。两个已调信号合成产生一个QPSK信号。QPSK信号在调制器输出端滤波以进一步限制其功率谱，阻止其溢出至邻信道，也可滤除调制过程中的带外寄生信号，图3-6为相干QPSK解调器框图。图3-6 相干QPSK解调器 图3-6为相干QPSK解调器框图。输入带通滤波器滤除带外噪声和邻道干扰，滤波器输出端信号分成两部分，分别用同相和正交载波相干解调，之后两路信号通过低通滤波、1比特模拟数字(AD)转换器再生出同相和正交基带信号。这两个信号流通过一个并/串(P/S)变换器再

4、组合形成最初的比特流。图3-6中载波恢复环路提供与接收未调信号同步的同相正交载波。大多数实际的载波恢复电路在恢复载波过程中将产生一个相位模糊度。对QPSK系统很可能出现四相位模糊，产生严重的误比特率。为清除相位模糊，可在调制器中使用差分编码器，在解调器中使用差分解码器。图3-7给出了差分QPSK解调器框图。图3-7 QPSK差分解调器框图 一个未滤波QPSK信号的功率谱密度为式中为通过电阻的归一化平均信号功率，（式3-1）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

5、)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，曲线(c)是已滤波QPSK频谱只存在加性高斯白噪声(AWGN)，且无符号间干扰(ISI)时的幅度响应。图3-8 QPSK信号的功率谱密度由图3-8可知QPSK信号带宽为故谱效率为（式3-2）可见，最小带宽情况，即 时，QPSK系统的理论谱效率为2bit/s/Hz。目前的技术可使实际滤波器的滚降系数降到，则谱效率实际可达17bit/s/Hz左右。3.2.2/43.2.2/4移位移位QPSK(/4-QPSK)QPSK(/4-QPSK)调制调制 /4 移位QPSK技术是在QPSK基础上通过载波相位移动/4和3/4得到

6、的。主要优点:它可使用非相干检测(差分检测或FM鉴频器)，用低复杂性的接收机就可完成。而且，当存在多径衰落时，它的工作性能优。同QPSK相比，包络起伏比较小(它的最大相变为1350)，故有较好的输出谱特性。/4移位QPSK的信号元素可看成是从两个彼此相移/4的信号星座图中交替选样出来的。/4移位QPSK调制器框图示于图3-9。输入比特流经串/并(S/P)变换器转换成两个并行流(ak，bk),并行流的符号率为输入比特流的一半。图3-9 /4移位QPSK和 /4CTPSK调制器信号映射电路输出端的第k个同相和正交脉冲由它的前一个脉冲电平Ik-1、Qk-1及输入符号ak、bk决定。（式3-3）（式3

7、-4）而ak、bk反过来与已调信号的相位变化有关，如表3-3，该调制器的其它部分同QPSK调制器。表3-3 /4QPSK系统相移与信息比特关系7/45/43/4/4 相移Qk1 01 10 10 0信息比特ak bk /4移位QPSK的解调可用下面差分检测方法之一实现。(1)基带差分检测：该方法的差分解码是在已恢复的同相和正交基带信号上进行的，如图3-10所示。它须使用本机振荡器，但不需相位相干检测因为相位误差已在基带差分检测中去掉。图3-10 基带差分检测器 (2)中频差分检测：图3-11为/4移位QPSK中频差分检测器框图。差分解码是在接收的中频信号上完成的，使用了一个延迟线和两个乘法器。

8、该方案的优点是不需本机振荡器。为使符号间干扰和噪声影响减至最小，其中BPF和LPF的带宽选为0.57/T。图3-11 中频差分检测器 (3)限幅FM鉴频器检测：如图3-12所示。FM鉴频器提取接收信号的瞬时频偏。积分-泄放电路对每一符号持续期上的频偏积分，积分取两个抽样瞬相位差。最后，用4-电平门限比较器检测输出相位差。图3-12 限幅FM鉴频检测器 若存在同波道干扰和高斯噪声时，可通过适当选取电路元器件，使以上三种方案的性能相同。3.2.3 高斯最小移频键控(GMSK)GMSK是一种恒包络调制方案，其优点是能在保持谱效率的同时维持相应的同波道和邻波道干扰，且包络恒定，所以可用简单高效的C类放

9、大器实现。GMSK的基本原理是:基带信号先经过高斯滤波器成形，再进行最小移频键控调制(MSK)。MSK是二进制连续相位移频键控(FSK)的一个特例，而GMSK主要是改进了它的带外特性，使衰减速度加快。MSK调制器可用压控振荡器(VCO)或正交形式实现(如图3-13所示)，解调器可用相干检测实现,也可用非相干检测实现,如一比特差分检测和二比特差分检测等。图3-13 MSK调制器 GMSK调制器的一个简单实现方法就是用带调制前加高斯成形LPF，用VCO来实现，如图3-14所示，由图可见，VCO输出已调波的频谱由LPF的特性来决定，LPF的输出直接对VCO调频，以保持已调波包络恒定和相位连续。图3-

10、14 GMSK调制器 为滤波器3dB带宽，（式3-5）LPF的脉冲响应函数为式中 为比特持续时间。然而，由于VCO的线性和灵敏度受到限制，要使中心频率精确地保持在规定值上，是很困难的。为克服此缺点，可选用锁相环(PLL)型GMSK调制器，如图3-15所示，其中/2相移BPSK调制器确保每个码元的相位变化为/2，锁相环对BPSK的相位突跳进行平滑，以使码元转换点相位连续，且无尖角。该调制器的关键是要设计好PLL的传输函数，以满足输出功率谱特性的要求。图3-15 PLL型GMSK调制器 GMSK的解调可采用类似于MSK方式的正交相干解调技术，也可使用非相干检测解调技术，如差分解调和鉴频器解调等。泛欧数字蜂窝移动通信系统(GSM)采用了的GMSK调制。该系统突发信号速率为270Kbit/s,带宽为200KHz,带宽效率为1.356bit/s/Hz。