第二章 调制解调
调制：把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号。 一、概述 调制：把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号。 调制过程发生在通信系统的发送端。 解调：在接收端将已调信号还原成要传输的原始信号。 移动通信 电子工程系 李明
移动通信信道的基本特征： －带宽有限 －干扰和噪声影响大 －多径衰落 移动通信 电子工程系 李明
适合移动通信的信号必须是： －具有高的频谱利用率 －具有较强的抗干扰、抗衰落的能力 移动通信 电子工程系 李明
高频谱利用率要求已调信号频谱能量集中，所占的带宽窄，避免辐射到相邻频道的功率过大。 高的抗干扰和抗多径性能指的是在恶劣的信道环境下，经过调制解调后的输出信号的信噪比较大或者误码率较低。 移动通信 电子工程系 李明
MSK (Minimum Frequency Shift Keying) 二、数字频率调制 MSK (Minimum Frequency Shift Keying) 最小频移键控，一种特殊形式的FSK，其频差是满足两个频率相互正交(即相关函数等于0)的最小频差，并要求FSK信号的相位连续。 其频差为 ，即调制指数为 式中，Tb为输入数据流的码元宽度。 移动通信 电子工程系 李明
２.在码元转换时刻，信号的相位是连续的，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 ； MSK信号的特点： １.MSK信号是恒定包络信号； ２.在码元转换时刻，信号的相位是连续的，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 ； ３.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，相应的调制指数为0.5。 移动通信 电子工程系 李明
式中， 是为了保证t=kTb时相位连续而加入的相位常量。 MSK的信号表达式为 式中， 是为了保证t=kTb时相位连续而加入的相位常量。 令 φk = ωct+θk kTb≤t≤(k+1)Tb 式中， 移动通信 电子工程系 李明
相位连续时 φk-1(kTb) = φk(kTb) 可得： 对于给定的输入序列{ak}，MSK的相位轨迹是： 移动通信 电子工程系 李明
图２－１ MSK的相位轨迹
图２－２ MSK可能的相位轨迹
GMSK (Gaussian Minimum Frequency Shift Keying) 高斯最小频移键控，通过在FM调制器前加入高斯低通滤波器(又称为预调制滤波器)而实现的。 移动通信 电子工程系 李明
１.带宽窄并且具有陡峭的截止特性(便于抑制高频分量) 高斯滤波器应具有的特性： １.带宽窄并且具有陡峭的截止特性(便于抑制高频分量) ２.脉冲响应的过冲较小(防止过大的瞬时频移) ３.保持滤波器输出脉冲面积(对应/2相移)不变，以利于采用相干检测 移动通信 电子工程系 李明
图２－３ GMSK信号产生原理 高斯低通滤波器 频率调制器(VCO) NRZ信号 GMSK已调信号
GMSK的信号表达式 式中an为输入数据。 移动通信 电子工程系 李明
－GMSK的相位路径要光滑，消除了MSK相位路径在码元转换时刻的相位转折点。 移动通信 电子工程系 李明
图２－４ GMSK的相位轨迹
Bb：高斯低通滤波器的归一化3 dB带宽 Tb：码元宽度 BbTb值越小，功率谱密度越紧凑。 图２－５ GMSK的功率谱密度
BbTb越小频谱越集中。当参变量 时，GMSK的功率谱即可满足GSM的要求。 移动通信 电子工程系 李明
PSK (Phase Shift Keying) 三、数字相位调制 PSK (Phase Shift Keying) 相移键控调制，是一种角调制方式，用于调制的离散信号的每一种特征状态，都用周期性正弦振荡的一个规定相位来代表。如：用二进制符号1来对应载波0相位；符号0对应于载波相位。 移动通信 电子工程系 李明
输入信号 PSK 图２－６ PSK波形图
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 正交(四相)相移键控调制，利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息。 相位逻辑：在QPSK中双比特码元与四种相位之间的一一对应的逻辑关系 －相位逻辑分为循环码(格雷码)相位逻辑和自然码相位逻辑两类。 移动通信 电子工程系 李明
图２－７ QPSK信号的产生
图２－８ QPSK信号功率谱 QPSK
OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) 移动通信 电子工程系 李明
图２－９ OQPSK信号的产生
图 ２－１０QPSK和OQPSK信号的星座图 (a) QPSK； (b) OQPSK
OQPSK调制比QPSK调制更优，不同之处是在正交支路引入了半个码元的时延，使得两个支路的数据不会同时发生变化，不会发生QPSK中的相位跳变，仅仅能产生/2的相位跳变。 ？ 移动通信 电子工程系 李明
/4-DQPSK (/4-Differential QPSK) 正交差分移相键控调制，线性调制方式，具有较高的频谱利用率，但是其包络不恒定。它的最大相位跳变值介于QPSK和OQPSK之间，为±135°。 －/4-DQPSK有比QPSK更小的包络波动和比GMSK更高的频谱利用率 －在多径扩展和衰落的情况下，/4-DQPSK比QPSK的性能更好 移动通信 电子工程系 李明
图２－１１ /4-DQPSK信号的产生 Ik Qk
式中， 是当前码元的相位跳变量，由差分相位编码器的输入码组 、 决定。 /4-DQPSK的基本关系式 式中， 是当前码元的相位跳变量，由差分相位编码器的输入码组 、 决定。 移动通信 电子工程系 李明
表２－１ /4-DQPSK的相位跳变规则
图２－１２ /4-DQPSK的相位关系
四、QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 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。 移动通信 电子工程系 李明
式中，Ts为码元宽度。m=1, 2, ···, M；M为Am和Bm的电平数。 一般表达式为： 式中，Ts为码元宽度。m=1, 2, ···, M；M为Am和Bm的电平数。 移动通信 电子工程系 李明
图 ２－１３ QAM调制解调原理框图 (a) QAM调制框图； (b) QAM解调框图
图２－１４ 方型QAM的星座图 (a) 4QAM (b) 16QAM (c) 64QAM
图 2 – １５ 星型QAM的星座图 (a) 4QAM (b) 16QAM (c) 64QAM
－星型16QAM振幅值比方型16QAM的振幅值要少一种 移动通信 电子工程系 李明
图２－１６ 方型16QAM和星形16QAM星座图的比较
五、扩频调制SS (Spread Spectrum) 扩频通信是利用自相关性非常强而互相关性弱的周期性码序列作为地址码，对被用户信息调制过的载波进行再次调制，使其频谱大为展宽(扩频调制)；在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性差异对收到的所有信号进行鉴别，从中将与本地地址码完全一致的宽带信号还原成窄带信号而选出，其他与本地地址码无关的信号则仍保持或扩展为宽带信号而滤去(相关检测或扩频解调)。 移动通信 电子工程系 李明
－扩频可以将信号隐藏在大量的背景噪声下，使它难以被检测出 优势： －扩频可以将信号隐藏在大量的背景噪声下，使它难以被检测出 －扩频还能降低ISI和窄带干扰 －扩频使得多个用户可以分享相同的信号带宽(扩频中信号间可以相互重叠，而且解调后的信号之间的干扰可以很小) －和RAKE接收机一起使用，可以有效地对抗多径衰落 移动通信 电子工程系 李明
在忽视噪声(Noise)影响的条件下，仅考虑干扰(Interference)时 SIR (Signal-to-Interference)为 式中，Es是发送信号所需能量；Ej是随信号而来的干扰能量；N是扩频后占用的带宽；M是扩频前占用的带宽；N>>M。 移动通信 电子工程系 李明
扩频后(信号输出)和扩频前(信号输入)的信噪比的差异为Gp=N/M Gp被称为处理增益，它体现了扩频系统信噪比改善的程度。 移动通信 电子工程系 李明
－发送端输入的信息经过信息调制形成数字信号； 扩频调制 １.系统模型 发送端 －发送端输入的信息经过信息调制形成数字信号； －用扩频码发生器产生的扩频码序列调制数字信号，展宽信号的频谱； －射频功率放大送到天线上发送出去； 移动通信 电子工程系 李明
－信号经过电路、高频放大器后送入到变频器，产生中频信号； 接收端 －信号经过电路、高频放大器后送入到变频器，产生中频信号； －用本地产生的与发送端完全相同的扩频码解扩； －信息解调，恢复信号。 移动通信 电子工程系 李明
图２－１７ 扩频通信原理框图
目前的扩频通信系统有：直接序列扩频、跳频、跳时、线性调频等。 移动通信 电子工程系 李明
２.DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 直接序列扩频，指的是直接使用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱；在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。 移动通信 电子工程系 李明
调制后的信号s(t)和一个宽带扩频信号或扩频码sc(t)相乘，sc(t)在一段时间Tc中是常数，并且振幅是1或-1。 扩频码比特一般被看作为码片(chip)，1/Tc被称为码片速率。 移动通信 电子工程系 李明
图２－２２ 直扩通信系统中的扩频和解扩
图２－１８ 扩频中窄带干扰的消除 忽略噪声时
３.FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) 跳频扩频，使调制后的信号在一定的带宽中通过改变符合一个扩频码sc(t)的载波频率跳跃变化。 在发送端，使用一台可以通过码片序列确定调制载波频率的频率合成器产生信号；在接收端，使用类似的频率合成器和码片序列进行解调。 移动通信 电子工程系 李明
图２－１９ 跳频原理图
图２－２０ 跳频示意图
慢跳频(SFH)：如果两跳之间的时间间隔Tc超过了一个符号时间，Tc=kTs，其中k为正整数。 快跳频(FFH)：在一个符号期间载波变化了多次， Tc=Ts/k，其中k为正整数。 移动通信 电子工程系 李明
慢跳频系统中，干扰被分散在数个符号上，因此使用交织编码可以避免在单个码字(codeword)上同时产生太多的差错。 快跳频系统中，每个符号都具有多种频率，因此可以保护符号，对抗窄带干扰和频率选择性衰落。 移动通信 电子工程系 李明
伪随机码：用来逼近真正的随机噪声的性能一种周期性的脉冲信号(码序列)。 伪随机(PN)序列 １.相关性 伪随机码：用来逼近真正的随机噪声的性能一种周期性的脉冲信号(码序列)。 互相关性：任意两个信号间的差异性，用互相关函数表征。差异越大，信号相互之间越不容易发生干扰，不会发生误判。 自相关性：一个信号与其自身延迟后信号之间的相似性，用自相关系数表征。 移动通信 电子工程系 李明
式中，f(t)和g(t-)代表两个不同的信号。如果以上表达式的结果为0，则表明它们之间的互相关性为0，互为正交。 通常希望两个信号的互相关性越小越好，则它们越容易区分，且相互间干扰也小。 移动通信 电子工程系 李明
码序列A和码序列B (由码序列A位移若干比特所得)只有完全相同时，自相关系数达到最大，等于1。 ２.码序列的自相关 码序列A和码序列B (由码序列A位移若干比特所得)只有完全相同时，自相关系数达到最大，等于1。 对于二进制序列，其自相关系数可表示为： 式中，A是相对应码元相同的数目，D是相对应码元不同的数目，P是码序列周期长度。 移动通信 电子工程系 李明
图２－２３ 自相关系数为-1/15
在CDMA中，任意两个信号必须保持正交或准正交，即它们的互相关性为零或很小。 ３.码序列的互相关 在CDMA中，任意两个信号必须保持正交或准正交，即它们的互相关性为零或很小。 不同的用户应选用自相关性强而互相关性弱的周期性码序列作为地址码。 移动通信 电子工程系 李明
图２－２４ 码长为４的４组正交码的波形
六、OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 移动通信 电子工程系 李明
相关带宽：指的是信道在两个频移处的频率响应保持强相关时的最大频率差。 OFDM和相关带宽的关系 相关带宽：指的是信道在两个频移处的频率响应保持强相关时的最大频率差。 传输带宽小于相关带宽，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦；大于相关带宽，信号的相关性变差，信道呈频率选择性衰落。 移动通信 电子工程系 李明
图２－２５ OFDM示意图
图２－２６ FDM与OFDM带宽利用率的比较
式中， ，为第m个子载波角频率，dm(t)为第个m子载波上的复数信号。 OFDM信号可以用复数形式表示为 式中， ，为第m个子载波角频率，dm(t)为第个m子载波上的复数信号。 移动通信 电子工程系 李明
OFDM信号调制与解调 调制：基于快速反傅立叶变换实现的。 解调：利用快速傅立叶变换实现的。 移动通信 电子工程系 李明
(a) (b) 图２－２７ (a)802.11a发射机示意图 (b)802.11a接收机示意图
载波频率的偏移会导致子信道之间产生干扰。 OFDM中的同步 １.载波同步 载波频率的偏移会导致子信道之间产生干扰。 多普勒频移：由于移动用户和基站之间的相对运动，每个多径传播都会产生一个明显的频率移动。由运动引起的接收信号频率的移动被称为多普勒频移fD，fD=vcos/ 式中，v为移动台速度， 无线电波波长， 为电波和移动台运动的夹角。 移动通信 电子工程系 李明
快速反傅立叶变换IFFT和快速傅立叶变换的起止时刻一致。 ２.样值同步 发送端和接收端的抽样频率一致。 ３.符号同步 快速反傅立叶变换IFFT和快速傅立叶变换的起止时刻一致。 移动通信 电子工程系 李明
图２－２８ OFDM中的同步示意图
信道估计(Channel Estimation) 目的：受信道的影响，信号在信道传输过程中可能会出现失真，因此必须在接收端进行信道估测，把信道的影响估计出来，达到对信号进行精确还原的目的。 移动通信 电子工程系 李明
利用接收机已知的信息(训练序列)来进行信道估计。 １.分类 －基于训练序列的信道估计算法 利用接收机已知的信息(训练序列)来进行信道估计。 －盲信道估计算法 利用传输数据内在的数学信息。 移动通信 电子工程系 李明
小结： 了解所学习的各种调制技术的相应计算部分，熟悉所学习的各种调制技术的特点，掌握移动通信信道的基本特征、跳频和扩频的原理及应用。 电子工程系 李明