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1、多进制数字调制 现代数字调制解调技术简介通信原理第二十七讲第九章 多进制数字调制 多进制数字调制系统概述 多进制数字振幅调制MASK原理及抗噪声性能 多进制数字频率调制MFSK原理及抗噪声性能 多进制数字相位调制MPSK原理及抗噪声性能 振幅相位联合调制系统MAPK(MQAM、MQPR) 恒包络调制问题* 偏移四相相移键控OQPSK* 最小移频键控MSK* 高斯最小移频键控GMSK* SFSK、TFM、时频调制*MASK/MPSK振幅相位联合调制系统 MASK、MPSK得出：系统带宽一定的条件下，多进 制调制比二进制调制有较高的频带利用率 随M增加，在信号空间中各信号点的最小距离减小， 相应的
2、判决区域也随之减小，受干扰后错误概率增大 。 单独使用振幅或相位携带信息时不能最充分地利用信 号平面：MASK信号矢量端点在一条轴上分布； MPSK矢量端点在一园上分布。随M增加，这些端点 间的最小距离减小。 为充分利用信号平面，将这些矢量端点重新合理分布 ，可在不减小最小距离情况下增加信号矢量端点的数 目振幅相位联合调制系统 星座图星座调制16PSK16QAM16APKQAM：正交幅度调制 APK：幅度相位联合键控 振幅相位联合调制系统 一般表达式MAPK信号 可以看作两 个正交调制 信号之和正交振幅调制 QAM 正交振幅调制QAM原理 用两个独立的基带波形对两个互相正交的同频载 波进行抑制
3、载波的双边带调制(DSB-SC)，利用这 种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现 两路并行的数字信息传输。正交振幅调制 QAM 正交振幅调制QAM原理 当mQ(t)是mI(t)的希尔伯特变换时正交振幅调制就 变成了单边带调制当mI(t)、mQ(t)取值为1时，正交振幅调制和 QPSK完全相同 基带信号为多电平时，构成多电平正交振幅调制 MQAM正交振幅调制 QAM MQAM星座图 M=4,16,64,256为矩 形；M=32,128为十 字形。前者M为2的 偶次方，即每个符 号携带偶数个比特 信息；后者为2的奇 次方，每个符号携 带奇数个比特信息 。正交振幅调制 QAM MQAM与MPSK
4、最小距离 为便于比较，归一化A=1 M=4 M=16抗干扰能力 优于MPSK正交振幅调制 QAM MQAM与MPSK的最大功率与平均功率 对于MQAM，可以得出： 对于MPSK，由于其包络恒定，因此最大功率 与平均功率相等 对于16QAM与16PSK正交振幅调制 QAM MQAM的调制与解调（正交调幅法）正交振幅调制 QAM MQAM的调制与解调（正交调幅法） 2L电平变换将速率为Rb/2的序列变成速率为Rb/log2M 的L电平信号。 与两正交载波相乘，再相加后得MQAM信号。 正交相干解调方法，L电平用L-1个门限电平的判决器判 决后，分别恢复出速率为Rb/2的二进制序列。再并/串变 换成
5、Rb的序列。 MQAM信号可看成二正交DSB-SC信号相加。因此在 MQAM与MPSK在相同信号点数时功率谱相同，带宽均 为基带信号带宽的二倍 理想情况下，MQAM与MPSK频带利用率为log2M（ b/s/Hz）。收发基带滤波器合成响应为升余弦滚降特性时 ，频带利用率为 两种形状MQAM 的比较 方型与星型MQAM两种形状MQAM 的比较 信号平均功率： 两者功率相差1.4dB。另外，两者的星座结构也有重要的 差别。一是星型16QAM只有两个振幅值，而方型 16QAM 有三种振幅值；二是星型16QAM只有8种相位 值，而方型16QAM有12种相位值。这两点使得在衰落信 道中，星型16QAM比
6、方型16QAM更具有吸引力方型星型正交部分响应振幅调制 MQPR如果多电平正交调制中，I和Q路基带信号都采用 部分响应信号（常用和类）产生多电平幅相联 合调制构成一类特殊的调制，称正交部分响应幅度 调制MQPR。因为第和类都是奇数电平，因 此MQPR点数也为奇数。 与4QAM对应的QPR为9QPR，因I和Q路二电平基带信 号经部分响应编码后变成3电平，正交调制后成9个 信号的33矩形。同样，16QAM信号对应49 QPR信 号，他们的星座图为77矩形。正交部分响应振幅调制 MQPRMQAM与MQPR误码率 MQAM和MQPR均可看成由两个相互正交且独立的多 电平ASK信号叠加而成，MQAM信号
7、的误符号率公式 与MASK有相同形式 MQPR信号的误符号率公式由部分响应基带信号误 符号率得到（清华书9-110式） 研究型作业：两种调制方式的误码率与频谱特性MQAM误码性能第九章 多进制数字调制 多进制数字调制系统概述 多进制数字振幅调制MASK原理及抗噪声性能 多进制数字频率调制MFSK原理及抗噪声性能 多进制数字相位调制MPSK原理及抗噪声性能 振幅相位联合调制系统MAPK(MQAM、MQPR) 恒包络调制问题* 偏移四相相移键控OQPSK* 最小移频键控MSK* 高斯最小移频键控GMSK* SFSK、TFM、时频调制*恒定包络调制 如果每个符号包络是矩形 的，则已调信号包络是恒 定
8、的，但此时已调信号频 谱。 实际信道是限带的，限带后如 QPSK信号已不能保持恒包络。 相邻符号间发生180相移时， 经限带后会出现包络为0的现象 经非线性放大后，包络中的起伏 虽可减弱或消除，但也使信号频 谱扩展。其旁瓣会干扰邻道信号 ，发送时的限带滤波器，将完全 失去作用。 偏移四相相移键控OQPSKQPSK信号点间，任何转移过程 都可能发生即可能产生180相 移，限带后造成包络起伏大 为避免180转移，偏移四相相移键控(OQPSK)。它只可能 变化90，即消除了相移180的部分影响,滤滤波后的OQPSK 信号中包络最大值与最小值之比约为偏移四相相移键控OQPSK OQPSK的实现： 在正
9、交调制时Q（正交）路基带信号对I（同相）路延迟一个 信息间隔（即符号间隔的一半）因此，相位信息只可能变化 90 OQPSK信号表示式 g(t)为矩形函数；an、bn的取值为+1或-1对应1或0；A 为载波幅度；Tb为输入二进制序列周期， Tb=TS /2 偏移四相相移键控OQPSK OQPSK信号的调制与解调：偏移四相相移键控OQPSK OQPSK信号功率谱密度与误码性能 OQPSK信号功率谱密度与QPSK相同，其表达式为因OQPSK相干解调与QPSK相干解调相同。由于I(t) 、Q(t)互相独立，因此OQPSK相干解调的误码率性 能也与QPSK相同 最小频移键控 MSK OQPSK虽消除QP
10、SK信号中的180相位突变变，但 并未解决包络络起伏问题问题 MSK为一种能产生恒包络连续相位信号的调制 MSK称最小频移键控。它是2FSK的特殊情况 ，具有正交信号的最小频差，相邻符号交界 处相位保持连续，它又称为快速频移键控（ FFSK），连续相位频移键控（CPFSK）最小频移键控 MSK 最小频移键控 MSK 表达式与特点c载波角频率，TS码元宽度， ak第k码元信息，其取值为1，k第k码元的相位常数，在(k-1)TStkTS中保持不变 相位随时间线性 增减-调频在一码元间隔内， 相位变化p/2最小频移键控 MSK 表达式与特点当ak=+1时，信号频率为当ak=-1时，信号频率为调制指数
11、为：“最小”的调制指数 获得正交信号最小频移键控 MSK MSK信号与普通2FSK信号的差别在于：选择两个频率f1、 f2，使 这两个频率的信号在一个码元期间的相位积累严格地相差180。 如图，“+”信号与“-”信号在一个码元期间恰好相差1/2周。最小频移键控 MSK MSK信号频率、相位的要求 对于2FSK信号：两个信号的相关系数式中fC=(f1+f2)/2是载波频率 最小频移键控 MSK 根据MSK相关性要求r=0k=1（“最小”移频键控）时2(f2-f1)Ts=k(k=1,2,.) 最小频移键控 MSK 根据MSK相关性要求r=0MSK信号在每一码元周期内，必须包含1/4载波周 期的整数
12、倍 4fCTS=n(n=1,2,) 最小频移键控 MSK 根据连续性相位要求 k-1(kTS)=k(kTS)MSK信号在第k个码元的相位常数不仅与当前的ak有 关，而且与前面的ak-1及相位常数k-1有关。即前 后码元间存在相关性。对相干解调，k的起始参 考值可假定为0 最小频移键控 MSK 相位变化路径图示例 11010001的相位路径如图最小频移键控 MSK MSK信号的特点： 振幅恒包络 频偏1/4TS，mF=(f2-f1)TS=1/2 一码元内线性变化/2 码元转换时相位连续变化,信号波形没有突变 一码元期间,信号应包含1/4载波周期的整数倍。最小频移键控 MSK MSK信号的调制与解
13、调：最小频移键控 MSK MSK信号的调制与解调： 延迟判决的相干解调 非相干解调最小频移键控 MSK MSK信号的功率谱密度MSK的第一个零点在0.75/TS，功率谱谱比2PSK更紧紧 凑MSK信号功率谱1/f4 ，OQPSK信号功率谱1/ f2 因此，MSK信号功率谱的旁瓣衰减比QPSK 、2PSK 、OQPSK快；如按99%能量集中程度为标准，MSK信号带宽为 1.2/TS，而QPSK、OQPSK信号带宽约为10.3/TS 最小频移键控 MSK MSK信号的功率谱密度最小频移键控 MSK MSK信号的误码性能 采用类似QPSK进行相干解调时（利用前后码元信 息每隔2Ts进行延时判决）误码
14、性能与QPSK、 OQPSK等同 MSK信号看成正交2FSK，采用相干解调，（每隔Ts 进行判决）比最佳接收时误码性能下降3dB MSK信号看成正交2FSK ，但采用鉴频器方法进行非 相干解调，其误码误码 性能比正交2FSK相干解调调再下 降3dB其它恒包络调制 高斯最小移频键控（GMSK） (Gaussian filtered Minimum Shift Keying) 在一些带宽受限，如移动动信中，带外辐射功率 的限制十分严格，如必须衰减7080db以上。MSK 信号不能满满足要求，在MSK调调制器前加一高斯低通 滤滤波器，且滤滤波器满满足以下要求： 带宽窄,且锐截止特性; 具有较低过冲脉冲相应 能保持输出脉冲面积不变. GMSK是对MSK的直接改进，首先将基带信号形成高 斯脉冲，再经MSK调制。由于形成的高斯脉冲包络 无陡沿、无拐点，因此相位路经保证进一步平滑 其它恒包络调制 GMSK的实现 MSK与GMSK相位路径高斯滤波器的 3db带宽其它恒包络调制 GMSK频谱特性其它恒包络调制 SFSK TFMMSK线性变化规律 上，再叠加一个正 弦变化，消除其相 位路径拐拐点。将相位路径中一 符号间隔内的升 余弦平滑扩展到 几个符号间隔，小结 QAM MSK
