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1、2020/8/8,1,第三章 调制技术,概述 概述 数字调制的性能指标 数字调制的分类 线性数字调制技术 恒包络调制技术 多进制调制技术与线性和恒包络组合的调制技术 扩频调制技术,2020/8/8,2,概述,调制的目的是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（高频带通信号），该信号称为已调信号。 调制可以通过使高频载波随信号幅度的变化而改变载波的幅度、相位或者频率来实现。 调制过程用于通信系统的发送端。在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，该过程称为解调。,2020/8/8,3,数字调制和模拟调制,按调制器输入信号（即调制信号）的形式分：数字调制和模拟调制 无本质区别，同属

2、正弦载波调制 调制信号：数字型正弦调制、连续性正弦调制 质量标准：模拟信号-信噪比（SNR） 数字信号-误码率（BER）,2020/8/8,4,移动通信对调制技术的要求,移动通信信道的特点 带宽有限，取决于可使用频率资源和信道的传播特性 干扰和噪声影响大，移动通信的电磁工作环境决定 存在着多径衰落,已调信号的要求 高的频谱利用率 抗干扰 抗衰落,2020/8/8,5,数字调制技术,常用技术 频移键控FSK 相移键控PSK 数字移动通信系统中，调制信号可表示为符号或脉冲的时间序列，每个符号可以有m种有限状态，代表n比特的信息，,2020/8/8,6,数字调制的性能指标,调制方式的选择要求： 可靠

3、性，即抗干扰性。选择具有低误比特率的调制方式，其功率谱密度集中于主瓣内； 有效性。选取频谱有效的调制方式上，特别是多进制调制； 工程上易于实现。主要体现在恒包络与峰平比的性能上。 数字调制的性能指标通常通过功率有效性p（power efficiency）和带宽有效性B （spectral efficiency）来反映。,2020/8/8,7,功率有效性和带宽有效性,功率有效性p是反映调制技术在低功率电平情况下保证系统误码性能的能力，可表述成每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比：,带宽有效性B是反映调制技术在一定的频带内数字有效性的能力，可表述成在给定带宽条件下每赫兹的数据通过率：,2020/8

4、/8,8,数字调制技术的特性要求,为了在衰落条件下获得所要求的误码率（BER），需要好的载噪比（C/N）和载干比（C/I）性能 所用的调制技术必须在规定频带约束内提供高的传输速率，以(bit/s)/Hz为单位 应使用高效率的功率放大器，而带外辐射又必须降低到所需要求（-60-70dB） 恒定包络 低的载波与同道干扰（CCI）的功率比 必须满足快速的比特再同步要求 成本低，易于实现,2020/8/8,9,数字调制的分类,数字式调制是将数字基带信号通过正弦型载波相乘调制成为带通信号。其基本原理是用数字基带信号0与1去控制正弦载波中的一个参量 振幅键控ASK，频率键控FSK，相位键控PSK，幅度相位

5、调制（正交幅度调制QAM） 0与1组成二进制调制，更有多进制调制 移相键控，为了克服移动接收端产生的相位模糊度，绝对移相（PSK）往往改进为相对移相（DPSK） 数字蜂窝系统常用 线性调制：各种进制的PSK，QAM等。特点带宽效率高 恒包络调制：MSK、TFM（平滑调频），GMSK等。特点包络幅度不变，发射功率放大器可在非线性状态而不引起严重的频谱扩散,二进制数字调制,1、调制原理 用开关的通或断来进行调制，即用二进制矩形脉冲信号的“1”和“0”控制开关的通和断，从而是载波通过或不通过。,振幅键控ASK,2、调制原理框图,3、ASK信号波形,（2）频谱图,4、结论： （1）ASK信号是由连续谱

6、和离散谱两部分组成，连续谱取决于双边带谱，离散谱取决于载波分量，只在本身的载波分量上出现； （2）信号带宽为原基带信号带宽的两倍，即 。,（3）信号的第一旁瓣值比主峰值衰减14dB。,频带利用率是原基带信号的一半，即,5、解调 主要方法：相干检测法、非相干检测法 非相干解调法 原理框图,特点： 电路简单；准确性不太理想，信号影响较大； 在相同误码率情况下，S/N比相关解调的信噪比高1dB； 抗噪声性能稍差于相干解调；,相干解调法 原理框图,解调部分由乘法器和低通滤波器组成，由本机产生同步信号为AcosLt，则 解调器接收到的信号为： SASK(t)=s(t)Acosct 通过相乘器的信号变为：

7、y(t)A*As(t)cosct*cosLt 因为幅度与讨论结果无关，故省去，同时，积化和差： y(t)=s(t)cos(c-L)t+s(t)cos(c+L)t 经过低通滤波器输出为: y(t)=0.5*S(t)cos(c-L)t,特点 采用同步解调法，需有一个和载波保持同频同相的相干振荡信号，否则会造成解调后的波形失真，一般采用锁相环路或窄带滤波来提取同步信号； 实现困难，技术要求高，设备复杂；,一、调制原理 用基带数据信号控制载波频率。当传送“1”码时送出一个频率f1，传送“0”码时送出另一个频率f0。 应用在低速或中低速的数据传输中。 1、分类 相位连续的频移键控 相位不连续的频移键控,

8、频移键控FSK,2、信号组成,定义： (1)标称载频 (2)频移宽度,3、信号波形,4、ITU建议 对于600/1200bps的数据调制解调器，使用二进制FSK调制，安排如下： 码元速率 1 2 600 1300 1700 400 1200 1300 2100 800,5、频谱表示及频谱图,解调方法有多种：鉴频法、零交点法（过零检测法）、分路滤波、包络检波、差分检波等； 分路检波法原理框图,四、解调,基本原理是根据频移键控的过零率的大小来检测已调信号中的频率变化。输入待调信号，经整形、微分、整流后形成与频率变化相立的脉冲序列，用此形成一定宽度的矩形波，经积分电路滤除高次谐波，抽样判决立即可得到

9、原始的数字信号序列。 工作原理框图,过零检测法,利用载波的相位变化来反映数字信号，载波的振幅和频率均不变化。应用很广泛，抗噪声性能比ASK和FSK都更优，频带利用率较高。 应用在中、高速的数据传输中。 分类 绝对调相PSK，利用载波的绝对相位表示0和1； 相对调相DPSK，利用载波的相对相位表示0和1；,移相键控PSK和DPSK,设正弦信号（载波）为Acosct，则：,一、2PSK,S(t)看成双极性不归零信号，则：,其中，g(t)为矩形脉冲，码宽为Tc。,1、PSK信号波形,PSK信号产生,直接调相法：根据绝对移相信号等于双极性基带信号与载波相乘的原理产生PSK信号，用平衡调制器来实现； 相

10、位选择法：选择输出2种不同相位的载波表示原始信号。,5、解调,相干解调：关键在于提取相干载波，通常采用倍频分频法获取载波。,f,DPSK调制原理 差分相移键控（DPSK）是利用相邻二个码元的载波信号初始相位的相对变化来表示所传输的码元。 例如，在二进制中传输“1”码时，则与此码元所对应的载波信号初始相位相对于前一码所对应的载波信号初始相位有 或弧度的变化;，传输“0”码时，与此码元所对应的载波信号的初始相位相对于前一码元所对应的载波信号初始相位无变化（“1变0不变” ）；当然反过来也是可以的。,二进制差分相移键控（DPSK）,f,二进制差分相移键控（DPSK）,初相为0相,初相为相,相位差与初

11、相无关,表：数字信息序列与已调载波相位关系,举例 若定义为2DPSK方式下本码元初相与前一码元初相之差，并设相“1”、 0相“0”，为了比较，设2PSK方式下相“0”、 0相“1”，则数字信息序列与2PSK、2DPSK信号的码元相位关系如表所示。,初相为0相,初相为相,f,二进制差分相移键控（DPSK）（续）,f,二进制差分相移键控（DPSK）（续）,DPSK调制原理 2DPSK同样存在A、B方式矢量图，图中虚线表示的参考矢量代表前一个码元已调载波的相位。B方式下，每个码元的载波相位相对于参考相位可取 ，所以其相邻码元之间必然发生载波相位的跳变，接收端可以据此确定每个码元的起止时刻（即提供码元

12、定时信息），而A方式却可能存在前后码元载波相位连续。,图 二相移相信号矢量图,（a）方式A,(b)方式B,f,二进制差分相移键控（DPSK）（续）,2DPSK信号的产生 在2PSK方式中，由于解调过程中会出现“倒”现象，即相位模糊现象（相干接收PSK信号需要提供稳定的本地载波，它的初始相位是0相或是相，完全是随机的，因此很可能使相干载波与接收到的信号载波反相，于是恢复出与发送码元相反的码序列)。因此，在实际中经常采用2DPSK方式。 用源码序列 对载波进行相对（差分）相移键控，等效于将源码序列 转换为差分码形式 ，之后对载波进行绝对相移键控。 绝对码和相对码之间的关系为 2DPSK信号的功率谱

13、密度和带宽相同于2PSK信号的功率谱密度和带宽,2PSK(bk),2DPSK(ak),2PSK调制,f,二进制差分相移键控（DPSK）（续）,2DPSK信号的解调 相干解调（同步检测法或极性比较法）,二进制差分相移键控（DPSK）（续）,差分相干解调（相位比较法）,设bk-1=1； 则：bk 1 1 0 1 1,2PSK方式下:,举例：DPSK调制、解调过程 设源码序列为 =11010001011101 ，假设无传输差错,多进制调制系统,为提高传输信息的有效性（提高传信率或系统利用率）和可靠性（抗噪声性能），对基本的数字调制进行改进； 常用的多进制调制系统有 多进制键控系统，MASK、MFSK

14、、MPSK等； 高斯最小频移键控GMSK 最小频移键控MSK 正交部分响应键控QPRK 时域调制方式 幅相键控APK等,一、MASK 1、键控信号：,多进制幅度键控MASK和 多进制频率键控MFSK,2、结论 由于SMASK(t)可以看成是时间上互不相关的L个不同振幅的二电平通断键控信号的叠加，因此其功率谱密度便是L个信号的功率谱密度之和； 多电平调制信号的带宽必定和二电平调制信号带宽相同，但其信息传输速率是二电平的logL倍； 若保持与2ASK系统相同的误码率，则多进制的信噪比和二进制相比大6dB，功率消耗大，实际工程中很少采用；,二、MFSK 是二进制FSK的简单推广，又称多频制；,主要特

15、点 多频制同样具有多进制调制的一切特点，占用较宽频带，抗噪声性能低于2FSK信号； 多频制的信道利用率不高 多频制一般在调制速率不高的传输系统使用 MFSK信号的产生方式是频率选择法，获得相位不连续的MFSK信号；解调一般采用非相干解调；,三、MPSK 是多相调制，用多种相位或相位差表示数据信息，可提高通信有效性和可靠性； 常用的有4相制和8相制；,2相、4相、8相数字调制方式的向量图:,QPSK四相绝对相位键控 有两种方式：A、B方式(ITU定义） 信号表示：,四相相移键控（QPSK）,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（或相位差）来表征数字信息的调制方

16、式。 用M种相位 来表k比特码元的 种状态。假设相位数 ， 比特码元的持续时间为 。则M相调制波可以表示为 式中， 为受调相位，可有 种不同取值； 下面主要讨论四相绝对相移调制，记为4PSK或QPSK和四相相对相移调制，记为4DPSK或QDPSK。,四相相移键控（QPSK）,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a代表，后一信息比特称用b代表，双比特码元中两个信息比特ab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。,四相相移键控（QPSK）,QPSK信号的产生 调相法（B方式） 注：串/并输入信号码速率等于 ,输出信号码速率等于 ，a

17、支路和b支路信号的码元宽度为 ， 为二进制信号码元宽度。,(b),b(0),b(1),a(0),a(1),(1,0),(1,1),(0,1),(0,0),四相相移键控（QPSK）,QPSK信号的产生 相位选择法 QPSK信号的特点：在信号空间（星座图）有4个均匀分布在同圆上（恒包络）上的信号点（星点），4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,输出,四相相移键控（QPSK）,QPSK信号的功率谱特性 串并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性序列。a序列和b序列的码元周期为输入的二进

18、制序列码元周期的2倍，码元传输速率为输入的二进制序列码元传输速率的1/2。 设输入的二进制序列的码元传输速率为 ，则QPSK的第一个零点以内的频带宽度为 。此时的频带利用率为1B/Hz。,四相相移键控（QPSK）,QPSK信号的解调 相干解调 QPSK可以看作两个正交的2PSK的合成，因此QPSK解调器由两个2PSK信号相干解调器构成,2020/8/8,56,多进制调制技术与线性和恒包络组合的调制技术,现代调制技术可同时改变发射载波的包络和相位（或频率）传输数字基带数据 2个自由度，将基带数据映射到四种（更多）的射频载波信号多进制调制 信道频带受限时增加信息的传输率（即比特率），提高频带的利用

19、率 码元星座图位置距离变小引起定时误差增加，导致误码率升高 以牺牲功率获得较高的带宽效率。,2020/8/8,57,第三章 调制技术,概述 线性数字调制技术 恒包络调制技术 多进制调制技术与线性和恒包络组合的调制技术 扩频调制技术 概念 伪随机序列 直接序列扩频DS-SS 跳频与跳时扩频技术,2020/8/8,58,扩频调制技术,扩频技术是把信息的频谱展宽并进行传输的技术。 目前的许多调制方案主要设计思想之一就是最小化传输带宽，因为带宽是有限的资源 扩频技术对于单用户带宽效率很低，但多用户可以在同一频带同时使用，且干扰不明显，故频谱效率反而会高。,2020/8/8,59,扩频调制技术,伪随机和

20、类似噪声特性 扩频波形由伪噪声（PN）序列控制 PN序列是二进制序列，表现出随机性，却可在接收机方以确定方式重新产生 正确的PN序列经过相关运算可以解扩，恢复原始窄带信号。,扩频通信的直观解释,2020/8/8,60,若：d(t) 、c(t)的频域坡形为方波，d(t)传输的信息频带较窄，而PN序列频带较宽。 根据信号与系统基本理论:时域相乘，频域相卷积。 不同宽度的门函数卷积将产生一梯形波，可见经过处理后，信息的频谱被扩展了，能量被均匀分布于更宽的频带内。,2020/8/8,61,2020/8/8,62,2020/8/8,63,扩频系统框图,信源,信源编码,信道编码,载波调制,扩频调制,解调制,符号调制,信道译码,信源译码,信息输出,信 道,去掉信息冗余度， 压缩信源数码率， 提高信道传输效率,增加信道冗余度， 具有检错纠错能力 提高信道传输质量,与常规窄道通信方式区别： 信息的频谱扩展后形成宽带传输 相关处理后恢复成窄带信息数据,信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号,2020/8/8,64,扩频通信的优点,易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率 抗干扰性强，误码率低 隐秘性好 可以实现码分多址，适合数字话音和数据传输 抗多径干扰,扩频系统抗宽带干扰能力示意图,解扩前,干扰,信号,解扩