调制和解调技术课件.ppt

3.2 3.2 调制与解调技术调制与解调技术 学习目标• • 理解四相移相键控（理解四相移相键控（QPSKQPSK）调制技术）调制技术 • • 理解理解π/4π/4移位移位QPSKQPSK（（π/4π/4-QPSK-QPSK）调制技术）调制技术• • 理解高斯最小移频键控（理解高斯最小移频键控（GMSKGMSK）技术）技术 1调制和解调技术3.2 3.2 调制与解调技术调制与解调技术3.2.1 3.2.1 四相移相键控（四相移相键控（QPSKQPSK）调制）调制 3.2.2 π/43.2.2 π/4移位移位QPSKQPSK（（π/4π/4-QPSK-QPSK）调制）调制 3.2.3 3.2.3 高斯最小移频键控（高斯最小移频键控（GMSKGMSK）） 2调制和解调技术 调制解调技术的宗旨是为了使通信系统的抗干扰、抗衰调制解调技术的宗旨是为了使通信系统的抗干扰、抗衰落性能得到提高并使频率资源得到更充分的利用一般在通落性能得到提高并使频率资源得到更充分的利用一般在通信系统的发端进行调制，调制后的信号称为已调信号信系统的发端进行调制，调制后的信号称为已调信号。

解调制或解调：接收机端要将已调信号还原成要传输的解调制或解调：接收机端要将已调信号还原成要传输的原始信号原始信号3调制和解调技术通过调制解调可以实现以下的主要功能：通过调制解调可以实现以下的主要功能： (1) (1)便于传输：将所需传送的基带信号进行频谱搬移至便于传输：将所需传送的基带信号进行频谱搬移至相应频段的信道上以便于传输；相应频段的信道上以便于传输； (2) (2)抗干扰：调制后具有较小的功率谱占用率（即功率抗干扰：调制后具有较小的功率谱占用率（即功率的有效性），从而提升抗干扰能力；的有效性），从而提升抗干扰能力； (3)(3)提高系统有效性：单位频带内传送尽可能高的信息提高系统有效性：单位频带内传送尽可能高的信息率率(bit/s/Hz)(bit/s/Hz)，即提高频谱有效性即提高频谱有效性 4调制和解调技术3.2.13.2.1四相移相键控（四相移相键控（QPSKQPSK）调制）调制￿ QPSKQPSK技术应用广泛，是一种正交相移键控图技术应用广泛，是一种正交相移键控图3-53-5为传为传统统QPSKQPSK调制器框图调制器框图. .图3-5 QPSK调制器5调制和解调技术其基本工作原理如下：其基本工作原理如下： 比特率为比特率为f fb b的输入单级二进制码流通过串的输入单级二进制码流通过串/ /并并(S/P)(S/P)变转变转换器转换成比特率为换器转换成比特率为f fs s= = f fb b /2/2的两个比特流的两个比特流( (同相和正交码同相和正交码流流) )。

单双单双(U/B)(U/B)变换器把两个比特流变换成两个双极二进制变换器把两个比特流变换成两个双极二进制信号，之后通过频谱形成滤波器，再被同相和正交载波调制信号，之后通过频谱形成滤波器，再被同相和正交载波调制其中调制使用了双边带载波抑制幅度调制其中调制使用了双边带载波抑制幅度调制(DSS-SC-AM)(DSS-SC-AM)技技术 6调制和解调技术 两个已调信号合成产生一个两个已调信号合成产生一个QPSKQPSK信号QPSKQPSK信号在调信号在调制器输出端滤波以进一步限制其功率谱，阻止其溢出至邻制器输出端滤波以进一步限制其功率谱，阻止其溢出至邻信道，也可滤除调制过程中的带外寄生信号，图信道，也可滤除调制过程中的带外寄生信号，图3-63-6为相为相干干QPSKQPSK解调器框图解调器框图  图3-6 　相干QPSK解调器 7调制和解调技术 图图3-63-6为相干为相干QPSKQPSK解调器框图输入带通滤波器滤除带解调器框图输入带通滤波器滤除带外噪声和邻道干扰，滤波器输出端信号分成两部分，分别用外噪声和邻道干扰，滤波器输出端信号分成两部分，分别用同相和正交载波相干解调，之后两路信号通过低通滤波、同相和正交载波相干解调，之后两路信号通过低通滤波、1 1比特模拟／数字比特模拟／数字(A(A／／D)D)转换器再生出同相和正交基带信号。

转换器再生出同相和正交基带信号这两个信号流通过一个并这两个信号流通过一个并/ /串串(P/S)(P/S)变换器再组合形成最初的变换器再组合形成最初的比特流图比特流图3-63-6中载波恢复环路提供与接收未调信号同步的中载波恢复环路提供与接收未调信号同步的同相正交载波同相正交载波 8调制和解调技术 大多数实际的载波恢复电路在恢复载波过程中将产生一大多数实际的载波恢复电路在恢复载波过程中将产生一个相位模糊度对个相位模糊度对QPSKQPSK系统很可能出现四相位模糊，产生严系统很可能出现四相位模糊，产生严重的误比特率重的误比特率 为清除相位模糊，可在调制器中使用差分编码器，在为清除相位模糊，可在调制器中使用差分编码器，在解调器中使用差分解码器图解调器中使用差分解码器图3-73-7给出了差分给出了差分QPSKQPSK解调器框解调器框图 9调制和解调技术图3-7 　QPSK差分解调器框图 10调制和解调技术一个未滤波QPSK信号的功率谱密度为式中为通过电阻的归一化平均信号功率，（式3-1）为比特持续时间11调制和解调技术 假定调制器中使用了具有升余弦函数均方根特性、滚降假定调制器中使用了具有升余弦函数均方根特性、滚降系数为系数为 ( (最佳特性时最佳特性时) )的频谱成形滤波器，则很容易得到的频谱成形滤波器，则很容易得到QPSKQPSK信号滤波后的频谱，如图信号滤波后的频谱，如图3-83-8所示。

图所示图3-83-8中曲线中曲线(a)(a)是是未滤波未滤波QPSKQPSK频谱，曲线频谱，曲线(b)(b)是带幅度均衡器的滚降系数为是带幅度均衡器的滚降系数为αα的升余弦函数的幅度响应，曲线的升余弦函数的幅度响应，曲线(c)(c)是已滤波是已滤波QPSKQPSK频谱只存频谱只存在加性高斯白噪声在加性高斯白噪声(AWGN)(AWGN)，且无符号间干扰，且无符号间干扰(ISI)(ISI)时的幅度时的幅度响应 12调制和解调技术图3-8 QPSK信号的功率谱密度13调制和解调技术由图3-8可知QPSK信号带宽为故谱效率为（式3-2） 可见，最小带宽情况，即 时，QPSK系统的理论谱效率为2bit/s/Hz目前的技术可使实际滤波器的滚降系数降到 ，则谱效率实际可达17bit/s/Hz左右 14调制和解调技术3.2.2 π/43.2.2 π/4移位移位QPSK(π/4-QPSK)QPSK(π/4-QPSK)调制调制 π/4 π/4 移位移位QPSKQPSK技术是在技术是在QPSKQPSK基础上通过载波相位移动基础上通过载波相位移动±π/4±π/4和和±3π/4±3π/4得到的。

得到的主要优点主要优点: : 它可使用非相干检测它可使用非相干检测( (差分检测或差分检测或FMFM鉴频器鉴频器) )，用低复杂，用低复杂性的接收机就可完成而且，当存在多径衰落时，它的工作性的接收机就可完成而且，当存在多径衰落时，它的工作性能优 15调制和解调技术 同同QPSKQPSK相比，包络起伏比较小相比，包络起伏比较小( (它的最大相变为它的最大相变为1351350 0) )，，故有较好的输出谱特性故有较好的输出谱特性 π/4π/4移位移位QPSKQPSK的信号元素可看成的信号元素可看成是从两个彼此相移是从两个彼此相移π/4π/4的信号星座图中交替选样出来的的信号星座图中交替选样出来的π/4π/4移位移位QPSKQPSK调制器框图示于图调制器框图示于图3-93-9输入比特流经串输入比特流经串/ /并并(S/P)(S/P)变换器转换成两个并行流变换器转换成两个并行流( (a ak k，，b bk k),),并行流的符号率为并行流的符号率为输入比特流的一半输入比特流的一半 16调制和解调技术图3-9 π/4移位QPSK和 π /4CTPSK调制器17调制和解调技术信号映射电路输出端的第k个同相和正交脉冲由它的前一个脉冲电平Ik-1 、Qk-1及输入符号ak 、bk决定。

（式3-3） （式3-4） 而ak、bk反过来与已调信号的相位变化有关，如表3-3，该调制器的其它部分同QPSK调制器18调制和解调技术表3-3 π/4QPSK系统相移与信息比特关系7π/45π/43π/4π/4 相移Qk1 01 10 10 0信息比特ak bk19调制和解调技术 π/4π/4移位移位QPSKQPSK的解调可用下面差分检测方法之一实现的解调可用下面差分检测方法之一实现 (1)(1)基带差分检测：基带差分检测： 该方法的差分解码是在已恢复的同该方法的差分解码是在已恢复的同相和正交基带信号上进行的，如图相和正交基带信号上进行的，如图3-103-10所示它须使用本机所示它须使用本机振荡器，但不需相位相干检测．因为相位误差已在基带差分振荡器，但不需相位相干检测．因为相位误差已在基带差分检测中去掉检测中去掉 20调制和解调技术图3-10 　基带差分检测器21调制和解调技术 (2)(2)中频差分检测：图中频差分检测：图3-113-11为为π/4π/4移位移位QPSKQPSK中频差分检中频差分检测器框图。

差分解码是在接收的中频信号上完成的，使用了测器框图差分解码是在接收的中频信号上完成的，使用了一个延迟线和两个乘法器该方案的优点是不需本机振荡器一个延迟线和两个乘法器该方案的优点是不需本机振荡器为使符号间干扰和噪声影响减至最小，其中为使符号间干扰和噪声影响减至最小，其中BPFBPF和和LPFLPF的带的带宽选为宽选为0.57/T0.57/T 22调制和解调技术图3-11 　中频差分检测器 23调制和解调技术 (3)(3)限幅限幅FMFM鉴频器检测：如图鉴频器检测：如图3-123-12所示FMFM鉴频器提取鉴频器提取接收信号的瞬时频偏积分接收信号的瞬时频偏积分- -泄放电路对每一符号持续期上泄放电路对每一符号持续期上的频偏积分，积分取两个抽样瞬相位差最后，用的频偏积分，积分取两个抽样瞬相位差最后，用4-4-电平门电平门限比较器检测输出相位差限比较器检测输出相位差 图3-12 　限幅FM鉴频检测器 若存在同波道干扰和高斯噪声时，可通过适当选取电路元器件，使以上三种方案的性能相同 24调制和解调技术3.2.3 高斯最小移频键控(GMSK) GMSKGMSK是一种恒包络调制方案，其优点是能在保持谱效率是一种恒包络调制方案，其优点是能在保持谱效率的同时维持相应的同波道和邻波道干扰，且包络恒定，所以的同时维持相应的同波道和邻波道干扰，且包络恒定，所以可用简单高效的可用简单高效的C C类放大器实现。

类放大器实现 25调制和解调技术 GMSKGMSK的基本原理是的基本原理是: : 基带信号先经过高斯滤波器成形，再进行最小移频键控基带信号先经过高斯滤波器成形，再进行最小移频键控调制调制(MSK)(MSK)MSKMSK是二进制连续相位移频键控是二进制连续相位移频键控(FSK)(FSK)的一个特的一个特例，而例，而GMSKGMSK主要是改进了它的带外特性，使衰减速度加快主要是改进了它的带外特性，使衰减速度加快MSKMSK调制器可用压控振荡器调制器可用压控振荡器(VCO)(VCO)或正交形式实现或正交形式实现( (如图如图3-133-13所示所示) )，解调器可用相干检测实现，解调器可用相干检测实现, ,也可用非相干检测实现也可用非相干检测实现, ,如一比特差分检测和二比特差分检测等如一比特差分检测和二比特差分检测等 26调制和解调技术图3-13 MSK调制器 27调制和解调技术 GMSKGMSK调制器的一个简单实现方法就是用带调制前加高调制器的一个简单实现方法就是用带调制前加高斯成形斯成形LPFLPF，用，用VCOVCO来实现，如图来实现，如图3-143-14所示，由图可见，所示，由图可见，VCOVCO输出已调波的频谱由输出已调波的频谱由LPFLPF的特性来决定，的特性来决定， LPFLPF的输出直接对的输出直接对VCOVCO调频，以保持已调波包络恒定和相位连续。

调频，以保持已调波包络恒定和相位连续 图3-14 　GMSK调制器 28调制和解调技术为滤波器3dB带宽，（式3-5）LPF的脉冲响应函数为式中 为比特持续时间 然而，由于VCO的线性和灵敏度受到限制，要使中心频率精确地保持在规定值上，是很困难的29调制和解调技术 为克服此缺点，可选用锁相环为克服此缺点，可选用锁相环(PLL)(PLL)型型GMSKGMSK调制器，如图调制器，如图3-153-15所示，其中所示，其中π/2π/2相移相移BPSKBPSK调制器确保每个码元的相位变调制器确保每个码元的相位变化为化为±π/2±π/2，锁相环对，锁相环对BPSKBPSK的相位突跳进行平滑，以使码元的相位突跳进行平滑，以使码元转换点相位连续，且无尖角该调制器的关键是要设计好转换点相位连续，且无尖角该调制器的关键是要设计好PLLPLL的传输函数，以满足输出功率谱特性的要求的传输函数，以满足输出功率谱特性的要求 图3-15 　PLL型GMSK调制器 30调制和解调技术 GMSKGMSK的解调可采用类似于的解调可采用类似于MSKMSK方式的正交相干解调技术方式的正交相干解调技术，也可使用非相干检测解调技术，如差分解调和鉴频器解调，也可使用非相干检测解调技术，如差分解调和鉴频器解调等。

泛欧数字蜂窝移动通信系统等泛欧数字蜂窝移动通信系统(GSM)(GSM)采用了的采用了的GMSKGMSK调制该系统突发信号速率为该系统突发信号速率为270Kbit/s,270Kbit/s,带宽为带宽为200KHz,200KHz,带宽效率带宽效率为为1.356bit/s/Hz1.356bit/s/Hz 31调制和解调技术。