第四章 数字调制技术

1 绝对码 1 相对码 载波
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
0
2DPSK信号
图 传号差分DPSK调制器波形
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DPSK解调
解调端，由相对码恢复为绝对码时，按传号差分进 行编码百度文库，要按以下规则进行差分译码
a n b n b n 1
这样得到的绝对码只是反映了相邻两个相位的变
^
^
若g(t)是脉宽为Tb，高度为1的矩形脉冲
cos C t , e2 PSK (t ) cos C t ,
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这种以载波的不同相位直 接去表示相应数字信息的 相位键控，通常被称为绝 对移相方式
发送概率为 P 发送概率为 1-P
0， 发送1符号 n 180 ， 发送0符号
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BPSK：功率谱
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输入 BPSK信号
带通滤波器
相乘器
低通滤波器
抽样判决器
二进制信号
本地载波恢复
位定时恢复
(平方环或者costas环）
图 2PSK相干解调器
问题：在BPSK信号的解调系统中，同步载波恢复会有180°的相 位模糊问题，对BPSK系统误码性能影响很大，所以BPSK方式在实 际中很少采用。
-sin0t 相乘 低通
抽判
在MPSK相干解调中恢复载波时，同样存在相位模糊度 问题。与BPSK一样，对于M进制调相也要采用相对调相 的方法。
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QPSK信号的功率谱密度
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4.4 交错正交（或四相）相移键控 （OQPSK）调制
普通QPSK 调制信号的I 路和Q 路信号是同步的，当
I (t ) A cos 2 f c t
载波 发生器
串－并 变 换 二进制 信息 电平 产生 延时
QPSK信号 OQPSK信号
90
移相
Q (t )
A sin 2 f c t
b
Ts / 2
OQPSK信号产生
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输入数据 I 信道
＋1 －1 ＋1 ＋1 －1 －1 ＋1 －1 －1 ＋1 t ＋1 －1 －1 ＋1 －1 ＋1 t －1 t
第四章 移动通信调制技术
移动通信数字调制的基本要求：
1、移动通信的传播条件极其恶劣，干扰问题也特别严重，所以移动 通信中的数字调制技术必须具有优良的抗干扰、抗衰落性能。
2、移动通信可供使用的频率资源却非常有限。通过改善调制技术而 提高频谱利用率。
(1) 占用带宽要窄，但带外辐射要小。
（2）单位频谱所容纳用户数多。
当P e很小时，
1 1 0 0 1 1 1 0 1 (绝对码) (c) 有2个误码时 (0) 1 0 0 0 0 1 0 0 0（相对码） 1 1 0 0 0 1 1 0 0 (绝对码) 20 (d) 有一串误码时
Pe ' / Pe 2
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4.2.3 多进制相移键控（MPSK）
基本原理： MPSK信号码元可以表示为
sk (t ) A cos( 0 t k )
式中，k － 受调制的相位，其值决定于基带码元的取值； A － 信号振幅，为常数； k = 1, 2,…, M。 令A=1，然后将其展开写成
sk (t ) cos( 0t k ) ak cos 0t bk sin 0t
B方式编码
a(0) 00
01
b(1) 11 a(1)
sk (t ) cos( 0t k ) ak cos 0t bk sin 0t ak cos k
电平 产生
bk sin k
I(t) Acos2fct 载波 发生器 90 ° 移相 －Asin2fc t 电平 产生 Q(t) 二进制信息 I(t) 已调信号 1 0 －1 Q(t) 1 0 －1
串/并 变换
a
b
相位 选择
带通 滤波
1 2 3 4
4相载波 产 生器
sk (t ) cos( 0t k ) ak cos 0t bk sin 0t ak cos k
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bk sin k
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第二种方法：相乘法
二进制码元“1” 双极性脉冲“+1” 二进制码元“0” 双极性脉冲“-1”
图4―17 DPSK延迟解调器及各点波形
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表4―2 DPSK信号的调制和延迟解调过程
比较：延迟解调不需要相干载波，接收机结构简单，抗频率 漂移抗多径干扰性能较优。但是，对于延迟单元的延时精度 要求很高，较难作到，误码性能比相干解调差3db。
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2、2DPSK系统性能
0
1 1 0
10
0
0 1 1
0
90 180 270
01
45 参考相位
225
315 45 135
11
00 11
参考相位
00 10 01
(a) A方式
(b)B方式
– 格雷(Gray)码规律： – 相邻k之间仅差1比特。 2013-7-12 格雷码优点：误比特律小。
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» 第一种方法：选择法
^
化，所以不会发生任何倒置现象。
对DPSK信号可以采用相干解调和延迟解调两种方式。
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DPSK相干解调
2 DPSK信号 带通 a 相乘器 b 本地载波 a 位定时 c 低通 d 抽样 判决器 e 码(反) 变换器 f 二进制信息
b
c d e f 0 0 1 0 1 1 0
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• 式中，C为信道容量(单位为bit/s或b/s)，B为信
道带宽(Hz)，S是信号功率，N是噪声功率。
• 最大可能的
BMAX 为
C s log 2 (1 ) B N
4
BMAX
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对于GSM系统，B=200kHz，SNR=10dB，
则有：
s C B log 2 (1 ) 691 .886 kb / s N
交错正交四相相移键控(OQPSK)技术可以解决这个问
题。其实现方法非常简单，就是在常规QPSK 正交调制器 上将I 路或Q 路信号后移半个符号周期(即TS/2)。这样，调 制信号的相角每TS/2 时间发生一次跳变，但每次只有一路 信号变化，所以相角的跳变只能是±90°。
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a
电平 产生
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4.1.3 当今蜂窝系统、PCS(个人通信系统)和无绳电话采用 的主要调制方式
表4-1 蜂窝系统、 PCS和无绳电话采用的主要调制方式
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4.2.1 二进制相位键控（BPSK）
1 0 0 1 0 1 1 0
2PSK t
发送概率为 P 1, an e2 PSK (t ) an g (t nTs ) cos ct 1， 发送概率为 1-P n
Q 信道
＋1
(t)
相位路径 5 / 4 3 / 4 /4 0 － / 4 －3 / 4
t
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图4-11 OQPSK的I、Q信道波形及相位路径
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OQPSK的星座图和相位转换关系
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须要强调的是，OQPSK 信号的相位跳变频率虽然比变形 前的QPSK 信号快一倍，但它本质上仍是两路符号周期为的
解决方法：二进制差分相位键控（DPSK） differential
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4.2.2
DPSK
差分码可取传号差分码或空号差分码。 传号差分码的编码规则为： （相同为0，不同为1）
bn an bn1
空号差分码的编码规则为：
bn an bn1
bn-1可任意设定。
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式中， ak cos k
bk sin k
由上式看出，M-PSK信号码元可以看作是两个正交的 MASK信号码元之和。因此，其带宽和后者的带宽相同。
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正交相移键控(QPSK)
– 编码规则：A和B两种编码方式
a b A方式
序号
格雷码
二进制码
k
B方式
1 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
BMAX
C s log 2 (1 ) 3.46(kb / s ) / Hz B N
对于GSM目前实际数据速率为270.833kbps,只达 到10dB SNR条件下信道容量的40%。
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目前数字移动通信中广泛使用 的调制技术
1、线性调制技术
频谱利用率较高，但对调制器和功率放大器的线性 要求非常高，因此设计难度和成本较高。使用线性RF放 大器发射，功率有效性较差。 近年来，由于放大器设计技术的发展，可设计制造 高效实用的线性放大器，才使得线性调制技术在移动通 信中得到实际应用。
相干解调（极性比较）法的误码率
带通滤波 相乘 低通滤波 抽样判决 逆码变换
本地载波 提取
由上图可见，解调过程的前半部分和2PSK相干解调方法的 完全一样，故现在只需考虑由逆码变换器引入的误码率。
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逆码变换规律： »无误码时： 输出绝对码元是相邻两个相对码元取值的模“2” 和。 (0) 1 0 1 1 1 0 1 1 0 (相对码) »有1个误码时： 1 1 1 0 0 1 1 0 1 (绝对码) 将产生两个误码 (a) 无误码时 (0) 1 0 0 1 1 0 1 1 0（相对码） »有2个误码时： 仍将产生两个误码 1 1 0 1 0 1 1 0 1（绝对码） »有一串误码时： (b) 有1个误码时 (0) 1 0 0 0 1 0 1 1 0 (相对码) 仍将产生两个误码
b(0)
10
1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 t 1 0 1 0 1 0 1 t 1 1 1 t
二进制信息
串并 变换
(a)
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(b)
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图7―20 QPSK正交调制器
–解调方法 － 相干解调
相乘 cos0t s(t) 低通 载波 提取
抽判
a
定时 提取 并/串 b A(t)
/2
BPSK 信号的正交叠加，所以其频谱和QPSK 信号完全一样，
在高斯白噪声信道下，采用相关解调的误码性能也相同。 OQPSK克服了QPSK的l80°的相位跳变，信号通过BPF后包 络起伏小，性能得到了改善，因此受到了广泛重视。
3、具有良好的误码性能。 其他：用户终端小→高的功率效率
产业化问题→成本低易于实现
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4.1.2 数字调制的性能指标
功率有效性 p
反映调制技术在低功率电平情况下保证系统误
码性能的能力。可表述成在接收机输入端特定
的误码概率下，每比特的信号能量与噪声功率
谱密度之比。
p
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它们同时发生跳变时，相临QPSK 符号间会发生180°相 移，这时信号包络瞬时通过零点。如随后发射机放大器线 性不理想，则会造成较大的频谱扩展，其旁瓣会干扰邻近 频道。
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Q (－1, 1) (1, 1)
I
(－1, －1)
(1, －1)
QPSK的星座图和相位转换关系
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0000 0010 0011 0001
0101 0111 0110 0100 1100 1110 1111 1101 1001 1011 1010 1000
0000 0001 0010 0011
0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
图4―16 DPSK相干解调器及各点波形
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0 0
0
0 0 0 0
0 0 0
0 0
表4―1 DPSK信号的调制和相干解调过程
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DPSK延迟解调
2 DPSK信号 带通 延迟 Ts 2 DPSK信号 a a 相乘器 b 位定时 c 低通 d 抽样 判决器 e 二进制信息
b
c d 二进制信息 e 0 0 1 0 1 1 0
Eb N0
2
4.1.2 数字调制的性能指标
• 带宽有效性 B
在给定的带宽条件下每赫兹的数据通过率，
反映调制技术在一定的频带内容纳数据的能力。
R B B
式中：R为数据速率，B为调制射频RF信号占用带宽
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香农定理
• 香农定理
s C B log 2 (1 ) N
典型应用：（IS-95)采用了QPSK调制技术。
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目前数字移动通信中广泛使用 的调制技术
2、连续相位调制技术
已调波信号具有确定的相位关系而且包络恒定，故也称为恒 包络调制技术。 特点：带外辐射小，接收机简单（限幅器＋鉴频器），误码
性能好。但是占用带宽比线性调制要宽。
典型应用： GSM系统采用的是GMSK技术