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1、无线通信技术基础第9章、调制解调技术内容介绍n调制解调技术是各种通信教材都会涉及到的一个题目，这里我们将注意力集中在用于移动通信系统中的调制和解调技术。许多调制技术都曾经用于移动通信系统，从早期的模拟调制到现在的数字调制，而且这种研究还会一直进行下去。n在移动无线信道中，信号的传播环境非常恶劣，设计一个能够抵抗移动信道衰落和干扰特性的调制方案，是一项极具挑战性的工作。n调制的最终目的就是要在无线信道中占用最少的带宽同时以尽可能好的质量来传输信息，数字信号处理技术的发展不断带来新的调制和解调技术并投入应用。本章将介绍一些实用的调制技术在通信系统中的应用，以及它们在不同信道中的性能。本章重点1模拟
2、调制技术。2数字调制技术。3脉冲成形技术。4调制信号的星座图。5线性调制和非线性调制。6组合调制技术。7扩频调制技术。8无线信道中的调制方案的选择。第9.1节、概述n基带传输：如果将基带信号直接传输，就称为基带传输。n调制传输：很多信道（特别是无线信道）都不适宜进行基带信号的直接传输，原因是基带信号直接传输会产生很大的衰减和失真，接收端将无法正常还原信号，因此，通常都需要将基带信号变换为适合信道传输的载波形式，这就是调制传输。n调制就是对信源的基带信号进行处理，使其变成适合于信道传输的载波形式的过程。一般说来，调制是把信源的基带信号转变为一个相对于基带频率而言频率高很多的频带信号，这个频带信号
3、叫做已调制信号（或已调制载波），而基带信号叫做调制信号。未调制的载波是正弦波，调制可以通过让高频正弦载波的幅度、频率或者相位随着基带信号幅度的变化而改变来实现。而解调则是从高频已调制载波中将基带信号提取出来，送到指定的接收者（信宿）去处理和理解的过程。第9.2节、模拟调制n调制方式的选择对通信系统的性能有很大的影响，早期的通信系统大多采用模拟调制技术。模拟调制就是以连续波形的模拟信号作为基带信号，使高频正弦载波的某个参数（幅度、频率、相位）连续地与基带信号相对应的调制方式。n频率调制（FM）是早期的移动通信系统中普遍采用的模拟调制技术。采用FM方式时，载波的幅度保持不变，而频率随着调制信号的变
4、化而改变，在已调载波的频率特性中就包含了调制信号的所有信息。n幅度调制（AM）是另外一种在通信系统中常用的模拟调制技术。采用AM方式时，将调制信号的幅度叠加于载波之上，调制信号的所有信息包含在已调载波的幅度中，接收信号的质量与接收信号的能量之间是线性关系。nFM相对于AM而言有许多优点，包括有更好的抗噪声和抗衰落性能，可以用带宽效率换取功率效率等等，在模拟系统中一般是更好的选择。第9.3节、幅度调制1、双边带调幅n调幅信号的表达式：n调制指数：调制信号峰值与载波峰值之比（AmAC），一般用百分数表示。n调幅信号的波形（调幅指数=50%）：第9.3节、幅度调制n常规的AM是一种双边带调制，信号频
5、谱由一个载波频率上的冲激和两个与调制信号频谱相同的边带构成，在载波频率的上、下有两个对称的边带，分别被称为上边带和下边带。第9.3节、幅度调制2、单边带调幅n调幅信号的上、下两个边带包含有完全相同的信息，去掉其中一个边带并不会损失任何信息。单边带调幅系统只传送一个边带（上边带或下边带），只占用普通调幅系统的一半带宽。第9.3节、幅度调制3、导频音单边带调幅n单边带调幅具有占用带宽小的优点，但它的抗信道衰落性能却很差。可以通过在单边带信号中同时传送一个低幅度的导频音来解决这一问题，接收机可以检测到这个导频音，并用它来锁定本地振荡器的频率和幅度。n常用的导频音单边带系统是将一个低幅度的导频音插入到
6、边带内（带内音），带内音系统有很多优点，它特别适合移动无线环境。在这种技术中，音频频谱的一小部分通过陷波滤波器从音频边带的中心移走，而低幅度导频音则被插入到这个地方，既保留了单边带信号占用带宽小的优点，同时又提供了很好的对相邻信道的保护。由于带内导频音和音频信号经历的衰落相同，带内音系统可以用某种形式的前向自动增益和频率控制方法来减轻多径效应的影响。第9.3节、幅度调制4、幅度调制的解调n在AM通信系统中，接收到的已调制信号首先在载波的射频频率上进行放大和滤波，然后将射频信号变换为中频信号，中频信号要完全保留射频信号的频谱形状，最后对中频信号进行幅度解调。n调幅信号的解调技术大致分为两类：相关
7、解调和非相关解调。相关解调需要在接收端知道发射载波的频率和相位，而非相关解调则不需要知道有关相位的信息。n调幅信号的相关解调一般采用乘积检波器。调幅信号的非相关解调经常使用低成本而且容易制造的非相关包络检波器。n一般情况下，只有当输入信号的信噪比SN10dB时，包络检波器才可以使用。而乘积检波器在输入信号的信噪比远远低于10dB时仍然可以用于调幅信号的解调。第9.4节、角度调制1、调频和调相n角度调制包括频率调制（FM）和相位调制（PM），即正弦载波的频率或相位随着基带调制信号的幅度变化而改变。在角度调制中，载波的幅度是保持不变的，因此角度调制被称为恒包络调制。n调频信号的表达式：n调相信号的
8、表达式：第9.4节、角度调制2、频率调制n产生调频信号有两种方法：直接法和间接法。在直接法中，载波频率直接随着输入的调制信号的变化。在间接法中，先用平衡调制器产生一个窄带调频信号，然后通过倍频把频偏和载波频率提高到需要的水平。nFM解调的主要技术有：倾斜检波、过零检波、锁相环鉴频检波和积分检波等等。能进行FM解调的器件通常叫做鉴频器。n在FM系统中，接收到的信号同样也是先在射频频率上进行放大和滤波，再变换成中频调制信号，中频调制信号频谱与接收到的射频调制信号相同，最后对中频调制信号进行解调，恢复出调制信号的原始信息。n调频系统可以通过在发射端调整调制指数而不是发射功率来提高接收性能，即可以通过
9、增加带宽来换取信噪比特性的改善。在调幅系统中就不能这样，线性调制不允许以带宽换取信噪比的改善。第9.5节、数字调制n用离散的数字信号作为基带信号对载波进行调制就是数字调制。数字调制同样对应于载波的幅度、频率和相位这三个参数，但参数变化不再是连续的，包括：幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。n现代通信已经进入数字时代，除了一些特殊的应用场合，模拟调制技术已经完全被数字调制技术所取代，现代移动通信系统都使用数字调制技术。n数字调制与模拟调制相比有许多优点，包括：更好的抗噪声性能、更强的抗信道衰落能力、更容易复用各种不同形式的综合信息（如声音、数据和图像）和更好的安全性等等。
10、除此之外，数字传输系统可以适应检查和纠正传输差错的数字差错控制编码，并且支持复杂的信号处理技术，比如信源编码、信道编码、均衡、加密和交织技术等。n数字调制技术的广泛应用得益于数字信号处理技术和超大规模集成电路技术的飞速发展。第9.5节、数字调制n数字调制信号可以用符号或脉冲的时间序列来表示，其中每个符号可以有M种有限的状态，每个符号代表N比特的信息，N=log2M比特符号。n例如，相移键控（PSK）调制每个符号可以代表“M=2N”种状态（M=2、4、8、2N），形成了PSK调制系列：BPSK、QPSK、8PSK、MPSK，这取决于信息在单个符号上的表示方式。QPSK的一个符号代表二进制编码的2
11、个比特，可以表示4种状态：00、01、10、11。8PSK的一个符号代表二进制编码的3个比特，可以表示8种状态：000、001、010、011、100、101、110、111。以此类推，M的取值越大（N越大），在一定的频率带宽内就可以传输更高速率的信息比特（带宽效率越高）。第9.5节、数字调制1、功率效率和带宽效率n在实际的移动通信系统中，究竟选择哪种数字调制技术会受到很多因素的影响。一个适合的调制方式不仅要在较低信噪比的条件下提供很低的比特误码率、对抗多径衰落的性能良好、占用最小的信道带宽，而且还必须容易实现、价格低廉。调制方式的性能常用它的功率效率和带宽效率来衡量，在某个具体系统选择数字调
12、制方案时，需要在这两个方面进行折衷。n功率效率：描述一种调制技术在低功率情况下保持数字信息正确传送的能力。在数字通信系统中，为了保证一定水平的可以接受的比特误码率，所需要的信号功率和信噪比都取决于所采用的调制方式。通常表示为特定误码率下的EbN0或CN（SN）。n带宽效率：描述一种调制技术在有限的带宽内传输数据的能力。定义为每Hz频带内可以传输的数据速率的吞吐量值，B=RB（bpsHz）。第9.5节、数字调制n在数字通信系统中，经常需要在功率效率和带宽效率之间进行折衷。例如，采用信道编码技术会增加占用带宽（降低了带宽效率），但同时对于给定的误码率所必需的信噪比可以降低（提高了功率效率），以带宽
13、效率换取了功率效率。反过来，采用更多进制的调制方案可以降低占用带宽，但同时提高了所必需的信噪比，是以功率效率换取了带宽效率。n确定数字调制方案时，但同时还要考虑其它的一些因素。例如，对于服务于众多个人用户的移动通信系统，用户终端的复杂程度、成本、体积和功耗都必须降到最小，制造工艺简单的调制技术最有吸引力。信道衰落环境也是选择调制方案时需要考虑的关键因素之一。在干扰为主要问题的无线蜂窝系统中，调制方式在干扰环境中的性能显得极为重要。对时变信道造成的延时抖动的检测灵敏度也是在选择调制方案时要考虑的重要因素。可以通过仿真技术进行分析，最终确定调制方案的选择。第9.5节、数字调制2、数字调制信号的频谱
14、n理想的数字调制信号的频谱是矩形的，但实际的信号频谱是发散为梯形的，数字信号的绝对带宽定义为：信号的非零值功率谱所占用的频率范围。n绝对带宽是很难衡量的，在通信工程中，普遍采用3dB带宽和占用带宽来衡量数字信号频谱的发散程度。3dB带宽定义为信号的功率谱密度比峰值降低3dB（功率下降到峰值的一半）时的频率范围，3dB带宽也叫做半功率带宽。但是，3dB带宽并不是信号频谱的实际占用带宽，实际占用带宽比3dB带宽要大。一般用信号的功率谱密度低于峰值的一个给定值（例如40dB）时所占用的频率范围，作为实际占用带宽的标称，也称为最低功率谱密度带宽。n另外一种比较常用的规定占用带宽的方式，是以带外的信号功
15、率占总功率的某一给定的百分比为标准，一般称之为功率比例带宽。第9.5节、数字调制第9.6节、脉冲成形技术n数字通信系统中的信号可以看作是矩形脉冲，当矩形脉冲通过限带信道时，脉冲会在时间上延伸，一个符号的脉冲将廷伸到相邻符号的时间间隔内，这会造成码间干扰，并导致接收误码增加。虽然增加信道带宽可以减少码间干扰，然而，移动无线系统受到总带宽资源的限制需要占用尽量小的信道带宽，在减小码间干扰的同时，还必须减少调制带宽和抑制带外辐射。n脉冲成形技术可以用来同时减少码间干扰和已调制数字信号的带宽。在射频频率上对发射机的频谱直接进行操作是很难的，因此，脉冲成形技术一般在基带信号或中频频率上进行。n常用的两种
16、脉冲成形技术是：p奈奎斯特滤波器。p高斯滤波器。第9.7节、调制信号的星座图n星座图：每种可能符号状态的复包络对应的空间信号矢量端点的分布图。星座图的X轴表示复包络的同相分量，Y轴表示复包络的正交分量。矢量空间中的任意一点，都可表示为基元信号的线性组合，基元信号在时间轴上相互正交，每个基元信号都归一化为具有单位能量，基元信号可以视为构成了矢量空间的坐标系统。n调制方案的很多特性可以根据它的星座图得到。随着信号点数的增加（星座密集），调制方案的带宽效率相应提高。而误码率则与星座中最近的点之间的距离成正比，因此星座密集的调制方案的功率效率低。带宽效率和功率效率是一对矛盾，在选择调制方式时需要根据实际情况进行折衷。n例如，BPSK和QPSK对比，BPSK的带宽效率低、功率效率高；QPSK的带宽效率高、功率效率低。采用更高进制的调制方式，如8PSK、16QAM、64QAM等还可以进一步提高带宽效率，但也会进一步损失功率效率。第9.5节、数字调制第9.8节、线性调制n数字调制技术可以大致分为线性调制技术和非线性调制技术。n在线性调制技术中，传输信号的幅度随着数字调制信号的变化而线性变
