第2章 调制解调

1、移动通信原理主讲人：王丽主讲人：王丽l l 调制的目的调制的目的：把要传输的模拟信号或数字信：把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的高频信号。号变换成适合信道传输的高频信号。 l 调制的类型调制的类型：模拟调制（：模拟调制（AM,FM,PM,）数）数字调制（字调制（ASK,FSK,PSK）l 调制信号的特点调制信号的特点：移动通信信道特点：移动通信信道特点：带宽带宽有限有限、干扰和噪声影响大干扰和噪声影响大、存在着多径衰落。存在着多径衰落。要求：要求：已调信号所占带宽要窄，已调信号所占带宽要窄，解调后的输出信噪比较大或误码率较低。 l 调制解调技术主要包括调制解调技术主要包括:调制的

2、原理及其实调制的原理及其实现方法、现方法、 已调信号的频谱特性、已调信号的频谱特性、 解调的原理解调的原理和实现方法、和实现方法、 解调后的信噪比或误码率性能解调后的信噪比或误码率性能等。等。l2.2 频率调制频率调制l2.2.1 FM 、 FSK调制调制l1.FM调制调制lFM调制一种用压控振荡器调制一种用压控振荡器VCO直接调频；二种将调制信号积分后直接调频；二种将调制信号积分后送入调相器进行间接调频。送入调相器进行间接调频。lFM解调采用鉴频器或锁相环鉴频。解调采用鉴频器或锁相环鉴频。 FM解调在小信噪比情况下，会解调在小信噪比情况下，会出现门限效应。出现门限效应。l2.FSK调制调制l

3、FSK调制根据载频调制根据载频f1 、f2变化传递信号的变化信息。变化传递信号的变化信息。lFSK解调采用相干解调和非相干解调等方法。解调采用相干解调和非相干解调等方法。lFSK调制缺点：频带利用率比调制缺点：频带利用率比2PSK低；低；2FSK信号的相邻码元波形信号的相邻码元波形的相位可能不连续，在通过带通滤波器后信号的包络会产生较大起的相位可能不连续，在通过带通滤波器后信号的包络会产生较大起伏。伏。l l2.2.2 最小移频键控最小移频键控(MSK)调制调制 概念概念: MSK是一种特殊形式的FSK，其频差=2-1=1/2Tb 是满足两个频率1和2相互正交（相关函数等于0）的最小频差，并要

4、求FSK信号的相位连续，即调频指数为：5 . 0/1bTfh Tb : 输入数据流的比特宽度。输入数据流的比特宽度。 (2 - 33) lMSK满足两个条件：满足两个条件：l(1)调频指数h=0.5;l(2)相位连续。l调频指数h=0.5时，移频键控信号具有最小频偏、最小占有带宽，并有最好的相干检测误码性能。l由于相位连续，可以克服一般移频键控码元交替过程中存在相位跳变，使频谱的边带下降很多，频谱变窄。lMSK的信号表达式为的信号表达式为: kkbcxtaTttS2cos)( (2 - 34) xk是为了保证是为了保证t=kTb时相位连续而加入的相位常量。时相位连续而加入的相位常量。 k =

5、ct+k kTbt(k+1)Tb (2 - 35)kkbkxtaT2l 为了保持相位连续，为了保持相位连续， 在在t=kTb时应有下式成立时应有下式成立： k-1(kTb) = k(kTb) (2 - 36) 将式将式(2 - 35)代入式代入式(2 - 36)可得可得2)(11kaaxxkkkk(2 - 37) 若令若令x0=0，则，则 xk取取 0 或或 （模（模2 ）,k=0,1,2,。( )cos(1),0,1,2kMSKcksssastttkTtkT kT令( )2kKcksatttT,12( )2,12ckskKcscksaTadtdtTaT 121414cscsffTffTMSK

6、信号的两个频率分别为中心频率1,2,4csnfnTMSK信号在每一码元周期内必须包含四分之一载波周期的整数倍=2ffc还可以表示为121114411144csscssmffNTTmffNTT相应的MSK信号的两个频率表示为频率间隔1m01 2 34csmfNNT为正整数；， ，2112sfffTMSK信号的调制指数10.52ssshfTTT 3/ 201 1 1 1 1 1 1 1 1Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7Tb8Tb9Tb0akxk (t)t/ 2/ 23/ 225/ 23233344kkbkxtaT22)(11kaaxxkkkk令令x0=0MSK的相位轨迹的相位轨迹nMSK调制

7、波形调制波形n例： 发送数字序列为：+1 -1 -1 -1-1-1+1，若码元速率为1000B，载频为3000HZ，画出MSK信号波形n解：提示（1）n(2) 11000BSRBT121114411144csscssmffNTTmffNTTMSK差分调制差分调制0,sin0,MSK( )coscos2coscoscoscossinsin221,cos()cos ,sin()sin,( )coscoscoscossin22kkMSKkckbkkckkcbbkMSKkckkbbxxStxta tTxa ttxa ttTTaStxttaxtTT 则表达式则sinct(2-38)串/ 并差分编码Tbc

8、osctsinctyMSK(t)TbakdktTb2costTb2sinMSK信号的差分编码调制原理框图信号的差分编码调制原理框图:kxcoskkxa cosIQttTxattTxtScbkkcbksin2sincoscos2coscos)(2-38)402()(2cos)(161 8)(2222bcbcbMSKTffTffTfPMSK信号的单边功率谱表达式信号的单边功率谱表达式1.02.03.04.0(f fc)TbMSKQPSK功率谱密度 / dB01020304050600.5 0.75与与QPSK相比相比MSK功率谱特点：功率谱特点：lMSK信号功率谱主瓣虽然较宽，但旁瓣却以 (-c)

9、Tb-4 规律迅速下降。lMSK调制比较适合于非线性的和邻道抑制严格的移动信道应用。lMSK信号的解调信号的解调 采用鉴频器解调采用鉴频器解调l鉴频器就是完成调频信号的频率-输出电压的线性转换关系。lMSK信号属于数字频率调制信号，因此可以采取一般鉴频方式进行解调，鉴频器解调方式结构简单，容易实现。但由于MSK信号调制指数较小，采用一般鉴频方式进行解调误码率性能不太好，因此在对误码率有较高要求时大多采用相干解调方式。 uMSK(t)前置放大器限幅器鉴频器低频滤波器噪声n(t)解调器r(t)2.MSK信号相干解调信号相干解调bc2121Tf 锁相环2bc2122Tf 锁相环2平方器相干载波提取L

10、PF取样判决交替门LPF取样判决BPFTb差分译码sin2sin2btTctctcos2cos2btTl平方器的输出为平方器的输出为kbckkkbckkbckkbckkbcxtTftSaxtaTfxtaTtxtaTtxtaTttS22122cos2121)(, 122122cos2121222cos212122cos21212cos)(222则l锁相环锁定频率锁相环锁定频率2c1/2Tb，相位为零的分量，相位为零的分量，输出为输出为P支路：支路：T支路：支路：11( )cos 2 (22cbS tftT）11( )cos 2 (22cbS tftT）l分频器输出为分频器输出为P支路：支路：T支

11、路：支路：tTttTftSbcbc2cos22cos)(1tTttTftSbcbc2cos22cos)(1tTtTttTttStStycbbcbcsin2sin22cos2cos)()()(21ttTtTttTttStStxcbbcbccos2cos22cos2cos)()()(21lI支路乘法器输出为支路乘法器输出为lQ支路乘法器输出为支路乘法器输出为tTxtaTtTxtaTttTtxtaTttxtaTtttTxtaTttXtsxIbkkbbkkbcbckkbcckkbccbkkbc2cos2cos2cos22cos2cos2cos2coscos2cos22cos)()()(tTxtaTtT

12、xtaTtttTxtaTttytsxQbkkbbkkbccbkkbc2sin2sin2sin22sinsin2sin22cos)()()(lI支路支路LPF输出为输出为lQ支路支路LPF输出为输出为taTxtTtaTxtTtaTxtTxtaTxIkbkbkbkbkbkbkkb2coscos2cos2sinsin2cos2coscos2cos2cos)(2taTxatTxtaTtTtaTxtTxtaTxQkbkkbkkbbkbkbkkb2sincos2sinsin2cos2sin2sincos2sin2sin)(2l由于MSK信号不能满足功率谱在邻道取值低于主瓣 峰值的60dB,因此引入GMSK

13、。lGMSK是属于MSK简单的优化方案，它只需在MSK调制前附加一个高斯型前置低通滤波器，进一步抑制高频分量，防止过量的瞬时频率偏移以及满足相干检测的需求。 高斯低通滤波器的冲击响应为高斯函数高斯低通滤波器的冲击响应为高斯函数: Bb:高斯滤波器的高斯滤波器的3db带宽带宽. 对单个宽度为对单个宽度为Tb的矩形脉冲的响应为的矩形脉冲的响应为: )442(2ln2),exp()(222bBtthdQTtBQTtBQtgtbbbb)2/exp(21)452(22ln222ln2)(2g(t)的波形为的波形为o0.20.40.60.81.00.70.40.30.250.2Tb2Tb Tb2TbtBb

14、Tbg(t)lGMSK信号表达式为信号表达式为dTnTgaTtdTnTgaTttStbbnbtbbnbc 22)()472(22cos)()(cos()(tttScGMSK的可能相位轨迹的可能相位轨迹:0 / 2 / 2(t)MSKGMSKt / Tb12345678dTnTgaTtGMSKtbbnb22)(kkbkxtaTMSK2lMSK与与GMSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度l由上述功率谱密度图形可见:lMSK、GMSK的频谱效率介于BPSK与QPSK之间，即比BPSK好，但不如QPSK，因为QPSK第一零点在归一化频率fb=0.5处，而BPSK的第一零点在fb=1的位置，MSK与GM

15、SK的第一零点在fb=0.75的位置。l从抗干扰性即功率效率看GMSK最好，MSK次之，QPSK与BPSK性能最差。lMSK、GMSK误码误码(比特比特)公式公式l2.3.1 移相键控调制移相键控调制(PSK)l移相键控是利用载波相位变化来传递信息的。移相键控是利用载波相位变化来传递信息的。lPSK解调采用相干解调、差分相干解调等方法。解调采用相干解调、差分相干解调等方法。 2.3.2 四相相移键控调制四相相移键控调制(QPSK)和和 交错四相相移键控调制交错四相相移键控调制(OQPSK) QPSK是是 2PSK的推广，用四个相位的的推广，用四个相位的正弦振荡表示不同的数字信息。正弦振荡表示不

16、同的数字信息。l1. 四相相移四相相移(QPSK)生成生成l2.交错四相相移键控调制交错四相相移键控调制(OQPSK)an串并变换cos(ct)sin(ct)+-S(t)I支路Q支路串并变换cos(ct)sin(ct)+-anS(t)TbI支路Q支路lQPSK产生输出，当产生输出，当anan-1=(+1)(+1)时时4cos4cos4sin24sin4sin222/sin22/sin2)2/cos()cos()sin()cos()(tAtttttttttttScccccccccccl同理可得同理可得，令，令n=2k+1，l k= /4, 3 /4)622(1143cos1143cos114co

17、s114cos)(1111nncnncnncnncaatAaatAaatAaatAtSbsssTTTktkT2,) 1(lQPSK和和OQPSK信号的星象图信号的星象图QPSKOQPSK11101Q11011QII(a)(b)0010110138uOQPSK信号的波形与QPSK信号波形的比较 a1a3a5a7a2a6a4a8a2a4a1a3a5a7a6a8lQPSK和和OQPSK的比较的比较 由于由于OQPSK在在Q支路上加入了一个支路上加入了一个比特的时延，使得两个支路的数据不会比特的时延，使得两个支路的数据不会同时发生变化，因而同时发生变化，因而OQPSK不可能像不可能像QPSK那样产生那

18、样产生 的相位跳变，仅产生的相位跳变，仅产生 /2的相位跳变的相位跳变，因此，因此OQPSK的频谱的频谱旁瓣要低于旁瓣要低于QPSK信号的旁瓣，信号的旁瓣， OQPSK信号对邻道的辐射要小，抗干扰能力强，信号对邻道的辐射要小，抗干扰能力强，但传输速率低。但传输速率低。 l /4-DQPSK对对QPSK的改进的改进(与与PSK和和DPSK有点相有点相似似)：改善了改善了 /4-DQPSK的频谱特性；的频谱特性；解调方式可采用相干解调和非相干解调解调方式可采用相干解调和非相干解调(QPSK只能只能采用相干解调）采用相干解调）1. /4-DQPSK的相干调制的相干调制/4-DQPSK 信号串/并变换

19、差分相位编码LPFLPF放大cos(ct)sin(ct)+-UkVkSISq输入数据 /4-DQPSK相位跳变规则 l 正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）是通过）是通过相位相位和和振幅振幅的的联合控制，联合控制， 可以得到更高频谱效率的调制方式。可以得到更高频谱效率的调制方式。 正交振幅调制的一般表达式为正交振幅调制的一般表达式为 y(t)=Amcosct+Bmsinct 0tTs (2 - 89)AeBAdAmmmmA是固定的振幅，是固定的振幅， (dm, em)由输入由输入数据确定。数据确定。 (dm, em)决定了已调决定了已调QAM信号在信号在信号空间中的坐标点。信号空间中的坐标点。

20、 l 图图 2 - 41 QAM调制解调原理框图调制解调原理框图l (a) QAM调制框图；调制框图； (b) QAM解调框图解调框图 2到 L电平变换预调制LPFcosctAm2到 L电平变换预调制LPFBmsinct已调信号输出y(t)串 / 并变换(a)(b)L到2电平变换多电平判决LPF定时恢复L到2电平变换多电平判决LPF载波恢复并 / 串变换l QAM信号结构信号结构l信号结构影响着已调信号的功率谱和解调性能信号结构影响着已调信号的功率谱和解调性能 ，常用，常用的设计准则是在信号功率相同的条件下，选择信号空的设计准则是在信号功率相同的条件下，选择信号空间中信号点之间距离最大的信号结

21、构。间中信号点之间距离最大的信号结构。 l例如：例如： M=8, 要求这些信号点仅取两种振幅值，要求这些信号点仅取两种振幅值， 且信号点之间的最小距离为且信号点之间的最小距离为2A的条件下，的条件下， 得得到的几种信号空间结构。到的几种信号空间结构。l 在所有信号点等概出现的情况下，在所有信号点等概出现的情况下， 平平均发射信号功率为均发射信号功率为)(2122mMmmavedMAP (2 - 91) l图图 2 - 42 8QAM的信号空间的信号空间 (1, 1)(1, 1)(1, 1)(1, 1)(3, 1)(3, 1)(3, 1)(3, 1)(a)22av6)10424(8AAP2A(1

22、, 1)(C, C)22av83. 6)66.11424(8AAP223C(c)(2, 0)(2, 2)(0, 2)(2, 2)(2, 0)(2, 2)(0, 2)(2, 2)(b)22av6)8444(8AAP22(1, 1)0 ,31 ( 22av73. 4)464. 7424(8AAP(d)(dm, em)决定了已调决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。信号在信号空间中的坐标点。 l 图图 2 - 43 方型方型QAM星座星座l (a) 4QAM； (b) 16QAM; (c) 64QAM(c)(b)dmem(a)dmememdml图图 2 - 45 M进制星型进制星型QAM的星座图

23、的星座图l (a) 4QAM; (b) 16QAM; (c) 64QAM(a)4QAM(b)16QAM64 星型QAM(c)lM进制进制QAM的误码率为的误码率为)1)-2(3erfc()11 (211)1)-2(3erfc()11 (2bbMkMMkMMP (2 - 92)l 扩频通信扩频通信：在发送端采用扩频码调制，使信：在发送端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽，号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽，在接收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢在接收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据。复所传信息数据。l优点：抗干扰、抗多径。抗干扰、抗多径。隐蔽、保

24、密。隐蔽、保密。可多址复用和任意选址。可多址复用和任意选址。频谱利用率：在多用户接入环境中频谱利用率：在多用户接入环境中(MAI)，频，频谱利用率是很高的。谱利用率是很高的。 l扩频通信系统扩频通信系统l扩频通信分类：扩频通信分类：扩频通信分类：扩频通信分类：直接序列扩频直接序列扩频(DS-SS)跳频（跳频（FH）跳时（跳时（TH）各种混合方式。各种混合方式。 1.直接序列扩频(DS-SS) 直接 序列扩频系统组成原理l信号源产生的信号信号源产生的信号a(t)为信息流为信息流 式中，式中，an为信息码为信息码(2-1) (2-2) (2-3) l伪随机序列产生器产生的伪随机序列伪随机序列产生器

25、产生的伪随机序列c(t)(2-4) 式中，式中，cn为伪随机码码元，取值为伪随机码码元，取值+1或或-1 扩频过程实质上是信息流扩频过程实质上是信息流a(t)与伪随机序列与伪随机序列c(t)的模的模2加或相乘的过程。加或相乘的过程。扩展的序列扩展的序列d(t)为为 ：(2-5)(2-6) l 用此扩展后的序列去调制载波，将信号用此扩展后的序列去调制载波，将信号搬移到载频上去。调制后得到的信号搬移到载频上去。调制后得到的信号s(t)为为 ：(2-7) 式中，式中，0为载波频率为载波频率l接收端天线上感应的信号经高放的选择放大和接收端天线上感应的信号经高放的选择放大和混频后，得到包括以下几部分的信

26、号：有用信混频后，得到包括以下几部分的信号：有用信号号sI (t)、信道噪声、信道噪声nI (t)、干扰信号、干扰信号JI (t)和其它和其它网的扩频信号网的扩频信号sJ (t)等，即收到的信号等，即收到的信号(经混频后经混频后)为为(2-8) 解扩后解扩后(2-9) l信号分量信号分量sI(t)(2-10) 若本地产生的伪随机序列若本地产生的伪随机序列c(t)与发端产生的与发端产生的伪随机序列伪随机序列c(t)同步，有同步，有c(t)=c(t)，则，则c(t)c(t)=1，这样，信号分量这样，信号分量sI (t)为为 :(2-11) 后面所接滤波器的频带正好能让信号通过，后面所接滤波器的频带

27、正好能让信号通过，因此可以进入解调器进行解调，将有用信号解调因此可以进入解调器进行解调，将有用信号解调出来。出来。 (a) c(t)的功率谱的功率谱 (b) s(t)的功率谱的功率谱 l跳频（跳频（FH)FH) : :用一定码序列进行选择的多用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不列去进行频移键控调制，使载波频率不断跳变，所以称为跳频。断跳变，所以称为跳频。l跳频系统：用信源产生的信息流跳频系统：用信源产生的信息流a(t)去调去调制频率合成器产生的载频，得到射频信制频率合成器产生的载频，得到射频信号。号。频率

28、合成器产生的载频受伪随机码频率合成器产生的载频受伪随机码的控制，按一定规律跳变的控制，按一定规律跳变。 跳频技术分：快跳频、慢跳频。跳频技术分：快跳频、慢跳频。l跳频跳频(FH)系统系统 (a)组成方框图组成方框图 (b)频率跳变图案频率跳变图案 l与与DS-SS系统相比，系统相比，FH-SS系统的优点：系统的优点：能抗能抗“ 远近效应远近效应”，但不能完全避免。，但不能完全避免。信号一般不使用同一频率，接收机的功信号一般不使用同一频率，接收机的功率不像率不像 DS-SS那样要求的严格。那样要求的严格。l改进改进 在传输中加入纠错码，不仅可以改在传输中加入纠错码，不仅可以改善善“远近效应远近效

29、应”的影响，而且可以在偶的影响，而且可以在偶尔发生冲突时，提高系统的性能。尔发生冲突时，提高系统的性能。l跳时跳时(TH):(TH):是使发射信号在时间轴上跳是使发射信号在时间轴上跳变。可先把时间轴分成许多时片，在一变。可先把时间轴分成许多时片，在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。因此，可以把跳时理解为：进行控制。因此，可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。键控。l跳时跳时(TH)(TH)系统系统: :输入的数据先存储起来输入的数据先存储起来，由扩频码发生器产生的扩频码序列去，由扩频码发生器产生

30、的扩频码序列去控制通控制通断开关，经二相或四相调制后断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。再经射频调制后发射。(a)发射与接收的组成方框图；发射与接收的组成方框图；(b)跳时图例跳时图例 l 在上述几种基本的扩频方式的基础上，在上述几种基本的扩频方式的基础上，可以将它们分别组合起来，构成各种混合方可以将它们分别组合起来，构成各种混合方式，例如，式，例如，FH/DSFH/DS、DS/THDS/TH、DS/FH/THDS/FH/TH等等。等等。l DS/FH混合扩频示意图混合扩频示意图 lPN序列：序列： （Pseudorandom-Noise)又称伪随机又称伪随机序列，在一个周期内它的自相关特性与白噪声序列，在一个周期内它的自相关特性与白噪声的自相关特性的自相关特性 相似，它是预先可知的。相似，它是预先可知的。l性质：在性质上与随即序列有相同的性质性质：在性质上与随即序列有相同的性质 。在一个周期内，序列在一个周期内，序列“0”和和 “1”的个数相同的个数相同; 不同序列段具有很小的相关性；任意两个序列不同序列段具有很小的相关性；任意两个序列有有 很小的相