通信原理课件(全1-9章)(改好)第七章

1、第七章 现代数字调制技术7.1 引言7.2 改进型四相相移键控7.3 恒包络连续相位频移健控7.4 正交幅度调制 7.5 正交频分复用多载波调制7.1 引言 在第6章中已经讨论了几种基本数字调制技术的调制和解调原理。随着数字通信的迅速发展，各种数字调制方式也在不断地改进和发展，现代通信系统中出现了很多性能良好的数字调制技术。 本章我们主要介绍目前实际通信系统中常使用的几种现代数字调制技术。首先介绍几种恒包络调制，包括偏移四相相移键控（OQPSK）、/4四相相移键控（/4-QPSK）、最小频移键控（MSK）和高斯型最小频移键控（GMSK）；然后介绍正交幅度调制（QAM），它是一种不恒定包络调制。

2、在介绍了这几种单载波调制后，再引入多载波调制，着重介绍其中的正交频分复用（OFDM）。7.2.1 偏移四相相移键控（OQPSK）在数字调制中，假设QPSK信号的每个码元的包络为矩形方波，则高频信号也具有恒包络特性，但这时已调信号的频谱将为无穷大，而实际上信道带宽总是有限的，为了对QPSK信号的带宽进行限制，先将基带双极性矩形不归零脉冲序列先经过基带成形滤波器进行限带，然后再进行QPSK调制。问题是：通过带限处理后的QPSK信号将不再是恒包络了。而且当码组，或时，会产生的载波相位跳变，这种相位跳变会引起带限处理后的QPSK信号包络起伏,甚至出现包络为0的现象。这种现象必须避免，这是因为当通过非线

3、性器件后，包络起伏很大的限带QPSK信号的功率谱旁瓣增生，导致频谱扩散，增加对相邻信道的干扰。为了消除的相位跳变，在QPSK的基础上提出了OQPSK。 QPSK信号是利用正交调制方法产生的，其原理是先对输入数据作串/并变换，即将二进制数据每两比特分成一组，得到四种组合：（1，1）、（-1，1）、（-1，-1）和（1，-1），每组的前一比特为同相分量，后一比特为正交分量。然后利用同相分量和正交分量分别对两个正交的载波进行2PSK调制，最后将调制结果叠加，得到QPSK信号。可知QPSK信号的相位有四种可能的取值，QPSK相位关系如图（a）所示。随着输入数据的不同，QPSK信号的相位会在这四种相位上

4、跳变，如图（a）中的箭头所示。当发生对角过渡，即产生的相移时，经过带通滤波器之后所形成的包络起伏必然达到最大。 为了减小包络起伏，这里做一改进，在对QPSK做正交调制时，将正交分量Q(t)的基带信号相对于同向分量I(t)的基带信号延迟半个码元间隔（ 一个比特间隔）。这种方法称为偏移四相相移键控。（a）QPSK信号的相位关系 （b）OQPSK信号的相位关系图 QPSK和OQPSK信号的相位关系 如图（b）所示。经带通滤波器后，0QPSK信号中包络的最大值与最小值之比约为 ，不再出现比值无限大的现象。也就是说，滤波后的QPSK信号和OQPSK信号有本质区别。 由于OQPSK信号也可以看作是由同相支

5、路和正交支路的2PSK信号的叠加，所以OQPSK信号的功率谱与QPSK信号的功率谱形状相同。如果采用相干解调方式，理论上OQPSK信号的误码性能与相干解调的QPSK相同。但是，频带受限的OQPSK信号包络起伏比频带受限的QPSK信号小，经限幅放大后频谱展宽的少，所以OQPSK的性能优于QPSK。在实际中，OQPSK比QPSK应用更广泛。7.2.2 /4四相相移键控与OQPSK只有四个相位点不同， -QPSK信号已调信号的相位被均匀地分配为相距 的八个相位点，如图（a）所示。八个相位点被分为两组，分别用“”和“”表示，如图（b）和（c）所示。如果能够使已调信号的相位在两组之间交替跳变，则相位跳变

6、值就只能有 和 ，从而避免了QPSK信号相位突变 的现象。而且相邻码元间至少有 的相位变化，从而使接收机容易 进行时钟恢复和同步。由于最大相移 比QPSK的 最大相移小，所以称为移位QPSK，简称为 -QPSK。图 /4 -QPSK信号的星座图 如果采用相干解调,/4-QPSK信号的抗噪声性能和QPSK信号的相同。但是，带限后的/4-QPSK信号保持恒包络的性能比带限后的QPSK好，但不如OQPSK，这是因为三者最大相位变化OQPSK最小, /4-QPSK其次，QPSK最大。 需要指出的是， -QPSK的优势还在于它可以采用差分检测，这是因为 -QPSK信号内的信息完全包含在载波的两个相邻码元

7、之间的相位差中。差分检测是一种非相干解调，这大大简化了接收机的设计。而且，通过研究还发现，在存在多径和衰落时, -QPSK的性能优于OQPSK，所以， -QPSK日益得到重视，现在北美和日本的数字蜂窝移动通信系统中已采用 -QPSK调制方式。7.3.3 最小频移键控（MSK）OQPSK和 -QPSK虽然避免了QPSK信号相位突变180度的现象，改善了包络起伏，但是并没有从根本上解决包络起伏问题。究其原因，包络起伏是由相位的非连续变化引起的。因此，我们自然会想到使用相位连续变化的调制方式，这种方式称为连续相位调制（CPM）。MSK是一种特殊的2FSK信号，它是二进制连续相位频移键控（CPFSK）

8、的一种特殊情况。在6.2.2节中讨论的2FSK信号通常是由两个独立的振荡源产生的，在频率转换处相位不连续，因此，会造成功率谱产生很大的旁瓣分量，若通过带限系统后，会产生信号包络的起伏变化，这种起伏是我们所不需要的。为了克服以上缺点，对于2FSK信号作了改进，引入MSK调制方式。MSK称为最小移频键控，有时也称为快速移频键控(FFSK)，所谓“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数(0.5)获得正交信号；而“快速”是指在给定同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比2PSK衰减的快。MSK信号具有如下特点：（1）MSK信号的包络是恒定不变的；（2）MSK是调制指

9、数为0.5的正交信号，频率偏移等于（ ）Hz；（3）MSK波形相位在码元转换时刻是连续的；（4）MSK附加相位在一个码元持续时间内线性地变化 等； 1 MSK信号的正交性MSK信号可以表示为式中， 表示载频； 表示相对载频的频偏； 表示第k个码元的起始相位； 是数字基带信号。 称为附加相位函数，它是除载波相位之外的附加相位。 当 时，信号的频率为 当 时，信号的频率为 所以 即最小频差 等于码元传输速率的一半。对应的调制指数为 2 MSK信号的相位连续性根据相位 连续条件，要求在 时满足可得 上式可见，MSK信号在第k个码元的起始相位不仅与当前的 有关，还与前面的 和 有关。为简便起见，设第一

10、个码元的起始相位为0，则 3 MSK信号的产生与解调 考虑到 ， 或 ，最后可以得到上式中， 为同相分量； 为正交分量。图 MSK信号的产生方框图图 MSK解调器原理框图4 MSK信号的频谱特性 通过推导，MSK信号的归一化功率谱密度 的表达式如下: 上式中， 为载频， 为码元宽度。 按照上式画出的功率谱曲线如图所示（用实线示出）。应当注意，图中横坐标是以载频为中心画的，即横坐标代表频率 ； 表示二进制码元间隔。图中还给出了其它几种调制信号的功率谱密度曲线作比较。由图可见，与QPSK和OQPSK信号相比，MSK信号的功率谱更为集中，即其旁瓣下降得更快。故它对相邻频道得干扰较小。图 MSK、GM

11、SK和OQPSK等信号的功率谱密度7.3.4 高斯最小频移键控（GMSK）MSK信号虽然具有频谱特性和误码性能较好的特点，然而，在一些通信场合，例如在移动通信中，MSK所占带宽仍较宽。此外，其频谱的带外衰减仍不够快，以至于在25kHz信道间隔内传输16kbit/s的数字信号时，将会产生邻道干扰。为此，人们设法对MSK的调制方式进行改进：在频率调制之前用一个低通滤波器对基带信号进行预滤波，它通过滤出高频分量，给出比较紧凑的功率谱，从而提高谱利用率。为了获得窄带输出信号的频谱，预滤波器必须满足以下条件：（1）带宽窄并且具有陡峭的截止特性； （2）脉冲响应的过冲较小； （3）保证输出脉冲的面积不变，

12、以保证/2的相移。要满足这些特性，选择高斯型滤波器是合适的。此高斯型滤波器的传输函数为 式中，B为高斯滤波器的3dB带宽。滤波器的冲激响应为 式中， 。由于 为高斯型特性，故称为高斯型滤波器。调制前先利用高斯滤波器将基带信号成形为高斯型脉冲，再进行MSK调制，这样的调制方式称为高斯最小频移键控，缩写为GMSK。习惯上使用 来定义GMSK，式中，B为3dB带宽， 为码元间隔。GMSK信号的功率谱很难分析计算，用计算机仿真方法得到的结果见图所示。由图可见，GMSK具有功率谱集中的优点。需要指明的是，GMSK信号频谱特性的改善是通过降低误比特率性能换来的，预滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，但误

13、比特率性能变得越差。所以，从谱利用率和误码率综合考虑应该折衷选择。研究表明， =0.25对于无线蜂窝系统是一个很好的选择 。7.4正交幅度调制（QAM）正交振幅调制（QAM）是一种幅度和相位联合键控（APK）的调制方式。它可以提高系统可靠性，且能获得较高的信息频带利用率，是目前应用较为广泛的一种数字调制方式。7.4.1正交振幅调制的信号表示正交振幅调制是用两路独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。一、时域表示APK是指载波的幅度和相位两个参量同时受基带信号的控制。APK信号的一般表示式为 式中，

14、是基带信号第n个码元的幅度， 是第n个信号码元的初始相位，g(t)是幅度为1、宽度为 的单个矩形脉冲。利用三角公式将上式进一步展开，得到QAM信号的表达式 令 如果QAM信号的在信号空间中的坐标点数目（状态数） ，记为4QAM，它的同相和正交支路都采用二进制信号；如果同相和正交支路都采用四进制信号将得到16QAM信号。以此类推，如果两条支路都采用L进制信号将得到MQAM信号，其中 。二、矢量图矢量端点的分布图称为星座图。通常可以用星座图来描述QAM信号的信号空间分布状态。MQAM目前研究较多，并被建议用于数字通信中的是十六进制的正交幅度调制（16QAM）或六十四进制的正交幅度调制（64QAM）

15、，下面重点讨论16QAM。对于M=16的16QAM来说，有多种分布形式的信号星座图。 两种具有代表意义的信号星座图如图8-10所示。在图（a）中,信号点的分布成方型，故称为矩形16QAM星座，也称为标准型16QAM。在图（b）中，信号点的分布成星型，故称为星型16QAM星座。图 16QAM的星座图若所有信号点等概率出现，则平均发射信号功率为假设两种星座图的信号点之间的最小距离都为2，如图8-10所示。对于方型16QAM，信号平均功率为对于星型16QAM，信号平均功率为:由此可见，方型和星型16QAM两者功率相差1.4dB。另外，两者的星座结构也有重要的差别，一是星型16QAM只有两个振幅值，而

16、方型16QAM有三种振幅值；二是星型16QAM只有8种相位值，而方型16QAM有12种相位值。这两点使得在衰落信道中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。但是由于方型星座QAM信号所需的平均发送功率仅比最优的QAM星座结构的信号平均功率稍大，而方型星座的MQAM信号的产生及解调比较容易实现，所以方型星座的MQAM信号在实际通信中得到了广泛的应用。当M=4, 16, 32, 64时MQAM信号的星座图如图所示。图 MQAM信号的星座图7.4.2 MQAM信号的产生和解调MQAM信号调制原理图如图所示。图中，输入的二进制序列经过串/并变换器输出速率减半的两路并行序列，再分别经过2电平到L电

17、平的变换，形成L电平的基带信号 和 ，再分别对同相载波和正交载波相乘，最后将两路信号相加即可得到方型星座的MQAM信号。图 QAM信号调制原理图图 MQAM信号相干解调原理图MQAM信号可以采用正交相干解调方法，其解调器原理图所示。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测。我们来讨论当 时MQAM的频带利用率。MQAM信号是由同相和正交支路的 进制的ASK信号叠加而成，所以它的功率谱是两支路信号功率谱的叠加。第一零点带宽（主瓣宽度）为 ，即码元频带利用率7.4.3 MQAM信号的频带利用率所以，MQAM信号的信息频带利用率7.4.4 MQAM信号的抗噪性能分析在矢量图中可以看出各信号点之间的

18、距离，相邻点的最小距离直接代表噪声容限的大小。比如，随着进制数M的增加，在信号空间中各信号点间的最小距离减小，相应的信号判决区域随之减小，因此，当信号受到噪声和干扰的损害时，接收信号错误概率将随之增大。下面我们从这个角度出发，来比较一下相同进制数时PSK和QAM的抗噪性能。假设已调信号的最大幅度为1，则MPSK信号星座图上信号点间的最小距离为而MQAM信号方型星座图上信号点间的最小距离为式中，L为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数， 。 可以看出，当M=4时，4PSK和4QAM的星座图相同， = 。当M=16时，假设最大功率（最大幅度）相同，在最大幅度为1的条件下， =0.47，而

19、=0.39， 超过大约 1.64dB 。而实际上，一般以平均功率相同的条件来比较各信号点之间的最短距离。可以证明，MQAM信号的最大功率与平均功率之比为: 这样，在平均功率相同条件下， 超过 大约 。这表明,16QAM系统的抗干扰能力优于16PSK。 7.5正交频分复用（OFDM）前面介绍的ASK、PSK、FSK、MSK、QAM等调制方式在某一时刻都只用单一的频率来发送信号，而多载波调制是同时发射多路不同载波的信号。正交频分复用（OFDM）是一种多载波传输技术，它不是如今才发展起来的新技术，早期主要用于军用的无线高频通信系统，由于其实现的复杂限制了它的进一步应用。直到20世纪80年代，人们提出

20、了采用离散傅里叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。7.5.1 多载波调制技术多载波调制技术是一种并行体制，它将高速率的数据序列经串/并变换后分割为若干路低速数据流，每路低速数据采用一个独立的载波调制，叠加在一起构成发送信号，在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收，获得低速率信息数据后，再通过并/串变换得到原来的高速信号。多载波传输系统原理框图如图所示。图 多载波传输系统原理框图在多载波调制方式中，子载波设置主要有3种方案。图（a）为传统的频分复用方案，它将整个频带划分为N个互不重叠的子信道。在接收端可以通过滤波器组进行分离。图（b）为偏置QAM方案，它在3dB处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的。第三种方案为正交频分复（OFDM）方案，要求各子载波保持相互正交。 图 子载波的两种设置方案7.5.2 正交频分复用技术正交频分复用（OFDM）作为一种多载波传输技术，要求各子载波保持相互正交。OFDM在发送端的调制原理框图如图所示。N个待发送的串行数据经过串/并变换之后得到码元周期为 的N路并行码，然后用N个子载波分别