調(diào)制解調(diào)技術(shù)課件

第2章調(diào)制解調(diào)技術(shù)第2章調(diào)制解調(diào)技術(shù)定義：將要傳輸?shù)男盘?hào)變換為適合信道特性的形式的過程。要傳輸?shù)男盘?hào)——調(diào)制信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)——已調(diào)信號(hào)。在接收端需將已調(diào)信號(hào)還原成要傳輸?shù)脑夹盘?hào)，該過程稱為解調(diào)。分類：調(diào)制信號(hào)：模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)：恒包絡(luò)調(diào)制、非恒包絡(luò)調(diào)制已調(diào)信號(hào)的相位：連續(xù)相位、不連續(xù)相位定義：移動(dòng)通信對(duì)調(diào)制方式的要求：頻率資源有限→高的帶寬效率干擾和噪聲嚴(yán)重→抗干擾、抗噪聲的能力強(qiáng)存在著衰落→對(duì)多徑衰落不敏感、抗衰落功耗受限→高的功率效率，對(duì)非線性失真不敏感成本、體積受限→易于實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)問題：主瓣寬帶與帶外滾降恒包絡(luò)調(diào)制與非恒包絡(luò)調(diào)制問題相干解調(diào)與非相干解調(diào)問題連續(xù)相位與非連續(xù)相位問題移動(dòng)通信對(duì)調(diào)制方式的要求：數(shù)字調(diào)制的優(yōu)越性更強(qiáng)的抗干擾和抗噪聲能力；便于進(jìn)行差錯(cuò)控制；易于復(fù)用各種不同形式的信息；更好的安全保密性能；利于大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，以降低成本；便于實(shí)現(xiàn)軟件無線電。數(shù)字調(diào)制的優(yōu)越性數(shù)字調(diào)制與解調(diào)的研究內(nèi)容正交基的設(shè)計(jì)和選擇：此設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)已調(diào)信號(hào)與信道特性的最大相容。在正交基上的最佳已調(diào)信號(hào)集或信號(hào)星座的設(shè)計(jì)：星座的外形或說星座的最小閉包特性的研究，目標(biāo)是使星座的平均能量最?。恍亲膬?nèi)部結(jié)構(gòu)特性研究，它決定了在接收空間中對(duì)信號(hào)點(diǎn)的判決區(qū)的劃分，而最佳的判決區(qū)劃分會(huì)使得信號(hào)檢測的差錯(cuò)概率最小，這在某種程度上確定了解調(diào)器的結(jié)構(gòu)；星座的維數(shù)設(shè)計(jì)，它在一定意義上決定了信號(hào)的帶寬利用率。數(shù)字調(diào)制與解調(diào)的研究內(nèi)容信息比特空間到已調(diào)信號(hào)集的映射關(guān)系：現(xiàn)代調(diào)制映射規(guī)則是按某種規(guī)則將信息符號(hào)映射到比信息符號(hào)集更大的調(diào)制信號(hào)集，即調(diào)制本身將引入調(diào)制信息序列之間的一定約束關(guān)系。這種映射的目標(biāo)有兩個(gè)：在統(tǒng)計(jì)特性上將盡可能多的信息符號(hào)映射為能量較小的信號(hào)點(diǎn)使不同調(diào)制信號(hào)序列之間的歐氏距離盡可能大。解調(diào)設(shè)計(jì)：可劃分為相干解調(diào)與非相干解調(diào)；一般情況下相干解調(diào)比非相干解調(diào)有3dB的能量增益。解調(diào)設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)只有一個(gè)，就是使信息符號(hào)接收的差錯(cuò)概率最小。信息比特空間到已調(diào)信號(hào)集的映射關(guān)系：現(xiàn)代調(diào)制映射規(guī)則是按某種衡量指標(biāo)：功率效率：描述的是低功率情況下調(diào)制制度保持?jǐn)?shù)字信息正確傳輸?shù)哪芰?；通常表示為在接收機(jī)保持特定的誤碼率的情況下，每比特信號(hào)的能量與噪聲功率譜密度的比值。帶寬效率：描述的是在有限的帶寬條件下，調(diào)制制度容納數(shù)字的能力；通常以每赫茲帶寬所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率來表示。帶寬效率的一般表示：Shannon極限公式：調(diào)制信號(hào)的速率已調(diào)制信號(hào)的帶寬信道容量(bps)信道帶寬(Hz)信噪比衡量指標(biāo)：調(diào)制信號(hào)的速率已調(diào)制信號(hào)的帶寬信道容量(bps)信第1節(jié)恒包絡(luò)調(diào)制一、最小移頻鍵控(MSK)調(diào)制MSK的一般概念設(shè)輸入到調(diào)制器的比特流為｛an｝,則FSK輸出信號(hào)的一般形式可表示為：其帶寬為：調(diào)制指數(shù)：第1節(jié)恒包絡(luò)調(diào)制一、最小移頻鍵控(MSK)調(diào)制其帶寬為：

而MSK是FSK的一種特殊形式，它要求：兩個(gè)頻率的信號(hào)不相關(guān)兩個(gè)頻率的信號(hào)在一個(gè)碼元期間所積累的相位差為π且在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻已調(diào)信號(hào)的相位連續(xù)

設(shè)MSK信號(hào)的一般形式為：kTb≤t≤(k+1)Tb而MSK是FSK的一種特殊形式，它要給定兩個(gè)信號(hào)cos2πfmt和cos2πfst，它們之間的相關(guān)系數(shù)

為了易于區(qū)分兩個(gè)信號(hào)，希望它們是正交的，即要求ρ＝0：第一項(xiàng)等于零：2π(2fd)Tb=nπ，即：fd＝n/4Tb，MSK可以滿足。第二項(xiàng)等于零：4πfcTb>>1，或4πfcTb=nπ(Tb=n/4fc)，即：每個(gè)碼元期間包含四分之一載波周期的整數(shù)倍。根據(jù)FSM調(diào)制指數(shù)的定義，MSK的調(diào)制指數(shù)為：h=0.5。可見：MSK為頻差（帶寬）最小的正交FSK調(diào)制，故稱為“最小頻移鍵控調(diào)制”，或“快速頻移鍵控調(diào)制(FFSK)”給定兩個(gè)信號(hào)cos2πfmt和cos2πfst，它們之間的相第1節(jié)恒包絡(luò)調(diào)制根據(jù)前面分析，故：每個(gè)碼元期間包含的fm、fs和fc的周期數(shù)都是四分之一的整數(shù)倍第1節(jié)恒包絡(luò)調(diào)制根據(jù)前面分析，每個(gè)碼元期間包含的fm、f第1節(jié)恒包絡(luò)調(diào)制式中，xk是為了保證t=kTb時(shí)相位連續(xù)而加入的相位常量。令φk=ωct+θk

kTb≤t≤(k+1)Tb式中：

為了保持相位連續(xù)，在t=kTb時(shí)應(yīng)有下式成立：φk-1(kTb)=φk(kTb)可得：波形與相位：令xk=0，則xk是=0,或±π(模2π)第1節(jié)恒包絡(luò)調(diào)制式中，xk是為了保證t=MSK的可能相位軌跡MSK的可能相位軌跡例：xk=0例：xk=0正交展開：MSK信號(hào)可表示為：展開得：正交展開：展開得：故：其中：故：其中：即：只有ak≠ak-1且k為奇數(shù)時(shí)Ik=－Ik-1。ak=ak-1ak≠ak-1且k為奇數(shù)ak≠ak-1且k為偶數(shù)即：只有ak≠ak-1且k為奇數(shù)時(shí)Ik=－Ik-1。a同樣：即：只有ak≠ak-1且k為偶數(shù)時(shí)Qk=－Qk-1由此可見：

I支路數(shù)據(jù)和Q支路數(shù)據(jù)每隔2Tb秒才有可能改變符號(hào)，且I支路與Q支路的碼元在時(shí)間上錯(cuò)開Tb。同樣：即：只有ak≠ak-1且k為偶數(shù)時(shí)Qk=－Qk-MSK信號(hào)的產(chǎn)生：MSK信號(hào)的產(chǎn)生：MSK信號(hào)的性能：功率譜密度：MSK信號(hào)的性能：MSK的解調(diào)：（例：相干解調(diào)器）MSK的解調(diào)：（例：相干解調(diào)器）小結(jié)：MSK信號(hào)包絡(luò)恒定；頻偏嚴(yán)格地等于1/4Tb,調(diào)制指數(shù)h=0.5；附加相位在一個(gè)碼元期間線性地變化±π，在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻信號(hào)的相位連續(xù)；在一個(gè)碼元期間，包含的fm、fs和fc的周期數(shù)都是四分之一的整數(shù)倍；其功率譜密度的主瓣較QPSK寬，但滾降速率較快。小結(jié)：第2節(jié)GMSK調(diào)制二、GMSK調(diào)制：盡管MSK信號(hào)已具有較好的頻譜和誤比特率性能，但仍不能滿足功率譜在相鄰頻道取值(即鄰道輻射)低于主瓣峰值60dB以上的要求。這就要求在保持MSK基本特性的基礎(chǔ)上，對(duì)MSK的帶外頻譜特性進(jìn)行改進(jìn)，使其衰減速度加快。可以看出，MSK信號(hào)可由FM調(diào)制器來產(chǎn)生。由于輸入的二進(jìn)制非歸零脈沖序列具有較寬的頻譜，從而導(dǎo)致已調(diào)信號(hào)的帶外衰減較慢。如果將輸入信號(hào)經(jīng)過濾波以后再送入FM調(diào)制，必然會(huì)改善已調(diào)信號(hào)的帶外特性。GMSK信號(hào)就是通過在FM調(diào)制器前加入高斯低通濾波器(稱為預(yù)調(diào)制濾波器)而產(chǎn)生的。第2節(jié)GMSK調(diào)制二、GMSK調(diào)制：基本原理：預(yù)調(diào)制濾波器的特性：帶寬窄且?guī)饨刂辜怃J，以便抑制不需要的高頻分量脈沖響應(yīng)的過沖量較小，防止調(diào)制器產(chǎn)生不必要的瞬時(shí)頻偏輸出脈沖響應(yīng)曲線的面積對(duì)應(yīng)于π/2的相位偏移量，調(diào)制指數(shù)為0.5基本原理：預(yù)調(diào)制濾波器的特性：

高斯脈沖成形濾波器的特性：傳遞函數(shù)：沖擊響應(yīng)：3dB帶寬：對(duì)單個(gè)寬度為Tb的矩形脈沖的響應(yīng)為高斯脈沖成形濾波器的特性：高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)：可見：帶寬越窄，輸出響應(yīng)被展得越寬，ISI越嚴(yán)重。當(dāng)BbTb≈0.25時(shí)，輸出脈沖得寬帶為3Tb。高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)：可見：部分響應(yīng)技術(shù)：有意引入可擴(kuò)展的ISI以壓縮調(diào)制信號(hào)的頻譜，解調(diào)時(shí)需利用前后碼元的相關(guān)性進(jìn)行解調(diào)判決。例：(圖示說明)部分響應(yīng)技術(shù)：GMSK的相位軌跡GMSK的相位軌跡從圖中可以看出，GMSK通過引入可控的碼間干擾(即部分響應(yīng)波形)來達(dá)到平滑相位路徑的目的，它消除了MSK相位路徑在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從圖中還可以看出，GMSK信號(hào)在一碼元周期內(nèi)的相位增量，不像MSK那樣固定為±π/2，而是隨著輸入序列的不同而不同。從圖中可以看出，GMSK通過引入可控GMSK信號(hào)的產(chǎn)生：GMSK調(diào)制信號(hào)的一般形式可表示為：

盡管g(t)在理論上是在-∞＜t＜+∞范圍內(nèi)取值，但實(shí)際中需要對(duì)g(t)進(jìn)行截短，僅取(2N+1)Tb區(qū)間，這樣可以證明θ(t)在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的取值θ(kTb)是有限的，在當(dāng)前碼元內(nèi)的相位增量Δθ(t)僅與(2N+1)個(gè)比特有關(guān)，因此θ(t)的狀態(tài)是有限的。這樣我們就可以事先制作cosθ(t)和sinθ(t)兩張表，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)讀出相應(yīng)的值，再進(jìn)行正交調(diào)制就可以得到GMSK信號(hào)。GMSK信號(hào)的產(chǎn)生：調(diào)制解調(diào)技術(shù)課件GMSK的頻譜特性：隨著BbTb的減小，功率譜的衰降明顯加快。GMSK的頻譜特性：GMSK在給定百分比功率下的占用帶寬GMSK在給定百分比功率下的占用帶寬GMSK信號(hào)的解調(diào)：1.一比特延遲差分檢測：2.二比特延遲差分檢測：GMSK信號(hào)的解調(diào)：小結(jié)：1.GMSK信號(hào)的相位不但連續(xù)，而且平滑，因此其帶外滾降更加快速；2.在GMSK調(diào)制中，其預(yù)調(diào)濾波器不服從奈奎斯特準(zhǔn)則，因此存在著ISI。但這種ISI是受控的，可通過部分響應(yīng)技術(shù)得到解決。小結(jié)：第3節(jié)線性調(diào)制一、BPSK調(diào)制：數(shù)學(xué)表示：設(shè)輸入比特率為｛an｝,an=±1,n=-∞~+∞,則BPSK的信號(hào)形式為：nTb≤t＜(n+1)Tb第3節(jié)線性調(diào)制一、BPSK調(diào)制：nTb≤t＜(n+1)T第3節(jié)線性調(diào)制特點(diǎn)：碼元切換時(shí)，相位跳變?yōu)椋赫`比特率：功率譜密度（下圖）±π第3節(jié)線性調(diào)制特點(diǎn)：±π第3節(jié)線性調(diào)制二、DPSK調(diào)制：基本原理：（如右圖）特點(diǎn)：碼元切換時(shí)，相位跳變?yōu)椋骸捆心芰啃时菳PSK下降3dB：第3節(jié)線性調(diào)制二、DPSK調(diào)制：第3節(jié)線性調(diào)制三、QPSK基本原理：(如圖）符號(hào)映射問題。特點(diǎn)：頻譜特點(diǎn)和誤碼性能與PSK相同?？赡艿南辔惶儯?,±π/2,±π相位跳變周期2Tb第3節(jié)線性調(diào)制三、QPSK四相相移鍵控(QPSK)

QPSK調(diào)制器的原理框圖如圖所示。它可以看成由兩個(gè)BPSK調(diào)制器構(gòu)成,輸入的串行二進(jìn)制信息序列經(jīng)串/并變換,分成兩路速率減半的序列,電平發(fā)生器分別產(chǎn)生雙極性電平信號(hào)I(t)和Q(t),然后分別對(duì)Acosωct和Asinωct進(jìn)行調(diào)制,相減后即得QPSK信號(hào)。四相相移鍵控(QPSK)QPSK調(diào)制器的原理框圖如四相相移鍵控(QPSK)

QPSK調(diào)制器原理框圖四相相移鍵控(QPSK)QPSK調(diào)制器原理框圖四相相移鍵控(QPSK)

信號(hào)波形圖四相相移鍵控(QPSK)信號(hào)波形圖第3節(jié)線性調(diào)制四、OQPSK(交錯(cuò)QPSK)基本原理：(如圖）特點(diǎn)：頻譜特點(diǎn)和誤碼性能與PSK相同?？赡艿南辔惶儯?,±π/2，因此，OQPSK的旁瓣要低于QPSK信號(hào)相位跳變周期：Tb。第3節(jié)線性調(diào)制四、OQPSK(交錯(cuò)QPSK)第3節(jié)線性調(diào)制五、π/4-QPSK調(diào)制π/4-DQPSK是對(duì)QPSK信號(hào)的特性進(jìn)行改進(jìn)的一種調(diào)制方式：改進(jìn)一：將QPSK的最大相位跳變±π，降為±3π/4，從而改善了π/4-DQPSK的頻譜特性；改進(jìn)二：解調(diào)方式,QPSK只能用相干解調(diào)，而π/4-DQPSK既可以用相干解調(diào)也可以采用非相干解調(diào)。第3節(jié)線性調(diào)制五、π/4-QPSK調(diào)制第3節(jié)線性調(diào)制星座圖及其跳變：共有8個(gè)相位，分成兩組；兩組相位交替使用；相位跳變情況：±π/4，±3π/4；相位跳變周期：2Tb。原理框圖：第3節(jié)線性調(diào)制星座圖及其跳變：第3節(jié)線性調(diào)制π/4-QPSK信號(hào)的產(chǎn)生：設(shè)已調(diào)信號(hào)：Sk(t)=cos(ωct+θk)其中θk為當(dāng)前碼元的附加相位；上式展開：Sk(t)=cosωctcosθk－sinωctsinθk=Ukcosωct－Vksinωct當(dāng)前碼元的附加相位θk是前一碼元附加相位θk-1與當(dāng)前碼元相位跳變量Δθk之和，即

θk=θk-1+ΔθkUk=cosθk=cos(θk-1+Δθk)=cosθk-1·cosΔθk－sinθk-1·sinΔθk=Uk-1·cosΔθk－Vk-1·sinΔθkVk=sinθk=sin(θk-1+Δθk)=sinθk-1·cosΔθk+cosθk-1·sinΔθk=Vk-1·cosΔθk+Uk-1·sinΔθk該式表明：前一碼元兩個(gè)正交信號(hào)的幅度與當(dāng)前碼元兩個(gè)正交信號(hào)的幅度之間的關(guān)系，取決于相位跳變量第3節(jié)線性調(diào)制π/4-QPSK信號(hào)的產(chǎn)生：該式表明：第3節(jié)線性調(diào)制Uk和Vk的取值有五種可能，即：組合有八種，即：相位跳變規(guī)則第3節(jié)線性調(diào)制Uk和Vk的取值有五種可能，即：相位跳LPF的作用：

對(duì)Uk和Vk進(jìn)行平滑處理，使得加到正交調(diào)制器的信號(hào)沒有幅值的突變，合成輸出的π/4-QPSK信號(hào)的相位也趨于平滑，從而進(jìn)一步改善其頻譜性能。設(shè)該濾波器的矩形脈沖響應(yīng)函數(shù)為g(t)，那么最后形成的π/4-QPSK信號(hào)可以表示為

美國的IS-136數(shù)字蜂窩網(wǎng)中，規(guī)定這種濾波器應(yīng)具有線性相位特性和平方根升余弦的頻率響應(yīng)，它的傳輸函數(shù)為：LPF的作用：美國的IS-136數(shù)字蜂窩網(wǎng)中，第3節(jié)線性調(diào)制π/4-QPSK基帶信號(hào)的眼圖第3節(jié)線性調(diào)制π/4-QPSK基帶信號(hào)的眼圖第3節(jié)線性調(diào)制

可以看出，π/4-QPSK是一種線性調(diào)制。它具有較高的頻譜利用率，但其包絡(luò)不恒定。若在發(fā)射中采用非線性功率放大器，將會(huì)使已調(diào)信號(hào)的頻譜展寬，從而降低了頻譜利用率，不能滿足對(duì)相鄰信道的干擾功率電平比本信道的功率電平低60~70dB的要求；若采用線性功率放大器，則其功率效率較差。為改善功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍，一種實(shí)用的π/4-QPSK的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖所示。它采用了笛卡爾坐標(biāo)負(fù)反饋控制和AB類功率放大器。第3節(jié)線性調(diào)制可第五節(jié)線性調(diào)制

中心頻率為145MHz，數(shù)據(jù)速率為32kb/s，發(fā)端采用滾降因子為0.5的升余弦濾波器時(shí)，實(shí)測的信號(hào)功率譜如下圖所示。第五節(jié)線性調(diào)制中心頻率為145MH數(shù)字式π/4-QPSK產(chǎn)生電路：數(shù)字式π/4-QPSK產(chǎn)生電路：π/4-QPSK信號(hào)的檢測1.基帶差分檢測π/4-QPSK信號(hào)的檢測設(shè)接收信號(hào)

Sk(t)=cos(ωct+θk)則：θk是信號(hào)相位：設(shè)接收信號(hào)θk是信號(hào)相位：令解碼電路的運(yùn)算規(guī)則為可以得到：令解碼電路的運(yùn)算規(guī)則為可以得到：

可以看出，通過解碼電路的運(yùn)算，消除了本地載頻和信號(hào)的相差φ，使得Xk和Yk僅與Δθk相關(guān)。根據(jù)調(diào)制時(shí)的相位跳變規(guī)則,可制定判決規(guī)則如下：Xk＞0判“+1”Xk＜0判“-1”Yk＞0判“+1”Yk＜0判“-1”可以看出，通過解碼電路的運(yùn)算，消2.中頻差分檢測

中頻差分檢測的原理框圖如下圖所示。輸入信號(hào)Sk(t)=cos(ωct+θk)經(jīng)兩個(gè)支路相乘后的信號(hào)分別為

cos(ωct+θk)·cos[ωc(t-Tb)+θk-1]

sin(ωct+θk)·cos[ωc(t-Tb)+θk-1]經(jīng)低通濾波后，所得低頻分量為(取ωTb=2πn)：2.中頻差分檢測輸入信號(hào)Sk(t)=cos(ωct+θk3.鑒頻器檢測

鑒頻器檢測的框圖如圖2-33所示。信號(hào)經(jīng)過平方根升余弦滾降的帶通濾波器后進(jìn)入硬限幅器，再經(jīng)鑒頻器和積分—采樣—清除電路之后，用模2π檢測器檢測出兩采樣瞬間的相位差，從而可判決出所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。理想的鑒頻器特性為:經(jīng)過積分和采樣后有:3.鑒頻器檢測理想的鑒頻器特性為:經(jīng)過積分和采樣后有π/4-QPSK的性能：由于π/4-DQPSK的三種非相干解調(diào)方式是等價(jià)的，下面僅以基帶差分檢測為例進(jìn)行分析理想高斯信道條件下系統(tǒng)的抗噪聲性能：π/4-QPSK的性能：收發(fā)存在頻差情況下的性能：收發(fā)兩端的頻差Δf會(huì)引起相位的漂移(Δθ=ΔfTb)，Δθ的存在，將使得兩個(gè)支路的信號(hào)電平發(fā)生變化：系統(tǒng)的平均誤比特率為：其中：收發(fā)存在頻差情況下的性能：系統(tǒng)的平均誤比特率為：其中：正交振幅調(diào)制(QAM)

正交振幅調(diào)制是二進(jìn)制PSK和四進(jìn)制QPSK調(diào)制的進(jìn)一步推廣,通過相位和振幅的聯(lián)合控制,可以得到更高頻譜效率的調(diào)制方式,從而可在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。正交振幅調(diào)制的一般表達(dá)式為Y(t)＝Amcosωt+Bmsinωt,0＜t＜Ts上式由兩個(gè)相互正交的載波構(gòu)成,每個(gè)載波被一組離散的振幅{Am}、{Bm}所調(diào)制,故稱這種調(diào)制方式為正交振幅調(diào)制。式中,Ts為碼元寬度,m＝1,2,…M;而M為Am和Bm的電平數(shù)。

正交振幅調(diào)制(QAM)正交振幅調(diào)制是二進(jìn)制PSK和四進(jìn)三、QAM（多進(jìn)制正交幅度調(diào)制）一般表示：正交振幅調(diào)制是二進(jìn)制的PSK、四進(jìn)制的QPSK調(diào)制的進(jìn)一步推廣，通過相位和振幅的聯(lián)合控制，可以得到更高頻譜效率的調(diào)制方式，從而可在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。正交振幅調(diào)制的一般表達(dá)式為：三、QAM（多進(jìn)制正交幅度調(diào)制）星座圖：QAM的基元信號(hào)為：星座圖：不同星座結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響：對(duì)QAM調(diào)制而言，如何設(shè)計(jì)QAM信號(hào)的結(jié)構(gòu)不僅影響到已調(diào)信號(hào)的功率譜特性，而且影響已調(diào)信號(hào)的解調(diào)及其性能。例：限定信號(hào)點(diǎn)數(shù)目M=8,要求這些信號(hào)點(diǎn)僅取兩種振幅值，且信號(hào)點(diǎn)之間的最小距離為2A?？傻玫綆追N信號(hào)空間結(jié)構(gòu)：不同星座結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響：調(diào)制解調(diào)技術(shù)課件方型星座與星型星座：方型星座與星型星座：星座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素：信號(hào)點(diǎn)之間的距離與平均發(fā)射功率：距離一定時(shí)發(fā)射功率最小，或者發(fā)射功率一定時(shí)距離最大；振幅環(huán)的個(gè)數(shù)：振幅環(huán)的個(gè)數(shù)少，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制；相位數(shù)：相位數(shù)少有利于實(shí)現(xiàn)載波相位跟蹤。星座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素：正交振幅調(diào)制(QAM)QAM調(diào)制和相干解調(diào)的原理框圖正交振幅調(diào)制(QAM)QAM調(diào)制和相干解調(diào)的原理框圖正交振幅調(diào)制(QAM)

經(jīng)分析可知,QAM具有更高的頻譜效率,這是由于它具有更大的符號(hào)數(shù)。對(duì)于給定的系統(tǒng),所需要的電平數(shù)為2n,這里n是每個(gè)電平的比特?cái)?shù)。每個(gè)電平包含的比特(基本信息單位)越多,效率就越高。如16QAM在25kHz信道中可實(shí)現(xiàn)64kb/s的傳輸速率,其頻譜利用率高達(dá)2.56b/s·Hz;而64QAM的頻帶利用率可達(dá)5b/s·Hz。但需要指出的是,QAM的高頻帶利用率是以犧牲其抗干擾性來獲得的,電平數(shù)越大,信號(hào)星座點(diǎn)數(shù)越多,其抗干擾性能就越差。因?yàn)殡S著電平數(shù)的增加,電平間的間隔減小,噪聲容限減小,同樣噪聲條件下誤碼也就增加。正交振幅調(diào)制(QAM)經(jīng)分析可知,QAM具有更高的謝謝欣賞THANKYOUFORWATCHING謝謝欣賞THANKYOUFORWATCHING第2章調(diào)制解調(diào)技術(shù)第2章調(diào)制解調(diào)技術(shù)定義：將要傳輸?shù)男盘?hào)變換為適合信道特性的形式的過程。要傳輸?shù)男盘?hào)——調(diào)制信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)——已調(diào)信號(hào)。在接收端需將已調(diào)信號(hào)還原成要傳輸?shù)脑夹盘?hào)，該過程稱為解調(diào)。分類：調(diào)制信號(hào)：模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)：恒包絡(luò)調(diào)制、非恒包絡(luò)調(diào)制已調(diào)信號(hào)的相位：連續(xù)相位、不連續(xù)相位定義：移動(dòng)通信對(duì)調(diào)制方式的要求：頻率資源有限→高的帶寬效率干擾和噪聲嚴(yán)重→抗干擾、抗噪聲的能力強(qiáng)存在著衰落→對(duì)多徑衰落不敏感、抗衰落功耗受限→高的功率效率，對(duì)非線性失真不敏感成本、體積受限→易于實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)問題：主瓣寬帶與帶外滾降恒包絡(luò)調(diào)制與非恒包絡(luò)調(diào)制問題相干解調(diào)與非相干解調(diào)問題連續(xù)相位與非連續(xù)相位問題移動(dòng)通信對(duì)調(diào)制方式的要求：數(shù)字調(diào)制的優(yōu)越性更強(qiáng)的抗干擾和抗噪聲能力；便于進(jìn)行差錯(cuò)控制；易于復(fù)用各種不同形式的信息；更好的安全保密性能；利于大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，以降低成本；便于實(shí)現(xiàn)軟件無線電。數(shù)字調(diào)制的優(yōu)越性數(shù)字調(diào)制與解調(diào)的研究內(nèi)容正交基的設(shè)計(jì)和選擇：此設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)已調(diào)信號(hào)與信道特性的最大相容。在正交基上的最佳已調(diào)信號(hào)集或信號(hào)星座的設(shè)計(jì)：星座的外形或說星座的最小閉包特性的研究，目標(biāo)是使星座的平均能量最小；星座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性研究，它決定了在接收空間中對(duì)信號(hào)點(diǎn)的判決區(qū)的劃分，而最佳的判決區(qū)劃分會(huì)使得信號(hào)檢測的差錯(cuò)概率最小，這在某種程度上確定了解調(diào)器的結(jié)構(gòu)；星座的維數(shù)設(shè)計(jì)，它在一定意義上決定了信號(hào)的帶寬利用率。數(shù)字調(diào)制與解調(diào)的研究內(nèi)容信息比特空間到已調(diào)信號(hào)集的映射關(guān)系：現(xiàn)代調(diào)制映射規(guī)則是按某種規(guī)則將信息符號(hào)映射到比信息符號(hào)集更大的調(diào)制信號(hào)集，即調(diào)制本身將引入調(diào)制信息序列之間的一定約束關(guān)系。這種映射的目標(biāo)有兩個(gè)：在統(tǒng)計(jì)特性上將盡可能多的信息符號(hào)映射為能量較小的信號(hào)點(diǎn)使不同調(diào)制信號(hào)序列之間的歐氏距離盡可能大。解調(diào)設(shè)計(jì)：可劃分為相干解調(diào)與非相干解調(diào)；一般情況下相干解調(diào)比非相干解調(diào)有3dB的能量增益。解調(diào)設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)只有一個(gè)，就是使信息符號(hào)接收的差錯(cuò)概率最小。信息比特空間到已調(diào)信號(hào)集的映射關(guān)系：現(xiàn)代調(diào)制映射規(guī)則是按某種衡量指標(biāo)：功率效率：描述的是低功率情況下調(diào)制制度保持?jǐn)?shù)字信息正確傳輸?shù)哪芰?；通常表示為在接收機(jī)保持特定的誤碼率的情況下，每比特信號(hào)的能量與噪聲功率譜密度的比值。帶寬效率：描述的是在有限的帶寬條件下，調(diào)制制度容納數(shù)字的能力；通常以每赫茲帶寬所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率來表示。帶寬效率的一般表示：Shannon極限公式：調(diào)制信號(hào)的速率已調(diào)制信號(hào)的帶寬信道容量(bps)信道帶寬(Hz)信噪比衡量指標(biāo)：調(diào)制信號(hào)的速率已調(diào)制信號(hào)的帶寬信道容量(bps)信第1節(jié)恒包絡(luò)調(diào)制一、最小移頻鍵控(MSK)調(diào)制MSK的一般概念設(shè)輸入到調(diào)制器的比特流為｛an｝,則FSK輸出信號(hào)的一般形式可表示為：其帶寬為：調(diào)制指數(shù)：第1節(jié)恒包絡(luò)調(diào)制一、最小移頻鍵控(MSK)調(diào)制其帶寬為：

而MSK是FSK的一種特殊形式，它要求：兩個(gè)頻率的信號(hào)不相關(guān)兩個(gè)頻率的信號(hào)在一個(gè)碼元期間所積累的相位差為π且在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻已調(diào)信號(hào)的相位連續(xù)

設(shè)MSK信號(hào)的一般形式為：kTb≤t≤(k+1)Tb而MSK是FSK的一種特殊形式，它要給定兩個(gè)信號(hào)cos2πfmt和cos2πfst，它們之間的相關(guān)系數(shù)

為了易于區(qū)分兩個(gè)信號(hào)，希望它們是正交的，即要求ρ＝0：第一項(xiàng)等于零：2π(2fd)Tb=nπ，即：fd＝n/4Tb，MSK可以滿足。第二項(xiàng)等于零：4πfcTb>>1，或4πfcTb=nπ(Tb=n/4fc)，即：每個(gè)碼元期間包含四分之一載波周期的整數(shù)倍。根據(jù)FSM調(diào)制指數(shù)的定義，MSK的調(diào)制指數(shù)為：h=0.5?？梢姡篗SK為頻差（帶寬）最小的正交FSK調(diào)制，故稱為“最小頻移鍵控調(diào)制”，或“快速頻移鍵控調(diào)制(FFSK)”給定兩個(gè)信號(hào)cos2πfmt和cos2πfst，它們之間的相第1節(jié)恒包絡(luò)調(diào)制根據(jù)前面分析，故：每個(gè)碼元期間包含的fm、fs和fc的周期數(shù)都是四分之一的整數(shù)倍第1節(jié)恒包絡(luò)調(diào)制根據(jù)前面分析，每個(gè)碼元期間包含的fm、f第1節(jié)恒包絡(luò)調(diào)制式中，xk是為了保證t=kTb時(shí)相位連續(xù)而加入的相位常量。令φk=ωct+θk

kTb≤t≤(k+1)Tb式中：

為了保持相位連續(xù)，在t=kTb時(shí)應(yīng)有下式成立：φk-1(kTb)=φk(kTb)可得：波形與相位：令xk=0，則xk是=0,或±π(模2π)第1節(jié)恒包絡(luò)調(diào)制式中，xk是為了保證t=MSK的可能相位軌跡MSK的可能相位軌跡例：xk=0例：xk=0正交展開：MSK信號(hào)可表示為：展開得：正交展開：展開得：故：其中：故：其中：即：只有ak≠ak-1且k為奇數(shù)時(shí)Ik=－Ik-1。ak=ak-1ak≠ak-1且k為奇數(shù)ak≠ak-1且k為偶數(shù)即：只有ak≠ak-1且k為奇數(shù)時(shí)Ik=－Ik-1。a同樣：即：只有ak≠ak-1且k為偶數(shù)時(shí)Qk=－Qk-1由此可見：

I支路數(shù)據(jù)和Q支路數(shù)據(jù)每隔2Tb秒才有可能改變符號(hào)，且I支路與Q支路的碼元在時(shí)間上錯(cuò)開Tb。同樣：即：只有ak≠ak-1且k為偶數(shù)時(shí)Qk=－Qk-MSK信號(hào)的產(chǎn)生：MSK信號(hào)的產(chǎn)生：MSK信號(hào)的性能：功率譜密度：MSK信號(hào)的性能：MSK的解調(diào)：（例：相干解調(diào)器）MSK的解調(diào)：（例：相干解調(diào)器）小結(jié)：MSK信號(hào)包絡(luò)恒定；頻偏嚴(yán)格地等于1/4Tb,調(diào)制指數(shù)h=0.5；附加相位在一個(gè)碼元期間線性地變化±π，在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻信號(hào)的相位連續(xù)；在一個(gè)碼元期間，包含的fm、fs和fc的周期數(shù)都是四分之一的整數(shù)倍；其功率譜密度的主瓣較QPSK寬，但滾降速率較快。小結(jié)：第2節(jié)GMSK調(diào)制二、GMSK調(diào)制：盡管MSK信號(hào)已具有較好的頻譜和誤比特率性能，但仍不能滿足功率譜在相鄰頻道取值(即鄰道輻射)低于主瓣峰值60dB以上的要求。這就要求在保持MSK基本特性的基礎(chǔ)上，對(duì)MSK的帶外頻譜特性進(jìn)行改進(jìn)，使其衰減速度加快。可以看出，MSK信號(hào)可由FM調(diào)制器來產(chǎn)生。由于輸入的二進(jìn)制非歸零脈沖序列具有較寬的頻譜，從而導(dǎo)致已調(diào)信號(hào)的帶外衰減較慢。如果將輸入信號(hào)經(jīng)過濾波以后再送入FM調(diào)制，必然會(huì)改善已調(diào)信號(hào)的帶外特性。GMSK信號(hào)就是通過在FM調(diào)制器前加入高斯低通濾波器(稱為預(yù)調(diào)制濾波器)而產(chǎn)生的。第2節(jié)GMSK調(diào)制二、GMSK調(diào)制：基本原理：預(yù)調(diào)制濾波器的特性：帶寬窄且?guī)饨刂辜怃J，以便抑制不需要的高頻分量脈沖響應(yīng)的過沖量較小，防止調(diào)制器產(chǎn)生不必要的瞬時(shí)頻偏輸出脈沖響應(yīng)曲線的面積對(duì)應(yīng)于π/2的相位偏移量，調(diào)制指數(shù)為0.5基本原理：預(yù)調(diào)制濾波器的特性：

高斯脈沖成形濾波器的特性：傳遞函數(shù)：沖擊響應(yīng)：3dB帶寬：對(duì)單個(gè)寬度為Tb的矩形脈沖的響應(yīng)為高斯脈沖成形濾波器的特性：高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)：可見：帶寬越窄，輸出響應(yīng)被展得越寬，ISI越嚴(yán)重。當(dāng)BbTb≈0.25時(shí)，輸出脈沖得寬帶為3Tb。高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)：可見：部分響應(yīng)技術(shù)：有意引入可擴(kuò)展的ISI以壓縮調(diào)制信號(hào)的頻譜，解調(diào)時(shí)需利用前后碼元的相關(guān)性進(jìn)行解調(diào)判決。例：(圖示說明)部分響應(yīng)技術(shù)：GMSK的相位軌跡GMSK的相位軌跡從圖中可以看出，GMSK通過引入可控的碼間干擾(即部分響應(yīng)波形)來達(dá)到平滑相位路徑的目的，它消除了MSK相位路徑在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從圖中還可以看出，GMSK信號(hào)在一碼元周期內(nèi)的相位增量，不像MSK那樣固定為±π/2，而是隨著輸入序列的不同而不同。從圖中可以看出，GMSK通過引入可控GMSK信號(hào)的產(chǎn)生：GMSK調(diào)制信號(hào)的一般形式可表示為：

盡管g(t)在理論上是在-∞＜t＜+∞范圍內(nèi)取值，但實(shí)際中需要對(duì)g(t)進(jìn)行截短，僅取(2N+1)Tb區(qū)間，這樣可以證明θ(t)在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的取值θ(kTb)是有限的，在當(dāng)前碼元內(nèi)的相位增量Δθ(t)僅與(2N+1)個(gè)比特有關(guān)，因此θ(t)的狀態(tài)是有限的。這樣我們就可以事先制作cosθ(t)和sinθ(t)兩張表，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)讀出相應(yīng)的值，再進(jìn)行正交調(diào)制就可以得到GMSK信號(hào)。GMSK信號(hào)的產(chǎn)生：調(diào)制解調(diào)技術(shù)課件GMSK的頻譜特性：隨著BbTb的減小，功率譜的衰降明顯加快。GMSK的頻譜特性：GMSK在給定百分比功率下的占用帶寬GMSK在給定百分比功率下的占用帶寬GMSK信號(hào)的解調(diào)：1.一比特延遲差分檢測：2.二比特延遲差分檢測：GMSK信號(hào)的解調(diào)：小結(jié)：1.GMSK信號(hào)的相位不但連續(xù)，而且平滑，因此其帶外滾降更加快速；2.在GMSK調(diào)制中，其預(yù)調(diào)濾波器不服從奈奎斯特準(zhǔn)則，因此存在著ISI。但這種ISI是受控的，可通過部分響應(yīng)技術(shù)得到解決。小結(jié)：第3節(jié)線性調(diào)制一、BPSK調(diào)制：數(shù)學(xué)表示：設(shè)輸入比特率為｛an｝,an=±1,n=-∞~+∞,則BPSK的信號(hào)形式為：nTb≤t＜(n+1)Tb第3節(jié)線性調(diào)制一、BPSK調(diào)制：nTb≤t＜(n+1)T第3節(jié)線性調(diào)制特點(diǎn)：碼元切換時(shí)，相位跳變?yōu)椋赫`比特率：功率譜密度（下圖）±π第3節(jié)線性調(diào)制特點(diǎn)：±π第3節(jié)線性調(diào)制二、DPSK調(diào)制：基本原理：（如右圖）特點(diǎn)：碼元切換時(shí)，相位跳變?yōu)椋骸捆心芰啃时菳PSK下降3dB：第3節(jié)線性調(diào)制二、DPSK調(diào)制：第3節(jié)線性調(diào)制三、QPSK基本原理：(如圖）符號(hào)映射問題。特點(diǎn)：頻譜特點(diǎn)和誤碼性能與PSK相同?？赡艿南辔惶儯?,±π/2,±π相位跳變周期2Tb第3節(jié)線性調(diào)制三、QPSK四相相移鍵控(QPSK)

QPSK調(diào)制器的原理框圖如圖所示。它可以看成由兩個(gè)BPSK調(diào)制器構(gòu)成,輸入的串行二進(jìn)制信息序列經(jīng)串/并變換,分成兩路速率減半的序列,電平發(fā)生器分別產(chǎn)生雙極性電平信號(hào)I(t)和Q(t),然后分別對(duì)Acosωct和Asinωct進(jìn)行調(diào)制,相減后即得QPSK信號(hào)。四相相移鍵控(QPSK)QPSK調(diào)制器的原理框圖如四相相移鍵控(QPSK)

QPSK調(diào)制器原理框圖四相相移鍵控(QPSK)QPSK調(diào)制器原理框圖四相相移鍵控(QPSK)

信號(hào)波形圖四相相移鍵控(QPSK)信號(hào)波形圖第3節(jié)線性調(diào)制四、OQPSK(交錯(cuò)QPSK)基本原理：(如圖）特點(diǎn)：頻譜特點(diǎn)和誤碼性能與PSK相同。可能的相位跳變：0,±π/2，因此，OQPSK的旁瓣要低于QPSK信號(hào)相位跳變周期：Tb。第3節(jié)線性調(diào)制四、OQPSK(交錯(cuò)QPSK)第3節(jié)線性調(diào)制五、π/4-QPSK調(diào)制π/4-DQPSK是對(duì)QPSK信號(hào)的特性進(jìn)行改進(jìn)的一種調(diào)制方式：改進(jìn)一：將QPSK的最大相位跳變±π，降為±3π/4，從而改善了π/4-DQPSK的頻譜特性；改進(jìn)二：解調(diào)方式,QPSK只能用相干解調(diào)，而π/4-DQPSK既可以用相干解調(diào)也可以采用非相干解調(diào)。第3節(jié)線性調(diào)制五、π/4-QPSK調(diào)制第3節(jié)線性調(diào)制星座圖及其跳變：共有8個(gè)相位，分成兩組；兩組相位交替使用；相位跳變情況：±π/4，±3π/4；相位跳變周期：2Tb。原理框圖：第3節(jié)線性調(diào)制星座圖及其跳變：第3節(jié)線性調(diào)制π/4-QPSK信號(hào)的產(chǎn)生：設(shè)已調(diào)信號(hào)：Sk(t)=cos(ωct+θk)其中θk為當(dāng)前碼元的附加相位；上式展開：Sk(t)=cosωctcosθk－sinωctsinθk=Ukcosωct－Vksinωct當(dāng)前碼元的附加相位θk是前一碼元附加相位θk-1與當(dāng)前碼元相位跳變量Δθk之和，即

θk=θk-1+ΔθkUk=cosθk=cos(θk-1+Δθk)=cosθk-1·cosΔθk－sinθk-1·sinΔθk=Uk-1·cosΔθk－Vk-1·sinΔθkVk=sinθk=sin(θk-1+Δθk)=sinθk-1·cosΔθk+cosθk-1·sinΔθk=Vk-1·cosΔθk+Uk-1·sinΔθk該式表明：前一碼元兩個(gè)正交信號(hào)的幅度與當(dāng)前碼元兩個(gè)正交信號(hào)的幅度之間的關(guān)系，取決于相位跳變量第3節(jié)線性調(diào)制π/4-QPSK信號(hào)的產(chǎn)生：該式表明：第3節(jié)線性調(diào)制Uk和Vk的取值有五種可能，即：組合有八種，即：相位跳變規(guī)則第3節(jié)線性調(diào)制Uk和Vk的取值有五種可能，即：相位跳LPF的作用：

對(duì)Uk和Vk進(jìn)行平滑處理，使得加到正交調(diào)制器的信號(hào)沒有幅值的突變，合成輸出的π/4-QPSK信號(hào)的相位也趨于平滑，從而進(jìn)一步改善其頻譜性能。設(shè)該濾波器的矩形脈沖響應(yīng)函數(shù)為g(t)，那么最后形成的π/4-QPSK信號(hào)可以表示為

美國的IS-136數(shù)字蜂窩網(wǎng)中，規(guī)定這種濾波器應(yīng)具有線性相位特性和平方根升余弦的頻率響應(yīng)，它的傳輸函數(shù)為：LPF的作用：美國的IS-136數(shù)字蜂窩網(wǎng)中，第3節(jié)線性調(diào)制π/4-QPSK基帶信號(hào)的眼圖第3節(jié)線性調(diào)制π/4-QPSK基帶信號(hào)的眼圖第3節(jié)線性調(diào)制

可以看出，π/4-QPSK是一種線性調(diào)制。它具有較高的頻譜利用率，但其包絡(luò)不恒定。若在發(fā)射中采用非線性功率放大器，將會(huì)使已調(diào)信號(hào)的頻譜展寬，從而降低了頻譜利用率，不能滿足對(duì)相鄰信道的干擾功率電平比本信道的功率電平低60~70dB的要求；若采用線性功率放大器，則其功率效率較差。為改善功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍，一種實(shí)用的π/4-QPSK的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖所示。它采用了笛卡爾坐標(biāo)負(fù)反饋控制和AB類功率放大器。第3節(jié)線性調(diào)制可第五節(jié)線性調(diào)制

中心頻率為145MHz，數(shù)據(jù)速率為32kb/s，發(fā)端采用滾降因子為0.5的升余弦濾波器時(shí)，實(shí)測的信號(hào)功率譜如下圖所示。第五節(jié)線性調(diào)制中心頻率為145MH數(shù)字式π/4-QPSK產(chǎn)生電路：數(shù)字式π/4-QPSK產(chǎn)生電路：π/4-QPSK信號(hào)的檢測1.基帶差分檢測π/4-QPSK信號(hào)的檢測設(shè)接收信號(hào)

Sk(t)=cos(ωct+θk)則：θk是信號(hào)相位：設(shè)接收信號(hào)θk是信號(hào)相位：令解碼電路的運(yùn)算規(guī)則為可以得到：令解碼電路的運(yùn)算規(guī)則為可以得到：

可以看出，通過解碼電路的運(yùn)算，消除了本地載頻和信號(hào)的相差φ，使得Xk和Yk僅與Δθk相關(guān)。根據(jù)調(diào)制時(shí)的相位跳變規(guī)則,可制定判決規(guī)則如下：Xk＞0判“+1”Xk＜0判“-1”Yk＞0判“+1”Yk＜0判“-1”可以看出，通過解碼電路的運(yùn)算，消2.中頻差分檢測

中頻差分檢測的原理框圖如下圖所示。輸入信號(hào)Sk(t)=cos(ωct+θk)經(jīng)兩個(gè)支路相乘后的信號(hào)分別為