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1、第8章 新型数字带通调制技术,8.1 正交振幅调制(QAM)8.2 最小移频键控(MSK),返回主目录,通 信 原 理,8.1 正交振幅调制(QAM),主要内容 其它数字调制简介 MQAM调制原理 MQAM解调原理 MQAM抗噪声性能,一、其它数字调制简介 数字调制的三种基本方式：数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制，这三种数字调制方式是数字调制的基础。三种基本数字调制方式都存在不足之处，如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，近几十年来人们不断地提出一些新的数字调制解调技术，以适应各种通信系统的要求。其主要研究内容围绕着减小信号带宽以提高频谱利用
2、率；提高功率利用率以增强抗干扰性能；适应各种随参信道以增强抗多径衰落能力等。,例如，在恒参信道中，正交振幅调制（QAM）和正交频分复用（OFDM）方式具有高的频谱利用率，因此，正交振幅调制在卫星通信和有线电视网络高速数据传输等领域得到了广泛应用。而正交频分复用在非对称数字环路ADSL和高清晰度电视HDTV的地面广播系统等得到了成功应用。高斯最小移频键控（GMSK）和/4DQPSK具有较强的抗多径衰落性能，带外功率辐射小等特点，因而在移动通信领域得到了应用。GMSK用于泛欧数字蜂窝移动通信系统（GSM），/4DQPSK用于北美和日本的数字蜂窝移动通信系统。,二、MQAM调制(振幅相位联合键控AP
3、K）原理 在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化。过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视。,正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。1.正交振幅调制信号的一般表示
4、式,式中，An是基带信号幅度，g(t-nTs)是宽度为Ts的单个基带信号波形。式(8.1-1)还可以变换为正交表示形式:,(8.1-1),正交振幅调制信号的一般表示式为,sMQAM(t)=,令 Xn=An cosn Yn=Ansinn,则式(6.5-2)变为,QAM中的振幅Xn和Yn可以表示为 Xn=cnA Yn=dnA,(8.1-2),(8.1-3),(8.1-4),式中，A是固定振幅，cn、dn由输入数据确定。cn、dn决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。2.QAM信号调制原理图 QAM信号调制原理图如图 8.1-1 所示。,图8.1-1 QAM信号调制原理图,图中，输入的二进制序列
5、经过串/并变换器输出速率减半的两路并行序列，再分别经过2电平到L电平的变换，形成L电平的基带信号。为了抑制已调信号的带外辐射，该L电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，形成X(t)和Y(t)，再分别对同相载波和正交载波相乘。最后将两路信号相加即可得到QAM信号。,3.星座图 信号矢量端点的分布图称为星座图。通常，可以用星座图来描述QAM信号的信号空间分布状态。对于M=16的16QAM来说，有多种分布形式的信号星座图。两种具有代表意义的信号星座图如图 8.1-2 所示。在图 8.1-2(a)中，信号点的分布成方型，故称为方型16QAM星座，也称为标准型16QAM。在图 8.1-2(b)中，信号
6、点的分布成星型，故称为星型16QAM星座。若信号点之间的最小距离为2A，且所有信号点等概率出现，则平均发射信号功率为,(8.1-5),图 8.1-216QAM的星座图(a)方型16QAM星座；(b)星型16QAM星座,对于方型16QAM，信号平均功率为,对于星型16QAM，信号平均功率为,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。,M=4,16,32,256时MQAM信号的星座图如
7、图 8.1-3 所示。其中，M=4,16,64,256 时星座图为矩形，而M=32,128 时星座图为十字形。前者M为2的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息；后者M为2的奇次方，即每个符号携带奇数个比特信息。4.星点间距 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,(8.1-6),图8.1-3 MQAM信号的星座图,式中，L为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数，M=L2。由式(8.1-6)和(8.1-7)可以看出，当M=4时，d4PSK=d4QAM，实际上，4PSK和4QAM的星座图相同。当M=16时，d16QAM=0.47，而d16PSK=0.39，d1
8、6PSKd16QAM。这表明，16QAM系统的抗干扰能力优于16PSK。,MQAM信号矩形星座图上信号点间的最小距离为,(8.1-7),三、MQAM解调原理 MQAM信号同样可以采用正交相干解调方法，其解调器原理图如图 8.1-4 所示。解调器输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波输出两路多电平基带信号X(t)和Y(t)。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测，再经L电平到2电平转换和并/串变换器最终输出二进制数据。,图 8.1-4MQAM信号相干解调原理图,四、MQAM抗噪声性能 对于方型QAM，可以看成是由两个相互正交且独立的多电平ASK信号叠加而成。因此，利用多电平信号
9、误码率的分析方法，可得到M进制QAM的误码率为,式中，M=L2，Eb为每比特码元能量，n0为噪声单边功率谱密度。图 8.1-5 给出了M进制方型QAM的误码率曲线。,(8.1-8),图 8.1-5 M进制方型QAM的误码率曲线,8.2 最小移频键控(MSK),主要内容 MSK的基本原理 MSK调制解调原理 MSK的性能（选）高斯最小移频键控(GMSK),一、MSK 的基本原理 数字频率调制和数字相位调制，由于已调信号包络恒定，因此有利于在非线性特性的信道中传输。由于一般移频键控信号相位不连续、频偏较大等原因，使其频谱利用率较低。MSK(Minimum Frequency Shift Keyin
10、g)是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。MSK称为最小移频键控，有时也称为快速移频键控(FFSK)。所谓“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数(0.5)获得正交信号；而“快速”是指在给定同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比2PSK衰减的快。,1、MSK的一般表达式 MSK是恒定包络连续相位频率调制，其信号的表示式为,其中,（k-1）TstkTs,k=1,2，,令,则式(8.2-1)可表示为 sMSK(t)=cosct+k(t),(8.2-1),(8.2-2),(8.2-3),式中，k(t)称为附加相位函数；c为载波角频率；Ts为码元宽度；ak为第k个
11、输入码元，取值为1；k为第k个码元的相位常数，在时间（k-1）TstkTs中保持不变，其作用是保证在t=（k-1）Ts时刻信号相位连续。2、MSK信号的两个频率及波形,则,由式(8.2-5)可以看出，MSK信号的两个频率分别为,(8.2-4),(8.2-5),f1=fc-f2=fc+,中心频率fc应选为,式(8.2-8)表明，MSK信号在每一码元周期内必须包含四分之一载波周期的整数倍。fc还可以表示为,(N为正整数；m=0,1,2,3),相应地MSK信号的两个频率可表示为,(8.2-6),(8.2-7),(8.2-8),(8.2-9),(8.2-10),3、MSK信号前后码元区间的相位约束关系
12、 对第k个码元的相位常数k的选择应保证MSK信号相位在码元转换时刻是连续的。根据这一要求，由式(8.2-2)可以得到相位约束条件为,(8.2-11),由此可得频率间隔为,(8.2-12),MSK信号的调制指数为,(8.2-13),当取N=1,m=0 时，MSK信号的时间波形如图 8.2-1 所示。,图8.2-1 MSK 信号的时间波形,f1=3/4fs表示0,f2=5/4fs表示1,式中，若取k的初始参考值0=0，则k=0 或(模2)k=0,1,2,上式即反映了MSK信号前后码元区间的相位约束关系，表明MSK信号在第k个码元的相位常数不仅与当前码元的取值ak有关，而且还与前一码元的取值ak-1
13、及相位常数k-1有关。,(8.2-14),(8.2-15),即：在t=(k-1)Ts时，k(t)=k-1(t)，则得：,4、附加相位函数 由附加相位函数k(t)的表示式(8.2-2)可以看出，k(t)是一直线方程，其斜率为，截距为k。由于ak的取值为1，故 是分段线性的相位函数。因此，MSK的整个相位路径是由间隔为Ts的一系列直线段所连成的折线。在任一个码元期间Ts，若ak=+1，则k(t)线性增加/2；若ak=-1，则k(t)线性减小/2。对于给定的输入信号序列ak，相应的附加相位函数k(t)的波形如图 8.2-2 所示。对于各种可能的输入信号序列，k(t)的所有可能路径如图 8.2-3 所
14、示，它是一个从-2到+2的网格图。,图 8.2 2 附加相位函数k(t)的波形图,图 8.2-3MSK的相位网格图,5、MSK信号具有的特点（1）MSK信号的振幅是恒定的（恒定包络信号）；（2）信号的频率偏移严格地等于1/（4Ts），相应的调制指数h=（f2-f1)Ts=0.5。（3）以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内线性地变化/2；（4）在一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数倍；（5）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）。,根据式(8.2-16)画出MSK信号的功率谱如图 8.2-4 所示。为了便于比较，图中还画出了2PSK信号的功率谱。由图8
15、.2-4 可以看出，与2PSK相比，MSK信号的功率谱更加紧凑，其第一个零点出现在0.75/Ts处，而2PSK的第一个零点出现在1/Ts处。这表明，MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽度比2PSK信号的窄；当(f-fc)时，MSK的功率谱以(f-fc)-4的速率衰减，它要比2PSK的衰减速率快得多，因此对邻道的干扰也较小。,(8.2-16),对于MSK信号，其单边功率谱密度可表示为：,6、MSK信号的功率谱,图 8.2-4MSK信号的归一化功率谱,二、MSK调制解调原理 1、MSK信号的正交表示式 由MSK信号的一般表示式(6.6-3)可得 sMSK(t)=cosct+k(t)=cosk(t)c
16、osct-sink(t)sinct(8.2-17)代入式(8.2-17)可得,(8.2-18),上式即为MSK信号的正交表示形式。其同相分量为也称为I支路。其正交分量为也称为Q支路。cos 和sin 称为加权函数。2、MSK信号调制器原理图 由式(8.2-18)可以画出MSK信号调制器原理图如图 8.2-5 所示。图中，输入二进制数据序列经过差分编码和串/并变换后，I支路信号经 加权调制和同相载波cosct相乘输出同相分量xI(t)。,(8.2-19),图8.2-5 MSK信号调制器原理图,Q支路信号先延迟Ts，经 加权调制和正交载波sinct相乘输出正交分量xQ(t)。xI(t)和xQ(t)
17、相减就可得到已调MSK信号。3、MSK信号的解调 MSK信号属于数字频率调制信号，因此可以采用一般鉴频器方式进行解调，其原理图如图 8.2-6 所示。鉴频器解调方式结构简单，容易实现。,图 8.2-6MSK鉴频器解调原理图,图 8.2-7MSK信号相干解调器原理图,由于MSK信号调制指数较小，采用一般鉴频器方式进行解调误码率性能不太好，因此在对误码率有较高要求时大多采用相干解调方式。图 8.2-7 是MSK信号相干解调器原理图，其由相干载波提取和相干解调两部分组成。,*三、MSK的性能（选）设信道特性为恒参信道，噪声为加性高斯白噪声，MSK解调器输入信号与噪声的合成波为r(t)=cos(ct+
18、k）+n(t)(8.2-21)式中 n(t)=nc(t)cosct-ns(t)sinct是均值为0，方差为n2的窄带高斯噪声。经过相乘、低通滤波和抽样后，在t=2kTs时刻I支路的样值为(8.2-22)在t=(2k+1)Ts时刻Q支路的样值为,(8.2-23),式中nc和ns分别为nc(t)和ns(t)在取样时刻的样本值。在I支路和Q支路数据等概率的情况下，各支路的误码率为,式中，r=为信噪比。经过交替门输出和差分译码后，系统的总误比特率为 Pe=2Ps(1-Ps)MSK系统误比特率曲线如图 8.2-8 所示。由以上分析可以看出，MSK信号比2PSK有更高的频谱利用率，并且有更强的抗噪声性能，
19、从而得到了广泛的应用。,(8.2-24),(8.2-25),图 8.2-8MSK系统误比特率曲线,PS：支路误码率PC：系统总误码率,作 业思考题（自作）：P257 8-3,8-4 习 题：P257 8-1，*8-2,*四、高斯最小移频键控(GMSK),由上一节分析可知，MSK调制方式的突出优点是已调信号具有恒定包络，且功率谱在主瓣以外衰减较快。但是，在移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，一般要求必须衰减70（60）dB以上。从MSK信号的功率谱可以看出，MSK信号仍不能满足这样的要求。高斯最小移频键控(GMSK)就是针对上述要求提出来的。GMSK调制方式能满足移动通信环境下对邻道干
20、扰的严格要求，它以其良好的性能而被泛欧数字蜂窝移动通信系统(GSM)所采用。,MSK调制是调制指数为0.5的二进制调频，基带信号为矩形波形。为了压缩MSK信号的功率谱，可在MSK调制前加入预调制滤波器，对矩形波形进行滤波，得到一种新型的基带波形，使其本身和尽可能高阶的导数都连续，从而得到较好的频谱特性。GMSK(GaussianFiltered Minimum Shift Keying)调制原理图如图8.2-9 所示。,图 8.2-9 GMSK调制原理图,为了有效地抑制MSK信号的带外功率辐射，预调制滤波器应具有以下特性：(1)带宽窄，且是锐截止的；(2)具有较低的过脉冲响应；(3)能保持输出
21、脉冲的面积不变。其中：条件(1)是为了抑制高频分量；条件(2)是为了防止过大的瞬时频偏；条件(3)是为了使调制指数为0.5。,图 8.2-10 是通过计算机模拟得到的GMSK信号的功率谱。图中，横坐标为归一化频差(f-fc)Tb，纵坐标为功率谱密度，参变量BbTb为高斯低通滤波器的归一化3dB带宽Bb与码元长度Tb的乘积。BbTb=的曲线是MSK信号的功率谱密度。GMSK信号的功率谱密度随BbTb值的减小变得紧凑起来。需要指出，GMSK信号频谱特性的改善是通过降低误比特率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，误比特率性能变得越差。不过，当BbTb=0.25时，误比特率性能下降并不严重。,图 8.2-10GMSK信号的功率谱密度,注：（1）、其它数字调制方式如正交部分响应（QPR）调制、连续相位移频键控（CP/FSK）、软调频（TFM）、偏置正交移相键控（OQPSK）以及相关移相键控（COR/PSK）等。（2）、数字调制方式，不仅在技术上得到了迅速发展，而且在实现方面也取得了重大进展近十多年来，由于VLSI和数字信号处理器的发展，那些以分立元件和单元电子电路为主来实现的调解器（MODEM）。已被专用集成电路（ASIC）和数字信号处理器实现的调解器所替代。,作 业思考题（自作）：P257 8-5,
