CT_EE8樊昌信《通信原理》(第六版)

1、通信原理通信原理电子信息工程学院电子信息工程学院 郎百和郎百和10/15/2021 8:23:30 PM第八章第八章 现现代数字调制技术代数字调制技术通信原理通信原理210/15/2021 8:23:30 PM引引 言言p单载波调制：单载波调制：n恒恒定包络调制定包络调制uFSK、PSKuOQPSK、/4-QPSK、MSK、GMSK n非恒非恒定包络调制定包络调制uASKuQAMp多载波调制：多载波调制：uOFDM310/15/2021 8:23:30 PM目目 录录p8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKp8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK p8.3 最小频移键最小

2、频移键控控MSKp8.4 高斯最小频移键高斯最小频移键控控GMSKp8.5 正交幅度调正交幅度调制制QAMp8.6 正交频分复正交频分复用用OFDM410/15/2021 8:23:30 PM8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKp模拟恒包络调制模拟恒包络调制nFM/PM，利用，利用限幅限幅去除干扰（引起的幅度变化）去除干扰（引起的幅度变化）p数字数字恒恒包络调制包络调制n调制信号带宽无限，而实际的信道带宽总是受限。调制信号带宽无限，而实际的信道带宽总是受限。pQPSK数数字调字调制存在的制存在的问题问题nI、Q数据同数据同时变时变化时，存在化时，存在相位跳变相位跳变现现象象，通过

3、，通过带限滤波带限滤波后，后，引引起起包络起包络起伏及包络瞬伏及包络瞬时间通过零时间通过零点点。n包络起包络起伏伏经过经过非线性器件非线性器件(HPA, PM/AM效应效应)、非线性特非线性特性信性信道道会引起会引起旁瓣增生旁瓣增生，导，导致致频谱扩散频谱扩散，增加邻信道干扰，增加邻信道干扰。限。限制了制了效率效率较高的非线性较高的非线性HPA使用。使用。510/15/2021 8:23:30 PM8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKpQPSK信号的相位跳变信号的相位跳变610/15/2021 8:23:30 PM8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKnQPSK与与O

4、QPSK星座变化图星座变化图710/15/2021 8:23:30 PM8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKpOQPSK： Offset QPSKn消消除除QPSK调制调制下下相位跳变相位跳变现象现象nOQPSK信号表示信号表示式式n其中其中n码型码型an、bn的取值为的取值为+1或或-1对应对应1或或0；n波形波形g(t)函函数；数；nA为载波幅度为载波幅度；nTb为输入二进为输入二进制制信息信息周周期，期， Tb=TS /2。8sin)(cos)()(ttQttIAtSCCOQPSK (21); (2)nbnbnnI ta g tnTQ tb g tnT10/15/2021

5、8:23:30 PM8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKnQPSK相位变化情况相位变化情况9012345678910-101I路QPSK012345678910-101Q路111-1-11111111-111111-1-110/15/2021 8:23:30 PM8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKnQPSK + raised cosine filter (r=0.5)1010/15/2021 8:23:30 PM8.1 偏移四相相移键控偏移四相相移键控OQPSKnQPSK星座图不同信噪比星座图不同信噪比11-2-1012-2-1012QPSK signal con

6、stellation with SNR=10Real partImage part-2-1012-2-1012QPSK signal constellation with SNR=20Real partImage part10/15/2021 8:23:32 PM8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKnOQPSK相位变化情况相位变化情况12012345678910-101I路OQPSK012345678910-101Q路-1-1-111111111111111-1-110/15/2021 8:23:32 PM8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKnOQPSK + rai

7、sed cosine filter (r=0.5)1310/15/2021 8:23:32 PM8.1 偏移四相相移键控偏移四相相移键控OQPSKnOQPSK信号的波形与信号的波形与QPSK信号波信号波形比形比较较 14a1a3a5a7a2a6a4a8a2a4a1a3a5a7a6a810/15/2021 8:23:32 PMOQPSK的调制、解调原理的调制、解调原理1510/15/2021 8:23:32 PM8.1 偏移四相相移键控偏移四相相移键控OQPSKp结结论：论：nOQPSK与与QPSK均采用相干解调，理论上误码性能相同。均采用相干解调，理论上误码性能相同。n频频带受限的带受限的OQ

8、PSK信号经限幅放大后功率谱展宽的少，性能信号经限幅放大后功率谱展宽的少，性能优于优于QPSK。 n实实际中际中OQPSK比比QPSK应用广泛，但不能使用差分相干解调。应用广泛，但不能使用差分相干解调。1610/15/2021 8:23:32 PM目目 录录p8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKp8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK p8.3 最小频移键最小频移键控控MSKp8.4 高斯最小频移键高斯最小频移键控控GMSKp8.5 正交幅度调正交幅度调制制QAMp8.6 正交频分复正交频分复用用OFDM1710/15/2021 8:23:32 PM8.2 /4四相相移

9、键四相相移键控控/4QPSK p/4四相相移键控四相相移键控/4QPSK又记又记/4DQPSKn已已调信号的信号点从相互偏移的两个调信号的信号点从相互偏移的两个QPSK星座图中星座图中交替选取交替选取。最大相位跳变是最大相位跳变是/4或或 3 /4。n优点：优点：u相邻码元至少有相邻码元至少有/4相相位变位变化化(总总有相位变有相位变化化)，有利于接收端提取码元同步。，有利于接收端提取码元同步。u相相邻码元间总有相位改变、最大相移为邻码元间总有相位改变、最大相移为 135，比，比QPSK的最大相移的最大相移小。小。通通过频带受限的系统传输后，包络起伏较小。过频带受限的系统传输后，包络起伏较小。

10、18QkIkQkIk(a)(b)QkIk(c)10/15/2021 8:23:32 PM8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK n设已调信设已调信号号n令令n令令前一码元的两正交信号为前一码元的两正交信号为n则则当前码元信号可表示为当前码元信号可表示为19c( )cos 1ks ttkttkT cc( )coscossinsinkks ttt1kkk 111coscos()coscossinsinkkkkkkkkI 111sinsin()cossinsincoskkkkkkkkQ 11coskkI11sinkkQ11cossinkkkkkIIQ11cossinkkkkkQQI10/1

11、5/2021 8:23:32 PM8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK nIk, Qk与与k的的对应关系对应关系20I Ik kQ Qk k k k11/4-113/4-1-1-3/41-1-/410/15/2021 8:23:32 PM8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK n/4QPSK调调制器原理图制器原理图2110/15/2021 8:23:33 PM8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK n全数字式全数字式/4QPSK调调制器原理图制器原理图2210/15/2021 8:23:33 PM8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK n/4QPSK相

12、相干解调原干解调原理理图图2310/15/2021 8:23:33 PM8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK n/4QPSK非相干差分延迟解调非相干差分延迟解调原原理图理图2410/15/2021 8:23:33 PM8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK n/4QPSK鉴鉴频器检测原理频器检测原理图图2510/15/2021 8:23:33 PM8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK n当当收发两端存在相位漂收发两端存在相位漂移移=2fT时时，会，会使系统误比特率增使系统误比特率增加加。n/4QPSK误比特率曲误比特率曲线线26f T0510152025106

13、10510410310210110002468101214PeEbNo/ dB10/15/2021 8:23:33 PM8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK n最大相最大相位位变变化化45或或135，/4QPSK有有比比QPSK更小的包更小的包络波动和比络波动和比GMSK更高的频谱利用率更高的频谱利用率。功率效率高功率效率高，能，能有效地有效地提高频谱利用率，增大系统容量。提高频谱利用率，增大系统容量。n在在多多径衰落情径衰落情况况下，下，/4QPSK比比OQPSK的性能更的性能更好。好。nQPSK和和OQPSK只能采用相干解调，只能采用相干解调， /4-QPSK可以采用相干可以采

14、用相干解调和非相干解调解调和非相干解调。使接。使接收机实现大大简收机实现大大简化。化。/4QPSK用用于北于北美和日本的数字蜂窝移动通信系统。美和日本的数字蜂窝移动通信系统。 2710/15/2021 8:23:33 PM多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)n多多进制差分相移键控进制差分相移键控(MDPSK)nQDPSK或或4DPSK信号编码方式：信号编码方式：28abkA方式B方式009013501045112703151018022510/15/2021 8:23:33 PM多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)n多多进制差分相移键控进制差分相移键控(MDPSK)

15、nQDPSK或或4DPSK信号的产信号的产生生2910/15/2021 8:23:33 PM多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)n码变码变换器换器：输入：输入ab和输出和输出cdn二进制码元二进制码元“0” 和和“1”与相乘电路输入电压关系：与相乘电路输入电压关系：u二二进制码元进制码元“0” “1”u二二进制码元进制码元“1” “1”n采采用格雷码的差分编码逻辑用格雷码的差分编码逻辑(码变换器码变换器)n(1) 当当n(2)当当30只读存储器TTakbkckdkdk-1ck-1码变换器011kkdc111kkdc11kkkkkkcacdbd11kkkkkkcbcdad10/15

16、/2021 8:23:33 PM多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)n码变换器：输入码变换器：输入ab和输出和输出cd间的间的16种可能关系种可能关系(A方式方式)31当前绝对双比特码元与载波相对相位差前一双比特相对码与载波相位当前双比特相对码与载波相位ak bkkck-1 dk-1k-1ck dkk0 000 01 01 10 10901802700 01 01 10 10901802701 090or-2700 01 01 10 10901802701 01 10 10 09018027001 1180or-1800 01 01 10 10901802701 10 10 01

17、 01802700900 1270or-900 01 01 10 10901802700 10 01 01 127009018010/15/2021 8:23:33 PM多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)nQDPSK或或4DPSK信信号号的相干解的相干解调：调：极性比较法极性比较法32A方式方式QDPSK信号解调方法信号解调方法bacdA(t)-/4相乘电路相乘电路/4s(t)低通滤波低通滤波抽样判决抽样判决并/串变换逆码变换定时提取载波提取10/15/2021 8:23:33 PM多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)nQDPSK或或4DPSK信号的相干解调：信号

18、的相干解调：极性比较法极性比较法n设第设第k个接收信号码元可以表示为个接收信号码元可以表示为 u上支路上支路相相干载波干载波：u下下支路支路相相干载波：干载波：n相相乘乘:u上支上支路：路：u下下支支路：路：n低通滤波低通滤波后后:u上支路：上支路：u下支路下支路：330( )cos()(1)kks ttkTtkT )4cos(0t)4cos(0t)4cos(21)4(2cos21)4cos()cos(000kkkttt)4cos(21)4(2cos21)4cos()cos(000kkkttt)4cos(21k)4cos(21k10/15/2021 8:23:33 PM多进制差分相移键控多进制

19、差分相移键控(MDPSK)nQDPSK或或4DPSK信号的相干解调：信号的相干解调：极性比较法极性比较法n判决规判决规则则:按按照照 k的取值不同，此电压可能为正，也可能为负，的取值不同，此电压可能为正，也可能为负，故是双极性电压。在编码时曾经规定故是双极性电压。在编码时曾经规定：u二二进制码元进制码元“0” “1”u二二进制码元进制码元“1” “1”n现现在进行判决时在进行判决时，n“” 二进制码元二进制码元“0” n“” 二进制码元二进制码元“1”34信号码元相位k上支路输出下支路输出判决器输出cd0901802700011011010/15/2021 8:23:33 PM多进制差分相移键

20、控多进制差分相移键控(MDPSK)nQDPSK或或4DPSK信号的相干解调：信号的相干解调：极性比较法极性比较法n格雷码的差分编码逻辑格雷码的差分编码逻辑n(1) 当当n(2)当当n格雷码的差格雷码的差分译码逻辑分译码逻辑(码逆变码逆变换换器器)n(1) 当当n(2)当当35011kkdc11kkkkkkddbcca111kkdc11kkkkkkccbdda011kkdc111kkdc11kkkkkkcacdbd11kkkkkkcbcdad10/15/2021 8:23:33 PM多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)nQDPSK或或4DPSK信号的相干解调：信号的相干解调：极性比

21、较法极性比较法n逆码变换器逆码变换器36前一时刻输入的一对码元当前时刻输入的一对码元当前时刻应当给出的逆变换后的一对码元ck-1dk-1ck dkakbk00001101100011011001001101100011100111001101101100100110001101100110110011kkkkkkddbcca11kkkkkkccbdda11kkkkkkccbdda11kkkkkkddbcca10/15/2021 8:23:33 PM多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)nQDPSK或或4DPSK信号的相干解调信号的相干解调：差分相干解差分相干解调调(相相位比较位比较

22、法法)37A(t)-/4相乘电路相乘电路/4s(t)低通滤波低通滤波抽样判决抽样判决并/串变换定时提取延迟T10/15/2021 8:23:33 PM多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)nQDPSK或或4DPSK信号的相干解调：差分相干解调信号的相干解调：差分相干解调(相位比较法相位比较法)3810/15/2021 8:23:33 PMPerb(dB)多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)nMDPSK系统系统的误码率性的误码率性能能39MrerfcPe2sin210/15/2021 8:23:34 PM目目 录录p8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKp8

23、.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK p8.3 最小频移键最小频移键控控MSKp8.4 高斯最小频移键高斯最小频移键控控GMSKp8.5 正交幅度调正交幅度调制制QAMp8.6 正交频分复正交频分复用用OFDM4010/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKpMSK(Minimum Frequency Shift Keying)n若若相位跳变相位跳变，通过，通过带限滤波带限滤波后，引起后，引起包络起伏及包络瞬时间通包络起伏及包络瞬时间通过零点过零点。n包络起伏包络起伏经过经过非线性器件非线性器件(HPA, PM/AM效应效应)、非线性特性信非线性特

24、性信道道会引起会引起旁瓣增生旁瓣增生，导致，导致频谱扩散频谱扩散，增加邻信道干扰。同时限，增加邻信道干扰。同时限制了效率较高的非线性制了效率较高的非线性HPA使用。使用。n为了满足为了满足在在非线性特性的信道非线性特性的信道中传中传输，并且具有输，并且具有较高频较高频谱利用谱利用率率。希望数字调制。希望数字调制信号信号包络恒定包络恒定，信号信号相相位连续位连续。nMSK称为称为最小移频键控最小移频键控，有时也称为，有时也称为快速移频键控快速移频键控(FFSK)。所谓所谓“最小最小”是指这种调制方式能以是指这种调制方式能以最小的调制指数最小的调制指数(0.5)获得获得正交信号；正交信号； 而而“

25、快速快速”是指在给定同样的频带内，是指在给定同样的频带内，MSK能比能比2PSK的的数据传输速数据传输速率更率更高高，且在，且在带外的频谱分量要比带外的频谱分量要比2PSK衰衰减的快减的快。4110/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKn最小频移键控（最小频移键控（MSK）信号）信号是一种包络恒定、相位连续、带宽是一种包络恒定、相位连续、带宽最小并且严格正交的最小并且严格正交的2FSK信信号。号。p正正交交2FSK信号的最小频率间隔信号的最小频率间隔n假设假设2FSK信号码元的表示信号码元的表示式式n为了满足正交条件，要求为了满足正交条件，要求421100

26、cos()1( )cos()0Ats tAt当发送“”时当发送“ ”时11000cos() cos()d0sTttt10/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKn即要求即要求n积分结积分结果果n假设假设 1+ 0 1，上，上式第式第1和和3项近似等于项近似等于零，上式简化：零，上式简化：n由于由于 1和和 0是任意常数，故必须同时有是任意常数，故必须同时有n为了同时满足这两个要求，应当令为了同时满足这两个要求，应当令n即即要要求求n对对非非相干接相干接收收，当，当取取m = 1时是最小频率间时是最小频率间隔隔1 / Ts。431010101001cos()c

27、os()d02sTttt10s101010101010101010sin()sin()sin()sin()0sTT0 1)cos(sin()sin()cos(01010101ssTT0)sin(01sT1)cos(01sTmTs2)(01sTmff/0110/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKn假设初始相位假设初始相位 1和和 0是任意的，它在接收端无法预知，所是任意的，它在接收端无法预知，所以采以采用非相干检波法接收用非相干检波法接收。n对对于相干接收，则要求初始相位是确定的于相干接收，则要求初始相位是确定的，可令，可令 1 - 0 = 0。n则则n简

28、化：简化：n仅仅要求满要求满足足n对于对于相干接收相干接收，保证正交的，保证正交的2FSK信号的最小频率间信号的最小频率间隔隔1 / 2Ts。440 1)cos(sin()sin()cos(01010101ssTT0)sin(01sTsTnff2/0110/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKn最最小频移键控（小频移键控（MSK）信信号的表示号的表示式：式：n令令n则则n 附附加相位函数加相位函数n 第第k个输入码元个输入码元n 第第k个码元的相位常数，在时个码元的相位常数，在时间间 中中保持保持不变，其作用是保证在不变，其作用是保证在t=kTs时刻信号相

29、位连续时刻信号相位连续。45( )cos2kMSKckSastttT(1) ,0,1,sskTtkTk ( ),(1)2kkksssattkTtkTT ( )cos( )MSKcksttt kt1ka k(1)sskTtkT 10/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKn令令n则则nMSK信号的两个频率分别为信号的两个频率分别为nf1 和和f0的差等于的差等于1 / (2Ts)。已。已经证明，这是经证明，这是2FSK信号的最小频信号的最小频率间隔率间隔。46( )2kkckSatttT12( )212cskkcscsaTdtadtTaT 114cSffT21

30、4cSffT10/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKn中心频率中心频率fc应选为应选为n所所以，以，MSK信号在每一码元周期内必须包含四分之一载波周期信号在每一码元周期内必须包含四分之一载波周期的整数倍的整数倍。表示为表示为nMSK信号的两个频率分别为信号的两个频率分别为n频频率间隔为率间隔为nMSK信号的调制指数信号的调制指数为为471, m0, 1, 2, 34cSmfNNT为整数；111144cSsmffNTT211144cSsmffNTT2112SfffT 1110.5222sSsSSfhfTTfTT 1,2,.1,2,.44ccSSnnTfnT

31、nT10/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKn当取当取N=1, m=0 时，时，MSK信号的时间波信号的时间波形形4810/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKpMSK信号的相位连续性信号的相位连续性n为保为保证证MSK信号相位在码元转换时刻是连续的信号相位在码元转换时刻是连续的。由。由n当当t=kTs，要求，要求n可可以得到相位约束条件以得到相位约束条件n若初若初始参考值始参考值n反映了反映了MSK信号前后码元区间的相位约束关信号前后码元区间的相位约束关系。系。49( ),(1)2kkksssattkTtkTT 1

32、11111,(),2kkkkkkkkkkaakaakaa00020,1,2,kk或mod1s122kkkskSSaakTkTTT10/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKn附加相位函附加相位函数的数的波形图波形图50,12( ),(1)( )2,12kkkksskskaattkTtkTkTa 10/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKn附加相位函附加相位函数的数的波形图波形图51,12( ),(1)( )2,12kkkksskskaattkTtkTkTa 10/15/2021 8:23:34 PMTs3Ts5Ts9Ts

33、7Ts11Ts0k(t)8.3 最小频移键控最小频移键控MSKn1. MSK附加相位的全部可能路径附加相位的全部可能路径图图n2. 模模2 运算后的附加相位路运算后的附加相位路径图径图52Ts3Ts5Ts9T7T11T0k(t)10/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKpMSK信信号的特号的特点点：nMSK信号是恒定包络信号；信号是恒定包络信号； n在在码元转换时刻，信号的相位是连续的，以载波相位为基准的码元转换时刻，信号的相位是连续的，以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内线性地变化信号相位在一个码元期间内线性地变化 /2 ； n在在一个码元期间内，

34、信号应包括四分之一载波周期的整数倍，一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数倍，信号的频率偏移等于信号的频率偏移等于 1/4Ts ，相应的相应的调制指数调制指数h=0.5。5310/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKpMSK调调制制n所以所以54( )cos( )cos( )cossin( )sinMSKckkckcsttttttt ,1,0mod22kkkkkSattaT 或( )coscossinsincossincoscossinsin2222coscoscoscossinsin22 ( )coscos( )si2kkkkMSKkkckkc

35、SSSsSkckkcSSkckSatatatatstttTTTTtttatTTtIttQ tTnsin2cSttTsin0,cos1kk coscos,sinsin2222kkkssssaattttaTTTT10/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKpMSK的调制的调制n而而nIk，Qk不可能同时改变不可能同时改变u仅仅当当ak ak-1，且，且k为奇数时为奇数时， Ik才可能才可能改变。但是改变。但是当当Ik和和ak同时改变时同时改变时， Qk不不改变改变；u仅当仅当ak ak-1，且，且k为偶为偶数时数时， Ik不不改变改变， Qk才才改变改变。n加加

36、权函数权函数cos( t/2Ts)和和sin ( t/2Ts)都是正负符号不同的半个正都是正负符号不同的半个正弦波周期弦波周期。n这样就保证了波这样就保证了波形在第形在第k个码个码元元的的连续连续性。性。55( )cos1kkIt ( )cos( )1kkkkkQ taa It 111111,(),2kkkkkkkkkkaakaakaa10/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKnMSK信信号号举举例例n输入序输入序列列ak56k01 23456789t(-Ts, 0)(0, Ts)(Ts, 2Ts)(2Ts, 3Ts)(3Ts, 4Ts)(4Ts, 5Ts

37、)(5Ts, 6Ts)(6Ts, 7Ts)(7Ts, 8Ts)(8Ts, 9Ts)ak+1+1-1+1-1-1+1+1-1 1bk+1+1-1-1+1-1-1-1+1+1k0000Ik+1+1+1-1-1-1-1-1-1+1Qk+1+1-1-1+1+1-1-1+1+1( )coskkIt( )coskkkQ ta111111,(),2kkkkkkkkkkaakaakaa10/15/2021 8:23:34 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKnMSK信信号号波波形形 MSK信号波形信号波形相当于一种相当于一种特殊的特殊的 OQPSK信号信号波形波形， 其其正正交的两交的两路码路码元元 也

38、是也是偏置的，特偏置的，特殊殊 之处之处主要在于其包主要在于其包络是正弦形，络是正弦形，而不而不 是是矩形。矩形。57k(mod 2)akQkIkQksin(t/2Ts)Ikcos(t/2Ts)a1a2a3a4a5a6a7a8a90 Ts 2Ts 3Ts 4Ts 5Ts 6Ts 7Ts 8TTs2Ts10/15/2021 8:23:35 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKpMSK信号的产生和解调信号的产生和解调nMSK信号调制器原理信号调制器原理图图n串串/并变换输出的支路码元长度为输入码元长度的两并变换输出的支路码元长度为输入码元长度的两倍。倍。58( )( )coscos( )si

39、nsin22MSKkckcSSttstIttQ ttTT10/15/2021 8:23:35 PMv0(t)k(t)8.3 最小频移键控最小频移键控MSKnMSK信号的解调方法信号的解调方法 n设设 1(t) = 0，在，在t 2T时，时， k(t)的相位可能为的相位可能为0或或n相乘相乘相相干载干载波波cos( st + /2)n经低通滤波器输出经低通滤波器输出n若在此若在此2Ts期间对上式积分期间对上式积分，若若积积分结果为正值时，说明第一分结果为正值时，说明第一个接收码元为个接收码元为“1”；若积分结果为负值，则说明第；若积分结果为负值，则说明第1个接收个接收码元为码元为“1”。5911

40、cos( )cos(/ 2)cos( )cos2( )2222sksksktttttt)(sin2)(cos0ttvkk10/15/2021 8:23:35 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKnMSK信号延迟解调法方框图信号延迟解调法方框图 n图中两个积分判决器的积分时间长度均为图中两个积分判决器的积分时间长度均为2Ts，但是错开时间，但是错开时间Ts。n上上支路的积分判决器先给出第支路的积分判决器先给出第2i个码元输个码元输出出;n然然后下支路给出第后下支路给出第(2i+1)个码元输出。个码元输出。60载波提取积分判决解调输出MSK信号2iTs, (2i+2)Ts(2i-1)Ts,

41、(2i+1)Ts积分判决10/15/2021 8:23:35 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKnMSK鉴频器解调原理鉴频器解调原理图图nMSK信号相干解调器原理信号相干解调器原理图图6110/15/2021 8:23:35 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKpMSK信号的归一化功率信号的归一化功率谱谱nMSK信号的功率谱密度更为集中，即其旁瓣下降得更快信号的功率谱密度更为集中，即其旁瓣下降得更快，对，对邻邻道的干扰也较小。道的干扰也较小。 6222s2216cos2( )1 16sMSKsA TfTPffT22s22216cos2 ()( )1 16()sCMSKCsA Tf

42、fTPfffT10/15/2021 8:23:35 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKpMSK相相干解干解调调性性能能nMSK解调器输入信号与噪声的合成波为解调器输入信号与噪声的合成波为n经过经过相乘、低通滤波和抽样后，在相乘、低通滤波和抽样后，在t=2kTs时刻时刻I支路的样值和在支路的样值和在t=(2k+1)Ts时刻时刻Q支路的样值分别为支路的样值分别为n在在I和和Q支路数据等概情况下，各支路的误码率为支路数据等概情况下，各支路的误码率为63( )cos( )cos( )sin2kckccscSar tttn ttn ttT(2)cos( 1)kskcIkTan (21)cos(

43、1)kskksQkTaan 20021()1( )exp222sxaPf x dxdxerfcr222ar10/15/2021 8:23:35 PM8.3 最小频移键控最小频移键控MSKn经差分译码后经差分译码后,系统的总误比特率系统的总误比特率n把把MSK当当作作FSK信号用相干解调法在每个码元持续时间信号用相干解调法在每个码元持续时间Ts内解内解调调，其，其性能将比性能将比2PSK信号的性能信号的性能差差3dB。 pMSK使用最佳接收使用最佳接收相关相关解调性能解调性能n平平均误码率与均误码率与BPSK/QPSK性性能一样能一样642(1)bssPPPb122bbooEEPerfcQnn1

44、0/15/2021 8:23:35 PM目目 录录p8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKp8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK p8.3 最小频移键最小频移键控控MSKp8.4 高斯最小频移键高斯最小频移键控控GMSKp8.5 正交幅度调正交幅度调制制QAMp8.6 正交频分复正交频分复用用OFDM6510/15/2021 8:23:35 PM8.4 高斯最小频移键控高斯最小频移键控GMSKpGMSK原理（可参考周炯槃）原理（可参考周炯槃）nMSK调制方式的突出优点是已调信号具有恒定包络，且功率谱调制方式的突出优点是已调信号具有恒定包络，且功率谱在主瓣以外衰减较快在主

45、瓣以外衰减较快。n但但是，是，在移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，在移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，一般要求必须衰减一般要求必须衰减70dB以上以上。MSK信号的功率信号的功率谱仍谱仍不能满足不能满足这样的要求这样的要求。n高高斯最小移频键控斯最小移频键控(GMSK) 能能满足移动通信环境下对邻道干扰满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求的严格要求，被，被泛欧数字蜂窝移动通信系统泛欧数字蜂窝移动通信系统(GSM)采采用用。6610/15/2021 8:23:35 PM8.4 高斯最小频移键控高斯最小频移键控GMSKpGMSK调制原理调制原理图图nMSK调制是调制指数为

46、调制是调制指数为0.5的二进制调频，基带信号为矩形波的二进制调频，基带信号为矩形波形形。n为为了压缩了压缩MSK信号的功率谱，可在信号的功率谱，可在MSK调制前加入预调制滤调制前加入预调制滤波器，对矩形波形进行滤波，得波器，对矩形波形进行滤波，得到新的到新的基带波形，使基带波形，使其及其高其及其高阶导阶导数都连续，从而得到较好的频谱特性数都连续，从而得到较好的频谱特性。6710/15/2021 8:23:35 PM8.4 高斯最小频移键控高斯最小频移键控GMSKn高斯型滤波器的传输函数高斯型滤波器的传输函数为为n其其中，中，B为高斯滤波器的为高斯滤波器的3dB带宽带宽n其冲其冲击响应为高斯型特

47、性击响应为高斯型特性nGMSK信号的功率谱很难分析计算，一般用计算机仿真的方法信号的功率谱很难分析计算，一般用计算机仿真的方法得到。得到。nBTs为为GMSK重重要指要指标标,B为为3dB带带宽宽,Ts为码元间隔。为码元间隔。uGMSK信号频谱特性的改善是以降低误比特率性能为代价的，预滤波器的信号频谱特性的改善是以降低误比特率性能为代价的，预滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，但同时码间串扰（带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，但同时码间串扰（ISI）也越明显，即）也越明显，即BTs值越小，码间串扰越大，误比特率性能也会变得越差。在实际应用中值越小，码间串扰越大，误比特率性能也会变得越差。在实际应

48、用中BTs应该折衷选择。应该折衷选择。 GSM制的蜂窝网制的蜂窝网中采中采用用BTs = 0.3。682( )exp(ln2 / 2)(/)H ffB 222exph ttln2/ 2 / B10/15/2021 8:23:35 PM8.4 高斯最小频移键高斯最小频移键控控GMSKnGMSK信号的功率信号的功率谱谱uGMSK信号的功率谱很难分析计算，一般用计算机仿真的方法得到信号的功率谱很难分析计算，一般用计算机仿真的方法得到。6910/15/2021 8:23:36 PM目目 录录p8.1 偏移四相相移键偏移四相相移键控控OQPSKp8.2 /4四相相移键四相相移键控控/4QPSK p8.3

49、 最小频移键最小频移键控控MSKp8.4 高斯最小频移键高斯最小频移键控控GMSKp8.5 正交幅度调正交幅度调制制QAMp8.6 正交频分复正交频分复用用OFDM7010/15/2021 8:23:36 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制QAMpQAM(Quadrature Amplitude Modulation)nMQAM调制原理调制原理n用用两个独立的基带数字信号两个独立的基带数字信号对对两个相互正交的同频载波两个相互正交的同频载波进行进行抑抑制载波的双边带调制制载波的双边带调制，利，利用已用已调信号在同一带宽内频谱正交的调信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。

50、性质来实现两路并行的数字信息传输。n信信号的一般表示号的一般表示式式71( )()cos()MQAMnScnnstA g tnTt( )()coscos()sinsinMQAMnSncnSncnnstA g tnTtA g tnTt10/15/2021 8:23:36 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制QAMn令令n则则nM4时时nMQAM通称为通称为QAMn QAM信号调制原理信号调制原理图图72cossinnnnnnnXAYA ( )() cos() sin( )cos( )sinMQAMnScnScnnccstX g tnTtY g tnTtX ttY tt( )cos() cossi

51、n() sinMQAMnnScnnScnnstAg tnTtAg tnTt2ML 10/15/2021 8:23:36 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制QAMn4QAM的星座的星座图图n当当 取取 /4和和- /4，(不能取不能取0，否则非正交，否则非正交)n 分别取正负分别取正负2个值个值n此此QAM信号就成为信号就成为QPSK信号信号n所所以，以，QPSK信号就是一种最简单的信号就是一种最简单的QAM信号。信号。73cossinnnnnnnXAYA n,nnX Y10/15/2021 8:23:36 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制QAMn16QAM的星座的星座图图n (a) 方型

52、方型16QAM星座；星座； (b) 星型星型16QAM星座星座n在在衰落信道中，星型衰落信道中，星型16QAM比方型比方型16QAM更具有吸引力更具有吸引力。7410/15/2021 8:23:36 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制QAMnM=4, 16, 32, , 256时时MQAM信号的星座信号的星座图。图。7510/15/2021 8:23:36 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制QAMn已已知知 ，令，令nA是固定振幅，是固定振幅，cn、dn由输入数据确定。由输入数据确定。cn、dn决决定定QAM信号信号在信在信号空间中的坐标点号空间中的坐标点。n若若信号点之间的最小距离为信号

53、点之间的最小距离为2A，且所有信号点等概率出现，且所有信号点等概率出现，则，则平均发射信号功率平均发射信号功率为为u对对于方型于方型16QAM，信号平均功率为，信号平均功率为u对于星型对于星型16QAM，信号平均功率为，信号平均功率为 u两两者功率相差者功率相差1.4dB。762221()MsnnnAPcdM222221()(428 104 18)1016MsnnnAAPcdAM 22222221()(42.6184.61 )14.0316MsnnnAAPcdAM cossinnnnnnnXAYA nnnnXC AYD A10/15/2021 8:23:36 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调

54、制QAMn若已调信号的最大幅度为若已调信号的最大幅度为1，则，则MPSK信号星座图上信号点间信号星座图上信号点间的最小距的最小距离（离（相邻矢量点相邻矢量点欧欧氏距氏距离离）为）为nMQAM信号矩形星座图上信号点间的最小距离信号矩形星座图上信号点间的最小距离为为nL为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数，为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数，M=L2。n最小距离（最小距离（欧氏距离欧氏距离）代表了调制系统的）代表了调制系统的噪声容限噪声容限。772sinMPSKdM2211MQAMdLM10/15/2021 8:23:36 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制QAMn当当M=

55、4时，时，d4PSK=d4QAM，实际上，实际上，4PSK和和4QAM的星座图相同的星座图相同。n当当M=16时，时，d16QAM=0.47，而，而d16PSK=0.39，d16PSKd16QAM。这表。这表明，明，16QAM系统的抗干扰能力优于系统的抗干扰能力优于16PSK。n按上式按上式计算计算， d16QAM超过超过d16PSK约约1.57 dB。但这是但这是在最大功率在最大功率（振幅）相等的条件下比较的，没有考虑这两种体制的平均功（振幅）相等的条件下比较的，没有考虑这两种体制的平均功率差别率差别。n16PSK信号的平均功率（振幅）就等于其最大功率（振幅）。信号的平均功率（振幅）就等于其

56、最大功率（振幅）。而而16QAM信号，在等概率出现条件下，可以计算出其最大功信号，在等概率出现条件下，可以计算出其最大功率和平均功率之比等于率和平均功率之比等于1.8倍，即倍，即2.55 dB。n因因此，在平均功率相等条件下，此，在平均功率相等条件下，16QAM比比16PSK信号的噪声信号的噪声容限大容限大4.12 dB。78QdPdA10/15/2021 8:23:36 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制QAMn16QAM的改进：的改进： QAM的星座形状并不是正方形最好，实际上的星座形状并不是正方形最好，实际上以边界越接近圆形越好以边界越接近圆形越好。n下图中给出了一种改进的下图中给出了

57、一种改进的16QAM方案，其中星座各点的振幅方案，其中星座各点的振幅分别等于分别等于 1、 3和和 5。将其和上图相比较，不难看出，其。将其和上图相比较，不难看出，其星座星座中各信号点的最小相位差中各信号点的最小相位差比上图大比上图大，因此，因此容许较大的相位抖动容许较大的相位抖动。7910/15/2021 8:23:36 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制QAMnQAM适用于频段资源有限的情况。适用于频段资源有限的情况。一种用一种用于于Modem的的传输速传输速率为率为9600 b/s的的16QAM方案，其载频为方案，其载频为1650 Hz，滤波器带宽，滤波器带宽为为2400 Hz，滚降系

58、数为，滚降系数为10。80(a) 传输频带(b) 16QAM星座1011 1001 1110 11111010 1000 1100 11010001 0000 0100 01100011 0010 0101 0111A240010/15/2021 8:23:36 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制QAMnMQAM调制原理调制原理n16QAM信信号产号产生方法生方法u正交调幅法：用两路独立的正交正交调幅法：用两路独立的正交4ASK信号叠加，形成信号叠加，形成16QAM信号，如下信号，如下图所示。图所示。 81( )cos() cossin() sin() cos() sinMQAMnnScnn

59、ScnnnScnScnnstAg tnTtAg tnTtX g tnTtY g tnTt0101101010111100000t00000t0101101010111110/15/2021 8:23:37 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制QAMnMQAM调制原理调制原理n16QAM信信号产号产生方法生方法u复合相移法：它用两路独立的复合相移法：它用两路独立的QPSK信号叠加，形成信号叠加，形成16QAM信号，如下图信号，如下图所示。所示。82( )cos() cossin() sin() cos() sinMQAMnnScnnScnnnScnScnnstAg tnTtAg tnTtX g

60、tnTtY g tnTt10/15/2021 8:23:37 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制QAMnMQAM解调原解调原理理n 16QAM, SNR=10 16QAM, SNR=20 83-4-3-2-101234-4-3-2-10123416QAM signal constellation with SNR=10Real partImage part-4-3-2-101234-4-3-2-10123416QAM signal constellation with SNR=20Real partImage part10/15/2021 8:23:39 PM8.5 正交幅度调制正交幅度调制