第4章 调制技术

1、第第4章调制技术章调制技术华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院电信学院电信学院主讲：曹英烈主讲：曹英烈12016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n4.1 概述概述n4.2 信号空间分析信号空间分析n4.3 数字相位调制技术数字相位调制技术n4.4 正交幅度调制正交幅度调制n4.5 频率调制频率调制n4.6 网格编码调制网格编码调制n4.7 正交频分复用正交频分复用第第4章调制技术章调制技术22016/4/16华南理工大学广州学院电信学院本章提示本章提示 n调制调制在通信系统中占有十分重要的地位。只在通信系统中占有十分重要的地位。只有经过调制才能将基带信号转换成适合于信有经过调制才能将

2、基带信号转换成适合于信道传输的已调信号，而且它对系统的传输有道传输的已调信号，而且它对系统的传输有效性和可靠性都有很大的影响。效性和可靠性都有很大的影响。32016/4/16华南理工大学广州学院电信学院本章提示本章提示 n数字数字调制与模拟调制本质上并无什么不同，调制与模拟调制本质上并无什么不同，它们同属正弦载波调制。但是数字调制的调它们同属正弦载波调制。但是数字调制的调制信号为数字型正弦调制，模拟调制的调制制信号为数字型正弦调制，模拟调制的调制信号为连续性正弦调制。模拟信号传输的质信号为连续性正弦调制。模拟信号传输的质量标准是信噪比（量标准是信噪比（S/N），数字信号传输的质），数字信号传输

3、的质量标准是误码率（量标准是误码率（Pe）。）。42016/4/16华南理工大学广州学院电信学院本章提示本章提示 n第第一代蜂窝移动通信系统采用模拟调频（一代蜂窝移动通信系统采用模拟调频（FM）传输模拟语音，其信令系统采用传输模拟语音，其信令系统采用2FSK数字调数字调制。第二代数字蜂窝移动通信系统传送的语制。第二代数字蜂窝移动通信系统传送的语音都是经过语音编码和信道编码后的数字信音都是经过语音编码和信道编码后的数字信号。号。GSM系统采用系统采用GMSK调制；调制；IS-54系统和系统和PDC系统采用系统采用 /4 DQPSK调制；调制；IS-95 CDMA系统的下行信道采用系统的下行信道采

4、用QPSK调制，其上行信调制，其上行信道采用道采用OQPSK调制。第三代蜂窝移动通信系调制。第三代蜂窝移动通信系统将采用统将采用MQAM、QPSK或或8PSK调制。调制。52016/4/16华南理工大学广州学院电信学院本章提示本章提示 n由于由于带宽资源受限，目前所有调制技术的主带宽资源受限，目前所有调制技术的主要设计思路就是最小化传输带宽。相反，扩要设计思路就是最小化传输带宽。相反，扩频技术使用的传输带宽比要求的最小信号带频技术使用的传输带宽比要求的最小信号带宽大几个数量级。在多用户系统中，事实证宽大几个数量级。在多用户系统中，事实证明在多址干扰（明在多址干扰（MAI）环境，扩频系统能获）环

5、境，扩频系统能获得很高的频谱利用率。得很高的频谱利用率。62016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n调制：对消息源信息进行处理，使其变成适调制：对消息源信息进行处理，使其变成适合传输形式的过程。合传输形式的过程。n目的：使信息能更好地适应信道，以达到最目的：使信息能更好地适应信道，以达到最有效和最可靠的传输。有效和最可靠的传输。n移动信道的特征：移动信道的特征：带宽有限带宽有限干扰和噪声影响大干扰和噪声影响大存在着多径干扰和码间干扰存在着多径干扰和码间干扰n选择标准：选择标准：频谱利用率、功率效率、抗码间干扰、频谱利用率、功率效率、抗码间干扰、抗衰落能力和已调信号的恒包络特性等。抗衰落能

6、力和已调信号的恒包络特性等。4.1 概述概述72016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.1 概述概述n第二代数字移动通信系统都使用数字调制技第二代数字移动通信系统都使用数字调制技术。术。超大规模集成电路（超大规模集成电路（VLSI）和数字信号处理）和数字信号处理（DSP）技术的发展使数字调制比模拟调制的传）技术的发展使数字调制比模拟调制的传输系统更有效。输系统更有效。新的多用途可编程数字信号处理器使得数字调制新的多用途可编程数字信号处理器使得数字调制器和解调器完全用软件来实现成为可能。器和解调器完全用软件来实现成为可能。嵌入式软件实现方法可以在不重新设计和替换调嵌入式软件实现方法可以在

7、不重新设计和替换调制解调器的情况下改变和提高性能。制解调器的情况下改变和提高性能。82016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.1 概述概述n数字调制的性能指标通常通过功率有效性数字调制的性能指标通常通过功率有效性 p（Power Efficiency）和带宽有效性）和带宽有效性 B（Spectral Efficiency）来反映。）来反映。n功率有效性功率有效性 p是反映调制技术在低功率电平是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，可表述成情况下保证系统误码性能的能力，可表述成每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比：每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比：P = b0EN （

8、6-1） 92016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.1 概述概述n带宽有效性带宽有效性 B是反映调制技术在一定的频带是反映调制技术在一定的频带内数字有效性的能力，可表述成在给定带宽内数字有效性的能力，可表述成在给定带宽条件下每赫兹的数据通过率：条件下每赫兹的数据通过率：n式中，式中，R为数据速率（为数据速率（bit/s），），B为调制射频为调制射频RF信号占用带宽。信号占用带宽。 B(bit/s)/Hz)RB= （6-2） 102016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.1 概述概述n由香农（由香农（Shannon）定理：）定理：n式中，式中，C为信道容量；为信道容量；B为为R

9、F带宽；带宽；S/N为信为信噪比噪比；11)1(log2NSBC2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.1 概述概述n因此，最大可能的因此，最大可能的 BMAX为为n对于对于GSM，B = 200kHz，SNR = 10dB，则有：，则有：12HzbpsBCkbpsNSBCBMAX/47.320026.69426.694)101(log200)1(log22BNSBCBMAX)/1(log22016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.1 概述概述n蜂窝移动通信系统对数字调制技术的要求蜂窝移动通信系统对数字调制技术的要求（1）数字调制的目的在于使传输的数字信号与信）数字调制的目的

10、在于使传输的数字信号与信道特性相匹配道特性相匹配（2）移动通信要求采用恒定包络数字调制技术）移动通信要求采用恒定包络数字调制技术（3）应尽量避免幅）应尽量避免幅-相转换（相转换（AM/PM）效应）效应（4）要求调制方式具有最小的功率谱占用率）要求调制方式具有最小的功率谱占用率132016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.1 概述概述n具体地讲，数字调制技术应满足如下特性要具体地讲，数字调制技术应满足如下特性要求。求。 为了在衰落条件下获得所要求的误码率为了在衰落条件下获得所要求的误码率（BER），需要好的载噪比（），需要好的载噪比（C/N）和载干比）和载干比 （C/I）性能。）性能。

11、所用的调制技术必须在规定频带约束内提供高所用的调制技术必须在规定频带约束内提供高的传输速率，以（的传输速率，以（bit/s）/Hz为单位。为单位。142016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.1 概述概述 应使用高效率的功率放大器，而带外辐射又必应使用高效率的功率放大器，而带外辐射又必须降低到所需要求（须降低到所需要求（60dB70dB）。）。 恒定包络。恒定包络。 低的载波与同道干扰（低的载波与同道干扰（CCI）的功率比。）的功率比。 必须满足快速的比特再同步要求。必须满足快速的比特再同步要求。 成本低，易于实现。成本低，易于实现。152016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4

12、.1 概述概述n数字调制技术分类数字调制技术分类幅度幅度/相位调制相位调制(非恒包络、线性非恒包络、线性) 更好的频谱特性、更好的频谱特性、 易受衰落和干扰的影响易受衰落和干扰的影响 器件昂贵器件昂贵频率调制频率调制(恒包络、非线性恒包络、非线性) 频谱扩展、频谱扩展、 功率效率高功率效率高 抗信道上影响能力强抗信道上影响能力强线性调制线性调制非线性调制非线性调制162016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.1 概述概述n理想的调制方式能够使通信在低信噪比情况理想的调制方式能够使通信在低信噪比情况下提供低的误码率，在多径和衰落条件下很下提供低的误码率，在多径和衰落条件下很好地工作，并且

13、容易实现好地工作，并且容易实现。172016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n4.2.1 信号与系统模型信号与系统模型n4.2.2 向量空间的概念向量空间的概念n4.2.3 信号空间的概念信号空间的概念n4.2.4 信号的正交展开信号的正交展开n4.2.5 信号的几何表示信号的几何表示4.2 信号空间分析信号空间分析182016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n每隔每隔T秒发送秒发送K=log2M个信息比特。数据速率个信息比特。数据速率为为R=K/Tbps。n发送每个消息的概率为发送每个消息的概率为Pi，则，则n接收目标：使差错概率最小接收目标：使差错概率最小4.2.1 信号与系统

14、模型信号与系统模型19发射机接收机高斯信道s(t)r(t)mi=b1,b2,bkmi=b1,b2,bkn(t)11Miip)()|(1sentmPsentmmmPpiiiMiie2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.2.2 向量空间的概念向量空间的概念202016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.2.2 向量空间的概念向量空间的概念212016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.2.2 向量空间的概念向量空间的概念222016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n三角不等式三角不等式nCaushy-Schwartz不等式不等式4.2.2 向量空间的概念向量空间的概念

15、2321212121VVVVVVVV2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n正如向量的情况，也可用类似的方法处理定正如向量的情况，也可用类似的方法处理定义在某区间义在某区间a,b上的一组信号。上的一组信号。两个一般的复信号两个一般的复信号x1(t)和和x2(t)的内积定义为：的内积定义为： 如果它们的内积为零，则两个信号是正交的。如果它们的内积为零，则两个信号是正交的。信号的范数定义为：信号的范数定义为： 一信号集中的一信号集中的M个信号，如果它们是相互正交的且其范个信号，如果它们是相互正交的且其范数均为数均为1，则该信号集是标准正交的。，则该信号集是标准正交的。 如果没有一个信号能表

16、示成其它信号的线性组合，则该如果没有一个信号能表示成其它信号的线性组合，则该信号集是线性独立的。信号集是线性独立的。4.2.3 信号空间的概念信号空间的概念24dttxtxtxtxba)()()(),(2121212)()(dttxtxba2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n两个信号的三角不等式：两个信号的三角不等式：nCauchy-Schwartz不等式：不等式：4.2.3 信号空间的概念信号空间的概念25)()()(),(2121txtxtxtx21221221)()()()(dttxdttxdttxtxbababa2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n矢量的正交分解

17、矢量的正交分解 n正交函数正交函数n正交函数集正交函数集n复变函数的正交特性复变函数的正交特性4.2.4 信号的正交展开信号的正交展开262016/4/16华南理工大学广州学院电信学院2VVe eVVcV 2121误差矢量误差矢量 )cos(211212VVVVc 2221222121221112)cos()cos(VVVVVVVVVVVVVVc 系数系数021 VV两矢量正交两矢量正交怎样分解，能得到最小的误差分量？怎样分解，能得到最小的误差分量？0 12 c即即方式不是惟一的：方式不是惟一的：表示，表示，用用21VV1211eVVcV eVVc 212一矢一矢量的正交分解量的正交分解222

18、eVVc272016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n平面中任一矢量可分解为平面中任一矢量可分解为x,y二方向矢量。二方向矢量。n空间中任一矢量可分解为空间中任一矢量可分解为x,y,z三方向矢量。三方向矢量。 n一个三维空间矢量一个三维空间矢量 ，必须用，必须用三个正交的矢量来表示，如果用二维矢量表三个正交的矢量来表示，如果用二维矢量表示就会出现误差示就会出现误差正交分解正交分解hzj yi xV 0 , hzVj yi xVe282016/4/16华南理工大学广州学院电信学院二正交函数二正交函数 表示，即表示，即用用内，信号内，信号在区间在区间tftfttt2121 )()(2121t

19、fctf 误差误差 21d)(1)(22121222ttettfctftttf求得求得必需使必需使最小的最小的为求使为求使, 0dd , 122122 cc tftftftfttfttftfctttt(),(),(d)(d)()(22212221122121 称称为为正正交交函函数数，满满足足则则，若若)(),(02112tftfc 0d)()(2121 ttftftt系数系数292016/4/16华南理工大学广州学院电信学院 正交函数集正交函数集tgtgtgr21,三正交函数集三正交函数集任意信号任意信号f(t)可表示为可表示为n维正交函数之和：维正交函数之和： nrrrnnrrtgctgc

20、tgctgctgctf12211)()()()()()(LL?原函数原函数近似函数近似函数 )(),()(),( d)()(d)(d)()(2121212 tgtgtgtfKttgtfttgttgtfcrrrrttrttrttrr 相相互互正正交交：tgtgtgr21, jiKjittgtgittji, 0d)()(21r =0,1,2,.n基底函数基底函数302016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n分解原则是误差函数方均值最小分解原则是误差函数方均值最小 三正交函数集三正交函数集 d)()(1)(21122122误差信号功率误差信号功率误差信号能量误差信号能量ettnrrrefttg

21、ctftttf 表达式表达式可得可得令令rnrcCCCC0, 0, 0, 0 222212 312016/4/16华南理工大学广州学院电信学院三正交函数集三正交函数集rttrttrttrrKttgtfttgttgtfc 212121d)()(d)(d)()(2正交函数集规定：正交函数集规定： 所有函数应所有函数应两两正交两两正交。 不能因一个函数集中某几个函数相互正交就说该函不能因一个函数集中某几个函数相互正交就说该函数集是正交函数。数集是正交函数。 是是相互独立相互独立的，互不影响，计算时先抽取的，互不影响，计算时先抽取哪一个都可以，非正交函数就无此特性。哪一个都可以，非正交函数就无此特性。

22、 nccc,21此公式是个通式，适合于此公式是个通式，适合于任何正交任何正交函数集。函数集。322016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n两周期信号在同一周期内两周期信号在同一周期内(同区间内同区间内)正交的条正交的条件是件是c12=0，即：，即：n对一般信号在给定区间正交，而在其他区间对一般信号在给定区间正交，而在其他区间不一定满足正交。不一定满足正交。n两个信号不正交，就有相关关系，必能分解两个信号不正交，就有相关关系，必能分解出另一信号。出另一信号。n 三正交函数集三正交函数集0d)()(t2t121ttftf332016/4/16华南理工大学广州学院电信学院四四. .复变函数的正

23、交特性复变函数的正交特性jitgtgttgtgjittji 0)(),(d)()(21*iiittiiKtgtgttgtg )(),(d)()(21*求系数),(表示),2 ,1 ,0(,)(用tfnrtgr的共轭的共轭为为)()(,d)()(d)()(2121tgtgttgtgttgtfcrrttrrttrr 则此复变函数集为则此复变函数集为正交函数集正交函数集。 0d)()(d)()(21211221 ttttttftfttftf 满足关系满足关系内，复变函数集内，复变函数集若在区间若在区间nrtgttr, 2 , 1,21 内内相相互互正正交交的的条条件件是是两两复复变变函函数数在在区区

24、间间21,tt342016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n将信号进行几何表示的基础是基的概念。将信号进行几何表示的基础是基的概念。n如何找到基？如何找到基？施密特正交施密特正交n任意任意M个定义在个定义在0,T上的有限能量实信号上的有限能量实信号nS=s1(t),sM(t)表示为表示为N1时，上式中第二项可以忽略。时，上式中第二项可以忽略。n同样有同样有4.2.5 信号的几何表示信号的几何表示40tftfdttfTdttcccTTi4)4sin(1)2(cos15.02)(00204)4cos()4(sin5.02)()(0021tftfdttfTdtttcccTT2016/4/16华

25、南理工大学广州学院电信学院n对于这两个基，对应于带通信号的等效基带对于这两个基，对应于带通信号的等效基带表示，表示，si1si2两个系数分别对应于同相分量和两个系数分别对应于同相分量和正交分量。正交分量。n将表示将表示Si(t)的系数的系数sij写成向量写成向量si=si1,siNT称称其为其为Si(t)的信号星座。所有星座点的信号星座。所有星座点s1,sM构成的图构成信号的星座图。对于给定的基构成的图构成信号的星座图。对于给定的基函数，信号函数，信号Si(t)与其星座点与其星座点si是是一一对应的。一一对应的。4.2.5 信号的几何表示信号的几何表示41)2sin(2)2cos(2)(21t

26、fTstfTstScicii)(),.,(1ttN2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n例：双极性例：双极性NRZ二元数字基带系统：二元数字基带系统：nS0(t)=-gT(t)， S1(t)=+gT(t)， gT(t)是高度为是高度为A，宽度为宽度为Tb的矩形非归零脉冲。的矩形非归零脉冲。4.2.5 信号的几何表示信号的几何表示422016/4/16华南理工大学广州学院电信学院4.2.5 信号的几何表示信号的几何表示432016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n例：例：4PSK系统：信号集为系统：信号集为4.2.5 信号的几何表示信号的几何表示442016/4/16华南理工大学

27、广州学院电信学院4.2.5 信号的几何表示信号的几何表示452016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n例：例：2FSK系统：信号集为系统：信号集为4.2.5 信号的几何表示信号的几何表示462016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n信号星座图信号星座图4.2.5 信号的几何表示信号的几何表示472016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n信号星座图信号星座图4.2.5 信号的几何表示信号的几何表示482016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n4.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制n4.3.2 QPSKn4.3.3 OQPSKn4.3.4 /4-QPSK4.3 数

28、字相位调制技术数字相位调制技术492016/4/16华南理工大学广州学院电信学院504.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制nBPSK即二进制相移键控调制，变称绝对相移即二进制相移键控调制，变称绝对相移键控调制。键控调制。DPSK则是差分相移键控调制，亦则是差分相移键控调制，亦称相对相移键控调制。称相对相移键控调制。n幅度幅度恒定的载波信号根据信号两种可能恒定的载波信号根据信号两种可能m1和和m2（即二进制数（即二进制数1和和0）的改变而在两个不同）的改变而在两个不同的相位间切换。通常这两个相位相差的相位间切换。通常这两个相位相差180 。n传输的传输的BPSK信号为信号为 0tTb，

29、信号为，信号为1 0tTb，信号为，信号为0 bc0bBPSKbbc0c0bb2cos(2)( )22cos(2)cos(2)Ef tTstEEf tf tTT 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院514.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制n二进制相移键控也可表示为二进制相移键控也可表示为 n其复数形式为其复数形式为n其中其中 为信号的复包络。为信号的复包络。nBPSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度bBPSKc0b2( )( )cos(2)Estm tf tTBPSKBPSKcRe( )exp(j2)sgtf tjbBPSKb2( )( )eEgtm tT22bcbcbB

30、PSKcbcbsin ()sin ()2()()Eff Tff TPff Tff T 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院 设设二进制的基带信号二进制的基带信号b(t)的波形为双极性的波形为双极性NRZ码码,BPSK信号的波形如图所示。信号的波形如图所示。 4.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制522016/4/16华南理工大学广州学院电信学院534.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制n矩形和升余弦滚降脉冲成型的矩形和升余弦滚降脉冲成型的BPSK信号的信号的PSD，如图所示，如图所示。n 这种波形的频谱这种波形的频谱n 频谱效率为频谱效率为2bb2)fT()fT(

31、sinG(f)0.5bps/HzT2T1CRbb?2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院544.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制n如果没有信道引入的多径损耗，接收的如果没有信道引入的多径损耗，接收的BPSK信号可表示为信号可表示为nBPSK使用相干，或者叫同步的解调方法，这使用相干，或者叫同步的解调方法，这要求在接收机端知道载波的相位和频率信息。要求在接收机端知道载波的相位和频率信息。 n如果接收端的参考相位发生变化，则恢复的如果接收端的参考相位发生变化，则恢复的数字信号就会发生数字信号就会发生“0”和和“1”的互换，从的互换，从而造成错误恢复。这种现象称作而造成错误恢复。

32、这种现象称作BPSK的倒的倒现象或反向工作现象。现象或反向工作现象。 n实际工作很少采用这种绝对相移方式。实际工作很少采用这种绝对相移方式。bbBPSKc0chcbb22( )( )cos(2)( )cos(2)EEstm tf tm tf tTT2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院554.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制n利用载波相位绝对数值传送数字信息称为绝利用载波相位绝对数值传送数字信息称为绝对调相。对调相。 n利用前后码元之间相位的相对变化传送数字利用前后码元之间相位的相对变化传送数字信息称为相对调相。信息称为相对调相。 n差分相移键控（差分相移键控（DPSK）是

33、一种常用的相对调）是一种常用的相对调相方式，采用非相干的相移键控形式。相方式，采用非相干的相移键控形式。nDPSK不需要在接收机端有相干参考信号，而不需要在接收机端有相干参考信号，而且非相干接收机容易实现。且非相干接收机容易实现。 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院564.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制n在在DPSK系统中，输入的二进制序列系统中，输入的二进制序列bk（常称为绝对码）先进行差分编码，然后（常称为绝对码）先进行差分编码，然后再用再用BPSK调制器调制。差分编码后的序列调制器调制。差分编码后的序列dk是通过是通过对对bk与与dk-1进行模进行模2加运算产生

34、的。加运算产生的。如果输入的二进制如果输入的二进制码元码元bk为为1，则码元，则码元dk与与其前一个码元保持不变，而其前一个码元保持不变，而如果如果bk为为0，则，则dk就改变一次。就改变一次。n表中给出按照关系式表中给出按照关系式 产生的产生的DPSK信号。信号。1 -kkkdbd2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院574.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制nDPSK发发射机调制射机调制器的结构器的结构方框图及方框图及相关波形相关波形如图所示如图所示 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院584.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制n在接收机在接收机端，通

35、过端，通过相应的处相应的处理过程，理过程，从解调的从解调的差分编码差分编码信号中恢信号中恢复出原始复出原始信号，如信号，如图所示图所示 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院594.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制nDPSK发射机调制器包括一个比特延迟单元和发射机调制器包括一个比特延迟单元和一个为了从输入二进制序列产生差分编码序一个为了从输入二进制序列产生差分编码序列的逻辑电路。其输出通过一个乘法调制器列的逻辑电路。其输出通过一个乘法调制器得到得到DPSK信号。信号。nDPSK信号的差分相干解调器不需要恢复本地信号的差分相干解调器不需要恢复本地载波，只需将载波，只需将DPS

36、K信号延时一个码元间隔，信号延时一个码元间隔，然后与然后与DPSK信号本身相乘。相乘的结果反映信号本身相乘。相乘的结果反映前后码之间的相对相位关系，经低通滤波后前后码之间的相对相位关系，经低通滤波后可直接判断，恢复出原发射的数字信息，而可直接判断，恢复出原发射的数字信息，而不需要差分译码。不需要差分译码。 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院604.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制n只有只有DPSK信号才能采用这种方法对绝对码进信号才能采用这种方法对绝对码进行解调，因为它的相位变化基准是前一个码行解调，因为它的相位变化基准是前一个码元的载波相位，而不是未调制波的相位。元的

37、载波相位，而不是未调制波的相位。 n虽然虽然DPSK信号在不需要相干参考信号（即载信号在不需要相干参考信号（即载波）外，在抗频率漂移能力、抗多径效应以波）外，在抗频率漂移能力、抗多径效应以及抗相位慢抖动能力方面均优于采用相干解及抗相位慢抖动能力方面均优于采用相干解调的绝对调相方法，可它的能量效率比相干调的绝对调相方法，可它的能量效率比相干DPSK低低3dB。 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院614.3.1 二进制相移键控调制二进制相移键控调制n对于对于AWGN信道中，信道中，BPSK和和DPSK调制经相调制经相干解调后，它们的误码率这干解调后，它们的误码率这Pe和信噪比有关，和信

38、噪比有关，分别如下：分别如下：nDPSK的误码性能比的误码性能比BPSK略差，但因其电路略差，但因其电路简单又无相位模糊，故更适合实际应用。简单又无相位模糊，故更适合实际应用。 2 1( )exp(/2)d2xQ xxxbe,BPSK02EPQN其中0be0benEerfcP:DPSKnEerfc21P:BPSK2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院624.3.2 QPSKn四进制四进制PSK，也称为正交相移键控，也称为正交相移键控由于在一个调制码元中传输两个比特，四相相移由于在一个调制码元中传输两个比特，四相相移键控（键控（QPSK）比）比BPSK的带宽效率的带宽效率高一倍高一倍。

39、载波的相位为四个间隔相等的值，每个相位值都载波的相位为四个间隔相等的值，每个相位值都与惟一的信息比特组相对应，因此这种调制也称与惟一的信息比特组相对应，因此这种调制也称四相相移键控。四相相移键控。这个码元状态集的这个码元状态集的QPSK信号可定义为信号可定义为 )2sin(2) 1isin(2)2cos(2) 1icos(2)(tfTEtfTEtScSScSSQPSK2) 1i ()2coscos(2)(tfTEtScSSQPSK2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院634.3.2 QPSKn QPSK是两个相互正交的是两个相互正交的BPSK之和。它的码元经之和。它的码元经串并转换后分

40、为两个支路，每个支路的码元宽度串并转换后分为两个支路，每个支路的码元宽度为原码元宽度为原码元宽度Tb的两倍。的两倍。QPSK发射机的框图 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n四相调制也分绝对调相和相对调相。四相调制也分绝对调相和相对调相。绝对调相：绝对调相：载波起始载波起始相位与双比特码之间有相位与双比特码之间有一种固定的对应关系。一种固定的对应关系。相对调相：相对调相：载波的起载波的起始相位与双比特码之间始相位与双比特码之间没有固定的对应关系，没有固定的对应关系，它是以前一时刻双比特它是以前一时刻双比特码对应的相对调相的载码对应的相对调相的载波相位为参考而确定的。波相位为参考而确

41、定的。( (a) )基带信号；(b)绝对调相信号；( (c) )相对调相信号4.3.2 QPSK642016/4/16华南理工大学广州学院电信学院654.3.2 QPSKnQPSK信号可以用有四个点的二维星座图信号可以用有四个点的二维星座图所示。对这个星座进行简单的旋转之后的所示。对这个星座进行简单的旋转之后的星座仍然可以表示星座仍然可以表示QPSK信号的集合。信号的集合。 (a) /2调制方式相位图0，/2，3/2的QPSK星座(b) /4调制方式相位图/4，3/4，5/4和7/4的QPSK星座 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院664.3.2 QPSKn在加性高斯白噪声（在加性

42、高斯白噪声（AWGN）信道中）信道中QPSK信号的平均比特差错概率为信号的平均比特差错概率为 nQPSK的比特差错概率与的比特差错概率与BPSK相等，但在同相等，但在同样的带宽内传输了两倍的数据。这样与样的带宽内传输了两倍的数据。这样与BPSK相比，相比，QPSK在同样的能量效率情况下，提在同样的能量效率情况下，提供了两倍的频谱效率。供了两倍的频谱效率。 be,QPSK02EPQN2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院674.3.2 QPSKn当用矩形脉冲时，当用矩形脉冲时，QPSK信号可表示为信号可表示为 nQPSK信号的功率谱密度可用与信号的功率谱密度可用与BPSK类似的类似的方法

43、得到方法得到22cscsQPSKcscs22cbcbbcbcbsin ()sin ()( )2()()sin ()sin () ()()sEff Tff TPfff Tff Tff Tff TEff Tff T 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院684.3.2 QPSKn QPSK信号在当用矩形和升余弦滤波脉冲时的信号在当用矩形和升余弦滤波脉冲时的功率功率谱密度。谱密度。 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院694.3.3 OQPSK nQPSK调制信号具有恒包络特性调制信号具有恒包络特性。n相位突变：相位突变：QPSK在其码元交替处的载波相在其码元交替处的载波相位往往发

44、生突变，当相邻的两个码元现时转位往往发生突变，当相邻的两个码元现时转换时会产生换时会产生180。的相位跃变。的相位跃变。n影响：使调相波的包络上出现零点，引起较影响：使调相波的包络上出现零点，引起较大的包络起伏，其信号功率将产生很强的旁大的包络起伏，其信号功率将产生很强的旁瓣分量。瓣分量。n解决办法：抑制已调相波相位变化路径特性，解决办法：抑制已调相波相位变化路径特性，使码元转换时刻已调相波相位变化连续匀滑。使码元转换时刻已调相波相位变化连续匀滑。n交错交错QPSK（OQPSK）。）。 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院704.3.3 OQPSK n在在QPSK信号中，奇比特流和偶

45、比特流的比信号中，奇比特流和偶比特流的比特同时跳变特同时跳变n在在OQPSK信号中，偶比特流和奇比特流，将信号中，偶比特流和奇比特流，将它们的跳变时序错开一比特（即半个码元周它们的跳变时序错开一比特（即半个码元周期）。期）。nOQPSK先对输入数据作串并变换，再使其错先对输入数据作串并变换，再使其错开半个输入码元间隔，然后分别对两个正交开半个输入码元间隔，然后分别对两个正交的载波进行的载波进行BPSK调制，最后叠加成为调制，最后叠加成为OQPSK信号。信号。 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院nOQPSK和和QPSK在时间关系上的不同在时间关系上的不同输入数据流TbTs 2TbQ通

46、道OQPSKI通道4.3.3 OQPSK 71Ts 2TbQ通道 QPSKI通道2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院nOQPSK和和QPSK在相位转换上的不同在相位转换上的不同Qk1Qk1Ik110Ik1101QPSK1OQPSK4.3.3 OQPSK 722016/4/16华南理工大学广州学院电信学院734.3.3 OQPSK nOQPSK调制器中同相和正交支路时间交错调制器中同相和正交支路时间交错的波形图的波形图 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院744.3.3 OQPSK nOQPSK信号一般可以写为信号一般可以写为 n使用矩形脉冲的使用矩形脉冲的QPSK信号的功率

47、谱密度可信号的功率谱密度可以表示为以表示为 sOQPSKc0c011( )cos(2)cos(2)222IQTsm tf tmtf t22scscbOQPSKbcscbsin ()sin ()( )2()()Eff Tff TPfEff Tff T2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n调制解调原理框图调制解调原理框图4.3.3 OQPSK 752016/4/16华南理工大学广州学院电信学院764.3.3 OQPSK n在在OQPSK信号中，比特跳变（从而相位跳变）信号中，比特跳变（从而相位跳变）每每TB秒发生一次。秒发生一次。mI(t)和和mQ(t)的跳变被错开的跳变被错开了，在任意

48、给定时刻只有两个比特流中的一了，在任意给定时刻只有两个比特流中的一个改变值，发送信号的最大相移都限制在个改变值，发送信号的最大相移都限制在90 。nOQPSK信号消除了信号消除了180 相位跳变。信号带限相位跳变。信号带限不会导致信号包络经过零点。占用的频谱就不会导致信号包络经过零点。占用的频谱就显著减少，同时允许使用效率更高的显著减少，同时允许使用效率更高的RF放大放大器。器。 nOQPSK信号的频谱和信号的频谱和QPSK信号完全相同信号完全相同2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院774.3.4 /4-QPSKn /4-QPSK相移调制是一种正交相移键控技术，相移调制是一种正交相移

49、键控技术，从最大相位跳变来看，它是从最大相位跳变来看，它是OQPSK和和QPSK的折中。的折中。 /4 QPSK的相位变化限于的相位变化限于45 和和135 ，而，而QPSK是是180 ，OQPSK是是90 。因。因此，带限此，带限 /4 QPSK信号保持恒包络的性能比信号保持恒包络的性能比带限后的带限后的QPSK好，但比好，但比OQPSK更容易受包更容易受包络变化的影响。络变化的影响。 n它可以相干解调，也可以非相干解调。它可以相干解调，也可以非相干解调。n /4 QPSK采用差分编码，以便在恢复载波中采用差分编码，以便在恢复载波中存在相位模糊时，实现差分检测或相干解调。存在相位模糊时，实现

50、差分检测或相干解调。 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院784.3.4 /4-QPSKn /4 QPSK调制是限制码元转换时刻相位跳变调制是限制码元转换时刻相位跳变量的另一种调制方式。量的另一种调制方式。n /4 QPSK中已调制信号的相位被均匀分配为中已调制信号的相位被均匀分配为相距相距 /4的八个相位点。八个相位点被分成两的八个相位点。八个相位点被分成两组，已调信号的信号点从相互偏移组，已调信号的信号点从相互偏移 /4的两组的两组QPSK星座中选取。星座中选取。 n每个连续比特保证其码元间至少有一个每个连续比特保证其码元间至少有一个 /4整整数倍的相位变化，这使接收机能进行时钟

51、恢数倍的相位变化，这使接收机能进行时钟恢复和同步。复和同步。 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院794.3.4 /4-QPSKn /4 QPSK信号的星座图信号的星座图 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院804.3.4 /4-QPSKn一、信号产生一、信号产生一般/4 QPSK的发射机（调制器）框图 2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院814.3.4 /4-QPSKn输入的比特流通过一个串并转换器被分为两输入的比特流通过一个串并转换器被分为两个并行个并行数据流数据流mI和和mQ，每一个的码元速率等，每一个的码元速率等于输入比特率的一半。于输入比特率的一半。n第

52、第k个同相和正交脉冲个同相和正交脉冲Ik和和Qk在时间在时间kTt(k+1)T内，在输出端产生，并取决于它内，在输出端产生，并取决于它们前一个的值们前一个的值Ik-1和和Qk-1，以及，以及 k。nIk和和Qk表示一个码元持续时间内的矩形脉冲，表示一个码元持续时间内的矩形脉冲，其幅度如下其幅度如下 11coscossinkkkkkkIIQ11sinsincoskkkkkkQIQ1kkk2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n /4-DQPSK对对QPSK的改进的改进：最大相位最大相位跳变从跳变从降为降为3/4, ,改善了改善了频谱特性频谱特性可可采用相干和非相干解调采用相干和非相干解调

53、(QPSK只能采用相干解调只能采用相干解调）n(1) /4-DQPSK调制调制(I) /4-DQPSK的相干调制的相干调制4.3.4 /4-QPSK82/4-DQPSK 信号串串/并并变换变换差分差分相位相位编码编码LPFLPF放大cos(ct)sin(ct)+-UkVkSISq输入数据2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n (II) 数字式选择相位法数字式选择相位法 /4-DQPSK调制调制4.3.4 /4-QPSK83输出信号/4-DQPSK串串/并并转换转换编码编码电路电路延迟电路延迟电路（Tb)相位选择器相位选择器8选选1电路电路8相载波相载波发生器发生器BPF0 /4 7

54、/4SISQ Ak BkCk地址码发生器地址码发生器平方根升余平方根升余弦带通滤波弦带通滤波2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院 k：当前码元附加相位。：当前码元附加相位。 k-1：前一码元附加相位。：前一码元附加相位。k：当前码元相位跳变量。：当前码元相位跳变量。 k = k-1+ k 4.3.4 /4-QPSK84kckckcttttSsinsincoscos)cos()(2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院nUk=cos k = cos ( k-1+ k) =cos k-1cos k -sin k-1sin k nVk=sin k = sin ( k-1+ k) =s

55、in k-1cos k +cos k-1sin k 其中其中Uk-1 =cos k-1， Vk-1 =sin k-1，则，则 Uk= Uk-1 cos k - Vk-1 sin k Vk= Vk-1 cos k - Uk-1 sin k 4.3.4 /4-QPSK852016/4/16华南理工大学广州学院电信学院k4.3.4 /4-QPSK2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院86 /4-DQPSK相位跳变规则相位跳变规则 相位差相位差分编码就是输入的双比特分编码就是输入的双比特SI和和SQ的的4个状态用个状态用 4个值来表示。其相位逻辑如个值来表示。其相位逻辑如表所示。所传输的信息包

56、含在两个相邻的载波相位差之中。表所示。所传输的信息包含在两个相邻的载波相位差之中。 /4-DQPSK的相位跳变的相位跳变 可能的取值有四个可能的取值有四个Uk和和Vk可能的取值有五个可能的取值有五个由两个彼此偏移由两个彼此偏移 /4的的QPSK星座图构成星座图构成,相位的跳变总相位的跳变总是是在这两个星座图之间交替进行，跳变的路径如在这两个星座图之间交替进行，跳变的路径如图虚图虚线线所示。所示。 4.3.4 /4-QPSK2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院870,12,14 34，u为为使已调信号功率谱更加平坦，要求调制器中的使已调信号功率谱更加平坦，要求调制器中的LPF具有相位线

57、性特性、平方根升余弦频率响应，具有相位线性特性、平方根升余弦频率响应，即即 为滚降因子。为滚降因子。 设该滤波器的矩形脉冲响应函数为设该滤波器的矩形脉冲响应函数为g(t)，则，则 /4-DQPSK信号为线性调制信号为线性调制4.3.4 /4-QPSK88sssssTfTfTfTTffG21021212) 12(sin1212101| )(|tkTtgtkTtgtSckksckkssinsin)(coscos)()(2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院u升余弦滚降传输特性升余弦滚降传输特性 H( )=H0( )+H1( ) H( )是对截止频率是对截止频率 b 的理想低通的理想低通H0

58、( )按按H1( )的滚降特性进行的滚降特性进行“圆滑圆滑”得到的，得到的， H1( 对于对于 b 具有对称的幅度特性，其上、下截止角频率分具有对称的幅度特性，其上、下截止角频率分别为别为 b + 1 、 b - 1 。升余弦滚降传输特性。升余弦滚降传输特性H1( )采用余弦函数，则采用余弦函数，则4.3.4 /4-QPSK89111111|,|01|2cos12)(bbbbbbbTTH2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院相干检测相干检测差分检测差分检测鉴频检测鉴频检测 4.3.4 /4-QPSK902016/4/16华南理工大学广州学院电信学院n/4-QPSK的中频差分解调的中频差

59、分解调4.3.4 /4-QPSK91抽样得到111cos()cos22kkkkX111sin()sin22kkkkY2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院924.3.4 /4-QPSKn相移与输入码元有关，表中给出输入不同相移与输入码元有关，表中给出输入不同比特对时的载波相移比特对时的载波相移n同相和正交比特流同相和正交比特流Ik和和Qk被两个相互正交被两个相互正交的载波分别调制，产生如下所示的载波分别调制，产生如下所示 /4 QPSK波形波形 4 QPSKcc( )( )cos( )sinstI ttQ tt11ssss00( )(2)cos(2)NNkkkkI tI p tkTTp

60、 tkTT11ssss00( )(2)sin(2)NNkkkkQ tQ p tkTTp tkTT2016/4/16华南理工大学广州学院电信学院934.3.4 /4-QPSKn解调解调 /4 QPSK信号经常使用差分检测技术。信号经常使用差分检测技术。 n在在AWGN信道中，差分检测信道中，差分检测 /4 QPSK的的BER性能比性能比QPSK低低3dB，而相干解调的，而相干解调的 /4 QPSK与与QPSK有同样的误码性能。有同样的误码性能。 n各种不同种类的检测技术用于各种不同种类的检测技术用于 /4 QPSK信号信号的解调。包括基带差分检测、的解调。包括基带差分检测、IF差分检测和差分检测