通信行业-现代数字调制技术
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
❖ 正交振幅调制是用两路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，利用已调信号在同一带宽内频 谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传 输。
一、时域表示
二、矢量图
如果 QAM 信号的在信号空间中的坐标点数目（状态数） M 4 ，记
为 4QAM，它的同相和正交支路都采用二进制信号；如果同相和正交支路 都采用四进制信号将得到 16QAM 信号。以此类推，如果两条支路都采用 L
如图 8-1（b）所示。经带通滤波器后，OQPSK 信号中包络的最大值与最小
值之比约为 2 ，不再出现比值无限大的现象。也就是说，滤波后的 QPSK
信号和 OQPSK 信号有本质的区别。
由于OQPSK信号也可以看作是由同相支路和正交支路的2PSK信号的叠加，所 以OQPSK信号的功率谱与QPSK信号的功率谱形状相同。 如果采用相干解调方式，理论上OQPSK信号的误码性能与相干解调的QPSK相 同。但是，频带受限的OQPSK信号包络起伏比频带受限的QPSK信号小，经限 幅放大后频谱展宽的少，所以OQPSK的性能优于QPSK。在实际中，OQPSK比 QPSK应用更广泛。
进制信号将得到 MQAM 信号，其中 M L2 。
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。MQAM 目前研究较多，并被建议用于数字通信中的 是 十 六 进 制 的 正 交 幅 度 调 制 （ 16QAM ） 或 六 十 四 进 制 的 正 交 幅 度 调 制 （64QAM），下面重点讨论 16QAM。
8.2 偏移四相相移键控（OQPSK）
❖ 在数字调制中，假设QPSK信号的每个码元的包络为矩形方 波，则高频信号也具有恒包络特性，但这时已调信号的频谱 将为无穷大，而实际上信道带宽总是有限的，为了对QPSK 信号的带宽进行限制，先将基带双极性矩形不归零脉冲序列 先经过基带成形滤波器进行限带，然后再进行QPSK调制。 问题是：通过带限处理后的QPSK信号将不再是恒包络了。 而且当码组，或时，会产生的载波相位跳变，这种相位跳变 会引起带限处理后的QPSK信号包络起伏，甚至出现包络为 0的现象。这种现象必须避免，这是因为当通过非线性器件 后，包络起伏很大的限带QPSK信号的功率谱旁瓣增生，导 致频谱扩散，增加对相邻信道的干扰。为了消除的相位跳变， 在QPSK的基础上提出了OQPSK。
8.3 π/4四相相移键控
图8-3 π/4 -QPSK信号的星座图
8.4 最小频移键控（MSK）
8.4.1 MSK信号的正交性
8.4.2 MSK信号的相位连续性
8.4.3 MSK信号的产生与解调
图8-7 MSK信号的产生方框图
图8-8 MSK解调器原理框图
8.4.4 MSK信号的频谱特性
8.1 引言 在第6章中已经讨论了几种基本数字调制技术的调制和解调原理。随着数字通
信的迅速发展，各种数字调制方式也在不断地改进和发展，现代通信系统中出 现了很多性能良好的数字调制技术。
❖ 本章我们主要介绍目前实际通信系统中常使用的几种现代数字调制技术。首先
介绍几种恒包络调制，包括偏移四相相移键控（OQPSK）、 π/4四相相移键控 （ π/4 -QPSK）、最小频移键控（MSK）和高斯型最小频移键控（GMSK）； 然后介绍正交幅度调制（QAM），它是一种不恒定包络调制。在介绍了这几 种单载波调制后，再引入多载波调制，着重介绍其中的正交频分复用 （OFDM）。
图8-9 MSK、GMSK和OQPSK等信号的功率谱密度
8.5高斯最小频移键控（GMSK）
8.6正交幅度调制（QAM）
❖ 正交振幅调制（QAM）是一种幅度和相位联 合键控（APK）的调制方式。它可以提高系 统可靠性，且能获得较高的信息频带利用率， 是目前应用较为广泛的一种数字调制方式。
8.6.1正交振幅调制的信号表示
❖ 但是由于方型星座QAM信号所需的平均发送功率仅 比最优的QAM星座结构的信号平均功率稍大，而方 型星座的MQAM信号的产生及解调比较容易实现， 所以方型星座的MQAM信号在实际通信中得到了广 泛的应用。当M=4, 16, 32, 64时MQAM信号的星座 图如图8-11所示。
图8-11 MQAM信号的星座图
❖ 对于M=16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8-10所示。在图8-10（a）中， 信号点的 分布成方型，故称为矩形16QAM星座，也称为 标准型16QAM。在图8-10（b）中，信号点的 分布成星型，故称为星型16QAM星座。
图8-10 16QAM的星座图
8.6.2 MQAM信号的产生和解调
MQAM 信号调制原理图如图 8-12 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 L 电平
的变换，形成 L 电平的基带信号 mI (t) 和 mQ (t) ，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方型星座的 MQAM 信号。
为了减小包络起伏，这里做一改进：在对 QPSK 做正交调制时，将正交分
量 Qt 的基带信号相对于同相分量 I t 的基带信号延迟半个码元间隔
Ts / 2 （一个比特间隔）。这种调制方法称为偏移四相相移键控（OQPSK）。
（a）QPSK信号的相位关系
（b）OQPSK信号的相位关系
图8-1 QPSK和OQPSK信号的相位关系
wk.baidu.com
图8-12 QAM信号调制原理图
❖ MQAM信号可以采用正交相干解调方法，其解 调器原理图8-13所示。多电平判决器对多电平 基带信号进行判决和检测。
图8-13 MQAM信号相干解调原理图
❖ 由此可见，方型和星型16QAM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。
一、时域表示
二、矢量图
如果 QAM 信号的在信号空间中的坐标点数目（状态数） M 4 ，记
为 4QAM，它的同相和正交支路都采用二进制信号；如果同相和正交支路 都采用四进制信号将得到 16QAM 信号。以此类推，如果两条支路都采用 L
如图 8-1（b）所示。经带通滤波器后，OQPSK 信号中包络的最大值与最小
值之比约为 2 ，不再出现比值无限大的现象。也就是说，滤波后的 QPSK
信号和 OQPSK 信号有本质的区别。
由于OQPSK信号也可以看作是由同相支路和正交支路的2PSK信号的叠加，所 以OQPSK信号的功率谱与QPSK信号的功率谱形状相同。 如果采用相干解调方式，理论上OQPSK信号的误码性能与相干解调的QPSK相 同。但是，频带受限的OQPSK信号包络起伏比频带受限的QPSK信号小，经限 幅放大后频谱展宽的少，所以OQPSK的性能优于QPSK。在实际中，OQPSK比 QPSK应用更广泛。
进制信号将得到 MQAM 信号，其中 M L2 。
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。MQAM 目前研究较多，并被建议用于数字通信中的 是 十 六 进 制 的 正 交 幅 度 调 制 （ 16QAM ） 或 六 十 四 进 制 的 正 交 幅 度 调 制 （64QAM），下面重点讨论 16QAM。
8.2 偏移四相相移键控（OQPSK）
❖ 在数字调制中，假设QPSK信号的每个码元的包络为矩形方 波，则高频信号也具有恒包络特性，但这时已调信号的频谱 将为无穷大，而实际上信道带宽总是有限的，为了对QPSK 信号的带宽进行限制，先将基带双极性矩形不归零脉冲序列 先经过基带成形滤波器进行限带，然后再进行QPSK调制。 问题是：通过带限处理后的QPSK信号将不再是恒包络了。 而且当码组，或时，会产生的载波相位跳变，这种相位跳变 会引起带限处理后的QPSK信号包络起伏，甚至出现包络为 0的现象。这种现象必须避免，这是因为当通过非线性器件 后，包络起伏很大的限带QPSK信号的功率谱旁瓣增生，导 致频谱扩散，增加对相邻信道的干扰。为了消除的相位跳变， 在QPSK的基础上提出了OQPSK。
8.3 π/4四相相移键控
图8-3 π/4 -QPSK信号的星座图
8.4 最小频移键控（MSK）
8.4.1 MSK信号的正交性
8.4.2 MSK信号的相位连续性
8.4.3 MSK信号的产生与解调
图8-7 MSK信号的产生方框图
图8-8 MSK解调器原理框图
8.4.4 MSK信号的频谱特性
8.1 引言 在第6章中已经讨论了几种基本数字调制技术的调制和解调原理。随着数字通
信的迅速发展，各种数字调制方式也在不断地改进和发展，现代通信系统中出 现了很多性能良好的数字调制技术。
❖ 本章我们主要介绍目前实际通信系统中常使用的几种现代数字调制技术。首先
介绍几种恒包络调制，包括偏移四相相移键控（OQPSK）、 π/4四相相移键控 （ π/4 -QPSK）、最小频移键控（MSK）和高斯型最小频移键控（GMSK）； 然后介绍正交幅度调制（QAM），它是一种不恒定包络调制。在介绍了这几 种单载波调制后，再引入多载波调制，着重介绍其中的正交频分复用 （OFDM）。
图8-9 MSK、GMSK和OQPSK等信号的功率谱密度
8.5高斯最小频移键控（GMSK）
8.6正交幅度调制（QAM）
❖ 正交振幅调制（QAM）是一种幅度和相位联 合键控（APK）的调制方式。它可以提高系 统可靠性，且能获得较高的信息频带利用率， 是目前应用较为广泛的一种数字调制方式。
8.6.1正交振幅调制的信号表示
❖ 但是由于方型星座QAM信号所需的平均发送功率仅 比最优的QAM星座结构的信号平均功率稍大，而方 型星座的MQAM信号的产生及解调比较容易实现， 所以方型星座的MQAM信号在实际通信中得到了广 泛的应用。当M=4, 16, 32, 64时MQAM信号的星座 图如图8-11所示。
图8-11 MQAM信号的星座图
❖ 对于M=16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8-10所示。在图8-10（a）中， 信号点的 分布成方型，故称为矩形16QAM星座，也称为 标准型16QAM。在图8-10（b）中，信号点的 分布成星型，故称为星型16QAM星座。
图8-10 16QAM的星座图
8.6.2 MQAM信号的产生和解调
MQAM 信号调制原理图如图 8-12 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 L 电平
的变换，形成 L 电平的基带信号 mI (t) 和 mQ (t) ，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方型星座的 MQAM 信号。
为了减小包络起伏，这里做一改进：在对 QPSK 做正交调制时，将正交分
量 Qt 的基带信号相对于同相分量 I t 的基带信号延迟半个码元间隔
Ts / 2 （一个比特间隔）。这种调制方法称为偏移四相相移键控（OQPSK）。
（a）QPSK信号的相位关系
（b）OQPSK信号的相位关系
图8-1 QPSK和OQPSK信号的相位关系
wk.baidu.com
图8-12 QAM信号调制原理图
❖ MQAM信号可以采用正交相干解调方法，其解 调器原理图8-13所示。多电平判决器对多电平 基带信号进行判决和检测。
图8-13 MQAM信号相干解调原理图
❖ 由此可见，方型和星型16QAM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。