1、第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 第第6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.1 概述概述 6.2 模拟调频（模拟调频（FM）和数字频率调制（）和数字频率调制（FSK）6.3 数字相位调制数字相位调制 6.4 最小移频键控（最小移频键控（MSK）调制）调制 6.5 高斯滤波最小移频键控（高斯滤波最小移频键控（GMSK）调制）调制 6.6 数字信号调制系统的误码率性能数字信号调制系统的误码率性能 6.7 正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）习题习题 第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.
2、1 概概 述述 6.1.1 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有以下几方面的要求。(1)数字调制的目的在于使传输的数字信号与信道特性相匹配。不同类型的信道特性，将使用不同的调制技术。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 (2)移动通信要求采用恒定包络数字调制技术。(3)应尽量避免AM/PM(幅-相转换)效应。(4)要求调制方式具有最小的功率谱占用率，即已调波具有快速高频滚降的频谱特性，或者说已调波除主瓣以外，只有很小的旁瓣，甚至几乎没有旁瓣。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 具体地讲，
3、数字调制技术应满足如下特性要求：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(C/N)和载干比(C/I)性能。所用的调制技术必须在规定频带约束内提供高的传输效率(以(b/s)Hz-1为单位)。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(-60-70 dB)。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 恒定包络。低的载波与同道干扰(CCI)的功率比。必须满足快速的比特再同步要求。成本低，易于实现。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.1.2 数字调制技术分类 数字调制技术可按以下几方面进行分类。(
4、1)按基带数字信号对载波的振幅、频率和相位不同参数所进行的调制，可分为ASK、FSK和PSK。也有同时改变载波振幅和相位的调制技术，如正交调幅(QAM)。(2)目前，数字蜂窝通信系统调制技术，主要有两大类：第一类是连续相位调制技术，其射频已调波信号具有恒定包络的特性，即恒定包络调制技术。第二类是线性调制技术。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 (3)相位路径或相位轨迹。载波相位变化值是一个随时间变化的函数，记作(t)。通常把相位路径分为两大类，即连续相位路径和非连续相位路径。数字调制的分类见图6-1所示。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动
5、通信用调制、解调技术 图 6-1 数字调制的分类 TFM(平滑调频)非线性连续相位路径数字调制GMSK(高斯型MSK)非线性连续相位路径数字调制MSK(最小频移键控)线性连续相位路径数字调制CPM(连续相位调制)QPSK(正交四相移相键控)DQPSK(相对QPSK)OQPSK(参差QPSK)DPSK(相对移相键控)BPSK(二进制移相键控)MFSK(多进制移频键控)BFSK(二进制移频键控)PSK(移相键控非连续相位路径数字调制)FSK(移频键控)恒定包络MQAM(星座调制)不恒定包络QAM(正交幅度调制)ASK(幅度键控)数字调制4QPSK第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动
6、通信用调制、解调技术 6.1.3 数字调制信号所需的传输带宽 数字调制信号所需的传输带宽可表示为brrB 式中rb为语音编码比特率，为调制制式的传输效率(以(b/s)Hz-1为单位)。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 设频道间隔为F，收、发信机的频率偏差(即频率稳定度)为f，则频道间隔需满足frFb2(6-1)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 由式(6-1)可见，在频道间隔受限的条件下，要实现移动通信中的数字语音传输，应该：降低语音编码的比特率；提高振荡器的稳定度和准确度；提高调制技术的传输效率。第第6 6章章 蜂
7、窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.1.4 有关QPSK调制技术的说明 四相移相键控(QPSK)是一种误码性能优良、信号频谱主瓣也很窄的调制技术，它的缺点是频谱的旁瓣较大，不能满足移动通信的要求。为了减少旁瓣对邻道的干扰，可以设想用滤波器将旁瓣滤除，但这又必然导致信号包络发生起伏。发信机中的功率放大器通常都是非线性的，滤除了旁瓣的包络起伏的信号经过非线性放大之后，它的频谱又将被扩散开来，生成新的旁瓣，这就是AM/PM效应。解决上述问题的途径有二：一是减少已调信号在码元转换时刻的相位跳变量。二是提高功率放大器的线性动态范围。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝
8、移动通信用调制、解调技术 6.2 模拟调频模拟调频(FM)和数字频率调制和数字频率调制(FSK)6.2.1 模拟调频(FM)1.调频信号的产生 设载波信号为 u(t)=Uc cos(ct+0)调频和调相信号可写成一般形式 u(t)=Uc cosct+(t)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 设调制信号为um(t)，则调频信号的瞬时角频率与输入信号的关系为tmfmidukttukdttd0)()()()(因而调频信号的形式为tUtuduktUtummtmfccFMcos)()(cos)(0第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技
9、术 mmfffccFMUkmtmtUtusincos)(式中，mf为调制指数。(6-2)(6-3)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 2.FM信号的频谱 将式(6-2)展开成级数得 uFM(t)=UcJ0(mf)sinct +J1(mf)sin(c+)t-J1(mf)sin(c-)t +J2(mf)sin(c+2)t-J2(mf)sin(c-2)t +(6-4)式中，Jk(mf)为k阶第一类贝塞尔函数 02)!1(!)2/()1()(jkjfjfkkjmmJ第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6 2 FM信号的频谱
10、(m=2)振幅UcUc/20J1(mf)J0(mf)J2(mf)J1(mf)J2(mf)c2B 2(mf 1)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 3.FM信号的带宽 若以90能量所包括的谱线宽度(以载频为中心)作为调频信号的带宽，则可以证明调频信号的带宽为 B=2(mf+1)Fm=2(fm+Fm)(6-5)若以99能量计算，则调频信号的带宽为mffFmmB)1(2(6-6)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 4.FM信号解调和解调增益 FM信号的产生可以用压控振荡器(VCO)直接调频，也可以将调制信号积分后送入调相器进
11、行“间接调频”。FM信号解调可采用鉴频器或锁相环鉴频。在接收端，输入的高斯白噪声(其双边功率谱密度为N02)和信号一起通过带宽B=2(mf+1)Fm 的前置放大器，经限幅后送入到鉴频器，再经低通滤波后得到所需的信号。在限幅器前，信号加噪声可表示为第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 r(t)=uFM(t)+n(t)=Uc cosct+(t)+xc(t)cos(ct)-yc(t)sin(ct)=U ccosct+(t)+V(t)cosct+(t)=Uccos(t)(6-7)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 式中，Uc(t
12、)经限幅器限幅后将为一常量，而)()(cos)()()(sin)(arctan)()(tttVUtttVttcc(6-8)在大信噪比情况下，即UcV(t)，有 ccccUtyttttUtVttt)()()()(sin)()()(第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 鉴频器的输出为 dttdyUtukdttdyUdttddttdtucmfccout)(1)()(1)()()(第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 5.FM信号解调的门限效应 在小信噪比情况下，即UcV(t)，由式(6-8)得)()(sin)()()()(ttU
13、tVtttcc第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 此时没有单独的信号项存在，解调器的输出几乎完全由噪声决定。也就是说有用信号已被噪声淹没，使得解调器的性能恶化，引起了所谓的“门限效应”。FM解调器的性能及门限效应如图6-3所示。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-3 FM解调器的性能及门限效应 SinNindB门限AM同步检波FMSoutNoutdB0第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.2.2 二进制移频键控调制(FSK)1.2FSK信号的产生 2FSK信号的产生一般有
14、两种方法：频率选择法和载波调频法。前者产生相位离散的2FSK信号，后者产生相位连续的2FSK信号。设输入到调制器的比特流为an，an=1，n=-+。FSK的输出信号形式(第n个比特区间)为nsnnsntnTtgbtnTtgbts)cos()()cos()()(2211第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 式中，g(t)是宽度为Ts的矩形脉冲，系数 1,1,101,1,01nnnnnnaabaab第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 2.FSK信号的功率谱和信号带宽 令g(t)频谱为G()，an取+1和-1的概率相等，则s(
15、t)的功率谱表达式为)()(|)0(|161|)(|)(|161)()(|)0(|161|)(|)(|161)(2222222211222121ffffGfffGffGfffffGfffGffGffPsssss第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-4 2FSK信号的功率谱0f1 fsf1f0f2f2 fsf2 f1f0(f1 f2)/2Ps(f)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 3.FSK信号的解调和误码率(Pe)2FSK信号可采用包络检波法、相干解调法和非相干解调法等方法解调。通常使用相干解调法，2FSK相位
16、连续时，可采用鉴频器解调。相干解调的框图如图6-5所示。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-5 2FSK的相干解调框图 cos(1t1)带通滤波器输入带通滤波器相乘器相乘器y1(t)y2(t)12cos(2t2)低通滤波器低通滤波器比较判决输出定时脉冲x1(t)x2(t)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 设图6-5中两个带通滤波器的输出分别为y1(t)和y2(t)。它们包括有用信号分量和噪声分量。设噪声分量为加性窄带高斯噪声。可分别表示为：1支路 nc1(t)cos(1t+1)-ns1(t)sin(1t+1)
17、2支路 nc2(t)cos(2t+2)-ns2(t)sin(2t+2)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 发“+1”时，y1(t)=a cos(1t+1)+nc1(t)cos(1t+1)-ns1(t)sin(1t+1)y2(t)=nc2(t)cos(2t+2)-ns2(t)sin(2t+2)发“-1”时，y1(t)=nc1(t)cos(1t+1)-ns1(t)sin(1t+1)y2(t)=a cos(2t+2)+nc2(t)cos(2t+2)-ns2(t)sin(2t+2)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 经过相乘器
18、和低通滤波后的输出有：发“+1”时：x1(t)=a+nc1(t)x2(t)=nc2(t)发“-1”时x1(t)=nc1(t)x2(t)=a+nc2(t)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.3 数字相位调制数字相位调制 6.3.1 二进制移相键控调制(2PSK)设输入二进制序列为an，an=1，n=-+，则2PSK的信号形式为tAtAtscccoscos)(an=+1)(an=-1)nTbt(n+1)Tb第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 s(t)还可以表示为 21coscos)(nccnatAtAatsnTbt2)
19、来说，FSK信号实质上相当于由两载频不同的振幅键控ASK信号所组成，其载频分别是fc+fd和fc-fd。而且当2fd=mrb(m是整数)时，FSK信号功率谱密度出现离散频率的正弦分量。图6-12(b)示出h=1，即2fd=rb时，曲线的双峰变成了两条线状谱，它在fc+(0.5)rb和fc-(0.5)rb 处出现离散频率分量。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-12 FSK信号的功率谱密度(a)调制指数h=0.5,0.7,1.5时；(b)调制指数h=1时 fc rbfc0.5 rbfcfc0.5 rbfc rbfw(f)h1(a)(b)fc1.5 r
20、bfc rbfc0.5 rbfcfc0.5 rbfc rbfc1.5 rbw(f)h2fdrd0.5h0.7h1.5fbd2fcc2第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 表 6-2 FSK信号所占带宽 第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.4.2 最小移频键控(MSK)1.MSK信号设计 二进制MSK信号的表示式可写为 s(t)=cos2fc+(t)(6-19)式中，fc是载波频率，而(t)是附加的相位函数。此式不仅适用于MSK，也适用于在它基础上产生的TFM、GMSK调制方式，只是不同调制方式所具有的附加相位函数是不
21、同的。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 对于MSK，附加相位函数为 kbktTat2)(kTbt(k+1)Tb (6-20),2cos()(kbkcMSKtTatskTbt(k+1)Tb (6-21)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 2.MSK 信号设计举例 两个传信频率f1和f2的选择必须使得它们在一个码元期间的相位累积严格地相差180。下面我们举例说明rb、fd、fc、f1、f2之间的关系。给定 rb=21.504 Mbs 则MHzrfbd376.54第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调
22、制、解调技术 选择 fc=13fd=69.888 MHz则 f2=14fd=75.264 MHz f1=12fd=64.512 MHz这样，在一个码元时间内，f2刚好完成5.3504.21246.752brf周 第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 而f1刚好完成 0.3504.21512.641brf周 其载波刚好完成 25.3504.21888.69bcrf周 第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 3.MSK信号的波形特性 图6-13示出了已知二进制数据时所对应的已调波波形。由图可见，FSK波形在任何一个码元转换时刻上
23、，其相位总是连续的。所谓连续，是指当前所讨论的码元ak范围内，其FSK信号起始相位要等于ak相邻的前一码元ak-1的终止相位(即对应于t=(k-1)Tb时的相位)。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-13 MSK的已调波形(b)ttt1101Tb2Tb3Tb4Tb100二进制数据f1f2f1f2f1(a)0第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 4.MSK信号的相位路径网格图 图6-14(a)是针对一特定数据序列而画出的附加相位轨迹。图6-14(b)表示的是附加相位路径的网格图，它是附加相位函数由零开始可能经历的全
24、部路径。k和ak之间的关系如表6-3所列。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-14 附加相位函数(t)及附加相位路径网格/20/2 2 3/2(t)Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tbt(t)2 2 tTb3Tb5Tb7Tb(a)(b)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 表 6-3 相位常数k和ak的关系 第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.4.3 MSK信号调制和解调 1.MSK信号调制 由第6.4.2节的讨论可知，MSK信号必须具有以下特点：已调信号的振幅是恒定的；信
25、号的频率偏移严格地等于1/(4Tb)，相应的调制指数h=(f2-f1)Tb=1/2；以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确地线性变化/2；第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 在一个码元期间内，信号应包含四分之一载波周期的整数倍；在码元转换时刻，信号的相位是连续的，或者说信号的波形没有突变。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 因此，可以用以下步骤来产生MSK信号：对输入数据序列进行差分编码；把差分编码器的输出数据用串/并变换器分成两路，并互相交错了一个码元宽度Tb；用加权函数cos=t/(2Tb)和sin=t/(
26、2Tb)分别对两路数据进行加权；用两路加权后的数据分别对正交载波cosct和sinct进行调制(调幅)；把两路输出信号进行叠加。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图6-15是这种采用正交调幅法实现MSK调制的原理方框图。其表达式可写为tTtQtTtItscbkcbkMSKsin2sincos2cos)(kTbt(k+1)Tb (6-23)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-15 MSK调制器方框图/2/2延迟Tb串/并差分编码输入数据akckI信道同相数据IkIkcos2Tbt正交数据QkQ信道MSKIkco
27、s2TbtcosctsinctcosctQksin2TbtQksin2Tbtcos2Tbt第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 2.MSK信号的解调 MSK 信号的解调可以采用相干解调，也可以采用非相干解调。在实用中，收端往往需要解决载波恢复的相位模糊问题，故MSK调制器前总需要加差分编码器，而收端则必须在正交相干解调器输出端加差分译码器。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 MSK以及后面将要阐述的GMSK信号都可以采用正交相干检测器来实现解调，也可以采用一比特、二比特差分检测的非相干检测器进行解调。实现相干检测器的最主
28、要问题是参考载波的恢复。载波恢复的实际电路主要有逆调制环、判决反馈环、平方环、科斯塔斯(Gostas)环等。下面我们以科斯塔斯环提取载波的同步检波电路为例来分析MSK解调原理。图6-16是利用科斯塔斯环提取载波的MSK信号解调电路。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-16 利用科斯塔斯环提取载波的MSK信号解调电路第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-17 利用科斯塔斯环提取载波的解调电路中各点波形 输出F(t)反相时钟时钟F(t)D(t)Y(t)X(t)11111111111111111 11 11 1
29、1 1 1 1 11 1111 111 1 1111 1 1 11 1111 1 1 111 1 11 110123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20ckakk111第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.4.4 MSK信号的功率谱密度 MSK信号的功率谱密度表示式为2222)(1)(2cos16)(bcbcbTffTffTAf(6-26)式中，A为信号的振幅。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-18 三种调制信号的功率谱 5060403020100MSKQPSK或O
30、QPSKFSOQ0123456归一化频率f/rs功率谱密度w(f )/(dBW/Hz)rs rb/2注：12Tb第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 表 6-4 MSK与QPSK信号所占带宽的比较 第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.5 高斯滤波最小移频键控高斯滤波最小移频键控(GMSK)调制调制 6.5.1 GMSK基本原理和性能 1.GMSK信号的产生 GMSK调制原理如图6-19所示。调制器输出已调波的频谱由前置滤波器的特性来控制，为了使输出频谱密集，前置滤波器必须具有以下特性：第第6 6章章 蜂窝移动通信用调
31、制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 窄带和尖锐的截止特性，以抑制FM调制器输入信号中的高频分量；脉冲响应过冲量小，以防止FM调制器瞬时频偏过大；保持滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于/2的相移，以使调制指数为1/2。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-19 GMSK调制器原理框图 高斯低通滤波器频率调制器(VCO)非归零数据序列GMSK 已调信号cos ct(t)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 2.GMSK信号的特性 已调信号的相位路径取决于高斯滤波器输出脉冲的形状，或者说在一个码元内已调波相位变化
32、值取决于其间脉冲的面积。由于脉冲宽度大于Tb，即相邻脉冲间有重叠，因此在决定一个码元内脉冲面积时要考虑相邻码元的影响。为了简便，可考虑脉冲宽度为3Tb，那么在连续三个码元不同情况下的相位路径，可由如下规则确定：第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 一个码元内相位变化增加还是减小取决于这个码元内脉冲波形叠加后面积是正还是负，若面积为正，则相位增加；反之，则相位减小。一个码元内相位变化值取决于这个码元内叠加后脉冲面积的大小。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 在其它码元情况下，由于正、负极性的抵消，叠加后脉冲波形面积小于上述
33、两种情况，即相位变化值小于/2。GMSK的相位路径如图6-20所示，为了比较，同时画上MSK和TFM的相位路径。由图可见，GMSK把MSK相位路径的尖角平滑了，因此它的频谱特性必优于MSK。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-20 GMSK相位路径(t)(k1)/2(k2)/2k/2(k1)/210010100011110nT(n1)Tt数据流GMSKTFMMSK第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 3.GMSK信号的功率谱密度 图6-21是用计算机模拟的GMSK等效低通功率谱密度。纵轴是以分贝表示的归一化功率谱
34、密度，横轴是归一化频偏(f-fc)Tb，参变量是预调制高斯低通滤波器3 dB带宽的归一化值BbTb。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 100归一化频偏(f fc)Tb功率谱/dBBbTb(MSK)10020304050607080901001101200.51.01.52.02.5TFMQPSK0.160.20.30.5BbTb图6-21 GMSK信号的功率谱密度 第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 4.GMSK抗邻道干扰性能 邻道干扰是指在两个信道频率间隔f一定情况下，落在邻道中的带外辐射功率与所需信道总功率的比值
35、。图6-22示出了计算机模拟结果。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-22 GMSK的邻道干扰 02040608010012000.51.01.52.02.5归一化信道间隔 f Tb邻道干扰/dBBbTb(MSK)1.00.70.50.40.30.250.160.2第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.5.2 GMSK调制和解调 用基带高斯脉冲串直接调制VCO的频率，是一种简便的调制方法，如图6-19所示。但它在获得调频所需灵敏度和线性的同时，却很难克服中心频率的偏移。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调
36、技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6 23 PLL型GMSK调制器LPF数据输出VCO相移BPSK2第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.6 数字信号调制系统的误码率性能数字信号调制系统的误码率性能 在加性白噪声条件下，二相移相键控系统理想情况的误码率可表示为0erfc21NEPbe(6-29)式中，erfc(x)为互补误差函数，有 mduux)exp(22)(erfc2第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 MSK可达到和QPSK一样好的误码率性能，同样可以用式(6-29)表示。GMSK调制系统在理想情况下的误码率
37、为0min2erfc21NdPe(6-30)dttUtUdttsm2122|)()(|21(6-31)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-24 GMSK归一化最小信号距离 00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0d2min/(2Eb)BbTb第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图6-25示出了/4相移 QPSK的静态误码率性能，实线表示由计算机仿真所得的特性；虚线表示实验性测试结果。当误码率(BER)为10-3时，实验测试所得的Eb/N0等于11.2 dB。图6-26给出的是动态误码性能，
38、它以最大多普勒频率fD作为可变参数。当BER为10-3时，Eb/N0约26 dB。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-25/4-QPSK静态误码率性能 1101102103104051015Eb/N0Pe第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-26/4-QPSK动态误码率性能0102030 4050 607080静态误码率fD80 HzfD40 HzfD20 Hz(Eb/N0)/dB104103102101105106第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 10110210
39、310410510646810121416理论的对称传输误码率检测前带通滤波器BiTb0.630.200.25BbTb(MSK)/dBN0Eb 图6 27 GMSK静态误码率性能第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图6 28 GMSK动态误码率性能101102103104105106010203040506070BbTb0.25误码率无衰减瑞利衰落(估计)4 Hz12 HzfD40 Hz平均()/dBN0Eb第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图6-27为实验测得的GMSK静态误码率性能，图中以调制前高斯低通滤波器LP
40、F的归一化3 dB下降带宽BbTb作为参变量，而检测前高斯带通滤波器BPF的归一化3 dB下降带宽BiTb为0.63。由该图可见BbTb=0.25的GMSK与简单的MSK相比，性能仅下降1 dB。图6-28绘出了BbTb=0.25时GMSK在模拟快速瑞利衰落环境中的动态误码率性能的实验测量结果，图中以最大多普勒频率，即衰落速率fD作为参变数。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.7 正交振幅调制正交振幅调制(QAM)6.7.1 QAM信号的产生 正交振幅调制是BPSK、QPSK调制的进一步推广，它是通过相位和振幅的联合控制，可以得到更高频谱效率的一种调制
41、方式，从而可在限定的频带内传输更高速率的数据。正交振幅调制的一般表达式为y(t)=Am cosct+Bm sinct，0tTs (6-32)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 QAM中的振幅Am和Bm可以表示成AeBAdAmmmm式中，A是固定的振幅，(dm和em)由输入数据确定。(dm和em)决定了已调QAM信号在空间中的坐标点。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.7.2 QAM的调制和相干解调 QAM的调制和相干解调框图如图6-29所示。在调制端，输入数据经过串、并变换后分为两路，分别经过2电平到L电平的变换，
42、形成Am和Bm。为了抑制已调信号的带外辐射，Am和Bm还要经过预调制低通滤波器，才分别与相互正交的各路载波相乘。最后将两路信号相加就可以得到已调输出信号y(t)。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-29 QAM调制解调原理框图(a)QAM调制框图；(b)QAM解调框图LPF载波恢复LPF多电平判决多电平判决定时恢复L电平到2电平变换L电平到2电平变换并/串变换串/并变换2电平到L电平变换预调制LPF预调制LPFBmAmcos(ct)sin(ct)已调信号输出(a)(b)2电平到L电平变换y(t)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通
43、信用调制、解调技术 在接收端，输入信号与本地恢复的两个正交载波信号相乘以后，经过低通滤波器，多电平判决，L电平到2电平转换，再经过并、串变换就得到输出数据。对QAM调制而言，如何设计QAM信号的结构不仅影响到已调信号的功率谱特性，而且影已调信号的解调及其性能。常用的设计准则是在信号功率相同的条件下，选择信号空间中信号点之间距离最大的信号结构，当然还要考虑解调的复杂性。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图6-30是几种信号空间的结构，条件是限定信号点数目M=8，信号点仅取两种振幅值，且信号点之间的最小距离为2A。在所有信号点等概出现的情况下，平均发射信号功
44、率为)(2122mMmmavedMAP(6-33)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-30 8QAM的信号空间(3,1)(1,1)(3,1)(1,1)(1,1)(1,1)(3,1)(3,1)PavA28(42410)6 A2(C,C)PavA28(42411.66)6.83 A2C232(2,2)(2,0)(2,2)(2,2)(2,2)(2,0)(0,2)PavA28(4448)6 A2(1,1)22(0,2)()3.01PavA28(4247.464)4.73 A2(a)(b)(c)(d)2A(1,1)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术
45、蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.7.3 星座图 在实际中，常用的一种QAM的信号空间如图6-31所示。这种星座称为方型QAM星座。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-31 方型QAM的星座图(a)4QAM;(b)16QAM;(c)64QAMemdm(b)(c)emdm(a)emdm第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 对于方型QAM来说，它可以看成是两个脉冲振幅调制信号之和，因此利用脉冲振幅调制的分析结果，可以得到M进制QAM的误码率为 bbMkMMkMMP1)-2(3erfc)11(2111)-2(3erfc
46、)11(2(6-34)式中，k为每个码元内的比特数，k=lbM，b为每比特的平均信噪比。其计算结果如图6-32所示。第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-32 M进制方型QAM的误码率曲线 10152102521035210452105521066 4 20 2 468 10 12 14 16 1820 22QAMPSKM 4PSKM 16PSKM 32QAMM 6PM()b 1/dBQAMM 16S N第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 图 6-33 M进制星型QAM的星座图(a)4QAM；(b)16QAM;(
47、c)64QAM(b)(c)(a)第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 【习【习 题】题】1.移动通信中对调制解调技术的要求是什么?2.已调信号的带宽是如何定义的?FM信号的带宽如何计算?3.什么是调频信号解调时的门限效应?它的形成机理如何?4.试证明采用包络检测时，FSK的误比特率为 。2/21re第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 6.设输入数据速率为16 kb/s，载频为32 kHz，若输入序列为0010100011100110，试画出MSK信号的波形，并计算其空号和传号对应的频率。7.设输入序列为001100101
48、01111000001，试画出GMSK在BbTb=0.2时的相位轨迹，并与MSK的相位轨迹进行比较。8.与MSK相比，GMSK的功率谱为什么可以得到改善?9.若GMSK利用鉴频器解调，其眼图与FSK的眼图有何异同?第第6 6章章 蜂窝移动通信用调制、解调技术蜂窝移动通信用调制、解调技术 10.试说明GMSK一比特延迟差分检测和二比特延迟差分检测的工作原理。11.QPSK、OQPSK和4-DPSK的星座图和相位转移图有何异同?12.试述4-DQPSK调制框图中基分相位编码的功能，以及输入输出信号的关系表达式。13.在正交振幅调制中，应按什么样的准则来设计信号结构?14.方型QAM星座与星型QAM星座有何异同?
