調(diào)制與解調(diào)技術(shù)資料培訓(xùn)講學(xué)

調(diào)制與解調(diào)技術(shù)資料通過(guò)調(diào)制解調(diào)可以實(shí)現(xiàn)以下的主要功能：(1)便于傳輸：將所需傳送的基帶信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移至相應(yīng)頻段的信道上以便于傳輸；

(2)抗干擾：調(diào)制后具有較小的功率譜占用率（即功率的有效性），從而提升抗干擾能力；

(3)提高系統(tǒng)有效性：?jiǎn)挝活l帶內(nèi)傳送盡可能高的信息率(bit/s/Hz)，即提高頻譜有效性。

3.2.1四相移相鍵控(QPSK)調(diào)制QPSK技術(shù)應(yīng)用廣泛，是一種正交相移鍵控。圖3-6為傳統(tǒng)QPSK調(diào)制器框圖，其基本工作原理如下：

圖3-6

QPSK調(diào)制器

比特率為fb的輸入單級(jí)二進(jìn)制碼流通過(guò)串/并(S/P)變轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成比特率為fs=fb/2的兩個(gè)比特流(同相和正交碼流)。單雙(U/B)變換器把兩個(gè)比特流變換成兩個(gè)雙極二進(jìn)制信號(hào)，之后通過(guò)頻譜成形濾波器，再被同相和正交載波調(diào)制。其中調(diào)制使用了雙邊帶載波抑制幅度調(diào)制(DSS-SC-AM)技術(shù)。兩個(gè)已調(diào)信號(hào)合成產(chǎn)生一個(gè)QPSK信號(hào)。QPSK信號(hào)在調(diào)制器輸出端濾波以進(jìn)一步限制其功率譜，阻止其溢出至鄰信道，也可濾除調(diào)制過(guò)程中的帶外寄生信號(hào)。

圖3-7為相干QPSK解調(diào)器框圖。輸入帶通濾波器濾除帶外噪聲和鄰道干擾，濾波器輸出端信號(hào)分成兩部分，分別用同相和正交載波相干解調(diào)，之后兩路信號(hào)通過(guò)低通濾波、1比特模擬／數(shù)字(A／D)轉(zhuǎn)換器再生出同相和正交基帶信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)流通過(guò)一個(gè)并/串(P/S)變換器再組合形成最初的比特流。圖3-7中載波恢復(fù)環(huán)路提供與接收未調(diào)信號(hào)同步的同相正交載波。

圖3-7

相干QPSK解調(diào)器

大多數(shù)實(shí)際的載波恢復(fù)電路在恢復(fù)載波過(guò)程中將產(chǎn)生一個(gè)相位模糊度。對(duì)QPSK系統(tǒng)很可能出現(xiàn)四相位模糊，產(chǎn)生嚴(yán)重的誤比特率。為清除相位模糊，可在調(diào)制器中使用差分編碼器，在解調(diào)器中使用差分解碼器。圖3-8給出了差分QPSK解調(diào)器框圖。圖3-8

QPSK差分解調(diào)器框圖

一個(gè)未濾波QPSK信號(hào)的功率譜密度為式中C為通過(guò)電阻的歸一化平均信號(hào)功率，（式3-1）為比特持續(xù)時(shí)間。

假定調(diào)制器中使用了具有升余弦函數(shù)均方根特性、滾降系數(shù)為(最佳特性時(shí))的頻譜成形濾波器，則很容易得到QPSK信號(hào)濾波后的頻譜，如圖3-9所示。圖3-9中曲線(a)是未濾波QPSK頻譜，曲線(b)是帶幅度均衡器的滾降系數(shù)為α的升余弦函數(shù)的幅度響應(yīng)，曲線(c)是已濾波QPSK頻譜只存在加性高斯白噪聲(AWGN)，且無(wú)符號(hào)間干擾(ISI)時(shí)的幅度響應(yīng)。

圖3-9QPSK信號(hào)的功率譜密度由圖3-9可知QPSK信號(hào)帶寬為故譜效率為（式3-2）可見(jiàn)，最小帶寬情況，即時(shí)，QPSK系統(tǒng)的理論譜效率為2bit/s/Hz。目前的技術(shù)可使實(shí)際濾波器的滾降系數(shù)降到，則譜效率實(shí)際可達(dá)17bit/s/Hz左右。3.2.2π/4移位QPSK(π/4-QPSK)調(diào)制π/4移位QPSK技術(shù)是在QPSK基礎(chǔ)上通過(guò)載波相位移動(dòng)±π/4和±π3/4得到的。該調(diào)制方案的主要優(yōu)點(diǎn)是它可使用非相干檢測(cè)（差分檢測(cè)或FM鑒頻器），用低復(fù)雜性的接收機(jī)就可完成。而且，當(dāng)存在多徑衰落時(shí)，它的工作性能優(yōu)。π/4移位QPSK的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是同QPSK相比，包絡(luò)起伏比較?。ㄋ淖畲笙嘧?yōu)?350），故有較好的輸出譜特性。日本和美國(guó)的第二代蜂窩數(shù)字移動(dòng)無(wú)線系統(tǒng)都選用了該調(diào)制方案。

π/4移位QPSK的信號(hào)元素可看成是從兩個(gè)彼此相移π/4的信號(hào)星座圖中交替選樣出來(lái)的。π/4移位QPSK調(diào)制器框圖示于圖3-10。

圖3-10

π/4移位QPSK和π

/4CTPSK調(diào)制器信號(hào)映射電路輸出端的第k個(gè)同相和正交脈沖由它的前一個(gè)脈沖電平Ik-1

、Qk-1及輸入符號(hào)ak

、bk決定。

（式3-3）（式3-4）而ak、bk反過(guò)來(lái)與已調(diào)信號(hào)的相位變化有關(guān)，如表3-4，該調(diào)制器的其它部分同QPSK調(diào)制器。表3-4π/4QPSK系統(tǒng)相移與信息比特關(guān)系7π/45π/43π/4π/4

相移10110100信息比特akbk

π/4移位QPSK的解調(diào)可用下面差分檢測(cè)方法之一實(shí)現(xiàn)。

(1)基帶差分檢測(cè)：該方法的差分解碼是在已恢復(fù)的同相和正交基帶信號(hào)上進(jìn)行的，如圖3-11所示。它須使用本機(jī)振蕩器，但不需相位相干檢測(cè)．因?yàn)橄辔徽`差已在基帶差分檢測(cè)中去掉。

圖3-11基帶差分檢測(cè)器(2)中頻差分檢測(cè)：圖3-12為π/4移位QPSK中頻差分檢測(cè)器框圖。差分解碼是在接收的中頻信號(hào)上完成的，使用了一個(gè)延遲線和兩個(gè)乘法器。該方案的優(yōu)點(diǎn)是不需本機(jī)振蕩器。為使符號(hào)間干擾和噪聲影響減至最小，其中BPF和LPF的帶寬選為0.57/T。

圖3-12中頻差分檢測(cè)器

(3)限幅FM鑒頻器檢測(cè)：如圖3-13所示。FM鑒頻器提取接收信號(hào)的瞬時(shí)頻偏。積分-泄放電路對(duì)每一符號(hào)持續(xù)期上的頻偏積分，積分取兩個(gè)抽樣瞬相位差。最后，用4-電平門限比較器檢測(cè)輸出相位差。

圖3-13限幅FM鑒頻檢測(cè)器

美國(guó)數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（IS-54）采用的是滾降系數(shù)a＝0.35的/4移位QPSK調(diào)制方案，該系統(tǒng)突發(fā)傳輸信號(hào)比特率為48.6kbit/s，信道帶寬為30kHz，譜效率為1.62bit/s/Hz。日本的系統(tǒng)采用的是滾降因子a=0.5的/4移位QPSK技術(shù)，其突發(fā)傳輸比特率和實(shí)際信道帶寬分別為42Kbit/s和25kHz，帶寬效率為1.68bit/s/Hz。3.2.3高斯最小移頻鍵控(GMSK)

GMSK是一種恒包絡(luò)調(diào)制方案，其優(yōu)點(diǎn)是能在保持譜效率的同時(shí)維持相應(yīng)的同波道和鄰波道干擾，且包絡(luò)恒定，所以可用簡(jiǎn)單高效的C類放大器實(shí)現(xiàn)。

GMSK的基本原理是基帶信號(hào)先經(jīng)過(guò)高斯濾波器成形，再進(jìn)行最小移頻鍵控調(diào)制（MSK）。MSK是二進(jìn)制連續(xù)相位移頻鍵控（FSK）的一個(gè)特例，而GMSK主要是改進(jìn)了它的帶外特性，使其衰減速度加快。MSK調(diào)制器可用壓控振蕩器（VCO）或正交形式實(shí)現(xiàn)，如圖3-14所示，解調(diào)器可用相干檢測(cè)實(shí)現(xiàn)，也可用非相干檢測(cè)實(shí)現(xiàn)，如一比特差分檢測(cè)和二比特差分檢測(cè)等。圖3-14MSK調(diào)制器

GMSK調(diào)制器的一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方法就是用帶調(diào)制前加高斯成形LPF，用VCO來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3-15所示。由圖可見(jiàn)，VCO輸出已調(diào)波的頻譜由LPF的特性來(lái)決定，LPF的輸出直接對(duì)VCO調(diào)頻，以保持已調(diào)波包絡(luò)恒定和相位連續(xù)。LPF的脈沖響應(yīng)函數(shù)為圖3-15

GMSK調(diào)制器

LPF的脈沖響應(yīng)函數(shù)為（式3-5）式中

為濾波器3dB帶寬，為比特持續(xù)時(shí)間。

然而，由于VCO的線性和靈敏度受到限制，要使中心頻率精確地保持在規(guī)定值上，是很困難的。為克服此缺點(diǎn)，可選用鎖相環(huán)(PLL)型GMSK調(diào)制器，如圖3-15所示，其中π/2相移BPSK調(diào)制器確保每個(gè)碼元的相位變化為±π/2，鎖相環(huán)對(duì)BPSK的相位突跳進(jìn)行平滑，以使碼元轉(zhuǎn)換點(diǎn)相位連續(xù)，且無(wú)尖角。該調(diào)制器的關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)好PLL的傳輸函數(shù)，以滿足輸出功率譜特性的要求。

圖3-16

PLL型GMSK調(diào)制器

GMSK的解調(diào)可采用類似于MSK方式的正交相干解調(diào)技術(shù)，也可使用非相干檢測(cè)解調(diào)技術(shù)，如差分解調(diào)和鑒頻器解調(diào)等。泛歐數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)采用了的GMSK調(diào)制。該系統(tǒng)突發(fā)信號(hào)速率為270Kbit/s,帶寬為200KHz,帶寬效率為1.356bit/s/Hz。

3.2.4多進(jìn)制正交振幅調(diào)制（MQAM）單獨(dú)使用振幅或相位攜帶信息時(shí)，不能最充分地利用信號(hào)平面，這可以由矢量圖中信號(hào)矢量端點(diǎn)的分布直觀觀察到。多進(jìn)制振幅調(diào)制時(shí)，矢量端點(diǎn)在一條軸上分布；多進(jìn)制相位調(diào)制時(shí)，矢量端點(diǎn)在一個(gè)圓上分布。隨著進(jìn)制數(shù)M的增大，這些矢量端點(diǎn)之間的最小距離也隨之減少。但如果充分地利用整個(gè)平面，將矢量端點(diǎn)重新合理地分布，則有可能在不減小最小距離的情況下，增加信號(hào)矢量的端點(diǎn)數(shù)目。基于上述概念可以引出振幅與相位相結(jié)合的調(diào)制方式，這種方式常稱為數(shù)字復(fù)合調(diào)制方式。一般的復(fù)合調(diào)制稱為幅相鍵控（APK），兩個(gè)正交載波幅相鍵控稱為正交振幅調(diào)制（QAM）。1.QAM信號(hào)的時(shí)域表示APK是指載波的幅度和相位兩個(gè)參量同時(shí)受基帶信號(hào)的控制，APK信號(hào)一般表示式為（式3-6）式中，an是基帶信號(hào)第n個(gè)碼元的幅度，n是第個(gè)碼元信號(hào)的初始相位，g(t)是幅度為1寬度為Tb的單個(gè)矩形脈沖。利用三角公式將上式進(jìn)一步展開(kāi)，得到信號(hào)的表達(dá)式（式3-7）令（式3-8）式中，A是固定的振幅，（cn，dn）由輸入數(shù)據(jù)確定。（cn，dn）決定了已調(diào)QAM信號(hào)在信號(hào)空間中的坐標(biāo)點(diǎn)。將（式3-8）帶入（式3-7）有：（式3-9）可見(jiàn)，QAM信號(hào)是由兩路相互正交的載波疊加而成的，兩路載波分別被兩組離散振幅mI（t）和mQ（t）所調(diào)制，故稱正交振幅調(diào)制。通常，稱為同相分量，稱為正交分量。當(dāng)進(jìn)行M進(jìn)制的正交振幅調(diào)制時(shí)，可記為MQAM。2．星座圖通常，把信號(hào)矢量端點(diǎn)分布圖稱為星座圖，用來(lái)描述信號(hào)空間分布狀態(tài)。圖3-1716QAM的星座圖若信號(hào)點(diǎn)之間的最小距離為2A，且所有信號(hào)點(diǎn)等概率出現(xiàn)，則平均發(fā)射信號(hào)功率為（式3-10）對(duì)于方型16QAM，信號(hào)平均功率為（式3-11）對(duì)于星型16QAM，信號(hào)平均功率為（式3-12）兩者功率相差1.4dB。另外，兩者的星座結(jié)構(gòu)也有重要的差別。一是星型16QAM只有兩個(gè)振幅值，而方型16QAM有三種振幅值；二是星型16QAM只有8種相位值，而方型16QAM有12種相位值。這兩點(diǎn)使得在衰落信道中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。若已調(diào)信號(hào)的最大幅度為1，則MPSK信號(hào)星座圖上信號(hào)點(diǎn)間的最小距離為（式3-13）（式3-14）而MQAM信號(hào)矩形星座圖上星座上信號(hào)點(diǎn)間的最小距離為3MQAM的調(diào)制與解調(diào)（1）MQAM的調(diào)制下圖3-18給出了MQAM的調(diào)制原理框圖。輸入的二進(jìn)制序列經(jīng)過(guò)串/并轉(zhuǎn)換器后輸出速率減半的兩路并行序列，分別經(jīng)過(guò)2到電平的變換，形成電平的基帶信號(hào)和。為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射，和需要經(jīng)過(guò)預(yù)調(diào)低通濾波器，再分別與同相載波和正交載波相乘，最后將兩路信號(hào)相加即可得到MQAM信號(hào)。圖3-18MQAM的調(diào)制原理框圖（2）MQAM的