通信原理简明教程（第2版） 第八章 现代数字调制技术 2007年12月1 通信原理简明教程（第2版） 1.通信的理想目标标和环环境： p通信的理想目标： 在任何时候、在任何地方、与任何人都能及 时沟通联系和交流信息 p通信的环境： 非常复杂，面临各种干扰和电波传播影响 n电波传播的衰耗 n多径衰落 信号在无线传播过程中，经过多点反射，从 多条路径到达接收端，这种多径信号的幅度、相位 和到达时间都不一样，这样造成的信号衰落称为多 径衰落 引言 Date2 通信原理简明教程（第2版） p抗干扰扰性（电电波传传播影响、多径衰落） p已调调信号带宽带宽 p使用、成本因素 p好的数字调制方式应有的特点 n低信噪比下具有良好的误码性能 n良好的抗多径衰落能力 n较小带宽 n使用方便、成本低 2.数字调制方式应考虑的因素： Date3 通信原理简明教程（第2版） 3.数字调制方式的分类 p单载波调制： 某一时刻调制只使用单一载波 n恒定包络调制 pFSK、PSK pOQPSK、/4-QPSK、MSK、GMSK n不恒定包络调制 pASK pQAM p多载波调制： 某一时刻调制使用多个载波 nOFDM Date4 通信原理简明教程（第2版） 本章目录 p8.1 偏移四相相移键控（OQPSK） p8.2 /4四相相移键控（/4-QPSK） p8.3 最小频移键控（MSK） p8.4 高斯最小频移键控（GMSK） p8.5 正交幅度调制（QAM） p8.6 正交频分复用（OFDM） Date5 通信原理简明教程（第2版） 8.1 偏移四相相移键控（OQPSK） pQPSK在数字调制下的问题 n调制信号带宽为无穷宽，而实际的信道 带宽总是有限的。 n码组中两个比特同时变化时有相位翻转 现象，引起包络起伏。 n包络起伏会导致频谱扩散，增加邻信道 干扰。 p为了克服QPSK调制已调信号带宽无穷宽、包 络起伏、频谱扩散的问题，消除QPSK调制下相 位翻转现象，在QPSK的基础上提出了OQPSK 。 Date6 通信原理简明教程（第2版） QPSK调制的原理 p正交调制方法 n对数据进行串/并变换，将二进制数据每 两个比特分为一组。一共有四种组合（1，1 ）、（1，-1）、（-1，1）和（-1，-1）。 n每组前一比特为同向分量I，后一比特 为正交分量Q。 n利用同向分量、正交分量分别对两个正 交的载波进行2PSK调制，最后将结果叠加 。 Date7 通信原理简明教程（第2版） QPSK调制和OQPSK调制的相位图 如图(a)所示，QPSK信号的相位在4种可 能的相位上跳变，跳变量可能为/2或。当跳 变量为时发生相位翻转，引起最大包络起伏。 Date8 通信原理简明教程（第2版） OQPSK调制表达式 其中I(t)表示同相分量 ； 表示正 交分量，它相对于同相分量偏移Ts/2 。 由于同相分量和正交分量不能同时发生变化， 相邻一个比特信号的相位只可能发生/2的变化。 从而消除了相位翻转的现象。 Date9 通信原理简明教程（第2版） OQPSK的I、Q信道波形及相位路径 消除了相位翻转现象后，OQPSK信号中包络的最大值与最小 值之比约为 ，不再有很大的包络起伏。 Date10 通信原理简明教程（第2版） OQPSK的调制、解调原理 Date11 通信原理简明教程（第2版） OQPSK和QPSK的比较 p均采用相干解调，理论上误码性能相同 。 p频带受限的OQPSK信号包络起伏比频带 受限的QPSK信号的小，经限幅放大后功率 谱展宽的少，所以OQPSK的性能优于 QPSK。 p实际中，OQPSK比QPSK应用更广泛 。 pOQPSK信号不能接受差分检测，接收机 的设计比较复杂。 Date12 通信原理简明教程（第2版） 8.2/4四相相移键控（/4-QPSK ） /4-QPSK调制是对OQPSK和QPSK在最 大相位变化上进行折衷，是在QPSK和OQPSK 基础上发展起来的。 p与QPSK和OQPSK相比的优势 n最大相位改变为45或135 ，比QPSK相 位变化小，改善了功率谱特性。 n改进了解调方式。QPSK和OQPSK只能采用相 干解调， /4-QPSK可以采用相干解调和非相干解 调。 n功率效率高，抗干扰能力强。能有效地提高频 谱利用率，增大系统容量。 Date13 通信原理简明教程（第2版） /4-QPSK调制信号的相位点 p已调信号的相位被均匀地分配为相距/4的8个 相位点，如下图： p8个相位点分为两组，每组中各相位点相距/2 。 p已调信号只能在不同组之间交替跳变，相位跳 变值只有45和135四种取值 。 Date14 通信原理简明教程（第2版） 设已调信号为 分析 式中， 为 kTt(k+1)T 间的附加相位。 将上式展开，得到 其中， 为是前一码元附加相位 与当前码元相位 跳变量 之和，可表示为： Date15 通信原理简明教程（第2版） 设当前码元的两正交信号分别表示为 令前一码元的两正交信号为 Ik-1= cosk-1，Qk-1= sink-1 则当前码元信号可表示为 由此可知，当前码元的信号（Ik，Qk）不仅与当前码元 相位跳变量有关，还与前一码元的信号（Ik-1，Qk-1）有 关，即与信号变换电路的输入码组有关。 Date16 通信原理简明教程（第2版） 双比特信息Ik , Qk和相邻码元之间相位跳变 之间的关系 由表可见，码元转换时刻的相位跳变量只有/4和 3/4共4种取值，不可能产生如QPSK信号的相位跳 变，从而使得信号的频谱特性得到较大改善。 Ik , Qk与 的对应关系 Date17 通信原理简明教程（第2版） /4-QPSK信号的产生 同相分量Ik 和正交分量Qk 通过脉冲成形滤波器后，分别形 成进入QPSK调制器的同相分量I(t)和正交分量Q(t) ，然后 对两个相互正交的载波调制，产生/4-QPSK信号。 调制前，二元信息经过串/并变换分成两路，再经过电平 变换形成同相分量Ik 和正交分量Qk ，这里的电平变换又 称为信号映射。 Date18 通信原理简明教程（第2版） 全数字式/4-QPSK调制器 Date19 通信原理简明教程（第2版） 全数字式/4-QPSK调制器 载波信号发生器将产生相位为0、/4、/2、7/4等8 种载波信号，固定送给相位选择器D0、D1、，D7。 地址码发生器由编码电路和延迟电路组成，编码器完成 双比特Ik、Qk输入和3比特Ak、Bk、Ck输出之间的转换，延迟 电路完成相对码变换。 3比有8种取值，每种取值对应控制8选1相位选择器， 把所需的载波选取出来，再经滤波器形成/4-QPSK输出信号。 由于信息包含在两个抽样瞬间的载波相位差之中，故解 调时只需检测这个相位差。这种解调器具有电路简单，工作 稳定，易于集成等特点。 Date20 通信原理简明教程（第2版） /4-QPSK非相干差分延迟解调 优点在于不需要载波提取，可简化接收机设计。且在存 在多径衰落时，性能优于OQPSK。 Date21 通信原理简明教程（第2版） 8.3 最小频移键控（MSK ） 最小频移键控（MSK）是2FSK的改进 ，它是二进制连续相位频移键控的一种特殊情况 。 本节内容提要 p引言 p8.3.1 MSK信号的正交性 p8.3.2 MSK信号的相位连续性 p8.3.3 MSK信号的产生与解调 p8.3.4 MSK信号的功率谱特性 Date22 通信原理简明教程（第2版） 引言 pFSK的不足之处 n频带利用率低。所占频带宽度比2PSK大。 n存在包络起伏。用开关法产生的2FSK信号其 相邻码元的载波波形的相位可能不连续，会出现包 络的起伏。 n2FSK信号的两种波形不一定保证严格正交。 pMSK信号的特点 nMSK信号的包络恒定不变。 nMSK是调制指数为0.5的正交信号，频率偏移 等于（1/4Ts）Hz。 nMSK波形的相位在码元转换时刻是连续的 nMSK波形的附加相位在一个码元持续时间内 线性地变化/2 。 Date23 通信原理简明教程（第2版） 8.3.1 MSK信号的正交性 MSK信号可以表示为 , 式中， 表示载频； 表示相对载频的频偏 ； 表示第k个码元的起始相位；ak=1是数字基带信号 ； 称为附加相位函数，它是除载波相位之外的附加 相位。 Date24 通信原理简明教程（第2版） 当ak = +1时，信号频率为 当ak = -1时，信号频率为 因此可计算出频差为 即最小频差等于码元传递速率的一半。 对应的调制指数为 Date25 通信原理简明教程（第2版） 8.3.2 MSK信号的相位连续性 根据相位 的连续条件，要求在 时满足 可以得到 可见，MSK信号在第k个码元的起始相位不仅与当 前的 有关，还与前面的 和 有关。 Date26 通信原理简明教程（第2版） 为简便起见，设第一个码元的起始相位为0，则 或 以下讨论在每个码元间隔Ts内相对于载波相位的附加相 位函数的变化 由 可知， 是MSK信号的总相位减去 随时间线性增长的载波相位得到的剩余相位，它是一个直线 方程式。 在一个码元间隔内 当 时， 增大 当 时， 减小 （MSK 相位网格图 ） Date27 通信原理简明教程（第2版） 例8-1 已知载波频率fc=1.75/Ts，初始相位 。 解：(1)当ak =- 1时，信号频率f1为 当ak =+1时，信号频率f2为 (2)最小频差 它等于码元传递速率的一半。 (1)当数字基带信号ak=1时，MSK信号的两个频率f1和f2 分别是多少？ (2)对应的最小频差及调制指数是多少？ (3)若基带信号为 +1 - 1 -1 +1 +1 +1 ，画出相应的MSK信 号波形。 Date28 通信原理简明教程（第2版） 调制指数为 (3)根据以上计算结果，可以画出相应的MSK波形 “+1”和“ - 1”对应MSK波形相位在码元转换时刻是连续的， 而且在一个码元期间所对应的波形恰好相差1/2载波周期。 Date29 通信原理简明教程（第2版） 8.3.3 MSK信号的产生与解调 考虑到 , 或 ，MSK信号可以用两个正 交分量表示为 式中， 为同相分量； 为正交分量 。 由此可以得到MSK信号的产生框图。 Date30 通信原理简明教程（第2版） MSK信号的产生方框图 图中输入数据序列为ak，它经过差分编码后变成序列ck 。 经过串/并转换，将一路延迟Ts，得到相互交错一个码元宽度的两 路信号Ik和Qk。 加权函数 和 分别对两路数据信号Ik和Qk进行 加权，加权后的两路信号再分别对正交载波 和 进行 调制，调制后的信号相加再通过带通滤波器，就得到MSK信号。 Date31 通信原理简明教程（第2版） MSK解调 p由于MSK信号是一种FSK信号，所以它可以采用相干 解调和非相干解调。 MSK信号经带通滤波器滤除带外噪声，然后借助正交的相干载波与 输入信号相乘，将Ik和Qk两路信号区分开，再经低通滤波后输出。同 相支路