调制解调技术课件.ppt

1、第2章调制解调技术 定义：将要传输的信号变换为适合信道特性的形式的过程。要传输的信号调制信号。转换后的信号已调信号。在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，该过程称为解调。分类：调制信号：模拟调制、数字调制 已调信号的包络：恒包络调制、非恒包络调制 已调信号的相位：连续相位、不连续相位 移动通信对调制方式的要求：频率资源有限高的带宽效率 干扰和噪声严重抗干扰、抗噪声的能力强 存在着衰落对多径衰落不敏感、抗衰落 功耗受限高的功率效率，对非线性失真不敏感 成本、体积受限易于实现 对应问题：主瓣宽带与带外滚降 恒包络调制与非恒包络调制问题 相干解调与非相干解调问题 连续相位与非连续相位问题 数字

2、调制的优越性 更强的抗干扰和抗噪声能力；便于进行差错控制；易于复用各种不同形式的信息；更好的安全保密性能；利于大规模集成电路的应用，以降低成本；便于实现软件无线电。数字调制与解调的研究内容 正交基的设计和选择：此设计的主要目标是实现已调信号与信道特性的最大相容。在正交基上的最佳已调信号集或信号星座的设计：星座的外形或说星座的最小闭包特性的研究，目标是使星座的平均能量最小；星座的内部结构特性研究，它决定了在接收空间中对信号点的判决区的划分，而最佳的判决区划分会使得信号检测的差错概率最小，这在某种程度上确定了解调器的结构；星座的维数设计，它在一定意义上决定了信号的带宽利用率。信息比特空间到已调信号

3、集的映射关系：现代调制映射规则是按某种规则将信息符号映射到比信息符号集更大的调制信号集，即调制本身将引入调制信息序列之间的一定约束关系。这种映射的目标有两个：在统计特性上将尽可能多的信息符号映射为能量较小的信号点 使不同调制信号序列之间的欧氏距离尽可能大。解调设计：可划分为相干解调与非相干解调；一般情况下相干解调比非相干解调有 3dB 的能量增益。解调设计的基本目标只有一个，就是使信息符号接收的差错概率最小。衡量指标：功率效率：描述的是低功率情况下调制制度保持数字信息正确传输的能力；通常表示为在接收机保持特定的误码率的情况下，每比特信号的能量与噪声功率谱密度的比值。带宽效率：描述的是在有限的带

4、宽条件下，调制制度容纳数字的能力；通常以每赫兹带宽所能传输的数据速率来表示。带宽效率的一般表示：Shannon极限公式：/BRbps HzB调制信号的速率已调制信号的带宽2log(1)BCSBN信道容量(bps)信道带宽(Hz)信噪比第第1节节 恒包络调制恒包络调制 一、最小移频键控(MSK)调制 MSK的一般概念 设输入到调制器的比特流为an,则FSK输出信号的一般形式可表示为：)cos(1,0cos1,0cos)(smtataTttaTtttsdncnbnbMsm2B其带宽为：bdbTTh/1/12/sm调制指数：而MSK是FSK的一种特殊形式，它要求：两个频率的信号不相关 两个频率的信号

5、在一个码元期间所积累的相位差为 且在码元转换时刻已调信号的相位连续 设MSK信号的一般形式为：kdkcxtattScos)(kTbt(k+1)TbbdbdbdcbdcTfTTT412)()(或：故：则：kbkcxtTattS2cos)(即：给定两个信号cos2fmt和cos2fst，它们之间的相关系数NoImage0sin2()sin4cos2cos22()4bTmsbcbmsmsbcbff Tf Tf tf tdtff Tf T 为了易于区分两个信号，希望它们是正交的，即要求0：第一项等于零：2(2fd)Tb=n，即：fdn/4Tb，MSK可以满足。第二项等于零：4fcTb1，或4fcTb=

6、n(Tb=n/4fc)，即：每个码元期间包含四分之一载波周期的整数倍。根据FSM调制指数的定义，MSK的调制指数为：h=0.5。可见：MSK为频差（带宽）最小的正交FSK调制，故称为“最小频移键控调制”，或“快速频移键控调制(FFSK)”第第1节节 恒包络调制恒包络调制根据前面分析，故：bbbdcbbbdcmTmNTTmNfffTmNTTmNfff1)41(411)4(1)41(411)4(sccbfmNfT1)4(4/1每个码元期间包含的fm、fs和fc的周期数都是四分之一的整数倍第第1节节 恒包络调制恒包络调制 式中，xk是为了保证t=kTb时相位连续而加入的相位常量。令k=ct+k kT

7、bt(k+1)Tb式中：kkbkxtaT2 为了保持相位连续，在t=kTb时应有下式成立：k-1(kTb)=k(kTb)可得：2)(11kaaxxkkkkkbkcxtTattS2cos)(MSK信号的一般表示为：波形与相位：令xk=0，则xk是=0,或(模2)MSK的可能相位轨迹例：xk=03/201 1 1 1 1 1 1 1 1Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7Tb8Tb9Tb0akxk(t)t/2/23/225/23233344 正交展开：MSK信号可表示为：kbkkbkkbkkbkbkkbkxTtaxtTaxtTatxTtxtTaxtTatcos)2sin(sin)2cos(cos)

8、2sin()(sincos)2cos(sin)2sin(cos)2cos()(cos 展开得：)(sinsin)(coscos)(tttttScckbkxtTat2)(其中：)(cos)(tttSc故：tTtQtTtItxTtatxTttScbkcbkckbkckbsin)2sin(cos)2cos(sincos)2sin(coscos)2cos()(其中：正交分量同相分量kkkkkxaQxIcoscos2)(11kaaxxkkkk即：只有ak ak-1且k为奇数 时Ik=Ik-1。2)(cos2)(sinsin2)(coscos2)(cos11111111kaaIkaaxkaaxkaaxIk

9、kkkkkkkkkkkk1112)(cos1kaakkak=ak-1ak ak-1且k为奇数ak ak-1且k为偶数 同样：2)(cos2)(cos1111kaaQaakaaaQkkkkkkkkk即：只有ak ak-1且k为偶数 时Qk=Qk-1由此可见：I支路数据和Q支路数据每隔2Tb秒才有可能改变符号，且 I支路与Q支路的码元在时间上错开Tb。MSK信号的产生：串/并差分编码TbcosctsinctyMSK(t)TbakdktTb2costTb2sintTtQtTtItScbkcbksin)2sin(cos)2cos()(MSK信号的性能：功率谱密度：22222222cos2()cos2(

10、)1616()1.161.16cbcbbbff Tff TP ff Tf T MSK的解调：（例：相干解调器）bc2121Tf 锁相环2bc2122Tf 锁相环2平方器相干载波提取LPF取样判决交替门LPF取样判决BPFTb差分译码sin2sin2btTctctcos2cos2btT 小结：MSK信号包络恒定；频偏严格地等于1/4Tb,调制指数h=0.5；附加相位在一个码元期间线性地变化，在码元转换时刻信号的相位连续；在一个码元期间，包含的fm、fs和fc的周期数都是四分之一的整数倍；其功率谱密度的主瓣较QPSK宽，但滚降速率较快。第第2节节 GMSK调制调制 二、GMSK调制：尽管MSK信号

11、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(即邻道辐射)低于主瓣峰值60 dB以上的要求。这就要求在保持MSK基本特性的基础上，对MSK的带外频谱特性进行改进，使其衰减速度加快。可以看出，MSK信号可由FM调制器来产生。由于输入的二进制非归零脉冲序列具有较宽的频谱，从而导致已调信号的带外衰减较慢。如果将输入信号经过滤波以后再送入FM调制，必然会改善已调信号的带外特性。GMSK信号就是通过在FM调制器前加入高斯低通滤波器(称为预调制滤波器)而产生的。基本原理：预调制滤波器的特性：带宽窄且带外截止尖锐，以便抑制不需要的高频分量 脉冲响应的过冲量较小，防止调制器产生不必要的瞬时

12、频偏 输出脉冲响应曲线的面积对应于/2的相位偏移量，调制指数为0.5预调制滤波器输入数据不归零(NRZ)FM调制器调制指数为0.5 高斯脉冲成形滤波器的特性：传递函数：冲击响应：3dB带宽：对单个宽度为Tb的矩形脉冲的响应为222()exp()Ghtt22()exp()GHffln20.58872BdtQTtBQTtBQtgtbbbb)2/exp(21)(2(2ln22(2ln2)(2，式中高斯滤波器的矩形脉冲响应：可见：带宽越窄，输出响应被展得越宽，ISI越严重。当BbTb0.25时，输出脉冲得宽带为3Tb。o0.20.40.60.81.00.70.40.30.250.2Tb2Tb Tb2

13、TbtBbTbg(t)dtQTtBQTtBQtgtbbbb)2/exp(21)(2(2ln22(2ln2)(2式中）部分响应技术：有意引入可扩展的ISI以压缩调制信号的频谱，解调时需利用前后码元的相关性进行解调判决。例：(图示说明)GMSK的相位轨迹 从图中可以看出，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。GMSK信号的产生：GMSK调制信号的一般形式可表示为：尽管g(t)在理论上是在-t+范围内取值

14、，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。ttttdTnTgaTttttScctbbnbccsin)(sincos)(cos)2(2cos)(cos)(GMSK的频谱特性：随着BbTb的减小，功率谱的衰降明显加快。02040608010012000.51.01.52.02.5归一化频率：(f fc)Tb0.40.30.

15、20.250.161.00.70.5BbTb(MSK)功率谱密度/dBGMSK在给定百分比功率下的占用带宽GMSK信号的解调：1.一比特延迟差分检测：2.二比特延迟差分检测：中频滤波器GMSK迟延 TbLPF取样判决相移2ka 中频滤波器GMSK迟延2TbLPF取样判决ka 小结：1.GMSK信号的相位不但连续，而且平滑，因此其带外滚降更加快速；2.在GMSK调制中，其预调滤波器不服从奈奎斯特准则，因此存在着ISI。但这种ISI是受控的，可通过部分响应技术得到解决。第第3节节 线性调制线性调制 一、BPSK调制：数学表示：设输入比特率为an,an=1,n=-+,则BPSK的信号形式为：()co

16、sncS ta At或：)cos()cos()(cos)(tAtAttAtScccc11nnaanTbt(n+1)Tb第第3节节 线性调制线性调制 特点：码元切换时，相位跳变为：误比特率：功率谱密度（下图）NoImage22021()srfc()/2)2becEPQrrAN，（第第3节节 线性调制线性调制 二、DPSK调制：基本原理：（如右图）特点：码元切换时，相位跳变为：能量效率比BPSK下降3dB：1kkkcac221exp()/2)2ecPrrA，（第第3节节 线性调制线性调制 三、QPSK 基本原理：(如图）符号映射问题。特点：频谱特点和误码性能与PSK相同。可能的相位跳变：0,/2,

17、相位跳变周期2Tb四相相移键控四相相移键控(QPSK)QPSK调制器的原理框图如图所示。它可以看成由调制器的原理框图如图所示。它可以看成由两个两个BPSK调制器构成调制器构成,输入的串行二进制信息序输入的串行二进制信息序列经串列经串/并变换并变换,分成两路速率减半的序列分成两路速率减半的序列,电平发电平发生器分别产生双极性电平信号生器分别产生双极性电平信号I(t)和和Q(t),然后分别然后分别对对A cosct和和A sinct进行调制进行调制,相减后即得相减后即得QPSK信号。信号。四相相移键控四相相移键控(QPSK)电 平产 生I(t)Acosct载 波发 生 器90移 相电 平产 生Q(

18、t)Asinct已 调 信 号串 /并转 换二 进 制 信 息QPSK调制器原理框图 四相相移键控四相相移键控(QPSK)1 1Q(t)011011 1I(t)011111001111011ttt信号波形图 第第3节节 线性调制线性调制 四、OQPSK(交错QPSK)基本原理：(如图）特点：频谱特点和误码性能与PSK相同。可能的相位跳变：0,/2，因此，OQPSK的旁瓣要低于QPSK信号 相位跳变周期：Tb。第第3节节 线性调制线性调制 五、/4-QPSK调制 /4-DQPSK是对QPSK信号的特性进行改进的一种调制方式：改进一：将QPSK的最大相位跳变，降为3/4，从而改善了/4-DQPSK

19、的频谱特性；改进二：解调方式,QPSK只能用相干解调，而/4-DQPSK既可以用相干解调也可以采用非相干解调。第第3节节 线性调制线性调制 星座图及其跳变：共有8个相位，分成两组；两组相位交替使用；相位跳变情况：/4，3/4；相位跳变周期：2Tb。原理框图：串/并变换sinctLPFcosctLPF放大输入数据差分相位编码SISQUkVk/4-DPSK信号第第3节节 线性调制线性调制 /4-QPSK信号的产生：设已调信号：Sk(t)=cos(ct+k)其中k为当前码元的附加相位；上式展开：Sk(t)=cosct cosksinct sink=Uk cosct Vksinct 当前码元的附加相位

20、k是前一码元附加相位k-1与当前码元相位跳变量k之和，即 k=k-1+kUk=cosk=cos(k-1+k)=cosk-1cosksink-1sink =Uk-1cos kVk-1sinkVk=sink=sin(k-1+k)=sink-1cosk+cosk-1sink =Vk-1cos k+Uk-1sink该式表明：前一码元两个正交信号的幅度与当前码元两个正交信号的幅度之间的关系，取决于相位跳变量第第3节节 线性调制线性调制Uk 和Vk 的取值有五种可能，即：组合有八种，即：1111(0,1);(,);(1,0);(,);22221111(0,1);(,);(1,0);(,)2222相位跳变规

21、则0,1/21，LPF的作用：对Uk 和Vk进行平滑处理，使得加到正交调制器的信号没有幅值的突变，合成输出的/4-QPSK信号的相位也趋于平滑，从而进一步改善其频谱性能。设该滤波器的矩形脉冲响应函数为g(t)，那么最后形成的/4-QPSK信号可以表示为 02)12(sin1211)(sfTfGssssTfTfTTf212121210tkTtgtkTtgtSckksckkssinsin)(coscos)()(美国的IS-136数字蜂窝网中，规定这种滤波器应具有线性相位特性和平方根升余弦的频率响应，它的传输函数为：第第3节节 线性调制线性调制/4-QPSK基带信号的眼图第第3节节 线性调制线性调制

22、 可以看出，/4-QPSK是一种线性调制。它具有较高的频谱利用率，但其包络不恒定。若在发射中采用非线性功率放大器，将会使已调信号的频谱展宽，从而降低了频谱利用率，不能满足对相邻信道的干扰功率电平比本信道的功率电平低6070 dB的要求；若采用线性功率放大器，则其功率效率较差。为改善功率放大器的动态范围，一种实用的/4-QPSK的发射机结构如下图所示。它采用了笛卡尔坐标负反馈控制和AB类功率放大器。LPFLPF功率放大调制信号产生 90第五节第五节 线性调制线性调制 中心频率为145 MHz，数据速率为32 kb/s，发端采用滚降因子为0.5的升余弦滤波器时，实测的信号功率谱如下图 所示。数字式

23、/4-QPSK产生电路：/4-QPSK信号的检测1.基带差分检测cos(ct)LPFWkXkYk解码电路并/串变换LPFZksin(ct)Sk(t)设接收信号 Sk(t)=cos(ct+k)则：)cos(21kkW)sin(21kkZkkkUVarctank是信号相位：令解码电路的运算规则为1111kkkkkkkkkkZWWZYZZWWX可以得到：kkkkkkkkkkkkkkkkYXsin41)sin(41)sin(21)cos(21)cos(21)sin(21cos41)cos(41)sin(21)sin(21)cos(21)cos(21111111 可以看出，通过解码电路的运算，消除了本地

24、载频和信号的相差，使得Xk和Yk仅与k相关。根据调制时的相位跳变规则,可制定判决规则如下：Xk0 判“+1”Xk0 判“-1”Yk0 判“+1”Yk0 判“-1”2.中频差分检测 中频差分检测的原理框图如下图所示。LPFXkYk并 /串变 换LPFSk迟 延 Ts带 通 滤 波相移2输入信号Sk(t)=cos(ct+k)经两个支路相乘后的信号分别为 cos(ct+k)cosc(t-Tb)+k-1 sin(ct+k)cosc(t-Tb)+k-1经低通滤波后，所得低频分量为(取Tb=2n)：kkkkkkkkYXsin21)sin(21cos21)cos(21113.鉴频器检测 鉴频器检测的框图如图

25、 2-33 所示。信号经过平方根升余弦滚降的带通滤波器后进入硬限幅器，再经鉴频器和积分采样清除电路之后，用模2检测器检测出两采样瞬间的相位差，从而可判决出所传输的数据。并/串变换差分相位解码模2积分清除鉴频器带通滤波v(t)k 理想的鉴频器特性为:dttdt)()(经过积分和采样后有:ssTkkTkkkdtt)1(1)(/4-QPSK的性能：由于/4-DQPSK的三种非相干解调方式是等价的，下面仅以基带差分检测为例进行分析 理想高斯信道条件下系统的抗噪声性能：bbeIIePbbkkkbe2002)2(21)2()12()(收发存在频差情况下的性能：收发两端的频差f 会引起相位的漂移(=fTb)

26、，的存在，将使得两个支路的信号电平发生变化：)sin(41)cos(41kkkkYX系统的平均误比特率为：)(21)|(21PPPbe其中：bebePPPP4cos24cos2222102468101214(Eb/N0)/dBPe1061051041031021011000510152025f Ts正交振幅调制正交振幅调制(QAM)正交振幅调制是二进制PSK和四进制QPSK调制的进一步推广,通过相位和振幅的联合控制,可以得到更高频谱效率的调制方式,从而可在限定的频带内传输更高速率的数据。正交振幅调制的一般表达式为 Y(t)Am cost+Bm sint,0tTs 上式由两个相互正交的载波构成,

27、每个载波被一组离散的振幅Am、Bm所调制,故称这种调制方式为正交振幅调制。式中,Ts为码元宽度,m1,2,M;而M为Am和Bm的电平数。三、QAM（多进制正交幅度调制）一般表示：正交振幅调制是二进制的PSK、四进制的QPSK调制的进一步推广，通过相位和振幅的联合控制，可以得到更高频谱效率的调制方式，从而可在限定的频带内传输更高速率的数据。正交振幅调制的一般表达式为：。决定的一对独立的整数是由输入信号量，是幅度最小的信号的能其中：iibbaE,22()cos(2)sin(2)01,2,.,bbiicicbbbEES taf tbf ttTiMTT 星座图：QAM的基元信号为：122()cos 2

28、2()sin 2,)cbcbibibtf tTtf tTiaE bE（）（）第 个信号点的座标为：(不同星座结构对性能的影响：对QAM调制而言，如何设计QAM信号的结构不仅影响到已调信号的功率谱特性，而且影响已调信号的解调及其性能。例：限定信号点数目M=8,要求这些信号点仅取两种振幅值，且信号点之间的最小距离为2A。可得到几种信号空间结构：方型星座与星型星座：星座结构设计时考虑的因素：信号点之间的距离与平均发射功率：距离一定时发射功率最小，或者发射功率一定时距离最大；振幅环的个数：振幅环的个数少，有利于实现自动增益控制；相位数：相位数少有利于实现载波相位跟踪。正交振幅调制正交振幅调制(QAM)

29、多 电 平 判 决定 时 恢 复载 波 恢 复L-2电 平 转 换Y(t)LPF多 电 平 判 决LPFAmBmL-2电 平 转 换并 /串 转 换(b)(a)2-L电 平 转 换串 /并 转 换预 调 制LPFAmcost2-L电 平 转 换预 调 制LPFBmsintY(t)已 调 信 号 输 出QAM调制和相干解调的原理框图正交振幅调制正交振幅调制(QAM)经分析可知经分析可知,QAM具有更高的频谱效率具有更高的频谱效率,这是由于它具有更大的符号数。对这是由于它具有更大的符号数。对于给定的系统于给定的系统,所需要的电平数为所需要的电平数为2n,这里这里n是每个电平的比特数。每个电平是每个

30、电平的比特数。每个电平包含的比特包含的比特(基本信息单位基本信息单位)越多越多,效率就越高。如效率就越高。如16QAM在在25kHz信道中可信道中可实现实现64 kb/s的传输速率的传输速率,其频谱利用率高达其频谱利用率高达2.56 b/sHz;而而64QAM的频带的频带利用率可达利用率可达5 b/sHz。但需要指出的是但需要指出的是,QAM的高频带利用率是以牺牲其抗的高频带利用率是以牺牲其抗干扰性来获得的干扰性来获得的,电平数越大电平数越大,信号星座点数越多信号星座点数越多,其抗干扰性能就越差。因其抗干扰性能就越差。因为随着电平数的增加为随着电平数的增加,电平间的间隔减小电平间的间隔减小,噪声容限减小噪声容限减小,同样噪声条件下误同样噪声条件下误码也就增加。码也就增加。谢谢欣赏THANK YOU FOR WATCHING