移动通信(第四版)第4章调制(终稿)

1、第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 第第4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 4.1 概述概述 4.2 数字频率调制数字频率调制 4.3 数字相位调制数字相位调制 4.4 正交振幅调制正交振幅调制(QAM) 4.5 扩展频谱调制扩展频谱调制 4.6 多载波调制多载波调制 思考题与习题思考题与习题 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 4.1 概概 述述 无线通信系统框图：无线通信系统框图：信信源源电电信信号号调调制制接接收收机机解解调调发发射射机机电电信信号号信信宿宿无线信道无线信道噪声噪声和干和干扰扰消消息息模拟或数模拟或数字

2、信号字信号第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 n 调制：调制：把要传输的信号变换成适合信道传把要传输的信号变换成适合信道传 输的信号的过程。输的信号的过程。n 调制信号：调制信号：调制器的输入信号（调制前）。调制器的输入信号（调制前）。n 已调信号已调信号（调幅、调频和调相信号）：调制器的输出信号（调幅、调频和调相信号）：调制器的输出信号（调制后）。（调制后）。模拟调制模拟调制数字调制数字调制按调制信号形式划分按调制信号形式划分调幅调幅(AM)：载波振幅：载波振幅调频调频(FM)：载波频率：载波频率调相调相(PM)：载波相位：载波相位随调制信号变化随调制信号变化的调制

3、方式的调制方式第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 移动通信信道的基本特征移动通信信道的基本特征第一第一 、带宽有限，它取决于使用的频率资源和带宽有限，它取决于使用的频率资源和信道的传播特性；信道的传播特性； 第二第二 、干扰和噪声影响大，这主要是移动通信、干扰和噪声影响大，这主要是移动通信工作的电磁环境所决定的；工作的电磁环境所决定的； 第三第三 、存在着多径衰落。、存在着多径衰落。第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 移动通信对数字调制的要求移动通信对数字调制的要求1、必须采用抗干扰能力较强的调制方式；、必须采用抗干扰能力较强的调制方式；2、

4、尽可能提高频谱利用率；、尽可能提高频谱利用率；3、具有良好的误码性能。、具有良好的误码性能。第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 研究调制技术的主要内容研究调制技术的主要内容1、调制的原理及实现方法；、调制的原理及实现方法；2、已调信号的频谱特性；、已调信号的频谱特性；3、解调的原理和实现方法；、解调的原理和实现方法；4、解调后的信噪比或误码率性能等。、解调后的信噪比或误码率性能等。第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 模拟移动通信的调制解调模拟移动通信的调制解调Uc：载波的振幅；：载波的振幅； c：载波的角频率；：载波的角频率； 0：载波初始相

5、位。：载波初始相位。cc0u (t)Ucos(t) 设载频信号为设载频信号为第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 n 由于信道快衰落会使由于信道快衰落会使模拟调幅模拟调幅产生附加调幅而产生附加调幅而造成失真，已很少采用。造成失真，已很少采用。n 调频和调相信号可以写成如下形式：调频和调相信号可以写成如下形式： (t)：载波的瞬时相位。：载波的瞬时相位。n 设调制信号：设调制信号：则调频信号的瞬时角频率与输入信号的关系为：则调频信号的瞬时角频率与输入信号的关系为：ccu (t)Ucos(t(t) mmu(t)Ucost第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调

6、制技术 Kf为调制灵敏度。为调制灵敏度。因而调频信号的形式为因而调频信号的形式为tFMccfm0FMccffmmfu(t)U costku ( )d (26)u(t)U costm sint(27)k Um(2 8) fmtfm0d (t)k u (t)(24)dt(t)k u ( )d(25)或调制指数调制指数第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 调频器调频器积分器积分器调相器调相器um(t)uFM(t)f0间接调频间接调频压控振荡器压控振荡器VCOum(t)uFM(t)直接调频直接调频积分器积分器um(t)f0 uPM(t)间接调相间接调相信号的调制框图信号的调制框

7、图第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 调频信号的解调调频信号的解调uFM(t)前置放大器前置放大器B=2(mf+1)Fm限幅器限幅器鉴频器鉴频器低频低频滤波器滤波器噪声噪声n(t)解调器解调器r(t)132()(cos)()(cos)()(cos()sin()()cos()()(cos()()()(ttUtttVttUttyttxttUtntutrccccccccccFM第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 鉴频器的输出鉴频器的输出第一项为信号项，第二项为噪声项。第一项为信号项，第二项为噪声项。经低通滤波后，信号的功率为经低通滤波后，信号的功率

8、为表示对表示对 进行统计平均。进行统计平均。)162()(1)()(1)()()(dttdyUtukdttdyUdttddttdtucmfccout)172(21)(2222mfmfoutUktukS)(2tum2mu (t)第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 FM解调器的性能及门限效应解调器的性能及门限效应 在小信噪比在小信噪比,没有信号单独存在，引起没有信号单独存在，引起“门限效应门限效应”第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 4.2 数字频率调制数字频率调制 4.2.1 移频键控移频键控(FSK)调制调制 设输入到调制器的比特流为设

9、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)cos()cos()(2211ttts11nnaa (2 - 23) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 如如an用数字信号用数字信号u(t)表示，则二进制表示，则二进制FSK（2FSK)波形为波形为 1 0 0 1 0 1 u(t)S(t)=cos( 1t+ 1)S(t)=cos( 2t+ 2)第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 令令g(t)为宽度为宽度Ts的矩形脉冲且的矩形脉冲且 11101101nnnnnnaaba

10、ab则则s(t)可表示为可表示为 )cos()()cos()()(2211nsnsnntnTtgbtnTtgbts (2 - 24) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图 2 3 FSK信号的功率谱 Ps(f )f0f2 f1f1 fsf1f0f2f2 fsof221ff FSK信号的带宽大约为信号的带宽大约为 B=|2-1|+2s 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 FSK信号的解调信号的解调 FSK的解调有包络检波法的解调有包络检波法相干解调法和非相干解调法相干解调法和非相干解调法。非相干法包括鉴频法、非相干匹配滤波器法、差分检测非相干

11、法包括鉴频法、非相干匹配滤波器法、差分检测法，过零检测法等。法，过零检测法等。1.FSK 相位连续时，相位连续时，可采用鉴频器解调可采用鉴频器解调。2.包络检波法：包络检波法：带通滤波器带通滤波器带通滤波器带通滤波器包络检波器包络检波器包络检波器包络检波器比较判决比较判决输入输入输出输出 1 2第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 3.非相干解调法（非相干匹配滤波器法）非相干解调法（非相干匹配滤波器法）输入输入包络检波器包络检波器包络检波器包络检波器ssTttTTth0)(cos2)(1ssTttTTth0)(cos2)(2匹配滤波器匹配滤波器匹配滤波器匹配滤波器判决电

12、路判决电路输出输出X1(t)X2(t)第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 2 - 4 FSK的相干解调框图的相干解调框图 带通滤波器相乘器低通滤波器cos(1t1)y1(t)定时脉冲x1(t)输出输入1比较判决带通滤波器相乘器低通滤波器cos(2t2)y2(t)x2(t)24.相干解调法相干解调法第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 FSK调制方法的主要问题调制方法的主要问题是由于相邻码元相位不是由于相邻码元相位不连续，频率跳变将引起较大的功率谱旁瓣，频谱连续，频率跳变将引起较大的功率谱旁瓣，频谱效率低，因而效率低，因而只能应用于低速传输

13、系统只能应用于低速传输系统中。中。第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 4.2.2 最小移频键控最小移频键控(MSK)调制调制MSK是一种特殊形式的是一种特殊形式的FSK， 其频差是满足其频差是满足两个频率相互正交两个频率相互正交(即相关函数等于即相关函数等于0)的最小频的最小频差，差， 并要求并要求FSK信号的相位连续信号的相位连续。 其频差其频差f=f2-f1=1/2Tb, 即调制指数为即调制指数为5 . 0/1bTfhTb:输入数据流的比特宽度。输入数据流的比特宽度。第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 MSK满足两个条件：满足两个条件：调

14、频指数调频指数h=0.5;相位连续。相位连续。调频指数调频指数h=0.5时时，移频键控信号具有最小频偏、最，移频键控信号具有最小频偏、最小占有带宽，并有最好的相干检测误码性能。小占有带宽，并有最好的相干检测误码性能。由于由于相位连续相位连续，可以克服一般移频键控码元交替过，可以克服一般移频键控码元交替过程中存在相位跳变，使频谱的边带下降很多，频谱程中存在相位跳变，使频谱的边带下降很多，频谱变窄。变窄。第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 MSK的信号表达式为的信号表达式为 kkbcxtaTttS2cos)( (2 - 34) xk是为了保证是为了保证t=kTb时相位连续

15、而加入的时相位连续而加入的相位常量相位常量。 令令 k = ct+k kTbt(k+1)Tb (2 - 35)式中式中 kkbkxtaT2第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 1211:;2211:22 kcbkcbafTafT当时当时令令( )cos( )MSKcksttt则信号的表示式为则信号的表示式为( )2kkksattT第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 2 - 5 MSK的相位轨迹的相位轨迹 3/ 201 1 1 1 1 1 1 1 1Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7Tb8Tb9Tb0akxk (t)t/ 2/ 23/ 2

16、25/ 23233344第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 2 - 6 MSK的可能相位轨迹的可能相位轨迹 Tb2Tb4Tb6Tb8Tb9Tb(t)t23 / 2 / 20 / 23 / 227Tb5Tb3Tb第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 ttTxattTxxtaTttScbkkcbkkkbcsin2sincoscos2coscos)2cos()(2 - 38) MSK信号的调制信号的调制第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 所以上式可以写成所以上式可以写成(令令k=2l, l=0, 1, 2, )： co

17、sx2l = cosx2l-1 a2l+1 cosx2l+1 = a2l cosx2l (2 - 39) 由此式可以看出由此式可以看出： I支路数据支路数据(cosxk)和和Q支路数据支路数据(ak cosxk)并不是每隔并不是每隔Tb秒就可能改变符号，而是每隔秒就可能改变符号，而是每隔2Tb秒才秒才有可能改变符号。有可能改变符号。I支支路与路与Q支路的码元在时间上错开支路的码元在时间上错开Tb秒，秒， 如图如图 2 - 7 所示。所示。 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 2 - 7 MSK的输入数据与各支路数据及基带波形的关系的输入数据与各支路数据及基带波形

18、的关系 0123456789101112131415161 1 11 1 1 11111 1 11 1 11 10091 11 1 1 1 1 111 1 11 1 1 1Tb6Tb7Tb8Tb9Tb13 Tb14 Tb15 Tb6Tb7Tb8Tb9Tb10 Tb13 Tb14 Tb16 TbTbkdkakxkcos xkakcos xk1 1 1 11 11111 1 11 1 111 11 1 1 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1b2coscosTtxk77777444433322Tb2Tb3Tb3Tb4Tb4Tb5Tb5Tb10 Tb11 Tb11 Tb12 Tb12 Tb1

19、5 Tb16 Tbb2sincosTtxakk第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 输入数据输入数据dk的差分编码为：的差分编码为： dk=akdk-1 ak=dkdk-1 若在若在MSK调制前，对数据调制前，对数据dk进行差分编码，解调时，进行差分编码，解调时，只要只要 对对cosxk和和akcosxk进行进行 交替取样就可以恢复交替取样就可以恢复dk 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 串/ 并差分编码TbcosctsinctyMSK(t)TbakdktTb2costTb2sinMSK调制器框图调制器框图kckkcbbS(t)cosx co

20、st costa cosx sint sint2T2T I支路支路Q支路支路第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 MSK信号的单边功率谱表达式为信号的单边功率谱表达式为bcbcbMSKTffTffTfP)(2cos)(1618)(2222 (2 - 40) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 2 - 9 MSK信号的功率谱信号的功率谱 1.02.03.04.0(f fc)TbMSKQPSK功率谱密度 / dB01020304050600.5 0.75第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 特点特点MSK的主瓣谱能量大

21、的主瓣谱能量大，说明，说明MSK信号功率谱更加信号功率谱更加紧凑。优点是功率谱主瓣虽然较宽，但旁瓣却以紧凑。优点是功率谱主瓣虽然较宽，但旁瓣却以 (-c)Tb-4 规律迅速下降。规律迅速下降。MSK调制比较调制比较适合于非线性的和邻道抑制严格适合于非线性的和邻道抑制严格的移的移动信道应用。动信道应用。第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 MSK信号的解调信号的解调 1、采用鉴频器解调、采用鉴频器解调uFM(t)前置放大器前置放大器限幅器限幅器鉴频器鉴频器低频低频滤波器滤波器噪声噪声n(t)解调器解调器r(t)第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术

22、MSK信号可以采用鉴频器解调，信号可以采用鉴频器解调， 也可以采也可以采用相干解调。用相干解调。 相干解调的框图如图相干解调的框图如图 2 - 10 所示。所示。 图中图中采用平方环来提取相干载波。采用平方环来提取相干载波。 从图中可以看出经过低从图中可以看出经过低通滤波后，通滤波后， I支路和支路和Q支路的输出分别为支路的输出分别为bkkbkTtxaTtx2sincos2coscos22 (2 - 41) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 2.MSK信号相干解调信号相干解调)cos(2cos(2)(ttTtxcb）LPFLPF取样判决取样判决取样判决取样判决并并/

23、串串S(t)Tb锁相环锁相环12c+1/Tb锁相环锁相环22c-1/Tb 2 2 平方器平方器+)sin(2sin(2)(ttTtycb）dkakdk-1P支路支路T支路支路+X(t)Y(t)S1(t)S2(t)I支路支路Q支路支路I(t)Q(t)BPF+-第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 平方器的输出为平方器的输出为kbckkkbckkbckkbckkbcxtTftSaxtaTfxtaTtxtaTtxtaTttS22122cos2121)(,122122cos2121222cos212122cos21212cos)(222则第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移

24、动无线通信的调制技术 锁相环锁定频率锁相环锁定频率2c1/2Tb，相位为零的分量，相位为零的分量，输出为输出为1cb1S (t)cos 2 (2f) t2T2cb1S (t)cos 2 (2f) t2TP支路：支路：T支路：支路：第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 2分频器输出为分频器输出为P支路：支路：T支路：支路：tTttTftSbcbc2cos22cos)(12ccbbS (t)cos 2 ftcostt2T2T 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 tTtTttTttStStycbbcbcsin2sin22cos2cos)()()(21

25、ttTtTttTttStStxcbbcbccos2cos22cos2cos)()()(21第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 ckkcbbckkcckkcbbbckkkkbbbI(x)s(t)X(t)costa tx2cost cost2T2Tcosta txtcosta txtcost2T2T2Tcos 2ta txcostcosa txcos2T2T2T bt2TI支路乘法器输出为支路乘法器输出为第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 I支路支路LPF输出为输出为kkbbkkkkbbbb2kbI(x)cosa txcost2T2Tcosx c

26、osa t costsinx sina t cost2T2T2T2Tcosx cost2T第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 tTxtaTtTxtaTtttTxtaTttytsxQbkkbbkkbccbkkbc2sin2sin2sin22sinsin2sin22cos)()()(Q支路乘法器输出为支路乘法器输出为第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 Q支路支路LPF输出为输出为taTxatTxtaTtTtaTxtTxtaTxQkbkkbkkbbkbkbkkb2sincos2sinsin2cos2sin2sincos2sin2sin)(2第第4

27、4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 误比特率误比特率 各支路的误码率为各支路的误码率为差分译码后的误比特率为差分译码后的误比特率为 Pe=2Ps(1-Ps) (2-43) 与与FSK性能相比，各支路的码元宽度为性能相比，各支路的码元宽度为2Tb,误比特率性能得误比特率性能得到了改善，对应的低通滤波器的带宽减少到了改善，对应的低通滤波器的带宽减少 一半，信噪比提一半，信噪比提高一倍。高一倍。)422()(21erfcPs第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 4.2.3 高斯滤波的最小移频键控高斯滤波的最小移频键控(GMSK)调制调制由于由于MSK信号不能

28、满足功率谱在邻道取值低于主瓣峰值的信号不能满足功率谱在邻道取值低于主瓣峰值的60dB,因此引入因此引入GMSK。MSK的输入信号的输入信号0预调制滤波器输入数据不归零(NRZ)FM调制器调制指数为0.5第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 Bb:高斯滤波器的高斯滤波器的3db带宽带宽.对单个宽度为对单个宽度为Tb的矩形脉冲的响应为的矩形脉冲的响应为)442(2ln2),exp()(222bBtthdQTtBQTtBQtgtbbbb)2/exp(21)452(22ln222ln2)(2高斯低通滤波器的冲击响应为高斯函数高斯低通滤波器的冲击响应为高斯函数第第4 4章章 移动

29、无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 2 - 12 高斯滤波器的矩形脉冲响应高斯滤波器的矩形脉冲响应 o0.20.40.60.81.00.70.40.30.250.2Tb2Tb Tb2TbtBbTbg(t)第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 GMSK的信号表达式为的信号表达式为 dTnTgaTttStbbnbc)2(2cos)( (2 - 47) GMSK的相位轨迹如图的相位轨迹如图 2 - 13 所示。所示。 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 2 - 13 GMSK的相位轨迹的相位轨迹 0 / 2 / 2(t)MSKGMS

30、Kt / Tb12345678第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 采用高斯脉冲串直接调频缺点采用高斯脉冲串直接调频缺点难以获得灵敏度和线性统一。难以获得灵敏度和线性统一。调频器的不稳定影响相干解调的实施。调频器的不稳定影响相干解调的实施。事实上用硬件综合出符合上述高斯低通滤波器的事实上用硬件综合出符合上述高斯低通滤波器的冲击响应是困难的。冲击响应是困难的。因此引入因此引入GMSK信号的波形存储正交调制法信号的波形存储正交调制法第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 GMSK信号的波形存储正交调制法信号的波形存储正交调制法)482(sin)(sin

31、cos)(cos)(cos()(ccctttttSGMSK信号还可以表达式为信号还可以表达式为)472() 1()()(22)(bbbtbbnbTktkTtkTTnTgaTt制作制作cos (t)和和sin (t)两张表两张表第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 对对 g(t)进行截短，取进行截短，取(2N+1)Tb区间区间 g(t)an(2N+1)Tb (kTb), (t) 仅与仅与(2N+1)个比特有关，因此个比特有关，因此 (t)的状态的状态为有限。可以制作为有限。可以制作cos (t)和和sin (t)两张表。两张表。第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无

32、线通信的调制技术 图图 2 - 14 波形存储正交调制法产生波形存储正交调制法产生GMSK信号信号 cos(t)表地址产生输入数据D / ALPF象限计数器sin(t)表D / ALPFcosctsincty(t)正交调制器第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 2 - 15 GMSK的功率谱密度的功率谱密度 02040608010012000.51.01.52.02.5归一化频率：( f fc)Tb0.40.30.20.250.161.00.70.5BbTb(MSK)功率谱密度 / dB第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 表 2 - 1

33、GMSK在给定百分比功率下的占用带宽 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图 2 - 16 GMSK信号对邻道的干扰功率 00.51.01.52.02.5f Tb (f 为信道间隔)1201008060402001.0BbTb(MSK)0.50.40.30.250.20.16邻道干扰 / dB0.7第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 频谱衰落和邻道干扰频谱衰落和邻道干扰在在GSM系统中，要求在系统中，要求在(- c)Tb=1.5时，功率时，功率谱密度低于谱密度低于60dB。在在BbTb一定时，一定时， Tb( 为信道间隔）越大，为信道间隔）越

34、大，邻道干扰越小。邻道干扰越小。 T b一定时，一定时，BbTb越小，邻越小，邻道干扰就越小。道干扰就越小。第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 GMSK信号的解调信号的解调解调方法：解调方法：差分检测、相干检测和鉴频检测。差分检测、相干检测和鉴频检测。解调方法比较：解调方法比较：在移动通信中，由于存在多径在移动通信中，由于存在多径衰落，相干解调的相干载波形难以提取；鉴频衰落，相干解调的相干载波形难以提取；鉴频检测检测(非相干检测非相干检测)性能不理想；差分检测不需性能不理想；差分检测不需要恢复相干载波波形，在多径传播条件下是的要恢复相干载波波形，在多径传播条件下是的一

35、种较好的方案。一种较好的方案。差分检测差分检测有一比特差分检测和二比特差分检测。有一比特差分检测和二比特差分检测。第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 一比特延迟差分检测一比特延迟差分检测中频滤波器的输出信号为中频滤波器的输出信号为 SIF(t) = R(t) cosct+(t) (2 - 50)中频滤波器GMSK迟延 TbLPF取样判决相移2ka 一比特延迟差分检测器框图一比特延迟差分检测器框图R(t)：时变包络：时变包络 c：中频载波角频率：中频载波角频率 (t)：附加相位：附加相位第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 经迟延和相移输出为经迟

36、延和相移输出为cbcbbbccbbccbbbcbbcbbbR(t)cost(t) R(tT )sin(tT )(tT )1R(t)R(tT )sint(t)(tT )(tT )2sint(t)(tT )(tT )1R(t)R(tT )sin(2tT )(t)(tT ) sinT(T )2(T )(t)( btT )bcbbR(tT )sin(tT )(tT )相乘器的输出为相乘器的输出为第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 低通滤波器低通滤波器LPF输出为输出为)512()(sin)()(21)(bbcbTTTtRtRtY)522()(sin)()(21)(bbTTtR

37、tRtY当当 cTb=k(2 )(k为整数为整数)时，时，R(t)和和R(t-Tb) 是信号的包络，永为正值，是信号的包络，永为正值，（ b)决决定了定了Y(t)的极性，令判决门限为零，则判决规则为：的极性，令判决门限为零，则判决规则为：第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 Y(t)0 判为判为“+1” Y(t)0, 判为判为“+1” ； (t)减小时减小时(Tb)为负，为负，sin 判为判为“+1” Y(t)0 判决为判决为“+1” y(t)0 判决为判决为“+1” y(t)0 判决为判决为“-1”第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 差分相干

38、解调的误比特率为差分相干解调的误比特率为e1Pe(261)2）（31-22)2(2122neaerfcPFSK误比特率为误比特率为在相同误比特率时，在相同误比特率时，PSK所需要的信噪比要比所需要的信噪比要比FSK小小3dB，PSK的性能优于的性能优于FSK第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 4.3.2 四相移相键控四相移相键控(QPSK)调制和交错调制和交错四相移相键控四相移相键控(OQPSK)调制调制 四相相移键控调制是二相的推广，用四个相位四相相移键控调制是二相的推广，用四个相位的正弦振荡表示不同的数字信息。的正弦振荡表示不同的数字信息。第第4 4章章 移动无线

39、通信的调制技术移动无线通信的调制技术 an串并变换串并变换cos(ct)sin(ct)+-S(t)I支路Q支路串并变换串并变换cos(ct)sin(ct)+-anS(t)TbI支路Q支路2.交错四相相移键控调制交错四相相移键控调制(OQPSK)1. 四相相移四相相移(QPSK)生成生成第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 当当anan-1=+1+1时时4cos4cos4sin24sin4sin222/sin22/sin2)2/cos()cos()sin()cos()(tAtttttttttttSccccccccccc第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调

40、制技术 an=“+1”或或“-1”，令，令n=2k+1，bsssTTTktkT2,) 1( k= /4, 3 /4)43cos()43cos()4cos()4cos()(tAtAtAtAtScccc) 1)(1() 1)(1() 1)(1() 1)(1(1111nnnnnnnnaaaaaaaa(2 - 62) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 在在QPSK的码元速率与的码元速率与PSK的比特速率相等时，的比特速率相等时，QPSK信号可以看成是两个信号可以看成是两个PSK信号之和，因而它信号之和，因而它具有具有PSK信号的频谱特征和误比特率。信号的频谱特征和误比特率。

41、 由于由于OQPSK在在Q支路上加入了一个比特的时延，使得支路上加入了一个比特的时延，使得两个支路的数据不会同时发生变化，因而两个支路的数据不会同时发生变化，因而OQPSK不可不可能像能像QPSK那样产生那样产生 的相位跳变，仅产生的相位跳变，仅产生 /2的相的相位跳变，因此位跳变，因此OQPSK的频谱旁瓣要低于的频谱旁瓣要低于QPSK信号的信号的旁瓣，旁瓣， OQPSK信号对邻道的辐射要小，抗干扰能力信号对邻道的辐射要小，抗干扰能力强，但传输速率低。强，但传输速率低。 QPSK和和OQPSK的比较的比较第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图 2 - 25 QPSK和

42、OQPSK的星座图和相位转移图 (a) QPSK; (b) OQPSK11101Q11011QII(a)(b)第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 QPSK信号的解调和误码性能信号的解调和误码性能 一般采用相干解调，框图如下：一般采用相干解调，框图如下：误码率误码率取样判决取样判决积分积分并并/ /串串取样判决取样判决积分积分/2载波恢复载波恢复QQPSK二进制信号二进制信号IerfcPPPeIce21定时定时第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 4.3.3 /4-DQPSK调制 /4-DQPSK对对QPSK的改进：的改进：1 改善了改善了 /4

43、-DQPSK的频谱特性；的频谱特性；2 解调方式可采用相干解调和非相干解调解调方式可采用相干解调和非相干解调(QPSK只能采用相干解调）只能采用相干解调）第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 2 - 26 /4-DQPSK信号的产生原理框图信号的产生原理框图 串 / 并变换sinctLPFcosctLPF放大输入数据差分相位编码SISQUkVk / 4-DPSK信号 /4-DQPSK的相干调制的相干调制第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 k：当前码元附加相位。：当前码元附加相位。 k-1：前一码元附加相位。：前一码元附加相位。k：当前码元

44、相位跳变量。：当前码元相位跳变量。 k = k-1+ k （2-65）)642(sinsincoscos)632()cos()(kckckcttttS已调信号已调信号第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 Uk=cos k = cos ( k-1+ k) =cos k-1cos k -sin k-1sin k (2-66)Vk=sin k = sin ( k-1+ k) =sin k-1cos k +cos k-1sin k (2-67)其中其中Uk-1 =cos k-1， Vk-1 =sin k-1，则，则 Uk= Uk-1 cos k - Vk-1 sin k Vk=

45、 Vk-1 cos k - Uk-1 sin k (2-68)第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 /4-DQPSK相位跳变规则相位跳变规则 SI SQ k cos k sin k 1 1 /4 1/ 2 1/ 2 -1 1 3 /4 -1/ 2 1/ 2 -1 -1 -3 /4 -1/ 2 -1/ 2 1 -1 - /4 -1/ 2 -1/ 2第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 Uk和和Vk可能的取值为可能的取值为 五种取值。如五种取值。如 1,2/1,012/12/1)2/1(2/14/3sin2/14/3cos2/1sincos11kkk

46、kkUVV12/12/1)2/1(2/14/3sin2/14/3cos2/1sincos11kkkkkVUU第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图 2 - 27 /4-DQPSK的相位关系(1, 0)(1, 0)I(0, 1)(0, 1)oQ)2/1 ,2/1 ()2/1 ,2/1 ()2/1 ,2/1 ()2/1 ,2/1 (第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 n 为使已调信号功率谱更加平坦，要求调制器中的为使已调信号功率谱更加平坦，要求调制器中的LPF具有相位线性特性、平方根升余弦频率响应，即具有相位线性特性、平方根升余弦频率响应，即)6

47、92(21021212) 12(sin1212101| )(|sssssTfTfTfTTffG 为滚降因子。为滚降因子。第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 设该滤波器的矩形脉冲响应函数为设该滤波器的矩形脉冲响应函数为g(t)，那么最后，那么最后形成的形成的/4-DQPSK信号可以表示为信号可以表示为tkTtgtkTtgtSckksckkssinsin)(coscos)()(2 - 70)第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图 2 - 28 /4-DQPSK基带信号的眼图 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 /4-DQ

48、PSK信号的解调信号的解调 相干检测相干检测 差分检测差分检测 鉴频检测鉴频检测第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 1. 基带差分检测基带差分检测 图 2 - 31 基带差分检测框图cos(ct)LPFWkXkYk解码电路并 / 串变换LPFZksin(ct)Sk(t)第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 n 设接收信号 Sk(t) = cos(ct+k) kTst(k+1)Ts (2 - 71) 在同相支路，经与本地载波cos(ct+)相乘，滤波后的低频信号为)cos(21kkW (2 - 72) n在正交支路，与sin(ct+)相乘，滤波后

49、的低频信号为)sin(21kkZ(2 - 73) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 式中，k是信号相位。从调制器电路图 2 - 26 可知: kkkUVarctan(2 - 74) 令解码电路的运算规则为 1111kkkkkkkkkkZWWZYZZWWX(2 - 75) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 n可以得到可以得到 kkkkkkkkkkkkkkkkYXsin41)sin(41)sin(21)cos(21)cos(21)sin(21cos41)cos(41)sin(21)sin(21)cos(21)cos(21111111(2 -

50、76) (2 - 77) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 从式(2 - 76)和式(2 - 77)可以看出，通过解码电路的运算，消除了本地载频和信号的相差，使得Xk和Yk仅与k相关。根据调制时的相位跳变规则(表2-2), 可制定判决规则如下： Xk0 判“+1” Xk0 判“-1” Yk0 判“+1” Yk0 判“-1” (2 - 78) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图 2 - 32 中频差分检测原理框图LPFXkYk并 / 串变换LPFSk迟延 Ts带通滤波相移2n输入信号输入信号Sk(t)=cos(ct+k)经两个支路相乘后的

51、信号分经两个支路相乘后的信号分别为别为 cos(ct+k)cos(c(t-Ts)+k-1) sin(ct+k)cos(c(t-Ts)+k-1) (2 - 79)2. 中频差分检测中频差分检测第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 经低通滤波后，经低通滤波后， 所得低频分量为所得低频分量为(取取Ts=2n)： kkkkkkkkYXsin21)sin(21cos21)cos(2111 (2 - 80) (2 - 81) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图 2 - 33 鉴频器检测框图 并 / 串变换差分相位解码模2积分清除鉴频器带通滤波v(t)k

52、 3. 鉴频器检测鉴频器检测 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 理想的鉴频器特性为 dttdt)()(2 - 82) 经过积分和采样后有 ssTkkTkkkdtt)1(1)(2 - 83) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 若直接根据k进行判决， 就可能出现错判。 例如，k=10, k-1=340， 则 k=10-340=-330，但实际的相差仅为30。因此，在差分相位解码前要加入一个模2的校正电路。其校正规则如下： 如果k-180, 则k=k+360如果k180, 则k=k-360(2 - 84) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术

53、移动无线通信的调制技术 (1) /4-DQPSK在理想高斯信道条件下系统的抗噪在理想高斯信道条件下系统的抗噪声性能。声性能。bbeIIePbbkkkbe2002)2(21)2() 12()(2 85)基带差分检测的误比特率为基带差分检测的误比特率为第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 2 - 34 /4-DQPSK的误比特率性能及频的误比特率性能及频 差差f引起的引起的 相位漂移相位漂移=fTs02468101214(Eb / N0) / dBPe1061051041031021011000510152025f Ts第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通

54、信的调制技术 在有在有的情况下，的情况下， 系统的平均误比特率为系统的平均误比特率为 )(21)|(21PPPbe(2 - 86) 式中：式中：bebePPPP4cos24cos22221 (2 - 87) (2 - 88) 第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 (2) /4-DQPSK在多径衰落信道和有同道干扰及邻在多径衰落信道和有同道干扰及邻道干扰条件下的系统性能。道干扰条件下的系统性能。 图 2 - 35 频率选择性Rayleigh衰落信道模型 TX1)(j11e )(ttR)(j22e )(ttR)(j33e )(ttRTX2RX1AWGN第第4 4章章 移动无

55、线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 (1) 无多普勒频移和无时延扩散的无多普勒频移和无时延扩散的Rayleigh衰落信道。衰落信道。图图 2 - 36 /4-DQPSK在无多普勒频移和无在无多普勒频移和无时延扩散的衰落信道下的性能时延扩散的衰落信道下的性能图中：(1) C / I20 dB (2) C / I30 dB (3) C / I40 dB (4) C / I50 dB (5) C / I dB0543210lg Pe10 20 30 40 50 60 70 80 90 100(C / N) / dB(1)(2)(3)(4)(5)载波干扰功率比载波干扰功率比第第4 4章章 移动无线

56、通信的调制技术移动无线通信的调制技术 (2) 无时延扩散和有多普勒频移无时延扩散和有多普勒频移Rayleigh衰衰落信道。落信道。图图 2 - 37 /4-DQPSK在有多普勒频移和无在有多普勒频移和无时延扩散的衰落信道下的性能时延扩散的衰落信道下的性能010 20 30 40 50 60 70 80 90 100(C / N) / dB543210lgPe(4)(3)(2)(1)图中：(1) v0(2) v40 km / h(3) v80 km / h(4) v120 km / h第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 2 - 38 /4-DQPSK在有同道干扰、

57、在有同道干扰、 有多普勒频移和无时延扩散衰落信道下的性能有多普勒频移和无时延扩散衰落信道下的性能23112345lgPelg( fDTs)图中：(1) C / I20 dB(2) C / I30 dB(3) C / I40 dB(4) C / I50 dB(5) C / I dB(4)(5)(3)(2)(1)第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图图 2 - 39 /4-DQPSK在有时延扩散无多普勒频移在有时延扩散无多普勒频移 的衰落信道下的性能的衰落信道下的性能010203040543210lgPe(C / D) / dB(1)(2)(3)(4)(5)图中：(1)

58、/ Ts0.1(2) / Ts0.2(3) / Ts0.3(4) / Ts0.4(5) / Ts1.0(3) 有时延扩散无多普勒频移的衰落信道有时延扩散无多普勒频移的衰落信道C/D:主路径平均信号功率主路径平均信号功率/时延路径的平均信号功率时延路径的平均信号功率第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 图 2 - 40 /4-DQPSK在有时延扩散和多普勒频移 的衰落信道下的性能103102101fDTs105104103102101100Pe(3)(1)(4)(2)图中：(1) / Ts0.1， C / D10 dB(2) / Ts0.1， C / D30 dB(3)

59、/ Ts0.5， C / D10 dB(4) / Ts0.5， C / D30 dB(4) 有时延扩散和多普勒频移的有时延扩散和多普勒频移的Rayleigh衰落信道。衰落信道。第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 4.5 混合线性和恒包络调制技术混合线性和恒包络调制技术4.5.1 MPSK 4.5.2 QAM4.5.3 MFSK第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 4.5.1 MPSKM相相移键控相相移键控第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 4.5.2 正交振幅调制正交振幅调制(QAM)n正交振幅调制是二进制的正交振幅调

60、制是二进制的P PS SK K、四进制的、四进制的QPQPS SK K调制的进一步推广，通过相位和振调制的进一步推广，通过相位和振幅的联合控制，可以得到更高频谱效率幅的联合控制，可以得到更高频谱效率的调制方式，从而可在限定的频带内传的调制方式，从而可在限定的频带内传输更高速率的数据。输更高速率的数据。 正交振幅调制的一般表达式为正交振幅调制的一般表达式为y y( (t t) = ) = A Amm cos cosc ct t+ +B Bmm sin sinc ct t 0 0t tT Ts s (2 - 89) (2 - 89)第第4 4章章 移动无线通信的调制技术移动无线通信的调制技术 QA