调制与解调技术资料优秀PPT

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3.2,调制与解调技术,四相移相键控,(QPSK),调制,/4,移位,QPSK(,/4-QPSK),调制,高斯最小频移键控,(GMSK),调制,多进制正交振幅调制（,MQAM,）,调制解调技术的宗旨是为了使通信系统的抗干扰、抗衰落性能得到提高并使频率资源得到更充分的利用。,一般在通信系统的发端进行调制，调制后的信号称为已调信号。,解调制或解调，接收机端要将已调信号还原成要传输的原始信号。,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（即功率的有效性），从而提升抗干扰实力；,(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。,四相移相键控,(QPSK),调制,QPSK,技术应用广泛，是一种正交相移键控。,图,3-6,为传统,QPSK,调制器框图，其基本工作原理如下：,图,3-6,QPSK,调制器,比特率为fb的输入单级二进制码流通过串/并(S/P)变转换器转换成比特率为fs=fb/2的两个比特流(同相和正交码流)。单双(U/B)变换器把两个比特流变换成两个双极二进制信号，之后通过频谱成形滤波器，再被同相和正交载波调制。其中调制运用了双边带载波抑制幅度调制(DSS-SC-AM)技术。两个已调信号合成产生一个QPSK信号。QPSK信号在调制器输出端滤波以进一步限制其功率谱，阻挡其溢出至邻信道，也可滤除调制过程中的带外寄生信号。,图3-7为相干QPSK解调器框图。输入带通滤波器滤除带外噪声和邻道干扰，滤波器输出端信号分成两部分，分别用同相和正交载波相干解调，之后两路信号通过低通滤波、1比特模拟数字(AD)转换器再生出同相和正交基带信号。这两个信号流通过一个并/串(P/S)变换器再组合形成最初的比特流。图3-7中载波复原环路供应与接收未调信号同步的同相正交载波。,图,3-7,相干,QPSK,解调器,大多数实际的载波复原电路在复原载波过程中将产生一个相位模糊度。对QPSK系统很可能出现四相位模糊，产生严峻的误比特率。为清除相位模糊，可在调制器中运用差分编码器，在解调器中运用差分解码器。图3-8给出了差分QPSK解调器框图。,图,3-8,QPSK,差分解调器框图,一个未滤波,QPSK,信号的功率谱密度为,式中,C,为通过电阻的归一化平均信号功率，,（式,3-1,）,为比特持续时间。,假定调制器中运用了具有升余弦函数均方根特性、滚降系数为(最佳特性时)的频谱成形滤波器，则很简洁得到QPSK信号滤波后的频谱，如图3-9所示。图3-9中曲线(a)是未滤波QPSK频谱，曲线(b)是带幅度均衡器的滚降系数为的升余弦函数的幅度响应，曲线(c)是已滤波QPSK频谱只存在加性高斯白噪声(AWGN)，且无符号间干扰(ISI)时的幅度响应。,图,3-9,QPSK,信号的功率谱密度,由图,3-9,可知,QPSK,信号带宽为,故谱效率为,（式,3-2,）,可见，最小带宽情况，即,时，,QPSK,系统的理论谱效率为,2bit/s/Hz,。目前的技术可使实际滤波器的滚降系数降到,，则谱效率实际可达,17bit/s/Hz,左右。,3.2.2,/4,移位,QPSK(,/4-QPSK),调制,/4移位QPSK技术是在QPSK基础上通过载波相位移动/4和3/4得到的。该调制方案的主要优点是它可运用非相干检测（差分检测或FM鉴频器），用低困难性的接收机就可完成。而且，当存在多径衰落时，它的工作性能优。/4移位QPSK的另一个优点是同QPSK相比，包络起伏比较小（它的最大相变为1350），故有较好的输出谱特性。日本和美国的其次代蜂窝数字移动无线系统都选用了该调制方案。,/4,移位,QPSK,的信号元素可看成是从两个彼此相移,/4,的信号星座图中交替选样出来的。,/4,移位,QPSK,调制器框图示于图,3-10,。,图,3-10,/4,移位,QPSK,和,/4CTPSK,调制器,信号映射电路输出端的第,k,个同相和正交脉冲由它的前一个脉冲电平,I,k-1,、,Q,k-1,及输入符号,a,k,、,b,k,决定。,（式,3-3,）,（式,3-4,）,而,a,k,、,b,k,反过来与已调信号的相位变化有关，如表,3-4,，该调制器的其它部分同,QPSK,调制器。,表,3-4 /4QPSK,系统相移与信息比特关系,7,/4,5,/4,3,/4,/4,相移,1 0,1 1,0 1,0 0,信息比特,a,k,b,k,/4移位QPSK的解调可用下面差分检测方法之一实现。,(1)基带差分检测：该方法的差分解码是在已复原的同相和正交基带信号上进行的，如图3-11所示。它须运用本机振荡器，但不需相位相干检测因为相位误差已在基带差分检测中去掉。,图,3-11,基带差分检测器,(2)中频差分检测：图3-12为/4移位QPSK中频差分检测器框图。差分解码是在接收的中频信号上完成的，运用了一个延迟线和两个乘法器。该方案的优点是不需本机振荡器。为使符号间干扰和噪声影响减至最小，其中BPF和LPF的带宽选为0.57/T。,图,3-12,中频差分检测器,(3)限幅FM鉴频器检测：如图3-13所示。FM鉴频器提取接收信号的瞬时频偏。积分-泄放电路对每一符号持续期上的频偏积分，积分取两个抽样瞬相位差。最终，用4-电平门限比较器检测输出相位差。,图,3-13,限幅,FM,鉴频检测器,美国数字蜂窝移动通信系统（IS-54）接受的是滚降系数 a0.35的/4移位QPSK调制方案，该系统突发传输信号比特率为48.6kbit/s，信道带宽为30kHz，谱效率为1.62bit/s/Hz。日本的系统接受的是滚降因子a=0.5的/4移位QPSK技术，其突发传输比特率和实际信道带宽分别为42Kbit/s和25kHz，带宽效率为1.68bit/s/Hz。,3.2.3,高斯最小移频键控,(GMSK),GMSK是一种恒包络调制方案，其优点是能在保持谱效率的同时维持相应的同波道和邻波道干扰，且包络恒定，所以可用简洁高效的C类放大器实现。GMSK的基本原理是基带信号先经过高斯滤波器成形，再进行最小移频键控调制（MSK）。MSK是二进制连续相位移频键控（FSK）的一个特例，而GMSK主要是改进了它的带外特性，使其衰减速度加快。MSK调制器可用压控振荡器（VCO）或正交形式实现，如图3-14所示，解调器可用相干检测实现，也可用非相干检测实现，如一比特差分检测和二比特差分检测等。,图,3-14,MSK,调制器,GMSK调制器的一个简洁实现方法就是用带调制前加高斯成形LPF，用VCO来实现，如图3-15所示。由图可见，VCO输出已调波的频谱由LPF的特性来确定，LPF的输出干脆对VCO调频，以保持已调波包络恒定和相位连续。LPF的脉冲响应函数为,图,3-15,GMSK,调制器,LPF,的脉冲响应函数为,（式,3-5,）,式中,为滤波器,3dB,带宽，,为比特持续时间。,然而，由于VCO的线性和灵敏度受到限制，要使中心频率精确地保持在规定值上，是很困难的。为克服此缺点，可选用锁相环(PLL)型GMSK调制器，如图3-15所示，其中/2相移BPSK调制器确保每个码元的相位变更为 /2，锁相环对BPSK的相位突跳进行平滑，以使码元转换点相位连续，且无尖角。该调制器的关键是要设计好PLL的传输函数，以满足输出功率谱特性的要求。,图,3-16,PLL,型,GMSK,调制器,GMSK的解调可接受类似于MSK方式的正交相干解调技术，也可运用非相干检测解调技术，如差分解调和鉴频器解调等。泛欧数字蜂窝移动通信系统(GSM)接受了的GMSK调制。该系统突发信号速率为270Kbit/s,带宽为200KHz,带宽效率为1.356bit/s/Hz。,3.2.4,多进制正交振幅调制（,MQAM,）,单独运用振幅或相位携带信息时，不能最充分地利用信号平面，这可以由矢量图中信号矢量端点的分布直观视察到。多进制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布；多进制相位调制时，矢量端点在一个圆上分布。随着进制数M的增大，这些矢量端点之间的最小距离也随之削减。但假如充分地利用整个平面，将矢量端点重新合理地分布，则有可能在不减小最小距离的状况下，增加信号矢量的端点数目。基于上述概念可以引出振幅与相位相结合的调制方式，这种方式常称为数字复合调制方式。一般的复合调制称为幅相键控（APK），两个正交载波幅相键控称为正交振幅调制（QAM）。,1.QAM,信号的时域表示,APK是指载波的幅度和相位两个参量同时受基带信号的限制，APK信号一般表示式为,（式,3-6,）,式中，,a,n,是基带信号第,n,个码元的幅度，,n,是第个码元信号的初始相位，,g(t),是幅度为,1,宽度为,T,b,的单个矩形脉冲。,利用三角公式将上式进一步绽开，得到信号的表达式,（式,3-7,）,令,（式,3-8,）,式中，A是固定的振幅，（cn，dn）由输入数据确定。（cn，dn）确定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。将（式3-8）带入（式3-7）有：,（式,3-9,）,可见，QAM信号是由两路相互正交的载波叠加而成的，两路载波分别被两组离散振幅mI（t）和,mQ（t）所调制，故称正交振幅调制。通常，称为同相重量，称为正交重量。当进行M进制的正交振幅调制时，可记为MQAM。,2,星座图,通常，把信号矢量端点分布图称为星座图，用来描述信号空间分布状态。,图,3-17 16QAM,的星座图,若信号点之间的最小距离为2A，且全部信号点等概率出现，则平均放射信号功率为,（式,3-10,）,对于方型,16QAM,，信号平均功率为,（式,3-11,）,对于星型,16QAM,，信号平均功率为,（式,3-12,）,两者功率相差,1.4dB,。另外，两者的星座结构也有重要的差别。一是星型,16QAM,只有两个振幅值，而方型,16QAM,有三种振幅值；二是星型,16QAM,只有,8,种相位值，而方型,16QAM,有,12,种相位值。这两点使得在衰落信道中，星型,16QAM,比方型,16QAM,更具有吸引力。,若已调信号的最大幅度为,1,，则,MPSK,信号星座图上信号点间的最小距离为,（式,3-13,）,（式,3-14,）,而,MQAM,信号矩形星座图上星座上信号点间的最小距离为,3 MQAM,的调制与解调,（1）MQAM的调制,下图3-18给出了MQAM的调制原理框图。输入的二进制序列经过串/并转换器后输出速率减半的两路并行序列，分别经过2到电平的变换，形成电平的基带信号和。为了抑制已调信号的带外辐射，和须要经过预调低通滤波器，再分别与同相载波和正交载波相乘，最终将两路信号相加即可得到MQAM信号。,图,3-18 MQAM,的调制原理框图,（2）MQAM的解调,MQAM信号同样可以接受正交相干解调方法，其解调原理如下图3-19所示。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测。,图,3-19 MQAM,的解调原理框图,解调器输入信号与本地复原的两个正交载波相乘后，经过低通滤波输出两路多电平基带信号mI(t)和mQ（t）。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测，再经过L到2电平转换和并/串转换器最终输出二进制数据。,