西电 现代数字调制解调技术教材

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1、现代数字调制解调技术 现代数字调制解调技术 主要研究内容 (1) 减小信号带宽提高频谱利用率； (2) 提高功率利用率增强抗干扰性能； (3) 适应各种随参信道增强抗多径抗衰落 能力 ； (4) 数字信号处理实现技术。 现代数字调制技术 (1) 正交振幅调制(QAM)； (2) 正交频分复用(OFDM) ； (3) 最小移频键控(MSK) ； (4) 高斯最小移频键控(GMSK) ； (5) DQPSK ； (6) 扩频调制。 一、正交振幅调制(QAM) 在现代通信中，提高频谱利用率一 直是人们关注的焦点之一。近年来，随 着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱 利用率高的数字调制方式已成为数字通

2、信系统设计、研究的主要目标之一。其 中正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一种频谱利 用率很高的调制方式。在中、大容量数 字微波通信系统、有线电视网络高速数 据传输、卫星通信系统等领域得到广泛 应用。 1.信号星座图 信号矢量端点的分布图称为星座图。通 常，可以用星座图来描述QAM信号的信号空 间分布状态。对于的16QAM来说，有多种分 布形式的信号星座图。两种具有代表意义的 信号星座图如下图所示。 2. QAM信号调制 其中QAM中的振幅可以表示为 QAM信号调制原理图如下图所示。图中， 输入的二进制序列经过串/并变换器输出速率减 半的两路

3、并行序列，再分别经过2电平到L电平 的变换，形成L电平的基带信号。为了抑制已 调信号的带外辐射，该电平的基带信号还要经 过预调制低通滤波器，再分别对同相载波和正 交载波相乘。最后将两路信号相加即可得到 QAM信号。 以主瓣宽度作为MQAM 信号带宽， 则MQAM调制方式的频谱利用率为 二、最小移频键控(MSK) 由于一般移频键控信号相位不连续、频偏 较大等原因，使其频谱利用率较低。 MSK(Minimum Frequencyshift-keying) 是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。MSK 称为最小移频键控，有时也称为快速移频键控 (FFSK)。所谓“最小”是指这种调制方式能以最 小的调

4、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传输 更高的数据速率，且在带外的频谱分量要比 2PSK衰减的快。 1. MSK的基本原理 MSK是恒定包络连续相位频率调制，其信 号的表示式为： 称为附加相位函数； 为输入第 个码元， 取值为 ； 为第 个码元的相位常数。 中心频率为： 两个频率可表示为： 由此可得频率间隔为 MSK信号的调制指数为 附加相位函数 是一直线方程，其斜率为 MSK的相位网格图 MSK信号具有以下特点 (1)MSK信号是恒定包络信号； (2)在码元转换时刻信号的相位是连续 的，以载波相位为基准的信号相位 在一个码元期间内线性地变化

5、； (3)在一个码元期间内，信号应包括四 分之一载波周期的整数倍，信号的 频率偏移等于 ，相应的调制指 数 。 MSK信号的功率谱 2. MSK调制解调原理 MSK信号的一般表示式为 调制器原理图 鉴频器解调原理图 相干解调器原理图 3. MSK的误比特率性能 各支路的误码率为 式中 为信噪比 系统的总误比特率为 MSK系统误比特率曲线 三、高斯最小移频键控(GMSK) 在移动通信中，对信号带外辐射功 率的限制十分严格，一般要求必须衰减 70dB以上。从MSK信号的功率谱可以看 出，MSK信号仍不能满足这样的要求。 高斯最小移频键控(GMSK)就是针对上述 要求提出来的。GMSK调制方式能满足

6、 移动通信环境下对邻道干扰的严格要求 ，它以其良好的性能而被泛欧数字蜂窝 移动通信系统(GSM)所采用。 1. GMSK的基本原理 为了压缩MSK信号的功率谱， 可在MSK调制前加入预调制滤波器 ，对矩形波形进行滤波，得到一种 新型的基带波形，使其本身和尽可 能高阶的导数都连续，从而得到较 好的频谱特性。 GMSK调制原理 预调制滤波器主要特性 (1) 带宽窄并且具有陡峭的截止特性； (2) 脉冲响应的过冲较小； (3) 滤波器输出脉冲响应曲线下的面积 对应于 的相移。 其中条件(1)是为了抑制高频分量；条件 (2)是为了防止过大的瞬时频偏；条件(3)是 为了使调制指数为0.5。 高斯低通滤波

7、器特性 单位冲击响应 传输函数 高斯预调制滤波器的脉冲响应 GMSK信号的相位路径 GMSK信号的功率谱 GMSK信号 的眼图 2. GMSK的调制与解调 锁相环(PLL)法 波形存储正交调制器 1比特差分解调器 2比特差分解调器 3. GMSK系统的性能 GMSK信号相干解调的误比特率下界为 式中 为发送数据“1”和“0”之间的最 小距离 归一化最小信号距离 GMSK信号误比特性能 四、正交频分复用 (OFDM) OFDM是一种并行体制，它是将 高速率的串行信息数据流经串/并变 换，分割为若干路低速率并行数据 流，然后每路低速率数据采用一个 独立的载波调制并叠加在一起构成 发送信号。 OFD

8、M方式作为一种高效调制技 术，具有较强的抗多径传播和频率 选择性衰落的能力以及较高的频谱 利用率。 OFDM系统已成功地应用于接 入网中的高速数字环路HDSL、非对 称数字环路ADSL，高清晰度电视 HDTV的地面广播系统。在移动通 信领域，OFDM是第三代移动通信 系统采用的技术之一。 1. OFDM基本原理 OFDM是把高速串行的数据流通 过串并变换，变成低速的并行数据 流，再根据调制方式把并行的数据 流进行映射为各路并行的调制符号 流，对一组正交载波进行调制，各 路已调信号相加后，形成OFDM信 号。 在接收端根据OFDM信号中各 载波之间正交的特点，采用相关接 收的方法，分离各路已调信

9、号，并 恢复出基带调制符号流，再根据系 统调制的方式，恢复出并行数据流 ，通过并串变换恢复出发送的高速 串行数据流。 OFDM信号数学表示形式 式中 为第m个子载波角频率 为第m个子载波上的复数信号, 在一个符号期间为常数，则有 子载波已调信号功率谱密度 OFDM合成信号功率谱密度 2.OFDM信号调制与解调 OFDM信号产生原理 OFDM信号的产生是基于快速离散 傅立叶变换实现的，输入的二进制数据 序列先进行串/并变换。根据OFDM符号 间隔 ，将其分成 个比特一 组。这 个比特被分配到N个子信道上 ，经过编码后映射为N个复数子符号。采 用2N点快速离散傅立叶反变换(IFFT)将 频域内的N

10、个复数子符号变换成时域中的 2N个实数样值，加上循环前缀之后就构 成了实际的OFDM发送符号。 D/A转换 器和低通滤波器输出基带信号。最后经 过上变频输出OFDM信号。 OFDM信号接收端原理 OFDM信号接收端的处理过程与发送 端相反。接收端输入OFDM信号首先经 过下变频变换到基带，A/D转换、串/并 变换后的信号去除循环前缀，再进行2N 点快速离散傅立叶变换(FFT)得到一帧数 据。为了对信道失真进行校正，需要对 数据进行单抽头或双抽头时域均衡。最 后经过译码判决和并/串变换，恢复出发 送的二进制数据序列。 为了使信号在IFFT、FFT前后功率保持 不变，DFT和IDFT应满足以下关系

11、 在OFDM系统中，子载波的数量应 根据信道带宽、数据速率以及符号周期 来确定。OFDM系统采用的调制方式应 根据功率及频谱利用率的要求来选择。 常用的调制方式有QPSK和16QAM方式 。另外，不同的子信道还可以采用不同 的调制方式，特性较好的子信道可以采 用频谱利用率较高的调制方式，而衰落 较大的子信道应选用功率利用率较高的 调制方式，这是OFDM系统的优点之一 。 3. OFDM系统性能 抗脉冲干扰 OFDM系统抗脉冲干扰的能力比单 载波系统强很多。这是因为对OFDM信 号的解调是在一个很长的符号周期内积 分，从而使脉冲噪声的影响得以分散。 事实上，对脉冲干扰有效的抑制作用是 最初研究多

12、载波系统的动机之一。提交 给CCITT的测试报告表明，能够引起多 载波系统发生错误的脉冲噪声的门限电 平比单载波系统高lldB。 抗多径传播与衰落 OFDM系统把信息分散到许多个载波 上，大大降低了各子载波的信号速率， 使符号周期比多径迟延长，从而能够减 弱多径传播的影响。若再采用保护间隔 和时域均衡等措施，可以有效降低符号 间干扰。 保护间隔原理 为了减小由于信道的多径色散带来 的码间干扰和子信道之间的串扰，通常 在发送之前，在各符号之间插入保护时 间间隔 频谱利用率 OFDM信号载波间距为 ，若将信 号两侧的旁瓣忽略，则频谱宽度为 若信号星座信号点数为M，则比特率为 OFDM的频谱利用率为 MQAM调制方式的频谱利用率为 OFDM系统的频谱利用率比串行系统提高近一倍 。