调制解调原理 part 2

1、调制解调原理调制解调原理Eric LiuhuiEverybody plays fool, sometimes.An Introduction of Modulation and Demodulation主要内容主要内容 前话 信号与调制 基带调制信号 带通模拟调制 带通数字调制 后话带通数字调制带通数字调制 数字调制中的基带信号和星座图 简单数字调制 幅移键控(ASK)和开关键控(OOK) 相移键控(PSK) 频移键控(FSK),GFSK 正交调制 QPSK,/4-QPSK,MSK,GMSK QAM 扩频调制 直接序列扩频 (DSSS) 跳频扩频(FHSS) 多载波调制正交频分复用(OFDM)

2、 调制技术比较二进制基带信号二进制基带信号 只有两种可能的数值（0,1） 可以采用单极性码调制（+V，0） 可以采用极性码调制（+V， -V ）多进制基带信号多进制基带信号 有M种可能取值，一个符号包含n=log2M个二进制位。 多进制基带信号多用极性码表示。比如四进制信号的电压表示为（+3V， +1V ，-1V， -3V ） 基带信号m(t)可以看成PAM信号。复包络信号g(t)由两个正交的PAM信号组成。tjcetgts)(Re)()()()(21tjmtmAtgc星座图（星座图（Constellations） 星座图以坐标图形方式直观表示复包络信号g(t)的符号集。 dmin表示最小码距

3、，反映调制的能量效率（Power Efficiency）,也就是误码曲线。 星座中的符号数量反应调制的频谱效率（Spectrual Efficiency）或称带宽效率（ Bandwidth Efficiency ） 符号映射就是将一组二进制位组成的符号映射成星座图上的一个点。映射的编码方式有多种，常用的格雷编码（Gray Coding）中两个相邻符号间只有一个二进制位的差别。IQdmin幅移键控（幅移键控（ASK） 二进制幅移键控(ASK)，又称为开关键控(OOK)。采用单极性基带来表示ASK调制信号采用极性基带来表示ASK调制信号DSB的表达公式？实际上单极性码存在直流分量，因此ASK中还是

4、存在载波分量的。调制度100%ASK的频谱的频谱 ASK调制信号的频谱 基带方波信号的频谱ASK的调制参考AM和DSB信号的调制方法ASK信号的解调信号的解调 包络检波（非相干） 采用低通滤波器相干检波 采用匹配滤波器相干检波简易，误码性能最差复杂，误码性能最优M-ASK调制调制 M-ASK采用极性码调制不能采用包络检波，只能用相干解调。所有调制中，ASK的dmin最小ASK的性能的性能 误码率和误比特率02131NEMerfcMMPss02221log31log1NEMMerfcMMMPbbssSTE sbPMP2log1MEEbs2log平均信号功率：S码元能量：噪声双边带功率谱密度：N0

5、噪声功率：BNN0信噪比： S/N极性码误码率： 误码经常为相邻码，相邻格雷码只有1比特差别： SNR (dB)(/0BTNSBNSTNEsss匹配滤波器匹配滤波器 匹配滤波器的信噪比 不在脉冲期间的任意时刻采样。而在匹配滤波器后采样。 使信号波形失真，从而在采样时刻T0信号功率相对噪声功率最大。 对已知输入波形s(t)，匹配滤波器的冲击响应： 采样时刻信噪比： 积分清除滤波器：inssoutNSTBBNTETBNENS)(2/2200)()(0ttCsthTTtdttstrtr0)()()(00已知输入波形输入信号（加噪）t0时刻输出信号抽头移位寄存器也可以实现横向性匹配滤波器二进制相移键控

6、二进制相移键控(BPSK) 采用极性码基带信号。采用调相信号表示BPSK调制信号采用DSB信号表示BPSK调制信号导频载波项数据项BPSK的频谱的频谱 数字调制度： 当d=1时（=/2），随机信号调制的频谱载波项分量为0，避免出现超过360度的相位差对M-PSK，选取m(t)最大值为1，就可以用同样的PSD表示。BPSK的调制的调制 BPSK可以采用DSB调制，也可以用正交调制方式产生。BPSK的解调的解调 采用同步解调。 参考DSB的解调方法。 有低电平载波项时采用锁相环提取载波参考。 采用科斯塔斯环或平方环恢复载波。 180度相位模糊，采用差分编码或同步字节。BPSK的解调的解调 极性环（

7、Polarity Loop） 再调制环（Remodulation Loop）差分相位调制（差分相位调制（DPSK） 对基带信号进行差分编码后再调制。 可以采用延迟解调。不需要恢复载波。 消除180度相位模糊。正交相位调制（正交相位调制（QPSK） 4PSK调制 实际中经常用正交调制产生QPSK 将4PSK的相位附加/4固定相差m(t)取0，/2， ， 3/2m(t)取-3，-1， +1， +3fttyfttxts2sin)(2cos)()(x(t),y(t)取-1， +1同样也可以称为4-QAM信号QPSK的解调的解调 QPSK的同步解调 同步正交解调，可以用科斯塔斯环恢复载波 倍频-滤波-分

8、频恢复QPSK的载波 QPSK解调解调 结合了极性环的科斯塔斯环。 QPSK解调解调 再调制环。多进制相位调制（多进制相位调制（M-PSK） M-PSK调制 用正交调制表示M-PSKi=m(t)取0，2/M， 4/M 2(M-1)/Mfttyfttxts2sin)(2cos)()(iciAtxcos)(icyiAtsin)(iM-PSK的解调的解调 M-PSK的解调 M-PSK的载波恢复PSK的星座图的星座图 PSK的星座图和最小码距0min221NderfcPbPSK的性能的性能 PSK的误比特性能MSinNEMerfcMPbb2022loglog1021NEerfcPbbBPSK的误码率和

9、极性码ASK相同：QPSK的误码率和PSK相同：M-PSK的误码率：0021221NEerfcNEerfcPbsb正交信号频移键控频移键控(FSK) 相位不连续FSK 相位连续FSK不常用，频谱扩散，不能用PLL跟踪可以看成两个OOK信号的叠加FSK的频谱的频谱 FSK的频谱如同FM的频谱。 FSK的频谱也可以用两个OOK信号近似。FSK解调解调 非相干解调，FSK可采用FM的解调方法。 连续相位，可采用相干解调高斯滤波高斯滤波FSK（GFSK） 高斯滤波器降低了带外辐射。22lnexp)(2BffH高斯滤波器高斯滤波器 采用高斯滤波器进行脉冲成型。高斯滤波存在码间干扰(ISI)FSK的性能的

10、性能FSK的误比特率相干解调：非相干解调：正交相位调制（正交相位调制（QPSK） 是正交调制的最基本形态，几种调制方式的汇合点。 四进制相位调制（4-PSK） ； 正交相位调制（QPSK）； 四进制QAM调制（4-QAM)；fttyfttxts2sin)(2cos)()(x(t),y(t)取-1， +1成型滤波后的成型滤波后的QPSK 为了限制信号的带宽需要对基带信号进行成型滤波，一般采用SRRC滤波器。 滤波器造成了信号包络的变化，不再是恒定包络。产生了幅度调制。因为滤波器限制了信号的带宽，在穿越零点时，信号沿变得缓慢，从而产生调幅效应。包络为零偏移偏移QPSK（OQPSK） OQPSK是对

11、QPSK的变形 ，将正交的I、Q信号错开1/2符号周期。 成型滤波后，I的包络波峰对应Q的包络波谷， 成型滤波后，I的包络波谷对应Q的包络波峰， 包络不会为零，降低对发射机线性要求。 ftTtyfttxtsb2sin22cos)(x(t),y(t)取-1， +1I,Q信号的交错，并没有改变由两个DSB信号叠加的本质，因此OQPSK的频谱和QPSK没有差别的。OQPSK OQPSK的星座图。 I、Q交替变化，而不是同时变化，所以星座的迁移最大只有90度。从星座图上看，QQPSK的状态迁移并不穿越原点，从而避免调幅效应。OQPSK和QPSK具有同样的误码性能。 /4移相移相QPSK /4-QPSK

12、是QPSK和OQPSK的折衷。 是一种差分编码方式，根据输入的信息确定差分相位。 相移在DQPSK的基础上增加了/4，从而使奇数状态和偶数状态分别形成了两个星座图，信号在两个星座图间交替。 消除了DQPSK信号通过原点的状态迁移。 状态总在变化。OQPSK产生的AM最小， /4-QPSK其次，QPSK最大。相干解调的性能和QPSK相同，非相干解调恶化3dB。最小频移键控（最小频移键控（MSK） 对OQPSK进一步改变，使用半余弦脉冲代替方波作为基带信号波形，从而产生了MSK信号。 基带信号没有跃变，相位连续。 高频分量减小，低边带。 bbTtTttx0 ,21cosfttyfttxts2sin

13、)(2cos)()( bbTtTtty0 ,21sin xxsin2cos参考公式： xxcoscos xxsinsinMSK的频谱的频谱 MSK的边带低于QPSK，但是带宽却高于QPSK。 连续相位连续相位FSK 最小频移键控（MSK），是调制度最小（ d=0.5）的连续相位FSK。 采用正交调制表示时，为余弦脉冲的OQPSK信号。d=0.5是正交连续相位FSK允许的最小调制度。 采用角调制表示： bbTtTttx0 ,21cos bbTtTtty0 ,21sin复包络函数 tjytxtg)(其中： tbdmFjTtjeetg022/)(bTttm0 , 1)(其中：5 . 0222bbdF

14、TFT调制度：最大频偏：RTFb4121MSK具有恒包络，对功放的线性要求低。MSK的误码性能的误码性能 MSK误码性能和QPSK一样。高斯滤波高斯滤波MSK（GMSK） 在进行MSK调制之前，先对基带信号使用高斯滤波器进行成型滤波，抑制频谱边带。GMSK 高斯滤波器在抑制频谱带宽的同时，造成码间干扰。BT值变小，边带抑制变好但是码间干扰增大。GMSK的误码性能的误码性能 同样，GMSK的误码随BT变小而恶化。正交幅度调制（正交幅度调制（QAM） QAM信号由两个正交的DSB信号合成。 QPSK就是最简单的4-QAM。fttyfttxts2sin)(2cos)()(x(t),y(t)取多进制极

15、性码QAM信号的解调信号的解调 QAM信号需要采用相干解调。 QAM解调需要恢复载波，一般有三类方法： 采用QPSK的恢复环路进行统计跟踪。 矢量扣除法。 采用通用载波恢复环。QAM信号载波恢复信号载波恢复 采用QPSK的恢复环路进行统计跟踪。 只对对角线上的符号进行跟踪。 所有符号随机分布，偏离对角线的符号作为干扰矢量。 采用窄带环路滤波，跟踪性能不好。QAM信号载波恢复信号载波恢复 矢量扣除法 识别偏离对角线的符号，并予以扣除。 在基带信号上扣除，或在误差信号上扣除。 矢量扣除造成环路增益低。矢量扣除法矢量扣除法 矢量扣除法,采用了误差扣除方式。QAM信号载波恢复信号载波恢复 采用通用载波

16、恢复环（Universal Carrier Recovering Loop）。QAM信号载波恢复信号载波恢复 采用通用载波恢复环的多电平判决和奇偶校验实现。16QAM：M-QAM：QAM的性能的性能 QAM的误比特性能0220212log311212log31111NEMMerfcMNEMMerfcMPbbs022212log311log2log1NEMMerfcMMPMPbsb网格编码调制（网格编码调制（TCM） 将卷积型纠错编码和多进制调制结合起来。 内码（Inner Coding）和外码（Outer Coding）。 m/(m+1)的TCM调制通用模型。 在m位符号中插入1位冗余位。关于

17、卷积纠错编码，相信编解码专题讲座中会有更精彩的介绍。TCM调制调制 8-PSK的TCM调制，a)4状态 b)8状态TCM调制调制 8-PSK的符号集分割。 不再对单个符号进行硬判决。 对由多个符号串联起来的符号序列进行软判决。最大似然检测。符号间距离逐渐增大。2/3编码的8PSK和4PSK具有一样的频谱效率，却获得3dB的编码增益。信号失真在星座图上的影响信号失真在星座图上的影响 白噪声、相位抖动、谐波失真直接序列扩频（直接序列扩频（DSSS） 极性码频谱第一零点是一倍基带速率。基带速率越高，频谱越宽。 DSSS采用一个伪噪声序列码(PN)，来提高基带速率，扩展了信号频谱。带宽扩展因子功率谱密

18、度低，类似百噪声长码和短码长码和短码 PN码片（Chip）在一个符号内，称为短码系统； PN码片跨越多个符号，也就是每个符号内的PN序列不同，称为长码系统。DSSS调制调制 典型的调制结构。 调制类型可以是PSK和正交调制。白噪声白噪声 白噪声的特性。PN码的特性码的特性 平衡（序列求和不大于1，直流电平小，载波抑制） 平均（连码几率小，频率丰富） 自相关 互相关 正交码不相关。PN码类型码类型 M序列（m-sequence）码，和扰码一节内容一样。PN码类型码类型 巴克（Barker）码脉冲压缩雷达通过巴克码调制后，可提高目标检测能力。802.11采用11位巴克码作为调制码。PN码类型码类型

19、 黄金码（Gold codes）,由两个m序列码相加得到。 互相关性能得到控制。 自相关特性有损伤。GPS中的C/A码就是一种Gold码PN码类型码类型 沃什码（Hadamard-Walsh Codes） 长度为N的码集 产生算法 列与列正交 同步CDMA利用此特性获得优越的互相关性能。Hadamard-Walsh Codes也用于分组纠错变码WCDMA码信道DSSS解调解调 DSSS的典型解调框图PN码匹配滤波器码匹配滤波器 采用抽头移位寄存器结构。采用抽头移位寄存器的接收机称为RAKE接收机。PN码匹配滤波器码匹配滤波器 采用积分采样滤波器PN码同步码同步 串行同步。PN码同步码同步 超前

20、滞后环。窄带干扰时的解调窄带干扰时的解调 PN码的相关特性，对接收信号是解扩的过程，对窄带干扰变成了扩频的过程。 抗干扰解扩的过程是信号的功率压缩，而干扰的功率扩展，从而使SNR提高宽带干扰时的解调宽带干扰时的解调 PN码的相关特性，对接收信号（PN码相同）是解扩的过程，对宽带干扰（PN码不同）没有作用。 多用户，码分子信道。多用户时，需要选择互相关特性好的的码序列集。白噪声条件下的解调白噪声条件下的解调 PN码的自相关特性，对接收信号（PN码相同）是解扩的过程，对白噪声没有作用。 负信噪比检测。因为码元能量相同，DSSS和相同速率的传统调制方法误码性能是一样的。跳频扩频（跳频扩频（FHSS）

21、 将调制和跳频相结合。 将整个扩频带宽分成若干个传统调制信道，信号在这些信道内以PN码驱动调频。瞬间是窄带信号，平均起来是宽带。DSSS是PN码相移，FHSS是PN码频移。快跳频和慢跳频快跳频和慢跳频 一个符号内有多个调频，称为快跳。 一个调频内有多个符号，称为慢跳。FHSS的解调的解调 接收机采用和发射机相同的PN码，非相干解调。 信号通过跳频减少窄带干扰的时间。 多用户采用不同的PN码作为调频序列。采用非相关软判决时，FSK的误码性能：N是频点数。雷达中可以通过线性调频方式进行脉冲压缩，获得信噪比增益。正交频分复用（正交频分复用（OFDM） 利用多个正交的子载波同时传送数据。由于使用了子载

22、波，使得频率选择性衰落变成了单载波的平衰落。在ADSL的DMT调制中，每个子载波可以选择不同的调制方式。OFDM的框图的框图 采用频域综合的方式。BPSK调试时的误码性能：相信OFDM专题讲座中会有更精彩的介绍。帧同步帧同步 区分串行数据，将之转化为字和字节。 识别正确数据，解决相位模糊问题。 提供纠错解码电路的同步时钟。 确定纠错编码的码块，比如DVB中用0 x47标志MPEG帧头，RS解码器此刻复位，开始接收码字。 也可以作为识别扰码的起点，比如DVB将8个MPEG帧放在一起，将第一个帧0 x47取反为0 xB8，解扰器此刻复位，重置种子，开始解扰。 突发调制技术中，作为数据捕获的关键字（

23、Unique Word）,解调器通过相干算法，估计出载波相位、时钟相位的初始值，以实现恢复环路快速入锁。 关键字位于帧的头部，称为前导（Preamble）。突发调制技术突发调制技术 需要快速恢复载波和符号。 同样采用增加前导码（Preamble） 1载波的同步； 2符号（码）的同步； 3突发帧的起始位置的同步；突发调制技术突发调制技术 一般情况下Preamble包括三个部分的数字序列， 一段不变化的符号序列，信号呈现CW状态，利于载波恢复； 一段符号尽可能的变化，有丰富的过零点，利于符号的恢复； 一个相关性很好的Uique Word，用于突发帧起始位置的确定。 现在的Preamble 一般就是

24、一个单一的Uique Word 一般一个相关性很好的Uique Word，它的过零点也是很丰富的，一旦找到帧的起始位置，就可以去除信号上的调制，恢复载波和同步信息。ComplexSamples1-SymbolDelayCorrelatorComplexConjugate采用差分编码延迟解调，对解调数据取相关，产生帧定位。调制技术两个重要比较调制技术两个重要比较 功率效率（Power Efficiency） 信号的噪声免疫能力，表示为Eb/No，信号位能量和噪声功率密度的比值。 对一种调制方式来说，就是需要提高多大的信号功率可以获得相应的BER性能。 比如DSSS可以在噪声电平以下（负信噪比）检测信号。 频谱效率（Spectral Efficiency） 在有限的带宽内传送数据的能力。使用每赫兹比特率表示：rb/BT bps/Hz。频谱效率的极限依据香农（Shannon）定律得出：C/B=log2(1+S/N) 数据率和码宽度的折衷。 1024QAM信号在一个码宽度（码周期）能可传送10bit数据。调制技术两个重要比较调制技术两个重要比较 几种调制方法的功率效率和频谱效率410beP