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1、数字调制解调技术 本章提示 第一代蜂窝移动通信系统采用模拟调频 （FM）传输模拟语音，其信令系统采用 2FSK数字调制。第二代数字蜂窝移动通信 系统传送的语音都是经过语音编码和信道 编码后的数字信号。GSM系统采用GMSK 调制；IS-54系统和PDC系统采用/4 DQPSK调制；IS-95 CDMA系统的下行信 道采用QPSK调制，其上行信道采用 OQPSK调制。第三代蜂窝移动通信系统将 采用MQAM、QPSK或8PSK调制。1 数字调制技术概述 1.1 概述 1.2 数字调制的性能指标 1.3 数字调制技术分类 1.4 调幅与调频1.1 概述 2G/3G/4G数字移动通信系统都使用数字调
2、制技术。 超大规模集成电路（VLSI）和数字信号处 理（DSP）技术的发展使数字调制比模拟 调制的传输系统更有效。1.1 概述新的多用途可编程数字信号处理器使得数 字调制器和解调器完全用软件来实现成为 可能。 嵌入式软件实现方法可以在不重新设计和 替换调制解调器的情况下改变和提高性能 。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（Power Efficiency）和带宽有效性B （Spectral Efficiency）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：1.2 数字调制的性
3、能指标 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：式中，R为数据速率（bit/s），B为调制射 频RF信号占用带宽。 1.2 数字调制的性能指标 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。1.2 数字调制的性能指标 因此，最大可能的BMAX为对于GSM，B = 200kHz，SNR = 10dB， 则有：1.3 数字调制技术分类 1线性调制方式 线性调制方式主要有各种进制的PSK和 QAM等。 线性调制方式又可分为频谱高效和功率高 效两种。2恒定包络调制方式恒
4、定包络调制方式主要有MSK、TFM（平 滑调频）、GMSK等。 其主要特点是这种已调信号具有包络幅度 不变的特性，其发射功率放大器可以在非 线性状态而不引起严重的频谱扩散。1.4 调幅与调频 早期VHF频段的移动通信电台大都采用调 幅方式，调幅是使高频载波信号的振幅随 调制信号的瞬时变化而变化，其所占带宽 为BAM2fm，其中，fm为音频的上限频率 。 由于信道快衰落会使模拟调幅产生附加调 幅而造成失真，目前已很少采用。1.4 调幅与调频 调频是使高频载波信号的瞬时频率随调制 信号的变化而变化，其所占带宽为B FM 2(FM1)fm，其中FM为调制指数。 调频制在抗干扰和抗衰落性能方面优于调
5、幅制，对非线性信道有较好的适应性，世 界上几乎所有的模拟蜂窝系统都使用频率 调制。1.4 调幅与调频 单边带调幅系统只传送一个边带（上边带 或下边带），所以只占用普通调幅系统一 半的带宽。 单边带调制技术对移动通信还是非常有用 的。 随着数字信号处理、大规模集成电路和新 的单边带调制解调技术的进步，单边带在 移动通信中的应用还是很有前途的。2 线性数字调制技术 理想的调制方式能够使通信在低信噪比情 况下提供低的误码率，在多径和衰落条件 下很好地工作，并且容易实现。 一种数字调制技术的分类方法将它分为线 性和非线性两类。 在线性数字调制技术中，传输信号的幅度 s(t)随调制数字信号m(t)的变化
6、而呈线性变 化。 6.2 线性数字调制技术 线性数字调制技术带宽效率较高，所以非 常适用于在有窄频带要求下，需要容纳越 来越多用户的无线通信系统。 在线性数字调制方案中，传输信号s(t)可表 示为线性数字调制方案有很好的频谱效率，但 传输中必须使用功率效率低的RF放大器。 2 线性数字调制技术 2.1 二进制幅度键控BASK 2.2 二进制相移键控BPSK 2.3 差分相移键控DPSK 2.4 四相相移键控QPSK 2.5 交错QPSK（OQPSK） 2.6 p/4四相相移键控QPSK2.1 二进制幅度键控BASK 在二进制幅度键控（Binary Amplitude Shift Keying，
7、BASK）中，载波幅度随二 进制调制信号序列m(t)变化，即幅度键 控（Amplitude Shift Keying，ASK）信 号可表示为2.1 二进制幅度键控BASK2.2 二进制相移键控BPSK 在二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）中，幅度恒定的载波信 号根据信号两种可能m1和m2（即二进制数 1和0）的改变而在两个不同的相位间切换 。 通常这两个相位相差180。由于只有两个 相位，所以二进制相移键控也称二相相移 键控。2.2 二进制相移键控BPSK 如果正弦载波的幅度为Ac，每比特能量 Eb = ，则传输的BPSK信号为 2.2 二进制相移键
8、控BPSK 出于方便，经常将m1和m2一般化为取1 或1的二进制数据信号m(t)，它呈现两种 可能的脉冲波形中的一种。这样传输信号 可表示为2.2 二进制相移键控BPSK BPSK信号使用双极性基带数据波形m(t)， 并可以表示为如下的复包络形式式中，gBPSK(t)是信号的复包络2.2 二进制相移键控BPSK 可以证明，复包络的功率谱密度（Power Spectral Density，PSD）为 2.2 二进制相移键控BPSK因此，RF上BPSK信号的PSD为 2.2 二进制相移键控BPSK图6-1 BPSK信号的功率谱密度（PSD） 2.2 二进制相移键控BPSK如果没有信道引入的多径损耗
9、，接收的 BPSK信号可表示为 2.2 二进制相移键控BPSK图2 带载波恢复电路的BPSK接收机框图2.2 二进制相移键控BPSK在分频器后乘法器的输出为 2.2 二进制相移键控BPSK对于AWGN信道许多调制方案的比特差错 概率用信号点之间距离的Q(x)函数来得到 。从BPSK信号的分布可以得到 ，相 邻点的距离为。可以证明比特差错概率为式中，Q(x)函数为2.3 差分相移键控DPSK如果不是利用载波相位的绝对数值，而是 利用前后码元之间相位的相对变化传送数 字信息，则这种方法称为相对调相。 差分相移键控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）是一种最常
10、用的相对调 相方式，采用非相干的相移键控形式。 它不需要在接收机端有相干参考信号，而 且非相干接收机容易实现，价格便宜，因 此在无线通信系统中广泛使用。2.3 差分相移键控DPSK2.3 差分相移键控DPSK图6-3 DPSK发射机框图及相关波形2.3 差分相移键控DPSK图4 DPSK接收机框图及相关波形2.3 差分相移键控DPSK当有加性高斯白噪声时，平均错误概率如 下所示为2.4 四相相移键控QPSK 四进制PSK，也称为正交相移键控（Q Phase Shift Keying，QPSK）是MPSK调 制中最常用的一种调制方式。 由于在一个调制码元中传输两个比特，四 相相移键控（QPSK）
11、比BPSK的带宽效率 高两倍。6.2.4 四相相移键控QPSK 2.4 四相相移键控QPSK 图5 QPSK信号的星座图2.4 四相相移键控QPSK 在加性高斯白噪声（AWGN）信道中平均 比特差错概率为 2.4 四相相移键控QPSK 当用矩形脉冲时，QESK信号可表示为 2.4 四相相移键控QPSK 图6-6 QPSK信号的功率谱密度2.4 四相相移键控QPSK 图7 QPSK发射机的框图 2.4 四相相移键控QPSK 图8 QPSK接收机框图2.5 交错QPSK（OQPSK） QPSK调制信号具有恒包络特性。然而，当 QPSK进行波形成型时，它们将失去恒包络 的性质。 OQPSK先对输入数
12、据作串并变换，再使其 错开半个输入码元间隔，然后分别对两个 正交的载波进行BPSK调制，最后叠加成为 OQPSK信号。它们的波形如图9所示。 6.2.5 交错QPSK（OQPSK）图9 OQPSK调制器中同相和正交支路时间交 错的波形图 2.5 交错QPSK（OQPSK）OQPSK信号一般可以写为 使用矩形脉冲的QPSK信号的功率谱密度可 以表示为 2.6 pi/4四相相移键控QPSK /4 QPSK相移调制是一种正交相移键控 技术，从最大相位跳变来看，它是OQPSK 和QPSK的折中。 它可以相干解调，也可以非相干解调，以 避免相干检测中相干载波的相位模糊问题 。 /4 QPSK调制是限制码
13、元转换时刻相位 跳变量的另一种调制方式。2.6 pi/4四相相移键控QPSK图10 /4 QPSK信号的星座图 2.6 pi/4四相相移键控QPSK图11 一般p/4QPSK的发射机框图 2.6 pi/4四相相移键控QPSK2.6 pi/4四相相移键控QPSK2.6 pi/4四相相移键控QPSK2.6 pi/4四相相移键控QPSK如果 是第k个数据比特的相位， 解调器中同相和正交支路两个低通滤波器 的输出wk和zk可表示为 wk = cos(k-) （6-34） zk = sin(k-)（6-35）2.6 p/4四相相移键控QPSK图6-12 基带差分检测器的框图2.6 p/4四相相移键控QP
14、SKxk = wkwk-1 + zkzk-1（6-36） yk = zkwk1wkzk1（6-37）xk = cos(k)cos(k1)+sin(k)sin(k 1) = cos(kk-1)（6-38） yk = sin(k)cos(k1)cos(k)sin(k 1) = sin(kk-1)（6-39） 2.6 p/4四相相移键控QPSK2.6 pi/4四相相移键控QPSK图13 pi/4 QPSK的IF差分检测器框图2.6 p/4四相相移键控QPSK图14 用FM鉴频检测器解调pi/4 QPSK的框图3 恒包络调制 3.1 二进制频移键控BFSK 3.2 最小频移键控MSK 3.3 高斯滤波
15、最小频移键控GMSK3.1 二进制频移键控BFSK 使用模拟信号调制的通信中，调频和调相 信号的幅度是不变的，通称为恒包络调制 。 这种调制可用硬限幅的方法去除干扰引起 的幅度变化，具有效高的抗干扰性能。 恒包络调制具有许多优点，但它们占用的 带宽比线性调制大。3.1 二进制频移键控BFSK 3.1 二进制频移键控BFSK FSK信号的传输带宽BT，由Carson公式给 出，即 3.1 二进制频移键控BFSK 图15 FSK信号的相干解调方框图3.1 二进制频移键控BFSK 下面公式给出相干FSK接收机的误码率为 3.1 二进制频移键控BFSK 图16 非相干FSK接收机的方框图3.1 二进制频移键控BFSK使用非相干检测时FSK系统的平均误码率 为3.2 最小频移键控MSK 连续相位调制（Continuous Phase Modulation，CPM），它泛指载波相位以 连续形式变化的一大类频率调制技术。 最小频移键控（Minimum Shift Keying， MSK）是一种特殊的连续相位的频移键控 （Continuous Phase Frequency Shift Keyi
