1、第第9章章 现代数字调制技术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：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。）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）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。能压缩信号占用带宽，同样也能提高频带
2、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）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。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）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
3、路径传输来的信号的叠加。由于多条信道之间在距离、信道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。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。）综合考虑系统的复杂程度、实现难度和成本等。9.1 偏移四相相移键控偏移四相相移键控9.1.1 QPSK信号的缺点信号的缺点v理
4、想方波信号带宽无限，带限信号引起包络起伏；理想方波信号带宽无限，带限信号引起包络起伏；v当信号发生相位跳变时，会造成包络起伏；当信号发生相位跳变时，会造成包络起伏；vQPSK的相位星座存在的相位星座存在180度的跳变，造成零包络。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（偏移四相相移键控（OQPSK）的特点）的特点v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。移键控。v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，其用两路二进
5、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，其表达式为表达式为v因为码元周期，故而不会出现因为码元周期，故而不会出现“对角线对角线”的跳变，而是沿着四边变化，从而的跳变，而是沿着四边变化，从而抑止了零包络现象。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9.2/4 四相相移键控四相相移键控 9.2.1/4 四相相移键控的概念和表达式四相相移键控的概念和表达式v/4 四相相移键控在四相相移键控在QPSK基础上发展而来。基础上发展而来。v轮流采用两组，每组四个相位来表示四个码元值。轮流采用两组，每组四个相位来表示四个码元值。v两组相位彼此之间错开两组相位彼此之
6、间错开45。v相对相对QPSK的相位变化可能为的相位变化可能为0，90，180；/4QPSK的相位变化的相位变化可能为可能为45，135。v/4 QPSK在保持恒包络方面的性能，介于在保持恒包络方面的性能，介于QPSK和和OQPSK之间。之间。/4 四相相移键控的星座图9.2.2/4四相相移键控的调制和解调性能四相相移键控的调制和解调性能v全数字调制电路。全数字调制电路。v可以相干解调，也可以非相干解调。可以相干解调，也可以非相干解调。v消除了消除了QOSK的零包络，系统又比的零包络，系统又比OQPSK简单。简单。v相关解调抗噪声性能与相关解调抗噪声性能与QPSK相等，非相干解调误码率增加约相
7、等，非相干解调误码率增加约2dB但系统大但系统大大简化。大简化。v频谱特性好，抗干扰能力强，多用于数字移动通信。频谱特性好，抗干扰能力强，多用于数字移动通信。全数字/4 四相相移键控调制电路9.3 最小频移键控最小频移键控9.3.1 最小频移键控（最小频移键控（MSK）的概念）的概念9.3.2 MSK信号的正交性和相位连续性信号的正交性和相位连续性MSK相位网格9.3.3 MSK的产生和解调模型的产生和解调模型MSK相干解调9.3.4 高斯最小频移键控（高斯最小频移键控（GMSK）GMSK信号产生原理9.4 幅相键控幅相键控9.4.1 幅相键控（幅相键控（APK）的概念）的概念v将幅度调制和相
8、位调制结合起来，以增大信息传输率。将幅度调制和相位调制结合起来，以增大信息传输率。v同时对载波信号的幅度和相位进行调制。同时对载波信号的幅度和相位进行调制。v可以用两路正交的幅度调制信号来表示，故又称正交幅度调制（可以用两路正交的幅度调制信号来表示，故又称正交幅度调制（QAM）。）。9.4.2 幅相键控的矢量表示幅相键控的矢量表示vAPK的星作图表示：方型和星型。的星作图表示：方型和星型。v方型的实现较为简单，而星型的抗多径干扰较强。方型的实现较为简单，而星型的抗多径干扰较强。v16APK通信比通信比16PSK通信和通信和16ASK通信有优势。通信有优势。9.4.3 幅相键控的调制与解调幅相键
9、控的调制与解调v调制：数据信号经串并分路，电平变换，形成两路基带信号，通过预调制低调制：数据信号经串并分路，电平变换，形成两路基带信号，通过预调制低通滤波器进行带限处理。之后通滤波器进行带限处理。之后X(t)和和Y(t)分别与同相正交载波相乘，最后叠加。分别与同相正交载波相乘，最后叠加。APK信号调制模型vAPK信号可用正交相干解调。输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经信号可用正交相干解调。输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波器输出两路基带信号过低通滤波器输出两路基带信号X(t)和和Y(t)。对基带信号。对基带信号X(t)和和Y(t)进行判决，再进行判决，再经过电平转换，
10、由并经过电平转换，由并/串联变换器恢复出二进制数据。串联变换器恢复出二进制数据。APK的相干解调模型vAPK信号的频带利用率高，抗干扰能力强，故而在中、大容量数字微波通信信号的频带利用率高，抗干扰能力强，故而在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络和卫星通信等领域都得到了广泛的应用。系统、有线电视网络和卫星通信等领域都得到了广泛的应用。9.5 多载波调制和正交频分复用多载波调制和正交频分复用9.5.1 多载波调制原理多载波调制原理v高码元速率，大带宽的数字信号在通信中的不利之处。高码元速率，大带宽的数字信号在通信中的不利之处。v多载波调制：将高速数据流分成多路低速数据流，每一路带宽和速率都下
11、降。多载波调制：将高速数据流分成多路低速数据流，每一路带宽和速率都下降。v多载波调制好处：（多载波调制好处：（1）在信号调制解调的实现难度降低。（）在信号调制解调的实现难度降低。（2）每一路低速）每一路低速信号码元周期较大，信号时延影响就小了。（信号码元周期较大，信号时延影响就小了。（3）由于每一路信号的带宽变）由于每一路信号的带宽变窄，使信道频率选择性衰落的危害减小。（窄，使信道频率选择性衰落的危害减小。（4）针对信道各频段的质量不同，）针对信道各频段的质量不同，多载波调制还可采用动态比特分配。多载波调制还可采用动态比特分配。v普通频分复用，即是多载波调制形式之一。但其不能节省带宽资源。普通
12、频分复用，即是多载波调制形式之一。但其不能节省带宽资源。多载波调制原理9.5.2 正交频分复用正交频分复用(OFDM)OFDM的调制和解调模型9.6 扩频通信扩频通信9.6.1 扩频通信（扩频通信（SS）概念）概念v香农公式香农公式v通过扩大信号的频率带宽，来改善信噪比，或其它方面的性能通过扩大信号的频率带宽，来改善信噪比，或其它方面的性能v扩频通信的两个条件扩频通信的两个条件（1）s(t)带宽远远大于带宽远远大于f(t)带宽，且信号带宽与信息无带宽，且信号带宽与信息无关。关。（2）f(t)与另一个数字信号与另一个数字信号m(t)运算，生成带宽大的多的运算，生成带宽大的多的g(t)，然后对，然
13、后对g(t)进行载进行载波调制获得波调制获得SS信号。其中，信号。其中，m(t)称为扩展信号或扩频码。称为扩展信号或扩频码。v扩频通信解调：接收到扩频通信解调：接收到SS信号后，通过本地的信号后，通过本地的m(t)和载波，恢复和载波，恢复f(t)/1(log2NSBC扩频通信模型9.6.2 扩频通信的类型扩频通信的类型v扩频通信主要分直接序列（扩频通信主要分直接序列（DS）扩频，跳频（）扩频，跳频（FH），跳时（），跳时（TH），线性调），线性调频（频（Chrip）等。）等。v直接序列扩频，直接序列扩频，m(t)为双极性二进制码。为双极性二进制码。f(t)，m(t)与载波相乘得到与载波相乘得到
14、DS信号。信号。v解调：接收信号通过本地载波和低通滤波器，再与扩展信号解调：接收信号通过本地载波和低通滤波器，再与扩展信号m(t)相乘。相乘。v也可采用模二加法来进行调制与解调。也可采用模二加法来进行调制与解调。直接序列扩频的调制直接序列扩频的解调v跳频通信跳频通信：普通的普通的PSK或或FSK信号再由信号再由m(t)作用使之在作用使之在M个频率之间变化，个频率之间变化，M可能为数十乃至上千。接收方用同一套可能为数十乃至上千。接收方用同一套m(t)提取信号后解调。保密性很好。提取信号后解调。保密性很好。跳频通信的发射和接收模型v跳频通信：码元周期被分为很窄的时隙，由跳频通信：码元周期被分为很窄
15、的时隙，由m(t)确定哪个时隙传输信息。单独确定哪个时隙传输信息。单独的跳时通信抗干扰能力不强，常和其它方式综合使用。的跳时通信抗干扰能力不强，常和其它方式综合使用。v线性调频：一个脉冲周期内，发射信号的载波频率做线性变化。线性调频：一个脉冲周期内，发射信号的载波频率做线性变化。v实用中常常联合使用，形成混合系统。实用中常常联合使用，形成混合系统。9.6.3 扩频通信的性能和应用扩频通信的性能和应用v（1）抗干扰能力强。通过信号频谱扩展，提高破坏和压制通信的难度。这）抗干扰能力强。通过信号频谱扩展，提高破坏和压制通信的难度。这在现代战争中的价值是不言而喻的。在现代战争中的价值是不言而喻的。v（
16、2）扩频通信信息隐蔽。只有掌握）扩频通信信息隐蔽。只有掌握m(t)序列的人才能解调出信号，而序列的人才能解调出信号，而m(t)编编码可由通信双方约定经常更换，提高信息的保密程度。码可由通信双方约定经常更换，提高信息的保密程度。v（3）在公用通信信道中，对不同的用户，采用彼此正交的）在公用通信信道中，对不同的用户，采用彼此正交的m(t)码元序列作为码元序列作为地址，这样公共用户可以共享信道，实现选择地址。地址，这样公共用户可以共享信道，实现选择地址。v（4）扩频通信频谱很宽，功率谱密度微弱，能与传统调制方式互不干扰地）扩频通信频谱很宽，功率谱密度微弱，能与传统调制方式互不干扰地共用频段。共用频段
17、。v（5）某些频段的信道恶化时，对扩频通信而言，只是使其信号的部分发生）某些频段的信道恶化时，对扩频通信而言，只是使其信号的部分发生衰落。因此扩频通信抗衰落能力强，信息传输可靠性提高。衰落。因此扩频通信抗衰落能力强，信息传输可靠性提高。v扩频通信除了应用于军事通信领域，还在遥测系统、个人计算机扩频通信除了应用于军事通信领域，还在遥测系统、个人计算机的无线局域网、无线火灾安全系统和移动电话蜂窝系统等方面得的无线局域网、无线火灾安全系统和移动电话蜂窝系统等方面得到应用。到应用。本章小结v最小频移键控是一种特殊的最小频移键控是一种特殊的FSK信号，比一信号，比一般的般的FSK和和PSK、ASK更节省带宽，功率谱更节省带宽，功率谱也更集中。也更集中。v幅相键控是结合幅度监控和相移键控而发展幅相键控是结合幅度监控和相移键控而发展的调制方式。的调制方式。
