现代调制技术分析

Yn=dnA
式中，A是固定振幅，cn、dn由输入数据确定。cn、dn决 定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。 QAM信号调制原理图如图 6 - 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L电平的变换，形成L电平的基带信号。
为了抑制已调信号的带外辐射，该L电平的基带信号还要经 过预调制低通滤波器，形成X(t)和Y(t)，再分别对同相载波和
QAM M＝ 64
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22
SNR / bit / dB
图 6- 5
M进制方型QAM的误码率曲线
6.2 最小移频键控(MSK)
数字频率调制和数字相位调制，由于已调信号包络恒定， 因此有利于在非线性特性的信道中传输。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 Frequency Shift 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
LPF
多电平转换
L到2 电平变换
载波恢复
定时恢复
并 / 串变换
LPF
多电平判决
L到2 电平变换
图 6-4
MQAM信号相干解调原理图
6.1.3
MQAM
对于方型 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 Pe= (1 L)erfc[ 3 log L ( Eb ) ] 2
sMSK(t) 1 0 0 1 1 1 0
O
t
图6-6 MSK 信号的时间波形
对第k个码元的相位常数φk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(6.2 - 2)可以 得到相位约束条件为 φk=φk-1+(ak-1-ak)
[ ( K 1)] 2 K 1 (k 1) ak≠ak-1
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 6 - 2 所示。在图 6 - 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 6 - 2(b)中，信号点的分布成星型，故称为星
型16QAM星座。 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
L 1 n0
式中，M=L2，Eb为每比特码元能量，n0为噪声单边功率谱密度。 图 6 -5 给出了M进制方型QAM的误码率曲线。
10－ 1 5 2 10－ 2 5 2 10－ 3
PM
PSK M＝ 32 QAM M＝ 16 QAM ＋ PSK M＝ 4
PSK M＝ 16
5 2 10－ 4 5 2 10－ 5 5 2 10－ 6 －6 －4 －2 0
A2 M 2 2 p( s ) ( c d n n) M n 1
(0,4.61)
( －3,3)
(3,3)
(0,2.61)
( －3,1)
(3,1)
( －4.61,0)
( －2.61,0)
(2.61,0)
(4.61,0)
( －1,－1) ( －1,1) ( －3,－3) (3,－3) (0,－2.61)
正交载波相乘。 最后将两路信号相加即可得到QAM信号。
2到 L 电平变换
Am
预调制 LPF cos t
串 / 并变换 sin t 2到 L 电平变换 Bm 预调制 LPF
∑
已调信号输出 y(t)
图6-1 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 M=16
式中， An 是基带信号幅度， g(t-nTs) 是宽度为 Ts 的单个基带 信号波形。 式(6.1 - 1)还可以变换为正交表示形式: sMQAM(t)=
A g(t nT ) cos(w t )
n S c n n
sMQAM(t)= [ An g (t nTS ) cosn ] coswct [ An g (t nTS ) sinn ] sin wct

K 1
ak=ak-1
式中，若取φk的初始参考值φ0=0，则 φk=0 或 ±π(模2π)k=0, 1, 2, …
上式即反映了 MSK 信号前后码元区间的相位约束关系，
表明MSK 信号在第k个码元的相位常数不仅与当前码元的取值 ak有关，而且还与前一码元的取值ak-1及相位常数φk-1有关。
由附加相位函数θk(t)的表示式(6.2 - 2)可以看出，θk(t)是一 ak ， 截距为φ 。由于a 的取值为±1， 直线方程，其斜率为 t k k 2TS a k 故 是分段线性的相位函数。因此， MSK的整个相位路径 t 2TS 是由间隔为Ts 的一系列直线段所连成的折线。在任一个码元期 间Ts，若ak=+1，则θk(t) ；若 2 ak=-1， 则θk(t)线性减 小 。对于给定的输入信号序列{ak}，相应的附加相位函数
dk (t ) ak wc dt 2Ts
wc wc

2TS
a 1 a 1

2TS
由式(6.2 - 5)可以看出，MSK信号的两个频率分别为
1 f1=fc- 4TS 1 f1=fc+ 4TS
中心频率fc应选为
式(6.2 - 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。fc还可以表示为 fc= ( N
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 π/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)，π/4 DQPSK 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。
6.1正交振幅调制(QAM)
在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的 焦点之一。近年来，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。 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 就是一种频谱 利用率很高的调制方式，其在中、 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 等领域得到了广泛应用。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
n n
令
Xn=An cos n Yn=Ansin n
则式(6.1 - 2)变为 sMQAM(t)= [ X n g (t nTS )]cos wct [Yn g (t nTS )]sin wct
n n
X (t ) coswct y(t ) sin wct
QAM中的振幅Xn和Yn可以表示为 Xn=cnA
第 6章 现代数字调制解调技术
6.1 正交振幅调制(QAM) 6.2 最小移频键控(MSK) 6.3 高斯最小移频键控(GMSK) 6.4 DQPSK调制
第 6 章 现代数字调制解调技术
在通信原理课程中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。
6.1.2 MQAM
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 6 - 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X(t) 和Y(t)。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。
m 1 ) 4 TS
n , n 1,2,... fc= 4TS
(N为正整数； m=0, 1, 2, 3)
相应地MSK信号的两个频率可表示为 1 m 1 1 (N ) f1= f c 4TS 4 T
1 m 1 1 f2 fc (N ) 4TS 4 T
由此可得频率间隔为 1 Δf=f2-f1= 2TS MSK信号的调制指数为 1 1 TS 0.5 h=Δf Ts= 2TS 2 当取N=1, m=0 时，MSK信号的时间波形如图 6 - 6 所示。
(0,－4.61)
(a )
(b )
图 6- 2
16QAM
(a) 方型16QAM星座； (b) 星型16QAM星座
对于方型16QAM，信号平均功率为
2 A2 M 2 A 2 2 p( s ) ( c d ) ( 4 2 8 10 4 18 ) 10 A n n M n1 16
点间的最小距离为
dMPSK=2 sin M 而MQAM信号矩形星座图上信号点间的最小距离为
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M＝ 256 M＝ 128 M＝ 64 M＝ 32 M＝ 16 M＝ 4
图6-3
MQAM信号的星座图
dMQAM=
2 L 1
2 M 1
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，M=L2。由式(6.1 - 6)和(6.1 - 7)可以看出，当M=4时， d4PSK=d4QAM，实际上，4PSK和 4QAM的星座图相同。当M=16 时， d16QAM=0.47 ，而 d16PSK=0.39 ， d16PSK ＜ d16QAM 。 这表明， 16QAM系统的抗干扰能力优于16PSK 。
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 的数据传输速率更高，且在带 外的频谱分量要比2PSK衰减的快。
6.2.1 MSK
MSK是恒定包络连续相位频率调制， 其信号的表示式为
sMSK(t)= cos ( wct
其中
ak
2TS
t k )
6.1.1
MQAM
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
正交振幅调制信号的一般表示式为 sMQAM(t)=
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。
A g(t nT ) cos(w t )
n S c n n
对于星型16QAM，信号平均功率为
2 A2 M 2 A 2 2 2 2 p( s ) ( c d ) ( 4 2 . 61 8 4 . 61 ) 14 . 03 A n n M n1 16
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。
kTs≤t≤(k+1)Ts, k=0, 1, … 令
k (t )
ak
2TS
t k , kT t (k 1)TS
则式(6.2 - 1)可表示为
sMSK(t)= cos［ωct+θk(t)］
式中， θk(t) 称为附加相位函数； ωc 为载波角频率； Ts 为码元 宽度；ak为第k个输入码元，取值为±1；φk为第k个码元的相 位常数，在时间 kTs≤t≤(k+1)Ts 中保持不变，其作用是保证在 t=kTs时刻信号相位连续。 ak 令 φk(t)=ωct+ t k 2TS 则
M=4, 16, 32, …, 256
MQAM
信号的星座图如图 6 - 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，即每个符号携带奇数个 比特信息。
若已调信号的最大幅度为 1 ，则 MPSK 信号星座图上信号