第3章 调制技术

信源编码概述
信源编码的目的是压缩数据率，去除信号中
的冗余度，其评价标准是在一定失真条件下 要求数据速率越低越好。
信源编码要完成两大任务： 将信源输出的模拟信号转换成数字信号 实现数据压缩
移动通信中的话音信源编码
蜂窝移动通信系统由于频率资源受限，一 般数字话音编码技术如PCM、ADPCM （自适应差分脉冲编码调制）、 M（增 量调制）等，因为编码速率高而未被采用。 蜂窝移动通信均采用13kbit/s以下低速率语 音编码
b(t) 1 b (t) 1 0 1 1 0 0
0
1
1
0
0
cos(2t 2 ) cos(1t 1)
(t )
c(t)
（载波 ）
s 2FSK(t)
f1 f2 f1 f1 f2 f2
s2 FSK(t)
f1 f2 f1 f1 f2 f2
( a ) 相位不 连续的FSK 波形
( b ) 相位连 续的FSK 波形
主观评定等级见下表
主观评价等级
质量等级 优 分数 收听注意力等级 5 可完全放松，不需要注意力 需要注意，但不需要明显的注意力 中等程度注意力 需要集中注意力 即使努力去听，也很难听懂
良 4 满意（正常） 3 差 2 劣 1
话音编码举例：GSM的话音编码主要由规则脉冲激励长期 预测编码(RPE-LTP编译码器)组成，编码后的速率： 13kbit/s；IS-95：变速率码激励线性预测编码（CELP）； GPRS/WCDMA：自适应多速率编码（AMR）；…………
2 . 恒包络调制
恒定包络调制方式主要有2FSK、CPFSK、
MSK（最小移频键控）、TFM（平滑调 频）、GMSK（高斯最小移频键控）等。 其主要特点是这种已调信号具有包络幅度不 变（频率随调制信号的变化而变化）的特性， 其发射功率放大器可以在非线性状态而不引 起严重的频谱扩散。
缺点：频带利用率低
QPSK调制 高阶调制 正交频分复用OFDM
3.1 调制技术概述

调制——调制是一种将有用信号注入载波，以此信号来携带有用 信息的技术，其目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配以 及有效的利用信道（把基带信号（信源）转变为一个相对基带频 率而言频率非常高的带通信号(频谱搬移)。带通信号叫做已调信 号，而基带信号叫做调制信号。调制可以通过使高频载波随信号 幅度的变化而改变载波的幅度、相位或者频率来实现）
2
式中A为信号的幅度。功率谱特性如图3.7所示。为便于 比较，图中也给出一般2FSK信号的功率谱特性。
0 2FSK -20 MSK
-40
f/Rb
-2
-1
-0.75
0
0.75 1
2
图 3.7 MSK的功率谱
由图可见，MSK 信号比一般2FSK信号有更高的带宽效率。但 旁瓣的辐射功率仍然很大。90%的功率带宽为2×0.75Rb，99% 的功率带宽为2×1.2Rb ，移动通信不可能提供这样宽的带宽， 且还有1%的边带功率辐射到邻近信道，造成邻道干扰。 故MSK的频谱仍然不能满足要求。旁瓣大是因为数字基带信 号含有丰富的高频分量，可先用低通滤波器滤去高频分量，再 进行MSK调制，即可减少已调信号的带外辐射
（b)
1 0.8 0.6
h=0.8 h=0.5
RbTb=1
h=1.5
h= 1.5 x=(f- fc )Tb -1 0 1 2 3
（a) 相位不连续的2FSK的功率谱
相位连续的2FSK的功率谱
图 3.4
2FSK信号的功率谱
可以发现，在相同的调制指数h情况下，CPFSK的 带宽要比一般的2FSK带宽要窄。这意味着前者的频 带效率要高于后者。 随着调制指数h的增加，信号的带宽也在增加。从 频带效率考虑，调制指数h不宜太大。但过小又因 两个信号频率过于接近而不利于信号的检测。所以 应当从它们的相关系数以及信号的带宽综合考虑。
cos c t k (t ) Tb
式中
k (t ) ak
h
Tb
k
kTb t (k 1)Tb
称作附加相位。
相位连续的2FSK
所谓相位连续是指不仅在一个码元持续期间相位连续， 而且在从码元 ak-1 到 ak 转换的时刻 kTb ，两个码元的相 位也相等，即

sin 2d Tb sin 2 ( f1 f 2 )Tb sin 2 h 2d Tb 2 ( f1 f 2 )Tb 2 h
ρ∽h关系曲线如图3.5。
1
ρ
0
h 0.5 1 1.5
图 3.5 2FSK信号的相关系数
从图中可以看出，当调制指数h=0.5，1，1.5，….时， ρ=0, 即两个信号是正交的(信号的正交有利于信号的检测， 故h的取值应满足ρ=0)。
又h越小，频带利用率越高，故取h=0.5
h=0.5 的 CPFSK 就称作最小移频键控 MSK 。它是在两 个信号正交的条件下，对给定的Rb有最小的频差。
3.2.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱 1. 相位路径
由于h=1/2（代入 k ak 1 ak h k k 1 ），MSK的 相位约束条件就是 k ak 1 ak k k 1
当给定码元速率Rb时可以确定各个频率如下：
f c m Rb / 4 f 2 ( m 1) Rb / 4 f1 ( m 1) Rb / 4
即载波频率应当是Rb/4的整数倍。
3. MSK的功率谱
MSK的功率谱为
16 A2Tb cos[2 f f c Tb ] WMSK f 2 1 4 f fc Tb 2
话音信源编码技术通常分为三类
波形编码（如PCM） 参数编码 混合编码
波形编码的目的在于尽可能精确地再现原
来的语音波形。
如A/D转换，直接将时域波形变换成数字系列，
接收恢复的信号质量好
参数编码是将语音信息用特定的声源模型
表示。
传递的是话音信号波形的参数，而不是波形本
身，压缩效果好，但质量较差
...
图 3.6 附加相位的相位路径
2. MSK的频率关系
在MSK信号中，码元速率Rb=1/ Tb、峰值频偏fd和两个频 率f1、f2存在一定的关系。
cTb 2 f cTb 2 ( f 2 f1 )Tb m d Tb 2 f d Tb 2 ( f 2 f1 )Tb n
b
1 . 线性调制
线性调制方案频谱利用率高，具有很好的频谱有效
性。它必须使用线性RF放大器发射。而功率有效 性较差。如使用功率有效性高的非线性放大器会导 致已滤除的边瓣再生，造成严重的邻道干扰，使线 性调制得到的频谱效率全部丢失。
目前使用比较普通的线性调制技术有正交相移键控
(QPSK:Quadrature Phase Shift Keying的 ), 偏移四 相相移键控(OQPSK:Offset QPSK)和/4 -QPSK
ω1, ω2对ωc 的角频偏为： d 2 f d | 1 2 | / 2
定义调制指数h:
h | f1 f 2 | Tb 2 f d Tb 2 f d / Rb
根据ak ,h ,Tb可以重写一个码元内 2FSK信号表达式: h sFSK (t ) cos(c t ak d t k ) cos c t ak t k
3.2 最小移频键控MSK
3.2.1 相位连续的FSK 3.2.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱
3.2.1
2FSK信号
相位连续的FSK
设要发送的数据为 ak=±1, 码元长度为 Tb 。在一个码元 时间内，它们分别用两个不同频率 f1, f2 的正弦信号表 示，例如:
式 中
1 2 f1 , 2 2 f 2 ,定义载波角频率(虚载波) 为： c 2 fc (1 2 ) / 2
3.3高斯最小移频键控GMSK
3.3.1 高斯滤波器的传输特性 3.3.2 GMSK信号的波形和相位路径 3.3.3 GMSK信号的调制与解调 3.3.4 GMSK功率谱
3.3.1 高斯滤波器的传输特性
GMSK就是基带信号经过高斯低通滤波器的MSK，如图 3.8。
b(t)
高斯低 通滤波器
q(t)
MSK
s2 FSK (t )
图 3.8
k (kTb ) k 1 (kTb )
即
ak
h
Tb
kTb k ak 1
h
Tb
kTb k 1
这样就要求满足关系式:
k ak 1 ak h k k 1
即要求当前码元的初相位由前一码元的初相位、当前码元 ak和前一码元ak-1来决定。 这关系就是相位约束条件。这 两种相位特性不同的FSK信号波形如图3.3所示。

多径衰落、多普勒频率扩展；日益增加的用户数目，无线信道频 谱的拥挤这些因素对调制方式的选择都有重大的影响，主要表现 在以下几个方面
1.频带利用率（η

＝Rb/B,其中Rb为比特速率，B 为无线信号的带宽，bit/s· Hz） 2.功率效率（保持信息精确度的情况下所需的最小 信号功率，或者说最小信噪比） 3.已调信号恒包络 4.易于解调 5.带外辐射（要求已调信号的功率谱的副瓣要小， 使超出带宽外的信号功率降低到规定以下 一般要 求达到-60到-70dB 在移动通信系统中，采用何种调制方式，要综合考 虑上述各种因素。
第三章 调制技术
移动通信模型中信号的处理流程
发送端：
1
信源采样和编码
2
信道编码、交织
3
扩频、加扰
4
调制和信道速率适配
5
信号放大和发射
移动通信模型中信号的处理流程
接收端：
1
信号接收
2
解调
3
解扩、解扰
4
信道解码和去交织
5
信源解码
本章主要内容
调制技术及信源编码概述 最小移频键控MSK
高斯最小移频键控GMSK
最小移频键控MSK
2FSK信号的归一化互相关系数可以求得如下（为方便讨论， 令它们的初相为零）： sin 2cTb sin 2d Tb 2 Tb cos 1t cos 2tdt Tb 0 (2cTb ) (2d Tb ) 通常总是ωcTb =2πfc/fb >>1,或ωcTb=nπ，因此略去第一项，得 到
2
由于|ak-ak-1|总为偶数，所以初始相位为零时，其后各码元 的初相位为π 的整数倍。相位路径的例子如图3.6所示，其 中初始相位为零。图中可以看到的取值为0，-π、-π、-π、 3π、...（k=0,1,2….）。
k () t
3 2
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来自百度文库+1
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0 2 3 1 2 3 4 5 6 t/Tb
图 3.3
2FSK信号的波形
由图3.3可以看出，相位不连续的2FSK信号在码元交替 时刻，波形是不连续的，而CPFSK信号是连续的，这 使得它们的功率谱特性很不同。图3.4分别是它们的功 率谱特性例子。
Δf T b 0.16 h=0.8 0.12 0.08 x=(f- f c)Tb 0.04 -2 -1 0 1 2 3 0.4 0.2 -2
3G系统的视频信源编码H.264

H.264是ITU-T视频编码专家组 (VCEG)和ISO/IEC活动图 像编码专家组(MPEG)的联合视频组(JVT)开发的一个新的数 字视频编码标准，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的 MPEG-4的第10部分。2002年6月JVT第5次会议通过了 H.264的FCD板。H.264的压缩率比MPEG-2高2～3 倍， 1Mb/s速率的图像效果接近MPEG-2中DVD的图像质量，是 目前手机电视中最为理想的信源压缩编码标准。
混合编码把波形编码的高质量和参数编码
的高效压缩性融为一体，尤其在16bit/s～ 8kbit/s范围内达到了良好的语音质量。
语音质量评估
当前世界上流行的语音质量评估方法是
采用原CCITT提议的从1分到5分的主观 评定的方法。
这就是“平均评价得分”（Mean
Opinion Score），简称MOS。