第八章现代数字调制技术
第八章 现代数字调制技术
ak
2TS
t k ) sin c t
(cos (sin
ak
2TS
ak
2TS 2TS
t sin k ) cos c t t sin k ) sin c t
ak
2TS
t cos k cos
ak
ak 1
k 0或
S MSK (t ) cos k cos I k cos
四、结论
由于OQPSK信号也可以看作是由同相支路和正交支路 的2PSK信号的叠加，所以OQPSK信号的功率谱与QPSK 信号的功率谱形状相同。
7
如果采用相干解调方式，理论上OQPSK信号的误码性 能与相干解调的QPSK相同。但是，频带受限的OQPSK 信号包络起伏比频带受限的QPSK信号小，经限幅放大 后频谱展宽的少，所以OQPSK的性能优于QPSK。在实 际中，OQPSK比QPSK应用更广泛。
首先介绍几种恒包络调制，包括偏移四相相移键控 （OQPSK）、 π/4四相相移键控（ π/4 -QPSK）、最小 频移键控（MSK）和高斯型最小频移键控（GMSK）； 然后介绍正交幅度调制（QAM），它是一种不恒定包络 调制。
在介绍了这几种单载波调制后，再引入多载波调制， 着重介绍其中的正交频分复用（OFDM）。 本章将介绍一种特殊的带宽调制技术----扩频调制，它 的载波采用宽带的伪噪声(PN)序列，它是用扩频频谱的 方法来换取信噪比的系统。
1
8.1 引言
第6章已介绍几种基本数字调制技术的调制和解调原理。 随着数字通信的迅速发展，各种数字调制方式也在不断 地改进和发展，现代通信系统中出现了很多性能良好的 数字调制技术。
本章主要介绍目前实际通信系统中常使用的几种现代 数字调制技术。 按照某一时刻是否只使用单一的频率的正弦载波，调 制分为单载波调制和多载波调制。 按照已调信号的包络是否保持不变，单载波又分为恒 定包络调制分为和不恒定包络调制。 ASK 、 FSK 、 PSK 都 属 于 单 载 波 调 制 ， 其 中 FSK 和 PSK信号的幅度是不变的，属于恒包络调制。 2
《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 °。
现代数字调制技术
MSK具有恒定振幅包络、相对窄的带宽、相位变化连续等 的特性。虽然MSK相位是连续的，但相位连续变化是折线， 在码元转换时刻产生尖角，从而使其频谱特性的旁瓣滚降不快， 带外辐射相对较大。对于数字移动通信中进行高速率数据传输 时要求有更紧凑的功率谱才能使邻道带外辐射功率低于-80~60dB的指标，MSK不能满足要求。为了解决MSK的这一问题， 可将数字基带信号先经过一个高斯滤波器整形，得到平滑后的 某种新的波形之后再进行调频，调频指数仍为0.5，但此时的 信号具有良好的频谱特性,如图5.38所示。将输入端接有高斯滤 波器的MSK调制称为高斯最小频移键控GMSK。GMSK功率谱 的高频分量得到更大的衰减，具有更高频带利用率。GMSK信 号的解调可采用相干解调，也可采用差分相干解调。
与产生过程相对应，MSK信号一般可采用相干解调恢复信 息码，也可采用其他解调方法。
数字信号的频带传输
输入
差分 编码
串/并
振荡 f=1/4Tb
2
延时 Tb
振荡 fc
2
图5.37 MSK调制原理框图
∑
带通
滤波
MSK
信号
数据
高斯低通滤波器
FM调频器
图5.38 GSMK调制器
GMSK信号
数字信号的频带传输
1.2 最小频移键控(MSK)
对于频移键控2FSK信号的产生，如果采用如图5.15所示电路， 由于载波由两个独立振荡电路产生，因此在频率转换点上相位是 不连续的。相位不连续的2FSK信号的功率谱有很大的旁瓣分量， 造成对邻近信号干扰，带限后会引起包络起伏变化，为了不失真 传输，对信道的线性特性要求就很苛刻。最小频移键控MSK又称 快速频率键控是2FSK的改进型，MSK使得两个频率在相邻的跳 变码元之间相位保持连续的一种调制方式。
数字调制技术
数字调制技术数字调制技术调制技术概述调制基础信号的表示方法IQ调制实现方式基本数字调制：ASK、FSK、PSK FSK、MSK和GMSKPSK调制BPSKQPSKOQPSKQAM调制正交频分复用OFDM各种调制的应用调制调制——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。
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。
信号的表示I/Q信号基础I/Q是什么？--I/Q调制过程基带复信号表示方法I/Q调制实现过程数字调制基本类型U MOD(t)=ÛC(t)cos[ C t+ C(t)]AMConventional ModulationDigital ModulationASK,Amplitude Shift KeyingU 01110数字调制基本类型U MOD(t)=ÛC(t)cos[ C t+ C(t)]FMConventional ModulationDigital Modulation FSK,Frequency Shift KeyingU11100tPSK,Phase Shift Keying 数字调制基本类型tU0000111U MOD (t)=ÛC (t)cos [ C t + C (t)]MConventional Modulation Digital ModulationFSKs 2FSK (t )b (t )f 1f 1f 1f 2f 2f 2111000(a )相位不连续的FSK波形22cos()t +11cos()t +(b )相位连续的FSK波形b (t )111s 2FSK (t )c (t )f 1f 1f 1f 2f 2f 2()t （载波）图3.32FSK信号的波形MSK-最小相移键控MSK的频谱frequency:500MHz,bitrate:270kBit/sec,data:PRBS-sequence (511Bits)MSK特点MSK信号是恒包络信号码元转换时刻，信号的相位是连续的，以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内线性的变化+/-90度。
射频电路基础(赵建勋)章 (1)
第八章 数字调制与解调
8.1 ASK调制与解调原理 8.2 FSK调制与解调原理 8.3 PSK调制与解调原理 8.4 现代数字调制与解调 8.5 集成器件与应用电路举例 本章小结 思考题和习题
第八章 数字调制与解调
数字频带传输中， 载波可以由正弦波振荡器产生， 包括 振幅、 频率和相位三个基本参数。数字调制可以对这三个参 数进行， 分别实现振幅键控（ASK）调制、 频移键控（FSK） 调制和相移键控（PSK）调制。
)
1 4
[
PB
(
f
fc)
PB( f
fc )]
第八章 数字调制与解调
将式（8.1.1）代入上式， 得:
PBASK ( f
)
TB {Sa 2[π( f 16
fc )TB ] Sa 2[π( f
fc )TB ]}
1 [ ( f
16
fc) ( f
fc )]
(8.1.2)
第八章 数字调制与解调
图8.1.2 uBASK的功率谱和带宽
第八章 数字调制与解调
p(x
|
H1)
x
0,n2
exp
x2
U
2 om
2
2 n
I
0
U om
2 n
x
,
x 0; x0
其中， Uom=Usm, 为没有n(t)时uo的幅度; I0(Uomx/σ2n)为 宗数为Uomx/σ2n的0阶第一类修正贝塞尔函数。
第八章 数字调制与解调
图8.1.4 uBASK的包络检波和信号检测 (a) 电路框图； (b) 信号波形
第八章 数字调制与解调
设信道噪声为高斯白噪声， 均值为零。 信道噪声经过带通 滤波， 形成窄带高斯噪声n(t)， 其均值不变， 方差为σ2n。 设带通滤波器的增益kF=1， 包络检波器的检波增益kd=1。在假设 H1下， 发送Ak=1， 此时uBASK=Usm cosωct， 包络检波器的输入 电压ui=Usm cosωct+n(t)， 经过检波， 根据正弦信号加窄带高 斯噪声的统计特性， 输出电压uo的取值x服从莱斯分布， 其概 率密度函数（PDF）为
详述现代调制技术
0
1
DPSK调制器的框图如下图所示。它主要是由一个比特延时单元Delay和一个逻辑电路Logic Circuit组成的。该逻辑电路能由输入二进制序列产生差分编码序 。经过逻辑电路后产生的 通过一个乘法调制器就可以得到DPSK信号。
DPSK接收机的框图如下图，通过相应处理过程，就可以从解调的差分编码信号中恢复出原始信号。
下图是 -QPSK采用的一种非相干差分延迟解调的原理框图。之所以能够采用差分检测时因为 -QPSK信号内的信息完全包含在载波的两个相邻码元之间的相位差当中。它的工作原理基本是调制过程的逆过程，从图中我们可以看出，差分检测一种非相干解调技术，而非相干差分延迟解调不需要载波提取，这样就大大简化接收机的设计。而且，研究还发现，在存在多径和衰落时， -QPSK的性能优于OQPSK。所以， -QPSK日益得到重视，现在北美和日本的数字蜂窝移动通信系统中已采用 -QPSK调制方式。
4.
交错四相相移键控（OQPSK）技术是OPSK的一种改进方式。它是为了克服QPSK调制中存在的一些问题而被提出来的。OQPSK技术就是在对QPSK做正交调制时，将正交分量Q(t)的基带信号相对于同相分量I(t)的基带信号延迟半个码元间隔 （一个比特间隔）。OQPSK信号产生原理框图如下,其表达式为：
图：带载波恢复电路的BPSK接收机
我们将接收到的信号 进行平方后，产生一个直流信号和一个在两倍载波频率有幅度变化的正弦信号。直流信号用中心频率为 的带通滤波器滤除。然后用一个分频器还原出波形 。在分频器后乘法器的输出为：
这个信号输入到BPSK检测器中构成低通滤波器部分的积分和清空电路。如果发射极和接收机的脉冲波形匹配，检波将达到最佳效果。在这里，我们为了便于在每个比特周期末尾精确地抽样积分器的输出，使用了一个比特同步器。这样就在每个比特周期的末尾，积分器输出端的开关闭合，然后将输出信号送到判决电路，根据积分器的输出是高于还是低于一个特定的门限值来决定接收的信号时对应于二进制1还是0。而对于门限值的设置要能够使差错概率达到最小得最佳值。比如，如果1和0等概率地传输，那么我们就采用检测器输出二进制数据1和0的电压的中值作为最佳门限值。对于BPSK信号来说，比特差错概率为：
第章数字调制技术-（ＰＤＦ）
现代移动通信系统2.数字调制技术Modern Mobile Communication现代移动通信系统2-1-1现代移动通信系统现代移动通信系统第二章数字调制技术2-1-2现代移动通信系统本节讲述的主要内容2.1 数字调制技术基础2.2 线性调制技术2.3 恒包络调制技术2.4 线性和恒包络相结合的调制技术2-1-3现代移动通信系统2.1 数字调制技术基础⏹调制的概念：对信号源的信息进行处理，使其变为适合传输形式的过程。
⏹调制的目的：使所传送的信息能更好地适应于信道特性，以达到最有效和最可靠的传输。
⏹移动通信系统的调制技术包括用于第一代移动通信系统的模拟调制技术(FM)和用于现今及未来系统的数字调制技术。
2-1-4现代移动通信系统一、移动通信对数字调制的要求⏹移动通信对数字调制技术的要求：①抗干扰性能要强，如采用恒包络角调制方式以抗严重的多径衰落影响；②要尽可能地提高频谱利用率；③占用频带要窄，带外辐射要小；④在占用频带宽的情况下，单位频谱所容纳的用户数要尽可能多；⑤同频复用的距离小；⑥具有良好的误码性能；⑦能提供较高的传输速率，使用方便，成本低。
2-1-5现代移动通信系统二、数字调制的性能指标⏹数字调制的性能常用功率效率（Power Efficiency ）和带宽效率（Spectral Efficiency ）来衡量。
功率效率反映调制技术在低功率情况下保持数字信号正确传送的能力，可表述成在接收机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：⏹带宽效率描述了调制方案在有限的带宽内容纳数据的能力，它反映了对分配的带宽是如何有效利用的，可表述成在给定带宽内每赫兹数据速率的值：p ηB η0bp E N η=bps/Hz B RBη=B ηpη2-1-6现代移动通信系统二、数字调制的性能指标⏹带宽效率有一个基本的上限，由香农定理：⏹可见在一个任意小的错误概率下，最大的带宽效率受限于信道内的噪声，从而可推导出最大可能的为：2log (1)SC B N=+B M A X η2log (1)BMAXC SB Nη==+2-1-7现代移动通信系统三、目前所使用的主要调制方式⏹目前所使用的主要调制方式有线性调制技术：BPSK 、QPSK 、OQPSK π/4DQPSK等调制恒包络调制技术：BFSK 、MSK 、GMSK 调制 “线性”和“恒包络”相结合的调制技术：QAM 调制 扩频调制技术：直接序列扩频、跳频 编码调制相结合技术：TCM 调制 多载波技术：OFDM 调制2-1-8CPMBFSK(二进制频移键控）MFSK （多进制频移键控）FSK (频移键控）QAM ASK(幅移键控）（正交幅度调制）MQAM （星座调制）非恒定包络OQPSK(参差QPSK ）л/4QPSKDQPSK （差分QPSK ）QPSK(正交四相相移键控）DPSK （差分二进制相移键控）BPSK （二进制相移键控）PSK （相移键控）（连续相位调制）MSK （最小频移键控）GMSK （高斯成型MSK ）TFM （平滑调频）恒定包络数字调制现代移动通信系统所谓调制，就是按调制信号（基带信号）的变化规率去改变载波某些参数的过程。
第8章现代数字调制技术wfy简化资料.
5
为FSK能满足正交的最小频率间隔
中心频率
fc
n 4Ts
(N m) 1 4 Ts
式中，N ― 正整数
调制指数： f 0.5
fs
6
并有
f2
fs
1 4Ts
N m 1 1
4 Ts
f1
fs
1
4Ts
N
m 1
1
4 Ts
上式给出一个码元持续时间Ts内包含的正弦波周
期数。两种码元包含的正弦波数均相差1/2
第8章 现代数字调制技术
1
8.1 偏移QPSK(OQPSK)
QPSK的缺点：它的相邻码元最大相位差达到 ±180°，这在频带受限的系统中会引起信号包络的 很大起伏。这使得的功率谱旁瓣增生，导致频谱扩 散，增加对相邻信道的干扰。
偏移QPSK的改进：将正交分量的基带信号相对于同 相分量的基带信号延迟半个码元（1个bit)间隔， 使之不可能同时改变。如此，相邻码元相位差的最 大值仅为±90°（见下表），从而减小了信号振幅 的起伏。
或135°，比QPSK的最大相移180小 / 4 ，且 相邻码元间至少有 / 4 相位变化，从而便于时钟
恢复和同步的实现。
优点：这种体制中相邻码元间总有相位改变、最大
相移为135°，比QPSK的最大相移小。 可以非
相干解调。
4
4
8.3 最小频移键控
定义：最小频移键控（MSK）信号是一种包络恒 定、相位连续、带宽最小并且严格正交的2FSK信
交的同频载波进行调制.
13
MQAM信号的频带利用率 2
L
MQAM
Rb BMQAM
log 2
L
log 2
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全数字式π/4-QPSK调制器
全数字式π/4-QPSK调制器
载波信号发生器将产生相位为0、π/4、π/2、…、7π/4等8
种载波信号，固定送给相位选择器D0、D1、…，D7。
地址码发生器由编码电路和延迟电路组成，编码器完成
不恒定包络调制
ASK QAM
多载波调制：
某一时刻调制使用多个载波
OFDM
本章目录
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6
偏移四相相移键控（OQPSK） π/4四相相移键控（π/4-QPSK） 最小频移键控（MSK） 高斯最小频移键控（GMSK） 正交幅度调制（QAM） 正交频分复用（OFDM）
由此可知，当前码元的信号（Ik，Qk）不仅与当前码元 相位跳变量有关，还与前一码元的信号（Ik-1，Qk-1）有
关，即与信号变换电路的输入码组有关。
双比特信息Ik , Qk和相邻码元之间相位跳变k 之间的关系
Ik , Qk与 k的对应关系
由表可见，码元转换时刻的相位跳变量只有±π/4和 ±3π/4共4种取值，不可能产生如QPSK信号±π的相位跳 变，从而使得信号的频谱特性得到较大改善。
第八章 现代数字调制技术
引言
1.通信的理想目标和环境：
通信的理想目标：
在任何时候、在任何地方、与任何人都能及时沟 通联系和交流信息
通信的环境：
非常复杂，面临各种干扰和电波传播影响
电波传播的衰耗 多径衰落
信号在无线传播过程中，经过多点反射，从多条路径 到达接收端，这种多径信号的幅度、相位和到达时间 都不一样，这样造成的信号衰落称为多径衰落
由于同相分量和正交分量不能同时发生变化， 相邻一个比特信号的相位只可能发生±π/2的变化。
从而消除了相位翻转±π的现象。
2
OQPSK的I、Q信道波形及相位路径
消除了相位翻转现象后，OQPSK信号中包络的最大值与最小 值之比约为 2 ，不再有很大的包络起伏。
OQPSK的调制、解调原理
OQPSK和QPSK的比较
2.数字调制方式应考虑的因素：
抗干扰性（电波传播影响、多径衰落） 已调信号带宽 使用、成本因素
好的数字调制方式应有的特点
低信噪比下具有良好的误码性能 良好的抗多径衰落能力 较小带宽 使用方便、成本低
3.数字调制方式的分类 单PSK OQPSK、π/4-QPSK、MSK、GMSK
设已调信号为
s(t) co ct sk
式中， k 为 kT≤t≤(k+1)T 间的附加相位。 将上式展开，得到
s (t) co kcso c t siks nic tn
其中， k 为是前一码元附加相位 k 1与当前码元相位 跳变量 k 之和，可表示为：
k k1k
设当前码元的两正交信号分别表示为
功率效率高，抗干扰能力强。能有效地提高频谱利用 率，增大系统容量。
π/4-QPSK调制信号的相位点
已调信号的相位被均匀地分配为相距π/4的8个相 位点，如下图：
8个相位点分为两组，每组中各相位点相距π/2。 已调信号只能在不同组之间交替跳变，相位跳变
值只有±45°和±135°四种取值 。
分析
Ikco kscoks 1 ( k) co skco k s1si n ksin k1
Q ksin ksin k1( k) co sksin k1si n kco k s1
令前一码元的两正交信号为
Ik-1= cosθk-1，Qk-1= sinθk-1
则当前码元信号可表示为
Ik Ik 1 c oks Q k 1 s in k Q k Q k 1 c ok sIk 1 s in k
π/4-QPSK信号的产生
调制前，二元信息经过串/并变换分成两路，再经过电平 变换形成同相分量Ik 和正交分量Qk ，这里的电平变换又 称为信号映射。 同相分量Ik 和正交分量Qk 通过脉冲成形滤波器后，分别 形成进入QPSK调制器的同相分量I(t)和正交分量Q(t) ，然 后对两个相互正交的载波调制，产生π/4-QPSK信号。
QPSK调制的原理
正交调制方法 对数据进行串/并变换，将二进制数据每两个比 特分为一组。一共有四种组合（1，1）、（1， -1）、（-1，1）和（-1，-1）。 每组前一比特为同向分量I，后一比特为正交分 量Q。 利用同向分量、正交分量分别对两个正交的载 波进行2PSK调制，最后将结果叠加。
QPSK调制和OQPSK调制的相位图
如图(a)所示，QPSK信号的相位在4种可能的 相位上跳变，跳变量可能为±π/2或±π。当跳变量 为±π时发生相位翻转，引起最大包络起伏。
OQPSK调制表达式
sOQ (tP ) S I(tK )coct)s Q ((t T 2 s)sin ct)(
其中I(t)表示同相分量 ；Q(tTs /2) 表示正交分 量，它相对于同相分量偏移Ts/2 。
π/4-QPSK调制是对OQPSK和QPSK在最大相 位变化上进行折衷，是在QPSK和OQPSK基础上 发展起来的。
与QPSK和OQPSK相比的优势
最大相位改变为±45°或±135° ，比QPSK相位变化
小，改善了功率谱特性。
改进了解调方式。QPSK和OQPSK只能采用相干解调， π/4-QPSK可以采用相干解调和非相干解调。
8.1 偏移四相相移键控（OQPSK）
QPSK在数字调制下的问题 调制信号带宽为无穷宽，而实际的信道带宽总 是有限的。 码组中两个比特同时变化时有相位翻转现象， 引起包络起伏。 包络起伏会导致频谱扩散，增加邻信道干扰。
为了克服QPSK调制已调信号带宽无穷宽、包络 起伏、频谱扩散的问题，消除QPSK调制下相位 翻转现象，在QPSK的基础上提出了OQPSK。
均采用相干解调，理论上误码性能相同。 频带受限的OQPSK信号包络比频带受限的
QPSK信号的小，经限幅放大后功率谱展宽 的少，所以OQPSK的性能优于QPSK。 实际中，OQPSK比QPSK应用更广泛 。 OQPSK信号不能接受差分检测，接收机的 设计比较复杂。
8.2π/4四相相移键控（π/4-QPSK ）