第3章-调制技术课件

1、第3章 调制技术杨家玮 盛敏 刘勤2022/7/251西安电子科技大学信息科学研究所调制就是对信号源的编码信息进行处理，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的过程。 通常的调制过程是指把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率较高的带通信号。这个带通信号叫做已调信号，而基带信号则叫做被调信号或者调制信号。调制可以通过使高频载波随信号的变化而改变载波的幅度、相位或者频率来实现。调制过程用于通信系统的发送端，在接收端需要将已调信号还原成传输的原始调制信号，该过程称为解调。解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者处理和理解的过程。 2022/7/252西安电子科技大学信息科学研

2、究所3.1 模拟调制技术按照调制器输入信号（即调制信号）的形式，调制可分为模拟调制和数字调制。 模拟调制泛指用连续方式对信号进行调制，一般可以分为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种方式。 模拟调制的信号可以统一表示为 2022/7/253西安电子科技大学信息科学研究所调幅方式表示的就是系统中高频载波的幅度大小随调制信号幅度的改变而改变。调幅信号可表示为 调幅信号的调制指数定义为信号峰值与载波峰值之比。 在模拟调制中，若幅值为常数，而相位与基带信号成比例，则得到所谓的角度调制。 角度调制的正弦载波信号的角度随基带调制信号的幅度变化而改变，而载波的幅度保持恒定不变。 角度调制中最重要的两

3、类就是调频和调相。 2022/7/254西安电子科技大学信息科学研究所调频（FM）调制中，载波信号的瞬时频率随基带信号呈线性变化，如下式所示调频信号也可表示为 调频调制的重要特点是具有恒包络特性。2022/7/255西安电子科技大学信息科学研究所调相（PM）调制中，载波信号的角度随基带信号变化而改变，如下式所示此时正弦波调相信号的表达式为 FM信号可以被看为调制信号在调制前先积分的PM信号。调相与调频之间的主要区别是指被调制波形（相对于载波）的相位在调相中与输入信号成正比，而在调频中与输入的积分成正比。 2022/7/256西安电子科技大学信息科学研究所3.2 线性数字调制技术与模拟调制相比，

4、数字调制具有许多优点：抗噪声性能更好，抗信道能力损耗更强，复用各种不同形式的信息（如语音、数据和视频图像等）更容易，通信的安全性也更好。数字传输系统适应于检查或纠正传输差错的数字差错控制编码，并且支持复杂的信号条件和处理技术，例如，信源编码、加密技术，以及用来提高整个通信链路性能的均衡技术。 2022/7/257西安电子科技大学信息科学研究所在数字无线通信系统中，调制信号（如信息）可表示为码元或脉冲的时间序列，其中每个码元可以有m种有限的状态。每个码元代表n比特的信息，n = log2m比特/码元。 理想的调制方式能够使通信在低信噪比情况下提供低的误码率，在多径和衰落条件下能很好地工作，并且容

5、易实现。 2022/7/258西安电子科技大学信息科学研究所数字调制技术可以分为线性和非线性。线性调制技术中，传输信号的幅度s(t)随调制数字信号m(t)的变化而呈线性变化。线性调制传输信号s(t)可表示为载波幅度随调制信号呈线性变化。线性调制方案一般来说都不是恒包络。有些非线性调制的载波，既可能是线性包络也可能是恒包络，这取决于基带波形是否经过脉冲成型处理。 2022/7/259西安电子科技大学信息科学研究所3.2.1 二进制幅度键控BASK 调制信号为二进制数字信号时的调制方式统称二进制数字调制。 二进制数字调制中，载波的某个参数（如幅度、频率或相位）只有两种变化状态。由于两种状态的切换与

6、通断键控相当，所以二进制调制分为幅度键控、频移键控和相移键控三种。 2022/7/2510西安电子科技大学信息科学研究所在二进制幅度键控（BASK）中，载波幅度随二进制调制信号序列m(t)变化，即幅度键控（ASK）信号可表示为 若二进制序列m(t)的功率谱密度为Pm( f )，则二进制幅度键控信号的功率谱密度为由于信息元素是反映为发送数字信号的通断控制，在接收端可以根据接收到信号包络的大小对发射信号进行判决。 2022/7/2511西安电子科技大学信息科学研究所3.2.2 二进制相移键控BPSK 在二进制相移键控（BPSK）中，幅度恒定的载波信号根据信号两种可能m1和m2（即二进制数1和0）的

7、改变而在两个不同的相位间切换。通常这两个相位相差180。传输的BPSK信号为 0tTb，信号为1 0tTb，信号为0 2022/7/2512西安电子科技大学信息科学研究所二进制相移键控也可表示为 其复数形式为其中 为信号的复包络。BPSK信号的功率谱密度2022/7/2513西安电子科技大学信息科学研究所矩形和升余弦滚降脉冲成型的BPSK信号的PSD，如图所示。2022/7/2514西安电子科技大学信息科学研究所如果没有信道引入的多径损耗，接收的BPSK信号可表示为BPSK使用相干，或者叫同步的解调方法，这要求在接收机端知道载波的相位和频率信息。 如果和BPSK信号同时传输一个载波导频信号，在

8、接收机端使用锁相环（PLL）就能恢复出载波的相位和频率。如果没有传输载波导频信号，可以用Costas环或者平方环从接收到的BPSK信号中，恢复同步载波的相位和频率。 2022/7/2515西安电子科技大学信息科学研究所带载波恢复电路的BPSK接收机框图。 2022/7/2516西安电子科技大学信息科学研究所对于AWGN信道许多调制方案的比特差错概率用信号点之间距离的Q(x)函数来得到。 BPSK信号相邻点的距离为 。 BPSK信号比特差错概率为 2022/7/2517西安电子科技大学信息科学研究所3.2.3 差分相移键控DPSK 利用载波相位绝对数值传送数字信息称为绝对调相。 利用前后码元之间

9、相位的相对变化传送数字信息称为相对调相。 差分相移键控（DPSK）是一种常用的相对调相方式，采用非相干的相移键控形式。DPSK不需要在接收机端有相干参考信号，而且非相干接收机容易实现。 2022/7/2518西安电子科技大学信息科学研究所在DPSK系统中，输入的二进制序列mk（常称为绝对码）先进行差分编码，然后再用BPSK调制器调制。差分编码后的序列dk是通过对mk与dk-1进行模2加运算产生的。如果输入的二进制码元mk为1，则码元dk与其前一个码元保持不变，而如果mk为0，则dk就改变一次。表中给出按照关系式 产生的DPSK信号。2022/7/2519西安电子科技大学信息科学研究所DPSK发

10、射机调制器的结构方框图及相关波形如图所示 2022/7/2520西安电子科技大学信息科学研究所在接收机端，通过相应的处理过程，从解调的差分编码信号中恢复出原始信号，如图所示 2022/7/2521西安电子科技大学信息科学研究所DPSK发射机调制器包括一个比特延迟单元和一个为了从输入二进制序列产生差分编码序列的逻辑电路。其输出通过一个乘法调制器得到DPSK信号。DPSK信号的差分相干解调器不需要恢复本地载波，只需将DPSK信号延时一个码元间隔，然后与DPSK信号本身相乘。相乘的结果反映前后码之间的相对相位关系，经低通滤波后可直接判断，恢复出原发射的数字信息，而不需要差分译码。 2022/7/25

11、22西安电子科技大学信息科学研究所只有DPSK信号才能采用这种方法对绝对码进行解调，因为它的相位变化基准是前一个码元的载波相位，而不是未调制波的相位。 虽然DPSK信号在不需要相干参考信号（即载波）外，在抗频率漂移能力、抗多径效应以及抗相位慢抖动能力方面均优于采用相干解调的绝对调相方法，可它的能量效率比相干DPSK低3dB。 2022/7/2523西安电子科技大学信息科学研究所3.2.4 四相相移键控QPSK 四进制PSK，也称为正交相移键控由于在一个调制码元中传输两个比特，四相相移键控（QPSK）比BPSK的带宽效率高两倍。 载波的相位为四个间隔相等的值，每个相位值都与惟一的信息比特组相对应

12、，因此这种调制也称四相相移键控。这个码元状态集的QPSK信号可定义为 2022/7/2524西安电子科技大学信息科学研究所QPSK信号可以用有四个点的二维星座图所示。对这个星座进行简单的旋转之后的星座仍然可以表示QPSK信号的集合。 (a) 载波相位为0，/2，3/2的QPSK星座 (b) 载波相位为/4，3/4，5/4和7/4的QPSK星座 2022/7/2525西安电子科技大学信息科学研究所在加性高斯白噪声（AWGN）信道中QPSK信号的平均比特差错概率为 QPSK的比特差错概率与BPSK相等，但在同样的带宽内传输了两倍的数据。这样与BPSK相比，QPSK在同样的能量效率情况下，提供了两倍

13、的频谱效率。 2022/7/2526西安电子科技大学信息科学研究所当用矩形脉冲时，QPSK信号可表示为 QPSK信号的功率谱密度可用与BPSK类似的方法得到，用比特周期Tb代替码元周期Ts即可。 2022/7/2527西安电子科技大学信息科学研究所QPSK信号在当用矩形和升余弦滤波脉冲时的功率谱密度 2022/7/2528西安电子科技大学信息科学研究所QPSK发射机的框图 2022/7/2529西安电子科技大学信息科学研究所相干QPSK解调接收机的框图 2022/7/2530西安电子科技大学信息科学研究所3.2.5 交错QPSK QPSK调制信号具有恒包络特性。然而，当QPSK进行波形成型时，

14、它们将失去恒包络的性质。为了防止旁瓣再生和频谱扩展，必须使用效率较低的线性放大器放大QPSK信号。 交错QPSK（OQPSK）对这些有害的影响不那么敏感，因此能支持更高效的放大器。 2022/7/2531西安电子科技大学信息科学研究所在QPSK信号中，奇比特流和偶比特流的比特同时跳变在OQPSK信号中，偶比特流和奇比特流，将它们的跳变时序错开一比特（即半个码元周期）。OQPSK先对输入数据作串并变换，再使其错开半个输入码元间隔，然后分别对两个正交的载波进行BPSK调制，最后叠加成为OQPSK信号。 2022/7/2532西安电子科技大学信息科学研究所OQPSK调制器中同相和正交支路时间交错的波

15、形图 2022/7/2533西安电子科技大学信息科学研究所OQPSK信号一般可以写为 使用矩形脉冲的QPSK信号的功率谱密度可以表示为 2022/7/2534西安电子科技大学信息科学研究所在OQPSK信号中，比特跳变（从而相位跳变）每TB秒发生一次。mI(t)和mQ(t)的跳变被错开了，在任意给定时刻只有两个比特流中的一个改变值，发送信号的最大相移都限制在90。OQPSK信号消除了180相位跳变。信号带限不会导致信号包络经过零点。占用的频谱就显著减少，同时允许使用效率更高的RF放大器。 OQPSK信号的频谱和QPSK信号完全相同2022/7/2535西安电子科技大学信息科学研究所3.2.6 /

16、4 QPSK/4 QPSK相移调制是一种正交相移键控技术，从最大相位跳变来看，它是OQPSK和QPSK的折中。/4 QPSK的相位变化限于45和135，而QPSK是180，OQPSK是90。因此，带限/4 QPSK信号保持恒包络的性能比带限后的QPSK好，但比OQPSK更容易受包络变化的影响。 它可以相干解调，也可以非相干解调。/4 QPSK采用差分编码，以便在恢复载波中存在相位模糊时，实现差分检测或相干解调。 2022/7/2536西安电子科技大学信息科学研究所/4 QPSK调制是限制码元转换时刻相位跳变量的另一种调制方式。/4 QPSK中已调制信号的相位被均匀分配为相距/4的八个相位点。八

17、个相位点被分成两组，已调信号的信号点从相互偏移/4的两组QPSK星座中选取。 每个连续比特保证其码元间至少有一个/4整数倍的相位变化，这使接收机能进行时钟恢复和同步。 2022/7/2537西安电子科技大学信息科学研究所/4 QPSK信号的星座图 2022/7/2538西安电子科技大学信息科学研究所一般/4 QPSK的发射机框图 2022/7/2539西安电子科技大学信息科学研究所输入的比特流通过一个串并转换器被分为两个并行数据流mI和mQ，每一个的码元速率等于输入比特率的一半。第k个同相和正交脉冲Ik和Qk在时间kTt(k+1)T内，在输出端产生，并取决于它们前一个的值Ik-1和Qk-1，以

18、及k。Ik和Qk表示一个码元持续时间内的矩形脉冲，其幅度如下 2022/7/2540西安电子科技大学信息科学研究所相移与输入码元有关，表中给出输入不同比特对时的载波相移同相和正交比特流Ik和Qk被两个相互正交的载波分别调制，产生如下所示/4 QPSK波形 2022/7/2541西安电子科技大学信息科学研究所为了减少频带占用，Ik和Qk通常在调制前通过升余弦滚降脉冲成形滤波器。 脉冲成形还能减轻频谱再生的问题，这在完全饱和，非线性放大的系统中十分重要。 /4 QPSK信号内的信息完全包含在载波两个相邻码元之间的相位差内中。2022/7/2542西安电子科技大学信息科学研究所解调/4 QPSK信号

19、经常使用差分检测技术。 在AWGN信道中，差分检测/4 QPSK的BER性能比QPSK低3dB，而相干解调的/4 QPSK与QPSK有同样的误码性能。 各种不同种类的检测技术用于/4 QPSK信号的解调。包括基带差分检测、IF差分检测和FM鉴频器检测。基带和IF差分检测器先求出相差的余弦和正弦函数，再由此判断相应的相差。而FM鉴频器用非相干方式直接检测相差。三种接收机结构有非常近似的误比特率性能。 2022/7/2543西安电子科技大学信息科学研究所基带差分检测器的框图 2022/7/2544西安电子科技大学信息科学研究所输入的/4 QPSK信号通过两个本地振荡器信号进行正交调制，两个本地振荡

20、器信号具有和发射端的未调制载波相同的频率，但相位不一定相同。 差分解码器的输出可表示为 2022/7/2545西安电子科技大学信息科学研究所最后通过判决电路计算 需要保证接收机本地振荡器频率和发射机载波频率一致，并且不漂移。载波频率的任何漂移都将引起输出相位的漂移，导致BER性能的恶化。 2022/7/2546西安电子科技大学信息科学研究所 /4 QPSK的IF差分检测器框图 2022/7/2547西安电子科技大学信息科学研究所IF差分检测器，通过使用延迟线和两个鉴相器从而不需要本地振荡器。 接收信号先变频到IF，然后进行带通滤波。带通滤波器设计成与发送的脉冲波形匹配，因此载波相位保持不变，噪

21、声功率降到最小。接收的IF信号通过延迟线和两个混频器差分解调。差分检测器输出端信号的带宽是发射端基带信号带宽的两倍。 2022/7/2548西安电子科技大学信息科学研究所用FM鉴频检测器解调/4 QPSK的框图 2022/7/2549西安电子科技大学信息科学研究所FM鉴频检测器输入信号先通过带通滤波器滤波来与发送信号匹配。滤波后的信号被硬限幅去除包络的波动。FM鉴频器提取出接收信号瞬时频率的变化，并在每个码元周期内积分，可得到两个抽样时刻间的相差。该相差再通过一个四值门限比较器来检测，也可以通过模为2的鉴相器检测。模为2的鉴相器可提高BER性能并降低门限噪声的影响。 2022/7/2550西安

22、电子科技大学信息科学研究所3.3 恒包络调制在数字调制中，实际系统使用非线性调制方法。不管调制信号如何改变，载波的幅度是恒定的。使用模拟信号调制的通信中，调频和调相信号的幅度是不变的，通称为恒包络调制。恒包络调制可用硬限幅的方法去除干扰引起的幅度变化，具有较高的抗干扰性能。恒包络调制具有可以满足多种应用环境的优点，但它们占用的带宽比线性调制大。 2022/7/2551西安电子科技大学信息科学研究所3.3.1 二进制频移键控BFSK 在二进制频移键控中，幅度恒定不变的载波信号的频率随着两个可能的信息状态（1和0）而切换。根据频率变化改变发射波形时，FSK信号在相邻的比特之间，有可能呈现连续相位，

23、也有可能呈现不连续相位。 频移键控（FSK）信号的一般表达式为 0tTb（二进制数1）0tTb（二进制数0）2022/7/2552西安电子科技大学信息科学研究所产生频移键控信号的最简单的方法是，依照数据比特是0还是1，在两个独立的振荡器之间进行通断切换。这种频移键控产生的波形在开关时刻是非连续的，因此常称之为非连续频移键控。非连续频移键控信号可写为0tTb（二进制数1）0tTb（二进制数0）2022/7/2553西安电子科技大学信息科学研究所相位的非连续性会带来一些问题，如频谱扩展和传输差错，所以在实际中很少应用。常用的方法是使用信息波形对单个载波振荡器进行频率调制。频移键控信号可以表示如下

24、尽管调制波形m(t)在比特转换时是非连续的，但相位函数 (t)是与m(t)的积分成正比，因而相位仍然是连续的。 2022/7/2554西安电子科技大学信息科学研究所FSK信号的包络是调制信号m(t)的非线性函数，确定频谱通常采用实时平均测量的方法。二进制FSK信号的功谱密度由离散频率分量fc、fc + nf、fc nf 组成，其中n为整数。相位连续的FSK信号的功率谱密度函数最终按照频率偏移的负四次幂衰落。如果相位不连续，功率谱密度函数按照频率偏移的负二次幂衰落。FSK信号的传输带宽BT = 2f +2B 2022/7/2555西安电子科技大学信息科学研究所FSK信号的相干解调方框图 2022

25、/7/2556西安电子科技大学信息科学研究所接收机是在加性高斯白噪声存在的情况下的最佳检波器。它由两个相干器构成，提供本地相干解调信号。相干输出的差值与门限比较器进行比较。如果差值信号大于门限值，接收机判别为1，否则为0。相干FSK接收机的误码率为 2022/7/2557西安电子科技大学信息科学研究所非相干FSK接收机的方框图 2022/7/2558西安电子科技大学信息科学研究所非相干FSK接收机可以不用相干载波而检测出噪声信道中的FSK信号。接收机由匹配滤波器和包络检波器构成。上面一路的滤波器匹配产生FSK信号的两个基本频率中较低的fL，下面一路匹配较高的频率fH。包络检波的输出在t = k

26、Tb时抽样并进行比较。根据包络检波器输出的大小，比较器判决数据比特是1，还是0。 非相干检测的平均误码率 2022/7/2559西安电子科技大学信息科学研究所3.3.2 最小频移键控MSKOQPSK和/4 QPSK虽然消除了QPSK信号中180的相位突变，改善了包络起伏，但并没有从根本上解决包络起伏问题。 原因：包络起伏是由相位的非连续变化引起的。 使用相位连续变化的调制方式。这类调制称为连续相位调制，它泛指载波相位以连续形式变化的一大类频率调制技术。 2022/7/2560西安电子科技大学信息科学研究所最小频移键控最大频移为比特率的1/4。MSK是调制系数为0.5的连续相位的FSK。FSK信

27、号的调制系数类似于FM调制系数，定义为kFSK = 2f /Rb。调制系数0.5对应着能够容纳两路正交FSK信号的最小频带，最小频移键控的由来就是指这种调制方法的频率间隔（带宽）是可以进行正交检测的最小带宽。 2022/7/2561西安电子科技大学信息科学研究所MSK调制后的已调信号表达式为 kTt(k+1)T,k = 0,1, 已调信号的相位为 为了保持已调信号在t = kT时刻，即比特转换时刻相位连续，本比特区间内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间的输入及相位常数有关。 2022/7/2562西安电子科技大学信息科学研究所MSK信号表达式变化之后可以得到它的正交表达方

28、式为 信号是由两个相互正交的分量组成，分别表示为I支路和Q支路 两个支路的数据每隔2T时间才可能改变码元。I支路数据在(2l+1)T处可能变化，Q支路在2lT处可能发生变化，两者在时间上错开T时间。2022/7/2563西安电子科技大学信息科学研究所MSK信号的功谱密度如下 MSK信号的功率谱近似与频率f的四次方成反比。MSK信号的旁瓣比QPSK和OQPSK信号都低。99的MSK信号功率位于带宽B等于1.2/T之中。 MSK信号在频谱上衰落得快是由于其采用的脉冲函数更为平滑。在以主瓣作比较时，MSK的频谱利用率比相移键控技术要低。 2022/7/2564西安电子科技大学信息科学研究所MSK信号

29、的功率谱密度与QPSK信号、OQPSK信号相比较 2022/7/2565西安电子科技大学信息科学研究所MSK调制器的方框图 2022/7/2566西安电子科技大学信息科学研究所MSK信号可以使用鉴频器解调，也可以使用相干解调。 MSK信号相干解调电路的方框图 2022/7/2567西安电子科技大学信息科学研究所MSK是一种高效的调制方法，它有时也称为快速FSK，因为其使用的频率空间仅为常规非相干FSK空间的一半。MSK特别适合在移动无线通信系统中使用。它有很多好的特性，例如包络恒定、频谱利用率高、误比特率低和自同步性能。 2022/7/2568西安电子科技大学信息科学研究所3.3.3 高斯最小

30、频移键控GMSKMSK信号具有包络恒定、带宽较窄的特点，但是它的谱利用率较低，不能满足移动通信中对带外辐射的严格要求。 为了改善谱利用率，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。低通滤波可以除去已调信号s(t)中的高频分量，有效地抑制MSK的带外辐射，从而提高谱利用率。低通滤波器的选择原则是，它应该具有窄的带宽和尖锐的过渡带；低峰突的冲激响应；保持输出脉冲的面积不变，以保证/2的相移。高斯滤波器就是合适的选择。 2022/7/2569西安电子科技大学信息科学研究所在GMSK中，将调制的不归零（NRZ）数据通过预调制高斯脉冲成型滤波器，使其频谱上的旁瓣水平进一步降低。预调制高斯滤波器

31、将全响应信号（即每一基带码元占据一个比特周期T）转换为部分响应信号（每一发射码元占据几个比特周期）。脉冲成型并不会引起平均相位曲线的偏离，GMSK信号可以进行相干检测或者非相干检测。GMSK由于具有极好的功率效率（因为恒定包络）和极好的频谱效率。GMSK牺牲误码性能，而得到了极好的频谱效率和恒定的包络特性。 2022/7/2570西安电子科技大学信息科学研究所GMSK预调制滤波器的脉冲响应传输函数为参数 与B和HG( f )的3 dB带宽有关，即GMSK滤波器可以由带宽B和基带码元持续时间完全决定，因此习惯上使用BT乘积来定义GMSK。2022/7/2571西安电子科技大学信息科学研究所GMS

32、K信号的不同BT值的射频功率谱密度 2022/7/2572西安电子科技大学信息科学研究所包含给定功率所占用的带宽（对部分Rb的GMSK和MSK） 2022/7/2573西安电子科技大学信息科学研究所随着BT乘积值的减小，旁瓣衰落极快。BT乘积值的减小会增加误码率 GMSK信号频谱随着BT值的减小，所对应的GMSK信号的功率谱愈紧凑，即谱利用率愈好，因码元间干扰造成的性能下降加剧。 从谱利用率和误码率双方考虑，BT值应该折中选择。 GMSK的误码率是BT的函数 2022/7/2574西安电子科技大学信息科学研究所最简单的产生GMSK信号的方法是将不归零信息比特流通过高斯基带滤波器，其后送入FM调

33、制器。这种调制技术如图所示。图中表示的发射机也可以使用标准I/Q调制器实现。 采用直接FM构成的GMSK发射机的框图 2022/7/2575西安电子科技大学信息科学研究所GMSK正交相干检测器检测接收机框图2022/7/2576西安电子科技大学信息科学研究所3.4 多进制调制技术与线性和恒包络组合的调制技术现代调制技术可通过同时改变发射载波的包络和相位（或频率）传输数字基带数据。因为包络和相位提供了两个自由度，这样的调制技术将基带数据映射到四种或更多的射频载波信号。此种调制技术称之为多进制调制，它比单独使用幅度或相位调制表示更多的信号。 根据载波的变化是幅度、相位还是频率，调制方法分别称为多进

34、制幅度键控（MASK）、多进制相移键控（MPSK）和多进制频移键控（MFSK）。 2022/7/2577西安电子科技大学信息科学研究所由于在M进制数字调制中，每个码元可以携带log2M个比特信息，因此在信道频带受限时可以增加信息的传输率（即比特率），提高频带的利用率。多进制信号特别适合用于带宽受限信道，但是由于码元在星座图位置距离变小引起定时误差增加，这将会导致误码率升高。多进制调制方法在获得更好的带宽特性的同时，牺牲了功率效率。 2022/7/2578西安电子科技大学信息科学研究所3.4.1 多进制幅度键控（MASK）与脉冲幅度调制（PAM）M进制幅度键控（MASK）使用M种可能的取值对载波

35、幅度进行键控，在每个码元间隔Ts内发送一种幅度的载波信号。M进制幅度键控信号的一般表达式为 被单个基带码元调制的脉冲幅度调制（PAM）信号为 2022/7/2579西安电子科技大学信息科学研究所与M 个可能的k比特码元对应的M个可能的离散幅值波形g(t)为实值的脉冲，其波形影响被发射信号的谱。 M个PAM信号具有能量 2022/7/2580西安电子科技大学信息科学研究所图中示出了M = 2，M = 4和M = 8情况下的对应信号空间图（信号在相平面的表示），简称星座图。将k个信息比特映射为M = 2k个可能的信号幅值有很多实现方法。最好的方法是使相邻的两个幅值只相差一个二进制数字，如图所示。这

36、种映射称为Gray编码，而这种相邻幅值只相差一个二进制数字的特点使得它在信号的解调中有独特的优点。 2022/7/2581西安电子科技大学信息科学研究所M = 2的PAM信号（二进制幅度键控信号）具有特性，s1(t) = -s2(t)。两个信号能量相同。由于基带码元通常取实信号形式，PAM信号的调制信号为双边带信号，所以它需要的信道带宽是等效低通信号带宽的两倍。数字PAM信号也可以不受载波调制的形式的影响。在这种情况下，PAM信号波形可直接表示为基带信号2022/7/2582西安电子科技大学信息科学研究所基带和带通PAM信号 (a) 基带PAM信号 (b) 带通PAM信号 (a)表示出了具有四

37、种幅值的基带PAM信号，(b)则是载波调制形式的PAM信号，即带通PAM信号。 2022/7/2583西安电子科技大学信息科学研究所3.4.2 多进制相移键控MPSK 在多进制相移键控中载波相位有M种取值。调制后的波形表达式如下 0tTs i = 1,2, M 积分形式 每个信号波形都可表示为两个正交的信号波形的线性组合，多进制PSK信号的表达式2022/7/2584西安电子科技大学信息科学研究所因为在多进制调制中有两个基本信号，所有多进制PSK的星座图是二维的。 多进制信号点均匀分布在以原点为中心、 为半径的圆周上。 多进制相移键控信号在没有脉冲成型的情况下有着恒定包络。 2022/7/25

38、85西安电子科技大学信息科学研究所MPSK的星座图（M=8） 2022/7/2586西安电子科技大学信息科学研究所相邻码元间的距离等于 多进制PSK系统的平均误码概率 和BPSK、QPSK的调制解调一样，多进制PSK的解调，或者使用相干检测，或者使用差分解码进行非相干差分检测。加性高斯白噪声信道中微分解调多进制PSK系统（M4）的码元差错概率大约为 2022/7/2587西安电子科技大学信息科学研究所多进制相移键控的码元周期Ts与比特周期Tb有关 矩形脉冲的多进制PSK信号的PSD公式如下2022/7/2588西安电子科技大学信息科学研究所MPSK功率谱密度，M=8，M=16（固定Rb的矩形脉

39、冲和升余弦脉冲的PSD） 2022/7/2589西安电子科技大学信息科学研究所MPSK信号的带宽效率和功率效率 在Rb保持不变的情况下，MPSK信号的主瓣随着M的增加而减小，所以随着M值的增加，带宽效率增加，即Rb不变，M增加时B增加、B减小。同时，增大M意味着星座图更加紧密，功率效率（抗噪声性能）降低。在实际无线通信信道中，MPSK信号需要使用导频码元或均衡。 2022/7/2590西安电子科技大学信息科学研究所3.4.3 多进制频移键控MFSK 在多进制频移键控（MFSK）调制中，传输信号可以由下式定义为 0tTs i = 1,2, M M个频移键控信号具有相同的能量，信号频率彼此间隔1/

40、2Ts赫兹的倍数，所以信号都是正交的。对于相干的MFSK信号，最佳接收机由M个相关器或匹配滤波器组成。那么平均误码率为 2022/7/2591西安电子科技大学信息科学研究所相干多进制FSK信号的信道带宽定义为如果使用匹配滤波器，然后经过包络检测器的非相干信号检测方式，其平均误码率为若此时仅使用二项展开式的首项，误码率可界定在如下范围，即 2022/7/2592西安电子科技大学信息科学研究所非相干多进制FSK信号的信道带宽定义为多进制FSK信号的带宽效率随着M的增加而降低。多进制FSK信号的带宽效率较低。但是由于所有的M信号都是正交的，信号彼此不占用空间，因此功率效率随着M的增加而增加。多进制F

41、SK信号可使用非线性放大器进行放大，不会引起性能降低。 2022/7/2593西安电子科技大学信息科学研究所表中提供了不同M值的多进制FSK信号的带宽效率和功率效率。 多进制FSK的带宽效率和功率效率 多进制FSK信号的正交特性，引导研究人员将正交频分复用（OFDM）作为提供高的功率效率的方法，可在一个信道容纳大量的用户。2022/7/2594西安电子科技大学信息科学研究所3.4.4 多进制正交幅度调制MQAM上述的多进制幅度键控调制中，其调制信号为实信号，具有双边谱。如果将来自信息序列an的两个分离的k比特码元同时加给复幅度调制信号的正交载波 和 ，则得到所谓的正交脉冲幅度调制，简称正交幅度

42、调制（QAM）。 多进制PSK调制中，传输信号的幅度保持为恒定值，因此星座图是圆形的。正交幅度调制通过同时改变相位和幅度获得的一种调制方法。 2022/7/2595西安电子科技大学信息科学研究所M进制QAM（M=16）信号的星座图 （矩形） （圆形） 2022/7/2596西安电子科技大学信息科学研究所多进制QAM信号的一般形式定义为 0tTs i = 1,2, M 多进制QAM的码元没有恒定的包络，码元间距也不完全相同。 一些特殊值的si(t)会比其他值的si(t)更容易检测。 正交幅度调制（QAM）可以视为脉冲幅度调制（PAM）和相移键控（PSK）的组合。 2022/7/2597西安电子科

43、技大学信息科学研究所M1个幅值的PAM和M2个相位的PSK的任意组合都可以构造一个PAM-PSK组合（M = M1M2）。 QAM信号波形也可以表示为两个正交信号波形的线性组合。假设使用矩形脉冲成型滤波器，信号si(t)扩展为一对如下定义的基本函数，即 0tTs 0tTs 2022/7/2598西安电子科技大学信息科学研究所第i个信号点的坐标是其中(ai,bi)是LL的矩阵的元素，如下式 2022/7/2599西安电子科技大学信息科学研究所使用相干检测，多进制QAM信号在加性高斯白噪声信道中的平均误码率是 使用平均信号能量Eav，公式可表示为 2022/7/25100西安电子科技大学信息科学研

44、究所QAM调制信号的功率谱和带宽效率与多进制PSK调制信号相同。在功率效率方面，QAM优于多进制PSK。表中列出了不同M值QAM信号的带宽和功率效率，其中假设在高斯加性白噪声信道中使用了最优升余弦滚降滤波器。QAM的带宽和功率效率 2022/7/25101西安电子科技大学信息科学研究所3.5 扩 频 调 制 扩频技术是把信息的频谱展宽并进行传输的技术。 由于带宽是有限的资源，目前调制方案主要设计思想之一就是最小化传输带宽。扩频技术使用的传输带宽比要求的最小信号带宽大几个数量级。这种系统对于单个用户带宽效率很低，但是优点是很多用户可以在一个频带中同时使用，而不会相互产生明显的干扰。多用户使用时，

45、在多径干扰存在的环境中，扩频系统的频谱效率反而会变得较高。 2022/7/25102西安电子科技大学信息科学研究所除了占用非常大的带宽，扩频信号与普通数字化信息数据相比还有伪随机和类似噪声的特性。 扩频波形由伪噪声（PN）序列控制。扩频信号在接收机处与本地产生的伪随机载波做互相关运算进行解调。正确的PN序列经互相关运算后完成了解扩运算，恢复为窄带上的原始调制信号。而来自其他用户的不相关信号只是在接收机的输出产生很小的宽带噪声。 2022/7/25103西安电子科技大学信息科学研究所扩展频谱的调制方法具有很多优点，最重要的是其固有的抗干扰能力。 每个用户都被分配惟一PN码，并与其他用户的PN码近

46、似正交，所以接收机可以根据这些PN码将每个用户分开。 对于一定数量的用户，扩频信号中同一频率的干扰可以忽略不计。 当存在窄带干扰时也可以完全地恢复出某个特定的扩频信号 。2022/7/25104西安电子科技大学信息科学研究所扩频可以用来减小干扰对接收性能的影响，实现抑制窄带干扰的目的，并且随着扩频形成的宽带信号带宽越大，窄带干扰的抑制能力就越强。因为所有的用户都使用相同的频率，扩频可以省略频率规划工作，所有的小区都使用相同的信道。 扩频系统具有良好的抗多径干扰的特性 ，还可以利用多径分量增进系统的性能。 2022/7/25105西安电子科技大学信息科学研究所扩频技术具有以下几种基本的类型： 直

47、接序列扩频，简称直扩（DS）。这种方法将要传送的信息经过伪随机序列编码后对载波进行调制。 跳频（FH）是指荷载信息的信号频率受伪随机序列的控制，快速地在一个频段中跳变。 跳时（TH）是把每个信息码元分为若干个时隙，此信息受伪随机序列控制，以突发的方式随机占用其中一个时隙进行传输。 几种不同的扩频方式混合使用。2022/7/25106西安电子科技大学信息科学研究所3.5.1 伪随机序列伪噪声（PN，pseudo-noise）序列也称伪随机序列，是用确定性方法产生的在一段周期内自相关性类似于随机二进制数据序列。伪噪声序列具有很多类似随机二进制数据序列的性质：0和1的数目大致相同、序列的自相关性很小

48、、任意两个序列的互相关函数很小。在实际中要求伪噪声序列满足性质：容易产生；既具有很低的自相关函数，又具有很低的互相关函数；具有很长的周期；很难由一段短的序列重构。2022/7/25107西安电子科技大学信息科学研究所1最大长度线性反馈移位寄存器序列（m序列） m序列产生器结构图 2022/7/25108西安电子科技大学信息科学研究所m序列产生器由线性移位寄存器构成。在每个时刻，寄存器把所有存储的内容右移一位，如下产生序列ak 这是一个线性递归函数。当级数n和反馈逻辑确定之后，反馈移位寄存器的输出序列也能够确定。当输出序列的长度等于 时，可以得到属于m序列的反馈移位寄存器。 2022/7/251

49、09西安电子科技大学信息科学研究所任意一个m序列的循环移位仍为一个m序列m序列与其本身的循环移位形成的序列模2相加后仍为m序列一个长度为K的m序列具有数据分布的均衡性，即m序列的每个周期都存在接近相等个数的“1”和“0”。 2022/7/25110西安电子科技大学信息科学研究所m序列的自相关函数为 实际中有许多伪随机序列的自相关函数除了主峰外，还存在一些旁峰，因而不像m序列的自相关函数是两值的。 互相关函数为 2022/7/25111西安电子科技大学信息科学研究所m序列的数目及其互相关函数长度为K的序列数目N随移位寄存器级数n的增加而增加，但是大多数序列的最大互相关峰值和自相关峰值的比值过大，

50、不是十分适用于码分多址的情况。 2022/7/25112西安电子科技大学信息科学研究所2戈尔德（Gold）序列 周期互相关性质比m序列更好的伪噪声序列由Gold给出，它被称为Gold序列。Gold序列是由m序列的“优选对”组成的。优选对指m序列中互相关值为-1, -t(n), t(n)-2的一对序列，其中 2022/7/25113西安电子科技大学信息科学研究所这样由m序列中的优选对xi和yi本身加上它们相对移位模2相加构成的 个序列可以组成Gold序列族。族中序列的长度为 ，序列的总数为 ，并且任一对序列之间的互相关函数都是三值的。 2022/7/25114西安电子科技大学信息科学研究所部分G

51、old序列参数在级数n一定时，Gold序列族中的可用序列数明显多于可以得到的不同m序列数，而且Gold序列之间的最大互相关绝对值也明显小于不同m序列之间的最大互相关值。 2022/7/25115西安电子科技大学信息科学研究所长度为31的Gold序列的生成方框图 2022/7/25116西安电子科技大学信息科学研究所3M序列 M序列也是由反馈移位寄存器产生的，是一种非像形反馈移位寄存器序列，其长度为 ，达到了n级反馈移位寄存器能够得到的最长周期，因而也称为全长序列。 M序列与m序列相比，在级数n相同的条件下，能得到更多的序列。 2022/7/25117西安电子科技大学信息科学研究所m序列与M序列

52、数目比较 M序列的自相关函数是多值的，而且具有较大的旁峰。长度相等的不同M序列可能具有不同的自相关特性。目前尚未存在计算M序列自相关函数的一般公式，通常需要针对具体序列通过逐位比较进行计算。M序列的互相关特性也是多值的。 2022/7/25118西安电子科技大学信息科学研究所3.5.2 直接序列扩频DS-SS为了达到将数据比特扩频的目的，通常的做法是用一个扩频序列与待发射的信息信号（即数据比特）相乘，这就是直接序列扩频（DS-SS）。系统通过将伪随机序列直接与基带脉冲数据相乘来扩展基带数据，其伪噪声序列由伪噪声生成器产生，并且有比数据比特窄得多的时宽。PN波形的一个脉冲或码元称为码片（chip

53、）。2022/7/25119西安电子科技大学信息科学研究所直接序列扩频例子(a) 需发送的信息序列 (b) 扩频（码）序列 (c) 实际发送的信号 2022/7/25120西安电子科技大学信息科学研究所二进制相移调制的DS-SS系统的方框图 (a) 发射机 (b) 接收机2022/7/25121西安电子科技大学信息科学研究所同步的数据码元，可能是信息比特或二进制信道编码码元，以模2加的方式形成码片，然后再进行相移调制。接收端可能会使用相干或微分相干的相移键控（PSK）解调器。接收到的单用户扩频信号可以表示如下： 2022/7/25122西安电子科技大学信息科学研究所数据波形是时间序列上的无交叠

54、的矩形脉冲，每一脉冲的幅度等于+1或-1。m(t)序列中的每一个码元代表一个数据码元，周期为Ts。 p(t)序列中的每一个脉冲代表一个码片，通常是幅度等于+1或-1的矩形，周期为Tc。数据码元和码片的边沿变换相一致，因此Ts和Tc的比率为整数。如果Wss是sss(t)的带宽，B是m(t) cos(2fct)的带宽，由于p(t)扩频有WssB。 2022/7/25123西安电子科技大学信息科学研究所假设接收机已经达到同步，接收到的信号通过宽带滤波器，然后与本地产生的PN序列p(t)相乘。如果p(t) = 1，经乘法运算得到解扩信号s(t)，s1(t)作为解调器的输入。因为s1(t)是BPSK信号

55、，相应地可以解出数据信号m(t)。2022/7/25124西安电子科技大学信息科学研究所加带干扰的接收信号频谱 (a) 宽带滤波器输出 (b) 扩展后相关器输出 2022/7/25125西安电子科技大学信息科学研究所在解调器输入端，经过扩频序列乘法运算的信号带宽减小到B，同时干扰能量扩展的带宽超过Wss。解调器的滤波将大多数不与信号频谱交叠的干扰信号去除。大部分原始干扰信号能量被消除，不会影响接收机性能。抗干扰能力大致可用比值Wss/B来衡量，等于如下定义的处理增益，即 系统处理增益越大，抗带内干扰的能力越强。2022/7/25126西安电子科技大学信息科学研究所有K个用户DS-SS系统的简化

56、框图(a) K个用户CDMA扩频系统模型 (b) 用户1的接收机构2022/7/25127西安电子科技大学信息科学研究所有K个用户接入的一个直接序列扩频系统，每个用户都具有一个长度为N的伪随机序列，信号的周期为T，那么NTc=T。第k个用户的发射信号可表示为 接收到的信号将由个不同发射信号的和组成（一个目标用户和K - 1个非目标用户）。把接收到的信号和各个用户不同的伪随机序列相关，产生一个判决变量，由此完成接收。用户1的第i个发送比特的判决变量为2022/7/25128西安电子科技大学信息科学研究所如果m = 1，那么当 0时，这个比特将接收差错。差错概率现在可计算为 高斯近似为比特差错的平

57、均概率给出了一个方便的表示为 2022/7/25129西安电子科技大学信息科学研究所对单个用户，K=1，这个表达式简化为BPSK的误比特率表达式。对于不考虑热噪声的干扰受限情况，Eb/N0趋向于无限，误码率表达式的值等于 这是误差底限，主要是因为多址干扰的存在和假设所有的干扰者提供与目标用户相等的信号功率。远近问题是DS-SS系统的难题。对大量的用户来说，误码率受多址干扰的限制多于热噪声。 2022/7/25130西安电子科技大学信息科学研究所3.5.3 跳频与跳时扩频技术 跳频涉及载波的一个周期性的改变。一个跳频信号可以视为一系列调制数据突发，它具有时变、伪随机的载频。所有可能的载波频率的集

58、合称为跳频集。跳频发生于包括若干个信道的频带上。每个信道定义为其中心频率在跳频集中的频谱区域，它应大得足以包括一个相应载频上的窄带调制突发（通常为FSK）的绝大部分功率。2022/7/25131西安电子科技大学信息科学研究所跳频中各个频点使用的信道带宽称为瞬时带宽。跳频发生的频谱范围称为总跳频带宽。数据随着发射机载波频率的跳变发送到信道中，而所在的频点只有相应的接收机知道。 如果每次跳频只使用一个载波频率（单信道），数字数据调制就称为单信道调制。 2022/7/25132西安电子科技大学信息科学研究所单信道调制跳频系统框图 (a) 发射器2022/7/25133西安电子科技大学信息科学研究所(

59、b) 接收器2022/7/25134西安电子科技大学信息科学研究所跳频之间的持续时间称为跳频持续时间或跳频周期，记之为Th。总的跳频带宽和瞬时带宽分别记作Wss和B，对于调频系统，其处理增益为Wss/B。 从接收到的信号中去掉跳频称为解跳。 跳频中，当一个不需要的信号占据了一个特定的跳频信道时，这个信道中的噪声和干扰就可以进入解调器。这样，一个非预想的用户和预想的用户同时在同一信道中发射信号的情况下，跳频系统中就有可能出现碰撞。 2022/7/25135西安电子科技大学信息科学研究所跳频可分为快或慢两种。如果一次发射信号期间有不止一个频率跳跃，则为快跳频。快跳频意味着跳频速率大于或等于信息速率

60、。如果在频率跳跃的时间间隔中有一个或多个信号发射，则为慢跳频。 FH-SS系统的跳频速率取决于接收机合成器的频率灵敏性、发射信息的类型、抗碰撞的编码冗余度，以及与最近的潜在干扰的距离。 2022/7/25136西安电子科技大学信息科学研究所在跳频扩频系统中，采用BFSK调制时几个用户相互独立地跳变载波频率。如果两个用户不是使用相同的频带，BFSK的误码率如下 但是，两个用户在同一频带中同时发送信号，则发生碰撞。在这种情况下，假定这个误码的概率为0.5是合理的。这样，总的比特误码概率可以建立如下的模型，即 2022/7/25137西安电子科技大学信息科学研究所假设跳频范围中有M个可能的跳频信道（