第2讲调制与解调

1、第第3 3章章 3.1 3.1 调制解调调制解调数字相位调制数字相位调制3.1.1正交振幅调制正交振幅调制3.1.23.1.23.1.2 正交振幅调制正交振幅调制 正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）是一种幅度）是一种幅度和相位联合键控（和相位联合键控（APK）的调制方式。）的调制方式。 正交振幅调制是用两路独立的基带正交振幅调制是用两路独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用已调信行抑制载波的双边带调制，利用已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。两路并行的数字信息传输

2、。 正交振幅调制的一般表达式为正交振幅调制的一般表达式为 0tTs （3-20） 式中，式中，Ts为码元宽度，为码元宽度，Am和和Bm为离散的振幅为离散的振幅值，值，m = 1，2，M，M为为Am和和Bm的个数。的个数。MQAMcc cos sinmmsAtBt MQAM中的振幅中的振幅Am和和Bm可以表示成可以表示成（3-21） 式中，式中，A是固定的振幅，是固定的振幅，(dm，em)由输由输入数据确定。入数据确定。(dm，em)决定了已调决定了已调QAM信信号在信号空间中的坐标点。号在信号空间中的坐标点。 MQAM的调制框图如图的调制框图如图3-19所示。所示。mmmmAd ABe A图图

3、3-19 MQAM调制解调原理框图调制解调原理框图ML 数据经过信道编码之后，被映射到星座图上，其原理为：数据经过信道编码之后，被映射到星座图上，其原理为：经过信道编码的二进制的经过信道编码的二进制的 MPEG-2 比特流进入比特流进入 QAM 调调制器，制器， 信号被分为两路，信号被分为两路， 一路给一路给I， 另一路给另一路给 Q，每一，每一路一次给路一次给 2比特的数据，这比特的数据，这 2 比特的二进制数一共有比特的二进制数一共有 4 种不同的状态，分别对应种不同的状态，分别对应 4种不同的电平幅度，这样种不同的电平幅度，这样 I 有有4个不同幅度的电平，个不同幅度的电平，Q 有有 4

4、个不同幅度的电平，而且个不同幅度的电平，而且 I 和和 Q 两路信号正交。这样任意一个两路信号正交。这样任意一个 I 的幅度和任意一个的幅度和任意一个 Q 的幅度组合都会在极坐标图上映射一个相应的星座点，的幅度组合都会在极坐标图上映射一个相应的星座点，这样每个星座点代表由这样每个星座点代表由 4 个比特的数据组成的一个映射，个比特的数据组成的一个映射，I 和和Q 一共有一共有 44 共共 16种组合状态，各种可能出现过的种组合状态，各种可能出现过的数据状态组合最后映射到星座图上，数据状态组合最后映射到星座图上， 得到如下图得到如下图 所显所显示的示的16QAM 星座图。星座图。图图3-20 1

5、6QAM的星座图的星座图 M = 4，16，32，256时时MQAM信号的星座图如图信号的星座图如图3-21所示。所示。 其中，其中，M = 4，16，64，256 时星座时星座图为矩形，而图为矩形，而M = 32，128时星座图为十时星座图为十字形。字形。图图3-21 MQAM信号的星座图信号的星座图 MQAM信号同样可以采用正交相干解信号同样可以采用正交相干解调方法，其解调器原理图如图调方法，其解调器原理图如图3-22所示。所示。图图3-22 MQAM信号相干解调原理图信号相干解调原理图3.1.33.1.3 数字频率调制数字频率调制一、一、 二进制频移键控二进制频移键控 用二进制数字基带信

6、号去控制载波用二进制数字基带信号去控制载波频率称为二进制频移键控（频率称为二进制频移键控（2FSK）。）。 如图如图3-25所示，设输入到调制器的比所示，设输入到调制器的比特流为特流为 ， ， 。 2FSK的输出信号形式为的输出信号形式为na1na n图图3-25 2FSK信号的产生信号的产生 nTbt(n + 1)Tb （3-24） 即当输入信号为传号即当输入信号为传号“ + 1”时，输出频时，输出频率为率为f1的正弦波；当输入信号为空号的正弦波；当输入信号为空号“ 1”时，时，输出频率为输出频率为f2的正弦波。的正弦波。 初相位初相位 1和和 2可以是连续的，也可以是不可以是连续的，也可以

7、是不连续的。连续的。112FSK22cos()1( )cos()1nnAtastAta 17在实际应用中，有时要求发送信号具有在实际应用中，有时要求发送信号具有包络恒定、高频分量较小包络恒定、高频分量较小的特的特点。点。移相键控信号移相键控信号PSK(4PSK、8PSK)的缺点之一是，没能从根本上的缺点之一是，没能从根本上消除在码元转换处的载波相位突变，使系统产生强的旁瓣功率分量，消除在码元转换处的载波相位突变，使系统产生强的旁瓣功率分量，造成对邻近波道的干扰；若将此信号通过带限系统，由于旁瓣的滤除造成对邻近波道的干扰；若将此信号通过带限系统，由于旁瓣的滤除而产生信号包络起伏变化，为了不失真传

8、输，对信道的线性特性要求而产生信号包络起伏变化，为了不失真传输，对信道的线性特性要求就过于苛刻。就过于苛刻。 两个独立信源产生的两个独立信源产生的2FSK信号，一般来说在频率转换处相位不连信号，一般来说在频率转换处相位不连续，同样使功率谱产生很强的旁瓣分量，若通过带限系统也会产生包续，同样使功率谱产生很强的旁瓣分量，若通过带限系统也会产生包络起伏变化。络起伏变化。OQPSK虽然消除了虽然消除了QPSK信号中的信号中的180相位突变，相位突变，但也没能从根本上解决消除信号包络起伏变化的问题。但也没能从根本上解决消除信号包络起伏变化的问题。 问题的引入问题的引入 n 为什么要使用恒包络调制极低的旁

9、瓣能量；可使用高效率的C类高功率放大器（导通角小于90，为非线性放大器，效率高。）；容易恢复用于相干解调的载波；已调信号峰均比低。 为了克服以上缺点，需控制相位的连续性，这种形式为了克服以上缺点，需控制相位的连续性，这种形式的数字频率调制方式，称之为相位连续变化的的数字频率调制方式，称之为相位连续变化的(恒定包络恒定包络)频移键控频移键控(CPFSK)。其一特例为最小。其一特例为最小(调制指数调制指数)频移键控频移键控（MSK）。）。 所谓所谓“最小最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数是指这种调制方式能以最小的调制指数(0.5)(0.5)获得正交信号；获得正交信号； 而而“快速快速”是指在

10、给定同样的频带是指在给定同样的频带内，内，MSKMSK能比能比2PSK2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比分量要比2PSK2PSK衰减的快。衰减的快。MSK信号可表示为信号可表示为：)2cos()(kskcMSKtTattSsskTT ）（1k式中：式中： 为载频；为载频； 为频偏；为频偏； 为为k个码元中的相位常数。而个码元中的相位常数。而 为第为第k个码元的相位常数。而个码元的相位常数。而 为第为第k个码元的数据，分个码元的数据，分别表示二进制信息别表示二进制信息1和和0，当，当ak+ +1时，信号频率时，信号频率s4/1f)2(212fTT

11、ssc当当ak- -1时，信号频率时，信号频率cskTa211kassscTT4/1f)2(211fk最小频差（最大频偏）：最小频差（最大频偏）： sTfff2112即最小频差等于码元速率的一半即最小频差等于码元速率的一半设设1/Tsfs，则调频指数，则调频指数 2121sssTTffhsskkMSKkTtTkktkttS) 1(1a)1f2cos(1a)2f2cos()(当当MSK信号又可表示为：信号又可表示为：h=0.5时，满足在码元交替点相位连续的条件，也是频移键控为保证良时，满足在码元交替点相位连续的条件，也是频移键控为保证良好的误码率性能所允许的最小调制指数，且此时波形的相关系数为好

12、的误码率性能所允许的最小调制指数，且此时波形的相关系数为0.5，待传送的两个信号是正交的。待传送的两个信号是正交的。对于对于)2cos()(kskcMSKtTattSsskTT ）（1k)2)(kksktTat式中式中)(kt 为第k个码元信号的附加相位，它是t的直线方程；并且在一个码元持续时间T内，它变化 ,即变化 。按照相位连续性的要求，在第K个码元的末尾，即当t=kT时，其附加相位 就应该是第k+1个码元的初始附加相位所以，每经过一个码元的持续时间，MSK信号码元的附加相位就改变 ；若 ，则第k+1个码元的附加相位增加 ；若 ，则第k+1个码元的附加相位减小 。按这一规律，可以画出MSK

13、信号附加相位 的轨迹图，如下图所示。 2ka2)(kt)(1kt21ka21-ka2)(ktMSKMSK的可能相位轨迹的可能相位轨迹总结总结MSK信号的特点：信号的特点：l MSK信号是正交信号；信号是正交信号；l 其波形在码元间是连续的；其波形在码元间是连续的；l 其包络是恒定不变的；其包络是恒定不变的；l 其附加相位在一个码元持续时间内线性地变化其附加相位在一个码元持续时间内线性地变化 ；2l 调制产生的频率偏移等于调制产生的频率偏移等于 ；sT41l 在一个码元持续时间内含有的载波周期数等于在一个码元持续时间内含有的载波周期数等于1/4的整数倍。的整数倍。MSK信号调制器原理图如图信号调

14、制器原理图如图3-35所示所示。图图3-35 MSK信号调制器原理框图信号调制器原理框图 MSK信号属于数字频率调制信号，因信号属于数字频率调制信号，因此一般可以采用鉴频器方式进行解调，其此一般可以采用鉴频器方式进行解调，其原理图如图原理图如图3-38所示。所示。图图3-38 MSK鉴频器解调原理框图鉴频器解调原理框图 相干解调的框图如图相干解调的框图如图3-39所示。所示。图图3-39 MSK信号相干解调器原理框图信号相干解调器原理框图MSK信号的功率谱如图信号的功率谱如图3-37所示。所示。图图3-37 MSK信号的功率谱信号的功率谱MSKMSK调制方式已在一些通信系统中得到应用调制方式已

15、在一些通信系统中得到应用。但是，就移动通信系统而言，通常要在。但是，就移动通信系统而言，通常要在25kHz25kHz的信道间隔中传输的信道间隔中传输16kbit/s16kbit/s的数字信的数字信号，邻道辐射功率要求低于号，邻道辐射功率要求低于-70-70到到-80dB-80dB，显然显然MSKMSK信号不能满足。而另一种数字调信号不能满足。而另一种数字调制方式制方式GMSKGMSK能很好地满足要求。能很好地满足要求。GMSKGMSK要求带外辐射功率为要求带外辐射功率为-60-60-80dB-80dBGMSKGMSK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MS

16、KMSK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、以目的：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 高斯最小频移键控（高斯最小频移键控（GMSK）既能够）既能够保持保持MSK相位连续、恒定包络的优点，还相位连续、恒定包络的优点，还能够满足移动通信旁瓣功率的快速衰减的能够满足移动通信旁瓣

17、功率的快速衰减的要求。要求。 GMSK信号就是在信号就是在MSK调制之前，调制之前，加入一高斯低通滤波器（称为预调制滤加入一高斯低通滤波器（称为预调制滤波器）而产生的，如图波器）而产生的，如图3-42所示。所示。图图3-42 GMSK调制的原理框图调制的原理框图 图图3-43 高斯滤波器的矩形脉冲响应高斯滤波器的矩形脉冲响应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，因完全决定，因此习惯上使用此习惯上使用BTBT乘积来定义乘积来定义GMSKGMSK。 高斯滤波器的输出脉冲经高斯滤波器的输出脉冲经MSK调制调制得到得到GMSK信号，其相位路径由脉冲的信号，其相位路径由脉冲的形状决定。形状决定。 GMSK的相位轨迹如图的相位轨迹如图3-44所示。所示。图图3-44 GMSK的相位轨迹的相位轨迹 图图3