第三章 2 无线通信中的数字调制与解调(宽带无线常用数字调制方法)

0 φ = π
信息为0 信息为1
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二进制差分相移键控(2DPSK)
z
或者
0 φ = π
z
信息为1 信息为0
可以看出，2DPSK信号的实现方法可以采用：
① 首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将绝对码表 示二进制信息变换为用相对码表示二进制信息； ② 然后再进行绝对调相，从而产生二进制差分相位键控信 号；
9 这些技术的研究，主要是围绕充分节省频谱和高效率的 利用频带展开的。多进制调制，是提高频谱利用率的有 效方法。
z
数字调制技术可以大致分为线性和非线性的。
9 线性调制技术带宽效率高，所以非常适合用于有限频带 内要求容纳越来越多用户的无线通信系统。
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引言
z
无论我们研究出什么调制方式其目的都是一样的， 即为了满足移动通信的数字调制和解调器技术的要 求。对移动通信的数字调制和解调器技术有以下的 要求：
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z
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引言
z
一般来说，线性调制技术主要有
9 二进制相移键控BPSK； 9 二进制差分相移键控2DPSK； 9 四相相移键控QPSK； 9 差分四相相移键控4DPSK ； 9 OQPSK、 π/4QPSK等； 9 正交幅度调制QAM等
z
恒包络调制技术主要有
9 二进制频移键控BFSK； 9 最小频移键控MSK； 9 高斯最小频移键控GMSK ；
9 在选择调制方式时，必须考虑采取抗干扰能力强的调制 方式，能适用于快衰落信道，占有相对较小的带宽以提 高频谱利用率，并且带外辐射要小以减小对邻近波道的 干扰。
z
在线性调制技术中，传输信号的幅度s(t)随调制数字 信号m(t)的变化而线性变化，一般来说都不是恒包络。 在许多实际的移动无线通信系统中都使用非线性调 制方法，这时不管调制信号如何改变，载波幅度都 是恒定的，即恒包络调制。
z
信息传输速率Rb(比特率)、符号传输速率RB(波特率) 和进制数M之间的关系
Rb RB = log 2 M
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多进制数字调制
z
在信息传输速率不变的情况下，通过增加进制数 M，可以降低码元传输速率，从而减小信号带宽、 节约频带资源、提高系统频带利用率。
9 在码元传输速率不变的情况下，通过增加进制数 M，可 以增大信息传输速率，从而在相同的带宽中传输更多的 信息量。
z
在现代通信中，随着大容量和远距离数字通信技术 的发展，出现了一些新的问题，频谱资源日益紧张。
9 在无线通信的发展过程中，为了提高系统的容量，信道 间隔由原来的100KHz减小到25KHz，甚至更小，通信质 量主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响。
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引言
z
传统的数字调制方式，ASK、PSK和FSK因传输效率 低而无法满足移动通信的要求，需要采用新的数字 调制方式以减小信道对所传信号的影响，以便在有 限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。
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引言 BPSK 2DPSK 多进制数字调制 QPSK 4DQPSK BFSK MSK GMSK QAM
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多进制数字调制
z
二进制数字调制系统是数字通信系统最基本的方 式，具有较好的抗干扰能力。
9 由于二进制数字调制系统频带利用率较低，使其在实际 应用中受到一些限制。 9 在信道频带受限时 为了提高频带利用率，通常采用多进 制数字调制系统。其代价是增加信号功率和实现上的复 杂性。
9 幅相调制，如QAM
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引言 BPSK 2DPSK 多进制数字调制 QPSK 4DQPSK BFSK MSK GMSK QAM
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四相相移键控 (QPSK)
z
四相相移键控利用载波的四种不同相位来表示数字 信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，因 此每个四进制码元可以用两个二进制码元的组合来 表示。
S(t)
码型变换 双极性非 归零码 乘法器
SBPSK(t)
cos ωc t cos ωc t 0
D
开关电路
SBPSK(t)
180 移相
D
π
S(t)
BPSK调制原理图
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二进制相移键控(BPSK)
SBPSK(t)
带通 滤波器
a
乘法器
c
低通 滤波器
d
抽样 判决器
e
输出
b
cos ωc t
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四相相移键控 (QPSK)
z
QPSK正交调制原理如下图所示
a
串 / 并 变 换 载波振荡
⊗
cos ωc t
−π/2相移
S(t)
⊗
输出
sin ωc t b
⊗
QPSK正交调制器
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四相相移键控 (QPSK)
z
z
z
串/并变换器将输入的二进制序列分为速率减半的两 个 并 行 的 双 极 性 序 列 a 和 b， 然 后 分 别 对 cosωct 和 sinωct进行调制，相加后即可得到QPSK信号。 QPSK 信号可以看作两个载波正交 BPSK 信号的合成。 因此，对 QPSK 信号的解调可以采用与 BPSK 信号类 似的解调方法进行解调。 同相支路和正交支路分别采用相干解调方式解调， 得到 I(t) 和 Q(t)，经抽样判决和并 /串变换器，将上、 下支路得到的并行数据恢复成串行数据。
9 通常用已调信号载波的0º和180º分别表示二进制数字基带 信号的1和0。
z
如果正弦载波的幅度为Ac，每比特能量Eb＝Ac2Tb/2， 则二进制相移键控信号的时域表达式为
2 Eb cos(2π f c t + φc ) Tb sBPSK (t ) = 2 Eb − T cos(2π f c t + φc ) b 0 ≤ t ≤ Tb (二进制的1) 0 ≤ t ≤ Tb (二进制的0)
z
在多进制数字调制中，每个符号时间间隔0≤t≤Ts， 可能发送的符号有M种，分别为s1(t), s2(t), …, sM(t)。
9 在实际应用中，通常取 M＝2N，N为大于1的正整数。
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来自百度文库
多进制数字调制
z
常见的多进制调制：
9 多相调制，如MPSK
¾ 多进制数字相位调制又称多相调制，它是利用载 波的多种不同相位来表征数字信息的调制方式。 ¾ 与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调 制也有绝对相位调制和差分相位调制两种。
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四相相移键控 (QPSK)
z
其相关解调原理如下图所示
⊗
cos ωc t
低通 滤波器
抽样 判决
a
并 / 串 变 换
SQPSK(t)
带通 滤波器
载波恢复
位定时
输出
sin ωc t
⊗
低通 滤波器 QPSK相干解调原理
抽样 判决
b
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四相相移键控 (QPSK)
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引言 BPSK 2DPSK 多进制数字调制 QPSK 4DQPSK BFSK MSK GMSK QAM
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二进制相移键控(BPSK)
z
在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制 数字基带信号离散变化时，则产生二进制相移键控 (BPSK或者2PSK)信号。
sBPSK (t ) = m ( t ) 2 Eb cos(2π f c t + φc ) Tb
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二进制相移键控(BPSK)
z
BPSK的波形如下图所示
Ts
A
0
-A 1 0 0 1
t
z
BPSK的调制和解调原理如下图所示
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二进制相移键控(BPSK)
9 这种现象通常称为相位模糊现象。现实的无线通信接收 机需要采用信道估计技术校正这种模糊。
z
在某些信道中，信道估计是困难或不精确的，因 此，为了解决BPSK信号解调过程的反向工作问题， 提出了二进制差分相位键控(2DPSK)。
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S2DPSK(t)
带通 滤波器
a
乘法器
c
低通 滤波器
d
抽样 判决器
e
输出
b
延迟Ts 2DPSK差分相干解调原理图 定时脉冲
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二进制差分相移键控(2DPSK)
a
b
c
d
e
0
0
1
0
1
1
0
2DPSK差分相干解调波形图
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9 两个二进制码元中的前一比特用 a 表示，后一比特用b表 示。
z
z
在一个码元时间间隔 Ts，QPSK信号为载波四个相位 中的某一个。因此，可以用相位选择法产生QPSK信 号。 QPSK信号的表达式为
2 Es π sQPSK (t ) = cos 2π f c t + ( i − 1) Ts 2 0 ≤ t ≤ Ts , i = 1, 2,3, 4
9 在信道衰落条件下，误码率要尽可能低； 9 发射频谱窄，对相邻信道干扰； 9 高效率的解调，以降低移动台功耗，进一步缩小体积和 成本； 9 能提供较高的传输速率； 9 易于集成。
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引言
z
在移动通信环境中，移动台的移动使电波传播条件 恶化，特别是快衰落的影响使接收场强急剧变化。
S2DPSK(t)
带通 滤波器
a
乘法器
c
低通 滤波器
d
抽样 判决器
e
码(反) 变换器
f
输出
b
cos ωc t
2DPSK相干解调原理图
定时脉冲
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二进制差分相移键控(2DPSK)
a
b
c
d
e 0 f 0 1 0 1 1 0
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2DPSK相干解调波形图
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二进制差分相移键控(2DPSK)
BPSK解调原理图
定时脉冲
z
BPSK信号相干解调各点时间波形如下图所示
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二进制相移键控(BPSK)
1 a 1 1 0 0 1 0 0
b
c
d
e
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二进制相移键控(BPSK)
z
当恢复的相干载波产生 180º 倒相时，解调出的数字 基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解 调器输出数字基带信号全部出错。
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引言 BPSK 2DPSK 多进制数字调制 QPSK 4DQPSK BFSK MSK GMSK QAM
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引言
z
调制，就是对信号源的编码信息进行处理，使其变 为适合传输的形式的过程。
9 一般来说，就是把基带信号(信源)转变为一个相对基带频 率非常高的带通信号。 9 通信系统中的调制有模拟调制和数字调制，模拟调制主 要用于第一代移动通信系统，而数字调制技术用于现在 和未来系统中。
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引言 BPSK 2DPSK 多进制数字调制 QPSK 4DQPSK BFSK MSK GMSK QAM
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二进制差分相移键控(2DPSK)
z
z z
在BPSK信号中，信号相位的变化是以未调正弦载波 的相位作为参考，用载波相位的绝对数值表示数字 信息的，所以称为绝对移相。 而 2DPSK 方式是用前后相邻码元的载波相对相位变 化来表示数字信息。 假设前后相邻码元的载波相位差为φ，可定义一种数 字信息与φ之间的关系为
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二进制相移键控(BPSK)
z z
其中fc为载波频率，φc是基带数字序列作用下两个不 同的相位取值，通常为0或π。 用g(t)表示脉冲波形，用mk＝±1表示脉冲的正负，则 脉冲序列可表示为：
m(t ) =
k =−∞
∑ m g (t − kT )
k b
∞
其中Tb为脉冲持续时间，则传输信号可以表示为
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四相相移键控 (QPSK)
z z
QPSK信号也可以采用正交调制的方式产生，正交调 制器可以看成由两个载波正交的BPSK调制器构成。 QPSK相位选择法调制原理如下图所示
串/并 变换 逻辑选相电路 带通 滤波器
输入
输出
45D
135D 225D 315D
四相载波发生器 相位选择法产生QPSK原理图
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二进制差分相移键控(2DPSK)
z
2DPSK信号调制和解调原理及波形
1
绝对码
0
0
1
0
1
1
0
1
相对码
1
1
0
0
1
0
0
载波
DPSK信号
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二进制差分相移键控(2DPSK)
S ( t)
差分编码 乘法器
S2DPSK(t)
输出
cos ωc t
2DPSK调制原理图