《通信原理》——现代数字调制技术

第9章现代数字调制技术

对数字调制技术的设计和改进，一般主要在以下几个方面：

（1）在现有的带宽内，尽可能提高传输信息的速率，即提高频带利用率。

（2）压缩信号功率谱主瓣的宽度。数字信号很多具有无限的带宽，实际传输中只能对其进行带限，即保留信号功率谱的主瓣。压缩主瓣宽度能压缩信号占用带宽，同样也能提高频带利用率。

（3）提高功率谱集中程度，抑制旁瓣功率，减少带外辐射。即尽可能使信号功率谱集中在主瓣中，减少相互之间的频带干扰。

（4）抗多径效应，抗码间串扰，提高纠错能力等。多经效应指的是信号在传输过程中，通过了两条或更多的信道达到接收方（典型的，例如移动通信中无线电波的多点反射），这样接收方收到的信号实际上是经过多条路径传输来的信号的叠加。由于多条信道之间在距离、信道频率特性、衰减以及移动速度等方面存在的差别，造成多径信号各分量到达接收方时间和幅度、相位等都不同，由此造成了信号在时域上展宽、在频域上产生多普勒频移等失真。

（5）综合考虑系统的复杂程度、实现难度和成本等。

9.1 偏移四相相移键控

9.1.1 QPSK信号的缺点

理想方波信号带宽无限，带限信号引起包络起伏；

当信号发生相位跳变时，会造成包络起伏；

QPSK的相位星座存在180度的跳变，造成零包络。

QPSK信号的星座图

滤波引起的包络起伏相位跳变

9.1.2 偏移四相相移键控（OQPSK）的特点

恒包络数字调制技术又称交错正交相移键控，参差四相相移键控，双二相相移键控。

用两路二进制信号合成一路四相信号，两路基带信号错开半个码元周期，其表达式为

因为码元周期，故而不会出现“对角线”的跳变，而是沿着四边变化，从而抑止了零包络现象。

OQPSK的星座图和相位变化

OQPSK的调制和解调电路

9.2 π/4 四相相移键控

9.2.1 π/4 四相相移键控的概念和表达式

π/4 四相相移键控在QPSK基础上发展而来。

轮流采用两组，每组四个相位来表示四个码元值。

两组相位彼此之间错开45 °。

相对QPSK的相位变化可能为0°，90°，180°；π/4－QPSK的相位变化可能为45°，135°。

π/4 －QPSK在保持恒包络方面的性能，介于QPSK和OQPSK之间。

π/4 四相相移键控的星座图

9.2.2

π/4四相相移键控的调制和解调性能

全数字调制电路。

可以相干解调，也可以非相干解调。

消除了QOSK 的零包络，系统又比OQPSK 简单。

相关解调抗噪声性能与QPSK 相等，非相干解调误码率增加约2dB 但系统大大简化。 频谱特性好，抗干扰能力强，多用于数字移动通信。

全数字π/4 四相相移键控调制电路

9.3 最小频移键控9.3.1 最小频移键控（MSK）的概念

9.3.2 MSK信号的正交性和相位连续性

MSK相位网格

9.3.3 MSK的产生和解调模型

MSK相干解调

9.3.4 高斯最小频移键控（GMSK）

GMSK信号产生原理

9.4 幅相键控

9.4.1 幅相键控（APK）的概念

将幅度调制和相位调制结合起来，以增大信息传输率。

同时对载波信号的幅度和相位进行调制。

可以用两路正交的幅度调制信号来表示，故又称正交幅度调制（QAM）。

9.4.2 幅相键控的矢量表示

APK的星作图表示：方型和星型。

方型的实现较为简单，而星型的抗多径干扰较强。

16APK通信比16PSK通信和16ASK通信有优势。

9.4.3 幅相键控的调制与解调

调制：数据信号经串并分路，电平变换，形成两路基带信号，通过预调制低通滤波器进行带限处理。之后X(t)和Y(t)分别与同相正交载波相乘，最后叠加。

APK信号调制模型

APK信号可用正交相干解调。输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波器输出两路基带信号X(t)和Y(t)。对基带信号X(t)和Y(t)进行判决，再经过电平转换，由并/串联变换器恢复出二进制数据。

APK的相干解调模型

APK信号的频带利用率高，抗干扰能力强，故而在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络和卫星通信等领域都得到了广泛的应用。

9.5

多载波调制和正交频分复用9.5.1 多载波调制原理

高码元速率，大带宽的数字信号在通信中的不利之处。 多载波调制：将高速数据流分成多路低速数据流，每一路带宽和速率都下降。

多载波调制好处：（1）在信号调制解调的实现难度降低。（2）每一路低速信号码元周期较大，信号时延影响就小了。（3）由于每一路信号的带宽变窄，使信道频率选择性衰落的危害减小。（4）针对信道各频段的质量不同，多载波调制还可采用动态比特分配。 普通频分复用，即是多载波调制形式之一。但其不能节省带宽资源。

多载波调制原理

9.5.2 正交频分复用(OFDM)

OFDM的调制和解调模型

9.6

扩频通信9.6.1 扩频通信（SS ）概念

香农公式

通过扩大信号的频率带宽，来改善信噪比，或其它方面的性能

扩频通信的两个条件（1）s(t)带宽远远大于f(t)带宽，且信号带宽与信息无关。

（2）f(t)与另一个数字信号m(t)运算，生成带宽大的多的g(t)，然后对g(t)进行载波调制获得SS 信号。其中，m(t)称为扩展信号或扩频码。 扩频通信解调：接收到SS 信号后，通过本地的m(t)和载波，恢复f(t)

)

/1(log 2N S B C +=扩频通信模型