第2讲 调制与解调

第3章3.1调制解调数字相位调制3.1.1正交振幅调制3.1.23.1.2正交振幅调制

正交振幅调制（QAM）是一种幅度和相位联合键控（APK）的调制方式。1．MQAM调制原理

正交振幅调制是用两路独立的基带数字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。

正交振幅调制的一般表达式为

0≤t＜Ts

（3-20）

式中，Ts为码元宽度，Am和Bm为离散的振幅值，m

=

1，2，…，M，M为Am和Bm的个数。

MQAM中的振幅Am和Bm可以表示成（3-21）

式中，A是固定的振幅，(dm，em)由输入数据确定。(dm，em)决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。

MQAM的调制框图如图3-19所示。图3-19MQAM调制解调原理框图数据经过信道编码之后，被映射到星座图上，其原理为：经过信道编码的二进制的MPEG-2比特流进入QAM调制器，信号被分为两路，一路给I，另一路给Q，每一路一次给2比特的数据，这2比特的二进制数一共有4种不同的状态，分别对应4种不同的电平幅度，这样I有4个不同幅度的电平，Q有4个不同幅度的电平，而且I和Q两路信号正交。这样任意一个I的幅度和任意一个Q的幅度组合都会在极坐标图上映射一个相应的星座点，这样每个星座点代表由4个比特的数据组成的一个映射，I和Q一共有4×4共16种组合状态，各种可能出现过的数据状态组合最后映射到星座图上，得到如下图所显示的16QAM星座图。图3-2016QAM的星座图 M

=

4，16，32，…，256时MQAM信号的星座图如图3-21所示。

其中，M

=

4，16，64，256时星座图为矩形，而M

=

32，128时星座图为十字形。图3-21MQAM信号的星座图2．MQAM解调原理 MQAM信号同样可以采用正交相干解调方法，其解调器原理图如图3-22所示。图3-22MQAM信号相干解调原理图3.1.3数字频率调制一、

二进制频移键控

用二进制数字基带信号去控制载波频率称为二进制频移键控（2FSK）。

如图3-25所示，设输入到调制器的比特流为{}，

，

。 2FSK的输出信号形式为图3-252FSK信号的产生

nTb≤t＜(n

+

1)Tb

（3-24）

即当输入信号为传号“

+

1”时，输出频

率为f1的正弦波；当输入信号为空号“

1”时，输出频率为f2的正弦波。

初相位

1和

2可以是连续的，也可以是不

连续的。17在实际应用中，有时要求发送信号具有包络恒定、高频分量较小的特点。移相键控信号PSK(4PSK、8PSK)的缺点之一是，没能从根本上消除在码元转换处的载波相位突变，使系统产生强的旁瓣功率分量，造成对邻近波道的干扰；若将此信号通过带限系统，由于旁瓣的滤除而产生信号包络起伏变化，为了不失真传输，对信道的线性特性要求就过于苛刻。

两个独立信源产生的2FSK信号，一般来说在频率转换处相位不连续，同样使功率谱产生很强的旁瓣分量，若通过带限系统也会产生包络起伏变化。OQPSK虽然消除了QPSK信号中的180°相位突变，但也没能从根本上解决消除信号包络起伏变化的问题。

问题的引入

二、

最小频移键控为什么要使用恒包络调制——极低的旁瓣能量；——可使用高效率的C类高功率放大器（导通角小于90°，为非线性放大器，效率高。）；——容易恢复用于相干解调的载波；——已调信号峰均比低。二、

最小频移键控二、

最小频移键控

为了克服以上缺点，需控制相位的连续性，这种形式的数字频率调制方式，称之为相位连续变化的(恒定包络)频移键控(CPFSK)。其一特例为最小(调制指数)频移键控（MSK）。

所谓“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数(0.5)获得正交信号；而“快速”是指在给定同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比2PSK衰减的快。MSK信号可表示为：式中：为载频；为频偏；为k个码元中的相位常数。而为第k个码元的相位常数。而为第k个码元的数据，分别表示二进制信息1和0，当ak＝+1时，信号频率当ak＝-1时，信号频率最小频差（最大频偏）：

即最小频差等于码元速率的一半设1/Ts＝fs，则调频指数

MSK信号又可表示为：h=0.5时，满足在码元交替点相位连续的条件，也是频移键控为保证良好的误码率性能所允许的最小调制指数，且此时波形的相关系数为0.5，待传送的两个信号是正交的。对于式中为第k个码元信号的附加相位，它是t的直线方程；并且在一个码元持续时间T内，它变化,即变化。按照相位连续性的要求，在第K个码元的末尾，即当t=kT时，其附加相位就应该是第k+1个码元的初始附加相位所以，每经过一个码元的持续时间，MSK信号码元的附加相位就改变；若，则第k+1个码元的附加相位增加；若，则第k+1个码元的附加相位减小。按这一规律，可以画出MSK信号附加相位的轨迹图，如下图所示。

MSK的可能相位轨迹总结MSK信号的特点：MSK信号是正交信号；其波形在码元间是连续的；其包络是恒定不变的；其附加相位在一个码元持续时间内线性地变化；调制产生的频率偏移等于；在一个码元持续时间内含有的载波周期数等于1/4的整数倍。 MSK信号调制器原理图如图3-35所示。图3-35MSK信号调制器原理框图 MSK信号属于数字频率调制信号，因此一般可以采用鉴频器方式进行解调，其原理图如图3-38所示。图3-38MSK鉴频器解调原理框图

相干解调的框图如图3-39所示。图3-39MSK信号相干解调器原理框图 MSK信号的功率谱如图3-37所示。图3-37MSK信号的功率谱MSK调制方式已在一些通信系统中得到应用。但是，就移动通信系统而言，通常要在25kHz的信道间隔中传输16kbit/s的数字信号，邻道辐射功率要求低于-70到-80dB，显然MSK信号不能满足。而另一种数字调制方式GMSK能很好地满足要求。3.4.3高斯滤波的最小频移键控GMSK要求带外辐射功率为-60～-80dBGMSK是GSM的优选方案

1实现简单，在原MSK调制器增加前置滤波器

2对前置滤波器的要求

①带宽窄且为锐截止型

②有较低的过脉冲响应

③保持输出脉冲的面积不变

3目的：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要

4高斯滤波器满足以上要求3.4.3高斯滤波的最小频移键控

高斯最小频移键控（GMSK）既能够保持MSK相位连续、恒定包络的优点，还能够满足移动通信旁瓣功率的快速衰减的要求。1．GMSK调制/解调的原理 GMSK信号就是在MSK调制之前，加入一高斯低通滤波器（称为预调制滤波器）而产生的，如图3-42所示。图3-42GMSK调制的原理框图

图3-43高斯滤波器的矩形脉冲响应GMSK滤波器可以由B和基带符号持续时间T完全决定，因此习惯上使用BT乘积来定义GMSK。

高斯滤波器的输出脉冲经MSK调制得到GMSK信号，其相位路径由脉冲的形状决定。 GMSK的相位轨迹如图3-44所示。图3-44GMSK的相位轨迹

图3-45是通过计算机模拟得到的GMSK信号的功率谱。图3-45GMSK信号的功率谱密度

表3-2给出了作为BbTb函数的GMSK信号中包含给定功率百分比的射频带宽。BbTb90%99%99.9%99.99%0.20.52Rb

0.79Rb0.99Rb

1.22Rb0.250