第6讲 现代调制技术
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1、 6.1 正交振幅调制正交振幅调制(QAM) 6.2 最小移频键控最小移频键控(MSK) 6.3 高斯最小移频键控高斯最小移频键控(GMSK) 6.4 DQPSK调制调制 第第 6章章 现代数字调制解调技术现代数字调制解调技术第第 6 章章 现代数字调制解调技术现代数字调制解调技术在通信原理课程中我们讨论了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，然而，这三种数字调制方式都存在不足之处，如频谱利用率低、抗多径抗衰落能力差、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。例如，在恒参信道中，正交振幅
2、调制(QAM)和正交频分复用(OFDM)方式具有高的频谱利用率，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成功应用。高斯最小移频键控(GMSK)和/4DQPSK 具有较强的抗多径抗衰落性能，带外功率辐射小等特点，因而在移动通信领域得到应用。高斯最小移频键控用于泛欧数字蜂窝移动通信系统(GSM)，/4 DQPSK 用于北美和日本的数字蜂窝移动通信系统。 下面分别对几种具有代表性的数字调制系统进行讨论。 6.1正交振幅调制正交振幅调制(QAM) 在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注
3、的焦点之一。近年来，随着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一。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 6.1.1MQAM调制原理调制原理 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
4、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。 正交振幅调制信号的一般表示式为 sMQAM(t)= )cos()(ncSnntwnTtgA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(6.1 - 1)还可以变换为正交表示形式: sMQAM(t)= )cos()(ncSnntwnTtgAtwnTtgAtwnTtgAcnSnncnSnnsinsin)(coscos)(sMQAM(t)=令 Xn=An cos Yn=Ansin则式(6.1 - 2)变为 sMQAM(t)=()cos()sinnScnScnnX g tnTw tY g tnTw t
5、twtytwtXccsin)(cos)(QAM中的振幅Xn和Yn可以表示为 Xn=cnA Yn=dnA nn 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。 QAM信号调制原理图如图 6 - 1 所示。图中，输入的二进制序列经过串/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。 图6-1 QAM信号调制原理图2到 L电平变换2到
6、L电平变换预调制LPF预调制LPF串 / 并变换costsintAmBmy(t)已调信号输出 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 6 - 2 所示。在图 6 - 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 6 - 2(b)中，信号点的分布成星型，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)()(2122nMnndcMAsp 图 6- 216QAM的
7、星座图 (a) 方型16QAM星座； (b) 星型16QAM星座(2.61,0)(4.61,0)(2.61,0)(4.61,0)(0,2.61)(0,4.61)(0,4.61)(0,2.61)(3,3)(3,1)(3,1)(3,3)(3,3)(3,1)(3,3)(1,1) (1,1)(a)(b)对于方型16QAM，信号平均功率为22212210)18410824(16)()(AAdcMAspnMnn对于星型16QAM，信号平均功率为 2222212203.14)61. 4861. 24(16)()(AAdcMAspnMnn 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1
8、6QAM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信号的星座图如图 6 - 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。 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 dMPSK=2 sin M而MQAM信号矩形星座图上信号点间
9、的最小距离为图6-3 MQAM信号的星座图M4M16M256M128M64M32dMQAM= 1212ML 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(6.1 - 6)和(6.1 - 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，d16PSKd16QAM。 这表明，16QAM系统的抗干扰能力优于16PSK。 6.1.2 MQAM解调原理解调原理 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 6 - 4 所示。解调器输入信号与本地恢复的两个正交
10、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 6-4MQAM信号相干解调原理图LPF多电平转换定时恢复多电平判决LPFL到 2电平变换并 / 串变换载波恢复L到 2电平变换 6.1.3MQAM抗噪声性能抗噪声性能 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，利用多电平信号误码率的分析方法，可得到M进制QAM的误码率为 Pe= )(1log3)1 (02nELLerfcLb式中，M=L2，Eb为每比特码元能量，n0为噪声单边功率谱密度。
11、 图 6 -5 给出了M进制方型QAM的误码率曲线。 图 6- 5 M进制方型QAM的误码率曲线 642 0246810 12 14 16 18 20 22PSKM32QAMM16QAMPSKM4PSKM16QAMM641062551052104251032510225101PMSNR / bit / dB6.2 最小移频键控最小移频键控(MSK) 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。本节将讨论的MSK(Minimum Frequency Shift Keying)是二进制连
