现代通信理论第五讲现代数字调制

1、 第第 五五 讲讲 现代数字调制现代数字调制现代通信理论现代通信理论绪论绪论 目的：目的：为了使数字信号能在实际信道为了使数字信号能在实际信道( (特别是无线信道特别是无线信道) )中传输，中传输，有效的利用传输媒质，必须把基带信号进行载波调制；有效的利用传输媒质，必须把基带信号进行载波调制；方法方法1：和模拟调制一样就是把数据信号寄生在载波的某个参数和模拟调制一样就是把数据信号寄生在载波的某个参数上：幅度、频率和相位，即用数据信号来进行幅度调制、频率上：幅度、频率和相位，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制和相位调制。因此可以采用模拟调制的方法来实现；调制和相位调制。因此可以采用模拟调制的方

2、法来实现；方法方法2：由于数字信号的状态有限由于数字信号的状态有限,因而可以采用键控载波的方因而可以采用键控载波的方法来实现法来实现,如如: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）三种基本方式）三种基本方式。第一部分：二进制数字调制系统第一部分：二进制数字调制系统 2ASK波形可看成单极性不归零码与正弦载波相乘的结果。波形可看成单极性不归零码与正弦载波相乘的结果。tnTtgatsnbnASK02cos)()(10na， p，1-p一、一、 a k码型码型变换变换单极性单极性NRZNRZ2ASK信号信号t0cos模拟调制法产生模拟调制法产生

3、2ASK信号信号)()(41)(cscseffPffPfP与与AM信号的信号的频谱频谱 很相似很相似2ASK信号的解调信号的解调BPFLPF定时脉冲定时脉冲包络检包络检波器波器2ASK信号信号抽抽 样样判决器判决器an非相干解调非相干解调xc c o o s s c ct tBPFLPF抽抽样样判决器判决器2ASK信号信号相干解调相干解调定时脉冲定时脉冲 a an n y(t)z(t)s(t)二、二、 二进制频移键控二进制频移键控1. FSK信号的产生及时域表达信号的产生及时域表达 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 2FSK信号可看成两个信号可看成两个互不相关的单极性不归互不相关的单极性

4、不归零码分别与两个正弦载零码分别与两个正弦载波相乘而得到波相乘而得到tnTtgatnTtgatsnbnnbnFSK212cos)(cos)()(10na， p，1-p01na， p，1-p模拟调制法产生模拟调制法产生2FSK信号信号t1cosa k单极性单极性NRZ2FSK信号信号 相加相加倒相倒相t2cos 2FSK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽112211( )()()()()44essssP fP ffP ffP ffP ff(1) 2FSK信号的功率谱与信号的功率谱与2ASK的相似，由离散谱和连续谱组成的相似，由离散谱和连续谱组成。(2) 连续谱的形状随着连续谱的形状随着 的大小

5、而异：的大小而异：bfff12bfff12，出现双峰；出现双峰；，出现单峰。，出现单峰。12ff(3) 2FSK信号的频带宽度为信号的频带宽度为: 2212FSKbBfff2FSK信号解调器信号解调器图图 非相干解调方式非相干解调方式 1抽样脉冲抽样脉冲 输入输入 带通带通滤波器滤波器 包络包络检波器检波器 抽样抽样判决器判决器 输出输出 带通带通滤波器滤波器 包络包络检波器检波器 2 输入输入 带通带通滤波器滤波器cos 1t 低通低通滤波器滤波器抽样脉冲抽样脉冲 抽样抽样 判决器判决器 输出输出 带通带通滤波器滤波器cos 2t 低通低通滤波器滤波器 1 2图图 相干解调方式相干解调方式b

6、fff212用普通的分路滤波用普通的分路滤波器需满足下面条件器需满足下面条件三、二进制相移键控三、二进制相移键控(2PSK)及差分相移键控及差分相移键控(2DPSK)1、2PSK信号的产生及时域表达信号的产生及时域表达s (t)0a k 相移相移载波载波k 1 0 0 1 0 1 1 0 a k载波载波2PSK信号信号c o s cts (t)双极性双极性不归零码不归零码模拟调制法产生模拟调制法产生2PSK信号信号A方式：方式：0， “0”， “1”B方式：方式：0， “0”， “1”tnTtgatsnbnPSK02cos)()(11na， p，1-p)()(41)(cscseffPffPfP

7、)cos(cos)(002tttsPSK或：或：2、 2PSK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽与与DSB信号的信号的频谱很相似频谱很相似仍为基带信号带宽的仍为基带信号带宽的2倍，零点带宽倍，零点带宽3、2PSK的相干解调器的相干解调器 抽样抽样判决器判决器 输入输入 带通带通滤波器滤波器c o s ct 低通低通 滤波器滤波器 输出输出定时脉冲定时脉冲4、 2DPSK（相对相移键控相对相移键控） 1 0 0 1 0 1 1 0 绝对码绝对码载波载波2PSK信号信号 (0) ( ) ( ) (0) ( ) (0) (0) ( ) (0) (0) ( ) (0) (0) ( ) ( ) ( )

8、 (0)2DPSK信号信号A A方式：方式：0， “0”， “1”B B方式：方式：0， “0”， “1”相对码相对码 1 1 0 1 1 0 1 1 0 相对码相对码A方式：方式：1nnnbab1nnnbabB方式方式：单极性码表示单极性码表示1nnnbab1nnnbabA方式方式B方式方式双极性码表示双极性码表示2DPSK信号的相干解调和差分相干解调信号的相干解调和差分相干解调第二部分第二部分 多进制数字调制系统多进制数字调制系统 数字有效调制数字有效调制多进制传输与二进制传输的比较多进制传输与二进制传输的比较: :(1) 在传码率相同的情况下在传码率相同的情况下, ,可以提高传信率可以提

9、高传信率; ;(2) 在传信率相同的情况下在传信率相同的情况下, ,可以降低信道中的传码率可以降低信道中的传码率, , 降低信号带宽降低信号带宽, ,增加码元传输间隔增加码元传输间隔, ,减小码间干扰减小码间干扰; ;(3) 增加了传输矢量增加了传输矢量, ,误码率有所增加。误码率有所增加。传输带宽传信率频谱利用率：频谱利用率：一一 、 多进制相位调制多进制相位调制矢矢 量量 图图1、4PSK(QPSK)及及4DPSK QPSK信号的矢量图：信号的矢量图： 逻辑选相电路逻辑选相电路串串/ /并并带通带通滤波器滤波器四相载波发生器四相载波发生器0 90 180 2704PSK信号信号相位选择法产

10、生相位选择法产生4PSK信号信号/23/2/43/47/45/40正交调制法正交调制法(/2系统系统)串串/并并变换变换/4相加相加输入输入输出输出/4串串/并并变换变换/2 相移相移相加相加输入输入输出输出正交调制法正交调制法(/4系统系统)/23/2/43/47/45/404PSK (QPSK) 相干解调相干解调并并/ /串串变换变换/2/2LPF输入输入输出输出LPF判决判决判决判决定时定时定时定时正交调制法产生正交调制法产生 8PSK信号信号串串/并并变变 换换相相 加加输入输入输出输出电电 平平产产 生生/2电电 平平产产 生生倒 相b2b311100001b1b301 00 10

11、11110010011001000100111101b2b1 b3二、幅度和相位联合调制相二、幅度和相位联合调制相(APK)提出：提出：多进制调制系统的频带利用率高，但多进制调制系统频带多进制调制系统的频带利用率高，但多进制调制系统频带利用率的提高是通过牺牲功率利用率来换取的，因为利用率的提高是通过牺牲功率利用率来换取的，因为M增大，各增大，各信号点间最小距离减小，判决区域减小，误码率增大。信号点间最小距离减小，判决区域减小，误码率增大。星座图星座图(矢量图矢量图)16PSK：d10.39A16QAM：d20.47A正交调制法产生正交调制法产生16QAM信号信号串串/ /并并变换变换/2相加相

12、加输入输入输出输出 2/4电电平变换平变换 2/4电电平变换平变换正交调幅正交调幅MQAM 16QAM调制调制16QAM方型方型星坐图星坐图. . . . . . . . . . . . . . .A16PSK 16QAM 星型星座图星型星座图星型：星型：2个幅度，个幅度，8个相位个相位 方型：方型：3个幅度，个幅度，12个相位个相位在最小距离相等条件下，方在最小距离相等条件下，方型的误码率小于星型，但是型的误码率小于星型，但是正交调制法产生正交调制法产生MQAM信号信号ML 串串/并变换并变换/2相相 加加输入输入输出输出 2/L电平电平 变变 换换2/L电平电平 变变 换换单边带滤波单边带

13、滤波4800B3000-24002400f 600 3000 5400f600 3000f例：例：4800bps信号的调制解调器模型信号的调制解调器模型s (t)串串/ /并并四相四相PSK升余弦升余弦=0.5=0.548002400=0.25VBS滤波滤波器器2400-12001200f1800 1 800600 4200600 3000-800800f4800串串/ /并并8PSK=0.5升余弦升余弦双边带双边带BPF16001800Hz1200 1200600 3000第三部分第三部分 恒包络调制恒包络调制 -衰落信道的调制技术衰落信道的调制技术 现代数字调制技术的研究，主要是围绕着充分

14、地节省频谱现代数字调制技术的研究，主要是围绕着充分地节省频谱和高效地利用可用频带这一中心而展开的，前者指的是已调信和高效地利用可用频带这一中心而展开的，前者指的是已调信号频谱占用率，后者指的是信道可用频带利用率。号频谱占用率，后者指的是信道可用频带利用率。 由于通信容量迅速增加，致使射频频谱非常拥挤，因此各由于通信容量迅速增加，致使射频频谱非常拥挤，因此各个信道间的相互干扰已经成为一个突出的问题，为此国际上对个信道间的相互干扰已经成为一个突出的问题，为此国际上对频带占用率和利用率都作了严格的规定，例如在视距无线中继频带占用率和利用率都作了严格的规定，例如在视距无线中继传输中，规定占用带中至少要

15、包含整个信号频谱的传输中，规定占用带中至少要包含整个信号频谱的99%99%的功率，的功率，即带外辐射功率不得超过即带外辐射功率不得超过1%1%；在卫星通信中，规定要求相邻信；在卫星通信中，规定要求相邻信道中的带外辐射功率比所需信道低道中的带外辐射功率比所需信道低60608080分贝。分贝。现代恒包络调制技术的特点：现代恒包络调制技术的特点： 包络恒定或包络起伏小，包络恒定或包络起伏小，由于信道具有非线性的输入输出特性，由于信道具有非线性的输入输出特性，以及以及AM/PM效应，所以已调波包络不能起伏，而应当恒定，需要效应，所以已调波包络不能起伏，而应当恒定，需要采用采用FSK或或PSK调制调制;

16、 具有最小功率频谱占用率，具有最小功率频谱占用率，这就要求已调波具有快速高频滚降这就要求已调波具有快速高频滚降的频谱特性，即已调波除主瓣外只有很小的旁瓣，这种信号经过带的频谱特性，即已调波除主瓣外只有很小的旁瓣，这种信号经过带限滤波后，只要主瓣无失真的通过，由于被滤波的旁瓣功率很小，限滤波后，只要主瓣无失真的通过，由于被滤波的旁瓣功率很小，所以输出信号（即非线性部件的输入信号）的包络起伏很小，从而所以输出信号（即非线性部件的输入信号）的包络起伏很小，从而大大减小了大大减小了AM/PM效应，这样频谱扩展现象也会随之而减小，仍效应，这样频谱扩展现象也会随之而减小，仍旧保持了其具有较小功率谱占用率的

17、特点。旧保持了其具有较小功率谱占用率的特点。 已调信号相位连续：已调信号相位连续：相位路径在转换时刻连续变化会使频谱的衰相位路径在转换时刻连续变化会使频谱的衰减速度较快。减速度较快。一、偏移四相相移键控一、偏移四相相移键控(OQPSK)t理想理想QPSKt滤波后滤波后QPSK (c) MSK相位路径图相位路径图相位跳变导相位跳变导致频谱发散致频谱发散QPSK相位路径图相位路径图(b) OQPSK 相位路径图相位路径图 OQPSK调制器调制器串串/并并变换变换/2 相移相移相加相加输入输入输出输出延时延时Ts/2成形成形滤波滤波成形成形滤波滤波dtttdtttttsttsssTT)cos()co

18、s(21coscoscos)(cos)(210210212211的速率即载波频率远大于信息若s12bbTT)()sin(1212bTn12:当显然时或,2:12bfnff0二、二、 最小频移键控最小频移键控（MSK）两正弦信号时域正交，注意这时频谱是重叠的两正弦信号时域正交，注意这时频谱是重叠的bffff21124/01bfff4/02bfff“0”“1”)2cos()(24)()(000kkMSKkbkkkbtTttstTttatdtttbsskskkTtTktTat)1( ,2)(1 0 0 1 1 1可以看出载波相位在每个码元间可以看出载波相位在每个码元间隔内变化隔内变化(/2)(/2)

19、或或(-/2) (-/2) （线性增加或减少）（线性增加或减少）显然要保证在码元转换时刻相位连续，显然要保证在码元转换时刻相位连续，必须有一定的初相位必须有一定的初相位 k k，即在码元转换即在码元转换时刻相位路径的延长线在时刻相位路径的延长线在t0时刻的值时刻的值时当时当111,111,) 1()1(2)(kkkkkkkkkkaakaakaasskskkTtTktTat)1( ,2)(kskkkskkkTatkTat)1(2)()1(2)(1111初末相位连续相位连续:)2(0模或k则：则：MSK信号调制器原理图信号调制器原理图输入输入a k输出输出串串/并并变换变换/2f0相加相加差分差分

20、编码编码ck延迟延迟 Tb/2fb/4Q kI k 图图 不同调制不同调制方式的功率谱方式的功率谱结论：结论：MSK调制主要优点是具有恒定的振幅，信号功率谱在主瓣以调制主要优点是具有恒定的振幅，信号功率谱在主瓣以外衰减较快。与外衰减较快。与2PSK相比较，相比较，MSK信号的功率谱更加紧凑，占用的信号的功率谱更加紧凑，占用的带宽窄，抗干扰性强，是适合在窄带信道传输的一种调制方式。带宽窄，抗干扰性强，是适合在窄带信道传输的一种调制方式。三、三、高斯最小频移键控高斯最小频移键控（GMSK） 前置前置滤波器滤波器 MSK 调制器调制器输入输入输出输出提出提出：在一些应用场合（如移动通信），对信号带外

21、辐射功率的在一些应用场合（如移动通信），对信号带外辐射功率的限制是十分严格的，比如衰减要求在限制是十分严格的，比如衰减要求在7080dB以上。这时以上。这时MSK信号就不能满足这样苛刻的要求。信号就不能满足这样苛刻的要求。 解决办法：解决办法：在衰减要求较苛刻的情况下，高斯最小频移键控在衰减要求较苛刻的情况下，高斯最小频移键控（GMSK）可以满足要求）可以满足要求。 由于由于GMSK不仅保留了不仅保留了MSK的优点，而且频谱在主瓣以外的优点，而且频谱在主瓣以外衰减得更快，且邻路干扰小，因此在要求信号带外辐射功率限衰减得更快，且邻路干扰小，因此在要求信号带外辐射功率限制严格的。它在移动通信中有着

22、广泛的应用。制严格的。它在移动通信中有着广泛的应用。GMSK是在是在MSK调制器之前加入一高斯低通滤波器。此高斯低调制器之前加入一高斯低通滤波器。此高斯低通滤波器需满足：通滤波器需满足： 1、带宽窄，且是锐截止的，其带宽窄，且是锐截止的，其3dB带宽为带宽为Bb，当当BbTs趋于无穷趋于无穷时时GMSK就蜕变为就蜕变为MSK；2、具有较低的过冲脉冲响应具有较低的过冲脉冲响应 ；3、能保持输出脉冲的面积不变；能保持输出脉冲的面积不变； 以上要求分别是为了抑制高频成分、防止过量的瞬时频率偏以上要求分别是为了抑制高频成分、防止过量的瞬时频率偏移以及进行相干检测所需要的。移以及进行相干检测所需要的。

23、需要指出的是，需要指出的是，GMSK信号的频谱特性的改善是通过降低误信号的频谱特性的改善是通过降低误码率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，码率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，误码率性能就变得越差，当时误码率性能就变得越差，当时BbTs=0.25的的情况下，误码率性能情况下，误码率性能下降的并不严重。下降的并不严重。 GMSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度 若干数字调制的相对带宽值若干数字调制的相对带宽值 ( (与信息速率与信息速率f b b之比之比) )10(/40ebPnE调制方式调制方式 谱零点带宽谱零点带宽 99%能量带宽能量带宽 2PSK 2

24、 20.56 相干解调相干解调8.4 4PSK 1 10.28 相干相干8.4 8PSK 2/3 6.85 16PSK 1/2 5.14 相干相干16.2 16QAM 1/2 5.14 相干相干12.4 MSK 1.5 1.18第四部分第四部分 多载波调制及正交频分复用多载波调制及正交频分复用(OFDM) 相对于传统的多载波调制系统，这种允许频谱重叠的相对于传统的多载波调制系统，这种允许频谱重叠的方案极大的提高了频谱利用率。方案极大的提高了频谱利用率。 OFDM 多载波多载波（FDM）正交频分复用（正交频分复用（OFDMOFDM）提出：提出：多径传输、信道衰落和空间射频干扰使传输速度和可达距离

25、面临多径传输、信道衰落和空间射频干扰使传输速度和可达距离面临挑战；同时，在固定的频带中，频谱利用率直接限定系统所能达到的数挑战；同时，在固定的频带中，频谱利用率直接限定系统所能达到的数据吞吐性能，所以在有限的频带里，需要找到一种能适应大量突发性数据吞吐性能，所以在有限的频带里，需要找到一种能适应大量突发性数据传输的调制方式。，而据传输的调制方式。，而OFDM正是这样一种我们需要的调制技术。正是这样一种我们需要的调制技术。特性：特性：1. OFDM技术就是将串行的数据流分成若干个并行数据流，分别调制在技术就是将串行的数据流分成若干个并行数据流，分别调制在正交的子载波上进行传输。正交的子载波上进行

26、传输。OFDM系统不需要线性均衡，从而避免了噪系统不需要线性均衡，从而避免了噪声的增加，而且由于它的符号间隔相对变长，对多径效应、脉冲噪声和声的增加，而且由于它的符号间隔相对变长，对多径效应、脉冲噪声和快速衰落有较强的抵抗能力；另外由于子载波之间的正交性，其频谱允快速衰落有较强的抵抗能力；另外由于子载波之间的正交性，其频谱允许重叠，使得它的频谱利用率比单载波系统提高很多。许重叠，使得它的频谱利用率比单载波系统提高很多。2. 多路载波的调制解调可以利用多路载波的调制解调可以利用DFT/IDFT来完成，目的是简来完成，目的是简化系统的处理过程，使系统无需用一组振荡器来产生多个子载化系统的处理过程，

27、使系统无需用一组振荡器来产生多个子载波。他们还在波。他们还在OFDM符号间引入了保护间隔，以减小符号间引入了保护间隔，以减小ISI和和ICI带来的影响。带来的影响。1980年，年，Peled和和Ruiz提出了循环前缀提出了循环前缀CP的概念，的概念，用于解决子载波正交性的问题。与通常在符号间插入空的保护用于解决子载波正交性的问题。与通常在符号间插入空的保护时间来防止时间来防止ISI的做法不同，他们是将的做法不同，他们是将OFDM符号进行了循环符号进行了循环扩展。这种方法有效地将信道与传送符号之间的线性卷积近似扩展。这种方法有效地将信道与传送符号之间的线性卷积近似成循环卷积，当循环前缀比信道的脉

28、冲响应时间长时，能很好成循环卷积，当循环前缀比信道的脉冲响应时间长时，能很好地保证子载波间的正交性。当然循环前缀也引入了与其长度成地保证子载波间的正交性。当然循环前缀也引入了与其长度成正比的系统的能量损失，但与它消除的正比的系统的能量损失，但与它消除的ICI比较起来，这种能比较起来，这种能量损失是可以承受的。量损失是可以承受的。OFDM原理：原理：OFDM系统将串行高速数据流分成系统将串行高速数据流分成N个并行的低速子数据个并行的低速子数据流，每个子数据流调制到不同的子载波上同时传输。通过设定子载波的流，每个子数据流调制到不同的子载波上同时传输。通过设定子载波的频率间隔，使子载波之间相互正交，

29、这样就允许各个子载波的频谱重叠，频率间隔，使子载波之间相互正交，这样就允许各个子载波的频谱重叠，更有效地利用频率资源。同时，在时域的每个更有效地利用频率资源。同时，在时域的每个OFDM符号持续时间相对符号持续时间相对于同速率下的单载波系统的要长得多，于是抗多径衰落性能也比单载波于同速率下的单载波系统的要长得多，于是抗多径衰落性能也比单载波系统提高很多。另外，系统提高很多。另外，OFDM符号中还引入的保护间隔能有效地克服多符号中还引入的保护间隔能有效地克服多径信道的延时扩展，消除码间干扰，因此可节省复杂的均衡器。径信道的延时扩展，消除码间干扰，因此可节省复杂的均衡器。它是第它是第m个个OFDM符

30、号的第符号的第k个子载波的已调制的复数值。个子载波的已调制的复数值。 N个子载波为：，个子载波为：，k=0,N-1，f c是最低的子载波频率。是最低的子载波频率。f k是第是第k个子载波的频率，个子载波的频率，T w为为OFDM符号间隔，符号间隔，OFDM系统的系统的IFFT的输出的输出的基带信号可表示为：的基带信号可表示为：102)(1)(NkNknjknemXNmxOFDM系统原理框图系统原理框图加窗加窗及及D/A转换转换 数据输入数据输入x bits信信号号映映射射 N 点点 IFFT并并串串转转换换插入插入保护保护间隔间隔串串并并转转换换基带调制基带调制基带解调基带解调上变频上变频信信 道道下变频下变频x bitsA/D转换转换去除去除保护保护间隔间隔串串并并转转换换信信号号反反映映射射N点点FFT 数据输出数据