第3章編碼與調(diào)制技術(shù)

第3章編碼與調(diào)制技術(shù)第一頁，共115頁。信源編碼概述3.1信道編碼概述3.2調(diào)制技術(shù)概述3.3線性調(diào)制技術(shù)3.4恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)3.5擴頻調(diào)制技術(shù)3.6第二頁，共115頁。信息：是事物行為、狀態(tài)的表征。“信息變換”過程：將信息脫離源事物而附著于另一種事物的過程。信息載體：能將自己的某種物理量與附著的信息建立一一對應(yīng)關(guān)系的物理載體。如電信號、光信號、聲信號等。3.1信源編碼概述第三頁，共115頁?！?/p>

信息傳輸?shù)幕灸Ｐ腿鐖D3.1所示。圖3.1信息傳輸?shù)囊话隳Ｐ偷谒捻?，?15頁。信源：產(chǎn)生消息和消息序列的來源。信源編碼：是對信源輸出的信息進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q和處理，目的是為了提高信息的傳輸效率。信源編碼又稱為頻帶壓縮編碼或數(shù)據(jù)壓縮編碼。信道編碼：是為了提高信息的可靠性而對消息進(jìn)行的變換和處理。信道：指通信系統(tǒng)中傳輸信息的媒介，信道中存在噪聲和干擾。譯碼：編碼的逆過程，將信道輸出的編碼信號反變換為信息。信宿：接收消息的人或機器。第五頁，共115頁。3.1.1語音編碼·

語音編碼作為一種信源編碼，是將模擬語音信號變成數(shù)字信號以便在信道中傳輸。·

語音編碼技術(shù)可分為波形編碼、參量編碼和混合編碼等類型第六頁，共115頁?！?/p>

波形編碼是將時間域信號直接變換為數(shù)字代碼，其目的是盡可能精確地再現(xiàn)原始語音波形?！?/p>

波形編碼的基本原理是在時間軸上對模擬語音按一定的速率抽樣，然后將幅度樣本分層量化，并用代碼表示。·

波形編碼技術(shù)包括脈沖編碼調(diào)制（PCM）和增量調(diào)制（M）以及它們的各種改進(jìn)型。第七頁，共115頁?！?/p>

參量編碼，又稱為聲源編碼，是基于人類語言的發(fā)聲機理，找出表征語音的特征參量，對特征參量進(jìn)行編碼的一種方法。如線性預(yù)測編碼(LPC)及其各種改進(jìn)型。

·

混合編碼是近年來提出的一類新的語音編碼技術(shù)，它將波形編碼和參量編碼結(jié)合起來，力圖保持波形編碼的高質(zhì)量的優(yōu)點以及參量編碼的低速率的優(yōu)點。如碼激勵線性預(yù)測編碼（CELP）?！?/p>

混合編碼是適合于數(shù)字移動通信的語音編碼技術(shù)。第八頁，共115頁?！ふZ音編碼技術(shù)首先應(yīng)用于有線通信和保密通信，其中最成熟的實用數(shù)字語音系統(tǒng)是64kbit/s的PCM。這是一種典型的波形編碼技術(shù)，主要用于有線電話網(wǎng)，它的語音質(zhì)量好，可與模擬語音相比，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。3.1.2語音編碼技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展第九頁，共115頁。另一類型的波形編碼是增量調(diào)制（△M），較簡單且能抗誤碼。當(dāng)速率達(dá)到32~40kbit/s時，語音質(zhì)量較好；當(dāng)速率在8~16kbit/s時，語音質(zhì)量較差。第十頁，共115頁。速率為24kbit/s的聲碼器是一種典型的采用參量編碼技術(shù)的數(shù)字語音系統(tǒng)，優(yōu)點是速率低，主要用于軍事保密通信，語音質(zhì)量僅能達(dá)到合成質(zhì)量，且對背景噪聲敏感。第十一頁，共115頁。·波形編碼的改進(jìn):自適應(yīng)差分PCM（AdaptiveDifferentialPCM，ADPCM）、子帶編碼（Sub-BandCoding，SBC）、自適應(yīng)變換編碼（Adaptive

TransformCoding，ATC）、時域諧波壓擴（TimeDomainHarmonicScaling，TDHS）等。第十二頁，共115頁。參量編碼的改進(jìn)：多脈沖激勵線性預(yù)測編碼（Multi-PulseExcitedLPC，MPE-LPC）、規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測編碼（RegularPulseExcitedLPC，RPE-LPC）等。第十三頁，共115頁。移動通信對語音編碼技術(shù)的要求如下：

速率較低，純編碼速率應(yīng)低于16kbit/s；在強噪聲環(huán)境中，算法應(yīng)具有較好的抗誤碼性能，以保持較高的語音質(zhì)量；在一定編碼速率下語音質(zhì)量應(yīng)盡可能高；

編解碼時延應(yīng)較短，控制在幾十毫秒之內(nèi)。第十四頁，共115頁。3.1.3脈沖編碼調(diào)制（PCM）·PCM是一種典型的波形編碼技術(shù)，是最早提出的語音編碼方法，至今仍被廣泛采用，主要用于有線電話網(wǎng)，它的語音質(zhì)量好，可與模擬語音相比，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

PCM的優(yōu)點是技術(shù)簡單、無時延，對語音信號和其他類型信號都能可靠地編碼傳輸。第十五頁，共115頁。圖3.2PCM原理框圖第十六頁，共115頁。抽樣:對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。量化:把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值的幅度離散化，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。第十七頁，共115頁?！?/p>

一般語音信號的帶寬為300～3

400Hz，編碼時通常采用的抽樣速率為，如果采用8比特量化，則單路語音編碼的比特速率為64kbit/s。

編碼：用一組二進(jìn)制碼組來表示每一個有固定電平的量化值。第十八頁，共115頁。線性預(yù)測編碼（linearpredictivecoding,LPC）方法是一種參數(shù)編碼方式。參數(shù)編碼的基礎(chǔ)是人類語音的生成模型，通過這個模型，提取語音的特征參數(shù)，然后對特征參數(shù)進(jìn)行編碼傳輸。3.1.4線性預(yù)測編碼（LPC）第十九頁，共115頁。在線性預(yù)測編碼中，將語聲激勵信號簡單地劃分為濁音信號和清音信號。濁音信號可以用準(zhǔn)周期脈沖序列激勵信號來表示，清音信號可以用白色隨機噪聲激勵信號來表示。第二十頁，共115頁。發(fā)送端：原始話音信號送入A／D變換器，以8kHz速率抽樣變成數(shù)字化語聲信號。以180個抽樣樣值為一幀，以一幀為處理單元逐幀完成每一幀的線性預(yù)測系數(shù)分析，并作相應(yīng)的清／濁音（u/v）處理、基音Tp提取，再對這些參量進(jìn)行量化、編碼并送入信道傳送。接收端：經(jīng)參量譯碼分出參量、G、Tp、u/v，以這些參數(shù)作為合成語聲信號的參量，最后將合成產(chǎn)生的數(shù)字化語聲信號經(jīng)D／A變換還原為語聲信號。圖3.3線性預(yù)測編譯碼原理第二十一頁，共115頁。3.1.5IS-95語音編碼（CELP）CELP(CodeExcitedLinearPrediction，碼激勵線性預(yù)測編碼)是一種混合編碼方式，也是近10年來最成功的語音編碼算法。CELP語音編碼算法用線性預(yù)測提取聲道參數(shù)，用一個包含許多典型的激勵矢量的碼本作為激勵參數(shù)，每次編碼時都在這個碼本中搜索一個最佳的激勵矢量，這個激勵矢量的編碼值就是這個序列的碼本中的序號。第二十二頁，共115頁。·

CELP能改善語音的質(zhì)量，主要體現(xiàn)在以下幾方面：①對誤差信號進(jìn)行感覺加權(quán)，利用人類聽覺的掩蔽特性來提高語音的主觀質(zhì)量；②用分?jǐn)?shù)延遲改進(jìn)基音預(yù)測，使?jié)嵋舻谋磉_(dá)更為準(zhǔn)確，尤其改善了女性語音的質(zhì)量；第二十三頁，共115頁。③使用修正的MSPE準(zhǔn)則來尋找“最佳”的延遲，使得基音周期延遲的外形更為平滑；④根據(jù)長時預(yù)測的效率，調(diào)整隨機激勵矢量的大小，提高語音的主觀質(zhì)量；⑤使用基于信道錯誤率估計的自適應(yīng)平滑器，在信道誤碼率較高的情況下也能合成自然度較高的語音。第二十四頁，共115頁。3.2信道編碼概述·

信道編碼也稱為差錯控制編碼，它是以提高信息傳輸?shù)目煽啃詾槟康牡木幋a，它通常通過增加信源的冗余度來實現(xiàn)來改善信道鏈路的性能。用于檢測錯誤的信道編碼稱為檢錯編碼，既可檢錯又可糾錯的信道編碼稱為糾錯編碼。第二十五頁，共115頁。·

香農(nóng)論證了通過對信息的恰當(dāng)編碼，可以將由于信道噪聲而導(dǎo)致的錯誤控制在任何誤差范圍之內(nèi)，同時不需要降低信息傳輸速率。第二十六頁，共115頁?！?/p>

應(yīng)用于加性高斯白噪聲（AdditiveWhiteGaussianNoise，AWGN）信道的香農(nóng)信道容量公式如下:

（3.1）第二十七頁，共115頁?！?/p>

檢錯和糾錯技術(shù)的基本思想：通過在數(shù)據(jù)傳輸中引入冗余來提高通信的可靠性。冗余的引入將消耗一定的帶寬，這會降低頻譜效率，但卻能夠大大降低SNR情況下的誤碼率。香農(nóng)指出，只要SNR足夠大，就可以用很寬的帶寬實現(xiàn)無差錯通信。

第二十八頁，共115頁。3.2.1分組碼

·

分組碼是一種前向糾錯（ForwardErrorCorrection，F(xiàn)EC）編碼，前向糾錯碼的碼字是具有一定糾錯能力的碼型，它在接收端解碼后，不僅可以發(fā)現(xiàn)錯誤，而且能夠判斷錯誤碼元所在的位置，并自動糾錯。第二十九頁，共115頁。分組碼一般用符號（n，k）表示，其中n是碼組的總位數(shù)，又稱為碼組的長度（碼長），k是碼組中信息碼元的數(shù)目，n–k=r為碼組中的監(jiān)督碼元數(shù)目。第三十頁，共115頁?！?/p>

在分組碼中，碼距和碼重是兩個重要的參數(shù)?！?/p>

分組碼的糾錯能力是碼距的函數(shù)，

碼距是指兩個碼字Ci與Cj間不相同比特的數(shù)目。用公正表示如下：

（3.2）第三十一頁，共115頁?！?/p>

如果采用二進(jìn)制編碼，那么碼距就是漢明距?！?/p>

最小碼距是碼距集合中的最小值，可表示成

（3.3）最小碼距dmin的大小直接關(guān)系著這種編碼的檢錯和糾錯能力。第三十二頁，共115頁。碼的檢錯、糾錯能力與最小碼距dmin的關(guān)系分為以下三種情況:（1）為檢測e個錯碼，要求最小碼距：dmin≥e+1（2）為糾正t個錯碼，要求最小碼距：dmin≥2t+1（3）為糾正t個錯碼，同時檢測e個錯碼，要求最小碼距：dmin≥e+t+1(e＞t)第三十三頁，共115頁?！?/p>

碼重是碼組中非零元素的數(shù)量?！?/p>

如果采用二進(jìn)制編碼，碼重就是碼組中1的數(shù)目，可用下式表示：

（3.4）第三十四頁，共115頁。1．漢明（Hamming）碼·

Hamming碼是一種簡單的糾錯碼。這種編碼以及由它們衍生的編碼，已被用于數(shù)字通信系統(tǒng)的差錯控制中。

二進(jìn)制Hamming碼具有如下特性 （3.5）第三十五頁，共115頁。2．Hadamard碼·

一個N×N的Hadamard矩陣由0和1組成，其任意兩行恰好有N/2個元素不同?！?/p>

除了一行為全0外，其余行均有N/2個0和N/2個1，最小碼距為N/2?！?/p>

當(dāng)N=2時，Hadamard矩陣為

（3.6）第三十六頁，共115頁。3．循環(huán)（Cyclic）碼·

循環(huán)碼可以由(n-k)次的生成多項式g(p)生成?！?/p>

(n,k)的循環(huán)碼的生成多項式表示如下:

（3.7）第三十七頁，共115頁?！?/p>

消息多項式x(p)定義如下:

（3.8）·

而最后生成的碼多項式c(p)如下:

（3.9）第三十八頁，共115頁。4．BCH碼·

BCH碼是循環(huán)碼的一個重要子類，糾錯能力很強，具有多種碼率，可獲得很大的編碼增益，并能夠在高速方式下實現(xiàn)?！?/p>

二進(jìn)制BCH碼可推廣到非二進(jìn)制BCH碼，它的每個編碼符號代表m個比特。第三十九頁，共115頁。5．RS碼·RS（Reed-Solomon）碼是一種多進(jìn)制BCH碼。把多重碼元當(dāng)成一個碼元，編成BCH碼，就是RS碼。它能夠糾突發(fā)錯誤，通常在連續(xù)編碼系統(tǒng)中采用。第四十頁，共115頁。3.2.2卷積碼

卷積碼是信道編碼中一類重要的編碼方式。卷積碼既能糾正隨機差錯也具有一定的糾正突發(fā)差錯的能力。在CDMA移動通信系統(tǒng)中采用的就是卷積碼。第四十一頁，共115頁。圖3.4卷積編碼結(jié)構(gòu)第四十二頁，共115頁。它與分組碼的根本區(qū)別：它不是把信息序列分組后再進(jìn)行單獨編碼，而是由連續(xù)輸入的信息序列得到連續(xù)輸出的已編碼序列。同樣，在卷積碼譯碼過程中，不僅從此時刻收到的碼組中提取譯碼信息，而且還要利用以前或以后各時刻收到的碼組中提取有關(guān)信息。第四十三頁，共115頁?！?/p>

卷積碼的解碼技術(shù)有許多種，常用的有Viterbi算法、序貫譯碼法。而最重要的是Viterbi算法，它是一種最大似然譯碼法。第四十四頁，共115頁。交織編碼主要用來糾正突發(fā)差錯，將突發(fā)差錯分散成為隨機差錯而得到糾正。通常，交織編碼與各種糾正隨機差錯的編碼(如卷積碼或其它分組碼)結(jié)合使用，從而具有較強的既能糾正隨機差錯又能糾正突發(fā)差錯的能力。交織編碼不像分組碼那樣，它不增加監(jiān)督元，即交織編碼前后，碼速率不變，因此不影響有效性。在移動信道中，數(shù)字信號傳輸常出現(xiàn)成串的突發(fā)差錯，因此，數(shù)字化移動通信中經(jīng)常使用交織編碼技術(shù)。3.2.3

交織編碼第四十五頁，共115頁。在交織編碼之前，先要進(jìn)行分組碼編碼，將待編碼的個數(shù)據(jù)位進(jìn)行交織。通常，每行由n個數(shù)據(jù)位組成一個字，行數(shù)m表示交織的深度，其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示：圖3.5常用的交織方法（按列寫入，按行讀出）第四十六頁，共115頁。

或者按行寫入，按列讀出：在交織之前，先進(jìn)行分組碼編碼，將每個碼字按行順序存入，然后按列順序讀出并輸出。第四十七頁，共115頁?！?/p>

交織編碼的作用：將源信息分散到不同的時間段中，這樣，當(dāng)出現(xiàn)深衰落或突發(fā)干擾時，源信息中的某一塊數(shù)據(jù)不會被同時擾亂。并且，源比特在時間上被分開后，還可以利用信道編碼來減弱信道干擾對源信息的影響。第四十八頁，共115頁。床前明月光春眠不覺曉白發(fā)三千丈紅豆生南國床床前前明明月月光光春春眠眠不不覺覺曉曉白白發(fā)發(fā)三三千千丈丈紅紅豆豆生生南南國國床春白紅床春白紅前眠發(fā)豆前眠發(fā)豆明不三生明不三生月覺千南月覺千南光曉丈國光曉丈國床春白紅？？？？？？？？前眠發(fā)豆明不三生明不三生月覺千南月覺千南光曉丈國光曉丈國床？？前明明月月光光春？？眠不不覺覺曉曉白？？發(fā)三三千千丈丈紅？？豆生生南南國國信道編碼交織去交織信道解碼突發(fā)錯誤舉例：第四十九頁，共115頁。3.2.4Turbo碼·Turbo碼又稱并行級聯(lián)卷積碼(Parallel

ConcatenatedConvolutionalCode，PCCC），是由Berrou等人在ICC’93會議上提出的?！urbo碼的基本原理：通過編碼器的巧妙構(gòu)造，即多個子碼通過交織器進(jìn)行并行或串行級聯(lián)（PCC/SCC），然后以類似內(nèi)燃機引擎廢氣反復(fù)利用的機理進(jìn)行迭代譯碼，從而獲得卓越的糾錯性能，Turbo碼也因此得名。Turbo碼的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他的編碼方式，得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。第五十頁，共115頁。圖3.6AWGN信道中的碼率與香農(nóng)限第五十一頁，共115頁?！urbo碼編碼器是由兩個反饋的系統(tǒng)卷積碼編碼器通過一個隨機交織器并行連接而成的，編碼后的校驗位經(jīng)過刪余陣產(chǎn)生不同碼率的碼字。

圖3.7Turbo碼編碼器結(jié)構(gòu)第五十二頁，共115頁。圖3.8Turbo碼譯碼器結(jié)構(gòu)Turbo碼譯碼器的基本結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。它由兩個軟輸入軟輸出（SISO）譯碼器DEC1和DEC2串行級聯(lián)組成，交織器與編碼器中所使用的交織器相同。第五十三頁，共115頁。調(diào)制是對信號源的編碼信息進(jìn)行處理，使其變?yōu)檫m合傳輸?shù)男问降倪^程。即是把基帶信號（信源）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號。移動通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)包括用于第一代移動通信系統(tǒng)的模擬調(diào)制技術(shù)和用于現(xiàn)今及未來系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。3.3調(diào)制技術(shù)概述第五十四頁，共115頁。

數(shù)字調(diào)制利用數(shù)字信號來控制載波的振幅、頻率或相位。常用的3種基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)：幅移鍵控(ASK)，頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。模擬調(diào)制利用輸入的模擬信號來控制載波(正弦波)的振幅、頻率或相位，從而得到調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)或調(diào)相(PM)信號。第五十五頁，共115頁。幅移鍵控：ASK，用二進(jìn)制基帶信號（0或1）去控制正弦載波的幅度變化?！?/p>

頻移鍵控：FSK，用二進(jìn)制基帶信號去控制正弦載波的頻率變化?！?/p>

相移鍵控：PSK，用二進(jìn)制基帶信號去控制正弦載波的相位變化。第五十六頁，共115頁。3.3.1移動通信對調(diào)制技術(shù)的要求

在蜂窩移動環(huán)境中，無線信號傳輸受到移動信道等多種因素的作用而影響到傳輸質(zhì)量，其中主要因素有：（1）帶寬有限，它取決于使用的頻率資源和信道的傳播特性；（2）干擾和噪聲影響大，這主要是移動通信工作的電磁環(huán)境所決定的；（3）存在著多徑衰落；（4）同頻干擾。第五十七頁，共115頁。

針對移動通信信道的特點，移動通信對數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求有：

①所有的技術(shù)必須有規(guī)定頻帶內(nèi)提供高的傳輸效率。②抗干擾性能要強，要使信號深衰落引起的誤差數(shù)降至最小。③應(yīng)使用高效率的放大器。第五十八頁，共115頁。④在衰落條件下獲得所需要的誤碼率。⑤占用頻帶要窄，帶外幅射要小。⑥同頻復(fù)用的距離小。⑦能提供較高的傳輸速率，使用方便、成本低。第五十九頁，共115頁?！?/p>

從技術(shù)方法的角度看，移動通信實用的調(diào)制技術(shù)主要有兩類。（1）線性調(diào)制技術(shù)（2）恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)3.3.2移動通信實用的調(diào)制技術(shù)第六十頁，共115頁?！?/p>

為了減小相位突變，提出了QPSK信號的兩種改型——交錯四相相移鍵控（OQPSK）和四相相對相移鍵控（DQPSK）?！?/p>

四相相移鍵控（QPSK）應(yīng)用廣泛，頻譜利用率是BPSK（二相相移鍵控）的兩倍，采用相干解調(diào)時誤碼性能與BPSK相同。3.4線性調(diào)制技術(shù)3.4.1四相相移鍵控（QPSK）第六十一頁，共115頁。·

QPSK是由2個比特組成一個雙比特碼去控制載波的相位狀態(tài)，這樣共有4種相位狀態(tài)。第六十二頁，共115頁。雙比特碼元與載波相位有兩種對應(yīng)關(guān)系，如表3.1所示。雙比特碼元載波相位abA方式B方式001101100°90°180°270°45°135°225°315°表3.1雙比特碼元與載波相位的對應(yīng)關(guān)系第六十三頁，共115頁。在相位圖上標(biāo)示出來如圖3.9所示，相位分別是方式（a）π/2和方式（b）π/4。（a）π/2（b）π/4

圖3.9雙比特碼元與載波相位的對應(yīng)關(guān)系第六十四頁，共115頁。QPSK信號相位變化特點：QPSK由于兩個信道上的數(shù)據(jù)沿對齊，所以在碼元轉(zhuǎn)換點上，當(dāng)兩個信道上只有一路數(shù)據(jù)改變極性時，QPSK信號的相位，將發(fā)生突變；當(dāng)兩個信道上數(shù)據(jù)同時改變極性時，QPSK信號的相位將發(fā)生突變。第六十五頁，共115頁。圖3.10QPSK的相位關(guān)系圖第六十六頁，共115頁?！?/p>

QPSK信號的表達(dá)式為(π/2方式)：

（3.10）式中，Ts是符號間隙，等于兩個比特周期，上式可進(jìn)一步寫成：

(3.11)第六十七頁，共115頁。圖3.11QPSK發(fā)射機的框圖圖3.10給出了典型的QPSK發(fā)射機框圖。第六十八頁，共115頁。圖3.12QPSK接收機方框圖圖3.11給出了相干QPSK解調(diào)接收機的框圖。第六十九頁，共115頁。3.4.2交錯四相相移鍵控（OQPSK）OQPSK信號的調(diào)制框圖如圖3.13所示。圖3.13OQPSK調(diào)制框圖第七十頁，共115頁。OQPSK的I信道和Q信道的兩個數(shù)據(jù)流如圖3.14所示，每次只有其中一個可能發(fā)生極性轉(zhuǎn)換。圖3.14OQPSK的I、Q信道波形及相位路徑第七十一頁，共115頁。OQPSK信號相位變化特點：OQPSK信號每比特跳變一次，可能的跳變值為±/2。其相位關(guān)系如圖3.15所示。圖3.15OQPSK的相位關(guān)系圖第七十二頁，共115頁。3.4.3/4QPSK

1．概述

π/4-QPSK是QPSK調(diào)制的一種改進(jìn)方式。改進(jìn)之一是將QPSK的最大相位跳變由±π降為nπ／4（n＝±1或±3）

，以改善π/4-QPSK的頻譜特性；改進(jìn)之二是解調(diào)方式的改進(jìn),QPSK只能用相干解調(diào)，而π/4-QPSK可以用于相干解調(diào)也可以用于非相干解調(diào)。

π/4-QPSK已成功應(yīng)用于美國的IS-136數(shù)字蜂窩系統(tǒng)、日本的PDC系統(tǒng)和美國的PACS系統(tǒng)。第七十三頁，共115頁。圖3.16π/4QPSK調(diào)制的矢量圖第七十四頁，共115頁。2．調(diào)制器π／4QPSK調(diào)制器的硬件實現(xiàn)可用圖3.17來表示。 圖3.17π／4QPSK的發(fā)射機框圖第七十五頁，共115頁。信號映射的基本關(guān)系式為

(3.12)

(3.13)其中，是輸入雙bit符號{，}所對應(yīng)的相移值。

第七十六頁，共115頁。3．/4QPSK解調(diào)

（1）基帶差分檢測

π/4-QPSK信號的解調(diào)包括基帶差分檢測、IF差分檢測和FM鑒頻器檢測。圖3.18π/4QPSK的基帶差分檢測器的框圖第七十七頁，共115頁。（2）中頻差分檢測圖3.19π/4QPSK的中頻差分檢測器第七十八頁，共115頁。（3）鑒頻器解調(diào)圖3.20采用FM鑒頻檢測器解調(diào)π/4QPSK信號的框圖第七十九頁，共115頁。3.5恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)3.5.1最小頻移鍵控（MSK）·

最小移頻鍵控（MSK）信號是調(diào)制指數(shù)h=0.5的二進(jìn)制調(diào)頻信號。為了抑制帶外輻射，可以對MSK輸入信號進(jìn)行平滑處理，即增加一個預(yù)調(diào)制濾波器。并通過將非歸零的二進(jìn)制比特流直接送入調(diào)制指數(shù)為0.5的FM調(diào)制器產(chǎn)生MSK信號。第八十頁，共115頁。MSK信號可以表示為：

(3.14)設(shè)初相位為，所以MSK信號的時域表達(dá)式的一般形式為：

(3.15)第八十一頁，共115頁。MSK的另一個特點是連續(xù)相位調(diào)制，即在第n個碼元結(jié)束時的相位等于第n＋1個碼元開始時相位。

(3.16)

(3.17)第八十二頁，共115頁。進(jìn)一步推導(dǎo)可得：(3.18)設(shè)，則或。第八十三頁，共115頁。3.MSK的特點Ⅰ.恒包絡(luò)；Ⅱ.，在碼元轉(zhuǎn)換時刻，信號相位連續(xù)，但相位路徑是折線（如圖3.21所示）；舉例：信息發(fā)射速率為1000Baud，載波頻率為2000Hz，試畫出MSK已調(diào)調(diào)制信號波形及相位軌跡圖。MSK已調(diào)信號波形和相位軌跡圖如圖3.21所示。第八十四頁，共115頁。圖3.21MSK已調(diào)信號和相位軌跡圖第八十五頁，共115頁。Ⅲ.MSK功率譜更加緊湊，主瓣所占的頻帶寬度比BPSK信號窄（比QPSK信號寬），在主瓣之外，功率譜旁瓣的下降也更加迅速（比BPSK和QPSK都快），所以適合于窄帶信道中傳輸，另外，由于占用帶寬窄，故MSK抗干擾性能優(yōu)于BPSK。第八十六頁，共115頁。3.5.2高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）在MSK調(diào)制器前端加一個高斯濾波器就構(gòu)成了GMSK調(diào)制，雙極性NRZ矩形脈沖序列經(jīng)高斯低通濾波器后，其信號波形得到平滑，再經(jīng)過MSK調(diào)制，則MSK輸出的相位路徑就由折線變得平滑，其功率譜旁瓣衰減更快。第八十七頁，共115頁。1.高斯濾波器的性能

GMSK的原理圖如圖3.22所示。圖3.22GMSK原理圖第八十八頁，共115頁?；虿捎弥苯覨M構(gòu)成的GMSK發(fā)射機的框圖如圖3.23所示。將不歸零信息比特流通過高斯低通濾波器，其后送入調(diào)制指數(shù)為1/2的頻率調(diào)制（FM）器，F(xiàn)M調(diào)制器的輸出信號就是GMSK已調(diào)制信號。圖3.23GMSK發(fā)射機框圖第八十九頁，共115頁。用于脈沖成型的濾波器可分為兩大類，一類是升余弦濾波器，另一類是高斯濾波器。這兩種濾波器是有區(qū)別的，升余弦濾波器是符合奈奎斯特法則的，它能消除ISI（PSK、QSK中應(yīng)用），而高斯濾波器不符合奈奎斯特法則，會引起ISI。第九十頁，共115頁。在GMSK中，高斯低通濾波器必須滿足下列要求：帶寬窄，具有尖銳的過濾帶；（目的：抑制高頻分量）具有較低的峰突沖激響應(yīng)；（目的：防止瞬時頻率偏移過大）能保持輸出脈沖的面積。（目的：利于進(jìn)行相干檢測）第九十一頁，共115頁。2.高斯濾波器的設(shè)計高斯濾波器的沖激響應(yīng)由下式給出

(3.19)傳遞函數(shù)為

(3.20)第九十二頁，共115頁。參數(shù)與高斯濾波器的3dB帶寬有關(guān)，即：

(3.21)式中，對碼元速率歸一化的值稱為歸一化3dB帶寬，它是高斯濾波器的重要參數(shù)。第九十三頁，共115頁?！?/p>

高斯濾波器對單個寬度為的矩形脈沖響應(yīng)為：

（3.22）這就是GMSK信號的基帶波形。式中（3.23）第九十四頁，共115頁。歸一化3dB帶寬的值還會影響基帶波形g(t)的形狀，如圖3.24所示，也就影響到已調(diào)制信號相位變化的規(guī)律和信號頻譜特性。圖3.24GMSK信號的基帶波形第九十五頁，共115頁。3.GMSK信號的功率譜圖3.25GMSK信號的功率譜第九十六頁，共115頁。4.GMSK的優(yōu)點恒包絡(luò)；旁瓣衰減快，頻譜效率高；適合非線性放大。第九十七頁，共115頁。3.6擴頻調(diào)制技術(shù)3.6.1擴頻調(diào)制技術(shù)概述

1．?dāng)U展頻譜的概念·

擴展頻譜（SS，SpreadSpectrum。簡稱擴頻）技術(shù)：一般是指用比信號帶寬寬得多的頻帶寬度來傳輸信息的技術(shù)。

擴頻的作用：在發(fā)端擴展信號頻譜、在收端解擴后恢復(fù)所傳信息。這一處理過程使得接收機輸出的信噪比相對于輸入的信噪比大有改善，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。第九十八頁，共115頁。目前，最基本的展寬頻譜的方法有兩種：（1）直接序列擴頻，簡稱直接擴頻（DS），這種方法采用比特率非常高的數(shù)字編碼的隨機序列去調(diào)制載波，使信號帶寬遠(yuǎn)大于原始信號帶寬。（2）跳頻擴頻，簡稱跳頻（FH），這種方法則是用較低速率編碼序列的指令去控制載波的中心頻率，使其離散地在一個給定頻帶內(nèi)跳變，形成一個寬帶的離散頻率譜。第九十九頁，共115頁。擴展頻譜的主要優(yōu)點①抗干擾能力強，特別是抗窄帶干擾能力；②可檢性低，（LPI，LowProbabilityofIntercept），不容易被偵破；③具有多址能力，易于實現(xiàn)碼分多址（CDMA）技術(shù)；④可抗多徑干擾。第一百頁，共115頁。⑤可抗頻率選擇性衰落；⑥頻譜利用率高，容量大（可有效利用糾錯技術(shù)、正交波形編碼技術(shù)、語音激活技術(shù)等）；⑦具有測距能力。第一百零一頁，共115頁。擴展頻譜的應(yīng)用①衛(wèi)星通信（多址，抗干擾，便于保密，降低平均功率譜密度）。②移動通信（多址，抗干擾，便于保密，抗多徑，提高頻譜利用率）。

③無線本地環(huán)路。④GPS（選址，抗干擾，保密，測距）。⑤測試儀，干擾儀測時延，無碼測試儀等。第一百零二頁，共115頁。3.6.2PN碼序列

·偽隨機序列或偽噪聲序列（PN）是一種自相關(guān)的二進(jìn)制序列，在一段周期內(nèi)其自相似性類似于偽隨機二進(jìn)制序列。

·偽隨機碼具有近似于隨機信號或白噪聲的性能。但是，真正的隨機信號或白噪聲是不能重復(fù)再現(xiàn)和產(chǎn)生的。只能產(chǎn)生一種周期性的脈沖信號(即碼序列)來逼近它的性能，故稱其為偽隨機碼或PN碼。第一百零三頁，共115頁。在直接序列擴頻任意選址的通信系統(tǒng)當(dāng)中，對PN碼有如下要求：1）N碼的比特率應(yīng)能夠滿足擴頻帶寬的需要。2）PN碼的自相關(guān)性要大，且互相關(guān)