fn DPSK调制原理 差分相移键控（DPSK）是利用相邻二个码元的载波信号初始相位的相对变化来表示所传输的码元。 例如，在二进制中传输“1”码时，则与此码元所对应的载波信号初始相位相对于前一码所对应的载波信号初始相位有 或弧度的变化;，传输“0”码时，与此码元所对应的载波信号的初始相位相对于前一码元所对应的载波信号初始相位无变化（“1变0不变” ）；当然反过来也是可以的。 2 二进制差分相移键控（DPSK）f 2 二进制差分相移键控（DPSK）初相为0相初相为相相位差与初相无关表：数字信息序列与已调载波相位关系表41 数字码元1011001012PSK000 0010 0 002 00000 0已调载波每个码元的相位2DPSK 0 000（1）1001000110相对码（2）0110111001o 举例 若定义为2DPSK方式下本码元初相与前一码元初相之差，并设相“1”、 0相“0”，为了比较，设2PSK方式下相“0”、 0相“1”，则数字信息序列与2PSK、2DPSK信号的码元相位关系如表所示。 初相为0相初相为相f2 二进制差分相移键控（DPSK）（续）f2 二进制差分相移键控（DPSK）（续）n DPSK调制原理 2DPSK同样存在A、B方式矢量图，图中虚线表示的参考矢量代表前一个码元已调载波的相位。B方式下，每个码元的载波相位相对于参考相位可取 ，所以其相邻码元之间必然发生载波相位的跳变，接收端可以据此确定每个码元的起止时刻（即提供码元定时信息），而A方式却可能存在前后码元载波相位连续。00 参考矢量0参考矢量 图 二相移相信号矢量图（a）方式A (b)方式Bf2 二进制差分相移键控（DPSK）（续）n 2DPSK信号的产生 在2PSK方式中，由于解调过程中会出现“倒”现象，即相位模糊现象（相干接收PSK信号需要提供稳定的本地载波，它的初始相位是0相或是相，完全是随机的，因此很可能使相干载波与接收到的信号载波反相，于是恢复出与发送码元相反的码序列)。因此，在实际中经常采用2DPSK方式。 用源码序列 对载波进行相对（差分）相移键控，等效于将源码序列 转换为差分码形式 ，之后对载波进行绝对相移键控。 绝对码和相对码之间的关系为 2DPSK信号的功率谱密度和带宽相同于2PSK信号的功率谱密度和带宽2PSK(bk)2DPSK(ak)2PSK调制f2 二进制差分相移键控（DPSK）（续）n 2DPSK信号的解调n 相干解调（同步检测法或极性比较法） bk 1 1 0 0 1 0ak 0 0 1 0 1 1b(t)c(t)d(t)cp(t)e(t)f(t)a-aa(t)信息代码（发ak） 011100设bk-1=1；2PSK方式下：相“0” 0相“1”cp(t)abcedfakbk-1 2PSK解调码反变换bkBPF载波同步LPF抽样判决位同步TS已调2DPSK信号2 二进制差分相移键控（DPSK）（续）n 差分相干解调（相位比较法） acdebcp(t)BPFTsLPF抽样判决位同步已调2DPSK信号001100011a(t)b(t)c(t)d(t)cp(t)e(t)信息代码（发ak）设bk-1=1；则：bk 1 1 0 1 1相“0” 0相“1”2PSK方式下:n 举例：DPSK调制、解调过程 设源码序列为 = ，假设无传输差错 恢复1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 11 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 00 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 11 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 14 四相相移键控（QPSK）n 多进制数字调制的概念、特点 n 用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率和相位，称为多进制数字调制。分为多进制数字振幅调制、多进制数字频率调制以及多进制数字相位调制三种基本方式。n 多进制数字调制系统的特点w 在相同的码元传输速率下（此时多元频带调制信号占在相同的码元传输速率下（此时多元频带调制信号占用与二元信号相等带宽用与二元信号相等带宽 ，多进制数字调制系统的信息，多进制数字调制系统的信息传输速率高于二进制数字调制系统传输速率高于二进制数字调制系统, ,因此提高了信道带因此提高了信道带宽利用率。宽利用率。w 在相同的信息传输速率下，多进制数字调制系统的码在相同的信息传输速率下，多进制数字调制系统的码元传输速率低于二进制数字调制系统元传输速率低于二进制数字调制系统 w 多进制数字调制系统的抗噪声性能低于二进制数字多进制数字调制系统的抗噪声性能低于二进制数字调制系统。调制系统。4 四相相移键控（QPSK）（续）n 多进制数字相位调制的原理 n 多进制数字相位调制，它是利用载波的多种不同相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式。 用M种相位 来表k比特码元的 种状态。假设相位数 ， 比特码元的持续时间为 。则M相调制波可以表示为式中， 为受调相位，可有 种不同取值； 下面主要讨论四相绝对相移调制，记为4PSK或QPSK和四相相对相移调制，记为4DPSK或QDPSK。4 四相相移键控（QPSK）（续）n 四相绝对相移键控QPSK 四进制码元又称为双比特码元。它的前一信息用a代表，后一信息比特称用b代表，双比特码元中两个信息比特ab提出按照格雷码（即反射码）排列的。它与载波相位的关系如下表示。矢量图如下。双比特码元载波相位（kj）abA方式B 方式000o45o0190o135o11180o225o10270o315o0011参考相位0110参考相位000111104 四相相移键控（QPSK）（续）n QPSK信号的产生n 调相法（B方式）w 注：串/并输入信号码速率等于 ,输出信号码速率等于 ，a支路和b支路信号的码元宽度为 ， 为二进制信号码元宽度。 串/并变换平衡调制器平衡调制器载波振荡相加移相2p-输入同向支路a正交支路btcwcostcwsin输出(a)(b)b(0)b(1)a(0)a(1)(1,0)(1,1)(0,1)(0,0) 1 1 0 1 0 0 1 0abcosct-cosct-cosct cosctI(t)-sinct-sinctsinctsinctQ(t)4PSK移相45135225315表 QPSK 信号相位编码逻辑关系a1001b1100a 平衡调制器输出0o180o180o0ob 平衡调制器输出270o270o90o90o合成相位315o225o135o45o4 四相相移键控（QPSK）（续）n QPSK信号的产生n 相位选择法 w QPSK信号的特点：在信号空间（星座图）有4个均匀分布在同圆上（恒包络）上的信号点（星点），4个不同相位载波互为正交。即说明：已调信号的幅度相等，依靠不同相位来区分各信号串/并变换输入逻辑选相电路四相载波发生器带通滤波器输出4 四相相移键控（QPSK）（续）n QPSK信号的功率谱特性 串并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性序列。a序列和b序列的码元周期为输入的二进制序列码元周期的2倍，码元传输速率为输入的二进制序列码元传输速率的1/2。 设输入的二进制序列的码元传输速率为 ，则QPSK的第一个零点以内的频带宽度为 。此时的频带利用率为1B/Hz。4 四相相移键控（QPSK）（续）n QPSK信号的解调n 相干解调 QPSK可以看作两个正交的2PSK的合成，因此QPSK解调器由两个2PSK信号相干解调器构成平衡调制器平衡调制器相干载波移相2p-tcwcostcwsin输出低通滤波器低通滤波器抽样判决抽样判决定时定时并/串变换ab已调QPSK信号4 四相差分相移键控（DQPSK）n 四相差分相移键控DQPSKn 相对移相调制利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。kjD双比特码元载波相位（）abA方式B 方式000o45o0190o135o11180o225o10270o315o0011参考相位0110参考相位00011110n DQPSK信号的产生n 码变换加调相法（A方式） 码变换平衡调制器平衡调制器载波振荡相加移相4p+输入输出串/并变换移相4p-绝对码相对码4 四相差分相移键控（DQPSK）（续） 码变换器的功能：将绝对码转换成相对码 (设QDPSK的参考相位为0，采用A方式矢量图) n 举例：DQPSK信号（差分码及其相位）4 四相差分相移键控（DQPSK）（续）输入序列0111001011011000QPSK90o18 0o0o270o18 0o90o270o0oQDPSK90o270o270o18 0o0o90o0o0o相对序列0110101100010000绝对码相对码表 QDPSK信号相位编码逻辑关系双比特码元载波相位变化abA方式000o0190o11180o10270o前一对码元的相位状态：n DQPSK信号的产生n 码变换加相位选择法（B方式）DQPSK信号相位选择法与产生QPSK信号的框图相同。区别之处在于：这里的逻辑选相电路除了完成选择载波的相位外，还应实现将绝对码转换成相对码的功能。 串/并变换输入逻辑选相电路四相载波发生器带通滤波器输出4 四相差分相移键控（DQPSK）（续）n DQPSK信号的解调n 相干解调（极性比较法） 这里码变换器的功能恰好与发送端的相反，它需要将判决器输出的相对码恢复成绝对码。 输出平衡调制器平衡调制器载波振荡移相4p+已调DQPSK信号移相4p-并/串变换码变换低通滤波器抽样判决码元形成定时低通滤波器抽样判决码元形成定时QPSK解调码变换4 四相差分相移键控（DQPSK）（续）n 差分相干解调（相位比较法） 相位比较法适用于接收A方式规定的相位关系的QDPSK信号。这种解调方法与极性比较法相比，相位比较法解调的原理就是直接比较前后码元的相位。 相乘器相乘器延迟TS移相4p+输出移相4p-并/串变换低通滤波器抽样判决码元形成定时低通滤波器抽样判决码元形成定时已调DQPSK信号4 四相差分相移键控（DQPSK）（续）四相相移键控四相相移键控QPSKQPSK 是符号间隙是符号间隙, ,等于两个比特周期等于两个比特周期, ,上式可进一上式可进一步写成：步写成： QPSKQPSK信号可写成：信号可写成：QPSKQPSK频带利用率比频带利用率比BPSKBPSK系统提高了一倍。而载波相位共有四系统提高了一倍。而载波相位共有四个可能的取值，对应于四个已调信号的矢量图。个可能的取值，对应于四个已调信号的矢量图。QPSKQPSK信号也信号也可看成是载波相互正交的两个可看成是载波相互正交的两个BPSKBPSK信号之和。信号之和。 450450QI图图4-5 QPSK4-5 QPSK信号矢量图信号矢量图（a a） /4 /4 系统系统QI （b b） /2 /2 系统系统 对于对于 /4/4系统系统QPSKQPSK也可用类似的方法实现。只要把两个也可用类似的方法实现。只要把两个载波载波coswctcoswct和和sinwctsinwct分别用分别用coscos（w wc ct+45t+450 0）和）和sinsin（w wc ct+45t+450 0）代替就可以了。）代替就可以了。 QPSKQPSK在加性白噪声信在加性白噪声信道下与道下与BPSKBPSK的的误码性误码性能相同。能相同。 由于在相同的带宽情况下，由于在相同的带宽情况下，QPSKQPSK较较BPSKBPSK发送数发送数据多一倍。因此，据多一倍。因此，QPSK QPSK 频谱利用率高一倍频谱利用率高一倍。QPSKQPSK信号的功率谱和带宽为：信号的功率谱和带宽为： 与与BPSKBPSK相似，相似，QPSKQPSK也可以通过差分编码来进行也可以通过差分编码来进行非相干解调。非相干解调。交错正交四相相移键控（交错正交四相相移键控（OQPSKOQPSK）nQPSKQPSK信号的幅度是恒定的，然而当信号的幅度是恒定的，然而当QPSKQPSK进行波进行波形成时，由于实际信道是带限的，要经过带通形成时，由于实际信道是带限的，要经过带通滤波，所以限带后的滤波，所以限带后的QPSKQPSK将将失去恒包络的性质失去恒包络的性质。并且偶尔发生的并且偶尔发生的180180度的相移，会导致信号的度的相移，会导致信号的包络在瞬时间包络在瞬时间通过零点通过零点，反映在频谱方面，会，反映在频谱方面，会出现边瓣和频谱加宽的现象。为了防止旁瓣再出现边瓣和频谱加宽的现象。为了防止旁瓣再生和频谱扩展，必须使用效率较低的线性放大生和频谱扩展，必须使用效率较低的线性放大器放大器放大QPSKQPSK信号。对放大器线性度敏感。信号。对放大器线性度敏感。n交错交错QPSKQPSK（OQPSKOQPSK）对出现旁瓣和频谱加宽等）对出现旁瓣和频谱加宽等有害现象不敏感，可以得到效率高的放大。有害现象不敏感，可以得到效率高的放大。QPSKQPSK由于两个信道上的数据沿对齐，所以在码元转换点上，由于两个信道上的数据沿对齐，所以在码元转换点上，当两个信道上只有一路数据改变极性时，当两个信道上只有一路数据改变极性时，QPSKQPSK信号的相位，信号的相位，将发生将发生9090突变；当两个信道上数据同时改变极性时，突变；当两个信道上数据同时改变极性时，QPSKQPSK信号的相位将发生信号的相位将发生180180突变。突变。 QPSK的相位关系图OQPSKOQPSK信号产生时，是将输入数据经数据分路器分成奇信号产生时，是将输入数据经数据分路器分成奇偶两路。并使其在时间上相互错开一个码元间隔，然偶两路。并使其在时间上相互错开一个码元间隔，然后再对两个正交的载波进行后再对两个正交的载波进行BPSKBPSK调制，叠加成为调制，叠加成为OQPSKOQPSK信号，调制框图如图信号，调制框图如图4-104-10所示。所示。 OQPSK OQPSK信号调制器信号调制器 OQPSK OQPSK信号解调器信号解调器I I信道和信道和Q Q信道的两个数据流，每次只有其中一个可能发生极信道的两个数据流，每次只有其中一个可能发生极性转换。输出的性转换。输出的OQPSKOQPSK信号的信号的相位只有相位只有 跳变跳变，而没有，而没有 的的 相位跳变，同时经滤波及限幅后的功率谱旁瓣较小，这相位跳变，同时经滤波及限幅后的功率谱旁瓣较小，这是是OQPSKOQPSK信号在实际信道中的频谱特性优于信号在实际信道中的频谱特性优于QPSKQPSK信号的主要信号的主要原因。原因。 OQPSKOQPSK，I I，Q Q信道波形及相位路径图信道波形及相位路径图 OQPSK OQPSK相位关系图相位关系图 /4-QPSK/4-QPSK特点特点 n /4-QPSK/4-QPSK调制是调制是OQPSKOQPSK和和QPSKQPSK在实际最大相位变化进行折在实际最大相位变化进行折衷。衷。在在 /4-QPSK/4-QPSK中，最大相位变化限制在中，最大相位变化限制在 135135度，而度，而QPSKQPSK是是180180度，度，OQPSKOQPSK是是9090度度。因此带限。因此带限 /4-QPSK/4-QPSK信号比带信号比带限限QPSKQPSK有更好的恒包络性质，但是对包络变化方面比有更好的恒包络性质，但是对包络变化方面比OQPSKOQPSK要敏感。要敏感。n /4-QPSK/4-QPSK可以用相干或非相干方法进行解调可以用相干或非相干方法进行解调。非相干检测。非相干检测将大大简化接收机的设计。在采用差分编码后，将大大简化接收机的设计。在采用差分编码后， /4-QPSK/4-QPSK可成为可成为 /4-DQPSK/4-DQPSK。n在多径扩展和衰落的情况下，在多径扩展和衰落的情况下， /4-QPSK/4-QPSK比比OQPSKOQPSK的性能更的性能更好。好。n通常，通常， /4-QPSK /4-QPSK 采用采用差分编码差分编码，以便在恢复载波中存在，以便在恢复载波中存在的相位模糊时，实现差分检测或相干解调。的相位模糊时，实现差分检测或相干解调。 /4-QPSK/4-QPSK信号的性能信号的性能 /4-QPSK/4-QPSK信号具有频谱特性好，功率效率高，抗信号具有频谱特性好，功率效率高，抗干扰能力强等特点。干扰能力强等特点。可以在可以在25KHz25KHz带宽内传输带宽内传输32 Kb/s32 Kb/s数字信息，从数字信息，从而有效地提高频谱利用率，增大了系统容量。而有效地提高频谱利用率，增大了系统容量。对于大功率系统，易进入非线性，从而破坏了对于大功率系统，易进入非线性，从而破坏了线性调制的特征，因而在数字移动通信中，特线性调制的特征，因而在数字移动通信中，特别是小功率系统中得到了应用。别是小功率系统中得到了应用。 最小移频键控(MSK)(MSK)nMSK MSK 是一种特殊的是一种特殊的CPFSKCPFSK（相位连续的移频键（相位连续的移频键控方式），调制指数为控方式），调制指数为 时，满足在码元交替点相位连续的条时，满足在码元交替点相位连续的条件件 是移频键控为保证良好误码性能所允是移频键控为保证良好误码性能所允许的最小调制指数许的最小调制指数 时，波形相关系数为时，波形相关系数为0 0，信号是正交的，信号是正交的nMSKMSK也是一类特殊形式的也是一类特殊形式的OQPSKOQPSK，用半正弦脉冲，用半正弦脉冲取代取代OQPSKOQPSK的基带矩形脉冲的基带矩形脉冲图图4-21 MSK4-21 MSK信号波形信号波形 MSKMSK信号的产生信号的产生MSKMSK的调制器的调制器MSKMSK信号的解调信号的解调 nMSK信号的解调，可以采用相干解调，也可采用非相干解调，电路形式亦有多种。n非相干解调不需复杂的载波提取电路，但性能稍差。相干解调电路，必须产生一个本地相干载波，其频率和相位必须与载波频率和相位保持严格的同步。n在MSK信号中，载频分量已被抑制，故不能直接采用锁相环或窄带滤波器从信号中提取，因此必须对MSK信号进行某种非线性处理。MSKMSK信号的特征n已调制信号幅度是恒定的已调制信号幅度是恒定的n在一个码元周期内，信号包含在一个码元周期内，信号包含1/41/4载波周载波周期整数倍期整数倍n 码元转换时，相位连续无突变码元转换时，相位连续无突变n 信号频偏严格等于信号频偏严格等于 1/4 Tb 1/4 Tb，调制指，调制指数为数为n 信号相位在一个码元周期内变化信号相位在一个码元周期内变化/2/2MSKMSK信号的功率谱密度高斯滤波最小移频键控高斯滤波最小移频键控GMSKGMSKnMSKMSK调制方式已在一些通信系统中得到应调制方式已在一些通信系统中得到应用。但是，就移动通信系统而言，通常要用。但是，就移动通信系统而言，通常要在在25kHz25kHz的信道间隔中传输的信道间隔中传输16kbit/s16kbit/s的数的数字信号，邻道辐射功率要求低于字信号，邻道辐射功率要求低于-70-70到到- -80dB80dB，显然，显然MSKMSK信号不能满足。而另一种信号不能满足。而另一种数字调制方式数字调制方式GMSKGMSK能很好地满足要求。能很好地满足要求。GMSKn要求带外辐射功率为要求带外辐射功率为-60-60-80dB-80dBnGMSKGMSK是是GSMGSM的优选方案的优选方案 1 1 实现简单，在原实现简单，在原MSKMSK调制器增加前置滤波器调制器增加前置滤波器 2 2 对前置滤波器的要求对前置滤波器的要求 带宽窄且为锐截止型带宽窄且为锐截止型 有较低的过脉冲响应有较低的过脉冲响应 保持输出脉冲的面积不变保持输出脉冲的面积不变 3 3 目的：抑制高频分量，防止过量的瞬时频率偏移、目的：抑制高频分量，防止过量的瞬时频率偏移、以及满足相干检测的需要以及满足相干检测的需要 4 4 高斯滤波器满足以上要求高斯滤波器满足以上要求GMSKGMSK滤波器可以由滤波器可以由B B和基带符号持续时间和基带符号持续时间T T完全决定，因此完全决定，因此习惯上使用习惯上使用BTBT乘积来定义乘积来定义GMSKGMSK。图图4-30 4-30 高斯低通滤波器传输特性高斯低通滤波器传输特性 图图4-31 4-31 高斯低通滤波器冲激响高斯低通滤波器冲激响应应 图图4-33 MSK4-33 MSK和和GMSKGMSK信号的相位路径信号的相位路径 GMSKGMSK信号的产生信号的产生 产生产生GMSKGMSK信号最简单的方法使输入的不归零信号最简单的方法使输入的不归零（NRZNRZ）信息比特流通过高斯低通滤波器）信息比特流通过高斯低通滤波器(GLPF(GLPF），），而后进行而后进行FMFM调制，该方法应用很广泛，包括调制，该方法应用很广泛，包括GSMGSM系统中。系统中。 NRZ数据高斯LPFFM发射机GMSK射频输出图图4 433 33 采用直接采用直接FMFM构成的构成的GMSKGMSK发射机的原理框图发射机的原理框图 GMSK GMSK信号调制原理图信号调制原理图( (a a）正交调制）正交调制 （b b）锁相环调制）锁相环调制GMSKGMSK信号的解调信号的解调 nGMSKGMSK信号的解调可以采用信号的解调可以采用MSKMSK信号的信号的正交相干正交相干解调解调电路，也可采用电路，也可采用非相干解调非相干解调电路。电路。n在数字移动通信系统的信道中，由于多径干扰在数字移动通信系统的信道中，由于多径干扰和深度瑞利衰落，引起接收机输入电平明显变和深度瑞利衰落，引起接收机输入电平明显变化，因此要构成准确稳定地产生参考载波的同化，因此要构成准确稳定地产生参考载波的同步再生电路，并非易事，所以进行相干检测，步再生电路，并非易事，所以进行相干检测，往往比较困难；而使用非相干检测技术，可以往往比较困难；而使用非相干检测技术，可以避免因载波恢复而带来的复杂问题。避免因载波恢复而带来的复杂问题。n常用的非相干解调电路有常用的非相干解调电路有一比特一比特、二比特延迟二比特延迟差分检测差分检测和和鉴相器检测鉴相器检测。 GMSKGMSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度