（电路与系统专业论文）一种新型的CIJFMSK调制技术[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 本文对目前广泛使用的经典数字调制技术进行了研究，内容包括这些调制技 术的调制解调原理，实现方法，以及性能分析其中具体研究i j f o q p s k 与m s k 调制 技术，分析两者所存在的优缺点 以调制信号的减小带宽和节省功率技术参数为切入点，文章分析了提高调制 信号频谱性能技术的进步发展，并找出其中的发展规律结合m s k , l i f o q p s k 调制 技术特点，本文对两者做了创新性研究，在m s k 调制技术的基础上，引入一种改进 的i i f 编码形式，设计出一种新型的恒包络，相位斜率连续的调制技术c l i f m s k 文章具体阐述c i j f m s k 调制技术的调制原理，解调原理，硬件实现方法；并在 m a t l a b 实验平台上对c l i f m s k 调制进行系统级仿真，分析调制信号频谱特性，以及 误码率等方面的性能仿真结果表明，c l i f m s k 调制信号频谱在主瓣以外衰减快， 减小旁瓣干扰邻近频道其中，旁瓣衰减速度较m s k 及i j f o q p s k 快2 0 d b 上，达 到目前性能优良调制技术的水平此外，文章利用v e r i l o g h d l i 吾言对该调制技术提 出一种全数字的实现方式，仿真结果验证了其可行性，并在硬件上调试实现 关键词：i j f o q p s km s ki j f 编码c i j f m s k 频谱特性硬件实现 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e sa n de m u l a t e ss o m ec l a s s i c a lm o d u l a t i o nt e c h n o l o g i 骼 t h e ya r ee x t e n s i v l yu s i n gi nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa tp r e s e n t i nt h ep a p e rt h e a u t h o ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e ，t h ea n a l y s i sa n dt h er e a l i z a t i o no f t h e s et e c h n o l o g i e s t h e r e i n ：t o ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h et f o q p s ka n dm s km o d u l a t i o nc o n c r e t e l y , a n d t h e na d d u c e st h em e r i t sa n dt h ed e m e r i t so f t h e m t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ep o w e rs p e c t u r nd e n s i t yo f t h em o d u l a t e ds i g n a l i ts t u d i e s t h ec e a s e l e s s l yp r o g r e s s i v et e c h n o l o g i e s ，w h i c he n h a n c et h eu s i n ge f f i c i e n c y a n di t s u e st h er u l e si nt h i sp r o c e s s t h e n , t h ep r o j e c tc o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h em s k , m = 。o q p s ka n dr a s e a r c h e si nac r e a t i v ew a y o nt h eb a s i so ft h em s i t , t h e i n v e s t i g a t i o ni n t r o d u c e san o wd fc 0 l i i 喀a n dd e v e l o p sad i g i t a lm o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o ns y s t e m i ti sac o n s t a n te n v e l o p es i g n a lw i t ht h es m o o t hp h a s i cs l o p e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dt h er e a l i z a t i o no f t h i sm e t h o d , a n dg i v e so u t t h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ni nt h et h e o r y 丘e l dw i t hm a t l 曲t h er e s u l ts h o w st h a t c o m p a r e dw i t hm s ka n di f f o q p s k , t h ec u f m s kh a sab e t t e rs p e c m m l t h e d r o p p i n gv e l o c i t yo ft h es e c o n d a r yp c ：t a l i sl o w e rt h a n2 0d b i tr e a c h e sa n o u t s t a n d i n gl e v e l b e s i d e s ，t h ep a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r ew i t hv c r i l o gh d l k e y w o r d s ：u f o q p s km s ki j f c o d i n gc i j f m s kf r e q u e n c ys p e c t r u m l i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：垄邈蛭 日期：h ，5 7 j 2 - 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 垄塑堡 边：垒二 1 闯题的提出口j 【4 】【1 2 1 0 4 0 9 1 前言 移动通信是未来个人通信的重要组成部分，其灵活机动高效的特点非常适合 信息社会发展的需求8 0 年代以来，蜂窝移动通信由第一代模拟系统发展到第二代 数字系统，并正在向传输宽带数据和多媒体信息为目的的第三代系统演进移动通 信正向着数字化，综合化，智能化，宽带化和个人化发展数字移动通信包括以下主 要技术：多址连接技术，语音编码，数字信号不失真传输，数字调制解调，移动无线信 道，信道编码，交织技术，分集接收等 其中数字调制是重要的信号变换及系统组成部分对于大部分数字传输系统 来说，由于数字基带信号往往具有丰富的低频成分，而实际的通信信道又具有带通 特性，因此，必须用数字信号来调制某一较高频率的正弦或脉冲载波使己调信号能 够通过带限信道传输这种用基带数字信号控制高频载波的过程称为数字调制已 调信号通过信道传输到接收端，在接收端通过解调器把频带数字信号还原成基带 数字信号，这种数字信号的反转变称为数字解调通常，我们把数字调制与解调合 起来称为数字调制，把包括调制和解调过程的传输系统叫做数字信号的频带传输 系统 一般来讲对调制技术的基本要求是： 1 窄的功率谱移动通信是一种多波道系统，调制信号功率谱带外辐射对邻波 道产生干扰，使性能下降为了保证数字信息传输质量，信号功率与干扰功率之比 应大于2 0 d b ，考虑到移动台运动时的衰落深度可达2 0 - 4 0 d b ，所以要求已调制信号 在邻波道的总辐射干扰低于有用信号4 0 - 6 0 d b 2 扁的频谱效率眉前，在邗和u 脚频段的移动通信系统中，语音信号大多采 用s c p c 方式的f m 传输，载频间隔为2 5 k h z 如果采用1 6 k b i t s 的语音编码。在同样问 隔内传送数字语音信号，则数字调制技术的实际频谱效率应优于l b i t s h z 3 优良的误码性能移动通信环境以衰落，干扰和嗓声为特点，包括多径瑞利衰 落，频率选择性衰落，多普勒频移和障碍物阻挡的联合影响因此，必须根据抗衰落 和干扰，特别是抗同频干扰能力优选调制方案一般认为，在模拟调制系统中，最小 的同频干扰防护比c i 取1 7 1 8 d b ，数字系统取9 1 3 d b ，也就是说，数字蜂窝移动通信 系统比模拟系统要求更能提高信道利用率，降低发射功率，简化技术设计要求 4 能接受差分检测由于移动通信系统接收信号的衰落和时变特性，相干解调 性能明显变差，而差分检测不需要载波恢复，能实现快速同步，获得好的误码性能， 因而差分检测的数字调制方案被越来越多地应用于数字蜂窝系统和突发工作的 窄带t d m a 系统中 5 功率效率高在非线性工作模式下，性能劣化小，电源效率高 数字调制技术的基本类型有振幅键控( a s k ) ，频移键控( f s k ) 和相移键控 口s k ) 3 种在实际应用中，都是采用这几种基本调制类型改进或综合而成的技术 基本上可分为两类：一类是线性调制技术，主要有相移键控 s k ) ，四相相移键控 ( q p s k ) ，r d 4 差分四相相移键控( x 4 d q p s k ) ，偏置键控四相相移键控( o k - q p s k ) 和 多电平相移键控等这几种调制方式由于线性要求高，因此，对设备的要求较高，但 它们可获得较高的频谱利用率另一类是恒定包络( 连续相位) 调制技术，主要有最 小频移键控( m s k ) ，高斯最小频移键控( g m s k ) ，高斯频移键控( g f s k ) 和受控调频 ( t r y 0 等这些调制技术主要是考虑使数字调制信号具有更窄的功率谱和更好的 误比特率性能等 这些抗干扰性能强，误码性能好，频谱利用率高的调制技术已在数字蜂窝移 动通信系统中广泛应用然而现有的数字调制方式都存在某些不足，如频谱利用率 低，抗多径衰落能力差，功率谱衰减慢，带外辐射严重等，此外在不同的蜂窝半径和 应用环境下，移动通信将呈现不同的衰减特性在给定信道条件下，寻找性能优越 的高效调制方式一直是重要的研究课题近几十年来人们陆续提出一些新的数字 调制技术，以适应各种新的通信系统的要求这些研究，主要是围绕着寻找频谱利 用率高，同时抗干扰能力强的调制方式而展开的因此通过对现有的调制方式进行 研究，而且在原有基础上改进或者创新以褥到新的调制技术获得更优越的性能，如 频带利用率得到提高，或者实现设备简单等，是非常有意义的 2 目前国内外研究现状【1 】【5 】【6 】【1 2 1 作为任何一个通信系统中的重要环节，调制和解调技术的研究和发展一直备 受关注尤其是近十多年来，无线通信有了巨大发展，要求既传输信令数据，又传输 各种各样的信息数据，因此系统中必须采用能满足高速通信需求的数字调制技术。 2 为此，各种性能更优，更加能适应无线通信中频带有限，干扰源多，并且具有很强时 变性的通信信道的调制技术也不断的创新发展总之，我们所采用的调制技术的最 终目的就是使得调制以后的信号对干扰有较强的抵抗作用，同时对相邻的信道信 号干扰较小，解调方便且易于集成 应用于数字蜂窝系统，集群系统，无绳电话和个人通信系统的数字调制方式可 以分为两大类：线性调制技术和恒包络调制技术常用的线性调制技术有q p s k , r d 4 d q p s k , m p s k , m q a m 等；恒包络调制技术有2 f s k , m s k , g m s k , i t m 和g t f m 等恒包络技术能适应信道的非线性，并且保持较小的频谱占用率多进制调制更 是提高频谱利用率的有效方法。由传统数字调制技术扩展的技术有正交相移键控 ( q p s k ) ，正交调幅( q a m ) ，最小移频键控( m s k ) ，高斯滤波最小移频键控( g m s k ) , 正交幅度调制( q a m ) ，正交频分复用调青i ( o f d m ) 等等其中几种已经在数字蜂窝 移动通信系统中得到广泛应用使用多电平调制可以获得频谱效率的提高。但当频 谱效率提高时，解调器的复杂度和误比特率e r ) 的增大已成为制约因素 为了寻求频谱效率和误比特率( b e r ) 性能之问的折衷，多载波调制( m c v o 己 经成为移动通信应用研究的热点其中，多载波的1 6 q a m 调制技术，将载波频道按 频分设计分为m 个子信道，能适应多径时延扩散且不需要构造复杂的均衡器。已经 在数字移动通信系统使用；正交频分复用，多载波码分多址等，亦己成为被广泛注 意的调制策略 数字调制解调技术的研究开发工作和无线数字通信领域一同快速发展着使 得通信的质量更优，速度更高，传输距离更远，更加灵活方便国内外众多的通信工 程师也正在这个领域进行着研发工作，希望更好地选择和设计适合的调制解调系 统，更好地适应移动无线网络高速可靠通信的要求 3 本文所做的工作 本文对数字调制技术方面的内容进行了学习研究文中对目前广泛使用的调 制技术如m s k 等进行了重点介绍内容包括这些调制技术的调制解调原理，实现 方法，以及性能分析 以调制方式的频谱特性这一技术参数为切入点，文章分析了提高调制信号频 谱性能技术的不断进步发展，找出其中的发展规律，设计恒包络调制连相位续的调 3 制信号，使得调制信号频谱在主瓣以外衰减快，减小旁瓣干扰邻近频道具体分析 m s k u f o q p s k 调制技术特点，结合这两种调制技术的特点，提出一种新的调制方 法c i j f m s k , 使得旁瓣衰减速度快m s k 及u f o q p s k 2 0 d b 以上 文章给出- f c l i f m s k 调制方式的调制原理，调制信号颏谱特性，调制信号的 解调以及误码率分析等方面的内容，并对硬件实现进行了设计 本文对现有调制方式做了创新性研究，可以考虑应用到现有的通信系统中，为 通信技术的发展提供新的选择 4 本文内容安排 第一章具体介绍现有广泛应用的多种调制技术x f f f s k , p s k , o q p s k , o m s k ， m s k , l i f o q p s k 等调制技术做了详细的研究，主要是对这些调制技术的调制解调 原理，实现方法，以及性能等做了分析 第二章首先介绍了前人对连续相位调制技术已经做的改进，然后阐述了作者 所做的工作，即提出c i j f m s k 调制方式详细介绍该调制技术的原理，调制信号解 调等方面的内容 第三章对这种新调制方式的性能，如调制信号频谱利用率，功率谱效率，误码 率进行分析比较给出各种仿真实验的结果，并根据仿真结果分析调制方式的优缺 点最后基于a c t i v e h d l 平台利用v e r i l o g h d l 硬件描述语言对c i j f m s k 调制进行 了全数字硬件实现 第四章总结作者所做的工作，提出文章的不足和进一步研究的设想 4 第一章现广泛应用的若干调制技术 当前，数字通信的发展非常迅速，为了提高数据传输的效率和可靠性，追切需 要进一步研究和选用性能良好的数字调制技术因此，现代数字通信中除去一些基 本的行之有效的调制方式外，不断有学者根据不同的用途和要求，研究出许许多多 的调制方式，它们在某些性能上具有突出的优点，如功率效率，频带利用率，抗干扰 能力，对信道传输损害的适应能力等方面 本章我们将以f s k , q p s k 和o q p s k 调制技术为基础，研究以下几种调制方式： m s k , i j f o q p s k , g m s k 显而易见，这几种调制都是为了满足不断进步的移动通 信技术而提出的优良调制方式 1 1f s l ( ，q p s k , o q p s k 调制技术1 1 1 【2 l 闱州吲【1 4 1 鲫1 2 1 1 我们知道调制方式可以分成三种形式：调幅，调频，调相其中调频与调相的使 用最为广泛，而且这两者之间有着很密切的关系调楣时，有调频伴随发生；调频时， 也同时有调相伴随发生，不过两者的变化规律不同接下来就介绍基础的二进制调 频和四相相移键控 1 1 1f s k 调制技术 1 f s l 0 信号的产生【1 1 | 2 1 1 1 4 1 f s k 信号一般有两种产生办法：利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两 个不同的独立频率源进行选通得到；或者利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行 调频而获得具体实现方法以及波形示例如图( 1 1 ) 所示 立p s m (a)cb) 图1 1 二进制移频键控( f s k ) 信号的产生 图中，s ( t ) 代表信息的二进制矩形脉冲序列，f i p 是f s k 信号第一种方法产生 的一骰是相位连续f s k 信号第二种产生离散相位的f s k 信号 ( 1 ) 离散相位的f s k 在一个码元期间，波形彳c o s ( 2 确f ) 和z c o s ( 2 石印) 分别用 来传输二进制数l 和o 这样的信号可以看成是载波五和五的两个振幅键控信号的 合成设所传输数字序列为 砌 ，贝i j 载频为五的振幅键控信号可写作： f i ( t ) 5 ，l ：k a n g ( t 一甩m c o s ( 2 啊+ q ) ( 1 1 ) 式中g ( t ) 是单个码元基带脉冲的波形 在任一码元期间，如果不发送正的振荡则必发送如的振荡若我们取嘞的反 码鬲，构成一个新的序列 瓦) ，则载波为兄的振幅键控信号可表示为： s 2 ( t ) = x 葡g ( t 一稽m c o s ( 2 石尼，+ 唿) ( 1 2 ) 这样, f s k i 盲号可以表示为： j ( f ) 。f i ( t ) + s 2 ( t ) ( 1 3 ) 或写作：s ( f ) = ( f m c o s ( 2 刀印+ 约) + 朋2 ( f ) 爿c o s ( 2 石丘f + 唿) ( 1 4 ) 这里，m l ( t ) 2 以：k a n g ( t 一，l ) ( 1 5 ) 吃o ) = 以：a n g ( t 一以) ( 1 6 ) ( 2 ) 相位连续的f s k 信号是利用基带信号对一振荡器进行频率调制而产生的，在 码元变换时相位是保持连续的理想情况下，频率随基带信号线性变化调制信号 表达式为：s = a c o s 2 z c f c t + 2 庀a f d j k m ( r ) d f + 】 ( 1 国 式中，爿是载波振幅；尼是未调载波频率；表示载波的初始相位；屹是频偏因 子，当搠( f ) 为归一化基带信号时，屹称为峰值频偏； 其中，r e ( t ) 2n 三喵a n g ( t 一) ( 1 8 ) 锄是码元脉冲的振幅，其可能取值为+ 1 或者一1 现坼护等嘶辑 m 卵 h 称为调制指数或频移指数调制信号可以写成： 6 s ( t ) = a e o s 2 z t f c t + 烈t ) = a c o s s ( t ) ( 1 1 0 ) 关于f s k 信号的传输带宽，已信号中至少包含五和易为载频的两个a s k 信号 频谱主瓣不连续相位f s k f f 。号的信道带宽利用率很低 2 f s k 信号的解调与抗噪声性能圆d 】f 1 4 】 ( 1 ) 相干解调 f s k 信号相干解调的框图如图( 1 2 ) 所示 c o s ( o , 0 图1 2f s k 信号相干解调框图 图中，由两支路分别进行窄带通滤波，各取得传号或空号频率，提供正和如不 同的相干载波，再经过低通滤波，分别抽样判决 得：勋( ，) = 1 ( t ) = a 0 + n i l ( t ) 、 ( 1 1 1 ) e pn 1 1 ( t ) ，n i 2 ( t ) 分别是传号和空号解调后的信号干扰，是性质相同的窄带 噪声同相分量 在接收时，发生误差的概率分鄹是： 2p ( s 1 ) p ( i 2 ) ( 1 1 2 ) 2p 吒) p ( 2 1 ) ( 1 1 3 ) i 殳e ( f i ) = p ( s 2 ) = 1 2 ，则平均误比特率为： 尼2 2 2 2 2 p ( 4 0 + n 1 2 ) = 尸( + h i 2 n 1 ) o - 1 4 ) 设x = + l 一 1 2 ，则式( 1 1 4 ) 可以改写为e e = p o o ) ，于是f s k 信号误比 7 特率就归结为x q ) 2 圭嚆= o p ( a ) 岛p ( 恐) 嘞】呶 ( l 2 0 ) 8 式中，p ( s 0 2 1 2 为传号概翠于是，j 求得f s k 平均误比特举为： 尼= z = 嘱：o 毒唰一宅多”a 萌0 _ _ 咀p b c 厩硇毒e 醑磊2 物 = 舻叁唧c 一务唧e 一番警蛔 ( 1 2 1 ) 设x = q i 石虿，并考虑到厂= 碍2 露为功率信噪比，则上式( 1 2 1 ) 写为： 尼= 扣一刍舻粕嘲唰一争出 c - 均 该式用q 函数表示，其含义： q ( u ，历= 廖( 谢) 唧( 一华出 ( 1 2 3 ) 它具有以下特征： 当= o 时，q ( 口，o ) = j 6 。t o ( a t ) e x p ( 一筠出= 1 ( 1 2 4 ) 当删时，卯= 眵( 一等舻e x p ( _ 等) ( 1 _ 2 5 ) 由q ( 口，f 1 ) 函数与式( 1 2 1 ) 形式相对照，可得： 尼= 丢晰舞，唧唼2 以厢磅舻吾时番= 三酬一争m 询 式中，：名2 磊为功率信噪比【3 】【1 1 1 1 1 2q p s k 调制技术1 2 1 1 4 1 以数字信号去控制载波的相位，使已调等幅，恒定载频的载波相位与待发送信 号相对应这种调制方式称为楣位调制。为了提高频谱利用率，提出以多元符号编 码序列去控制载波的相位，则可以产生m 个离散相位的已调波，各符号对应的调相 波相位均相隔2 r d m ，就形成多元数字调相( m p s k ) 信号本部分主要介绍四相调制 四楣调制分为四相绝对移相调制( q p s k 或q p s k ) 与四相相对移相调$ i j ( 4 d p s k 或 9 d q p s k ) 两种1 4 1 1 四相绝对移相调制原理【2 】 四相绝对移相调制是利用载波的四种不同相位来表征输入的数字信息由于 四种相位可以代表四种数字信息，因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分 组，将每两个信息数字编为一组，然后根据其组合情况用四种不同的载波相位去表 征它例如，输入的二进制数字序列为 1 ，0 ，0 ，1 001 1 ) ，将其分组为：1 0 ，0 1 , 0 0 ，1 1 ，然后用载波的四种不同相位分别代表在四相调制中，由于每一种载波相位代表 两比特信息，故每个码元( 四进制码元) 常被称为双比特码元，并把组成双比特码元 的前一信息比特用a 代表，后一信息比特用b 代表双比特码元中两个信息比特a b 是按照格雷码排列的因此，在接收端检测时，如果出现相邻相位判决错误，只造成 一比特的差错，有利于提高传输的可靠性双比特码元与载波相位关系如表( 1 1 ) 表1 1 双比特码元与载波相位的关系 双比特码元 载波相位q l k aba 方式b 方式 ooo 4 5 。 o1 9 0 。 1 3 5 。 l o 1 8 0 2 2 5 。 1 1 2 7 0 口3 1 5 。 他们之间的相位关系如图( 1 4 ) 所示 1 0 参考相位 0 l a q p s k - 言n 号的表示式如下： 0 0 0 11 1 0 01 0 b 图1 4q p s k 信号的相量图 i o 式中： 5 ：2 二卯喝故咄二嘲2 ( 1 加 _ i 曼g ( f k r s ) 。5 t - k _ _ _ _ c o b k g ( t 一七五) 8 洫 2 c 0 8 2 2 s i n q , k = c o s 0 1 概率为气 c o s 0 2 概率为乏 c o s 巳概率为弓 c o s 气概率为 s 缸q 概率为墨 s i n e 2 概率为之 s 洫巳概率为弓 s i n 0 4 概率为忍 ( 1 2 8 ) ( 1 2 9 ) 式子( 1 2 7 ) 表示两个正交的双极双边带调制波形，或者说，可以看作两个正交 的二相调制信号的合成。对于每一个j 【，符号组成一个双比特码元 他们分别 代表两个独立信息 2 q p s k 的产生与解调脚 q p s k 的产生可以分为调相法和相位选择法调相法实现框图如( 1 5 a ) 所示： a b ( 0 ) b 图1 5 调相法实现框图 串并转换器将输入二迸制数字序列分为两个并行的序列设两个序列中的二 进制数字分别为a 和b ，每一对a b 称为一个双比特码元双极性a 和b 数据脉冲分 别通过两个平衡调制器，对同相及正交载波进行调制，得到图b 中虚线向量将两路 米 相量叠加，得图中实线所示的四相信号，相位编码逻辑关系如表( 1 2 ) 所示： 表1 2 相位编码逻辑关系 a1001 b1l00 a 路平衡调制器输出 o 1 8 0 1 8 0 。o b 路平衡调制器输出9 0 09 0 。 2 7 0 2 7 旷 合成振荡相位4 5 。 1 3 5 2 2 5 。3 1 5 用相位选择法产生q p s k 信号的电路组成框图( 1 6 ) 图中，四相载波发生器分 别送出调相所需要的四种不同相位的载波按照串并变换器输出的双比特码元的 不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波。 图1 6 相位选择法产 4 q p s k 信号 由于四相绝对移相信号可看作两个正交2 p s k 信号的合成，所以，可采用2 p s k 信号类似方法解调一相干检测法因此，可采用两个正交的相干载波分别来检测两 个分量气b ，其组成框图如图( 1 7 ) 图中上，下分别是一个二相移相信号检测器它们 分别用来检测双比特码元中的a ，b ，然后通过并串变换器还原为串行数据信息 图1 7q p s k 信号解调框图 四相相对移相调制( d q p s k ) 则是利用前后码元之间的相对相位变化来表示 1 2 数字信息基本原理与q p s k 相似，这里就不再赘述 1 1 - 3o q p s k 调制技术 在q p s k 调制器中，a i ，b k 矩形波码元的转换总是同时发生的，其组合规律表明 在四个信号点之间任何相位转换均可能产生，如图( 1 8 a ) 所示 n t , 韵 u 1 乙 v 一 n r 】 k ，u 圉1 so q p s k 相位转移图 在相位转换图中，对角线的转移产生1 8 0 跳变，聚集有高频能量移动通信信道 总是带限信道，在传输q p s k 信号时常常经过带限滤波，带限后的q p s k 信号已不 再是恒包络信号，在相邻符号间发生1 8 0 。跳变时，带限信号出现包络为零的严重幅 度陷落现象这种现象在非线性带限信道中是特别有害的，经非线性放大器后，包 络起伏得以平滑的同时却使带限信号频谱扩展，其旁瓣将会干扰邻近频道，发送时 的带限滤波作用将被抵消。实际频谱利用率下降 偏移四相相移键控( o q p s k ) 调制，将双比特码元a k ，b l 【延时差开t 0 避免调制 过程中两支路码元转换同时发生，因而不会产生1 8 0 0 跳变将正交路信号偏移的结 果是消除了已调信号中相移1 8 0 0 的现象，每隔t b 信号相位只可能发生士9 0 0 的变化 因而星座图中信号点只能沿正方形四边移动，如图( 1 s b ) 所示滤波后的o q p s k 信 号中包络的最大值和最小值之比约为2 ，不可能出现比值为无限大的情形，因而 o q p s k 信号在非线性带限信道具有优于q p s k 的频谱利用率性能 o q p s k 比q p s k 的另一优点是接收端容易恢复比特同步，因为它有频繁的相 位变化o q p s k 和q p s k 有相同的误比特性能对于矩形基带脉冲，o q p s k 和q p s k 有相同功率谱形状两者的缺点是，功率谱旁瓣占有能量大，要求很宽的带宽而且 在q p s k 和o q p s k 输出端必须有复杂的滤波器限带，否则在移动通信系统应用中 难以满足领道辐射小于6 0 d b 解调部分，在多径衰落信道下，相干载波恢复困难，相干检测往往导致比非相 干检测性能更差在差分检测中，o q p s k 比q p s k 性能差，原因是o q p s k 在差分检 测时引入码间干扰 鉴于0 q p s k 和q p s k 的以上缺点，人们不断寻求更加适合移动通信的调制技 术，如：i j f o q p s k ，m s k ，g m s k 等 1 2m s k 调制技术1 1 1 1 2 1 1 6 1 8 4 1 1 2 1 l 吲刚彤悯阅 o q p s k 虽然消除t q p s k 信号中的1 8 0 0 相位突变，但没有解决包络起伏的问 题；且一般移频键控频谱较宽的一个原因就是在码元交替过程中存在相位的跳变 因此出现一种能够产生恒包络，连续相位信号的调制称为最小移频键控m s k 1 2 1m s k f 吉d 号的性质【1 1 1 6 1 1 2 1 l m s k 亩号| j 以表不成为： j ( f ) = c o s c o d + r o d a k t + 伊k r ( 七+ 1 ) ( 1 3 0 ) 式中，r o c 为载频，o , a 为频偏，为传输的数据；弓为码元宽度；为第k 个码元中 的相位常数，它在时间f ( 七+ 1 ) 的条件下保持不变根据在一个码元期间 内，其相位差应严格等于霸则有： ( + o , a ) r b 一( 一) 弓= 疗 ( 1 3 1 ) 由此可得，2 豪将此式代入是( l 3 0 ) ，m s k 信号可以表示为： s ( f ) = c o s f + 豪吖+ 】f + 1 ) ( 1 3 2 ) 信号的附加相位为： 口o ) 2 署+ ( 1 3 3 ) 当码元为2 时测信号：s = h s m 。( t ) ：= e o 。s 吩c o m ，t ，, 芝三： c 捌， 嘞4 = ( + 荔为传号频率；n 锄= ( 一轰) 为空号频率两频率之差为： 一6o 萨锄5 号 ( 1 3 5 ) d 显然，m s k 信号具有f s k 信号的基本特征在- - + 1 时，定义两个信号波形的 相关系数为： p = - 专bi ：b s i n ( t ) 曲( f ) 毋 t t 3 旬 e 6 ：f t bs 2 m ( o d t ：j ：bs 2 ( t ) d t ( 1 如 它是码元的信号能量由此可求得相关系数： p = 去夺c 。s 锄r c o s 卿础= 篱+ 篱 n ，s ， 令载波频率为 = ( t o m 丁+ c o s ) ( 1 3 9 ) 为便于检测，希望两个信号正交，两信号正交的条件是其相关系数p = d 首先 令2 丐= ( o j m + r o s ) t b = 蛳0 = 1 ，2 ，) 则第二项为零，可以求得： 毛= 玎去 0 4 0 ) 此式说明，每个码元宽度是1 4 个载波周期的整数倍此条件满足后，p 可写成： p=篱(tom=觜2zt(fra f s m ， ， = 一= 一 q i i 。 一嘶) 一) 。 可作出p = f ( r o m 一略) 弓】的关系图( 1 9 ) ( t o m 一略) - - r 刀 ，( # l ，+ - 2 ，) 时，则p = o 此时，s 坍( f ) 和蛞( 0 两信号正交，当萨1 时，( l 一锈) = 万为最小频差 设调制指数厅为： | j l = 厂。( f r o 一矗) ( 1 4 2 ) 事实上，图1 9 表示了相关系数尸和调制指数矗之间的关系，由图可见p = o 所 对应的频率并非单一值，但只有 = o 5 是最小频差c 岛一矗) 的正交状态，所以称这 种特殊情况下的f s k 为最小频移键控m s k 。 l 、7 v d 1 2 2m s k 信号的波形1 2 1 f 6 1 图1 9m s k 相关系数 1 5 狮- s ) r b 由于m s k 信号在码元周期内，具有整数倍的1 “个载波周期，若( 1 4 0 ) 式中的行 为： 珂= 4 + 埘 ( 1 4 3 ) n 为第珂个码元周期内载波周期数；埘为第万个码元周期内l 4 个载波周期数故式 ( 1 4 0 ) 可写成： t b = ( n + _ ) r n 万1 州为整数，m 2 l ，2 ，3 ，4 ) ( 1 4 4 ) 由此可求得传号频率，空号频率和两频率之差表达式： 疡钳丐1 刈+ 半专 矗= 石一丐1 = + 争专 q 蚴 v 2 特 设码j 事列a = + 1 ，+ 1 ，+ l ，一1 ，一l + l ，- l ，1 ，根据以上分析，可以作出经调制后所 得到的m s k 波形，如图( 1 1 0 ) 所示可见，m s k 调制信号是一个包络恒定相位连续的 信号 1 6 坦 ， 明 叭 跎 。 舭 小 鱼 8 f m1 hh缸 岛 伽f s 亿 心八彩1r、 、 _ 1 2 3m s k 信号的相位 图1 1 0m s k 信号波形图 m s k 信号的相位连续性，有利于压缩e , i l 信号所占频谱宽度和减小带外辐射 因此需要讨论在每个码元转换的瞬间保证信号相位的连续性问题由式子( 1 ，3 3 ) 可知黝相位函数与帆的关系是线性方程其斜率为秀截距为 烈f ) 2 口i p i 0 + ， m 1 啊旷 + l 图1 1 1m s k 触i 相位函数图 因为a 的取值为l ，是。或万的整数倍所以附加相位函数口o ) 在码元期间 的增量口( f ) = 三正负号取决于数据序列a 根据a 叫1 ，1 ，- 1 ，1 ，_ 1 ，1 ，1 _ 1 - ) ，可作出 附加相位函数如图( 1 1 1 ) 所示由图可见，为保证相位的连续性，要求前后两个码元 在转换点上的相位必须相等若在每个码元内均增加或减小量，因而在每个码元终 点处，相位必定是舵的整数倍此外，由于a 的取值为+ 1 或1 ，则截距也必定是兀 的整数倍 1 2 4m s k 信号的正交性i 2 悯阅 m s k 信号的表达式为：s ( f ) = c o s a ，d + 矽( f ) 】( 1 4 0 3 热蚴= 毒m 愀a k = 碱+ 1 疗 ( 1 忉 展开为： 印) 2 k c 0 3 印毗f + 皱嗡血f 鲻( m ) ( 1 s ) 式中：= c 0 8 为同相分量，鲰2 飞c 0 8 为正交分量，它们与输入数据有关， 也称为等效数据而c o s ( 丢为同相分量的加权函数，s i n ( 爰) 为正交分量的加权 p d 函数由式( 1 4 8 ) 可见，m s k 信号是由两个正交m 讧信号所合成产生根据两个码元 在转换点上相位相等的条件，可求得相位递归条件设：t = k t b ，则由相位函数可求 得： 2 一1 + ( 鼍枉l 一) 号k ( 1 4 9 ) 由上可以得到等效数据铱，k 与之间的关系：1 当k 为奇数，并且与 一1 极性相反时，和_ 1 的极性不相同2 当k 为偶数，且与- 1 极性也相反， 则鲰与吼- 1 的极性才会出现不相同，必须经两个弓才能改变极性，即等 效数据和婊的速率比输入数据慢1 倍 1 2 5m s k 信号的产生例 根据式( 1 4 s ) 的结论，m s k 信号的产生可以分为以下步骤： ( 1 ) 对输入数据序列进行差分编码； ( 2 ) 把差分编码器的输出数据用串并转换器分成两路，并相互交错一个码 元宽度； 1 3 ( 3 ) 用加权函飙3 日瓤域习删对两路数据进行加权； ( 4 ) 用两路加权后的数据分别对载波c o s f 和s i n f 进行调制； ( 5 ) 把两路输出信号进行叠加 m ( 1 1 2 ) 是这种m s k 调制器的方框图： 1 2 6m s k 信号的解调1 1 l p i 图i 1 2m s k 调制器 从m s k 信号中恢复传输的数据可以用相干解调，也可以用非相干解调，具体 电路形式多样这里主要介绍一种采用延时判决的相干解调原理框图 交 错 位 高马母 判 决 逻 辑 圈1 1 3m s k 相干解调器 如图( 1 1 3 ) 所示，相干解调的原理与2 f s k 信号相同举例说明( o 2 ) 时间内判 决一次的基本原理 设( o ，2 弓) 时间内o ( o ) - - - o ，则m s k 的o ( o 变化规律可用图( 1 1 4 ) 表示在 r = 2 时刻，口( f ) 的可能相位为o ，7 【若把这时的接收信号c o s 【口+ 口( f ) 1 与相于 载波c o s ( ，+ 号) 相乘，贝u 相乘输出为： 。 c o s 【r + 口c r ) 】c o s ( ，+ 三) = c 。s 口一号 + 频率为2 椭项 c s o ， 1 9 这里，没有考虑常数1 2 滤出第一项，可得： v 舻c o s 一訇= s ；n 9 s 。 t b 2 t b f 1v1 a v ( 0 1 o ( 11 ) o r ( 1 0 ) 、s i nq , ( t ) 。 、 n 加t 、一，7 s i n1 5 a ( t ) ( o o ) o k 0 0 b ( 1 5 1 ) 图1 1 4m s k 信号在( o ，2 瓦) 内的相位变化及相干解调的输出波形 由图( 1 1 4 b ) 可知，当输入数据为l l 或1 0 时，s i n e ( t ) 为正极性；而当输入数据为 o o 或0 1 时，s i n 9 ( t ) 为负极性由此我们得到：若砸) 经判断为正极性，则可以断定数 字信息不是l l 就是1 0 ，于是可以判断第一个比特为l ，而第二个比特留待下一次再 作决定，即是延时判决法的基本含义 由目f l ( 1 1 3 ) 可以看出，输入m s k 信号同时与两路相应相干载波相乘，并分别进 行积分判决这里积分判决器是交替工作的，每次积分时间为2 r h 若一积分在 2 ，2 ( i + 1 ) 巧 进行，则另一积分将在 ( 2 f 一1 ) ，( 2 i + 1 ) 巧 内进行，两者差开 时间 1 2 7m s k 的误码性能和频谱特性p i l 4 1 1 6 1 1 4 l 阻i 闭 m s k i e 交相干解调的误码性能等于q p s k 传输系统，其利用t _ e 为正交的两 个支路进行正交复用，并且各支持一个特殊的2 p s k 信号，两路差错率相等，即 2 乞q 因此m s k 相干解调比特差错率为： 螂 埘 妒 。 础 删 忍= 知b 2e 疥i 啦捻 黝 按照m s k 懒, m s k 的功率谱密度可以表示成： 一孚【絮1 掣s 。) r b r 2 一 n s ， ，r i 一 4 u i q p s k 的功率谱密度公式：矿：2 彳2 ! ! ；宝：笋：掣 2 c ，s m ( 1 1 5 ) 是m s k 信号和q p s k 信号的功率谱密度曲线可见，与q p s k 信号相比 善 萋 图1 1 5m s k 与q p s k 功翠谱密度比较 m s k 调制方式的突出优点是信号具有恒定的振幅和信号的功率谱在主瓣以 外衰减较快然而在一些通信场合，例如移动通信中，对信号带外辐射功率的限制 十分严格，m s k 信号仍然难以满足要求为此，人们不断在m s k 的基础上，采取一些 措施，加以改进，从而使得调制信号既能保持包络恒定，同时又能减小带外的辐射 功率这些措施归纳有两方面：一是对输入数据波形进行处理：二是改变两个正交 支路的加权函数接下来，我们就研究一下两个有代表性的调制方式u f o q p s k 和 g m s k 2 1 1 3i j f