西电-现代数字调制解调技术剖析讲解学习

1、西电-现代数字调制解调技术剖析现代数字调制技术现代数字调制技术 正交振幅调制正交振幅调制(QAM)；正交频分复用正交频分复用(OFDM) ；最小移频键控最小移频键控(MSK) ；高斯最小移频键控高斯最小移频键控(GMSK) ； DQPSK ；扩频调制。扩频调制。4/4/4/一、一、正交振幅调制正交振幅调制(QAM) 在现代通信中，提高频谱利用率一在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。近年来，随直是人们关注的焦点之一。近年来，随着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的

2、主要目标之一。其信系统设计、研究的主要目标之一。其中正交振幅调制中正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一种频谱利就是一种频谱利用率很高的调制方式。在中、大容量数用率很高的调制方式。在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到广泛据传输、卫星通信系统等领域得到广泛应用。应用。 信号信号星座图星座图 信号矢量端点的分布图称为星座图。通信号矢量端点的分布图称为星座图。通常，可以用星座图来描述常，可以用星座图来描述QAM信号的信号空信号的信号空间分布状态。对于的间分布状态。对于的16

3、16QAM来说，有多种分来说，有多种分布形式的信号星座图。两种具有代表意义的布形式的信号星座图。两种具有代表意义的信号星座图如下图所示。信号星座图如下图所示。 2. QAM信号调制信号调制其中其中QAMQAM中的振幅可以表示为中的振幅可以表示为 )cos()()(ncnsnMQAMtnTtgAtstnTtgYtnTtgXcnsncnsnsin )(cos )(ttYttXccsin)(cos)(AdYAcXnnnn QAM信号调制原理图如下图所示。图中，信号调制原理图如下图所示。图中，输入的二进制序列经过串输入的二进制序列经过串/并变换器输出速率并变换器输出速率减半的两路并行序列，再分别经过减

4、半的两路并行序列，再分别经过2 2电平到电平到L L电电平的变换，形成平的变换，形成L L电平的基带信号。为了抑制电平的基带信号。为了抑制已调信号的带外辐射，该电平的基带信号还要已调信号的带外辐射，该电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，再分别对同相载波和经过预调制低通滤波器，再分别对同相载波和正交载波相乘。最后将两路信号相加即可得到正交载波相乘。最后将两路信号相加即可得到QAM信号。信号。 以主瓣宽度作为以主瓣宽度作为MQAM 信号带宽，信号带宽，则则MQAM调制方式的频谱利用率为调制方式的频谱利用率为 )./(log212HzsbMBRMQAMbMQAM二、最小移频键控二、最小移频键控(

5、MSK) 由于一般移频键控信号相位不连续、频偏由于一般移频键控信号相位不连续、频偏较大等原因，使其频谱利用率较低。较大等原因，使其频谱利用率较低。 MSK(Minimum Frequencyshift-keying)是二进制连续相位是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。的一种特殊形式。MSK称为最小移频键控，有时也称为快速移频键控称为最小移频键控，有时也称为快速移频键控(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)获得正交信号；而获得正交信号；而“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

6、传传输更高的数据速率，且在带外的频谱分量要比输更高的数据速率，且在带外的频谱分量要比2PSK衰减的快。衰减的快。 1. MSK的基本原理的基本原理 MSK是恒定包络连续相位频率调制，其是恒定包络连续相位频率调制，其信号的表示式为：信号的表示式为： 称为附加相位函数；称为附加相位函数； 为输入第为输入第 个码元，个码元，取值为取值为 ； 为第为第 个码元的相位常数。个码元的相位常数。 )2cos()(kskcMSKtTattssskskkTktkTtTat) 1(,2)()(tkka1kkk中心频率为：中心频率为： 两个频率可表示为：两个频率可表示为： sscTmNTff141411sscTmN

7、Tff141412sscTmNTnf144)3 , 2 , 1 , 0(mN为正整数；由此可得频率间隔为由此可得频率间隔为MSK信号的调制指数为信号的调制指数为sTfff21125.02121sssTTfTh附加相位函数附加相位函数 是一直线方程，其斜率为是一直线方程，其斜率为 )(tkskTa2MSK的相位网格图的相位网格图 MSK信号具有以下特点信号具有以下特点 MSK信号是恒定包络信号；信号是恒定包络信号；在码元转换时刻信号的相位是连续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信号相位的，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在一个码元期间内线性地变化 ； 在一个

8、码元期间内，信号应包括四在一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数倍，信号的分之一载波周期的整数倍，信号的频率偏移等于频率偏移等于 ，相应的调制指，相应的调制指数数 。 2sT415 . 0hMSKMSK信号的功率谱信号的功率谱 2. MSK调制解调原理调制解调原理 MSK信号的一般表示式为信号的一般表示式为 )(cos)(tttskcMSKttttckcksin)(sincos)(costTtatTtcskkcsksin2sincoscos2coscos调制器原理图调制器原理图 鉴频器解调原理图鉴频器解调原理图 BPF鉴频LPF抽样判决输入输出相干解调器原理图相干解调器原理图 BPF

9、xxLPFLPF差分译码载波恢复判决电路判决电路并串变换输出输入tccostcsin3. MSK的误比特率性能的误比特率性能 各支路的误码率为各支路的误码率为 式中 为信噪比 系统的总误比特率为rerfcPs21222ar )1(2ssePPPMSK系统误比特率曲线系统误比特率曲线 三、高斯最小移频键控三、高斯最小移频键控(GMSK) 在移动通信中，对信号带外辐射功在移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，一般要求必须衰减率的限制十分严格，一般要求必须衰减70dB以上。从以上。从MSK信号的功率谱可以看信号的功率谱可以看出，出，MSK信号仍不能满足这样的要求。信号仍不能满足这样的要求。高

10、斯最小移频键控高斯最小移频键控(GMSK)就是针对上述就是针对上述要求提出来的。要求提出来的。GMSK调制方式能满足调制方式能满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求，移动通信环境下对邻道干扰的严格要求，它以其良好的性能而被泛欧数字蜂窝移它以其良好的性能而被泛欧数字蜂窝移动通信系统动通信系统(GSM)所采用。所采用。 1. . GMSK的基本原理的基本原理 为了压缩为了压缩MSK信号的功率谱，信号的功率谱，可在可在MSK调制前加入预调制滤波器，调制前加入预调制滤波器，对矩形波形进行滤波，得到一种新对矩形波形进行滤波，得到一种新型的基带波形，使其本身和尽可能型的基带波形，使其本身和尽可能高阶的导数

11、都连续，从而得到较好高阶的导数都连续，从而得到较好的频谱特性。的频谱特性。 GMSK调制原理调制原理 预调制滤波器MSK调制器输入输出预调制滤波器主要特性预调制滤波器主要特性 (1) 带宽窄并且具有陡峭的截止特性；带宽窄并且具有陡峭的截止特性； (2) 脉冲响应的过冲较小；脉冲响应的过冲较小； (3) 滤波器输出脉冲响应曲线下的面积滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于对应于 的相移。的相移。 其中条件其中条件(1)是为了抑制高频分量；条是为了抑制高频分量；条件件(2)是为了防止过大的瞬时频偏；条件是为了防止过大的瞬时频偏；条件(3)是为了使调制指数为是为了使调制指数为0.5。2高斯低通滤波器特

12、性高斯低通滤波器特性 单位冲击响应单位冲击响应 传输函数传输函数 2exp)(tth22exp)(ffHbbTB高斯预调制滤波器的脉冲响应高斯预调制滤波器的脉冲响应 GMSK信号的相位路径信号的相位路径 GMSK信号的功率谱信号的功率谱 GMSK信号信号的眼图的眼图 2. . GMSK的调制与解调的调制与解调 锁相环锁相环(PLL)法法 锁相环输入输出BPSK移相2波形存储正交调制器波形存储正交调制器 BPFxxLPFLPFcos函数表sin函数表D/A变换D/A变换象限控制输出输入+tccostcsin1比特差分解调器比特差分解调器BPF时延Tb移相LPF抽样判决信号输入输出x90o 2比特

13、差分解调器比特差分解调器BPF时延2Tb限幅器LPF抽样判决信号输入输出x3. GMSK系统的性能系统的性能 GMSK信号相干解调的误比特率下界为信号相干解调的误比特率下界为 式中式中 为发送数据为发送数据“1”和和“0”之间的之间的最小距离最小距离 rnderfcPe0min221minddttutudtttutu201)(),(2min2110)()(min 归一化最小信号距离归一化最小信号距离 GMSK信号误比特性能信号误比特性能 四、正交频分复用四、正交频分复用 (OFDM) OFDM是一种并行体制，它是将是一种并行体制，它是将高速率的串行信息数据流经串高速率的串行信息数据流经串/并变

14、并变换，分割为若干路低速率并行数据换，分割为若干路低速率并行数据流，然后每路低速率数据采用一个流，然后每路低速率数据采用一个独立的载波调制并叠加在一起构成独立的载波调制并叠加在一起构成发送信号。发送信号。 OFDM方式作为一种高效调制技方式作为一种高效调制技术，具有较强的抗多径传播和频率术，具有较强的抗多径传播和频率选择性衰落的能力以及较高的频谱选择性衰落的能力以及较高的频谱利用率。利用率。 OFDM系统已成功地应用于接系统已成功地应用于接入网中的高速数字环路入网中的高速数字环路HDSL、非对、非对称数字环路称数字环路ADSL，高清晰度电视，高清晰度电视HDTV的地面广播系统。在移动通的地面广

15、播系统。在移动通信领域，信领域，OFDM是第三代移动通信是第三代移动通信系统采用的技术之一。系统采用的技术之一。 1. . OFDM基本原理基本原理 串并变换调制符号映射相加信道匹配滤波器1并串变换调制1调制2调制N匹配滤波器2匹配滤波器NDINDOUTX(1)X(N)解调单元 OFDM是把高速串行的数据流通是把高速串行的数据流通过串并变换，变成低速的并行数据过串并变换，变成低速的并行数据流，再根据调制方式把并行的数据流，再根据调制方式把并行的数据流进行映射为各路并行的调制符号流进行映射为各路并行的调制符号流，对一组正交载波进行调制，各流，对一组正交载波进行调制，各路已调信号相加后，形成路已调

16、信号相加后，形成OFDM信信号。号。 在接收端根据在接收端根据OFDM信号中各信号中各载波之间正交的特点，采用相关接载波之间正交的特点，采用相关接收的方法，分离各路已调信号，并收的方法，分离各路已调信号，并恢复出基带调制符号流，再根据系恢复出基带调制符号流，再根据系统调制的方式，恢复出并行数据流，统调制的方式，恢复出并行数据流，通过并串变换恢复出发送的高速串通过并串变换恢复出发送的高速串行数据流。行数据流。 OFDM信号数学表示形式信号数学表示形式 式中式中 为第为第m个子载波角频率个子载波角频率 为第为第m个子载波上的复数信号个子载波上的复数信号, 在一个符号期间为常数，则有在一个符号期间为

17、常数，则有 10)()(MmtjmOFDMmetdtsmcm)(tdm)(tdmmmdtd)(子载波已调信号功率谱密度子载波已调信号功率谱密度 OFDM合成信号功率谱密度合成信号功率谱密度 OFDM信号调制与解调信号调制与解调 OFDM信号产生原理信号产生原理 串/并变换编码映射IFFT并/串变换D/A变换输入输出LPF上变频 OFDM信号的产生是基于快速离散信号的产生是基于快速离散傅立叶变换实现的，输入的二进制数据傅立叶变换实现的，输入的二进制数据序列先进行串序列先进行串/并变换。根据并变换。根据OFDM符号符号间隔间隔 ，将其分成，将其分成 个比特一个比特一组。这组。这 个比特被分配到个比

18、特被分配到N个子信道上，个子信道上，经过编码后映射为经过编码后映射为N个复数子符号。采用个复数子符号。采用2N点快速离散傅立叶反变换点快速离散傅立叶反变换(IFFT)将频将频域内的域内的N个复数子符号变换成时域中的个复数子符号变换成时域中的2N个实数样值，加上循环前缀之后就构个实数样值，加上循环前缀之后就构成了实际的成了实际的OFDM发送符号。发送符号。 D/A转换转换器和低通滤波器输出基带信号。最后经器和低通滤波器输出基带信号。最后经过上变频输出过上变频输出OFDM信号。信号。 sTsbtTRc tcOFDM信号接收端原理信号接收端原理 下变频LPFA/D变换串/并变换FFT输入输出均衡并/

19、串变换译码判决 OFDM信号接收端的处理过程与发送信号接收端的处理过程与发送端相反。接收端输入端相反。接收端输入OFDM信号首先经信号首先经过下变频变换到基带，过下变频变换到基带，A/D转换、串转换、串/并并变换后的信号去除循环前缀，再进行变换后的信号去除循环前缀，再进行2N点快速离散傅立叶变换点快速离散傅立叶变换(FFT)得到一帧数得到一帧数据。为了对信道失真进行校正，需要对据。为了对信道失真进行校正，需要对数据进行单抽头或双抽头时域均衡。最数据进行单抽头或双抽头时域均衡。最后经过译码判决和并后经过译码判决和并/串变换，恢复出发串变换，恢复出发送的二进制数据序列。送的二进制数据序列。 为了使

20、信号在为了使信号在IFFT、FFT前后功率保持前后功率保持不变，不变，DFT和和IDFT应满足以下关系应满足以下关系 ) 10(,2exp1)(10NkkNnjnxNkXNn ) 10(,2exp1)(10NnnNkjkXNnxNk 在在OFDM系统中，子载波的数量应系统中，子载波的数量应根据信道带宽、数据速率以及符号周期根据信道带宽、数据速率以及符号周期来确定。来确定。OFDM系统采用的调制方式应系统采用的调制方式应根据功率及频谱利用率的要求来选择。根据功率及频谱利用率的要求来选择。常用的调制方式有常用的调制方式有QPSK和和16QAM方式。方式。另外，不同的子信道还可以采用不同的另外，不同

21、的子信道还可以采用不同的调制方式，特性较好的子信道可以采用调制方式，特性较好的子信道可以采用频谱利用率较高的调制方式，而衰落较频谱利用率较高的调制方式，而衰落较大的子信道应选用功率利用率较高的调大的子信道应选用功率利用率较高的调制方式，这是制方式，这是OFDM系统的优点之一。系统的优点之一。 3. . OFDM系统性能系统性能 抗脉冲干扰抗脉冲干扰 OFDM系统抗脉冲干扰的能力比单系统抗脉冲干扰的能力比单载波系统强很多。这是因为对载波系统强很多。这是因为对OFDM信信号的解调是在一个很长的符号周期内积号的解调是在一个很长的符号周期内积分，从而使脉冲噪声的影响得以分散。分，从而使脉冲噪声的影响得以分散。事实上，对脉冲干扰有效的抑制作用是事实上，对脉冲干扰有效的抑制作用是最初研究多载波系统的动机之一。提交最初研究多载波