2022年现代数字调制解调技术.pdf

通信原理第五十一讲第 9 章现代数字调制解调技术第七章我们讨论了数字调制的三种基本方式：数字振幅调制、 数字频率调制和数字相位调制， 然而，这三种数字调制方式都存在不足之处，如频谱利用率低、抗多径抗衰落能力差、功率谱衰减慢带外辐射严重等为了改善这些不足，近几十年来人们不断地提出一些新的数字调制解调技术，以适应各种通信系统的要求例如，在恒参信道中，正交振幅调制 (QAM)和正交频分复用 (OFDM)方式具有 高的频谱利用率 ，正交振幅调制在卫星通信和有线电视网络高速数据传输等领域得到广泛应用而正交频分复用在非对称数字环路 ADSL 和高清晰度电视HDTV 的地面广播系统等得到成功应用高斯最小移频键控 (GMSK) 和4DQPSK 具有较强的抗多径抗衰落性能， 带外功率辐射小等特点 ，因而在移动通信领域得到应用高斯最小移频键控用于泛欧数字蜂窝移动通信系统 (GSM)，4DQPSK 用于北美和日本的数字蜂窝移动通信系统下面分别对几种具有代表性的数字调制系统进行讨论91 正交振幅调制(QAM)随着通信业务需求的迅速增长， 寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字 通信 系统 设 计 、研 究 的主 要目 标之 一。

正 交 振幅 调 制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 就是一种频谱利用率很高的调制方式在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、 卫星通信系统等领域得到广泛应用在移动通信中， 随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视，并进行了广泛深入的研究 一、 MQAM 调制原理正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制， 利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实9-1第9章 现代数字调制解调技术Page 1 of 20名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 20 页 - - - - - - - - - 现两路并行的数字信息传输正交振幅调制信号的一般表示式为 ( )()cos()MQAMnscnnstA g tnTt?=-+(9.1-1)式中，是基带信号幅度，nA)(snTtg-是宽度为的单个基带信号波形。

sT( )()coscos()sinsinMQAMnsncnsncnnstA g tnTtA g tnTt?=-n(9.1-2)令cosnnXA?=sinnnYAn?=则式(9.1-2)变为( )()cos()sinMQAMnscnscnnstX g tnTtY g tnTt=-( )cos( )sinccX ttY tt=-(9.1-3)QAM 中的振幅和可以表示为 nXnYnnnnXc AYd A=?=?(9.1-4)式中，是固定振幅，、由输入数据确定决定了已调 QAM 信号在信号空间中的坐标点 AncndncndQAM 信号调制原理图如图9-1 所示图中，输入的二进制序列经过串/并变换器输出速率减半的两路并行序列，再分别经过2 电平到电平的变换，形成电平的基带信号 为了抑制已调信号的带外辐射，该电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，形成和，再分别对同相载波和正交载波相乘最后将两路信号相加即可得到QAM 信号LLL)(tX)(tY9-2第9章 现代数字调制解调技术Page 2 of 20名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 20 页 - - - - - - - - - 图 9-1 QAM 信号调制原理图信号矢量端点的分布图称为星座图。

通常，可以用星座图来描述QAM 信号的信号空间分布状态对于16=M的 16QAM 来说，有多种分布形式的信号星座图两种具有代表意义的信号星座图如图9-2 所示在图 9-2(a)中，信号点的分布成方型，故称为方型16QAM 星座，也称为标准型16QAM在图 9-2(b)中，信号点的分布成星型，故称为星型16QAM 星座图 9-2 16 QAM 的星座图若信号点之间的最小距离为2A，且所有信号点等概率出现，则平均发射信号功率 为(2221M)snnnAPcM=+d(9.1-5) 对于方型 16QAM，信号平均功率 为()()22221428 104 81016MsnnnAAPcdM=+= +=2A对于星型 16QAM，信号平均功率 为9-3第9章 现代数字调制解调技术Page 3 of 20名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 20 页 - - - - - - - - - ()()222222182.6184.6114.0316MsnnnAAPcdM=+=+=2A两者功率相差 1.4dB。

另外，两者的星座结构也有重要的差别一是星型 16QAM只有两个振幅值，而方型16QAM 有三种振幅值；二是星型16QAM 只有 8 种相位值，而方型 16QAM 有 12 种相位值 这两点使得在衰落信道中，星型16QAM比方型 16QAM 更具有吸引力M=4、16、32、256时 MQAM 信号的星座图如图9-3 所示其中，M=4、16、64、256 时星座图为 矩形，而 M=32、128 时星座图为 十字形前者 M 为 2的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息；后者M 为 2 的奇次方，每个符号携带奇数个比特信息图 9-3 MQAM 信号的星座图若已调信号的最大幅度为1， 则 MPSK 信号星座图上信号点间的最小距离为2sinMPSKdM?=?(9.1-6) 而 MQAM 信号矩形星座图上信号点间的最小距离为2211MQAMdLM=-(9.1-7) 9-4第9章 现代数字调制解调技术Page 4 of 20名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 20 页 - - - - - - - - - 式中， L 为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数，2LM =。

由式 (9.1-6)和(9.1-7)可以看出，当4=M时，QAMPSKdd44=，实际上， 4PSK和 4QAM的 星 座 图 相同 当16=M时 ，47.016=QAMd，而，这表明， 16QAM 系统的抗干扰能力优于16PSK39. 016=PSKdQAMPSKdd16169-5第9章 现代数字调制解调技术Page 5 of 20名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 20 页 - - - - - - - - - 通信原理第五十二讲一、 MQAM解调原理MQAM 信号同样可以采用 正交相干解调方法 ，其解调器原理图如图9-4 所示解调器输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波输出两路多电平基带信号)(tX和)(tY多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测，再经 L 电平到 2 电平转换和并 /串变换器最终输出二进制数据图 9-4 MQAM 信号相干解调原理图二、 MQAM 抗噪声性能对与方型QAM，可以看成是由两个相互正交且独立的多电平ASK信号叠加而成。

因此，利用多电平信号误码率的分析方法，可得到M 进制 QAM 的误码率为2203log111beELPerfcLLn?=-?-?(9.1-8) 式中，2LM =，为每比特码元能量，为噪声单边功率谱密度图9-5 给出了 M 进制方型 QAM 的误码率曲线bE0n9-1第9章 现代数字调制解调技术Page 6 of 20名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 20 页 - - - - - - - - - 图 9-5 M 进制方型 QAM 的误码率曲线92 最小移频键控 (MSK) 由于一般移频键控信号相位不连续、 频偏较大等原因，使其频谱利用率较低本节将讨论的MSK(Minimum Frequencyshift-keying)是二进制连续相位FSK 的一种特殊形式 MSK 称为最小移频键控，有时也称为快速移频键控(FFSK)所谓“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数(0.5)获得正交信号； 而“快速”是指在给定同样的频带内，MSK 能比 2PSK 传输更高的数据速率，且在带外的频谱分量要比 2PSK 衰减的快。

一、 MSK 的基本原理MSK 是恒定包络连续相位频率调制，其信号的表示式为( )cos()2kMSKcksastttT?=+(9.2-1) (1),0,1,sskTtkTk +=令9-2第9章 现代数字调制解调技术Page 7 of 20名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 20 页 - - - - - - - - - ( ),(1)2kkkssattkTtkTsT?=+ +(9.2-2) 则式(9.2-1)可表示为( )cos( )MSKcksttt=+(9.2-3) 式中，)(tk称为附加相位函数；c为载波角频率；sT 为码元宽度；ka 为输入第k个码元，取值为1 ；k?为第k个码元的相位常数，在时间ssTktkT)1(+中保持不变，其作用是保证在skTt =时刻信号相位连续令( )2kkcsatttTk=+?(9.2-4) 则,12( )2,12ckskkcscksaTdtadtTaT?+=?=+=?-=?+-(9.2-5) 由式(9.2-5)可以看出 MSK 信号的两个频率分别为114csffT=-(9.2-6) 214csffT=+(9.2-7) 中心频率应选为 cf4csnfT=(9.2-8) 1,2,n =式(9.2-8)表明， MSK 信号在每一码元周期内必须包含四分之一载波周期的整数倍。

还可以表示为 cf14csmfNT?=+?(Nm0,1,2,3)=为正整数；(9.2-9) 相应地 MSK 信号的两个频率可表示为9-3第9章 现代数字调制解调技术Page 8 of 20名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 20 页 - - - - - - - - - 11144c1ssmffNTT-?=-=+?(9.2-10) 21144c1ssmffNTT+?=+=+?(9.2-11) 由此可得频率间隔为2112sfffT =-=(9.2-12) MSK 信号的 调制指数 为110.522ssshfTTT= =(9.2-13) 当取时，MSK 信号的时间波形如图9-6 所示 0, 1=mN1 0 0 1 1 1 0 图 9-6 MSK 信号的时间波形9-4第9章 现代数字调制解调技术Page 9 of 20名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 20 页 - - - - - - - - - 通信原理第五十三讲k个码元的相位常数对第k?的选择应保证 MSK 信号相位在码元转换时刻是连续的。

根据这一要求，由式(9.2-2)可以得。