第二章 数字信号的调制与解调ppt课件.ppt

第二章数字信号的调制与解调 主要讲述的内容 信息传递方式一般分为基带传输和频带传输两种 基带传输是指无需进行基带频谱搬移就能以基带信号形式传输的方式 频带传输若将基带信号的频谱搬移到某个载波频带内进行传输的方式 2 0预备知识 2 0 1为什么要调制 1 无线电通信使用空间辐射方式 把信号从发射端传送到接收端 根据电磁波理论 发射天线尺寸为被发射信号波长的十分之一或更大些 信号才能有效地被发射出去 c f 假如要发射一个300Hz的音频信号 其波长为106m 则就必须要用100km长的天线 这是无法实现的 2 另外 大气层对基带信号迅速衰减 对较高频率范围的信号则能传播很远的距离 因此 要通过大气层远距离传送基带信号 就需要极高频率的载波信号来携带被传送的基带信号 这就是调制 2 0 2调制定理1 调制的概念所谓调制是指用基带信号对载波 通常为余弦或正弦 波形的某些参数 如幅度 相位和频率 进行控制 使这些参数随基带信号的变化而变化 通常是将调制信号调制到中频 70MHz或140MHz 然后在频谱搬移到射频 此时不调制 2 调制的分类根据调制信号的性质 调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制 模拟信号调制 所调制的基带信号为模拟信号时的调制就是模拟信号调制 数字信号调制 所调制的基带信号为数字信号时的调制就是数字信号调制 模拟调制与数字调制的基本区别就在于其基带信号的形式不同 但是都采用余弦波作为载波信号 由于余弦信号有幅度 相位和频率三种基本参量 因此可以构成调幅 调相和调频三种基本调制方式 3 调制定理在通信系统中 常常会遇到基带信号f t 和余弦信号相乘的情况 信号的频谱由一个频率位置搬移到另一个频率位置上 概念 上边带 位于 c之上的部分下边带 位于 c之下的部分 4 解调原理解调也叫检波 其作用就是从接收到的已调波中无失真地恢复出调制信号 调幅信号的解调技术可大致分为两类 相关解调和非相关解调 相关解调 又称同步检波 需要在接收端知道发射载波的频率和相位 恢复相干载波以用于与接收的已调信号相乘 其中乘机检波器也叫鉴相器 是将输入的带通信号变为基带信号的下变频电路 非相关解调 又称包络检波 即不需要知道有关的信息 它的输出信号与输入信号实际包络成正比 2 0 3复用1 复用的概念通常我们把在同一信道中能够同时传输多路信息的方式称为多路复用 2 两种复用方式频分复用和时分复用 所谓频分复用 FDM 是指按频率分割信号的方法 时分复用 TDM 则是指按时间分割的方法 TDM与FDM的差别在于 TDM是从时域的角度进行分析 使各路信号在时间上彼此分开 而在频域上彼此混叠在一起 FDM是从频域的角度进行分析 使各路信号在频率上彼此分开 而在时域上彼此混叠在一起 2 1微波与卫星通信中的调制 解调技术的特点和种类 2 1 1微波通信中的调制 解调技术的特点和种类 数字微波通信系统 用脉冲形式的基带序列对中频频率70MHz或140MHz进行调制后 再变换 只是进行频谱的直接搬移 不再进行调制处理 到微波频率 具有以下特点 调制信号的功率谱较窄 具有较高频谱效率 相对短波而言 具有较好的传输特性 数字微波的发展方向 既扩大容量 又不占用较大的信道带宽 采用多进制编码的调制方式 采用多载频的传输方式 从前在低速数字微波通信系统设备中 一个波道的发信机 或收信机 只使用一个载频 即射频 由于在数字微波通信中存在多径衰落 而且所采用的数字信号频谱又宽 因而如何将传输频谱变窄是惟一一种有效的方法 在SDH数字微波通信系统中 采用多进制编码的64QAM 正交幅度调制 128QAM 256QAM和512QAM调制方式 同时还采用多载频的传输方式 例如采用4个载频 使每个载频都用256QAM调制方式去传输100Mbit s信息 这样一个波道的4个载频同时传送 就可以传输4倍这样的信息 而其占用的频谱却与只用一个载频传输时所占用的频谱相当 同样对于1024QAM系统 一个波道可以使用更多载频 使数字微波朝着既扩大容量 又不占用较大的信道带宽方向发展 2 1 2卫星通信中的调制 解调技术的特点和运用种类在卫星通信系统中 既采用了模拟调制 也采用了数字调制 模拟调制 采用频率调制的目的是为了增加传输带宽 得到大的调制制度增益 有利于地球站接收机获得较高的载躁比 CNR 或给定CNR可以减少卫星转发器的功率 数字调制 综上所述 在卫星系统中 要求数字调制具有以下特点 不主张采用ASK技术 抗干扰性差 误码率高 选择尽可能少地占用射频频带 而又能高效利用有限频带资源 抗衰落和干扰性能强的调制技术 采用的调制信号的旁瓣应较小以减少相邻通道之间干扰 本章将针对上述叙述 首先讨论模拟调制 FM 然后讨论现代数字卫星通信所使用的各种调制方式 一部分为功率有效的调制技术 如四相相移键控 QPSK 偏置四相相移键控 OQPSK 和最小移频键控 MSK 另一部分为频谱有效的调制技术 如多电平幅度调制 MQAM 2 2频分复用与模拟信号的调制 2 2 1频分复用原理我们需要传送n个信号 每个信号的频谱限制在 m m 以内 我们将这几个信号分别调制在载波 c1 c2 cn上 为了不使各个频谱重叠 故每个载波与相邻载波之间至少要求相隔2 m 在接收端进行信息接收时各路信号应严格地限制在本信道通带之内 这样当信号经过带通滤波器之后就可提取出各自信道的已调波 然后通过解调器 低通滤波器之后 可获得原信号 频分复用系统中的主要问题在于各路信号之间存在相互干扰 这是由于系统非线性器件的影响使各路信号之间产生组合波 当其落入本波道通带之内时 就构成干扰 特别值得注意的是在信道传输中的非线性所造成的干扰是无法消除的 因而频分复用系统中对系统线性的要求很高 同时还必须合理地选择各路载波频率 并在各路载波频带之间增加保护带来减小干扰 2 2 2模拟信号的调制我们这里仅介绍常用的FDM FM 频分多路复用 调频 系统中的调频信号的产生与解调原理 1 调频信号的产生产生调频信号的方法有两种 一种是直接法 另一种是倍频法 直接法 用基带信号直接改变载波的频率 倍频法 是一种间接方法 先将基带信号积分 然后去实施窄带调频 因为窄带调相时 振荡器可以采用高稳定度的石英振荡器 从而提高了载频稳定度 它的定义是 然后再用倍频的方法将其变换成宽带信号 1 窄带调频 调频的概念频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化 任何一个余弦型的时间函数 如果它的振幅是不变的 则可用下式表示 由调频的概念可以得出已调频信号f t 与调制信号s t 之间的关系 即 通常将由调频引起的最大瞬时相位偏移远小于30 的情况称为窄带调频 此时近似有下列关系成立 并可采用图2 1中虚线部分所示的结构来实现窄带调频 如果设调制信号s t 的最高频率为Fm 相当于前面的 m 载波对频率为 c的载波进行调制以后 载波的频率会随着信号s t 的变化而变化 则变化的载波频率与标称频率 c的差值 称为频偏 用表示 2 倍频法实现宽带调频倍频器是一个非线性器件 其输入 输出端之间的关系为 2 3 2 调频信号的解调在图2 2中给出了调频信号的解调过程 只看虚线框及以后的部分 用于解调FM信号的电路成为鉴频器 它的输出电压与输入频偏成正比 鉴频器实质由一个起微分作用的微分器和一个包络检波器组成 限幅器起到保持中频载波包络恒定的作用 由式 2 3 可知微分器的输出为 可见这是一个调幅调频信号 当该信号经过包络检测器时 直流分量将被滤除 从而获得与s t 成正比的包络信息 然后再经过低通滤波器 将基带之外的高频分量滤除 在虚框之前的部分是进行从射频到中频的下变频变换 对应于发送端调制到中频后进行的从中频到射频的变换 与调频信号的解调无关 3 卫星通信中调频信号的调制与解调解调图 图2 2LNA 低噪声放大器 当信号在大气中传输时 由于某种因素的影响 会在有用信号中夹杂着噪声 这样当接收天线收到FM信号时 也接收到噪声信号 这些噪声信号同样经过低噪声放大器和下变频器变成中频频率 并同有用信号一起进入中频带通滤波器 如果该滤波器带宽选择合适就能够滤出带外噪声 低通滤波器 将基带之外的高频分量滤除 最后得到的是频分多路复用信号 4 频率调制信号系统的传输特性在卫星通信中信号首先被调制到中频 一般70MHz 然后利用上变频器将其变换到射频 只是频谱的简单搬移 最后由发射天线进行发射 当卫星转发器接收到此信号之后 将其转发到相应的地球站所对应的下行链路之中 并由接收地球站进行接收 下面就对此过程中的几个问题进行讨论 1 调频信号 频分多路复用信号 的带宽只要系统所提供的传输带宽 B 足以容纳调频波频谱能量的98 以上时 就可忽略信号失真的影响 我们把此时的带宽称为射频传输带宽 据分析资料显示 当调频指数mf 1时 载波和 mf 1 个边带所携带的能量占调频波总能量的98 以上 因此此时可认为传输带宽为 2 4 由于FDM信号的波形与热噪声的波形很相似 其峰值频偏对应于信号的峰值电压 而信号的峰值电压与峰值因数有关 所谓峰值因数 它是峰值电压与有效电压的比值 所以峰值频偏可表示为 2 6 式中 为测试音的有效频偏 它是指在多路电话信号的相对电平为0dB点传送1mW测试音信号时 频率调制器输出端所产生的有效值频偏 为负载因数 实际上是反映多路电话信号有效电压的参数 所以就表示了多路电话信号的有效值频偏 为多路信号的峰值因数 在卫星通信中其取值范围为 3 16 4 45 相当于10 13dB 2 调频解调器输出信噪比信噪比是衡量系统传输质量的一种重要参数 其数值上等于信号功率与噪声功率之比 进入接收端的接收功率用Si表示和噪声功率用Ni表示解调信噪比增益 解调器输出与输入信噪比之比 2 8 由上式可知 当输入端的信噪比一定时 所获得的输出端的信噪比越大 系统的解调信噪比增益越大 例如卫星系统中常取mf 5 那么此时解调信噪比增益达到450 例2 1 在采用FDM FM方式工作的卫星通信系统中 已知工作频率为6GHz 试计算一个载波传输252路电话信号时所需的传输带宽和信噪比增益 调频信号的传输带宽B设每一话路占4KHz的带宽 考虑到相邻话路之间留出5 的间隔 基带信号最高频率Fm 4 1 5 n 4 2 252 1058kHz 调频信号的传输带宽 2 3 16 2 82 577 1058 kHz 12 4MHz 式中取多路电话信号的峰值因数Fp 3 16 负载因数 2 82 测试音有效频偏 577kHz 通常考虑到卫星转发器设计时 给各载波都留有10 25 的保护带宽 卫星通信中的频分多址 故取B 15MHz 2 3时分复用与数字信号的调制与解调 2 3 1时分复用与数字调制1 TDM方式 时分复用 在数字通信中 信道中所传输的是数字信号 因而首先应按PCM或其他模拟信号数字化处理技术 将模拟的话音信号变换成数字信号 然后以时间分割信号的方法 使多路信号能够利用同一条信道进行独立的传输 这种方法就是时分复用 可见时分复用是利用不同的时隙来传送各路不同信号的 由于采用了TDM方式 因而也给系统提出了新的课题 这就是时钟同步问题 所谓同步是指接收端能够从所接收的数据中正确识别出各路信号 因此要求接收端有定时提取电路 2 数字调制 1 数字调制的概念及分类数字调制 当用以调制的信号是数字信号时 我们称这种调制为数字调制 在数字调制中仍然采用余弦波作为载波信号 由于余弦信号有幅度 相位和频率三种基本参量 因此可以构成数字调幅 数字调相和数字调频三种基本调制方式 如图2 3所示 数字调幅 以基带数字信号控制一个载波的幅度 称为数字调幅 又称幅移键控 简写为ASK 二进制幅移键控 基带信号是二进制信号 用2ASK表示 数字调相 以基带数字信号控制一个载波的相位 称为数字调相 又称相移键控 简写为PSK DPSK 相对调相 二进制相移键控用2PSK表示 数字调频 以基带数字信号控制一个载波的频率 称为数字调频 又称频移键控 简写为FSK 二进制频移键控用2FSK表示 2 功率谱特性研究数据序列频谱特性的目的是找出数据序列的能量分布特性 以便决定信道的频带特性 由于数据序列是随机的 即为随机信号序列 研究随机信号不能用傅立叶变换方法来确定其频谱 只能用随机信号的分析方法研究它的功率谱 从而揭示了信号的时域和频域的关系 2 3 2PSK我们将介绍2PSK 二进制移相键控 QPSK 四相移相键控 的调制原理及它们的几种改进形式 1 绝对调相和相对调相绝对调相是利用载波信号的不同相位去传输数字信号的 1 和 0 码 其变换规则是 数据信号的 1 对应于已调信号的0 相位 数据信号的 0 对应于已调信号的180 相位 如图2 5 b 所示 或反之 图中的0 和180 是以未调载波0 作参考相位的 相对调相是利用载波信号相位的相对关系表示数字信号的 1 和 0 码 其变换规则是 数据信号的 1 使已调信号的相位变化180 相位 数据信号的 0 使已调信号的相位变化0 相位 如图2 5 c 所示 或反之 图中的0 和180 的变化是相对于已调信号的前一码元的相位 或者说 这里的变化是以已调信号的前一码元相位作参考相位的 2 调相信号的产生与解调 1 绝对调相 2PSK 信号的产生与解调 调制 其产生方法有直接调相法和相位选择法两种 如图2 6所示 直接调相法 图a 就是采用大家所熟悉的环行调制器 平衡调制器 产生调制信号的方法 这时 注意作为控制开关用的基带信号应是双极性脉冲 即把原 1 码变为 1电位 把 0 码变为 1电位 这只要加上直流移位电压即可做到 图2 6 a 移相的原理是 当基带信号为 1 时 上 下两个二极管导通 根据变压器同名端 图中 者为同名端 的原理 此时输出端载波的初始相位与输入端相同 当基带信号为 1 时 中间两个二极管导通 上 下两个二极管截止 此时输出端载波的初始相位与输入端反相 从而达到了移位的目的 图2 6 b 是相位选择法的方案图 首先发出载波 其相位为0 再经倒相器将载波移相 从而准备了具有0相位和 相位的两种载波信号 基带信号中的 1 码控制 相乘 0相位载波信号再输出 0 码 通过基带码倒相器变为 1 码 控制 相乘 相位载波信号再输出 从而获得了绝对移相的已调信号 解调 相干解调方式 需要在接收端知道发射载波的频率和相位 恢复相干载波以用于与接收的已调信号相乘 由于2PSK信号中无载波频率分量 所以无法从接收的已调信号中直接提取相干载波 一般采用倍频 分频法 下面介绍一种可解调2PSK信号的相干检测法 又称为极性比较法 电路原理方框图见图2 7 a 将输入2PSK信号s t 作全波整流 使整流后的信号中含有2fc频率的周期波 再利用窄带滤波器取出2fc频率的周期信号 再经限幅 二分频电路得到载波fc 最后经过相乘器再经低通滤波进行相干解调即可得输出基带信号 图中的低通滤波器常指积分器 这种2PSK信号的解调存在一个问题 即2分频器电路输出存在相位不定性或称相位模糊问题 当二分频器电路输出的相位不定时 相干解调的输出基带信号就会存在0或1倒相现象 这就是2PSK方式不能直接应用的原因所在 解决这一问题的方法就是采用相对调相 即2DPSK方式 2 相对调相信号的产生与解调 调制 根据前面的知识点可知 2DPSK信号与2PSK信号之间存在着内在的联系 只要将输入的基带数据序列变换成相对序列 即差分码序列 然后用相对序列去进行绝对调相 便可得到2DPSK信号 如图2 8 a 所示 设an Dn 分别表示绝对码序列和差分码序列 其相应关系为 2 9 式中 为模2加 按上式计算时 初始值Dn 1可以任意假定 按式 2 9 应有 当an 1时 Dn Dn 1 当an 0时 Dn Dn 1 例如 上例中的两个Dn序列都可以作为差分码序列 不管用哪一个序列 最后的结果都是一样的 解调 2DPSK的解调有两种方法 极性比较法和相位比较法 图2 8 b 所示是极性比较法的实现原理框图 极性比较法是对2DPSK信号先进行2PSK解调 然后用码变换器将差分码变为绝对码 在进行2PSK解调时 可能会出现 1 0 倒相现象 但由差分码变换为绝对码后的码序列是唯一的 即与倒相无关 接收端码变换器的功能是完成Dn an 由式 2 9 运算 应有 2 10 可见不论倒相与否 Dn与Dn 1总是相与的关系 2DPSK信号的另一种解调方法是相位比较 又称差分相干解调法 3 PSK 1 多相调相的概念即用多种相位或相位差来表示数字数据信息 如果把输入二进制数据的每k比特变成一组 则构成所谓的k比特码元 每一个k比特码元都有2k种不同状态 因而必须用M 2k种不同相位或相位差来表示 称为M相调相 即用一种相位去携带一组二进制信息码 如图2 9 b c 所示 四相调相 既可以表示为QPSK 也可以表示为4PSK 它是用载波的四种不同相位来表征传送的数据信息 如图2 9 b 所示 在QPSK调制中 首先对输入的二进制串数据按二位数字编成一组 我们把由两个二进制码组成的码元称为双比特码元 其组合共有22种 00 01 10 11 即有22 4种不同状态 故可以用M 22 4种不同相位或相位差来表示 这里M 22 4 故称为四相调相 八相调制方式时 在一个码元时间内可传送3位码 其组合共有23种 即有23种不同状态 000 001 010 011 100 101 110 111 故可以用M 23种不同相位或相位差来表示 这里M 23 8 故称为八相调相 采用多相调制的级数愈多 系统的传输速率愈高 但相邻载波之间的相位差愈小 接收时要区分它们的困难程度就愈大 将使误码率增加 2 四相调制的两种调相关系四相调制相是用载波 连续波 的四种相位 起始相位 与两位二进制信息码 双比特码 的组合 00 01 11 10 对应 其中两位二进制信息码 前一位信息比特用A代表 后一位信息比特用B代表 用AB表示双比特码 且相邻双比特码之间 只有一位不同 这种排列关系叫格雷码 也叫循环码 在多相调制信号进行解调时 这种码型有利于减少相邻相位误判而造成的误码 可提高数字信号频带传输的可靠性 若在载波的一个周期 2 内均匀地分成四种相位 可有两种方式 即 0 2 3 2 和 4 3 4 5 4 7 4 两种 故四相调相电路与这两种方式对应 就有 2调相系统和 4调相系统之分 两个系统双比特码与已调波起始相位的对应关系示于表2 1 根据表2 1的相位关系 可画出四相调相已调波在两种调相系统中的矢量图 分别示于图2 10的 a b 图2 10 c d 是两种调相系统已调波的起始相位点位置的示意图 3 四相调相的方式四相调相也有绝对调相和相对调相两种方式 分别记作4PSK和4DPSK 绝对调相的载波起始相位与双比特码之间有一种固定的对应关系 相对调相的载波起始相位与双比特码之间就没有固定的对应关系 它是以前一时刻双比特码对应的相对调相的载波相位为参考而确定的 4 QPSK信号的产生与解调 调制 四相调相的电路有很多种 常见的有正交调制法和相位选择法 其中正交调制法使用得最为普遍 图2 12 a 就是用这种方法产生4PSK信号的原理图 用串 并变换电路将输入的二进制序列依次分为两个并行的序列 每一对AB即为一个双比特码元 双极性A和B数据脉冲分别经过平衡调制器 对载波和与之正交的载波进行二相调相 其中上 下通路就是2PSK的直接调相法 其中平衡调制器即环行调制器 基带信号应是双极性脉冲 上通路中 载波相位为0当A信号为 1 时 此时输出端载波的初始相位与输入端相同 0 当基带信号为 1 时 输出端载波的初始相位与输入端反相 下通路中 载波相位变化 2 当B信号为 1 时 此时输出端载波的初始相位与输入端相同 2 当基带信号为 1 时 输出端载波的初始相位与输入端反相 3 2 图2 13 a 所示四相信号的矢量表示图中虚线向量表示两路相位关系 将两路输出叠加 即得图2 13 a 中的实线向量 可见一个4PSK信号可以看作两种载波正交的2PSK信号的合成 注意 我们知道AB二码元的组合有00 01 11和10四种 当序列由00到01 然后到11 再到10 最后回到00的过程 其相位路径是沿正方形边界变化 只有两个码同时出现改变时 相位路径将沿对角线变化 即过原点 如图2 13 b 所示 解调 由于一个4PSK信号可以看作两种正交的2PSK信号的合成 所以 它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调 前面已经指出 2PSK的解调方法采用相干解调方式 因此4PSK就要用两个正交的相干载波分别来解调两个分量A和B 因此图2 12 b 中 上 下两个支路分别是2PSK信号解调器 它们分别用来检测双比特码元中的A和B码元 然后通过并 串变换电路还原为串行数据信息 4 OQPSK 1 OQPSK offset 偏移量 信号OQPSK称为参差 偏移 四相移相键控 它是在QPSK基础之上发展起来的 从QPSK的相位矢量图 图2 13 中可以看出 当两位码同时变化时 QPSK信号的相位矢量必将经过原点 这意味着QPSK信号经过滤波器后 其包络将在相位矢量过原点时为0 此时没有信号 如图2 16所示 可见此时包络起伏性最大 如果再加上卫星信道的非线性及AM PM效应的影响 那么这种包络的起伏性将转化为相位的变化 从而给系统引入了相位噪声 严重时会影响系统通信质量 因此应尽可能地使调制后的波形具有等幅包络特性 OQPSK正是在此思路的基础之上发展起来的 由于在QPSK调制中只是当A和B路的符号同时发生变化时 相位路径才会通过原点 因而如果人为地让A与B支路间存在一定的时延 那么将使两个支路的跳变时刻彼此错开 先变A再变B 从而避免相位路径过原点的现象 再也就彻底地消除了滤波后信号包络过零点的情况 此时OQPSK的相位矢量变化将如图2 17所示 2 OQPSK信号的产生与解调 调制 在图2 18中给出OQPSK调制解调器的原理示意图 在与图2 12的QPSK调制解调进行比较后 我们可以得出这样的结论 这就是它们之间的区别仅仅在于OQPSK调制解调器的B支路增加了一个延时器 所延时的时间Tb为符号间隔的一半 即 本图中即延时1bit 即同相和正交载波进行调制的两路二进制码序列 在时间上错开半个码长 所以称这种调相方式为偏移四相移相键控 解调 OQPSK信号的相干解调原理也与QPSK的相干解调原理相同 同样存在相位模糊问题 通过加入差分编码器解决 而且由A和B支路的彼此独立性决定了OQPSK的相干解调误码性能也与QPSK相同 2 3 3QAMQAM是正交幅度调制的英文缩写 又称正交双边带调制 它是将两路独立的基带波形分别对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制 所得到的两路已调信号再进行矢量相加 这个过程就是正交幅度调制 可见这是一种既调幅又调相的调制方式 它广泛地使用在微波通信 个别卫星通信设备也采用此调制方式 中 这是一种频谱有效的数字调制 下面我们首先从二电平的数字调幅 2ASK 开始介绍 1 2ASK信号2ASK信号的产生ASK 数字调幅 又称幅移鉴控 是指载波幅度随基带数据信号变化的调制方式 2ASK是一种最简单的数字调幅方式 基带信号是二进制数字信号 图2 19是数字调幅系统基本构成框图 这里的调制信号是经过基带形成的数据序列 图中的调制解调器实际上就是一个乘法器 二进制数字信号调幅可有两种情况 一是调制信号为单极性脉冲序列 其调制信号和已调ASK信号波形如图2 20 a 所示 另一种是调制信号为双极性脉冲序列 其调制信号和已调ASK信号波形如图2 20 b 所示 2 QAM正交调幅 QAM 可以视为多相相移键控 MPSK 的引申 多相相移键控都是利用正交信号来合成 两个正交信号分别代表两个分开的通道 一般把上边的通道叫A通道 或I通道 下边的通道叫B通道 或Q通道 两通道的基带电平是以输入比特按一定规律分配的 因此两通道基带电平并非独立 然而当输入信号序列分成两路之后 两个正交通道上的调制与解调过程却是彼此无关的 但是正交调幅 QAM 的两路基带信号是彼此独立无关产生的 所以由这两路通道合成的信号相位 幅度都是变化的 由调相的原理知道 增加载波调相的相位数 可以提高信息传输速率 即增加信道的传输容量 但是单纯靠增加相数 一则使设备复杂化 再则误码率也随之增加 于是提出了具有较好性能的正交调幅方式 由于多进制调相方法的已调波其包络是等幅 恒定 的 故限制了两个正交通道上的电平组合 当正交系数为cos k sin k时 其多相调相已调波的幅度符合 换句话说 已调波矢量的端点都被限制在一个圆上 QAM调制方法与其不同 它的已调波可由每个正交通道上的调幅信号任意组合 其已调波的矢量端点当然就不被限制在一个圆上 故QAM调制是既调幅又调相的一种方式 见图2 21左图所示 由16PSK和16QAM已调波矢量端点的星座图可明显看出 16QAM的16个已调波矢量端点不在一个圆上 点间距离较远 解调时 区分相邻已调波矢量容易 故误码率低 与相同点数的PSK相比 当把坐标原点与各矢量端点连线 可看出各已调波矢量的相位和幅度均有变化 所以说QAM方式的载波是既调幅又调相的 1 4QAM的正交调制法4QAM正交调幅信号的产生电路如图2 23所示 其相位与4PSK相同 A路的 1 对应于0 相位 A路的 0 则对应于180 相位 而B路的载波与A路相差90 则B路的 1 对应于90 相位 B路的 0 对应于270 相位 A B两路调制输出经合成电路合成 则输出信号可有四种不同相位 各代表一组AB的组合 即AB二元码组 AB二元码共有四种组合 即00 01 11 10 这四种组合所对应的相位矢量关系如图2 23 a 右部所示 上面我们是用矢量表示QAM信号 如果只画出矢量端点 则如图2 23 b 所示 称为QAM的星座表示 如星座图上有四个星点 则称为4QAM 从星座图上很容易看出 A路的 1 码位于星座图的右侧 0 码在左侧 而B路的 1 码则在上侧 而 0 码在下侧 星座图上各信号点之间的距离越大抗误码能力越强 2 16QAM的正交调制法 调制 图2 22表示了16QAM正交调制法的调制解调原理图 我们首先来分析其调制原理 信息速率为fB的基带数字序列经串 并变换后 在两个正交支路I Q中都变成两个二进制码 其码元速率为fB 2 在A B每个支路中 2 4电平变换是按格雷码规律进行的 四电平与二电平码组的对应关系如下表 可见2 4电平变换电路相当于又一次串 并变换 而使每个支路具有四电平信号 故码速又降低了一半为fB 4 经预滤波限带后 送入相乘器进行抑制载波的双边带调幅 DSB SC 相乘器输出即为抑制载波的四电平调幅信号 同相支路和正交支路的四电平调幅信号在合成器中进行矢量相加 经滤波放大后 即可输出16QAM已调波 由于有两个正交支路I Q I路相位为00和1800 Q路相位为900和2700 每一路都有4个幅度 3d d d 3d 所以I Q支路合成后便成为已调的16QAM 其空间星位图如图2 24所示 上面有16个点 相当于每个坐标轴4个点 共有 同理 将二路八电平码分别送到A B调制器 可得64点 8 8 64 星座图 称为64QAM 更进一步还有256QAM 16 16 64 等 解调 16QAM相干解调器电路的原理方框图示于图2 22 b 其结构与多相PSK解调器类似 为了将相乘器 解调器 输出的四电平信号变成二进制码 在同相支路和正交支路各设置了三个阈值比较器 因为有4个幅度 当四电平的某电压值超过某阈值时 则该比较器的输出为高电平 不到最小阈值时 比较器输出为最低电平 三个阈值比较器的输出并行送入逻辑电路 逻辑电路根据输入的不同阈值等级 处理成相应的双比特二电平码 完成4 2电平便换 同相和正交支路的fB 2码流 双比特码元 再经过并 串变换 就可恢复发端速率为fB的基带码 2 3 4MSK GMSKFSK称为数字调频 又称频移键控 它是指载波频率随基带数据信号而变化的一种调制方式 MSK是FSK的一种特例 MSK称为最小频移键控 它是一种恒定包络的调制方式 它是一种功率有效的调制方式 前面讲的功率有效的调制方式OQPSK调制方式消除了1800的载波相位变化 使它在功率和频带利用方面都优于QPSK 但是却并没有在根本上消除码元间存在的载波相位跃变 MSK缓和了码间相位跃变 降低了频带要求 其主要特点是相邻两码元转换时 载波相位是连续的 频移等于码元速率的1 4 实现自同步比较简单 其抗非线性的性能要优于QPSK 甚至优于后面将介绍的 4 QPSK 它的带外辐射要比QPSK的带外辐射低 此外为了进一步减小带外辐射 因此在MSK的基础上研究了几种改进型 下面逐一地进行介绍 1 2FSK2FSK是二进制的移频键控 它是用二进制数字信号来控制载波频率 当传送 1 码时输出频率f1 当传送 0 码时输出频率f0 根据前后码元载波相位是否连续 数字调频又可分为相位不连续的移频键控和相位连续的移频键控 图2 25给出了初相为0 相位连续的2FSK信号波形 由图可见 一个相位不连续的2FSK信号 可以看作是载波频率f1和f0的两个2ASK信号的复合 可利用2ASK信号的功率谱密度求得相位不连续的2FSK信号的功率谱密度 相位连续的2FSK信号的功率谱密度也是如此 如图2 4 c 所示 图中h为调制指数 它是调频系统的一个重要系数 它与数据调制信号速率fb 1 Tb 有关 具体关系为 由图可以看出 2FSK信号的功率谱密度由两个双边带谱叠加而成 若两个载波频率之差较小 如小于数据调制信号速率fb 则连续谱呈现单峰 如两个载波频率之差较大 会出现双峰 2 最小频移键控MSKPSK QAM等调制方式具有相位突变的特点 因而影响已调信号高频分量的衰减 连续相位的移频键控是在传统的频率调制技术的基础上发展起来的 种调制方式 在连续相位的移频键控的基础上发展了最小移频键控的调制方式 即MSK方式 MSK方式在功率利用率和频带利用率上均优于2PSK 因此MSK调制方式已广泛运用于地面移动通信和卫星移动通信领域 1 MSK信号最小移频键控MSK是相位连续2FSK的一个特例 MSK又称快速移频键控FFSK 它的特点是 能以最小的调制指数 h 0 5 获得正交信号 按调频指数的定义 应有 即 这时 两个频率差是最小的 且保持两个频率正交 两个频率的相关系数为零 因为MSK信号所选择的两个信号频率f1和f0在一个码元期间的相位积累严格地相差180 所以有2 f1 f0 b m 令m取最小值 1 则f1 f0 1 2 b 这正是MSK信号所要求的频率间隔 能使相差半个周期的正弦波产生最大的相位差 MSK信号所选择的两个信号频率f1和f0在一个码元期间的相位积累严格地相差180 即f1和f0信号的波形在一个码元期间恰好差半个周期 可以由下面的公式证明 那么成立 已调信号的相位路径是连续的 这一点可以从其相位矢量图 如图2 26 中看出 如果输入码元为 0 时的对应波形为 1 而输入码元为 1 时的对应波形为 1 那么由图可见 输入 0 码元时 相位将增加 2 而当输入 1 码元时 则相位将减小 2 在图2 27中画出了一个已知输入序列的相位矢量图 可以看出在所获得的相应MSK信号中不存在相位突变的现象 MSK已调波 h 0 5的调频波 在第K个码元时间内的波形可以表示成 2 MSK信号的产生与解调 调制 按上述概念 将 2 16 2 16 式代入到 a 式 MSK信号可写成 其中Ik Qk是与ak ak 1 设bk ak ak 1 即bk是ak差分编码的相对码 有关的值 并且经分析得知相对码的奇数位赋于Ik 偶数位赋于Qk 所以Ik和Qk时间上相差Tb 2 因为经过了串 并变换 可见 MSK本来是从FSK引申出来的 但经过正交展开后 又可视为是OQPSK的推广 按式 2 17 的形式 可作出MSK信号产生框图 如图2 28所示 首先对输入序列 进行差分编码 得到它的相对码 bk 再经过串 并变换 并使同相 I 与正交 Q 通道相互偏移Tb 2 再分别进行加权 然后分别对正交载波cos 0t和sin 0t进行调制 最后得到两路信号线性相加后的合成波 而每个码元间隔内合成波的振幅为常数 解调 MSK信号解调框图 如图2 28 b 所示 3 GMSK在邻道间隔很小的场合 例如在移动通信以及卫星移动通信系统中要求邻道干扰小于 60 70dB 尽管MSK信号的功率谱特性比QPSK信号有所改善 但仍不能满足要求 为了进一步改善已调信号的功率谱特性 就必须采用GMSK GMSK是在MSK之前加上一个高斯滤波器 如图2 29所示 这个滤波器是用来抑制旁瓣输出的 因此要求该滤波器要具有下列特性 1 带宽窄 可抑制高频分量 具有陡峭的截止特性 2 冲击响应的过冲较小 可以避免出现过大的瞬时频偏 3 滤波器输出脉冲的面积保持恒定 即保证调制指数h 0 5 这样当调制信号 基带数据信号 经过高斯滤波器和MSK调制器之后 就可获得恒包络的GMSK信号 而且可以正交展开 它的相位路径在MSK的基础上进一步得到的改善 但同样也引出了新的问题 GMSK的性能与高斯滤波器 也是低通滤波器 的特性紧密相关 设高斯滤波器的3dB带宽为B 它与码速率fb的比值是低通滤波器的重要参数