第2章 调制解调技术-GMSK及π4-DQPSK

1、第第二二章章 调制解调调制解调 第一节、基本调制技术第一节、基本调制技术 第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术 第三节、第三节、 OFDMOFDM多载波调制技术多载波调制技术第四节、扩频调制技术第四节、扩频调制技术 一一.模拟调制技术模拟调制技术 二二.数字调制技术数字调制技术 第一节、第一节、基本调制技术基本调制技术 第一节、第一节、基本调制技术基本调制技术 p 调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号。传输的信号。 p 移动通信信道的基本特征是：移动通信信道的基本特征是：1.1.带宽有限，

2、取决于可使用的频率资源和信道的传播特性；带宽有限，取决于可使用的频率资源和信道的传播特性；2.2.干扰和噪声影响大，是移动通信工作的电磁环境所决定的；干扰和噪声影响大，是移动通信工作的电磁环境所决定的；3.3.存在多径衰落。存在多径衰落。第一节、第一节、基本调制技术基本调制技术 p 移动通信对调制方式的选择主要有：移动通信对调制方式的选择主要有：1.1.可靠性，即抗干扰性能，选择具有低误比特率的调制方式，其可靠性，即抗干扰性能，选择具有低误比特率的调制方式，其功率谱密度集中于主瓣内；功率谱密度集中于主瓣内；2.2.有效性，主要体现在选取频谱利用率高的调制方式上，特别是有效性，主要体现在选取频谱

3、利用率高的调制方式上，特别是 多进制调制；多进制调制；3.3.工程上易于实现。工程上易于实现。p 已调信号应具有高的频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰落的能已调信号应具有高的频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰落的能力力 第一节、第一节、 基本调制技术基本调制技术 一一.模拟调制技术模拟调制技术选择恒包络角度调制方式。选择恒包络角度调制方式。若以若以99%99%能量所包括的谱线宽度能量所包括的谱线宽度( (以载频为中心以载频为中心) )作为调角信号作为调角信号的带宽，单一频率调制的调频信号带宽为的带宽，单一频率调制的调频信号带宽为 F Fm m=/2=/2为调制频率，为调制频率，ffm m=m=mf f

4、FFm m为调制频偏。为调制频偏。经过鉴频器解调后，信噪比的增益为经过鉴频器解调后，信噪比的增益为 第一节、第一节、 基本调制技术基本调制技术 一一.模拟调制技术模拟调制技术2()2(1)mmfmBfFmF) 1(3/2ffininoutoutmmNSNSGp 目前应用的模拟目前应用的模拟 FM 移动通信系统：移动通信系统：话音最高频率话音最高频率 fm= 3 kHz; 最大调制频偏最大调制频偏 f = 5 kHz,则单路信号带宽为多少？则单路信号带宽为多少？ B=2(fm+ f)=16 kHz按照按照FDM原理，保护频带原理，保护频带 Bg = 9 kHz，则一个信道的宽，则一个信道的宽度为

5、度为 25 kHz（即载波频率点间隔（即载波频率点间隔 25 kHz ）。）。FM标准测试信号（标准调制）：标准测试信号（标准调制）：fm = 1000 Hz ，f 达达 3 kHz ，则信噪比增益为多少？，则信噪比增益为多少？第一节、第一节、基本调制技术基本调制技术 2/3(1)108/outoutffininSNGmmSNp 移动通信选择数字调制的要求：低接收信噪比时有小的误码率，移动通信选择数字调制的要求：低接收信噪比时有小的误码率，抗干扰、抗衰落的能力强，占用最小带宽，易于实现。抗干扰、抗衰落的能力强，占用最小带宽，易于实现。p 调制方案的性能衡量标准：调制方案的性能衡量标准： 功率效

6、率功率效率-在低功率下保持正确传输的能力。在低功率下保持正确传输的能力。（E Eb bN N0 0越小越好越小越好） 带宽效率带宽效率有限带宽内容纳数据量的能力。有限带宽内容纳数据量的能力。 （R Rb bB B越大越好越大越好）p 在信道频带受限时在信道频带受限时 为了提高频带利用率，通常采用多进制数字为了提高频带利用率，通常采用多进制数字调制系统。其代价是增加信号功率和实现上的复杂性。调制系统。其代价是增加信号功率和实现上的复杂性。 p 脉冲成型技术可消除码间串扰和保持小的信号带宽，因而得到广脉冲成型技术可消除码间串扰和保持小的信号带宽，因而得到广泛应用。泛应用。第一节、第一节、基本调制技

7、术基本调制技术 二二.数字调制技术数字调制技术 脉冲成型滤波器（升余弦低通滤波器。）的频脉冲成型滤波器（升余弦低通滤波器。）的频谱和时域波形。谱和时域波形。第一节、第一节、基本调制技术基本调制技术 二二.数字调制技术数字调制技术 目前所使用的主要调制方式有目前所使用的主要调制方式有线性调制技术线性调制技术：QPSK调制调制恒包络调制技术恒包络调制技术：GMSK调制调制 “线性线性”和和“恒包络恒包络”相结合的调制技术相结合的调制技术：QAM调制调制扩频调制技术扩频调制技术：直接序列扩频直接序列扩频、跳频跳频编码调制相结合技术编码调制相结合技术：TCM调制调制多载波技术多载波技术：OFDM调制调

8、制目前所使用的主要调制方式目前所使用的主要调制方式一一. .高斯滤波的最小移频键控高斯滤波的最小移频键控(GMSK) (GMSK) 二二. /4-DQPSK . /4-DQPSK 调制调制第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术p 19861986年以前由于线性高功放未取得突破性的进展，年以前由于线性高功放未取得突破性的进展，p 移动通信中调制技术青睐于恒包络调制的移动通信中调制技术青睐于恒包络调制的MSKMSK和和GMSKGMSK， 比如比如GSMGSM系统采用的就是系统采用的就是GMSKGMSK调制，但是它实现较复杂，调制，但是它实现较复杂， 且频谱效率较低。且频谱效率

9、较低。p 19861986年以后实用化的线性高功放取得了突破性的进展，年以后实用化的线性高功放取得了突破性的进展，p 移动通信中调制技术又重新对简单易行的移动通信中调制技术又重新对简单易行的BPSKBPSK和和QPSKQPSK予以重视，予以重视， 并在它们的基础上改善峰平比、提高频谱利用率，并在它们的基础上改善峰平比、提高频谱利用率， 比如在比如在CDMACDMA系统中采用系统中采用DQPSKDQPSK。 第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术一一.高斯滤波的最小移频键控高斯滤波的最小移频键控(GMSK) 1.移

10、频键控移频键控(FSK)调制调制 设输入到调制器的比特流为设输入到调制器的比特流为an, an=1, n=-+。 FSK的输出信号形式的输出信号形式(第第n个比特区间个比特区间)为为调制指数调制指数 ，当，当h=0.5时，两个时，两个S1与与S2正交。正交。)(2cos()(2cos()(tfftfftscc11nnaabTfh/1 2.相位连续移相键控（相位连续移相键控（CPFSK）在一个比特区间内，在一个比特区间内， 相位线性地增加或减少相位线性地增加或减少/2，且在，且在t=kTb时相位连续。时相位连续。第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术一一.高斯滤波的最小移频

11、键控高斯滤波的最小移频键控(GMSK) 3.最小最小移频键控移频键控(MSK)调制调制 MSK是一种特殊的是一种特殊的CPFSK，调制指数为，调制指数为0.5： h=0.5是移频键控为保证良好误码性能所允许的最小调是移频键控为保证良好误码性能所允许的最小调制指数。制指数。 h=0.5时，波形相关系数为时，波形相关系数为0，信号是正交的；，信号是正交的； h=0.5时，满足在码元交替点相位连续的条件；时，满足在码元交替点相位连续的条件； 信号表达式为信号表达式为kkbcxtaTttS2cos)( 第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术一一.高斯滤波的最小移频键控高斯滤波的最

12、小移频键控(GMSK) xk是为保证在是为保证在t=kTb时相位连续而加入的相位常量。时相位连续而加入的相位常量。第第k个码元的相位：个码元的相位：要求相位连续：要求相位连续： kkbcxtaTttS2cos)(bbkckTktkTt) 1( kkbkxtaT2)(1bkbkkTkT2)(11kaaxxkkkk11kkxxk11kkkkaaaa第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术 MSK的相位轨迹的相位轨迹（t） 由下列两式可得出由下列两式可得出MSKMSK的相位轨迹的相位轨迹3/ 20 1 1 1 1 1 1 1 1 1Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7Tb8Tb9

13、Tb0akxk (t)t/ 2/ 2 3/ 2 2 5/ 2 3 2 3 3 3 442)(11kaaxxkkkkkkbkxtaT2第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术 MSK的可能相位轨迹的可能相位轨迹（t） /20-/2-3/2-2Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7Tb8Tb9Tb (t)t223/2在一个比特区间在一个比特区间TbTb内，相位内，相位（t t）线）线性增加或减少性增加或减少2 2，且在且在t=kTbt=kTb时，相位时，相位连续。连续。第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术11( )cos2coscossinsin22cos

14、coscoscossinsin22coscossinsin22coscosckkbkkckkcbbkckkcbbkckcbbkkkkS tta txTa txta txtTTxttaxttTTbttbttTTbxba1kkkkxbba按二进制考虑，按二进制考虑，bk为为ak差分编码结果差分编码结果第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术MSK调制器调制器cos（ t）2Tbcosctsin（ t）2Tbsinct串/并TbTb差分编码akakyMSK(t)+-bkbQbIbI与与 bQ持续时间为持续时间为2Tb第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术锁相

15、环112Tb2fc+锁相环212Tb2fc-LPF取样判决交替门取样判决LPFBPFTb22平方器差分译码-2sin( t)sin(ct)2T b+-+-2cos( t)cos(ct)2T b相干载波提取MSK相干解调相干解调 第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术在移动通信中，一般要求必须衰减在移动通信中，一般要求必须衰减60-70dB60-70dB。MSKMSK信号仍不能满足这样的要求。信号仍不能满足这样的要求。 为了压缩为了压缩MSK信号的功率谱，有效地抑制信号的功率谱，有效地抑制MSK信号信号 的带外功率辐射，可在的带外功率辐射，可在MSK调制前加入预调制调制前加

16、入预调制滤波器，对矩形波形进行滤波滤波器，对矩形波形进行滤波. 第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术预调制滤波器FM调制器输入数据调制指数为0.5不归零(NRZ)预调制滤波器应具有以下特性：预调制滤波器应具有以下特性： (1) 带宽窄并且具有陡峭的截止特性；（为了抑制高频分量）带宽窄并且具有陡峭的截止特性；（为了抑制高频分量）(2) 脉冲响应的过冲较小；（为了防止过大的瞬时频偏）脉冲响应的过冲较小；（为了防止过大的瞬时频偏） 第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术一一.高斯滤波的最小移频键控高斯滤波的最小移频键控(GMSK) 高斯低通滤波器 MSK

17、 调制器 1.GMSK信号的产生信号的产生简单的简单的GMSK发射机的原理框图发射机的原理框图第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术一种满足上述特性的预调制滤波器是高斯低通滤波器。一种满足上述特性的预调制滤波器是高斯低通滤波器。高斯低通滤波器的冲击响应为高斯低通滤波器的冲击响应为 bBntath212)exp()(222 高斯滤波器的输出脉冲经高斯滤波器的输出脉冲经MSKMSK调制得到调制得到GMSKGMSK信号，其相位路信号，其相位路径由脉冲的形状决定。径由脉冲的形状决定。 由于高斯滤波后的脉冲无陡峭沿，也无拐点，因此，相位路由于高斯滤波后的脉冲无陡峭沿，也无拐点，因此

18、，相位路径得到进一步平滑。径得到进一步平滑。 GMSKGMSK信号的功率谱密度随信号的功率谱密度随B Bb bT Tb b值的减小变得紧凑起来。值的减小变得紧凑起来。 o0.20.40.60.81.00.70.40.30.250.2Tb2Tb Tb2 TbtBbTbg(t)0 / 2 / 2(t)MSKGMSKt / Tb12345678第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术 GMSK在给定百分比功率（落入带宽内功率与总在给定百分比功率（落入带宽内功率与总 功率的比值功率的比值 ）下的占用带宽值）下的占用带宽值在

19、在BbTb一定时，一定时，f Tb(归一化频道间隔归一化频道间隔)越大则邻道干扰越小。越大则邻道干扰越小。 在在f Tb一定时，一定时，BbTb越小则邻道干扰越小。越小则邻道干扰越小。 第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术一比特延迟差分检测一比特延迟差分检测GMSK解调器解调器中 频滤波器迟延 Tb 相移2LPF取样判决GMSKak)()()()(sin)()(21)(bbbbcbTttTTTTtRtRtY在不计输入噪声与干扰的情况下，在不计输入噪声与干扰的情况下， 图中相乘器的输出为图中相乘器的输出为R(t)cosct+(t)R(t-Tb)sinc(t-Tb)+(t-

20、Tb)经经LPF后的输出信号为后的输出信号为第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术一比特延迟差分检测一比特延迟差分检测GMSK解调器解调器中 频滤波器迟延 Tb 相移2LPF取样判决GMSKak1( )( ) ()sin()2bbY tR t R tTT当当cTb=k(2)(k为整数为整数)时时式中，式中， R(t)和和R(t-Tb)是信号的包络，是信号的包络， 永远是正值。永远是正值。 因而因而Y(t)的极性取决于相差信息的极性取决于相差信息(Tb)。 令判决门限令判决门限为零，为零， 即判决规则为即判决规则为 Y(t) 0 判为判为“+1” Y(t) 0 判为判为“-

21、1”在输入在输入“+1”时时(t)增大，在输入增大，在输入“-1”时时(t)减小。减小。判决后可恢复出原来的数据判决后可恢复出原来的数据中 频滤波器迟延2TbLPF取样判决GMSKak第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术二比特延迟差分检测二比特延迟差分检测GMSKGMSK解调器解调器中 频滤波器迟延2TbLPF取样判决GMSKak( )cos( )(2)cos(2)(2)( ) (2)cos( )cos(2)(2)cbcbbbccbbR tttR tTtTtTR t R tTtttTtT)2()(sin)()(sinbbbTtTtTtt判决的依据判决的依据sin(t)-

22、(t-Tb)：对应于原始数据：对应于原始数据ak经差分编码后的经差分编码后的ck , sin(t-Tb)-(t-2Tb)：则对应于：则对应于ck-1，编码编码两者相乘等效于两者相乘等效于ck 与与ck-1模模2加加第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术高斯滤波FM(h=0.5)迟延Tbakck差分编码的规则差分编码的规则1kkkcacMSK用用FM调制器来产生，要求调制器来产生，要求FM调制器的调制指数为调制器的调制指数为0.5。若发端进行差分编码：若发端进行差分编码： ，可得解调输出为：可得解调输出为：1kkkcac1kkcca而相应的在发端，需对原始数据而相应的在发端

23、，需对原始数据ak进行差分编码：进行差分编码：第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术p GSM的调制方式是的调制方式是GMSK方式。方式。p 高斯滤波器的归一化带宽高斯滤波器的归一化带宽 BT=0.3。p 能满足邻信道（能满足邻信道（f-fc=1.5Tb）功率电平小于）功率电平小于-60 dB的要求。的要求。p 基于基于200 kHz的载频间隔及的载频间隔及 270.833 kb/s的信道传输速率，的信道传输速率， 其频谱利用率为其频谱利用率为 1.35 b/s/Hz。第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术二二. /4-DQPSK 调制调制QPSK信

24、号信号串并变换cos(ct)sin(ct)+-(a)串并变换cos(ct)+-Tbsin(ct)(b)43cos43cos4cos4cos)(tAtAtAtAtScccc111111111111nnnnnnnnaaaaaaaa调制之后，其载波相位跃变为调制之后，其载波相位跃变为180度度11101Q11011QII(a)(b)相位跳变相位跳变180，则包络会经过幅度的，则包络会经过幅度的0点，失去恒包络特性。点，失去恒包络特性。43cos43cos4cos4cos)(tAtAtAtAtScccc第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术串并变换cos(ct)sin(ct)+-

25、(a)串并变换cos(ct)+-Tbsin(ct)(b) OQPSK是基于是基于QPSK的一类改进型。的一类改进型。 将将QPSK中并行的中并行的I、Q两路码元错开半个码元，两路码元错开半个码元，使得两个支使得两个支路的数据不会同时发生变化，路的数据不会同时发生变化， 因而不可能像因而不可能像QPSK那样产生那样产生的相位跳变，的相位跳变， 而仅能产生而仅能产生/2的相位跳变，的相位跳变，称这类称这类QPSK为偏为偏移移QPSK或或OQPSK。43cos43cos4cos4cos)(tAtAtAtAtScccc第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术11101Q11011Q

26、II(a)(b) 通过通过I、Q路码元错开半个码元，调制之后，其载波相路码元错开半个码元，调制之后，其载波相位跃变由位跃变由180度降至度降至90度，减小了过零点相位跃变。度，减小了过零点相位跃变。 保持恒包络特性保持恒包络特性 OQPSK已被用于北美和日本的数字蜂窝移动通信系统。已被用于北美和日本的数字蜂窝移动通信系统。第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术 /4-DQPSK是一种正交相移键控调制方式，是一种正交相移键控调制方式， 它综合了它综合了QPSK和和OQPSK两种调制方式的优点。两种调制方式的优点。对于对于QPSK而言，最大相位跳变值为而言，最大相位跳变值为1

27、80，而而OQPSK调制的最大相位跳变值为调制的最大相位跳变值为90，/4-DQPSK最大相位跳变是最大相位跳变是3/4。采用采用Gray编码的双比特码（编码的双比特码（xk，yk）与相移）与相移k的关系的关系 xkykk-1-1-3/4-113/411/41-1-/4第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术ykxk/4-DQPSK信号的产生信号的产生( )cossinkkckcS tUtVt第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术cos)(kckttScoscossinsincossinckckkckcttUtVtkkk1设已调信号设已调信号 k为为k

28、Tst(k+1)Ts之间的附加相位。也是前一码元之间的附加相位。也是前一码元附加相位附加相位k-1与与当前码元相位跳变量当前码元相位跳变量k之和：之和：11111111coscoscossinsincossinsinsincoscossincossinkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkUUVVVU第二节、移动通信的数字调制技术第二节、移动通信的数字调制技术( )cossinkkckcS tUtVt11111111coscoscossinsincossinsinsincoscossincossinkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkUUVVVUk是由输入数据是由输入数据xk和和yk所决定。所决定。xk ykkcos ksin k-1 -1-3/4-1 13/41 1/41 -1-/42 22 22 22 22 22 22 22 2第二节、移动通信的数字调