恒定包络调制方式
《恒包络调制》课件
在这个课件中，我们将介绍恒包络调制的基本概念、原理、应用和未来发展 趋势。恒包络调制是一种普遍应用于通信、军事和遥感领域的调制技术，具 有抗干扰能力强和发射功率低等优点。
什么是恒包络调制？
恒包络调制是一种调制技术，通过使信号的包络保持恒定来传输信息。它与传统调制技术相比，具有更 好的性能和适应性。
恒包络调制的基本原理
1
频率合成
通过生成复合信号的频率来传输信息，提高传输效率。
2
幅度调制
调制信号的幅度来携带信息，使接收端能够准确解调。
3
频域编码
利用频域编码技术，提高抗干扰能力和信号质量。
恒包络调制的优点
抗多径衰落
由于恒包络调制的特性，对多径衰落具有较好的抵抗能力，提高信号传输的可靠性。
抗干扰能力强
恒包络调制具有较高的抗干扰能力，能够有效地抑制信号中的噪声和干扰。
发射功率低
恒包络调制在传输信息时，通常可以降低发射功率，从而减少能源消耗。
恒包络调制的应用
1
通信领域
恒包络调制在移动通信、卫星通信等领域得到广泛应用，提高了信号质量和传输速率。
2
军事领域
军事通信需要高度保密和抗干扰能力，恒包络调制可以满足这些需求，并提供可们了解了恒包络调制的基本概念、原理、应用和未来 发展趋势。恒包络调制作为一种具有抗干扰能力强和发射功率低等优点的调 制技术，将在通信、军事和遥感领域发挥重要作用。
3
遥感领域
利用恒包络调制技术，可以准确地获取遥感图像和数据，用于环境监测、资源调查等 应用。
恒包络调制的未来发展趋势
新技术的应用
随着科技的不断发展，新的调制技术将不断涌 现，如深度学习、量子调制等，将进一步推动 恒包络调制的发展。
调制解调
2.2 数字频率调制
2.2.1 移频键控(FSK)调制 设输入到调制器的比特流为｛an｝, an=±1,
n=-∞~+∞。 FSK的输出信号形式(第n个比特区间)为
cos(1t 1 ) an 1 s (t ) cos(2t 2 ) an 1
(2 - 23)
即当输入为传号“ +1 ”时，输出频率为 f 1 的正弦波； 当输入为空号“-1”时，输出频率为f2的正弦波。
在大信噪比情况下， 即Uc>>V(t), 有
(2 - 14)
V (t ) (t ) c t (t ) sin (t ) (t ) Uc (2 - 15) y (t ) c t (t ) Uc
鉴频器的输出为
d(t ) d (t ) 1 dy(t ) uout (t ) c dt dt U c dt 1 dy(t ) k f um (t ) U c dt
调制技术
第二代移动通信是数字移动通信，其中的关键技
术之一是数字调制技术。对数字调制技术的主要要求
是：已调信号的频谱窄和带外衰减快(即所占频带窄，
或者说频谱利用率高)；易于采用相干或非相干解调； 抗噪声和抗干扰的能力强；以及适宜在衰落信道中传 输。 数字信号调制的基本类型分为振幅键控 (ASK) 、 频移键控 (FSK)和相移键控 (PSK)。此外，还有许多由 基本调制类型改进或综合而获得的新型调制技术。
差为σ2n的高斯随机过程。
发“+1”时： y1(t) = a cos(ω1t+φ1)+nc1(t) cos(ω1t+φ1)
-ns1(t) sin(ω1t+φ1) 发“-1”时：
ASK、FSK、PSK、QAM数字调制技术
ASK、FSK、PSK、QAM数字调制技术1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制(PCM)的概念，从此之后通信数字化的时代应该说已经开始了，但是数字通信的高速发展却是20世纪70年代以来的事情。
随着时代的发展，用户不再满足于听到声音，而且还要看到图像；通信终端也不局限于单一的电话机，而且还有传真机和计算机等数据终端。
现有的传输媒介电缆、微波中继和卫星通信等将更多地采用数字传输。
而这些系统都使用到了数字调制技术，本文就数字信号的调制方法作一些详细的介绍。
一数字调制数字信号的载波调制是信道编码的一部分，我们之所以在信源编码和传输通道之间插入信道编码是因为通道及相应的设备对所要传输的数字信号有一定的限制，未经处理的数字信号源不能适应这些限制。
由于传输信道的频带资源总是有限的，因此提高传输效率是通信系统所追求的最重要的指标之一。
模拟通信很难控制传输效率，我们最常见到的单边带调幅（SSB）或残留边带调幅（VSB）可以节省近一半的传输频带。
由于数字信号只有"0"和"1"两种状态，所以数字调制完全可以理解为像报务员用开关电键控制载波的过程，因此数字信号的调制方式就显得较为单纯。
在对传输信道的各个元素进行最充分的利用时可以组合成各种不同的调制方式，并且可以清晰的描述与表达其数学模型。
所以常用的数字调制技术有2ASK、4ASK、8ASK、BPSK、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，频带利用率从1bit/s/Hz～3bit/s/Hz。
更有将幅度与相位联合调制的QAM技术，目前数字微波中广泛使用的256QAM的频带利用率可达8bit/s/Hz，八倍于2ASK或BPSK。
此外，还有可减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术，为某些专门应用环境提供了强大的工具。
近年来，四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展，并已应用于高速MODEM中，为进一步提高传输效率奠定了基础。
总之，数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信，调制技术的种类也远远多于模拟通信，大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性。
4.3恒定包络调制方式
§4-3 恒定包络调制方式移相键控信号（OQPSK 、π/4-DQPSK ）的主要缺点是没能从根本上消除码元转换出的载波相位突变。
相位的突变将使系统产生强的旁瓣功率分量，造成对邻近信道的干扰；若将此信号通过带限系统，由于旁瓣的滤除将产生信号包络起伏变化；为了不失真的传输，对信道的线性特性要求非常苛刻。
恒包络调制的特点：1、对线性要求低。
可使用C 类放大器，功率效率高2、带外辐射低。
可达-60~-70dB3、利于限幅器的使用。
可克服随机噪声和瑞利衰落导致的信号幅度的变化，抗干扰抗衰落能力强。
4、具有较好的解调门限。
一、最小移频键控(MSK)为了克服相位不连续的缺点，需要控制相位的连续性，即采用连续相位调制（CPM ）。
MSK 是二进制连续相位移频键控CPFSK 的一种特殊形式（在相邻符号交界处相位保持连续），其特殊性主要表现在它具有正交信号的最小频差（移频系数h=0.5）。
1． MSK 两频率信号的相关性（MSK 信号的调制指数）2FSK 信号的互相关系数ρ可以求得（为了方便讨论，令它们的初相k ϕ=0）：ρ=⎰bT btdt t T 021cos cos 2ωω=b c b c T T ωω2)2sin(+bd b d T T ωω2)2sin( （4-1）其中c ω=)(21ωω+/2，d ω=|21ωω-|/2 令ρ=0，即要求式（4-1）右端两项分别为0，即2b c T ω=πn （4-2）b d b d T T ωω2)2sin(=Sa(2b d T ω)=Sa(b d f f 22•π)=Sa(bf f f ||221-π)=Sa(2h π)=0 （4-3）上式（4-3）要成立，即要求调制指数h=b f f f ||21-=2n（n 为正整数）⇒m in h =0.5 说明：① 当h=0.5时，波形相关系数为0(即相关函数等于0)，两个频率信号相互正交； ② 0.51/b bf f h f T ∆∆===，是移频键控具有良好的误码性能所允许的最小调制指数（m mw fh w f ∆∆==）。
MSK的调制解调原理
2Ts Ik cos(
Ik
cos(
t
2Ts
Ik cos(
)
) cos ct
t
2Ts
)
ak
差 分 编码
ck
串/并 变换
振荡
f
1 4Ts
振
荡
f fc
带 通 滤波
MSK 信号
sin(
t
2Ts
)
t
2Ts )
相移 90°
延迟 Ts
Qk
Qk sБайду номын сангаасn(
Qk sin(
t
2Ts
) sin ct
1 2Ts
（1.1-10） （1.1-11） （1.1-12） (1.1-13)
由此可得频率间隔为 f f 2 f 1 MSK 信号的调制指数为 h= fTs =
1 2
当取 N=1，m=0 时，MSK 信号的时间波形如图 1.1 所示
图 1.1 MSK 信号的时间波形 对第 k 个码元的相位常数 k 的选择应保证 MSK 信号相位在码元转换时刻是连续的。 根据这 一要求，由式（1.1-2）可以得到相位约束条件为：
差分编码（英文名称：differential encoding）指的是对数字数据流，除第一个元素外，将其中各元素都表示 为各该元素与其前一元素的差的编码。 对上述差分编码进行通信行业重新定义，如下： 通信中的差分编码，差分编码输入序列{an}，差分编码输出序列{bn}，二者都为{0、1}序列，则差分编码输 出结果为bn=an异或bn-1，并不是bn=an异或an-1（即所谓的：对数字数据流，除第一个元素外，将其中各 元素都表示为各该元素与其前一元素的差的编码。这么定义是不准确的。）。前者多用在2DPSK调制，后 者多用在MSK调制预编码。同时后者是码反变换器的数学表达式，即用来解差分编码用的。
IJF
IJF-OQPSK调制解调技术研究在带限系统中，为了消除码间干扰总是要求把系统的等效低通特性，设计成理想低通特性或等效的理想低通特性。
然而，理想低通特性的最小奈奎斯特带宽系统特点是频谱窄，能达到理论的极限传输速率，但其缺点是第一个零点后的振荡尾巴幅度大，收敛慢。
由它组成的随机数据序列造成的峰，峰定时抖动和峰值上冲和下冲电压都比较大，从而对定时要求非常严格。
若定时稍有偏差，则极易引起严重的码间干扰。
IJF-OQPSK是一种准恒定包络调制，它通过损失部分功率效率来换取更大的带宽效率,达到既能使频谱利用率高，又无符号间干扰和抖动。
八十年代初，加拿大渥太华大学的费赫教授(K．Feher)领导的科研小组发明了IJF-OQPSK调制技术，中文名称为无码间干扰和抖动一交错正交相移键控。
IJF-OQPSK调制方式是将输入的数据序列进行分路，再分别对每一路数据进行IJF编码形成IJF基带信号，最后进行OQPSK调制。
一、IJF信号的特性IJF编码的特点是采用一种新的基带成形脉冲——时限双码元间隔脉冲。
例如：双码元间隔升余弦脉冲、双码元间隔阿莫罗索(AMOROSO)脉冲和双码元间隔三角脉冲等，以双码元间隔升余弦脉冲为例：滚降系数为a升余弦脉冲可表示为:（1）当滚降系数a=1时，可得到时限双码元间隔升余弦脉冲：（2）为了保证产生的随机序列无符号间干扰和抖动，这类脉冲波形应具有以下特点(以双码元间隔升余弦脉冲为例)，p(t)满足：(1)p(t)是一个偶函数，且满足以下两个条件：（3）这两个条件保证了由双码元间隔升余弦脉冲同步叠加后的随机数字序列为一个连续信号。
如果当前和前一码元间没有转换，那么在叠加范围内为±1：如果当前和前一码元问有转换，那么将是s(t)与±1相连，保证不产生不连续点，因此，产生的数字序列是一个连续信号。
(2)在脉冲边缘t=±Ts时，其数值为零。
这个条件表明，这种时限双码元间隔脉冲在t≥±Ts时其数值为零，由此脉冲用同步叠加产生的随机数字序列，在数据码元间隔Ts的整数倍时刻取样时无符号间干扰。
恒包络调制技术
(2) Costas环提取相干载波的MSK解调电路
x1(t)
x2(t)
LPF
判决器
VCO
s(t)
~ u LPF
ud(t)
ak
/ 2
/ 2
LPF
y1(t)
y2(t)
判决器
g(t)
时 钟 提取
图4-28 Costas环同步解调电路
7. MSK信号的性能 1)
－ 10
－ 20
－ 30
MSK QP SK
H ( f ) exp( a2 f 2 )
式中,α是与滤波器3 dB带宽Bb有关的一个系数，选择不同的α， 滤波器的特性随之而改变。通常将高斯低通滤波器的传输函
数值为
1/ 时2 的滤波器带宽，定义为滤波器的3 dB带宽，
即：
Bb
1n2 0.5887
2
h(t) H ( f )e j2ftdf exp[ 2 f 2 2( jt) f ]df
RQ(t) Q
s(t)
BP F
[·] 2
I
BP F (2f2)
锁相环 BP F
＋
÷2
－
脉 冲 S2(t)
形成
RRIQ((tt))
时钟
清 洗 脉冲
单稳态
单稳态
取 样 脉冲
s(t) BP F
RI
s1(t)
s2 (t)
2 cos
2Tb
t cosct
RQ
s1(t)
s2 (t)
2 s in
2Tb
t sin ct
图4-30 高斯低通滤波器传输特性 图4-31 高斯低通滤波器冲激响应
g(t) 1.0
0.8 0.6
通信原理6.6恒包络调制
6 正弦载波数字调制：小结3
AWGN信道条件下，且频带利用率相同， 进制数大于四时，QAM比MPSK的抗噪声 性能优，功率利用率高；
MSK和GMSK等调制方式与普通的ASK、 FSK、PSK或DPSK和QAM调制方式相比， 已调信号对邻道的干扰小，有效提高了 频谱资源的使用效率。
6 正弦载波数字调制：小结4
1
m 11
f2 fc 4TS (N
) 4T
MSK的相位特点:
相位约束条件：
k
k1
(ak
ak
1
)
2
(k
1)
k 1
k 1 (k 1)
当ak ak1 当ak ak1
若 0 0 则 k 0 或 （mod 2 )
MSK信号的特点
振幅恒定 频偏固定h=0.5 相位变化π/2 码元周期是四分之一载波周期的整数倍 码元转换时刻相位连续
MSK（最小频移键控）
k (t)
ct
ak
2TS
t
k
1
1 d k (t) 2 dt
fc
ak 4Ts
fc 4TS 1
fc 4TS
调制指数：
h
1 2Ts
Ts
0.5
a1 a1
MSK（最小频移键控）
一般2FSK两个波形的相关系数:
sin2 ( f2 f1)Ts sin4fcTs
2 ( f 2 f1 )Ts
4f cTs
相关系数为0的条件是:
f
f2
f1
n 1 2TS
n的最小值是1，对应最小正交频移键控。
MSK（最小频移键控）
上式还表明，MSK信号在每一码元周期内必须包含四分之一 载波周期的整数倍。fc
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图4.15 π/4 QPSK误码性能
13
（2） 恒定包络调制方式
恒定包络调制方式主要有MSK、TFM（平滑调频）、GMSK等。 其主要特点是这种已调信号具有包络幅度不变的特性，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；此外，这 一类调制方式可用于非同步检测。这种调制方式的缺点是频带利 用率较低，一般不超过1bit/s·Hz-1 。
体积和成本。 ❖ ❖ 易于集成。
4
4.2 窄带数字调制技术
1. 分类
（1）线性调制方式
线性调制方式主要有各种进制的PSK和QAM等。这一类调制方 式的频带利用率一般都大于1bit/s·Hz-1，而且随着调制电平数的 增加而增加。线性调制方式又可分为频谱高效和功率高效两种， 理论上可以得到大于2bit/s·Hz-1频带利用率的调制方式为频谱高 效，如8PSK、16QAM、256QAM等。
图4.4 OQPSK信号的产生
9
4.2.1 线性调制方式
❖ QPSK ❖ 假定输入二进制序列为
{an},an=+1或-1，以 1/Tb速率进入调制器的 输入端，通过串并变换分 成正交两路，即aI(t)、 aQ(t)则经QPSK调制的 信号表示为
s(t) aI (t) cosct aQ (t) sin ct
4.1 概述
❖ 调制：就是对消息源信息进行编码的过程，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。
▪ 信号源的编码信息（信源）含有直流分量和频率较低的频率分量， 称为基带信号。
▪ 基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个 相对基带频率而言频率非常高的带通信号以适合于信道传输。这个 带通信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。
的有效性），从而提升抗干扰能力； (3)提高系统有效性：单位频带内传送尽可能高的信息
率(bit/s/Hz)，即提高频谱有效性。
2
4.1对移动通信数字调制和解调器的要求
1、频带利用率
❖ 在数字调制中，常用带宽效率ηb 来表示它对频谱资源的利 用效率，其定义为在一给定的频谱带宽（1Hz）内的数据 通过率。若为数据率（也称为比特率，单位：bit/s），是 被调制信号所占据的带宽，则带宽利用率定义为
图4.10 π/4 QPSK信号的星座图 12
4.2.1 线性调制方式
3. π/4 QPSK的性能
(1) π/4 QPSK信号，因其相位变化较小，所以它的频谱特性优于
QPSK。但它的相位变化比OQPSK大，故其频谱特性比OQPSK差。
(2) 误码率 在移动通信环境中，影响误比特率的 因素有传播瑞利衰落、多普勒频移产 生的随机相位噪声、时延扩散造成的 频率选择性衰落,以及主要由于频率复 用产生的同频干扰（CCI）。当系统 传输速率fb较低时（例如 fb=50kbit/s），时延扩散影响较相位转移图
4.7OQPSK的交错数据流
11
4.2.1 线性调制方式
2. π/4 QPSK
❖ π/4相移QPSK调制是一种相移键控技术，从最大相位跳变来看，它 是OQPSK和QPSK的折衷，可以相干解调，也可以非相干解调。π/4 QPSK的最大相位变化是±135°，而QPSK是180° ,OQPSK是90°。
(2) GMSK
在恒包络调制方式中，GMSK调制解调器结构比较简单
，在目前的移动通信中得到广泛应用。欧洲电信联盟（
CEPT）所确定的泛欧数字蜂窝移动通信系统（GSM）
中就采用GMSK这种调制方式。该方式的优点是，解调
方案有多种可供选择
6
4.2.1 线性调制方式
1. 数字调相的基本概念
(1) PSK调制
图4.1 PSK信号相干解调原理框图
图4.2 PSK信号差分相干解调原理框图
7
4.2.1 线性调制方式
❖ 以基带数据信号控制载波的相位，称为数字调相，又称相
移键控，简写为PSK。
s(t) an Acosct
A cos(ct
1 an 2
)
设g(t)是宽度为Tb的矩形脉冲，其频谱为G(f)，则PSK信号的功率谱为
B
Rb B
(bit
/
s
Hz 1 )
其中Rb为比特速率，B为无线信号的带宽。 ❖ 移动通信系统对调制的频谱利用率要求
▪ 功率谱尽可能窄，即已调信号主瓣窄 ▪ 同时旁瓣幅度要低，即带外辐射低，一般要求达到-60到-70dB
3
4.1对移动通信数字调制和解调器的要求
❖ ❖ 发射频谱窄，带外辐射，邻道功率与载波功率之比小于-70dB。 ❖ ❖ 高效率解调（如非相干解调），以降低移动台功耗，进一步缩小
图4.5an(t)与aI(t),aQ(t)的波形示意图
10
4.2.1 线性调制方式
OQPSK调制与QPSK调制类似， 只是在正交支路引入了一个比特 （半个码元）的延时，这使得两个 支路的数据不会同时发生变化，因 而不可能像QPSK那样产生±π的 相位跳变，而仅能产生±π/2的相 位跳变。OQPSK的交错数据流及 星座图如图4.7和4.8所示.
5
4.2.窄带数字调制技术
2.应用
(1) π/4相移QPSK方式 在线性调制方式中，π/4相移QPSK ① 相位迁移时不通过原点，因此，信号包络线的变动受
② 不但适用于相干解调，而且也适用于对脉冲接收信号
③ 这种调制方式与TDMA方式有良好的配合，北美和日 本的新一代数字移动通信系统均采用了这种调制方式。
（假设“+1”和“-1”等概率出现）
ps (
f
)
1 4
fb[|
G(
f
f
c
)2
|
|
G(
f
f
c
)2
|]
相干解调后的误码比特率为
1 Pe 2 erfc r
Pe
1 er 2
8
4.2.3 线性调制方式
(2) QPSK调制和OQPSK调制
▪ QPSK和OQPSK的产生原理图,如图4.3和4.4所示。
图4.3 QPSK信号的产生
❖ 解调：接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号。 ❖ 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。
1
4.1 概述
通过调制解调可以实现以下的主要功能： (1)便于传输：将所需传送的基带信号进行频谱搬移至
相应频段的信道上以便于传输； (2)抗干扰：调制后具有较小的功率谱占用率（即功率