第2章 调制解调 2.1 概述 2.2 数字频率调制 2.3 数字相位调制 2.4 正交振幅调制(QAM) 2.5 扩展频谱调制 2.6 多载波调制 思考题与习题

2.1 概 述 1. 数字调制技术简介 调制信号：模拟调制和数字调制 相位连续：相位不连续调制和相位连续调制 2.1 概 述 1. 数字调制技术简介 目的：使传输的数字信号与信道特性相匹配，便于有效的进行信息传输。 分类： 调制信号：模拟调制和数字调制 相位连续：相位不连续调制和相位连续调制 信号恒定：恒包络调制和非恒包络调制 信源 编码 信道 调制 解调 译码

2. 调制解调技术的要求 移动通信面临的无线信道问题： 移动通信对调制解调技术的要求 调制方案的性能评估：功率效率和带宽效率 多径，衰落，干扰(自然，人为，ISI)，频率资源有限 移动通信对调制解调技术的要求 频谱资源有限  高的带宽效率 多径信道传播  对多径衰落不敏感，抗衰落能力强 干扰受限的信道 抗干扰能力强 邻道干扰  低的带外辐射 解调一般采用非相干方式，或插入导频的相干解调 用户终端小  高的功率效率，抗非线性失真能力强 产业化问题  成本低，易于实现 调制方案的性能评估：功率效率和带宽效率

3. 调制解调的主要功能 频谱搬移，实现基带信号搬移到相应的频段 抗干扰性 频谱有效性 实现可以分为两步：首先进行基带信号调制，然后上变频到所需的频段 抗干扰性 主要体现通信系统的质量指标，即可靠性 调制信号具有较小的功率谱占有率 要求：功率谱主瓣占有尽可能多的信号能量，具有快速滚降特性，带外衰减大，旁瓣小 频谱有效性 主要体现通信系统的数量指标，即有效性 频带利用率：bit/s/Hz

4. 移动通信中的调制技术 扩频调制 蜂窝 WCDMA /4 DQPSK 个人通信 PACS GMSK 无绳 PHS GFSK DECT DCS-1800 无绳 PHS GFSK DECT CT2 PDC 上行：OQPSK，下行：BPSK IS-95 IS54 CD-900 GSM 调制技术 服务类型 标准

2.2 数字频率调制 2.2.1 移频键控(FSK)调制 2.2.2最小移频键控(MSK)调制 MSK信号的单边功率谱表达式：

MSK的功率谱 具有较宽的主瓣 衰减快 图 2 - 9 MSK信号的功率谱 -60 -50 -40 -30 -20 -10 1.0 2.0 1.0 2.0 3.0 4.0 (f-fc) T b MSK QPSK 功率谱密度/dB 衰减快 图 2 - 9 MSK信号的功率谱

2.2.3 高斯滤波的最小移频键控(GMSK)调制 尽管MSK信号已具有较好的频谱和误比特率性能， 但仍不能满足功率谱在相邻频道取值(即邻道辐射)低于主瓣峰值60 dB以上的要求。 这就要求在保持MSK基本特性的基础上， 对MSK的带外频谱特性进行改进， 使其衰减速度加快。 　　MSK信号可由FM调制器来产生， 由于输入二进制非归零脉冲序列具有较宽的频谱， 从而导致已调信号的带外衰减较慢。 如果将输入信号经过滤波以后再送入FM调制， 必然会改善已调信号的带外特性。 GMSK信号就是通过在FM调制器前加入高斯低通滤波器(称为预调制滤波器)而产生的。

图 2 - 11 GMSK信号的产生原理

当BbTb取不同值时， g(t)的波形如图 2 - 12 所示。 图 2 - 12 高斯滤波器的矩形脉冲响应

图 2 - 15 GMSK的功率谱密度

表 2 - 1 GMSK在给定百分比功率下的占用带宽

在BbTb取不同值时，GMSK信号在相邻信道的带外辐射功率与本信道内的总功率之比如图 2 - 16 所示。 ΔfTb越大则邻道干扰越小 在频道间隔ΔfTb一定时， BbTb越小则邻道干扰越小 -60dB -70dB -80dB 图 2 - 16 GMSK信号对邻道的干扰功率

2.2.4 高斯滤波的移频键控(GFSK)调制 由前面的讨论可知，MSK和GMSK两种调制方式对调制指数是有严格规定的，即h=0.5，从而对调制器也有严格的要求。 GFSK吸取了GMSK的优点，但放松了对调制指数的要求， 通常调制指数在0.4~0.7之间即可满足要求。 例如在第二代无绳电话系统(CT-2)标准中规定，发射“+1”时对应的频率比fc低14.4 kHz到25.2 kHz。GFSK与GMSK类似，是连续相位的恒包络调制。

2.3 数字相位调制 2.3.1 移相键控(PSK)调制 设输入比特率为｛an｝, an=±1, n=-∞~+∞, 则PSK的信号形式为 nTb≤t＜(n+1)Tb (2 - 57)

(a) QPSK的产生； (b) OQPSK的产生 2.3.2 四相移相键控(QPSK)调制和交错四相移相键控(OQPSK)调制   QPSK和OQPSK的产生原理如图 2 - 24 所示。 图 2 - 24 QPSK和OQPSK信号的产生原理 (a) QPSK的产生； (b) OQPSK的产生

图 2 - 25 QPSK和OQPSK的星座图和相位转移图 (a) QPSK; (b) OQPSK

2.3.3 π/4-DQPSK调制 π/4-DQPSK是对QPSK信号的特性进行改进的一种调制方式, 改进之一是将QPSK的最大相位跳变±π，降为±3π/4， 从而改善了π/4-DQPSK的频谱特性。改进之二是解调方式, QPSK只能用相干解调，而π/4-DQPSK既可以用相干解调也可以采用非相干解调。π/4-DQPSK已应用于美国的IS-136数字蜂窝系统、 日本的(个人)数字蜂窝系统(PDC)和美国的个人接入通信系统(PACS)中。

表 2 - 2 π/4-DQPSK的相位跳变规则

上述规则决定了在码元转换时刻的相位跳变量只有±π/4和±3π/4四种取值。π/4－DQPSK的相位关系如图2－27所示。从图中可以看出信号相位跳变必定在图2－27中的“■”组和“■”组之间跳变。即在相邻码元，仅会出现从“■”组到“■”组相位点(或“■”组到“∘”组)的跳变，而不会在同组内跳变。同时也可以看到，Uk和Vk只可能有0、±1/　　、±1五种取值，分别对应于图2－27中八个相位点的坐标值。

图 2 - 27 π/4-DQPSK的相位关系

图 2 - 28 π/4-DQPSK基带信号的眼图

π/4-DQPSK是一种线性调制。 它具有较高的频谱利用率，但其包络不恒定。 若在发射中采用非线性功率放大器，将会使已调信号的频谱展宽， 从而降低了频谱利用率，不能满足对相邻信道的干扰功率电平比本信道的功率电平低60~70 dB的要求；若采用线性功率放大器，则其功率效率较差。

2.4 正交振幅调制(QAM) 　　正交振幅调制是二进制的PSK、 四进制的QPSK调制的进一步推广， 通过相位和振幅的联合控制， 可以得到更高频谱效率的调制方式， 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 cosωct+Bm sinωct 0≤t＜Ts (2 - 89)

图 2 - 42 8QAM的信号空间

(a) 4QAM； (b) 16QAM; (c) 64QAM

当M相同时， MQAM性能优于MPSK 图2-44 M进制方型QAM的误码率曲线

有利于接收端的 自动增益控制 和载波相位跟踪 星型QAM的振幅环由 方型的3个减少为2个， 相位由12种减少为8种

2.5 扩展频谱调制（略） 第一次用扩频码调制 第二次为常用的载波调制 2.5 扩展频谱调制（略） 扩频调制系统进行两次调制： 第一次用扩频码调制 第二次为常用的载波调制 移动通信中的应用 IS-95的下行，WCDMA上行和CDMA2000上行均采用平衡四相(BQM)扩频调制 IS-95的上行采用平衡四相改进型OQPSK技术 WCDMA下行、CDMA2000下行采用复四相扩频调制(CQM)技术

2.6 多 载 波 调 制 几种等效的说法(从不同角度) 为什么引入多载波正交调制技术 1. 正交频分调制(OFM) 多载波传输技术 正交频分复用技术(OFDM) 离散多音频调制(DMT) 多载波调制 (MCM) 正交频分调制 (OFM) 为什么引入多载波正交调制技术 多载波传输的概念出现于1960’s 概念：高速串行流经串并转换后，分割成若干低速数据流，每路数据采用独立载波调制并叠加发送 对抗多径信道的方法：并行传输，降低数据率，增大信息码元周期，减小多径时延扩展的影响，消弱多径干扰对系统传输性能的影响

2 .OFDM概念图示 时域方波信号 频分复用 正交频分复用

3 .OFDM 原理概念

4. OFDM原理描述 传输带宽B，N等分，得子载波间隔 f  所有子载波在时间间隔Ts＝1/ f 内正交  第k个子载波表示式：

5. OFDM 符号表示 n代表第n个符号周期 k代表第k个子载波 每个子载波可以用一个复信号Sn,k调制 第n段的OFDM信号表示为 完整的连续信号表示为 正交调制信号和星座图信号

6 .OFDM符号解调 gk是一个方波，其频谱是sinc函数 各子载波正交，可以通过相关解调

7 .OFDM数字实现---IDFT 对sn(t)离散化，抽样率间隔 在T内的第i抽样点的值 sn,i是Sn,k的IDFT 解调是DFT变换

8. OFDM的频谱 OFDM调制系统可能实现近100%的频谱效率，单载波系统频谱利用率一般小于80%

9. OFDM频率与时间划分 time RF 信道带宽 频率子带 时间段 frequency

10 . OFDM频率划分 time OFDM 符号 使子载波正交，以避免“载波间”干扰 frequency

11 .OFDM早期模拟实现方法 模拟调制的缺点：实现复杂， 精度难以保证 模拟OFDM调制的基本框图 Gate Filter Mod Cosω1t Sinω1t Cosω2t Sinω2t Add Clock 模拟OFDM调制的基本框图 模拟调制的缺点：实现复杂， 精度难以保证

12 .基于DFT的OFDM系统

为什么采用OFDM? OFDM如何抗多径， 抗干扰，抗衰落？

OFDM抗频率选择性衰落 解决方案：频率交织、纠错编码和均衡

OFDM实现自适应比特与功率分配 信道传输函数 频率 ……. OFDM OFDM对信道频带的分割作用

OFDM抗时延扩展

OFDM抗多径时延的ISI 增加保护时隙Tg Tg长于信道时延扩展 时域多径时延扩展 h(t) 频域伸缩与旋转 t 多径时延扩展现象 循环扩展 保护间隔 OFDM信号的循环扩展保护间隔 增加保护时隙Tg Tg长于信道时延扩展

OFDM循环前缀图示 保护间隔 有用的符号间隔 time OFDM 符号 frequency 保护间隔导致了传输容量的损失

OFDM抗突发噪声 FFT运算具有分散噪声功率的作用 t 噪声 串行码元 信号 OFDM 图9. OFDM 调制对抗突发噪声的能力

OFDM的优缺点 优点： 缺点 抗多径传播和频率选择性衰落能力强 动态比特分配技术使系统达到最大传输速率 对脉冲干扰的抵抗能力比单载波系统强 频谱效率比串行系统提高一倍 缺点 对符号定时和载波频率偏差比单载波系统敏感 多载波信号是多个单载波信号的叠加，因此其峰值 功率比平均功率的比值大于单载波系统，对前置放 大器的线性要求较高。 功率效率低，发射接收设备复杂

OFDM缺点---非线性失真 实际输出 理想输出 输入信号 输入 输出 功放曲线 图11. 功率放大器的饱和失真

同步问题 定时误差 载波频偏 多普勒频移 采样钟偏差 载波相位噪声 为什么OFDM对同步误差非常敏感? Multipath channel, Time delay spreading FFT window 载波频偏 Narrow subcarrier 多普勒频移 Narrow Subcarrier 采样钟偏差 载波相位噪声

为什么多径信道上采用 OFDM Delay spreading is very large than doppler spreading

符号定时误差

定时误差效应 Phase rotation ISI and ICI Channel Estimation problem

定时误差导致相位旋转 Progressive phase rotation of the signal constellations. The phase rotation is zero at the center frequency and it linearly increases towards the edges of the band.

定时误差导致ICI和ISI Timing error is out of the allowable region.

定时误差导致SNR降低

载波频偏的效应 Phase rotation for each sample Amplitude attenuation 时域 Phase rotation for each sample 频域 Amplitude attenuation ICI from the adjacent subcarrier

载波频偏导致的相位旋转

载波频偏导致的星座变化

载波频偏导致的SNR变化

OFDM的应用 数字用户环线：在现有数字用户环线上提供高速率数字接入服务 无线局域网：低移动、低时延扩展、高速无线接入，多用于室内环境 非对称数字用户环线（ADSL,1.536Mbps） 无线局域网：低移动、低时延扩展、高速无线接入，多用于室内环境 802.11a标准 (2.4G与5GHz频段，50Mbps接入) HiperLAN 数字广播：无线信道下高品质的音视频广播服务 欧洲地面数字音频广播(DAB-T) 欧洲地面数字视频广播(DVB-T) 4.89~31.67Mbps 日本地面数字视频广播(ISDB-T) 3.65~23.23Mbps 中国的HDTV方案，DMT B3G移动通信系统

思考题与习题 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e-r/2/2。

　　5. 试述MSK调制和FSK调制的区别和联系。 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{00110010101111000001}。 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? 11. 试证明PSK相干解调的误比特率为 　 。 12. QPSK、 OQPSK和π/4-DQPSK的星座图和相位转移图有何异同? 13. 试述π/4-DQPSK调制框图中差分相位编码的功能， 以及输入输出信号的关系表达式。 14.　试述π/4-DQPSK基带差分检测电路中解码电路的功能， 以及输入输出信号的关系表达式。

15. 试说明π/4-DQPSK信号的基带差分检测和中频差分检测的原理。 为什么说两者是等效的? 收发频差对它的性能有何影响? 17. 在正交振幅调制中， 应按什么样的准则来设计信号结构?

　　18. 方型QAM星座与星型QAM星座有何异同? 19. 扩频系统的抗干扰容限是如何定义的？它与扩频处理增益的关系如何？ 20. 直接序列扩频通信系统中，PN码速率为1.2288 Mc/s(c/s即chip/s，片/秒)，基带数据速率为9.6 kb/s，试问处理增益是多少？假定系统内部的损耗为3 dB， 解调器输入信噪比要求大于7 dB，试求该系统的抗干扰容限。 21. 为什么m序列称为最长线性移位寄存器序列，其主要特征是什么？

　　22. 试画出n=15的m序列发生器的原理， 其码序列周期ρ是多少？ 码序列速率由什么决定？ 23. 试述多载波调制与OFDM调制的区别和联系。 24. OFDM信号有哪些主要参数？ 假定系统带宽为450kHz， 最大多径时延为32μs， 传输速率在280~840 kb/s间可变（不要求连续可变）， 试给出采用OFDM调制的基本参数。

25. 接收端恢复的载波频率有偏差的情况下， 对OFDM的解调有何影响？ 克服该影响的基本方法是什么？ 27. 在IEEE 802.11a标准中， 发送信号的格式中如何支持收端的同步和信号跟踪？ 28. 采用IFFT/FFT实现OFDM信号的调制和解调有什么好处？ 它避免了哪些实现方面的难题？