第2章调制解调技术-GMSK与π4-DQPSK

第2章调制解调技术-GMSK与π4-DQPSK第一页，共44页。

第二章

调制解调

第一节、基本调制技术第二节、移动通信的数字调制技术第三节、OFDM多载波调制技术第四节、扩频调制技术

第二页，共44页。一.模拟调制技术二.数字调制技术第一节、基本调制技术

第三页，共44页。第一节、基本调制技术

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。移动通信信道的基本特征是：1.带宽有限，取决于可使用的频率资源和信道的传播特性；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；3.存在多径衰落。第四页，共44页。第一节、基本调制技术移动通信对调制方式的选择主要有：1.可靠性，即抗干扰性能，选择具有低误比特率的调制方式，其功率谱密度集中于主瓣内；2.有效性，主要体现在选取频谱利用率高的调制方式上，特别是多进制调制；3.工程上易于实现。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

第五页，共44页。第一节、基本调制技术

一.模拟调制技术第六页，共44页。选择恒包络角度调制方式。若以99%能量所包括的谱线宽度(以载频为中心)作为调角信号的带宽，单一频率调制的调频信号带宽为

Fm=Ω/2π为调制频率，Δfm=mf·Fm为调制频偏。经过鉴频器解调后，信噪比的增益为第一节、基本调制技术

一.模拟调制技术第七页，共44页。目前应用的模拟FM移动通信系统：话音最高频率fm=3kHz;最大调制频偏f=5kHz,则单路信号带宽为多少？

B=2(fm+f)=16kHz按照FDM原理，保护频带Bg=9kHz，则一个信道的宽度为25kHz（即载波频率点间隔25kHz）。FM标准测试信号（标准调制）：fm=1000Hz，△f达3kHz，则信噪比增益为多少？第一节、基本调制技术

第八页，共44页。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。调制方案的性能衡量标准：功率效率--在低功率下保持正确传输的能力。（Eb／N0越小越好）带宽效率—有限带宽内容纳数据量的能力。（Rb／B越大越好）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调制系统。其代价是增加信号功率和实现上的复杂性。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。第一节、基本调制技术

二.数字调制技术

第九页，共44页。

脉冲成型滤波器（升余弦低通滤波器。）的频谱和时域波形。第一节、基本调制技术

二.数字调制技术

第十页，共44页。目前所使用的主要调制方式有线性调制技术：QPSK调制恒包络调制技术：GMSK调制“线性”和“恒包络”相结合的调制技术：QAM调制扩频调制技术：直接序列扩频、跳频编码调制相结合技术：TCM调制多载波技术：OFDM调制目前所使用的主要调制方式第十一页，共44页。一.高斯滤波的最小移频键控(GMSK)二.π/4-DQPSK调制第二节、移动通信的数字调制技术第十二页，共44页。1986年以前由于线性高功放未取得突破性的进展，移动通信中调制技术青睐于恒包络调制的MSK和GMSK，比如GSM系统采用的就是GMSK调制，但是它实现较复杂，

且频谱效率较低。1986年以后实用化的线性高功放取得了突破性的进展，移动通信中调制技术又重新对简单易行的BPSK和QPSK予以重视，并在它们的基础上改善峰平比、提高频谱利用率，比如在CDMA系统中采用DQPSK。第二节、移动通信的数字调制技术第十三页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术一.高斯滤波的最小移频键控(GMSK)1.移频键控(FSK)调制设输入到调制器的比特流为｛an｝,an=±1,

n=-∞~+∞。FSK的输出信号形式(第n个比特区间)为调制指数，当h=0.5时，两个S1与S2正交。2.相位连续移相键控（CPFSK）在一个比特区间内，相位线性地增加或减少π/2，且在t=kTb时相位连续。第十四页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术一.高斯滤波的最小移频键控(GMSK)

3.最小移频键控(MSK)调制

MSK是一种特殊的CPFSK，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制指数。h=0.5时，波形相关系数为0，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；信号表达式为第十五页，共44页。

第二节、移动通信的数字调制技术一.高斯滤波的最小移频键控(GMSK)

xk是为保证在t=kTb时相位连续而加入的相位常量。第k个码元的相位：要求相位连续：

第十六页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术

MSK的相位轨迹θ（t）

由下列两式可得出MSK的相位轨迹第十七页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术

MSK的可能相位轨迹θ（t）

π在一个比特区间Tb内，相位θ（t）线性增加或减少π／2，且在t=kTb时，相位连续。第十八页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术按二进制考虑，bk为ak差分编码结果第十九页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术MSK调制器bkbQbIbI与bQ持续时间为2Tb第二十页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术MSK相干解调第二十一页，共44页。

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60-70dB。MSK信号仍不能满足这样的要求。第二十二页，共44页。

为了压缩MSK信号的功率谱，有效地抑制MSK信号的带外功率辐射，可在MSK调制前加入预调制滤波器，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）(2)脉冲响应的过冲较小；（为了防止过大的瞬时频偏）

第二十三页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术一.高斯滤波的最小移频键控(GMSK)1.GMSK信号的产生简单的GMSK发射机的原理框图第二十四页，共44页。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。高斯低通滤波器的冲击响应为

高斯滤波器的输出脉冲经MSK调制得到GMSK信号，其相位路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，相位路径得到进一步平滑。

GMSK信号的功率谱密度随BbTb值的减小变得紧凑起来。

第二十五页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术第二十六页，共44页。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功率的比值）下的占用带宽值在BbTb一定时，ΔfTb(归一化频道间隔)越大则邻道干扰越小。在ΔfTb一定时，BbTb越小则邻道干扰越小。第二十七页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术一比特延迟差分检测GMSK解调器在不计输入噪声与干扰的情况下，图中相乘器的输出为

R(t)cos［ωct+θ(t)］·R(t-Tb)sin［ωc(t-Tb)+θ(t-Tb)］经LPF后的输出信号为第二十八页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术一比特延迟差分检测GMSK解调器当ωcTb=k(2π)(k为整数)时式中，R(t)和R(t-Tb)是信号的包络，永远是正值。因而Y(t)的极性取决于相差信息Δθ(Tb)。令判决门限为零，即判决规则为

Y(t)＞0判为“+1”Y(t)＜0判为“-1”在输入“+1”时θ(t)增大，在输入“-1”时θ(t)减小。判决后可恢复出原来的数据第二十九页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术二比特延迟差分检测GMSK解调器判决的依据sin［θ(t)-θ(t-Tb)］：对应于原始数据ak经差分编码后的ck,sin［θ(t-Tb)-θ(t-2Tb)］：则对应于ck-1，编码两者相乘等效于ck与ck-1模2加第三十页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术差分编码的规则MSK用FM调制器来产生，要求FM调制器的调制指数为0.5。若发端进行差分编码：，可得解调输出为：而相应的在发端，需对原始数据ak进行差分编码：第三十一页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术GSM的调制方式是GMSK方式。高斯滤波器的归一化带宽BT=0.3。能满足邻信道（f-fc=1.5／Tb）功率电平小于-60dB的要求。基于200kHz的载频间隔及270.833kb/s的信道传输速率，其频谱利用率为1.35b/s/Hz。第三十二页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术二.π/4-DQPSK调制QPSK信号调制之后，其载波相位跃变为180度相位跳变180°，则包络会经过幅度的0点，失去恒包络特性。第三十三页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术OQPSK是基于QPSK的一类改进型。

将QPSK中并行的I、Q两路码元错开半个码元，使得两个支路的数据不会同时发生变化，因而不可能像QPSK那样产生±π的相位跳变，而仅能产生±π/2的相位跳变，称这类QPSK为偏移QPSK或OQPSK。第三十四页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术

通过I、Q路码元错开半个码元，调制之后，其载波相位跃变由180度降至90度，减小了过零点相位跃变。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。第三十五页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术

π/4-DQPSK是一种正交相移键控调制方式，它综合了QPSK和OQPSK两种调制方式的优点。对于QPSK而言，最大相位跳变值为180°，而OQPSK调制的最大相位跳变值为90°，π/4-DQPSK最大相位跳变是±3π/4。采用Gray编码的双比特码（xk，yk）与相移Δθk的关系

第三十六页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术ykxkπ/4-DQPSK信号的产生第三十七页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术设已调信号

θk为kTs≤t＜(k+1)Ts之间的附加相位。也是前一码元附加相位θk-1与当前码元相位跳变量Δθk之和：第三十八页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术Δθk是由输入数据xk和yk所决定。第三十九页，共44页。第二节、移动通信的数字调制技术

π/4-DQPSK有比QPSK更小的包络波动和比GMSK更高的频谱利用率。多径扩展和衰落的情况下，π/4-DQPSK比OQPSK的性能更好。π/4-DQPSK能够采用非相干解调，使得接收机实现大大简化。ykxk第四十页，共44页。π/4-DQPSK信号基带差分检测器的原理第二节、移动通信的数字调制技术本地振荡器产生的正交载波与发射载波频率相同，但有固定的相位差φ。第四十一页，共44页。解调器中两个低通滤波器的输出分别为