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1、第2章 调制解调,2.1 概述 2.2 数字频率调制 2.3 数字相位调制 2.4 正交振幅调制(QAM) 2.5 扩展频谱调制 2.6 多载波调制 思考题与习题,2.1 概 述,调制就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配以及有效的利用信道。 多径衰落、多普勒频率扩展；日益增加的用户数目，无线信道频谱的拥挤这些因素对调制方式的选择都有重大的影响,移动通信调制解调技术特点:,移动通信面临的无线信道问题多径衰落、干扰(自然，人为，ISI)、频率资源有限 移动通信对调制解调技术的要求1 频谱资源有限高的带宽效率2 用户终端小高的功率效率，抗非线性失真能力强3 邻道
2、干扰低的带外辐射4 多径信道传播对多径衰落不敏感，抗衰落能力强5 干扰受限的信道抗干扰能力强6 解调一般采用非相干方式或插入导频的相干解调7 产业化问题成本低易于实现 调制方案的性能评估：功率效率和带宽效率,调制解调的主要功能,频谱搬移，实现基带信号搬移到相应的频段实现可以分为两步：首先进行基带信号调制，然后上变频到所需的频段。 抗干扰性1 主要体现通信系统的质量指标即可靠性2 调制信号具有较小的功率谱占有率3 要求功率谱主瓣占有尽可能多的信号能量，具有快速滚降特性，带外衰减大、旁瓣小 频谱有效性1 主要体现通信系统的数量指标，即有效性2 频带利用率：bit/s/Hz,影响调制方式的选择的主要
3、因素:,频带利用率：在数字调制中，常用带宽效率hb 来表示它对频谱资源的利用效率，它定义为hb Rb/B,其中Rb为比特速率，B为无线信号的带宽。 功率效率：指保持信息精确度的情况下所需的最小信号功率（或者说最小信噪比） 已调信号恒包络 易于解调 带外辐射：一般要求达到-60到-70dB 在移动通信系统中，采用何种调制方式，要综合考虑上述各种因素。,移动通信中的调制技术,Mobile Communication Theory,2.2.1 相位连续的FSK,2FSK信号,设要发送的数据为ak=1,码元长度为Tb。在一个码元时间内，它们分别用两个不同频率f1， f2的正弦信号表示，例如:,式中,定
4、义载波角频率(虚载波) 为：,1, 2对c 的角频偏为：,Mobile Communication Theory,2.2.1 相位连续的FSK,Mobile Communication Theory,附加相位是 t 的线性函数，其中斜率为 ， 截距为 ，其特性如右图,产生2FSK信号两种不同的方法：开关切换方法（相位不连续）和调频（相位连续），如下图,2.2.1 相位连续的FSK,Mobile Communication Theory,所谓相位连续是指不仅在一个码元持续期间相位连续，而且在从码元ak-1到ak转换的时刻kTb，两个码元的相位也相等，即,即,这样就要求满足关系式:,2.2.1 相
5、位连续的FSK,Mobile Communication Theory,即：要求当前码元的初相位由前一码元的初相位、当前码元ak和前一码元ak-1来决定。 这关系就是相位约束条件。 这两种相位特性不同的FSK信号波形如图2.4所示。,图2.4,Mobile Communication Theory,由图2.4可以看出，相位不连续的2FSK信号在码元交替时刻，波形是不连续的，而CPFSK信号是连续的，这使得它们的功率谱特性很不同。 图2.5分别是它们的功率谱特性例子。,图2.5,Mobile Communication Theory,可以发现，在相同的调制指数h情况下，CPFSK的带宽要比一般的
6、2FSK带宽要窄。这意味着前者的频带效率要高于后者。 随着调制指数h的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数h不宜太大。但过小又因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测。 所以应当从它们的相关系数以及信号的带宽综合考虑。,Mobile Communication Theory,2FSK信号的归一化互相关系数可以求得如下（为方便讨论，令它们的初相为零）：,通常总是wcTb =2pfc/fb 1,或wcTb=np，因此略去第一项，得到,-h关系曲线如图2.6。,Mobile Communication Theory,从图中可以看出，当调制指数h=0.5，1，1.5，.时， r=0, 即
7、两个信号是正交的。 h=0.5的CPFSK就称作最小移频键控MSK。它是在两个信号正交的条件下，对给定的Rb有最小的频差。,图2.6,Mobile Communication Theory,2.2.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱,由于|ak-ak-1|总为偶数，所以初始相位为零时，其后各码元的初相位为p的整数倍。 相位路径的例子如图2.7所示，其中初始相位为零。 图中可以看到的取值为0，-p、-p、-p、3p、.（k=0,1,2.）。,1.相位路径,图2.7,Mobile Communication Theory,在MSK信号中，码元速率Rb=1/Tb、峰值频偏fd 和两个频率f1、f
8、2存在一定的关系。,当给定码元速率Rb时可以确定各个频率如下：,即载波频率应当是Rb/4的整数倍。,2.MSK的频率关系,2.2.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱,Mobile Communication Theory,3.MSK的功率谱,MSK的功率谱为,式中A为信号的幅度。,功率谱特性如图2.8所示。 为便于比较，图中也给出一般2FSK信号的功率谱特性。 由图可见，MSK 信号比一般2FSK信号有更高的带宽效率。,2.2.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱,图2.8,Mobile Communication Theory,2.2.3 高斯最小移频键控GMSK,GMSK是一种恒包络
9、调制方式，可以采用功率效率高而便宜的非线性功率放大器，这使用户单元（手机）的价格比较低，有利于当时移动电话的普及。,1 高斯滤波器的传输特性 2 GMSK信号的波形和相位路径 3 GMSK信号的调制与解调 4 GMSK功率谱,要求带外辐射功率为-60-80dB GMSK是GSM的优选方案实现简单，在原MSK调制器增加前置滤波器对前置滤波器的要求: 带宽窄且为锐截止型 有较低的过脉冲响应 保持输出脉冲的面积不变 目的：抑制高频分量，防止过量的瞬时频率偏移、以及满足相干检测的需要 高斯滤波器满足以上要求,Mobile Communication Theory,1 . 高斯滤波器的传输特性,GMSK
10、就是基带信号经过高斯低通滤波器的MSK，如图2.9,图2.9,Mobile Communication Theory,1 . 高斯滤波器的传输特性,频率特性H(f)和冲激响应h(t),高斯滤波器具有指数形式的响应特性，其中幅度特性为,冲激响应为,令Bb为H(f)的3dB带宽，因为H(0)=1，则有： H(f)|f=Bb=H(Bb)=0.707, 可以求得a:,Mobile Communication Theory,1 . 高斯滤波器的传输特性,令t =t /Tb ，并把 a = 1.7 Bb代入 并设Tb =1，则有,设要传输的码元长度为Tb，速率为Rb=1/Tb，以Rb为参考，对f 归一化：
11、 x = f /Rb = f Tb ， 则归一化3dB带宽为：,这样，用归一化频率表示的频率特性就为H(x)：,图2.10,给定xb ,就可以计算出H(x)、h()并画出它们的特性曲线如图2.10。,Mobile Communication Theory,2. GMSK信号的波形和相位路径,设要发送的二进制数据序列bk(bk =1)所用线路码为NRZ码，码元起止时刻为Tb的整数倍,此基带信号经过高斯滤波器后输出为,信号对调频器调频，输出为,附加相位为,Mobile Communication Theory,在一个码元结束时，相位的增量取决于在该码元期间q(t)曲线下的面积Ak：,2 .GMSK
12、信号的波形和相位路径,Tb/2),Mobile Communication Theory,2 .GMSK信号的波形和相位路径,图2.13,例如图2.13，xb =0.3，截取g(t)的长度为3Tb(N=1)的情况。 在bk期间内，q(t)曲线只由bk及其前后一个码元bk-1、bk+1所确定。 当这三个码元同符号时，Ak有最大值Amax，设计调频器的参数kfm，使,这样调频器输出就是一个GMSK信号。,图2.14,Mobile Communication Theory,经过预滤波后的基带信号q(t)，相位函数(t)和GMSK信号的例子如图2.15 ：,2 .GMSK信号的波形和相位路径,图2.1
13、5,Mobile Communication Theory,3. GMSK信号的调制与解调,因为,因此常常采用正交调制方法。在实际的应用中可以事先制作 和 两张表，根据输入数据通过查表读出相应的数值，得到相应的 和 波形。,（1）调制,Mobile Communication Theory,3. GMSK信号的调制与解调,GMSK正交调制方框图如图2.16所示。,图2.16,图2.16,Mobile Communication Theory,GMSK可以用相干方法解调,也可以用非相干方法解调。这里介绍一比特延迟差分解调方法（非相干解调）,其原理如图2.18。,（2） 解调,设接收到的信号为,3
14、. GMSK信号的调制与解调,图2.18,Mobile Communication Theory,和s(t)相乘得x(t),经过低通滤波同时考虑到,，得到y(t),3. GMSK信号的调制与解调,则W(t)为,式中：,Dq(t)是一个码元的相位增量。,Mobile Communication Theory,在t=(k+1)Tb时刻对y(t)抽样得到y(k+1)Tb)，它的符号取决于 的符号，判决准则为:,= +1,3. GMSK信号的调制与解调,Mobile Communication Theory,3. GMSK信号的调制与解调,解调过程的各波形如图2.19所示，其中设A(t)为常数。,图2
15、.19,Mobile Communication Theory,4. GMSK功率谱,对GMSK信号功率谱的分析是比较复杂的，图2.20是计算机仿真得到xb =0.5、1和xb =（MSK）的功率谱。,从图中可见，随着xb 的减小频谱效率越高，但xb过小会使码间干扰（ISI）增加。,图2.20,GMSK 最吸引人的地方是具有恒包络特性，功率效率高，可用非线性功率放大器和非相干检测。 GMSK 的缺点是频谱效率还不够高。 在北美，频率资源紧缺，系统采用具有更高频谱效率的调制方式，这就是/4-QPSK。,2.2.4 高斯滤波的移频键控(GFSK)调制,由前面的讨论可知，MSK和GMSK两种调制方式
16、对调制指数是有严格规定的，即h=0.5，从而对调制器也有严格的要求。 GFSK吸取了GMSK的优点，但放松了对调制指数的要求， 通常调制指数在0.40.7之间即可满足要求。 例如在第二代无绳电话系统(CT-2)标准中规定，发射“+1”时对应的频率比fc低14.4 kHz到25.2 kHz。 因此，GFSK 调制的原理框图如图 2-22 所示。GFSK与GMSK类似，是连续相位的恒包络调制。,图 2 - 22 GFSK调制的原理框图,Mobile Communication Theory,2.3 PSK调制,2.3.1 二相调制BPSK 2.3.2 四相调制QPSK和偏移QPSK-OQPSK 2.3.3 p/4-QPSK,
