3.2 调制与解调技术

*,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,3.2,调制与解调技术,学习目标,理解四相移相键控（,QPSK,）调制技术,理解,/4,移位,QPSK,（,/4,-QPSK,）调制技术,理解高斯最小移频键控（,GMSK,）技术,3.2,调制与解调技术,3.2.1,四相移相键控（,QPSK,）调制,3.2.2/4,移位,QPSK,（,/4,-QPSK,）调制,3.2.3,高斯最小移频键控（,GMSK,）,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。,3.2.1,四相移相键控（,QPSK,）调制,QPSK,技术应用广泛，是一种正交相移键控。图,3-5,为传,统,QPSK,调制器框图,.,图,3-5 QPSK,调制器,其基本工作原理如下：,比特率为,f,b,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,f,s,=,f,b,/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，之后通过频谱形成滤波器，再被同相和正交载波调制,。其中调制使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，阻止其溢出至邻信道，也可滤除调制过程中的带外寄生信号，图,3-6,为相干,QPSK,解调器框图。,图,3-6,相干,QPSK,解调器,图,3-6,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,(A,D),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,3-6,中载波恢复环路提供与接收未调信号同步的,同相正交载波。,大多数实际的载波恢复电路在恢复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,重的误比特率。,为清除相位模糊，可在调制器中使用差分编码器，在,解调器中使用差分解码器。图,3-7,给出了差分,QPSK,解调器框,图。,图,3-7,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。,假定调制器中使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，则很容易得到,QPSK,信号滤波后的频谱，如图,3-8,所示。图,3-8,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,3-8 QPSK,信号的功率谱密度,由图,3-8,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。,主要优点,:,它可使用非相干检测,(,差分检测或,FM,鉴频器,),，用低复杂,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。,同,QPSK,相比，包络起伏比较小,(,它的最大相变为,135,0,),，,故有较好的输出谱特性。,/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,3-9,。输入比特流经串,/,并,(S/P),变换器转换成两个并行流,(,a,k,，,b,k,),并行流的符号率为,输入比特流的一半。,图,3-9,/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,3-3,，该调制器的其它部分同,QPSK,调制器。,表,3-3 /4QPSK,系统相移与信息比特关系,7,/4,5,/4,3,/4,/4,相移,Q,k,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恢复的同,相和正交基带信号上进行的，如图,3-10,所示。它须使用本机,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,3-10,基带差分检测器,(2),中频差分检测：图,3-11,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，使用了,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,3-11,中频差分检测器,(3),限幅,FM,鉴频器检测：如图,3-12,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。最后，用,4-,电平门,限比较器检测输出相位差。,图,3-12,限幅,FM,鉴频检测器,若存在同波道干扰和高斯噪声时，可通过适当选取电路,元器件，使以上三种方案的性能相同。,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,可用简单高效的,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,3-13,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,3-13,MSK,调制器,GMSK,调制器的一个简单实现方法就是用带调制前加高,斯成形,LPF,，用,VCO,来实现，如图,3-14,所示，由图可见，,VCO,输出已调波的频谱由,LPF,的特性来决定，,LPF,的输出直接对,VCO,调频，以保持已调波包络恒定和相位连续。,图,3-14,GMSK,调制器,为滤波器,3dB,带宽，,（式,3-5,）,LPF,的脉冲响应函数为,式中,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,化为,/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,3-15,PLL,型,GMSK,调制器,GMSK,的解调可采用类似于,MSK,方式的正交相干解调技术,，也可使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),采用了的,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,。,