第3章数字调制解调技术
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第3章 移动通信中的调制解调技术 ①恒包络调制技术（不管调制信号如何变化，载波振
幅保持恒定）。恒包络调制技术有2FSK、MSK、GMSK、 TFM和GTFM等。恒包络调制技术的功率放大器工作在C 类，具有带外辐射低、接收机电路简单等优点，但其频带 利用率比线性调制技术稍差一些。
的输入及相位常数有关。在给定输入序列{ak} MSK 的相位轨迹如图3-5所示。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-5 MSK的相位轨迹
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第3章 移动通信中的调制解调技术
2. MSK 信号的特点
MSK 信号具有如下特点：
·已调信号振幅是恒定的。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-8 GMSK信号的产生原理
电子信息工程系通信技术教研室
第3章 移动通信中的调制解调技术 高斯低通滤波器的冲击响应为
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第3章 移动通信中的调制解调技术
移动通信中的数字调制技术应具有以下特点： （1）要有窄的功率谱和高的频谱利用率。移动通信是 一种多波道系统，调制信号功率谱带外辐射对邻道产生干 扰，使性能下降。为了保证数字信息传输质量，信号功率 与干扰功率之比应大于20dB，考虑到移动台运动时的衰落 深度可达20～40dB，所以要求已调信号在邻道的总辐射干 扰低于20～40dB。 （2）误码性能好。移动通信环境以衰落、噪声、干扰 为特点，包括多径瑞利衰落、频率选择性衰落、多普勒频 移和障碍物阻挡的联合影响。因此，必须根据抗衰落和干 扰能力来优选调制方案。误码性能的好坏实际上反映了信 号的功率利用率的高低。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
3.2 数字频率调制
3.2.1 二进制数字频移键控（2FSK） 设输入到调制器的信号比特流为{an}，an=“1”或“0”，
n=-∞~+∞。当输入为传号“1”时，输出频率为f1的正弦波； 当输入为空号“0”时，输出频率为f2的正弦波。FSK信号分 为相位连续的FSK信号和相位跳变的FSK信号。FSK信号的 波形及功率谱如图3-3所示。
·信号频率偏移严格符合 1 4Tb
，相位调制指数 h
f1 f2 Tb
1/ 2 。
·以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间( Ts )内准确地线性变化
/2。
·在一个码元期间内，信号应是 1 载波周期的整倍数。 4
·在码元转换时刻，信号的相位是连续的，即信号波形无突变。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
第3章数字调制解调技术
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第3章 移动通信中的调制解调技术
3.1 概 述
要使数字信号在有限带宽的信道中传输，就必须用数 字信号对载波进行调制，即用数字信号来调制某一较高频 率的正弦或脉冲载波，使已调信号能通过带限信道传输。 这种用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换 为频带数字信号的过程称为数字调制。在接收端通过解调 器把频带数字信号还原成基带数字信号，这种数字信号的 逆变换过程称为解调。通常，把数字调制与解调合起来称 为数字调制，把包括调制和解调过程的传输系统称为数字 信号的频带传输系统。
2T b
在一个比特区间内，相位线性地增加或减少 / 2 。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
为了保证相位连续，在t=kTb时应有下式成立:
从而有
k 1(kbT )kkbT k k1(ak1ak)k2
（3.6）
设φ0=0，则φk=0或±kπ。式(3.6)表明：本比特内的相位 常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内
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第3章 移动通信中的调制解调技术
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第3章 移动通信中的调制解调技术
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第3章 移动通信中的调制解调技术 由于基带信号是数字信号，因此相应地有三种基本调
制方式，即幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）、频 移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）和相移键控 （PhaseShiftKeying，PSK）。其他调制方式，如差分（相 对）相移键控（DifferentialPSK，DPSK）、正交（四相） 相移键控（QuatemaryPSK，QPSK）和交错（偏置）正交 （四相）相移键控（OffsetQPSK，OQPSK）都是PSK的改 型；而高斯型最小频移键控（GMSK）是FSK的改型。各 类二进制调制原理的波形如图3-1所示。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
（3）能接受差分检测，易于解调。由于移动通信系统 接收信号的衰落和时变特性，相干解调性能明显变差，而 差分检测不需载波恢复，能实现快速同步，获得好的误码 性能，因而差分检测的数字调制方案被越来越多地应用于 数字蜂窝移动通信系统中。
一般的数字调制技术，如幅移键控（ASK）、相移键 控（PSK）和频移键控（FSK），因传输效率低而无法满足 移动通信的要求。为此，需要专门研究一些抗干扰性能强、 误码性能好、频谱利用率高的调制技术，尽可能地提高单 位频带内传输数据的比特速率，以适应移动通信的要求。 目前已在数字移动通信系统中得到广泛应用的数字调制方 案分为如下两类：
满足功率谱在相邻频道的取值（即邻道辐射）低于主瓣峰值60dB 以上的要求。
这就要求在保持MSK基本特性的基础上，对MSK的带外频谱
实际上，MSK信号可以由FM调制器来产生，MSK信号在码 元转换时刻虽然保持相位连续，但相位变化是折线，在码元转换 时刻会产生尖角，使其频谱特性的旁瓣滚降缓慢，带外辐射还相 对较大。为了解决这一问题，可将数字基带信号先经过一个高斯 滤波器整形（预滤波），得到平滑后的某种新的波形后再进行调 频，从而得到良好的频谱特性，调制指数仍为0.5，如图3-8示。
第3章 移动通信中的调制解调技术
3.MSK调制器 MSK信号表达式可正交展开为
SMSK(t)
cosct
2Tb
akt
k
cos k cos2Ttb cosct ak cos k sin2Ttb sinct
Ik
cos2Ttb
cosct
Qk
sin2Ttb
sinct
(3.7)
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第3章 移动通信中的调制解调技术
3.2.2 最小频移键控(MSK) 1.最小频移键控的原理 MSK是一种特殊形式的FSK，其频差是满足两个相互
正交（即相关函数等于零）的最小频差，并要求FSK信号
h f1 f2 f 0.5
fb
fb
MSK信号的表达式为
SM SK(t)cos(ct2Tbaktk)
MSK调制器的原理框图如图3-6所示。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-6 MSK调制器的原理框图
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第3章 移动通信中的调制解调技术 4.频谱特点 MSK信号的功率谱如图3-7所示，图中还给出了QPSK
信号的功率谱。从图中可以看出，与QPSK相比，MSK信号 的功率谱具有较宽的主瓣，其第一个零点出现在(f-fc)=0.75 处，而QPSK信号的第一个零点出现在(f-fc)=0.5处。当(ffc)→∞时，MSK的功率谱以［(f-fc)Tb］-4 QPSK的衰减速率［（f-fc)Tb］-2快得多。MSK信号可以采用 鉴频器解调，也可以采用相干解调。
（2）若两个载频之差较小，则连续谱呈现单峰；若载 频相差增大，则连续谱出现双峰。相位不连续的2FSK信号 的带宽约为
B 2 fb f1 f2 2 (fD fb ) fb ( h 2 ) (3.3)
其中， f D
f1 f 2 2
称为频偏；h f1 f 2 称为偏移指数（偏 fb
移率或调制指数）； fb 为输入信码的速率。
(3.4)
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第3章 移动通信中的调制解调技术
பைடு நூலகம்
式中， ak 为输入序列，取“＋1”或“－1”；Tb 为输入数据流的比
特宽度； k 是为了保证t kTb 时相位连续而加入的相位常量。令
k
2Tb
akt
k
kTb ≤ t ≤ (k 1)Tb
（3.5)
上式为一直线方程，斜率为 ，截距为 k 。所以，
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第3章 移动通信中的调制解调技术 由于相位不连续的2FSK信号存在载频线谱，浪费功率，
因此只用于设备比较简单的通信场合。 对于相位连续的2FSK信号，由于前后码元是相关的，
因此功率谱密度分析比较复杂。可以得到的结论是：如偏 移指数h不是整数，则功率谱密度中无离散线谱，且当h＜ 0.7时，大部分功率谱位于2fb频带内；当h较大时，大部分 功率谱位于(2+h)fb频带内；如h是整数，则出现载频线谱。
②线性调制技术（已调信号的幅度随调制信号线性变 化）。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
使用多电平调制可以提高频谱效率。例如，在理想条件下， 8PSK和16QAM系统的频谱效率分别可以达到3b/s/Hz和4b/s/Hz。 若采用64QAM，低于模拟语音的频带宽度。但是，当频谱效率 提高时，解调器的复杂度和比特差错率（BER）的增大已明显变 成了制约因素。移动通信环境对利用幅度和相位携带信息的 QAM也是一个严峻的挑战。为了寻求频谱效率和BER性能之间 的折中，多载波调制（MCM）已成为移动通信应用研究的热点。 其中，多载波16QAM调制技术将载波频道分为M个子信道，按 频分设计M 个16QAM信道，能适应多径时延扩散且不需构造 复杂的均衡器，已经在数字移动通信中使用；正交频分复用 （OFDM）、多载波码分多址（MC-CDMA）等，亦已成为受到 广泛关注的调制策略。图3-2所示为数字调制技术的分类。
第3章 移动通信中的调制解调技术
其中,
k
k1 k1
k
ak ak1 ak ak1
Ik为同相分量，Qk为正交分量。它们都与输入数据有关。Ik支 路数据和Qk支路数据并不是每隔Tb秒就可能改变符号，而是 每隔2Tb秒才有可能改变符号。Ik支路和Qk支路的码元在时间 上错开Tb秒。若输入数据dk经过差分编码（ak=dkdk-1）后，再 进行MSK调制，则只要对cosφk和akcosφk交替取样，就可恢复 输入数据dk。MSK信号也可以将非归零的二进制序列直接送 入FM调制器中来产生（要求调制器的调制指数为0.5）。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-1 各类二进制调制原理波形图
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第3章 移动通信中的调制解调技术 移动信道的基本特征如下： ①带宽有限，它取决于可使用的频率资源和信道的传
播特性； ②干扰和噪声的影响较大，这主要是由移动通信工作
的电磁环境所决定的； ③存在着多径衰落。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-7 MSK信号的功率谱
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第3章 移动通信中的调制解调技术
3.2.3 高斯滤波的最小频移键控（GMSK）
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第3章 移动通信中的调制解调技术
3.2.3 高斯滤波的最小频移键控（GMSK） 尽管MSK信号已具有较好的频谱和误比特率性能，但仍不能
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第3章 移动通信中的调制解调技术 相位不连续的2FSK信号，只要利用数据信号来选通两
个独立的振荡源,便可获得所需的调频信号；相位连续的 2FSK信号可通过一只电压控制的振荡器来实现。FSK信号 可采用包络检波法、相干解调法和非相干解调法等方法解 调。
需要指出的是，FSK调制在中、低速数字通信（如寻 呼系统）中应用较广。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-3 FSK信号的波形及其功率谱
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-4 相位不连续的2FSK信号波形与频谱
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第3章 移动通信中的调制解调技术
该功率谱有如下特点：
（1）2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其 中，连续谱由两个双边带谱叠加而成，而离散谱出现在f1和 f2两个载频位置上。
第3章 移动通信中的调制解调技术 ①恒包络调制技术（不管调制信号如何变化，载波振
幅保持恒定）。恒包络调制技术有2FSK、MSK、GMSK、 TFM和GTFM等。恒包络调制技术的功率放大器工作在C 类，具有带外辐射低、接收机电路简单等优点，但其频带 利用率比线性调制技术稍差一些。
的输入及相位常数有关。在给定输入序列{ak} MSK 的相位轨迹如图3-5所示。
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图3-5 MSK的相位轨迹
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2. MSK 信号的特点
MSK 信号具有如下特点：
·已调信号振幅是恒定的。
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图3-8 GMSK信号的产生原理
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第3章 移动通信中的调制解调技术 高斯低通滤波器的冲击响应为
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第3章 移动通信中的调制解调技术
移动通信中的数字调制技术应具有以下特点： （1）要有窄的功率谱和高的频谱利用率。移动通信是 一种多波道系统，调制信号功率谱带外辐射对邻道产生干 扰，使性能下降。为了保证数字信息传输质量，信号功率 与干扰功率之比应大于20dB，考虑到移动台运动时的衰落 深度可达20～40dB，所以要求已调信号在邻道的总辐射干 扰低于20～40dB。 （2）误码性能好。移动通信环境以衰落、噪声、干扰 为特点，包括多径瑞利衰落、频率选择性衰落、多普勒频 移和障碍物阻挡的联合影响。因此，必须根据抗衰落和干 扰能力来优选调制方案。误码性能的好坏实际上反映了信 号的功率利用率的高低。
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3.2 数字频率调制
3.2.1 二进制数字频移键控（2FSK） 设输入到调制器的信号比特流为{an}，an=“1”或“0”，
n=-∞~+∞。当输入为传号“1”时，输出频率为f1的正弦波； 当输入为空号“0”时，输出频率为f2的正弦波。FSK信号分 为相位连续的FSK信号和相位跳变的FSK信号。FSK信号的 波形及功率谱如图3-3所示。
·信号频率偏移严格符合 1 4Tb
，相位调制指数 h
f1 f2 Tb
1/ 2 。
·以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间( Ts )内准确地线性变化
/2。
·在一个码元期间内，信号应是 1 载波周期的整倍数。 4
·在码元转换时刻，信号的相位是连续的，即信号波形无突变。
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3.1 概 述
要使数字信号在有限带宽的信道中传输，就必须用数 字信号对载波进行调制，即用数字信号来调制某一较高频 率的正弦或脉冲载波，使已调信号能通过带限信道传输。 这种用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换 为频带数字信号的过程称为数字调制。在接收端通过解调 器把频带数字信号还原成基带数字信号，这种数字信号的 逆变换过程称为解调。通常，把数字调制与解调合起来称 为数字调制，把包括调制和解调过程的传输系统称为数字 信号的频带传输系统。
2T b
在一个比特区间内，相位线性地增加或减少 / 2 。
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为了保证相位连续，在t=kTb时应有下式成立:
从而有
k 1(kbT )kkbT k k1(ak1ak)k2
（3.6）
设φ0=0，则φk=0或±kπ。式(3.6)表明：本比特内的相位 常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内
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第3章 移动通信中的调制解调技术 由于基带信号是数字信号，因此相应地有三种基本调
制方式，即幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）、频 移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）和相移键控 （PhaseShiftKeying，PSK）。其他调制方式，如差分（相 对）相移键控（DifferentialPSK，DPSK）、正交（四相） 相移键控（QuatemaryPSK，QPSK）和交错（偏置）正交 （四相）相移键控（OffsetQPSK，OQPSK）都是PSK的改 型；而高斯型最小频移键控（GMSK）是FSK的改型。各 类二进制调制原理的波形如图3-1所示。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
（3）能接受差分检测，易于解调。由于移动通信系统 接收信号的衰落和时变特性，相干解调性能明显变差，而 差分检测不需载波恢复，能实现快速同步，获得好的误码 性能，因而差分检测的数字调制方案被越来越多地应用于 数字蜂窝移动通信系统中。
一般的数字调制技术，如幅移键控（ASK）、相移键 控（PSK）和频移键控（FSK），因传输效率低而无法满足 移动通信的要求。为此，需要专门研究一些抗干扰性能强、 误码性能好、频谱利用率高的调制技术，尽可能地提高单 位频带内传输数据的比特速率，以适应移动通信的要求。 目前已在数字移动通信系统中得到广泛应用的数字调制方 案分为如下两类：
满足功率谱在相邻频道的取值（即邻道辐射）低于主瓣峰值60dB 以上的要求。
这就要求在保持MSK基本特性的基础上，对MSK的带外频谱
实际上，MSK信号可以由FM调制器来产生，MSK信号在码 元转换时刻虽然保持相位连续，但相位变化是折线，在码元转换 时刻会产生尖角，使其频谱特性的旁瓣滚降缓慢，带外辐射还相 对较大。为了解决这一问题，可将数字基带信号先经过一个高斯 滤波器整形（预滤波），得到平滑后的某种新的波形后再进行调 频，从而得到良好的频谱特性，调制指数仍为0.5，如图3-8示。
第3章 移动通信中的调制解调技术
3.MSK调制器 MSK信号表达式可正交展开为
SMSK(t)
cosct
2Tb
akt
k
cos k cos2Ttb cosct ak cos k sin2Ttb sinct
Ik
cos2Ttb
cosct
Qk
sin2Ttb
sinct
(3.7)
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3.2.2 最小频移键控(MSK) 1.最小频移键控的原理 MSK是一种特殊形式的FSK，其频差是满足两个相互
正交（即相关函数等于零）的最小频差，并要求FSK信号
h f1 f2 f 0.5
fb
fb
MSK信号的表达式为
SM SK(t)cos(ct2Tbaktk)
MSK调制器的原理框图如图3-6所示。
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图3-6 MSK调制器的原理框图
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第3章 移动通信中的调制解调技术 4.频谱特点 MSK信号的功率谱如图3-7所示，图中还给出了QPSK
信号的功率谱。从图中可以看出，与QPSK相比，MSK信号 的功率谱具有较宽的主瓣，其第一个零点出现在(f-fc)=0.75 处，而QPSK信号的第一个零点出现在(f-fc)=0.5处。当(ffc)→∞时，MSK的功率谱以［(f-fc)Tb］-4 QPSK的衰减速率［（f-fc)Tb］-2快得多。MSK信号可以采用 鉴频器解调，也可以采用相干解调。
（2）若两个载频之差较小，则连续谱呈现单峰；若载 频相差增大，则连续谱出现双峰。相位不连续的2FSK信号 的带宽约为
B 2 fb f1 f2 2 (fD fb ) fb ( h 2 ) (3.3)
其中， f D
f1 f 2 2
称为频偏；h f1 f 2 称为偏移指数（偏 fb
移率或调制指数）； fb 为输入信码的速率。
(3.4)
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பைடு நூலகம்
式中， ak 为输入序列，取“＋1”或“－1”；Tb 为输入数据流的比
特宽度； k 是为了保证t kTb 时相位连续而加入的相位常量。令
k
2Tb
akt
k
kTb ≤ t ≤ (k 1)Tb
（3.5)
上式为一直线方程，斜率为 ，截距为 k 。所以，
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第3章 移动通信中的调制解调技术 由于相位不连续的2FSK信号存在载频线谱，浪费功率，
因此只用于设备比较简单的通信场合。 对于相位连续的2FSK信号，由于前后码元是相关的，
因此功率谱密度分析比较复杂。可以得到的结论是：如偏 移指数h不是整数，则功率谱密度中无离散线谱，且当h＜ 0.7时，大部分功率谱位于2fb频带内；当h较大时，大部分 功率谱位于(2+h)fb频带内；如h是整数，则出现载频线谱。
②线性调制技术（已调信号的幅度随调制信号线性变 化）。
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使用多电平调制可以提高频谱效率。例如，在理想条件下， 8PSK和16QAM系统的频谱效率分别可以达到3b/s/Hz和4b/s/Hz。 若采用64QAM，低于模拟语音的频带宽度。但是，当频谱效率 提高时，解调器的复杂度和比特差错率（BER）的增大已明显变 成了制约因素。移动通信环境对利用幅度和相位携带信息的 QAM也是一个严峻的挑战。为了寻求频谱效率和BER性能之间 的折中，多载波调制（MCM）已成为移动通信应用研究的热点。 其中，多载波16QAM调制技术将载波频道分为M个子信道，按 频分设计M 个16QAM信道，能适应多径时延扩散且不需构造 复杂的均衡器，已经在数字移动通信中使用；正交频分复用 （OFDM）、多载波码分多址（MC-CDMA）等，亦已成为受到 广泛关注的调制策略。图3-2所示为数字调制技术的分类。
第3章 移动通信中的调制解调技术
其中,
k
k1 k1
k
ak ak1 ak ak1
Ik为同相分量，Qk为正交分量。它们都与输入数据有关。Ik支 路数据和Qk支路数据并不是每隔Tb秒就可能改变符号，而是 每隔2Tb秒才有可能改变符号。Ik支路和Qk支路的码元在时间 上错开Tb秒。若输入数据dk经过差分编码（ak=dkdk-1）后，再 进行MSK调制，则只要对cosφk和akcosφk交替取样，就可恢复 输入数据dk。MSK信号也可以将非归零的二进制序列直接送 入FM调制器中来产生（要求调制器的调制指数为0.5）。
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图3-1 各类二进制调制原理波形图
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第3章 移动通信中的调制解调技术 移动信道的基本特征如下： ①带宽有限，它取决于可使用的频率资源和信道的传
播特性； ②干扰和噪声的影响较大，这主要是由移动通信工作
的电磁环境所决定的； ③存在着多径衰落。
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图3-7 MSK信号的功率谱
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3.2.3 高斯滤波的最小频移键控（GMSK）
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3.2.3 高斯滤波的最小频移键控（GMSK） 尽管MSK信号已具有较好的频谱和误比特率性能，但仍不能
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第3章 移动通信中的调制解调技术 相位不连续的2FSK信号，只要利用数据信号来选通两
个独立的振荡源,便可获得所需的调频信号；相位连续的 2FSK信号可通过一只电压控制的振荡器来实现。FSK信号 可采用包络检波法、相干解调法和非相干解调法等方法解 调。
需要指出的是，FSK调制在中、低速数字通信（如寻 呼系统）中应用较广。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-3 FSK信号的波形及其功率谱
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图3-4 相位不连续的2FSK信号波形与频谱
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第3章 移动通信中的调制解调技术
该功率谱有如下特点：
（1）2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其 中，连续谱由两个双边带谱叠加而成，而离散谱出现在f1和 f2两个载频位置上。