第2講調(diào)制與解調(diào)

1、第第3 3章章 3.1 3.1 調(diào)制解調(diào)調(diào)制解調(diào)數(shù)字相位調(diào)制數(shù)字相位調(diào)制3.1.1正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制3.1.23.1.23.1.2 正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制 正交振幅調(diào)制（正交振幅調(diào)制（QAM）是一種幅度）是一種幅度和相位聯(lián)合鍵控（和相位聯(lián)合鍵控（APK）的調(diào)制方式。）的調(diào)制方式。 正交振幅調(diào)制是用兩路獨(dú)立的基帶正交振幅調(diào)制是用兩路獨(dú)立的基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)數(shù)字信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用已調(diào)信行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。兩路并行的數(shù)字信息傳輸

2、。 正交振幅調(diào)制的一般表達(dá)式為正交振幅調(diào)制的一般表達(dá)式為 0tTs （3-20） 式中，式中，Ts為碼元寬度，為碼元寬度，Am和和Bm為離散的振幅為離散的振幅值，值，m = 1，2，M，M為為Am和和Bm的個(gè)數(shù)。的個(gè)數(shù)。MQAMcc cos sinmmsAtBt MQAM中的振幅中的振幅Am和和Bm可以表示成可以表示成（3-21） 式中，式中，A是固定的振幅，是固定的振幅，(dm，em)由輸由輸入數(shù)據(jù)確定。入數(shù)據(jù)確定。(dm，em)決定了已調(diào)決定了已調(diào)QAM信信號(hào)在信號(hào)空間中的坐標(biāo)點(diǎn)。號(hào)在信號(hào)空間中的坐標(biāo)點(diǎn)。 MQAM的調(diào)制框圖如圖的調(diào)制框圖如圖3-19所示。所示。mmmmAd ABe A圖圖

3、3-19 MQAM調(diào)制解調(diào)原理框圖調(diào)制解調(diào)原理框圖ML 數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信道編碼之后，被映射到星座圖上，其原理為：數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信道編碼之后，被映射到星座圖上，其原理為：經(jīng)過(guò)信道編碼的二進(jìn)制的經(jīng)過(guò)信道編碼的二進(jìn)制的 MPEG-2 比特流進(jìn)入比特流進(jìn)入 QAM 調(diào)調(diào)制器，制器， 信號(hào)被分為兩路，信號(hào)被分為兩路， 一路給一路給I， 另一路給另一路給 Q，每一，每一路一次給路一次給 2比特的數(shù)據(jù)，這比特的數(shù)據(jù)，這 2 比特的二進(jìn)制數(shù)一共有比特的二進(jìn)制數(shù)一共有 4 種不同的狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)種不同的狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng) 4種不同的電平幅度，這樣種不同的電平幅度，這樣 I 有有4個(gè)不同幅度的電平，個(gè)不同幅度的電平，Q 有有 4

4、個(gè)不同幅度的電平，而且個(gè)不同幅度的電平，而且 I 和和 Q 兩路信號(hào)正交。這樣任意一個(gè)兩路信號(hào)正交。這樣任意一個(gè) I 的幅度和任意一個(gè)的幅度和任意一個(gè) Q 的幅度組合都會(huì)在極坐標(biāo)圖上映射一個(gè)相應(yīng)的星座點(diǎn)，的幅度組合都會(huì)在極坐標(biāo)圖上映射一個(gè)相應(yīng)的星座點(diǎn)，這樣每個(gè)星座點(diǎn)代表由這樣每個(gè)星座點(diǎn)代表由 4 個(gè)比特的數(shù)據(jù)組成的一個(gè)映射，個(gè)比特的數(shù)據(jù)組成的一個(gè)映射，I 和和Q 一共有一共有 44 共共 16種組合狀態(tài)，各種可能出現(xiàn)過(guò)的種組合狀態(tài)，各種可能出現(xiàn)過(guò)的數(shù)據(jù)狀態(tài)組合最后映射到星座圖上，數(shù)據(jù)狀態(tài)組合最后映射到星座圖上， 得到如下圖得到如下圖 所顯所顯示的示的16QAM 星座圖。星座圖。圖圖3-20 1

5、6QAM的星座圖的星座圖 M = 4，16，32，256時(shí)時(shí)MQAM信號(hào)的星座圖如圖信號(hào)的星座圖如圖3-21所示。所示。 其中，其中，M = 4，16，64，256 時(shí)星座時(shí)星座圖為矩形，而圖為矩形，而M = 32，128時(shí)星座圖為十時(shí)星座圖為十字形。字形。圖圖3-21 MQAM信號(hào)的星座圖信號(hào)的星座圖 MQAM信號(hào)同樣可以采用正交相干解信號(hào)同樣可以采用正交相干解調(diào)方法，其解調(diào)器原理圖如圖調(diào)方法，其解調(diào)器原理圖如圖3-22所示。所示。圖圖3-22 MQAM信號(hào)相干解調(diào)原理圖信號(hào)相干解調(diào)原理圖3.1.33.1.3 數(shù)字頻率調(diào)制數(shù)字頻率調(diào)制一、一、 二進(jìn)制頻移鍵控二進(jìn)制頻移鍵控 用二進(jìn)制數(shù)字基帶信

6、號(hào)去控制載波用二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)去控制載波頻率稱(chēng)為二進(jìn)制頻移鍵控（頻率稱(chēng)為二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）。）。 如圖如圖3-25所示，設(shè)輸入到調(diào)制器的比所示，設(shè)輸入到調(diào)制器的比特流為特流為 ， ， 。 2FSK的輸出信號(hào)形式為的輸出信號(hào)形式為na1na n圖圖3-25 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的產(chǎn)生 nTbt(n + 1)Tb （3-24） 即當(dāng)輸入信號(hào)為傳號(hào)即當(dāng)輸入信號(hào)為傳號(hào)“ + 1”時(shí)，輸出頻時(shí)，輸出頻率為率為f1的正弦波；當(dāng)輸入信號(hào)為空號(hào)的正弦波；當(dāng)輸入信號(hào)為空號(hào)“ 1”時(shí)，時(shí)，輸出頻率為輸出頻率為f2的正弦波。的正弦波。 初相位初相位 1和和 2可以是連續(xù)的，也可以是不可以是連續(xù)的，也可以

7、是不連續(xù)的。連續(xù)的。112FSK22cos()1( )cos()1nnAtastAta 17在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)要求發(fā)送信號(hào)具有在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)要求發(fā)送信號(hào)具有包絡(luò)恒定、高頻分量較小包絡(luò)恒定、高頻分量較小的特的特點(diǎn)。點(diǎn)。移相鍵控信號(hào)移相鍵控信號(hào)PSK(4PSK、8PSK)的缺點(diǎn)之一是，沒(méi)能從根本上的缺點(diǎn)之一是，沒(méi)能從根本上消除在碼元轉(zhuǎn)換處的載波相位突變，使系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)的旁瓣功率分量，消除在碼元轉(zhuǎn)換處的載波相位突變，使系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)的旁瓣功率分量，造成對(duì)鄰近波道的干擾；若將此信號(hào)通過(guò)帶限系統(tǒng)，由于旁瓣的濾除造成對(duì)鄰近波道的干擾；若將此信號(hào)通過(guò)帶限系統(tǒng)，由于旁瓣的濾除而產(chǎn)生信號(hào)包絡(luò)起伏變化，為了不失真?zhèn)?/p>

8、輸，對(duì)信道的線性特性要求而產(chǎn)生信號(hào)包絡(luò)起伏變化，為了不失真?zhèn)鬏?，?duì)信道的線性特性要求就過(guò)于苛刻。就過(guò)于苛刻。 兩個(gè)獨(dú)立信源產(chǎn)生的兩個(gè)獨(dú)立信源產(chǎn)生的2FSK信號(hào)，一般來(lái)說(shuō)在頻率轉(zhuǎn)換處相位不連信號(hào)，一般來(lái)說(shuō)在頻率轉(zhuǎn)換處相位不連續(xù)，同樣使功率譜產(chǎn)生很強(qiáng)的旁瓣分量，若通過(guò)帶限系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生包續(xù)，同樣使功率譜產(chǎn)生很強(qiáng)的旁瓣分量，若通過(guò)帶限系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生包絡(luò)起伏變化。絡(luò)起伏變化。OQPSK雖然消除了雖然消除了QPSK信號(hào)中的信號(hào)中的180相位突變，相位突變，但也沒(méi)能從根本上解決消除信號(hào)包絡(luò)起伏變化的問(wèn)題。但也沒(méi)能從根本上解決消除信號(hào)包絡(luò)起伏變化的問(wèn)題。 問(wèn)題的引入問(wèn)題的引入 n 為什么要使用恒包絡(luò)調(diào)制極低的旁

9、瓣能量；可使用高效率的C類(lèi)高功率放大器（導(dǎo)通角小于90，為非線性放大器，效率高。）；容易恢復(fù)用于相干解調(diào)的載波；已調(diào)信號(hào)峰均比低。 為了克服以上缺點(diǎn)，需控制相位的連續(xù)性，這種形式為了克服以上缺點(diǎn)，需控制相位的連續(xù)性，這種形式的數(shù)字頻率調(diào)制方式，稱(chēng)之為相位連續(xù)變化的的數(shù)字頻率調(diào)制方式，稱(chēng)之為相位連續(xù)變化的(恒定包絡(luò)恒定包絡(luò))頻移鍵控頻移鍵控(CPFSK)。其一特例為最小。其一特例為最小(調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù))頻移鍵控頻移鍵控（MSK）。）。 所謂所謂“最小最小”是指這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)是指這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)(0.5)(0.5)獲得正交信號(hào)；獲得正交信號(hào)； 而而“快速快速”是指在

10、給定同樣的頻帶是指在給定同樣的頻帶內(nèi)，內(nèi)，MSKMSK能比能比2PSK2PSK的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，且在帶外的頻譜的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，且在帶外的頻譜分量要比分量要比2PSK2PSK衰減的快。衰減的快。MSK信號(hào)可表示為信號(hào)可表示為：)2cos()(kskcMSKtTattSsskTT ）（1k式中：式中： 為載頻；為載頻； 為頻偏；為頻偏； 為為k個(gè)碼元中的相位常數(shù)。而個(gè)碼元中的相位常數(shù)。而 為第為第k個(gè)碼元的相位常數(shù)。而個(gè)碼元的相位常數(shù)。而 為第為第k個(gè)碼元的數(shù)據(jù)，分個(gè)碼元的數(shù)據(jù)，分別表示二進(jìn)制信息別表示二進(jìn)制信息1和和0，當(dāng)，當(dāng)ak+ +1時(shí)，信號(hào)頻率時(shí)，信號(hào)頻率s4/1f)2(212fTT

11、ssc當(dāng)當(dāng)ak- -1時(shí)，信號(hào)頻率時(shí)，信號(hào)頻率cskTa211kassscTT4/1f)2(211fk最小頻差（最大頻偏）：最小頻差（最大頻偏）： sTfff2112即最小頻差等于碼元速率的一半即最小頻差等于碼元速率的一半設(shè)設(shè)1/Tsfs，則調(diào)頻指數(shù)，則調(diào)頻指數(shù) 2121sssTTffhsskkMSKkTtTkktkttS) 1(1a)1f2cos(1a)2f2cos()(當(dāng)當(dāng)MSK信號(hào)又可表示為：信號(hào)又可表示為：h=0.5時(shí)，滿足在碼元交替點(diǎn)相位連續(xù)的條件，也是頻移鍵控為保證良時(shí)，滿足在碼元交替點(diǎn)相位連續(xù)的條件，也是頻移鍵控為保證良好的誤碼率性能所允許的最小調(diào)制指數(shù)，且此時(shí)波形的相關(guān)系數(shù)為好

12、的誤碼率性能所允許的最小調(diào)制指數(shù)，且此時(shí)波形的相關(guān)系數(shù)為0.5，待傳送的兩個(gè)信號(hào)是正交的。待傳送的兩個(gè)信號(hào)是正交的。對(duì)于對(duì)于)2cos()(kskcMSKtTattSsskTT ）（1k)2)(kksktTat式中式中)(kt 為第k個(gè)碼元信號(hào)的附加相位，它是t的直線方程；并且在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間T內(nèi)，它變化 ,即變化 。按照相位連續(xù)性的要求，在第K個(gè)碼元的末尾，即當(dāng)t=kT時(shí)，其附加相位 就應(yīng)該是第k+1個(gè)碼元的初始附加相位所以，每經(jīng)過(guò)一個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間，MSK信號(hào)碼元的附加相位就改變 ；若 ，則第k+1個(gè)碼元的附加相位增加 ；若 ，則第k+1個(gè)碼元的附加相位減小 。按這一規(guī)律，可以畫(huà)出MSK

13、信號(hào)附加相位 的軌跡圖，如下圖所示。 2ka2)(kt)(1kt21ka21-ka2)(ktMSKMSK的可能相位軌跡的可能相位軌跡總結(jié)總結(jié)MSK信號(hào)的特點(diǎn)：信號(hào)的特點(diǎn)：l MSK信號(hào)是正交信號(hào)；信號(hào)是正交信號(hào)；l 其波形在碼元間是連續(xù)的；其波形在碼元間是連續(xù)的；l 其包絡(luò)是恒定不變的；其包絡(luò)是恒定不變的；l 其附加相位在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)線性地變化其附加相位在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)線性地變化 ；2l 調(diào)制產(chǎn)生的頻率偏移等于調(diào)制產(chǎn)生的頻率偏移等于 ；sT41l 在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)含有的載波周期數(shù)等于在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)含有的載波周期數(shù)等于1/4的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。MSK信號(hào)調(diào)制器原理圖如圖信號(hào)調(diào)

14、制器原理圖如圖3-35所示所示。圖圖3-35 MSK信號(hào)調(diào)制器原理框圖信號(hào)調(diào)制器原理框圖 MSK信號(hào)屬于數(shù)字頻率調(diào)制信號(hào)，因信號(hào)屬于數(shù)字頻率調(diào)制信號(hào)，因此一般可以采用鑒頻器方式進(jìn)行解調(diào)，其此一般可以采用鑒頻器方式進(jìn)行解調(diào)，其原理圖如圖原理圖如圖3-38所示。所示。圖圖3-38 MSK鑒頻器解調(diào)原理框圖鑒頻器解調(diào)原理框圖 相干解調(diào)的框圖如圖相干解調(diào)的框圖如圖3-39所示。所示。圖圖3-39 MSK信號(hào)相干解調(diào)器原理框圖信號(hào)相干解調(diào)器原理框圖MSK信號(hào)的功率譜如圖信號(hào)的功率譜如圖3-37所示。所示。圖圖3-37 MSK信號(hào)的功率譜信號(hào)的功率譜MSKMSK調(diào)制方式已在一些通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用調(diào)制方式已

15、在一些通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。但是，就移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，通常要在。但是，就移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，通常要在25kHz25kHz的信道間隔中傳輸?shù)男诺篱g隔中傳輸16kbit/s16kbit/s的數(shù)字信的數(shù)字信號(hào)，鄰道輻射功率要求低于號(hào)，鄰道輻射功率要求低于-70-70到到-80dB-80dB，顯然顯然MSKMSK信號(hào)不能滿足。而另一種數(shù)字調(diào)信號(hào)不能滿足。而另一種數(shù)字調(diào)制方式制方式GMSKGMSK能很好地滿足要求。能很好地滿足要求。GMSKGMSK要求帶外輻射功率為要求帶外輻射功率為-60-60-80dB-80dBGMSKGMSK是是GSMGSM的優(yōu)選方案的優(yōu)選方案 1 1 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在原實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在原MS

16、KMSK調(diào)制器增加前置濾波器調(diào)制器增加前置濾波器 2 2 對(duì)前置濾波器的要求對(duì)前置濾波器的要求 帶寬窄且為銳截止型帶寬窄且為銳截止型 有較低的過(guò)脈沖響應(yīng)有較低的過(guò)脈沖響應(yīng) 保持輸出脈沖的面積不變保持輸出脈沖的面積不變 3 3 目的：抑制高頻分量，防止過(guò)量的瞬時(shí)頻率偏移、以目的：抑制高頻分量，防止過(guò)量的瞬時(shí)頻率偏移、以及滿足相干檢測(cè)的需要及滿足相干檢測(cè)的需要 4 4 高斯濾波器滿足以上要求高斯濾波器滿足以上要求 高斯最小頻移鍵控（高斯最小頻移鍵控（GMSK）既能夠）既能夠保持保持MSK相位連續(xù)、恒定包絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，還相位連續(xù)、恒定包絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，還能夠滿足移動(dòng)通信旁瓣功率的快速衰減的能夠滿足移動(dòng)通信旁瓣

17、功率的快速衰減的要求。要求。 GMSK信號(hào)就是在信號(hào)就是在MSK調(diào)制之前，調(diào)制之前，加入一高斯低通濾波器（稱(chēng)為預(yù)調(diào)制濾加入一高斯低通濾波器（稱(chēng)為預(yù)調(diào)制濾波器）而產(chǎn)生的，如圖波器）而產(chǎn)生的，如圖3-42所示。所示。圖圖3-42 GMSK調(diào)制的原理框圖調(diào)制的原理框圖 圖圖3-43 高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)GMSKGMSK濾波器可以由濾波器可以由B B和基帶符號(hào)持續(xù)時(shí)間和基帶符號(hào)持續(xù)時(shí)間T T完全決定，因完全決定，因此習(xí)慣上使用此習(xí)慣上使用BTBT乘積來(lái)定義乘積來(lái)定義GMSKGMSK。 高斯濾波器的輸出脈沖經(jīng)高斯濾波器的輸出脈沖經(jīng)MSK調(diào)制調(diào)制得到得到GMSK信號(hào)，其相位路徑由脈沖的信號(hào)，其相位路徑由脈沖的形狀決定。形狀決定。 GMSK的相位軌跡如圖的相位軌跡如圖3-44所示。所示。圖圖3-44 GMSK的相位軌跡的相位軌跡 圖圖3