张燕 zy29209@163

1. 第二章 调制解调 张燕 zy29209@163.com

2. 主要内容 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

3. 信 源 信源 编码 信道 编码 调 制 解 调 信道 译码 信源 译码 信 宿 2.1 数字调制技术概述 • 调制的目的：使传输的数字信号与信道特性相匹配，便于有效的进行信息传输。 • 分类： • 调制信号：模拟调制和数字调制 • 相位：相位不连续调制和相位连续调制 • 信号恒定：恒包络调制和非恒包络调制

4. 调制解调的主要功能1 • 频谱搬移 • 将基带信号搬移到相应的频段 • 首先进行基带信号调制，然后上变频到所需的频段 • 提高频谱有效性 • 主要体现通信系统的数量指标，即有效性 • 频带利用率：bit/s/Hz

5. 调制解调的主要功能2 • 抗干扰性 • 主要体现通信系统的质量指标，即可靠性 • 调制信号具有较小的功率谱占有率 • 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

6. 性能评估的主要要求：功率效率和带宽效率 移动通信对调制解调的要求 • 频谱资源有限→高的带宽效率 • 用户终端小→高的功率效率，抗非线性失真能力强 • 邻道干扰→低的带外辐射 • 多径传播→对多径衰落不敏感,抗衰落能力强 • 干扰受限的信道→抗干扰能力强 • 解调一般采用非相干方式，或插入导频的相干解调 • 产业化问题→成本低、易于实现

7. 恒包络调制的特点 • 对线性要求低，可使用C类放大器，功率效率高 • 带外辐射低，可达-70~-60dB • 可使用限幅器—鉴频器检测，系统结构简单，容易实现 • 限幅器可克服随机噪声和瑞利衰落导致的信号幅度的变化，抗干扰和衰落能力强 • 具有较好的解调门限

8. 移动通信中的调制技术

9. 2.2 数字频率调制 2.2.1 频移键控(FSK)调制 • 带宽 • 调制指数

10. 2.2.2 最小移频键控(MSK)调制 • MSK是一种特殊的FSK，调制指数为0.5 • h=0.5时，已调信号在码元交替点相位连续； • h=0.5时，两个频率信号相关系数为0，信号是正交的； • h=0.5是移频键控FSK在满足两个频率相互正交的条件下的最小调制指数。

11. MSK信号的优点 • 已调信号幅度是恒定的，为恒包络调制，功率谱性能较好，具有较强的抗噪声干扰能力； • 占据的射频带宽较窄； • 相干检测时的误码率性能较普通频移键控好3dB以上；

12. MSK信号的功率谱

13. 2.2.3 高斯滤波的最小移频键控(GMSK)调制 • 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。 • 目的：抑制高频分量，防止过量的瞬时频率偏移及满足相干检测的需要 • 高斯滤波器满足以上要求

14. 图2-12 高斯滤波器的矩形脉冲响应

15. 图2-15 GMSK的功率谱密度

16. 图2-16 GMSK信号对邻道的干扰功率

17. 图2-20 GMSK相干检测的误码率特性

18. B，高斯滤波器的3dB带宽 • T，输入码元宽度 • BT值是设计高斯滤波器的一个主要参数。 • 邻道干扰：BT值越小， GMSK信号功率谱密度的衰减越快，带外能量的辐射越小，邻道干扰也就越小； • 误码率：BT值越小，因符号间干扰造成的系统性能下降越多，误码率越大。 • 实际中，中国主要采用BT=0.3的GMSK。

19. 2.3 数字相位调制 • 80年代中期以前，线性高功率放大器成本较高，因此采用恒包络的连续相位调制实现高功率效率。 • PSK具有带宽效率高，频谱利用率高等特点。但它一般是相位不连续的调制，所以相比连续相位的频率调制，其线性要求比较高。

20. QPSK信号的产生原理 QPSK的星座图和相位转移图

21. QPSK信号，它的频带利用率较高，但会产生180°的载波相位跳变。这种相位跳变引起包络起伏，当通过非线性部件后，会导致频谱扩展，增加对相邻波道的干扰，因此对放大器线性度敏感。QPSK信号，它的频带利用率较高，但会产生180°的载波相位跳变。这种相位跳变引起包络起伏，当通过非线性部件后，会导致频谱扩展，增加对相邻波道的干扰，因此对放大器线性度敏感。 • OQPSK也称偏移QPSK，是QPSK的改进型，克服了QPSK的l80°相位跳变。已调波包络起伏小，性能得到了改善。但是，当码元转换时，相位变化不连续，存在90°的相位跳变，因而高频滚降慢，频带仍然较宽。在IS-95上行中采用。

22. OQPSK信号的产生原理 OQPSK的星座图和相位转移图

23. 2.3.3π/4-DQPSK调制 • π/4-DQPSK是对QPSK信号的特性进行改进的一种调制方式。 • 改进之一是将QPSK的最大相位跳变从±π，降为±3π/4， 从而改善了π/4-DQPSK的频谱特性。 • 改进之二是解调方式，QPSK只能用相干解调，而π/4-DQPSK除了可以用相干解调，也可以采用非相干解调，这将大大简化接收机的设计。

24. 图2-27 π/4-DQPSK的相位关系

25. π/4 DQPSK调制是一种正交相移键控调制技术，从最大相位跳变来看，它是QPSK和OQPSK的折中，为±135°，因此，带限π/4 DQPSK信号比带限QPSK有更好的恒包络性质。π/4 DQPS K最吸引人的特性是它能够非相干解调，这使得接收机的设计大大简化。π/4 DQPSK信号差分 检测(非相干解调)的BER性能比QPSK低3dB；而用相干解调时，其BER性能与QPSK相同。因而在数字移动通信中，特别是小功率系统中得到应用。

26. 2.4 正交振幅调制(QAM) 　　 正交振幅调制是二进制的PSK、 四进制的QPSK调制的进一步推广， 通过相位和振幅的联合控制， 可以得到更高频谱效率的调制方式， 从而可在限定的频带内传输更高速率的数据。因此，QAM调制方式具有很高的频谱利用率和功率效率。

27. 图 2 - 43 方型QAM星座 (a) 4QAM； (b) 16QAM; (c) 64QAM

28. 图2-45 M进制星型QAM的星座图 (a) 4QAM; (b) 16QAM; (c) 64QAM

29. 16QAM星座(a)方型； (b)星型

30. QAM调制方式有很高的频谱利用率和功率效率。但是，QAM调制存在载波恢复和自动增益控制方面的问题，在无线通信系统中必须使用导频信号或均衡处理，因此现有的蜂窝移动通信系统没有采用。QAM调制方式有很高的频谱利用率和功率效率。但是，QAM调制存在载波恢复和自动增益控制方面的问题，在无线通信系统中必须使用导频信号或均衡处理，因此现有的蜂窝移动通信系统没有采用。 • 随着无线IP通信业务的高速数据速率的传输需求，采用微蜂窝和微微蜂窝，在发射机和接收机之间就容易建构很强的主径信号分量(LOS传播)，QAM技术可以使用。 • 自适应QAM调制：根据信道情况，自适应改变调制的电平数量。

31. 自适应调制技术 由于采用多进制调制技术提高传输速率和频带利用率，需要增加星座图上信号点的数量 。然而，增加信号点意味着信号间的欧几里德距离减小，这会造成系统解调的BER性能下降 。多进制自适应调制方法是在正常的信号调制星座图中，根据各种情况(信道特性、信息业 务、QOS要求、实时性能等)改变星座图中信号点的数量，以达到改变数据速率和改善传输质 量的目的。

32. 目前，第3代移动通信的发展，需要系统传送不同的多媒体业务，如果仅仅采用上述的单项调制技术，或单项调制技术的自适应方式，会造成系统BER性能的下降。最近，较多的研究考虑把多进制调制与其他信号处理方式结合起来，如功率控制、信道编码、接入监控等，获得稳定的通信质量和高的传输效率，特别是各种自适应信道编码调制技术。这些方法都是将信道编码技术和数字调制技术结合起来，以提供好的系统性能。目前，第3代移动通信的发展，需要系统传送不同的多媒体业务，如果仅仅采用上述的单项调制技术，或单项调制技术的自适应方式，会造成系统BER性能的下降。最近，较多的研究考虑把多进制调制与其他信号处理方式结合起来，如功率控制、信道编码、接入监控等，获得稳定的通信质量和高的传输效率，特别是各种自适应信道编码调制技术。这些方法都是将信道编码技术和数字调制技术结合起来，以提供好的系统性能。

33. 2.5 扩展频谱调制 扩展频谱(SS，Spread Spectrum)通信简称为扩频通信。扩频通信的定义可简单表述如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据。 • 信号的频谱被展宽了 • 采用扩频码序列调制的方式来展宽频谱 • 在接收端用同样的扩频码序列来解扩

34. 扩频通信的理论基础 • 信息论中的香农(Shannon)公式 • 在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比S/N是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比S/N情况下，传输信息。扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。

35. 扩频通信的主要性能指标 处理增益Gp也称扩频增益(Spreading Gain) • 定义为频谱扩展前的信息带宽Bm与频谱扩展后的带宽B之比，单位为分贝(dB) • 处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度

36. 抗干扰容限Mj • 是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力 • Mj—抗干扰容限 • Gp—处理增益 • (S/N)out—信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比 • Ls—接收系统的工作损耗

37. 例 一个扩频系统的处理增益为35dB。要求误码率小于l0-5的信息数据解调的输出信噪比(S/N) out > 10dB，系统损耗Ls=3dB，求该系统的抗干扰容限。 • 这说明，该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高22dB的范围内正常工作，也就是该系统能够在接收输入信噪比大于或等于－22dB的环境下正常工作。

38. 扩频系统原理框图

39. 扩频通信系统类型 • 直接序列扩频，简称直扩 (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) • 跳频(FH, Frequency Hopping) • 跳时(TH, Time Hopping) • 各种混合方式

40. 1、直接序列扩频(DS)原理 • 扩频：直接用具有高码率的扩频码序列(伪随机序列)在发端去扩展信号的频谱。 • 解扩：在收端用相同的扩频码序列去解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

42. 直扩系统的抗干扰性 在实际中我们遇到的干扰主要有下面几种：宽带噪声干扰、部分频带噪声干扰、单音及多音载频干扰、脉冲干扰。

43. DSSS系统的处理增益 • 直扩系统发送端的信息码元速率为Rb，码元宽度为Tb。 • 伪随机扩频码的速率为Rp，码元宽度(chip宽度)为Tp。 • 扩展频谱要求Rp>>Rm，即Tp<<Tb。扩频处理增益

44. DSSS系统的特点 • 频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得到的; • 扩频码序列多采用伪随机(PN)码，也称伪噪声码; • 接收端多采用产生本地伪随机码序列对接收信号进行相关解扩，或采用匹配滤波器来解扩信号; • 扩频调制方式多采用BPSK或QPSK等幅调制，相关解调解扩;

45. 扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步，码的搜捕和跟踪多采用匹配滤波器或利用伪随机码的优良的相关特性在延迟锁定环中实现;扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步，码的搜捕和跟踪多采用匹配滤波器或利用伪随机码的优良的相关特性在延迟锁定环中实现; • 一般需要窄带滤波器来排除干扰，以实现其抗干扰能力的提高。

46. DSSS系统的优点 • 功率频谱密度低，因此截获率低，隐蔽性好，功率污染小，有利于多种系统共存。 • 直扩伪随机序列的伪随机性和密钥量使信息具有保密性。 • 利用直扩PN码的正交性，可构成码分多址系统。

47. 具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力。具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力。 • 利用直扩信号的相关接收，具有抗多径效应的能力。 • 利用直接扩展频谱信号可实现精确的测距定位。 • 直扩系统适用于数字话音和数据信息的传输。

48. DSSS系统的局限性 • 直接序列扩展频谱系统不能直接与窄带系统建立通信。且对模拟信源需作预先处理，才可接入直扩系统 • 在直接扩展频谱系统的接收机存在明显的远近效应。 • 直接扩展频谱系统的处理增益受限于码片(chip)速率和信源的比特率。

49. 2、跳频系统 跳频(FH，Frequency Hopping)。所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，因此称为跳频。跳频系统占用了比信息带宽要宽得多的频带。

50. 图 2 - 48 跳频(FS)系统 (a) 原理示意图； (b) 频率跳变图案