第二章-调制解调

1、1 第二章 调制解调移动通信电子工程系李明2一、概述调制：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。调制过程发生在通信系统的发送端。解调：在接收端将已调信号还原成要传输的原始信号。移动通信电子工程系李明3移动通信信道的基本特征：带宽有限干扰和噪声影响大多径衰落移动通信电子工程系李明4适合移动通信的信号必须是：具有高的频谱利用率具有较强的抗干扰、抗衰落的能力移动通信电子工程系李明5高频谱利用率要求已调信号频谱能量集中，所占的带宽窄，避免辐射到相邻频道的功率过大。高的抗干扰和抗多径性能指的是在恶劣的信道环境下，经过调制解调后的输出信号的信噪比较大或者误码率较低。移动通信电子工程系李明6

2、二、数字频率调制MSK (Minimum Frequency Shift Keying)最小频移键控，一种特殊形式的FSK，其频差是满足两个频率相互正交(即相关函数等于0)的最小频差，并要求FSK信号的相位连续。 5 . 01bTfhbTfff2112其频差为，即调制指数为式中，Tb为输入数据流的码元宽度。移动通信电子工程系李明7MSK信号的特点：.MSK信号是恒定包络信号；.在码元转换时刻，信号的相位是连续的，以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内线性地变化；.在一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数倍，相应的调制指数为0.5。2移动通信电子工程系李明8MSK的信号表达式为式中

3、， 是为了保证t=kTb时相位连续而加入的相位常量。令 k = ct+k kTbt(k+1)Tb 式中，2cos)(kkcxtaTttSbkxkkbkxtaT2移动通信电子工程系李明9相位连续时 k-1(kTb) = k(kTb) 2)(11kaaxxkkkk可得：对于给定的输入序列ak，MSK的相位轨迹是：3/ 201 1 1 1 1 1 1 1 1Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7Tb8Tb9Tb0akxk (t)t/ 2/ 23/ 225/ 23233344图MSK的相位轨迹/20-/2-3/2-2Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7Tb8Tb9Tb (t)t223/2图MSK可能的相

4、位轨迹移动通信电子工程系李明12GMSK (Gaussian Minimum Frequency Shift Keying)高斯最小频移键控，通过在FM调制器前加入高斯低通滤波器(又称为预调制滤波器)而实现的。移动通信电子工程系李明13高斯滤波器应具有的特性：.带宽窄并且具有陡峭的截止特性(便于抑制高频分量).脉冲响应的过冲较小(防止过大的瞬时频移).保持滤波器输出脉冲面积(对应/2相移)不变，以利于采用相干检测图GMSK信号产生原理高斯低通滤波器频率调制器(VCO)NRZ信号GMSK已调信号移动通信电子工程系李明15GMSK的信号表达式dTnTgaTttStbbnbc22cos)(式中an为

5、输入数据。移动通信电子工程系李明16相对于MSK来说：GMSK的相位路径要光滑，消除了MSK相位路径在码元转换时刻的相位转折点。2另外，GMSK信号在一个码元周期内的相位增量，不是固定为，而是随着输入序列的不同而不同，精确程度更高。图GMSK的相位轨迹0 / 2 / 2(t)MSKGMSKt / Tb12345678图GMSK的功率谱密度Bb：高斯低通滤波器的归一化3 dB带宽Tb：码元宽度BbTb值越小，功率谱密度越紧凑。00.51.01.52.02.5f Tb (f 为信道间隔)1201008060402001.0BbTb(MSK)0.50.40.30.250.20.16邻道干扰 / dB

6、0.7移动通信电子工程系李明19BbTb越小频谱越集中。当参变量时，GMSK的功率谱即可满足GSM的要求。3 . 0bbTB移动通信电子工程系李明20三、数字相位调制PSK (Phase Shift Keying) 相移键控调制，是一种角调制方式，用于调制的离散信号的每一种特征状态，都用周期性正弦振荡的一个规定相位来代表。如：用二进制符号1来对应载波0相位；符号0对应于载波相位。输入信号PSK图PSK波形图移动通信电子工程系李明22QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)正交(四相)相移键控调制，利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息。相位逻辑：在QPSK

7、中双比特码元与四种相位之间的一一对应的逻辑关系相位逻辑分为循环码(格雷码)相位逻辑和自然码相位逻辑两类。图QPSK信号的产生图QPSK信号功率谱QPSK移动通信电子工程系李明25OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying)偏移四相相移键控，与QPSK调制类似，不同之处是在正交支路引入了半个码元的时延，使得两个支路的数据不会同时发生变化，因而不会产生180相位跳变。图OQPSK信号的产生+1+10-1-1Q(a)(b)+1+10-1-1QII图 QPSK和OQPSK信号的星座图(a) QPSK； (b) OQPSK 移动通信电子工程系李明28OQPSK

8、调制比QPSK调制更优，不同之处是在正交支路引入了半个码元的时延，使得两个支路的数据不会同时发生变化，不会发生QPSK中的相位跳变，仅仅能产生/2的相位跳变。？移动通信电子工程系李明29/4-DQPSK (/4-Differential QPSK)正交差分移相键控调制，线性调制方式，具有较高的频谱利用率，但是其包络不恒定。它的最大相位跳变值介于QPSK和OQPSK之间，为135。/4-DQPSK有比QPSK更小的包络波动和比GMSK更高的频谱利用率在多径扩展和衰落的情况下，/4-DQPSK比QPSK的性能更好图 /4-DQPSK信号的产生串 / 并变换sinctLPFcosctLPF放大输入数

9、据差分相位编码SISQUkVk / 4-DPSK信号IkQk移动通信电子工程系李明31/4-DQPSK的基本关系式式中，是当前码元的相位跳变量，由差分相位编码器的输入码组、 决定。kkkkkkkkkkIQQQIIsincossincos1111kISQS表 /4-DQPSK的相位跳变规则图 /4-DQPSK的相位关系(1, 0)(1, 0)I(0, 1)(0, 1)oQ)2/1 ,2/1 ()2/1 ,2/1 ()2/1 ,2/1 ()2/1 ,2/1 (移动通信电子工程系李明34四、QAM (Quadrature Amplitude Modulation)正交振幅调制，是用两个独立的基带数字

10、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，利用这种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。移动通信电子工程系李明35一般表达式为：式中，Ts为码元宽度。m=1, 2, , M；M为Am和Bm的电平数。tBtAtycmcmsincos)(sTt 0预调制LPFsin(ct)cos(ct)y(t)已调信号输出预调制LPF2到L电平变换2到L电平变换串并变换AmBm+(a)L到2电平变换并串变换L到2电平变换多电平判决定时恢复多电平判决LPFLPF载波恢复(b)图 QAM调制解调原理框图(a) QAM调制框图； (b) QAM解调框图 图方型QAM的星座图(a)

11、4QAM (b) 16QAM (c) 64QAM(c)(b)dmem(a)dmememdm图 2 星型QAM的星座图(a) 4QAM (b) 16QAM (c) 64QAM移动通信电子工程系李明39星型QAM比方型QAM性能更佳：星型16QAM振幅值比方型16QAM的振幅值要少一种星型16QAM的相位值比方型16QAM的相位值要少四种图方型16QAM和星形16QAM星座图的比较移动通信电子工程系李明41五、扩频调制SS (Spread Spectrum)扩频通信是利用自相关性非常强而互相关性弱的周期性码序列作为地址码，对被用户信息调制过的载波进行再次调制，使其频谱大为展宽(扩频调制)；在接收端

12、以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性差异对收到的所有信号进行鉴别，从中将与本地地址码完全一致的宽带信号还原成窄带信号而选出，其他与本地地址码无关的信号则仍保持或扩展为宽带信号而滤去(相关检测或扩频解调)。 移动通信电子工程系李明42优势：扩频可以将信号隐藏在大量的背景噪声下，使它难以被检测出扩频还能降低ISI和窄带干扰扩频使得多个用户可以分享相同的信号带宽(扩频中信号间可以相互重叠，而且解调后的信号之间的干扰可以很小)和RAKE接收机一起使用，可以有效地对抗多径衰落移动通信电子工程系李明43在忽视噪声(Noise)影响的条件下，仅考虑干扰(Interference)时MNEESIRjsSI

13、R (Signal-to-Interference)为式中，Es是发送信号所需能量；Ej是随信号而来的干扰能量；N是扩频后占用的带宽；M是扩频前占用的带宽；NM。移动通信电子工程系李明44扩频后(信号输出)和扩频前(信号输入)的信噪比的差异为Gp=N/MGp被称为处理增益，它体现了扩频系统信噪比改善的程度。移动通信电子工程系李明45扩频调制.系统模型发送端发送端输入的信息经过信息调制形成数字信号；用扩频码发生器产生的扩频码序列调制数字信号，展宽信号的频谱；射频功率放大送到天线上发送出去；移动通信电子工程系李明46接收端信号经过电路、高频放大器后送入到变频器，产生中频信号；用本地产生的与发送端完

14、全相同的扩频码解扩；信息解调，恢复信号。信息调制信息扩频调制扩频码发生器射频调制射频发生器信息解调信息扩频解调本地扩频码发生器变频本地射频发生器图扩频通信原理框图移动通信电子工程系李明48目前的扩频通信系统有：直接序列扩频、跳频、跳时、线性调频等。移动通信电子工程系李明49.DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)直接序列扩频，指的是直接使用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱；在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。移动通信电子工程系李明50调制后的信号s(t)和一个宽带扩频信号或扩频码sc(t)相乘，sc(t)

15、在一段时间Tc中是常数，并且振幅是1或-1。扩频码比特一般被看作为码片(chip)，1/Tc被称为码片速率。图直扩通信系统中的扩频和解扩图扩频中窄带干扰的消除忽略噪声时移动通信电子工程系李明53.FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)跳频扩频，使调制后的信号在一定的带宽中通过改变符合一个扩频码sc(t)的载波频率跳跃变化。在发送端，使用一台可以通过码片序列确定调制载波频率的频率合成器产生信号；在接收端，使用类似的频率合成器和码片序列进行解调。图跳频原理图图跳频示意图移动通信电子工程系李明56慢跳频(SFH)：如果两跳之间的时间间隔Tc超过了一个符号时间

16、，Tc=kTs，其中k为正整数。快跳频(FFH)：在一个符号期间载波变化了多次， Tc=Ts/k，其中k为正整数。移动通信电子工程系李明57慢跳频系统中，干扰被分散在数个符号上，因此 使 用 交 织 编 码 可 以 避 免 在 单 个 码 字(codeword)上同时产生太多的差错。快跳频系统中，每个符号都具有多种频率，因此可以保护符号，对抗窄带干扰和频率选择性衰落。移动通信电子工程系李明58伪随机(PN)序列.相关性伪随机码：用来逼近真正的随机噪声的性能一种周期性的脉冲信号(码序列)。互相关性：任意两个信号间的差异性，用互相关函数表征。差异越大，信号相互之间越不容易发生干扰，不会发生误判。自

17、相关性：一个信号与其自身延迟后信号之间的相似性，用自相关系数表征。移动通信电子工程系李明59式中，f(t)和g(t-)代表两个不同的信号。如果以上表达式的结果为0，则表明它们之间的互相关性为0，互为正交。通常希望两个信号的互相关性越小越好，则它们越容易区分，且相互间干扰也小。2/2/)()(lim)(TTTadttgtfR移动通信电子工程系李明60.码序列的自相关码序列A和码序列B (由码序列A位移若干比特所得)只有完全相同时，自相关系数达到最大，等于1。PDADADA)(对于二进制序列，其自相关系数可表示为：式中，A是相对应码元相同的数目，D是相对应码元不同的数目，P是码序列周期长度。图自相

18、关系数为-1/15移动通信电子工程系李明62.码序列的互相关在CDMA中，任意两个信号必须保持正交或准正交，即它们的互相关性为零或很小。不同的用户应选用自相关性强而互相关性弱的周期性码序列作为地址码。1010111111001001图码长为的组正交码的波形移动通信电子工程系李明64六、OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交频分复用，将频域内将给定信道分成许多个正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。对需要传输的数据，先进行串并变换，将并行信号分别进行调制并合并成一个OFDM符号。特点：各子载波相互正交，扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减少了载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。OFDM系统可以很好地对抗频率选择性衰落。移动通信电子工程系李明65OFDM和相关带宽的关系相关带宽：指的是信道在两个频移处的频率响应保持强相关时的最大频率差。传输带宽小于相关带宽，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦；大于相关带宽，信号的相关性变差，信道呈频率选择性衰落。图OFDM示意图图FDM与OFDM带宽利用率的比较移动通信电子工程系李明68OFDM信号可以用复数形式表示为tjMmmmOFDMetdtS)()(10式中， ，为第m个子载波角频率，dm(t)为第个m子载波上的复数信号