第3章第1讲调制解调

1、第第3 3章章 3.1 3.1 调制解调调制解调概述概述3.1数字相位调制数字相位调制3.2正交振幅调制正交振幅调制3.3 概述概述 调制调制是在发送端把要传输的模拟信是在发送端把要传输的模拟信号或数字信号（信源信号或基带信号）号或数字信号（信源信号或基带信号）变换成适合信道传输的高频信号（带通变换成适合信道传输的高频信号（带通信号）的过程。信号）的过程。 信源信号或基带信号称为调制信号信源信号或基带信号称为调制信号 调制完成后的带通信号称为已调信号。调制完成后的带通信号称为已调信号。 解调是调制的反过程，在接收端将已调解调是调制的反过程，在接收端将已调信号还原成要传输的原始信号。信号还原成要

2、传输的原始信号。 按照调制信号的形式，调制可分为按照调制信号的形式，调制可分为模拟调制（或连续调制）和数字调制。模拟调制（或连续调制）和数字调制。 图图3-1 调制分类调制分类 模拟调制指利用输入的模拟信号直接模拟调制指利用输入的模拟信号直接调制（或改变）载波（正弦波）的振幅、调制（或改变）载波（正弦波）的振幅、频率或相位，从而得到调幅（频率或相位，从而得到调幅（AM）、调）、调频（频（FM）或调相（）或调相（PM）信号。）信号。 数字调制指利用数字信号来控制载数字调制指利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。波的振幅、频率或相位。 主要用于主要用于2G、3G及未来的系统中。及未来的系统中。

3、 数字调制主要分为两类：幅度数字调制主要分为两类：幅度/相位相位调制和频率调制。调制和频率调制。 频率调制用非线性方法产生，其信频率调制用非线性方法产生，其信号包络一般是恒定的，因此称为恒包络号包络一般是恒定的，因此称为恒包络调制或非线性调制。调制或非线性调制。 幅度幅度/相位调制也称为线性调制。相位调制也称为线性调制。 移动系统选择具体的调制方式时，移动系统选择具体的调制方式时，需要综合考虑以下几点。需要综合考虑以下几点。 （1）高传输效率。）高传输效率。 （2）高频带利用率（最小占用带宽）。）高频带利用率（最小占用带宽）。 （3）高功率效率（最小发送功率）。）高功率效率（最小发送功率）。

4、（4）对信道影响的抵抗能力（最小误比）对信道影响的抵抗能力（最小误比特率）。特率）。n各种数字移动通信系统中的调制技术各种数字移动通信系统中的调制技术3.1.1 3.1.1 数字相位调制数字相位调制一一 、二进制相移键控二进制相移键控 二进制相移键控是利用载波振荡的相位二进制相移键控是利用载波振荡的相位变化来传递消息，它分为绝对调相和相对调变化来传递消息，它分为绝对调相和相对调相两种方式。相两种方式。绝对调相绝对调相利用载波初相位的绝利用载波初相位的绝对值（即固定的某一相位）来表示数字信号对值（即固定的某一相位）来表示数字信号。例如，。例如，“1”码用载波的码用载波的0相位表示，相位表示，“0

5、”码码用载波的用载波的 相位表示，当然也可以相反用之相位表示，当然也可以相反用之。记为。记为PSK。3.1.1 3.1.1 数字相位调制数字相位调制1 、二进制相移键控二进制相移键控 相对调相则是利用相邻码元载波相位的相对调相则是利用相邻码元载波相位的相对变化来表示数字信号。相对变化来表示数字信号。相对调相相对调相指本码指本码元载波初相与前一码元载波终相的相位差。元载波初相与前一码元载波终相的相位差。例如，例如，“1”码载波相位变化码载波相位变化 ，即与前一码，即与前一码元载波终相差元载波终相差 ，“0”码载波相位不变化，码载波相位不变化，即与前一码元载波终相相同。相对调相又称即与前一码元载波

6、终相相同。相对调相又称为差分调相，记为为差分调相，记为DPSK。极性变换BPFantA0cosPSK2(a) 2PSK信号调制模型(b) 2DPSK信号调制模型极性变换BPFantA0cosDPSK2差分编码极性变换BPFantA0cosPSK2(a) 2PSK信号调制模型(b) 2DPSK信号调制模型极性变换BPFantA0cosDPSK2差分编码(c) 波形 式中，式中， 是双极性不归零二是双极性不归零二进制数字序列，即进制数字序列，即an =1或或-1。该该PSK信号时间波形表达式为：信号时间波形表达式为：tnTtgaAAAAsnnPSK00000cos)(0 t cos1 t cos0

7、 )tcos(1 t cost）（)(snnnTtga 由于假定信号是等概率出现的双极性由于假定信号是等概率出现的双极性NRZ码，所以不存在直流成分，其功率谱码，所以不存在直流成分，其功率谱为连续谱，无离散谱，其带宽为连续谱，无离散谱，其带宽 与与ASK相同相同，B=2fc=2/Tc如图如图3-4所示。所示。图图3-4 2PSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度 2PSK信号具有恒定的包络，因而不信号具有恒定的包络，因而不能采用包络解调器解调，能采用包络解调器解调，接收端一般采接收端一般采用相干解调，其相干解调系统模型如图用相干解调，其相干解调系统模型如图3-5所示。所示。图图3-5 2PSK的

8、相干解调框图的相干解调框图当当 到来时，乘法器的输出为：到来时，乘法器的输出为：tcos0Atcos2A2Atcostcos000A此时，此时，LPF滤除滤除 的项，输出为的项，输出为022A）（tcos0Atcos2Acos2Atcostcos000 ）（A此时，此时，LPF滤除滤除 的项，输出为的项，输出为022-A当当 到来时，乘法器的输出为：到来时，乘法器的输出为：抽样判决器在时钟控制下对抽样判决器在时钟控制下对LPF的输出进的输出进行采用判决，便可以恢复原数据序列。行采用判决，便可以恢复原数据序列。判决准则为：采样值大于判决准则为：采样值大于0，判为，判为“1”，采样值小于采样值小于

9、0，判为，判为“0”。l“倒倒 ”现象现象2PSK采用想干解调方法解调，如果本地载采用想干解调方法解调，如果本地载波与发送载波不同相，即存在相位误差，波与发送载波不同相，即存在相位误差，则会造成错误判决，这种现象称为则会造成错误判决，这种现象称为“倒倒 ”现象。因而现象。因而2PSK信号容易产生误码，所以信号容易产生误码，所以实际中实际中2PSK信号不常被采用。信号不常被采用。3、2DPSK差分相干解调差分相干解调 用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率和相位，称为多进制数字调制。分为多进制数字和相位，称为多进制数字调制。分为多进制数字振幅调制、多

10、进制数字频率调制以及多进制数字振幅调制、多进制数字频率调制以及多进制数字相位调制三种基本方式。相位调制三种基本方式。 多进制数字调制系统的特点多进制数字调制系统的特点w 在相同的码元传输速率下（此时多元频带调制信在相同的码元传输速率下（此时多元频带调制信号占用与二元信号相等带宽号占用与二元信号相等带宽 ，多进制数字调制系，多进制数字调制系统的信息传输速率高于二进制数字调制系统统的信息传输速率高于二进制数字调制系统, ,因此因此提高了信道带宽利用率。提高了信道带宽利用率。w 在相同的信息传输速率下，多进制数字调制系统在相同的信息传输速率下，多进制数字调制系统的码元传输速率低于二进制数字调制系统的

11、码元传输速率低于二进制数字调制系统 w 多进制数字调制系统的抗噪声性能低于二进制数多进制数字调制系统的抗噪声性能低于二进制数字调制系统。字调制系统。 多进制数字相位调制的原理多进制数字相位调制的原理 多进制数字相位调制，它是利用载波的多种不同相位多进制数字相位调制，它是利用载波的多种不同相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式。（或相位差）来表征数字信息的调制方式。 用用M M种相位种相位 来表来表k k比特码元的比特码元的 种状态。假设相位数种状态。假设相位数 ， 比特码元的持续时间为比特码元的持续时间为 。则。则M M相调制波可以表示为相调制波可以表示为式中，式中， 为受调相位，可有为受调

12、相位，可有 种不同取值；种不同取值；下面主要讨论四相绝对相移调制，记为下面主要讨论四相绝对相移调制，记为4PSK4PSK或或QPSKQPSK和四和四相相对相移调制，记为相相对相移调制，记为4DPSK4DPSK或或QDPSKQDPSK。kM2k2ksTkkcstnTtgte)cos()()(0tkTtgbtkTtgackkskcsksin)(cos)(kM,coskkakkbsin 四相绝对相移键控四相绝对相移键控QPSK 四进制码元又称为双比特码元。它的前一信息用四进制码元又称为双比特码元。它的前一信息用a a代代表，后一信息比特称用表，后一信息比特称用b b代表，双比特码元中两个信息比代表，

13、双比特码元中两个信息比特特abab提出按照格雷码（即反射码）排列的。它与载波相提出按照格雷码（即反射码）排列的。它与载波相位的关系如下表示。矢量图如下。位的关系如下表示。矢量图如下。双比特码元双比特码元载波相位载波相位（k ）a ab bA A方式方式B B 方式方式0 00 00 0o o4545o o0 01 19090o o135135o o1 11 1180180o o225225o o1 10 0270270o o315315o o0011参考相位0110参考相位4500011110 QPSK信号的产生信号的产生 调相法（调相法（B方式）方式）w 注：串注：串/ /并输入信号码速率等

14、于并输入信号码速率等于 , ,输出信号码速率输出信号码速率等于等于 ，a a支路和支路和b b支路信号的码元宽度为支路信号的码元宽度为 ， 为二进制信号码元宽度。为二进制信号码元宽度。 串/并变换平衡调制器平衡调制器载波振荡相加移相2输入同向支路a正交支路btccostcsin输出(a)(b)b(1)b(0)a(0)a(1)(1,1)(1,0)(0,0)(0,1)bRbR2/1sT2sT 1 1 0 1 0 0 1 0abcosct-cosct-cosct cosctI(t)-sinct-sinctsinctsinctQ(t)4PSK移相3 1 522513545表 QPSK信号相位编码逻辑关

15、系a1001b1100a 平衡调制器输出0o180o180o0ob 平衡调制器输出90o90o270o270o合成相位45o135o225o315o QPSK信号的产生信号的产生 相位选择法相位选择法 w QPSKQPSK信号的特点：在信号空间（星座图）有信号的特点：在信号空间（星座图）有4 4个均匀分个均匀分布在同圆上（恒包络）上的信号点（星点），布在同圆上（恒包络）上的信号点（星点），4 4个不同相个不同相位载波互为正交。即说明：已调信号的幅度相等，依靠位载波互为正交。即说明：已调信号的幅度相等，依靠不同相位来区分各信号不同相位来区分各信号串/并变换输入逻辑选相电路四相载波发生器带通滤波器

16、输出45135225315 QPSK信号的信号的功率谱特性功率谱特性 串并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双串并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性序列。极性序列。a序列和序列和b序列的码元周期为输入的二进制序列码序列的码元周期为输入的二进制序列码元周期的元周期的2倍，码元传输速率为输入的二进制序列码元传输速倍，码元传输速率为输入的二进制序列码元传输速率的率的1/2。 设输入的二进制序列的码元传输速率为设输入的二进制序列的码元传输速率为 ，则，则QPSK的第一的第一个零点以内的频带宽度为个零点以内的频带宽度为 。此时的频带利用率为。此时的频带利用率为1B/Hz。sfsfB

17、 cf2/scff 2/scff f QPSK信号的信号的解调解调 相干解调相干解调 QPSK可以看作两个正交的可以看作两个正交的2PSK的合成，因此的合成，因此QPSK解调器由解调器由两个两个2PSK信号相干解调器构成信号相干解调器构成平衡调制器平衡调制器相干载波移相2tccostcsin输出低通滤波器低通滤波器抽样判决抽样判决定时定时并/串变换ab已调QPSK信号 由于由于QPSK信号是由两正交载波调制的信号是由两正交载波调制的2PSK信号线性叠加而成，所以，信号线性叠加而成，所以，QPSK信号的平均功率信号的平均功率谱密度是同相支路及正交支路谱密度是同相支路及正交支路2PSK信号平均功率

18、信号平均功率谱密度的线性叠加。谱密度的线性叠加。在相同信息速率下，在相同信息速率下，2PSK与与QPSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度 （3-15）QPSK2PSK21(baud/Hz) 偏移四相相移键控（偏移四相相移键控（OQPSK）是在）是在QPSK基础上发展起来的。基础上发展起来的。 随着输入数据的不同，随着输入数据的不同，QPSK信号会信号会发生相位跳变，跳变量可能为发生相位跳变，跳变量可能为 或或 ，如图，如图3-8（a）中的箭头所示。）中的箭头所示。2/这种相位跳变引起包络起伏，当通过非线性部件这种相位跳变引起包络起伏，当通过非线性部件后，使已经滤除的带外分量又被恢复出来，导致频

19、后，使已经滤除的带外分量又被恢复出来，导致频谱扩展，增加对相邻波道的干扰。为了消除谱扩展，增加对相邻波道的干扰。为了消除180180的的相位跳变，在相位跳变，在QPSKQPSK基础上提出了基础上提出了OQPSKOQPSK。 当发生对角过渡，即产生当发生对角过渡，即产生 的相移时，经的相移时，经过带通滤波器之后所形成的包络起伏必然达过带通滤波器之后所形成的包络起伏必然达到最大。到最大。 为了减小包络起伏，在对为了减小包络起伏，在对QPSK做正交调做正交调制时，将正交支路的基带信号相对于同相支制时，将正交支路的基带信号相对于同相支路的基带信号延迟半个码元间隔路的基带信号延迟半个码元间隔 ，这种调制，这种调制方法称为偏移四相相移键控（方法称为偏移四相相移键控（OQPSK）。）。 OQPSK信号的表达式为信号的表达式为（3-16） 式中，式中，I(t)表示同相分量；表示同相分量； 表示正交分量，它相对于同相分量偏表示正交分量，它相对于同相分量偏移移 。 sOQPSKcccossin2TstI t tQ t ts2TQ ts/2T 由于同相分量和正交分量不能同时由于同相分量和正交分量不能同时发生变化，相邻发生变化，相邻1个比特信号的相位只可个比特信号的相位只可能发生能发生 的变化，因而星座图中的信号点的变化，因而星座图中的信号点只能沿