现代数字调制技术课堂

1、2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved1第七章现代数字调制技术 2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved27.1 恒包络调制对于一般的用矩形脉冲调制的2FSK、BPSK、QPSK之类信号在码元转换处，它们的相位是不连续的，它们的功率谱有很大的旁瓣分量。为了避免邻道或对别的系统产生干扰，一般的通信系统在发送信号前，都需要进行限带滤波，以降低带外辐射。fc-2fsfc-fsfcfc+fsfc+2fs-40-30-20-10010图2 QPSK信号的频谱

2、幅度(dB)2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved3限带滤波的后果信号的包络产生起伏变化vinvoutvinvout硬限幅信道（非线性功率放大器）fH(f)H(f)f谐波失真互调2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved40100110Q1000100I00017.2 交错正交相移键控 (OQPSK) I，Q两路信号的码元转换同时发生180相位变化发生在I，Q两路信号的极性同时发生变化的时候。信号包络的起伏发生在两路信号码元极性同时变化的时刻串并转换s

3、inwctcoswct + |S(t)IQc(n)PSFPSF2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved5000101I0100101Q1同相与正交数据流在时间上互相错开了半个码元周期在相位转换处每次只一路可能发生极性翻转，不会发生两支路码元同时翻转的现象限带后的信号包络的波动没有QPSK的剧烈c(n)串并转换sinwctcoswct + |S(t)IQTPSFPSF2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved6信号空间解释IQIQQPSKOQPSK可能产生

4、可能产生180度变化度变化只有只有90度相移度相移2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved7QPSK和OQPSK信号的频谱完全相同。但是在经过频域限带后的时域波形却有较大的差别OQPSK在经过硬限幅信道或非线性功放以后不会像QPSK 那样产生非常大的边带频谱特别适合非线性信道。OQPSK信号的另一个优点是解调时，对含有噪声的相干载波的相位抖动不敏感OQPSK信号的解调与QPSK类似。2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved87.3 最小频移键控最小频移

5、键控(MSK) MSK:表示表示0、1的两个载波间的频率间隔小。的两个载波间的频率间隔小。 载波包络恒定载波包络恒定 由调制引起的载波附加相位变化连续由调制引起的载波附加相位变化连续 可以采用类似可以采用类似OQPSK的调制解调方法的调制解调方法MSKMinimum Shift Keying2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved9SskSkMSKTktkTtTattS) 1()2(cos)(0441)2(2110002sSskffTfTfa：时当441)2(2110001sSskffTfTfa：时当一、一、MSK的表达式

6、的表达式92022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved1022112ssfTfff212/ssssffffTf结论：最小频差结论：最小频差f 等于码元速率的一半等于码元速率的一半调制指数等于调制指数等于1/2二、最小频差二、最小频差三、调制指数三、调制指数102022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved11f0sT21MSK信号的频率间隔与波形信号的频率间隔与波形 tt(b)(a)(c)四、四、MSK的波形的波形sTff4102sTff4102112022-2

7、-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved12当2FSK信号的最小频率距离很近时，无法通过带通滤波器把它们分开，只能采用相干解调的方法，要求两个载波频率间满足正交性要求sTdttt0100coscosww0101coscos02sTtt dtwwwc0101coscos20 =+/22sTctt dtwwwww五 为什么最小频率间隔是f=fs/22022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved13sT0011cos0 sint =0 22sTt dtwww1,2n 0sin

8、wwnTTss2/2 sssTfTffw 取n=1允许的最小频率间隔，h=DfTs=0.5sT0011cos20 sin2t =0 24sTccct dtwwwsin202 n 1,2c sc sTTnww 22 2/4 c sc scsTnf Tnfnfw 2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved14)()(1skskkTkTksskksskTkTaTkTa22112)(11kaakkkkSSkskMSKTktkTtTattttS)1(2cos)(cos)(00w六、相位连续的条件六、相位连续的条件kSkTtat2)(若

9、满足相位连续，则要求在若满足相位连续，则要求在t=kTt=kTS S时，时，有，有，结论结论：前后：前后两个码元两个码元相相同时同时， k不不变，前后两变，前后两个码元个码元相反相反时时， k差差k 。142022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved15002)(0111111或，则的初始值为若kkkkkkkkkkkkaakaakaa也就是，也就是，上式为上式为MSK信号所必需的条件，称为信号所必需的条件，称为相位约束条相位约束条件件。152022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rig

10、hts reserved16由由是一个线性方程，是一个线性方程，斜率为斜率为： 截距为截距为：一个码元从开始到码元结束，相位变化增量为：一个码元从开始到码元结束，相位变化增量为：由于由于ak取值为取值为+1或或-1，是分段线性相位函数。，是分段线性相位函数。 若若ak =1， (t)线性增加线性增加 /2， ak =-1，增加，增加- /2kSkkTtat2)(SkTa2k222)1(1kSskSskssaTkTaTTkakTTk）（162022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved170 T2T3T4T5T6T7T8T 023

11、2232( )cos ()2kMSKckaStttT七、七、MSK的的相位网格图每个信息比特间隔T内载波相位将变化+/2或-/2在T的奇数倍上取/2两个值，偶数倍上取0、两个值。正斜率-1负斜率-02022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved18cos2tT串并转换sinwctcoswctS(t)IQbkTsin2tT+ -TbkVCOS(t)akbk-1Ik=bkQk=bk-1ak=bkbk-1八八 MSK信号的调制方法信号的调制方法2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All right

12、s reserved19)0(2cos)(0tTattSskMSK(0) = 0式中，ak= 1。根据相位连续条件，要求在t=KT时满足1()()kkkTkT1122kkkkkTkTaaTT2)(11kaakkkk可得即( )cos ()2kMSKckaStttTkskkTtat2)(载波相位KTt(K+1)T2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved20)(cos)(0tttSMSKwtttttSMSK00sin)(sincos)(cos)(wwcos ( )cos()2cos()cossin()sincos()cos22

13、2kkSkkkkkSSSttaTtttaaTTTkskkTtat2)( 利用三角函数展开式中:式中：ak=1，k=0或。2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved21sin ( ) sin()2cos()sinsin()cossin()cos222kkSkkkkkkSSSttaTtttaaaTTT00( )cos()coscossin()cossin22MSKkkkSSttStt atTTwwIk=cosk Qk=akcosk=akIk ak=Ik Qk00( )cos()cossin()sin22MSKkkSSttStIt

14、 QtTTww2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved22I 支路Q 支路MSK输出图7.3-2 MSK信号的时域波形2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved23220022)(41)(2cos16)(SSSTffTffTAfSf2002)(2)(2sin2)(ssfTffTffTAfSSMSK的功率谱密度的功率谱密度:QPSK的功率谱密度的功率谱密度:23九、九、QPSK与与MSK频谱比较频谱比较2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学

15、电子信息工程学院. All rights reserved24fT0 .25.5.7511.25 1.51.752-40-30-20-100dBQPSK/OQPSKMSKQPSK与MSK频谱比较MSK信号频谱的主瓣宽度比QPSK宽，在主瓣之外MSK的谱衰减比QPSK快得多MSK信号的频谱第一个零点出现在0.75/T处；QPSK信号频谱的第一个零点。2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved25数据数据输出输出并并/串串变变 换换MSK信号信号积分积分积分积分相干相干载波载波BPF差分差分译码译码抽样判决抽样判决抽样判决抽样判

16、决2kTs(2k+1)TsMSK信号的相干解调信号的相干解调 十、十、MSK的解调的解调252022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved26(1)已调信号包络恒定；(2) 在码元转换时刻信号的相位连续，附加相位在一个码元期间线性地变化/2；(3)是调频信号，频偏严格地等于是调频信号，频偏严格地等于 1/4T1/4T，相应，相应调频指数调频指数 h h = 0.5,= 0.5,为允许的最小值，所以称为为允许的最小值，所以称为最小移频键控（最小移频键控（MSKMSK).(4)在一个码元期间Ts内，信号应是四分之一载波周期的整数倍十

17、一 总结2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved277.4 正交幅度调制（QAM)正交幅度调制(QAM) :用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行双边带抑制载波调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性能来实现两路并行的数字信息传输。QAM信号的优点：传输效率高。相对MPSK而言，抗噪声性能好星座图研究数字调制信号常用座图，把调制信号矢量端点在同相正交平面的分布图称为星座图。 2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved28IQ16QAMAI

18、AQ 16PSK1 2 sin( ) 0.3916dAAAAd47. 0322信号空间：所有可能信号矢量的集合2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved290( )cos( )1,2,3,16iiiS tAti122LAdAAd47. 0322AAd39.0)16(sin21对于16PSK来说，相邻信号点的距离为：对于16QAM来说，相邻信号点的距离为：式中，L是星座图上信号点在水平轴和垂直轴上的电平数，对于16QAM L=4。故:2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights

19、 reserved30 该结果表明，在峰值功率相等的情况下 16QAM16QAM信号点间的距离超过16PSK约约1.64dB10220log1.64()1ddBd2/ 221L(L-1)2(21)QAMLii最大功率平均功率实际上，应该以信号的平均功率相等为条件来比较平均功率相等为条件来比较上述信号的距离才是合理的上述信号的距离才是合理的。可以证明，QAM信号的最大功率与平均功率之比为:对16QAM:L=4，所以16QAM=1.8。至于16PSK信号的平均功率，因为其包络恒定，就等于它的最大功率，因而16PSK=1。2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. Al

20、l rights reserved31这就说明16QAM16QAM比16PSK16PSK约大2.55dB2.55dB。若在平均功率相等的条件下，可求出16QAM的相邻信号距离超过16PSK的相邻信号距离约4.19dB MQAM如同MPSK一样，也可以用正交调制的方式产生，MQAM调制器的一般方框图，如课本图7.2-9所示。输入的二进制数字信号经串/并变换器后，将速率为Rb的二进制序列分成两个速率为Rb/2的两电平序列，2/L电平变换器将速率为Rb/2的两电平序列变成速率为Rb/2Log2M的L电平信号，然后分别与两个正交的载波相乘，再相加后即产生MQAM信号。MQAM信号解调同样可以采用正交相

21、干解调方法 2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved32为什么MSK可以等效成OQPSK的实现形式?2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved33fc-2fsfc-fsfcfc+fsfc+2fs-40-30-20-10010图2 QPSK信号的频谱 幅度(dB)2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved34频率fc-60-50-40-30-20-10010幅度 (dB)图3 限带滤波后

22、的QPSK信号频谱2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved35图1B矩形脉冲调制QPSK信号的时域波形图1A 矩形脉冲调制的2FSK信号波形2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved361000100I0010100Q图7.2-2 QPSK 信号的时域波形2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved37)0(2cos)(0tTattSskMSK在式(7.1-1) 设(0) = 0式中，a

23、 k = 1。根据相位连续条件，要求在t=KT时满足1()()kkkTkT1122kkkkkTkTaaTT2)(11kaakkkk可得即2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights reserved38)(cos)(0tttSMSKwtttttSMSK00sin)(sincos)(cos)(wwkSkSkSkStTttTttTttTttcos)2cos(sin)2sin(cos)2cos()2cos()(coskskkTtat2)(将式（7.1-3）代入式(7.1-1)，得利用三角函数将式（7.1-7）展开式中:式中：ak=1，k=0或。(7.1-7）(7.1-8）(7.1-9）2022-2-22Copyright 侯永宏 天津大学电子信息工程学院. All rights res