1、第第3章章编码及调制技术编码及调制技术信源编码概述信源编码概述 3.13.1信道编码概述信道编码概述 3.23.2调制技术概述调制技术概述3.33.3线性调制技术线性调制技术 3.43.4恒定包络调制技术恒定包络调制技术3.53.5扩频调制技术扩频调制技术3.63.6l信息：信息：是事物行为、状态的表征。是事物行为、状态的表征。l“信息变换信息变换”过程：过程：将信息脱离源事物将信息脱离源事物而附着于另一种事物的过程。而附着于另一种事物的过程。l信息载体：信息载体：能将自己的某种物理量与附能将自己的某种物理量与附着的信息建立一一对应关系的物理载体着的信息建立一一对应关系的物理载体。如电信号、光
2、信号、声信号等。如电信号、光信号、声信号等。3.1 3.1 信源编码概述信源编码概述 信息传输的基本模型如图信息传输的基本模型如图3.1所示。所示。图图3.1 信息传输的一般模型信息传输的一般模型l信源：信源：产生消息和消息序列的来源。产生消息和消息序列的来源。l信源编码：信源编码：是对信源输出的信息进行适当的变换是对信源输出的信息进行适当的变换和处理，目的是为了提高信息的传输效率。信源和处理，目的是为了提高信息的传输效率。信源编码又称为频带压缩编码或数据压缩编码。编码又称为频带压缩编码或数据压缩编码。l信道编码：信道编码：是为了提高信息的可靠性而对消息进是为了提高信息的可靠性而对消息进行的变
3、换和处理。行的变换和处理。l信道：信道：指通信系统中传输信息的媒介，信道中存指通信系统中传输信息的媒介，信道中存在噪声和干扰。在噪声和干扰。l译码：译码：编码的逆过程，将信道输出的编码信号反编码的逆过程，将信道输出的编码信号反变换为信息。变换为信息。l信宿：信宿：接收消息的人或机器。接收消息的人或机器。3.1.1 语音编码语音编码 语音编码作为一种信源编码，是将模拟语音编码作为一种信源编码，是将模拟语音信号变成数字信号以便在信道中传输。语音信号变成数字信号以便在信道中传输。语音编码技术可分为波形编码、参量语音编码技术可分为波形编码、参量编码和混合编码等类型编码和混合编码等类型 波形编码是将时间
4、域信号直接变换为波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，其目的是尽可能精确地再现原数字代码，其目的是尽可能精确地再现原始语音波形。始语音波形。波形编码的基本原理是在时间轴上对波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，然后将幅度模拟语音按一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表示。样本分层量化，并用代码表示。波形编码技术包括脉冲编码调制（波形编码技术包括脉冲编码调制（PCM）和增量调制（和增量调制（M）以及它们的各种改进型。）以及它们的各种改进型。参量编码，又称为声源编码，是基于人类语言参量编码，又称为声源编码，是基于人类语言的发声机理，找出表征语音的特征参量，对特征
5、的发声机理，找出表征语音的特征参量，对特征参量进行编码的一种方法。参量进行编码的一种方法。如如线性预测编码线性预测编码(LPC)及其各种改进型。及其各种改进型。混合编码是近年来提出的一类新的语音编码技混合编码是近年来提出的一类新的语音编码技术，它将波形编码和参量编码结合起来，力图保持术，它将波形编码和参量编码结合起来，力图保持波形编码的高质量的优点以及参量编码的低速率的波形编码的高质量的优点以及参量编码的低速率的优点。优点。如码激励线性预测编码（如码激励线性预测编码（CELP）。）。混合编码是适合于数字移动通信的语音编码混合编码是适合于数字移动通信的语音编码技术。技术。语音编码技术首先应用于有
6、线通信和保语音编码技术首先应用于有线通信和保密通信，其中最成熟的实用数字语音系统密通信，其中最成熟的实用数字语音系统是是64kbit/s的的PCM。这是一种典型的。这是一种典型的波形波形编码编码技术，主要用于有线电话网，它的语技术，主要用于有线电话网，它的语音质量好，可与模拟语音相比，达到网络音质量好，可与模拟语音相比，达到网络质量。质量。3.1.2 语音编码技术的应用及发展语音编码技术的应用及发展 l 另一类型的另一类型的波形编码波形编码是增量调制（是增量调制（M），较简单且能抗误码。当速率达到，较简单且能抗误码。当速率达到3240kbit/s时，语音质量较好；当速率在时，语音质量较好；当速
7、率在816kbit/s时，语音质量较差。时，语音质量较差。l 速率为速率为24kbit/s的声码器是一种典型的的声码器是一种典型的采用采用参量编码参量编码技术的数字语音系统，优技术的数字语音系统，优点是速率低，主要用于军事保密通信，点是速率低，主要用于军事保密通信，语音质量仅能达到合成质量，且对背景语音质量仅能达到合成质量，且对背景噪声敏感。噪声敏感。波形编码的改进波形编码的改进:自适应差分自适应差分PCM（Adaptive Differential PCM，ADPCM）、）、子带编码（子带编码（Sub-Band Coding，SBC）、）、自适应变换编码（自适应变换编码（Adaptive T
8、ransform Coding，ATC）、时域谐波压扩（）、时域谐波压扩（Time Domain Harmonic Scaling，TDHS）等。）等。参量编码的改进参量编码的改进：多脉冲激励线性预测编：多脉冲激励线性预测编码（码（Multi-Pulse Excited LPC，MPE-LPC）、规则脉冲激励线性预测编码（、规则脉冲激励线性预测编码（Regular Pulse Excited LPC，RPE-LPC）等。）等。移动通信对语音编码技术的要求如下移动通信对语音编码技术的要求如下：速率较低，纯编码速率应低于速率较低，纯编码速率应低于16kbit/s；在强噪声环境中，算法应具有较好的抗
9、误码性在强噪声环境中，算法应具有较好的抗误码性能，以保持较高的语音质量；能，以保持较高的语音质量；在一定编码速率下语音质量应尽可能高；在一定编码速率下语音质量应尽可能高；编解码时延应较短，控制在几十毫秒之内。编解码时延应较短，控制在几十毫秒之内。3.1.3 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）PCM是一种典型的波形编码技术，是最早是一种典型的波形编码技术，是最早提出的语音编码方法，至今仍被广泛采用，提出的语音编码方法，至今仍被广泛采用，主要用于有线电话网，它的语音质量好，可主要用于有线电话网，它的语音质量好，可与模拟语音相比，达到网络质量。与模拟语音相比，达到网络质量。l PCM的优点是技术简
10、单、无时延，对语音的优点是技术简单、无时延，对语音信号和其他类型信号都能可靠地编码传输。信号和其他类型信号都能可靠地编码传输。图图3.2 PCM原理框图原理框图l抽样抽样:对模拟信号进行周期性扫描，把时对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。间上连续的信号变成时间上离散的信号。l量化量化:把经过抽样得到的瞬时值的幅度离把经过抽样得到的瞬时值的幅度离散化，即用一组规定的电平，把瞬时抽样散化，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。值用最接近的电平值来表示。一般语音信号的带宽为一般语音信号的带宽为3003 400Hz，编，编码时通常采用的抽样速率为码时通常
11、采用的抽样速率为 ，如，如果采用果采用8比特量化，则单路语音编码的比特速比特量化，则单路语音编码的比特速率为率为64kbit/s。l 编码：编码：用一组二进制码组来表示每一个有用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。固定电平的量化值。8 000Hzsf l 线性预测编码（线性预测编码（linear predictive coding,LPC）方法是一种参数编码方式）方法是一种参数编码方式。参数编码的基础是人类语音的生成模。参数编码的基础是人类语音的生成模型，通过这个模型，提取语音的特征参型，通过这个模型，提取语音的特征参数，然后对特征参数进行编码传输。数，然后对特征参数进行编码传输。3
12、.1.4 线性预测编码（线性预测编码（LPC）l 在线性预测编码中，将语声激励信号在线性预测编码中，将语声激励信号简单地划分为浊音信号和清音信号。浊简单地划分为浊音信号和清音信号。浊音信号可以用准周期脉冲序列激励信号音信号可以用准周期脉冲序列激励信号来表示，清音信号可以用白色随机噪声来表示，清音信号可以用白色随机噪声激励信号来表示。激励信号来表示。l 发送端：发送端：原始话音信号送入原始话音信号送入AD变换器，以变换器，以8kHz速率速率抽样变成数字化语声信号。以抽样变成数字化语声信号。以180个抽样样值为一帧，以个抽样样值为一帧，以一帧为处理单元逐帧完成每一帧的线性预测系数分析，一帧为处理单
13、元逐帧完成每一帧的线性预测系数分析，并作相应的清浊音（并作相应的清浊音（u/v）处理、基音）处理、基音Tp提取，再对这提取，再对这些参量进行量化、编码并送入信道传送。些参量进行量化、编码并送入信道传送。l 接收端：接收端：经参量译码分出参量、经参量译码分出参量、G、Tp、u/v，以这些参，以这些参数作为合成语声信号的参量，最后将合成产生的数字化数作为合成语声信号的参量，最后将合成产生的数字化语声信号经语声信号经DA变换还原为语声信号。变换还原为语声信号。图图3.3 线性预测编译码原理线性预测编译码原理3.1.5 IS-95语音编码（语音编码（CELP）l CELP(Code Excited L
14、inear Prediction，码激励，码激励线性预测编码线性预测编码)是一种混合编码方式，也是近是一种混合编码方式，也是近10年年来最成功的语音编码算法。来最成功的语音编码算法。CELP语音编码算法用语音编码算法用线性预测提取声道参数，用一个包含许多典型的激线性预测提取声道参数，用一个包含许多典型的激励矢量的码本作为激励参数，每次编码时都在这个励矢量的码本作为激励参数，每次编码时都在这个码本中搜索一个最佳的激励矢量，这个激励矢量的码本中搜索一个最佳的激励矢量，这个激励矢量的编码值就是这个序列的码本中的序号。编码值就是这个序列的码本中的序号。CELP能改善语音的质量，主要体现在以下能改善语音
15、的质量，主要体现在以下几方面：几方面：对误差信号进行感觉加权，利用人类听对误差信号进行感觉加权，利用人类听觉的掩蔽特性来提高语音的主观质量；觉的掩蔽特性来提高语音的主观质量；用分数延迟改进基音预测，使浊音的表用分数延迟改进基音预测，使浊音的表达更为准确，尤其改善了女性语音的质量；达更为准确，尤其改善了女性语音的质量；使用修正的使用修正的MSPE准则来寻找准则来寻找“最佳最佳”的的延迟，使得基音周期延迟的外形更为平滑延迟，使得基音周期延迟的外形更为平滑；根据长时预测的效率，调整随机激励矢量根据长时预测的效率，调整随机激励矢量的大小，提高语音的主观质量；的大小，提高语音的主观质量；使用基于信道错误
16、率估计的自适应平滑器使用基于信道错误率估计的自适应平滑器，在信道误码率较高的情况下也能合成自，在信道误码率较高的情况下也能合成自然度较高的语音。然度较高的语音。3.2 3.2 信道编码信道编码概述概述 信道编码也称为信道编码也称为差错控制编码差错控制编码，它是以提，它是以提高信息传输的可靠性为目的的编码，它通常高信息传输的可靠性为目的的编码，它通常通过增加信源的冗余度来实现来改善信道链通过增加信源的冗余度来实现来改善信道链路的性能。路的性能。l 用于检测错误的信道编码称为用于检测错误的信道编码称为检错编码检错编码，既可检错又可纠错的信道编码称为既可检错又可纠错的信道编码称为纠错编码纠错编码。香
17、农论证了通过对信息的恰当编码，香农论证了通过对信息的恰当编码，可以将由于信道噪声而导致的错误控制在可以将由于信道噪声而导致的错误控制在任何误差范围之内，同时不需要降低信息任何误差范围之内，同时不需要降低信息传输速率。传输速率。应用于加性高斯白噪声（应用于加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道的香）信道的香农信道容量公式如下农信道容量公式如下:（3.1）011PSCBlbBlbN BN 检错和纠错技术的检错和纠错技术的基本思想基本思想：通过在：通过在数据传输中引入冗余来提高通信的可靠性。数据传输中引入冗余来提高通信的可靠性。冗余的引入将消耗一定
18、的带宽，这会降低冗余的引入将消耗一定的带宽，这会降低频谱效率，但却能够大大降低频谱效率，但却能够大大降低SNR情况下情况下的误码率。香农指出，只要的误码率。香农指出，只要SNR足够大，足够大，就可以用很宽的带宽实现无差错通信。就可以用很宽的带宽实现无差错通信。3.2.1 分组码分组码 分组码是一种前向纠错（分组码是一种前向纠错（Forward Error Correction，FEC）编码，前向纠错）编码，前向纠错码的码字是具有一定纠错能力的码型，它码的码字是具有一定纠错能力的码型，它在接收端解码后，不仅可以发现错误，而在接收端解码后，不仅可以发现错误，而且能够判断错误码元所在的位置，并自动且
19、能够判断错误码元所在的位置，并自动纠错。纠错。l 分组码一般用符号（分组码一般用符号（n，k）表示，其中）表示，其中n是码组的总位数，又称为码组的长度（是码组的总位数，又称为码组的长度（码长），码长），k是码组中信息码元的数目，是码组中信息码元的数目，nk=r 为码组中的监督码元数目。为码组中的监督码元数目。在分组码中，在分组码中，码距码距和和码重码重是两个重要的是两个重要的参数。参数。分组码的纠错能力是码距的函数，分组码的纠错能力是码距的函数，码距码距是指两个码字是指两个码字Ci与与Cj间不相同比特的数目。间不相同比特的数目。用公正表示如下：用公正表示如下：（3.2）,1(,)niji lj
20、 lld CCCC 如果采用二进制编码，那么码距就是如果采用二进制编码，那么码距就是汉明距。汉明距。最小码距是码距集合中的最小值最小码距是码距集合中的最小值，可可表示成表示成（3.3）l 最小码距最小码距dmin的大小直接关系着这种编的大小直接关系着这种编码的检错和纠错能力。码的检错和纠错能力。minmin(,)ijdd C C 码的检错、纠错能力与最小码距码的检错、纠错能力与最小码距dmin的的关系分为以下三种情况关系分为以下三种情况:（1）为检测为检测e个错码，要求最小码距：个错码，要求最小码距：dmine+1（2）为纠正为纠正t个错码，个错码，要求最小码距：要求最小码距：dmin2t+1
21、 （3）为纠正为纠正t个错码，同时检测个错码，同时检测e个错码个错码，要求最小码距：，要求最小码距：dmine+t+1(et)码重是码组码重是码组中非零元素的数量。中非零元素的数量。如果采用二进制编码，码重就是码组如果采用二进制编码，码重就是码组中中1的数目的数目，可用下式表示：可用下式表示：（3.4）,1()nii llCC1汉明（汉明（Hamming）码）码 Hamming码是一种简单的纠错码。这种码是一种简单的纠错码。这种编码以及由它们衍生的编码，已被用于数编码以及由它们衍生的编码，已被用于数字通信系统的差错控制中。字通信系统的差错控制中。l 二进制二进制Hamming码具有如下特性码具
22、有如下特性（3.5）(,)(21,21)mmn km 2Hadamard码码 一个一个NN的的Hadamard矩阵由矩阵由0和和1组组成，其任意两行恰好有成，其任意两行恰好有N/2个元素不同。个元素不同。除了一行为全除了一行为全0外，其余行均有外，其余行均有N/2个个0和和N/2个个1，最小码距为，最小码距为N/2。当当N=2时，时，Hadamard矩阵为矩阵为（3.6）0001A3循环（循环（Cyclic）码）码 循环码可以由循环码可以由(n-k)次的生成多项式次的生成多项式g(p)生生成。成。(n,k)的循环码的生成多项式表示如下的循环码的生成多项式表示如下:（3.7）1110()n kn
23、 kn kg ppgpg pg 消息多项式消息多项式x(p)定义如下定义如下:（3.8）1110()kkx pxpx px 而最后生成的码多项式而最后生成的码多项式c(p)如下如下:（3.9）()()()c px p g p4BCH码码 BCH码是循环码的一个重要子类，纠码是循环码的一个重要子类，纠错能力很强，具有多种码率，可获得很大错能力很强，具有多种码率，可获得很大的编码增益，并能够在高速方式下实现。的编码增益，并能够在高速方式下实现。二进制二进制BCH码可推广到非二进制码可推广到非二进制BCH码，它的每个编码符号代表码，它的每个编码符号代表m个比特。个比特。5RS码码 RS（Reed-S
24、olomon）码是一种多进制码是一种多进制BCH码码。把多重码元当成一个码元，编成把多重码元当成一个码元，编成BCH码，就是码，就是RS码。它能够纠突发错误，码。它能够纠突发错误，通常在连续编码系统中采用。通常在连续编码系统中采用。3.2.2 卷积码卷积码 卷积码是信道编码中一类重要的编码方式。卷积码是信道编码中一类重要的编码方式。卷积码既能纠正随机差错也具有一定的卷积码既能纠正随机差错也具有一定的纠正突发差错的能力。纠正突发差错的能力。在在CDMA移动通信系统中采用的就是卷移动通信系统中采用的就是卷积码。积码。图图3.4 卷积编码结构卷积编码结构l 它与分组码的它与分组码的根本区别：根本区别
25、：它不是把信它不是把信息序列分组后再进行单独编码，而是由息序列分组后再进行单独编码，而是由连续输入的信息序列得到连续输出的连续输入的信息序列得到连续输出的已已编码序列编码序列。同样，在卷积码译码过程中。同样，在卷积码译码过程中，不仅从此时刻收到的码组中提取，不仅从此时刻收到的码组中提取译码译码信息，而且还要利用以前或以后各时刻信息，而且还要利用以前或以后各时刻收到的码组中提取有关信息。收到的码组中提取有关信息。卷积码的解码技术有许多种，卷积码的解码技术有许多种，常常用的有用的有Viterbi算法算法、序贯译码法。序贯译码法。而最重要的是而最重要的是Viterbi算法，它是一种最大似然译码法。算
26、法，它是一种最大似然译码法。l交织编码主要用来纠正突发差错，将突发差错分散成交织编码主要用来纠正突发差错，将突发差错分散成为随机差错而得到纠正。为随机差错而得到纠正。l 通常，交织编码与各种纠正随机差错的编码通常，交织编码与各种纠正随机差错的编码(如卷积如卷积码或其它分组码码或其它分组码)结合使用，从而具有较强的既能纠正随机结合使用，从而具有较强的既能纠正随机差错又能纠正突发差错的能力。差错又能纠正突发差错的能力。l 交织编码不像分组码那样，它不增加监督元，即交织交织编码不像分组码那样，它不增加监督元，即交织编码前后，码速率不变，因此不影响有效性。编码前后，码速率不变，因此不影响有效性。l 在
27、移动信道中，数字信号传输常出现成串的突发差错在移动信道中，数字信号传输常出现成串的突发差错，因此，数字化移动通信中经常使用交织编码技术。，因此，数字化移动通信中经常使用交织编码技术。3.2.3 交织编码交织编码 在交织编码之前，先要进行分组码编码，将待在交织编码之前，先要进行分组码编码，将待编码的编码的 个数据位进行交织。通常，每行由个数据位进行交织。通常，每行由n个数据位组成一个字，行数个数据位组成一个字，行数m表示交织的深度，其表示交织的深度，其结构如图结构如图3.5所示：所示：m n图图3.5 常用的交织方法（按列写入，按行读出）常用的交织方法（按列写入，按行读出）或者按行写入，按列读出
28、：或者按行写入，按列读出：在交织之前，先进行分组码编码，将每个码字在交织之前，先进行分组码编码，将每个码字按行顺序存入，按行顺序存入，然后按列顺序读出并输出。然后按列顺序读出并输出。存入顺序第1排C11C12C13C14C15C16C17第2排C21C22C23C24C25C26C27第3排C31C32C33C34C35C36C37第 m排Cm1Cm2Cm3Cm4Cm5Cm6Cm7读出顺序 交织编码的交织编码的作用作用：将源信息分散到不同：将源信息分散到不同的时间段中，这样，当出现深衰落或突发的时间段中，这样，当出现深衰落或突发干扰时，源信息中的某一块数据不会被同干扰时，源信息中的某一块数据不
29、会被同时扰乱。并且，源比特在时间上被分开后，时扰乱。并且，源比特在时间上被分开后，还可以利用信道编码来减弱信道干扰对源还可以利用信道编码来减弱信道干扰对源信息的影响。信息的影响。床前明月光床前明月光春眠不觉晓春眠不觉晓白发三千丈白发三千丈红豆生南国红豆生南国床床前前明明月月光光床床前前明明月月光光春春眠眠不不觉觉晓晓春春眠眠不不觉觉晓晓白白发发三三千千丈丈白白发发三三千千丈丈红红豆豆生生南南国国红红豆豆生生南南国国床春白红床春白红床春白红床春白红前眠发豆前眠发豆前眠发豆前眠发豆明不三生明不三生明不三生明不三生月觉千南月觉千南月觉千南月觉千南光晓丈国光晓丈国光晓丈国光晓丈国床春白红？床春白红？前
30、眠发豆？前眠发豆明不三生明不三生明不三生明不三生月觉千南月觉千南月觉千南月觉千南光晓丈国光晓丈国光晓丈国光晓丈国床？前明明月月光光床？前明明月月光光春？眠不不觉觉晓晓春？眠不不觉觉晓晓白？发三三千千丈丈白？发三三千千丈丈红？豆生生南南国国红？豆生生南南国国信道编码信道编码交织交织去交织去交织信道解码信道解码突发错误突发错误 举例：举例：3.2.4 Turbo码码 T u r b o 码 又 称码 又 称 并 行 级 联 卷 积 码并 行 级 联 卷 积 码(P a r a l l e l Concatenated Convolutional Code，PCCC），是由），是由Berrou等人在
31、等人在ICC93会议上提出的。会议上提出的。Turbo码的码的基本原理基本原理：通过编码器的巧妙构造，：通过编码器的巧妙构造，即 多 个 子 码 通 过 交 织 器 进 行 并 行 或 串 行 级 联即 多 个 子 码 通 过 交 织 器 进 行 并 行 或 串 行 级 联（PCC/SCC），然后以类似内燃机引擎废气反复利），然后以类似内燃机引擎废气反复利用的机理进行迭代译码，从而获得卓越的纠错性能，用的机理进行迭代译码，从而获得卓越的纠错性能，Turbo码也因此得名。码也因此得名。l Turbo码的性能远远超过了其他的编码方式，得码的性能远远超过了其他的编码方式，得到了广泛的关注和发展。到了
32、广泛的关注和发展。图图3.6 AWGN信道中的码率与香农限信道中的码率与香农限 Turbo码编码器是由两个反馈的系统码编码器是由两个反馈的系统卷积码编码器通过一个随机交织器并行连卷积码编码器通过一个随机交织器并行连接而成的，编码后的校验位经过删余阵接而成的，编码后的校验位经过删余阵产产生不同码率的码字生不同码率的码字。图图3.7 Turbo 码编码器结构码编码器结构图图3.8 Turbo 码译码器结构码译码器结构l Turbo码译码器的基本结构如图码译码器的基本结构如图3.8所示。它由两个软输所示。它由两个软输入软输出（入软输出（SISO）译码器）译码器DEC1和和DEC2串行级联组成，串行级
33、联组成，交织器与编码器中所使用的交织器相同。交织器与编码器中所使用的交织器相同。l 调制调制是对是对信号源信号源的编码信息进行处理，使的编码信息进行处理，使其变为适合传输的形式的过程。即是把其变为适合传输的形式的过程。即是把基带基带信号信号（信源信源）转变为一个相对）转变为一个相对基带基带频率而言频率而言频率非常高的带通信号。频率非常高的带通信号。l 移动通信系统的调制技术包括用于第一代移动通信系统的调制技术包括用于第一代移动通信系统的移动通信系统的模拟调制技术模拟调制技术和用于现今及和用于现今及未来系统的未来系统的数字调制技术数字调制技术。3.3 调制技术概述调制技术概述l 数字调制数字调制
34、利用数字信号来控制载波的振幅、利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。常用的频率或相位。常用的3种基本数字调制技术：种基本数字调制技术：幅移键控幅移键控(ASK)，频移键控（，频移键控（FSK）和相移键）和相移键控（控（PSK）。）。l 模拟调制模拟调制利用输入的模拟信号来控制载利用输入的模拟信号来控制载波波(正弦波正弦波)的振幅、频率或相位，从而得到的振幅、频率或相位，从而得到调幅调幅(AM)、调频、调频(FM)或调相或调相(PM)信号。信号。l 幅移键控：幅移键控：ASK，用二进制基带信号（用二进制基带信号（0或或1）去控制正弦载波的幅度变化。去控制正弦载波的幅度变化。频移键控：频移键控
35、：FSK，用二进制基带信号去控制用二进制基带信号去控制正弦载波的频率变化。正弦载波的频率变化。相移键控：相移键控：PSK，用二进制基带信号去控制用二进制基带信号去控制正弦载波的相位变化。正弦载波的相位变化。3.3.1 移动通信对调制技术的要求移动通信对调制技术的要求l 在蜂窝移动环境中，无线信号传输受到移动在蜂窝移动环境中，无线信号传输受到移动信道等多种因素的作用而影响到传输质量，其中信道等多种因素的作用而影响到传输质量，其中主要因素有：主要因素有：（1 1）带宽有限，它取决于使用的频率资源带宽有限，它取决于使用的频率资源和信道的传播特性；和信道的传播特性；（2 2）干扰和噪声影响大，这主要是
36、移动通）干扰和噪声影响大，这主要是移动通信工作的电磁环境所决定的；信工作的电磁环境所决定的；（3 3）存在着多径衰落；）存在着多径衰落；（4 4）同频干扰。）同频干扰。l针对移动通信信道的特点，针对移动通信信道的特点，移动通信对数字调移动通信对数字调制技术的要求有：制技术的要求有：所有的技术必须有规定频带内提供高的传输所有的技术必须有规定频带内提供高的传输效率。效率。抗干扰性能要强，要使信号深衰落引起的误抗干扰性能要强，要使信号深衰落引起的误差数降至最小。差数降至最小。应使用高效率的放大器。应使用高效率的放大器。在衰落条件下获得所需要的误码率。在衰落条件下获得所需要的误码率。占用频带要窄，带外
37、幅射要小。占用频带要窄，带外幅射要小。同频复用的距离小。同频复用的距离小。能提供较高的传输速率，使用方便、能提供较高的传输速率，使用方便、成本低。成本低。从技术方法的角度看，移动通信实用的从技术方法的角度看，移动通信实用的调制技术主要有两类。调制技术主要有两类。（1）线性调制技术）线性调制技术 （2）恒定包络调制技术）恒定包络调制技术 3.3.2 移动通信实用的调制技术移动通信实用的调制技术 为了减小相位突变，提出了为了减小相位突变，提出了QPSK信号的信号的两种改型两种改型交错四相相移键控（交错四相相移键控（OQPSK）和四相相对相移键控和四相相对相移键控（DQPSK）。）。四相相移键控（四
38、相相移键控（QPSK）应用广泛，频谱）应用广泛，频谱利用率是利用率是BPSK（二相相移键控）的两倍，采（二相相移键控）的两倍，采用相干解调时误码性能与用相干解调时误码性能与BPSK相同。相同。3.4 线性调制技术线性调制技术3.4.1 四相相移键控（四相相移键控（QPSK）QPSK是由是由2个比特组成一个双比特个比特组成一个双比特码去控制载波的相位状态，这样共有码去控制载波的相位状态，这样共有4种相位状态。种相位状态。双比特码元与载波相位有两种对应关系双比特码元与载波相位有两种对应关系，如表，如表3.1所示。所示。双比特码元载波相位abA方式B方式00110110090180270451352
39、25315表表3.1 双比特码元与载波相位的对应关系双比特码元与载波相位的对应关系在相位图上标示出来如图在相位图上标示出来如图3.9所示，相位所示，相位分别是方式（分别是方式（a）/2和方式（和方式（b）/4。（a）/2 （b）/4 图图3.9 双比特码元与载波相位的对应关系双比特码元与载波相位的对应关系 QPSK信号信号相位变化特点相位变化特点：QPSK由于两由于两个信道上的数据沿对齐，所以在码元转换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点上，当两个信道上只有一路数据改变极性时，性时，QPSK信号的相位，将发生信号的相位，将发生 突变突变；当两个信道上数据同
40、时改变极性时，；当两个信道上数据同时改变极性时，QPSK信号的相位将发生信号的相位将发生 突变。突变。90180图图3.10 QPSK的相位关系图的相位关系图 QPSK信号的表达式为信号的表达式为(/2方式方式)：（3.10）l 式中，式中，Ts是符号间隙，等于两个比特周期是符号间隙，等于两个比特周期，上式可进一步写成：，上式可进一步写成：(3.11)图图3.11 QPSK发射机的框图发射机的框图(t)Im(t)Qm图图3.10给出了典型的给出了典型的QPSK发射机框图。发射机框图。图图3.12 QPSK接收机方框图接收机方框图图图3.11给出了相干给出了相干QPSK解调接收机的框图。解调接收
41、机的框图。3.4.2 交错四相相移键控（交错四相相移键控（OQPSK）OQPSK信号的调制框图如图信号的调制框图如图3.13所示。所示。图图3.13 OQPSK调制框图调制框图l OQPSK的的I信道和信道和Q信道的两个数据流信道的两个数据流如图如图3.14所示，每次只有其中一个可能发所示，每次只有其中一个可能发生极性转换。生极性转换。图图3.14 OQPSK的的I、Q信道波形及相位路径信道波形及相位路径 OQPSK信号信号相位变化特点相位变化特点：OQPSK信信号每比特跳变一次，可能的跳变值为号每比特跳变一次，可能的跳变值为/2。其相位关系如图。其相位关系如图3.15所示。所示。图图3.15
42、 OQPSK的相位关系图的相位关系图3.4.3 /4 QPSK 1概述概述 /4-QPSK是是QPSK调制的一种改进方式。调制的一种改进方式。改进之一是将改进之一是将QPSK的最大相位跳变由的最大相位跳变由降为降为n4（n1或或3），以改善，以改善/4-QPSK的频谱特性；的频谱特性；改进之二是解调方式的改进改进之二是解调方式的改进,QPSK只能用相干解调，而只能用相干解调，而/4-QPSK可以用于相干解调也可以用于非相干解调。可以用于相干解调也可以用于非相干解调。/4-QPSK已成功应用于美国的已成功应用于美国的IS-136数字蜂窝系统、数字蜂窝系统、日本日本的的PDC系统和美国的系统和美国
43、的PACS系统。系统。图图 3.16 /4 QPSK调制的矢量图调制的矢量图2调制器调制器4 QPSK调制器的硬件实现可用图调制器的硬件实现可用图3.17来表示。来表示。图图3.17 4 QPSK的发射机框图的发射机框图 11cossinkkkkkIIQ11sincoskkkkkQIQ信号映射的基本关系式为信号映射的基本关系式为 (3.12)(3.13)其中，是输入双其中，是输入双bit符号符号 ，所对应的相所对应的相移值。移值。,I km,Q km3/4 QPSK解调解调 （1）基带差分检测）基带差分检测 /4-QPSK信号的解调包括信号的解调包括基带差分检测基带差分检测、IF差分检测和差分
44、检测和FM鉴频器检测鉴频器检测。图图3.18/4 QPSK的基带差分检测器的框图的基带差分检测器的框图（2）中频差分检测）中频差分检测图图3.19/4 QPSK的中频差分检测器的中频差分检测器（3）鉴频器解调）鉴频器解调图图3.20 采用采用FM鉴频检测器解调鉴频检测器解调/4 QPSK信号的框图信号的框图3.5 恒定包络调制技术恒定包络调制技术 3.5.1 最小频移键控（最小频移键控（MSK）最小移频键控（最小移频键控（MSK）信号是）信号是调制指数调制指数h=0.5的二进制调频信号。的二进制调频信号。为了抑制带外辐射，可以对为了抑制带外辐射，可以对MSK输入信号进行输入信号进行平滑处理，即
45、增加一个预调制滤波器。并通过将平滑处理，即增加一个预调制滤波器。并通过将非归零的二进制比特流直接送入调制指数为非归零的二进制比特流直接送入调制指数为0.5 的的FM调制器产生调制器产生MSK信号。信号。MSK信号可以表示为：信号可以表示为：(3.14)设初相位为，所以设初相位为，所以MSK信号的时域表达式的一信号的时域表达式的一般形式为：般形式为：(3.15)tTatAtSbncMSK2cos)(nbncMSKxtTatAtS2cos)(MSK的另一个特点是的另一个特点是连续相位调制连续相位调制，即在第即在第n个码元结束时的相位等于第个码元结束时的相位等于第n1个码元开始时相位。个码元开始时相
46、位。(3.16)nbbnbnxTnTanT2)()(3.17)1112)()(nbbnbnxTnTanT进一步推导可得：进一步推导可得：(3.18)设设 ，则，则 或或 。1111nnnnnnnaakxaaxx00 x0nx3.MSK的特点的特点.恒包络；恒包络；.，在码元转换时刻，信号相位连续，在码元转换时刻，信号相位连续，但相位路径是折线（如图，但相位路径是折线（如图3.21所示）；所示）；举例：信息发射速率为举例：信息发射速率为1000Baud，载波频率，载波频率为为2000Hz，试画出，试画出MSK已调调制信号波形已调调制信号波形及相位轨迹图。及相位轨迹图。MSK已调信号波形和相位已调
47、信号波形和相位轨迹图如图轨迹图如图3.21所示。所示。21fm图图3.21 MSK已调信号和相位轨迹图已调信号和相位轨迹图.MSK功率谱更加紧凑，主瓣所占的功率谱更加紧凑，主瓣所占的频带宽度比频带宽度比BPSK信号窄（比信号窄（比QPSK信号信号宽），在主瓣之外，功率谱旁瓣的下降宽），在主瓣之外，功率谱旁瓣的下降也更加迅速（比也更加迅速（比BPSK和和QPSK都快），都快），所以适合于窄带信道中传输，另外，由所以适合于窄带信道中传输，另外，由于占用带宽窄，故于占用带宽窄，故MSK抗干扰性能优于抗干扰性能优于BPSK。3.5.2 高斯滤波最小频移键控（高斯滤波最小频移键控（GMSK）在在MSK调
48、制器前端加一个高斯滤波器就构调制器前端加一个高斯滤波器就构成了成了GMSK调制，双极性调制，双极性NRZ矩形脉冲序列经矩形脉冲序列经高斯低通滤波器后，其信号波形得到平滑，再高斯低通滤波器后，其信号波形得到平滑，再经过经过MSK调制，则调制，则MSK输出的相位路径就由输出的相位路径就由折线变得平滑，其功率谱旁瓣衰减更快。折线变得平滑，其功率谱旁瓣衰减更快。1.高斯滤波器的性能高斯滤波器的性能 GMSK的原理图如图的原理图如图3.22所示。所示。图图3.22 GMSK原理图原理图 或采用直接或采用直接FM构成的构成的GMSK发射机的框发射机的框图如图图如图3.23所示。所示。将不归零信息比特流通将
49、不归零信息比特流通过高斯低通滤波器，其后送入调制指数为过高斯低通滤波器，其后送入调制指数为1/2的频率调制（的频率调制（FM）器，）器，FM调制器的调制器的输出信号就是输出信号就是GMSK已调制信号。已调制信号。图图3.23 GMSK发射机框图发射机框图l 用于脉冲成型的滤波器可分为两大类，用于脉冲成型的滤波器可分为两大类，一类是升余弦滤波器，另一类是高斯滤波一类是升余弦滤波器，另一类是高斯滤波器。这两种滤波器是有区别的，升余弦滤器。这两种滤波器是有区别的，升余弦滤波器是符合奈奎斯特法则的，它能消除波器是符合奈奎斯特法则的，它能消除ISI（PSK、QSK中应用），而高斯滤波器不中应用），而高斯
50、滤波器不符合奈奎斯特法则，会引起符合奈奎斯特法则，会引起ISI。在在GMSK中，高斯低通滤波器必须满足中，高斯低通滤波器必须满足下列要求：下列要求：l带宽窄，具有尖锐的过滤带；（目的：带宽窄，具有尖锐的过滤带；（目的：抑制高频分量）抑制高频分量）l具有较低的峰突冲激响应；（目的：防具有较低的峰突冲激响应；（目的：防止瞬时频率偏移过大）止瞬时频率偏移过大）l能保持输出脉冲的面积。（目的：利于能保持输出脉冲的面积。（目的：利于进行相干检测）进行相干检测）2.高斯滤波器的设计高斯滤波器的设计高斯滤波器的冲激响应由下式给出高斯滤波器的冲激响应由下式给出 (3.19)传递函数为传递函数为 (3.20)2
