数字调制技术.ppt

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第4章数字调制技术,4.1引言4.2线性调制技术4.3恒包络调制技术4.4“线性”和“恒包络”相结合的调制技术4.5正交频分复用（OFDM）技术4.6扩频调制技术4.7在多径衰落信道中的调制性能分析,4.1引言,移动通信的数字调制要求是:

（1）必须采用抗干扰能力较强的调制方式（采用恒包络角调制方式以抗严重的多径衰落影响）；

（2）尽可能提高频谱利用率:

占用频带要窄，带外辐射要小（采用FDMA、TDMA调制方式）；占用频带尽可能宽，但单位频谱所容纳的用户数多（采用CDMA调制方式）；（3）具有良好的误码性能。

4.1.1影响数字调制的因素,数字调制方式应考虑如下因素：

抗扰性，抗多径衰落的能力，已调信号的带宽，以及使用、成本等因素。

好的调制方案应在低信噪比的情况下具有良好的误码性能，具有良好的抗多径衰落能力，占有较小的带宽，使用方便，成本低。

4.1.2数字调制的性能指标数字调制的性能指标通常通过功率有效性p（PowerEfficiency）和带宽有效性B（SpectralEfficiency）来反映。

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：

（4-1）,（4-2）,由香农（Shannon）定理：

式中，C为信道容量；B为RF带宽；S/N为信噪比;lb=loga,a=2。

因此，最大可能的BMAX为,对于GSM，B=200kHz,SNR=10dB,则有：

（4-3）,（4-4）,4.1.3当今蜂窝系统、PCS（个人通信系统）和无绳电话采用的主要调制方式当今蜂窝系统、PCS和无绳电话采用的主要调制方式见表4-1。

表4-1蜂窝系统、PCS和无绳电话采用的主要调制方式,4.2线性调制技术,数字调制技术可广义分为线性和非线性调制两类。

在线性调制中,发射信号s（t）的幅度随调制信号a（t）线性变化。

线性调制技术（LinearModulationTechniques）具有频道利用率高的优点。

因而对无线通信系统的应用有很大吸引力。

在线性调制方案中,发射信号s（t）可表示如下：

（4-5）,（4-6）,4.2.1二进制移相键控（BPSK）,1.BPSK信号的表示式sBPSK（t）,0tTb1,0tTb0,（4-7）,或写成：

式中，Tb为码元宽度，a（t）为调制信号。

因此,BPSK可采用平衡调制器产生。

（4-8）,（4-9）,2.BPSK的功率谱密度PBPSK,式中，gBPSK为信号复包络。

信号复包络的功率谱密度为,所以，BPSK的功率谱密度PBPSK为,BPSK接收机如果信道无多径传输出现,接收端的BPSK信号可表示为,式中,ch是相对于信道时延有关的相位。

图4-1带载波恢复电路的BPSK接收机,式中:

4.2.2差分移相键控（DPSK）DPSK避免了接收机需要相干参考信号。

这在非相干接收机中比较容易实现，且价格低廉，因而广泛应用于无线通信系统。

DPSK调制器框图如图4-2所示。

图中有,图4-2DPSK调制器框图,图4-3差分编码实现,图4-4DPSK接收机框图,表4-2DPSK的编码和译码,在加性白噪声（AWGN，AdditiveWhiteGaussianNoise）情况下，DPSK的误码率Pe,DPSK为,4.2.3正交移相键控QPSK（4PSK）,由于在一个调制符号中发送2bit,QPSK较BPSK频带利用率提高了一倍。

载波相位取四个空间相位0、/2,和3/2中的一个，每个空间相位代表一对惟一的比特。

QPSK信号可写成：

0tTsi=1,2,3,4,Ts是符号间隙,等于两个比特周期,上式可进一步写成:

假设：

0tTs,0tTs,则有,i=1,2,3,4,图4-5QPSK信号矢量图（a）/4系统；（b）/2系统,图4-6/2-QPSK系统调制器原理框图,图4-7/2-QPSK系统解调器原理框图,/4-QPSK系统的调制器和解调器原理框图也可以用类似方法实现，只要把两个载波cosct和sinct分别用cos（ct+45）和sin（ct+45）代替就可以了。

在加性白噪声性能下，QPSK的误码率Pe,QPSK为,QPSK和BPSK的误码性能相同。

由于在相同的带宽情况下，QPSK较BPSK发送数据多一倍。

因此，QPSK频谱利用率高一倍。

QPSK信号的功率谱密度PQPSK为,由符号包络为矩形脉冲和余弦脉冲成型的QPSK信号的归一化功率谱密度如图4-8所示。

图4-8QPSK信号的功率谱密度,4.2.4交错正交四相相移键控（OQPSK）限带后的QPSK已不能保持恒包络。

相邻符号之间发生180相移时，经限带后会出现包络过零的现象。

反映在频谱方面，出现边瓣和频谱加宽的现象。

为防止出现这种情况，QPSK使用效率低的线性放大器进行信号放大是必要的。

QPSK的一种改进型是交错QPSK（OffsetQPSK）。

OQPSK对出现边瓣和频宽加宽等有害现象不敏感，可以得到效率高的放大。

图4-9QPSK的相位关系图,图4-10OQPSK信号调制器框图,图4-11OQPSK的I、Q信道波形及相位路径,图4-12OQPSK相位关系图,4.2.5/4-QPSK/4-QPSK调制是对OQPSK和QPSK在实际最大相位变化进行折衷。

它可以用相干或非相干方法进行解调。

在/4-QPSK中，最大相位变化限制在135。

因此，带宽受限的QPSK信号在恒包络性能方面较好，但是在包络变化方面比OQPSK要敏感。

非常吸引人的一个特点是，/4-QPSK可以采用非相干检测解调，这将大大简化接收机的设计。

在采用差分编码后，/4-QPSK可成为/4-DQPSK。

设已调信号为,（4-29）,式中，k为kTt（k+1）T间的附加相位。

上式展开为,式中，k是前一码元附加相位k-1与当前码元相位跳变量k之和。

当前相位的表示如下：

设当前码元两正交信号分别为：

令前一码元两正交信号幅度为UQm=sink-1,UIm=cosk-1，则有：

1./4-QPSK信号的产生表4-3给出了双比特信息Ik，Qk和相邻码元间相位跳变k之间的对应关系。

由表可见，码元转换时刻的相位跳变量只有/4和3/4四种取值，所以信号的相位也必定在如图4-13所示的“”组和“”组之间跳变,而不可能产生如QPSK信号以的相位跳变。

信号的频谱特性得到较大的改善。

同时也可以看到UQ和UI只可能有0，1/，1五种取值,且0，1和1/相隔出现。

表4-3Ik,Qk与k的对应关系,图4-13/4-QPSK的相位关系图,图4-14/4-QPSK调制电路,2./4-QPSK信号的解调,1）基带差分检测（BasebandDifferentialDetection）,图4-15基带差分检测电路,设接收信号为,kTt（k+1）T,s（t）经高通滤波器（）、相乘器、低通滤波器（LPF）后的两路输出xk,yk分别为：

式中，0是本地载波信号的固有相位差。

xk,yk取值为1,0,令基带差分变换规则为：

由此可得：

0对检测信息无影响。

接收机接收信号码元携带的双比特信息判断如下：

图4-16中频延迟差分检测电路,2）中频延迟差分检测（IFDifferentialDetection）中频延迟差分检测电路如图4-16所示。

该检测电路的特点是在进行基带差分变换时无需使用本地相干载波。

kTt（k+1）T,经延时电路和/2相移电路后输出电压为：

kTt（k+1）T,kTt（k+1）T,x（t）,y（t）经LPF滤波后输出电压为：

此后的基带差分及数据判决过程与基带差分检测相同。

s（t）经分别与s1（t）,s2（t）经相乘后的输出电压为：

3）鉴频器检测（FMdiscriminator）图4-17给出了/4-QPSK信号的鉴频器检测工作原理框图。

输入信号先经过带通滤波器，而后经过限幅去掉包络起伏。

鉴频器取出接收相位的瞬时频率偏离量。

通过一个符号周期的积分和释放电路，得到两个样点的相位差。

该相位差通过四电平的门限比较得到原始信号。

相位差可以用模2检测器进行检测。

图4-17/4-QPSK信号的鉴频器检测工作原理框图,3./4-QPSK信号的性能,1）频谱特性,图4-18/4-QPSK信号的功率谱密度曲线（a）无负反馈控制;（b）有负反馈控制,2）误码性能误码性能与所采用的检测方式有关。

采用基带差分检测方式的误比特率与比特能量噪声功率密度比（Eb/N0）之间的关系式为,式中,是参量为的K阶修正第一类贝塞尔函数。

在稳态高斯信道中，根据式（449）可作出/4-QPSK基带差分检测误码性能曲线如图4-19所示。

它比实际的差分检测曲线好2dB功率增益，比QPSK相干检测曲线差3dB功率增益。

在快瑞利衰落信道条件下，误码性能曲线如图4-20所示。

它是以多普勒频移fD作为参量所作的一组曲线。

由图可见，当fD=80Hz时，只要Eb/N0=26dB，可得误码率BER10-3，其性能仍优于一般的恒包络窄带数字调制技术。

实践证明，/4-QPSK信号具有频谱特性好，功率效率高，抗干扰能力强等特点。

可以在25kHz带宽内传输32kb/s的数字信息，从而有效地提高了频谱利用率，增大了系统容量。

对于大功率系统，易进入非线性，从而破坏线性调制的特征。

因而在数字移动通信中，特别是低功率系统（如PHS，即目前我国“小灵通”系统）中得到应用。

图4-19稳态高斯信道中的误码性能曲线,图4-20快衰落信道条件下的误码性能曲线,4.3恒包络调制技术,许多实际的移动无线通信系统都使用非线性调制方法。

不管调制信号的变化,保证载波振幅恒定，即所谓的恒包络调制（ConstantEnvelopeModulation）。

恒包络调制具有以下优点:

功率放大器工作在C类,不会引起发射信号占用频谱增大。

带外辐射低:

-60-70dB。

使用简单限幅器-鉴频器检测，便可抗随机FM噪声和由于瑞利（Rayleigh）衰落造成的影响，且简化了接收机电路。

4.3.1最小频移键控MSK,1.MSK信号的性质虽然OQPSK和/4-QPSK信号消除了QPSK信号中180的相位突变，但并没有从根本上解决包络起伏的问题。

一种能够产生恒定包络连续相位信号的调制称为最小频移键控，简称MSK,有时亦称为FastFSK（FFSK）。

MSK是2FSK的一种特殊情况。

它具有正交信号的最小频差，在相邻符号的交界处保持连续。

这类连续相位FSK（CPFSK）可表示为,（4-50）,式中：

（t）是随时间变化而发生连续变化的相位，fc为载波频率，A为已调信号幅度。

由2FSK信号的如下正交条件：

可知，最小频差为,式中：

f1和f2分别为2FSK信号的两个频率，Ts为信号码元间隔，Tb为二进制信息的间隔。

此时有:

式中，k为初始相位。

由此MSK信号可写为,式中，ak=1，分别表示二进制信息。

当码元为1时，则信号为：

ak=1,ak=-1,式中：

传号角频率,空号角频率,定义两个信号sm（t）与ss（t）的波形相关系数为,信号能量的表示式为,可求得,为便于控制，希望两个信号正交，而两个信号正交条件是相关系数为零。

首先令,n=1,2,3,则,（4-63）,此式说明，每个码元宽度是1/4个载波周期的整数倍。

此条件满足后，相关系数可写为,时，则=0。

此时，sm（t）和ss（t）两信号正交。

当n=1时，（m-s）Tb=为最小频差。

设调制系数为,2.MSK信号的波形,由于MSK信号在码元期间内，具有整数倍的1/4个载波周期，若式（4-63）中的n为,式中，N为第n个码元周期内载波周期数；m为第n个码元周期内1/4个载波周期数。

因而，式（4-63）可写为,（N为整数，m=1,2,3,4）,由此可求得传号频率fm、空号频率fs和两频率之差的表达式：

设码序列ak=+1,-1,-1,+1,+1,+1，其传输比特率rb=16kb/s=1/Tb，载频为fc=