現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)概要學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1現(xiàn)代現(xiàn)代(xindi)調(diào)制技術(shù)概要調(diào)制技術(shù)概要第一頁，共78頁。第2頁/共78頁第二頁，共78頁。 6.1正交振幅調(diào)制(QAM) 在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。近年來，隨著通信業(yè)務(wù)需求的迅速增長，尋找頻譜利用率高的數(shù)字調(diào)制方式已成為數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研究的主要目標(biāo)之一。正交振幅調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在中、 大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在移動(dòng)通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現(xiàn)，使得信道傳輸特性發(fā)生了很大變化。 過去在傳統(tǒng)

2、蜂窩系統(tǒng)中不能應(yīng)用的正交振幅調(diào)制也引起(ynq)人們的重視第3頁/共78頁第三頁，共78頁。 調(diào)制原理 正交振幅調(diào)制是用兩個(gè)獨(dú)立(dl)的基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用這種已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。 正交振幅調(diào)制信號(hào)的一般表示式為 sMQAM(t)= )cos()(ncSnntwnTtgA式中，An是基帶信號(hào)幅度，g(t-nTs)是寬度為Ts的單個(gè)基帶信號(hào)波形。 式(6.1 - 1)還可以(ky)變換為正交表示形式: sMQAM(t)= )cos()(ncSnntwnTtgA第4頁/共78頁第四頁，共78頁。twnTtg

3、AtwnTtgAcnSnncnSnnsinsin)(coscos)(sMQAM(t)=令 Xn=An cos Yn=Ansin則式(6.1 - 2)變?yōu)?sMQAM(t)=()cos()sinnScnScnnX g tnTw tY g tnTw ttwtytwtXccsin)(cos)(QAM中的振幅Xn和Yn可以(ky)表示為 Xn=cnA Yn=dnA nn第5頁/共78頁第五頁，共78頁。 式中，A是固定振幅，cn、dn由輸入數(shù)據(jù)確定。cn、dn決定了已調(diào)QAM信號(hào)在信號(hào)空間中的坐標(biāo)點(diǎn)。 QAM信號(hào)調(diào)制原理圖如圖 6 - 1 所示。圖中，輸入的二進(jìn)制序列(xli)經(jīng)過串/并變換器輸出速率

4、減半的兩路并行序列(xli)， 再分別經(jīng)過2電平到L電平的變換，形成L電平的基帶信號(hào)。 為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射，該L電平的基帶信號(hào)還要經(jīng)過預(yù)調(diào)制低通濾波器，形成X(t)和Y(t)，再分別對(duì)同相載波和正交載波相乘。 最后將兩路信號(hào)相加即可得到QAM信號(hào)。 第6頁/共78頁第六頁，共78頁。圖6-1 QAM信號(hào)(xnho)調(diào)制原理圖2到 L電平變換2到 L電平變換預(yù)調(diào)制LPF預(yù)調(diào)制LPF串 / 并變換costsintAmBmy(t)已調(diào)信號(hào)輸出第7頁/共78頁第七頁，共78頁。 信號(hào)矢量端點(diǎn)的分布圖稱為星座圖。通常，可以用星座圖來描述QAM信號(hào)的信號(hào)空間分布狀態(tài)。對(duì)于M=16的16QAM來說，

5、有多種分布形式的信號(hào)星座圖。 兩種具有代表(dibio)意義的信號(hào)星座圖如圖 6 - 2 所示。在圖 6 - 2(a)中， 信號(hào)點(diǎn)的分布成方型，故稱為方型16QAM星座，也稱為標(biāo)準(zhǔn)型16QAM。在圖 6 - 2(b)中，信號(hào)點(diǎn)的分布成星型，故稱為星型16QAM星座。 若信號(hào)點(diǎn)之間的最小距離為2A，且所有信號(hào)點(diǎn)等概率出現(xiàn)，則平均發(fā)射信號(hào)功率為)()(2122nMnndcMAsp第8頁/共78頁第八頁，共78頁。 圖 6- 216QAM的星座(xngzu)圖 (a) 方型16QAM星座(xngzu)； (b) 星型16QAM星座(xngzu)(2.61,0)(4.61,0)(2.61,0)(4.6

6、1,0)(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)第9頁/共78頁第九頁，共78頁。對(duì)于(duy)方型16QAM，信號(hào)平均功率為22212210)18410824(16)()(AAdcMAspnMnn對(duì)于(duy)星型16QAM，信號(hào)平均功率為 2222212203.14)61. 4861. 24(16)()(AAdcMAspnMnn 兩者功率相差1.4dB。另外，兩者的星座結(jié)構(gòu)也有重要的差別。一是星型16QAM只有兩個(gè)振幅值，而方型16QAM有三種振幅值；二是星型16

7、QAM只有8種相位值，而方型16QAM有12種相位值。這兩點(diǎn)使得在衰落信道中，星型16QAM比方(b fng)型16QAM更具有吸引力。第10頁/共78頁第十頁，共78頁。 M=4, 16, 32, , 256時(shí)MQAM信號(hào)的星座圖如圖 6 - 3 所示。其中，M=4, 16, 64, 256 時(shí)星座圖為矩形，而M=32, 128 時(shí)星座圖為十字形。前者M(jìn)為2的偶次方，即每個(gè)符號(hào)攜帶偶數(shù)個(gè)比特信息；后者M(jìn)為2的奇次方，即每個(gè)符號(hào)攜帶奇數(shù)(j sh)個(gè)比特信息。 若已調(diào)信號(hào)的最大幅度為1，則MPSK信號(hào)星座圖上信號(hào)點(diǎn)間的最小距離為 dMPSK=2 sin M而MQAM信號(hào)矩形(jxng)星座圖上

8、信號(hào)點(diǎn)間的最小距離為第11頁/共78頁第十一頁，共78頁。圖6-3 MQAM信號(hào)(xnho)的星座圖M4M16M256M128M64M32第12頁/共78頁第十二頁，共78頁。dMQAM= 1212ML 式中，L為星座圖上信號(hào)點(diǎn)在水平軸和垂直軸上投影的電平數(shù)，M=L2。由式(6.1 - 6)和(6.1 - 7)可以看出，當(dāng)M=4時(shí)，d4PSK=d4QAM，實(shí)際上，4PSK和4QAM的星座圖相同(xin tn)。當(dāng)M=16時(shí)，d16QAM=0.47，而d16PSK=0.39，d16PSKd16QAM。 這表明，16QAM系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于16PSK。 第13頁/共78頁第十三頁，共78頁。 解

9、調(diào)原理 MQAM信號(hào)同樣可以采用正交相干解調(diào)方法， 其解調(diào)器原理圖如圖 6 - 4 所示。解調(diào)器輸入信號(hào)與本地恢復(fù)的兩個(gè)正交載波相乘后，經(jīng)過(jnggu)低通濾波輸出兩路多電平基帶信號(hào)X(t)和Y(t)。多電平判決器對(duì)多電平基帶信號(hào)進(jìn)行判決和檢測，再經(jīng)L電平到2電平轉(zhuǎn)換和并/串變換器最終輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù)。 第14頁/共78頁第十四頁，共78頁。圖 6-4MQAM信號(hào)(xnho)相干解調(diào)原理圖LPF多電平轉(zhuǎn)換定時(shí)恢復(fù)多電平判決LPFL到 2電平變換并 / 串變換載波恢復(fù)L到 2電平變換第15頁/共78頁第十五頁，共78頁。 抗噪聲性能 對(duì)于(duy)方型QAM，可以看成是由兩個(gè)相互正交且獨(dú)立的多電

10、平ASK信號(hào)疊加而成。因此，利用多電平信號(hào)誤碼率的分析方法，可得到M進(jìn)制QAM的誤碼率為 Pe= )(1log3)1 (02nELLerfcLb式中，M=L2，Eb為每比特碼元能量，n0為噪聲(zoshng)單邊功率譜密度。 圖 6 -5 給出了M進(jìn)制方型QAM的誤碼率曲線。 第16頁/共78頁第十六頁，共78頁。圖 6- 5 M進(jìn)制方型QAM的誤碼率曲線(qxin) 642 0246810 12 14 16 18 20 22PSKM32QAMM16QAMPSKM4PSKM16QAMM641062551052104251032510225101PMSNR / bit / dB第17頁/共78頁

11、第十七頁，共78頁。 數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制，由于已調(diào)信號(hào)包絡(luò)恒定， 因此有利于在非線性特性的信道中傳輸。由于一般移頻鍵控信號(hào)相位不連續(xù)、頻偏較大等原因，使其頻譜利用率較低。本節(jié)將討論(toln)的MSK(Minimum Frequency Shift Keying)是二進(jìn)制連續(xù)相位FSK的一種特殊形式。MSK稱為最小移頻鍵控，有時(shí)也稱為快速移頻鍵控(FFSK)。所謂“最小”是指這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)(0.5)獲得正交信號(hào)； 而“快速”是指在給定同樣的頻帶內(nèi)，MSK能比2PSK的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，且在帶外的頻譜分量要比2PSK衰減的快。 第18頁/共78頁第十八頁，共78頁。 的基

12、本原理 MSK是恒定包絡(luò)連續(xù)相位頻率調(diào)制， 其信號(hào)(xnho)的表示式為 sMSK(t)= cos )2(kSkctTatw其中(qzhng)kTst(k+1)Ts, k=0, 1, 令SkSkkTktkTtTat) 1(,2)(則式(6.2 - 1)可表示(biosh)為 sMSK(t)= cosct+k(t) 第19頁/共78頁第十九頁，共78頁。式中，k(t)稱為附加(fji)相位函數(shù)；c為載波角頻率；Ts為碼元寬度；ak為第k個(gè)輸入碼元，取值為1；k為第k個(gè)碼元的相位常數(shù)，在時(shí)間kTst(k+1)Ts中保持不變，其作用是保證在t=kTs時(shí)刻信號(hào)相位連續(xù)。 令 k(t)=ct+ kSkt

13、Ta2則skckTawdttd2)(ScTw2ScTw21a1a 由式(6.2 - 5)可以(ky)看出，MSK信號(hào)的兩個(gè)頻率分別為第20頁/共78頁第二十頁，共78頁。 f1=fc- f1=fc+ ST41ST41中心(zhngxn)頻率fc應(yīng)選為 fc= ,.2 , 1,4nTnS式(6.2 - 8)表明，MSK信號(hào)在每一碼元周期內(nèi)必須(bx)包含四分之一載波周期的整數(shù)倍。fc還可以表示為 fc= STmN1)4(N為正整數(shù)； m=0, 1, 2, 3) 相應(yīng)地MSK信號(hào)的兩個(gè)(lin )頻率可表示為f1= TmNTfSc1)41(41第21頁/共78頁第二十一頁，共78頁。TmNTffS

14、c1)41(412由此可得頻率(pnl)間隔為f=f2-f1= MSK信號(hào)的調(diào)制指數(shù)為 h=f Ts= ST215 . 02121SSTT 當(dāng)取N=1, m=0 時(shí)，MSK信號(hào)(xnho)的時(shí)間波形如圖 6 - 6 所示。 第22頁/共78頁第二十二頁，共78頁。圖6-6 MSK 信號(hào)的時(shí)間(shjin)波形1001110tOsMSK(t)第23頁/共78頁第二十三頁，共78頁。k=k-1+(ak-1-ak) )1(2K1K) 1(1kKak=ak-1 akak-1 式中，若取k的初始參考值0=0，則k=0 或 (模2)k=0, 1, 2, 上式即反映(fnyng)了MSK信號(hào)前后碼元區(qū)間的相

15、位約束關(guān)系， 表明MSK信號(hào)在第k個(gè)碼元的相位常數(shù)不僅與當(dāng)前碼元的取值ak有關(guān)，而且還與前一碼元的取值ak-1及相位常數(shù)k-1有關(guān)。 對(duì)第k個(gè)碼元的相位常數(shù)k的選擇應(yīng)保證MSK信號(hào)(xnho)相位在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻是連續(xù)的。根據(jù)這一要求，由式(6.2 - 2)可以得到相位約束條件為第24頁/共78頁第二十四頁，共78頁。 由附加相位函數(shù)k(t)的表示式(6.2 - 2)可以看出，k(t)是一直線方程，其斜率為 ， 截距為k。由于ak的取值為1，故 是分段線性的相位函數(shù)。因此，MSK的整個(gè)相位路徑是由間隔(jin g)為Ts的一系列直線段所連成的折線。在任一個(gè)碼元期間Ts，若ak=+1，則k(t)線

16、性增加 ；若ak=-1， 則k(t)線性減小 。對(duì)于給定的輸入信號(hào)序列ak，相應(yīng)的附加相位函數(shù)k(t)的波形如圖 6 - 7 所示。 對(duì)于各種可能的輸入信號(hào)序列，k(t)的所有可能路徑如圖 6 - 8 所示，它是一個(gè)從-2到+2的網(wǎng)格圖。 tTaSk2tTaSk222第25頁/共78頁第二十五頁，共78頁。圖 6 7 附加相位(xingwi)函數(shù)k(t)的波形圖0k(t)111111111ak3 02 3 3 44 xk2TsTs3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts8Ts9Tst232325第26頁/共78頁第二十六頁，共78頁。圖 6 -8MSK的相位(xingwi)網(wǎng)格圖3Ts2 Ts5Ts7T

17、st 02k (t)第27頁/共78頁第二十七頁，共78頁。 從以上分析總結(jié)得出，MSK信號(hào)具有以下特點(diǎn)： （1）MSK信號(hào)是恒定(hngdng)包絡(luò)信號(hào)； （2）在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，信號(hào)的相位是連續(xù)的，以載波相位為基準(zhǔn)的信號(hào)相位在一個(gè)碼元期間內(nèi)線性地變化 ； （3） 在一個(gè)碼元期間內(nèi)， 信號(hào)應(yīng)包括四分之一載波周期的整數(shù)倍，信號(hào)的頻率偏移等于 ，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)h=0.5。 下面我們簡要討論一下MSK信號(hào)的功率譜。對(duì)于由式(6.2 - 1)定義的MSK信號(hào)，其單邊功率譜密度可表示為2ST41)(2cos)(161 8)(2222ScScSMSKTffTffTfP第28頁/共78頁第二十八頁，共78頁

18、。 根據(jù)式(6.2 - 16)畫出MSK信號(hào)的功率譜如圖 6 - 9 所示。 為了便于比較，圖中還畫出了2PSK信號(hào)的功率譜。 由圖 6 - 9 可以看出(kn ch)，與2PSK相比，MSK信號(hào)的功率譜更加緊湊， 其第一個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)在0.75/Ts處，而2PSK的第一個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)在1/Ts處。這表明，MSK信號(hào)功率譜的主瓣所占的頻帶寬度比2PSK信號(hào)的窄；當(dāng)(f-fc)時(shí)，MSK的功率譜以(f-fc)-4的速率衰減，它要比2PSK的衰減速率快得多，因此對(duì)鄰道的干擾也較小。 第29頁/共78頁第二十九頁，共78頁。圖 6 - 9MSK信號(hào)(xnho)的歸一化功率譜403020100sT75. 0s

19、T1sT2sT3( f fc ) / Hz功率譜密度 / dBMSK2PSK第30頁/共78頁第三十頁，共78頁。 調(diào)制解調(diào)原理 由MSK信號(hào)的一般表示(biosh)式(6.2 - 3)可得 sMSK(t)= cosct+k(t)=cosk(t) cosct-sink(t) sinct (6.2 - 17) 因?yàn)閗(t)= +k代入式(6.2 - 17)可得 sMSK(t)=coskcos tTaSk2twTtatwTtcSkkcSsin)2sin(coscos)2()(tIktwTttQtwTtcSkkcSsin)2sin(cos)(cos)2cos(第31頁/共78頁第三十一頁，共78頁。

20、上式即為MSK信號(hào)的正交表示形式。其同相分量(fn ling)為xI(t)= cosk cos 也稱為I支路。 其正交分量(fn ling)為xQ(t)=ak cosk sin 也稱為Q支路。cos 和sin 稱為加權(quán)函數(shù)。 由 式(6.2 - 18)可以畫出MSK信號(hào)調(diào)制器原理圖如圖 6 - 10 所示。圖中， 輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列經(jīng)過差分編碼和串/并變換后， I支路信號(hào)經(jīng)cos 加權(quán)調(diào)制和同相載波cosct相乘輸出同相分量(fn ling)xI(t)。 twTtcSkcos)2cos(twTtcScos)2()2(STt)2(STt)2(STt第32頁/共78頁第三十二頁，共78頁。圖6-1

21、0 MSK信號(hào)(xnho)調(diào)制器原理圖差分編碼串 / 并變換振蕩sTf41振蕩f fc相移90帶通濾波器遲延 Ts輸入數(shù)據(jù)MSK信號(hào)akckQkIkIkcos(t / 2Ts )Ikcos(t / 2Ts )cosctQksin(t / 2Ts )sinctQksin(t / 2Ts )sin(t / 2Ts )cos(t / 2Ts )第33頁/共78頁第三十三頁，共78頁。 Q支路信號(hào)先延遲Ts，經(jīng)sin 加權(quán)調(diào)制和正交載波sinct相乘輸出正交分量xQ(t)。xI(t)和xQ(t)相減就可得到已調(diào)MSK信號(hào)。 MSK信號(hào)屬于數(shù)字頻率調(diào)制信號(hào)，因此可以采用一般鑒頻器方式(fngsh)進(jìn)行解

22、調(diào)，其原理圖如圖 6 - 11 所示。鑒頻器解調(diào)方式(fngsh)結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)。 由于MSK信號(hào)調(diào)制指數(shù)較小，采用一般鑒頻器方式(fngsh)進(jìn)行解調(diào)誤碼率性能不太好，因此在對(duì)誤碼率有較高要求時(shí)大多采用相干解調(diào)方式(fngsh)。圖 6 - 12 是MSK信號(hào)相干解調(diào)器原理圖，其由相干載波提取和相干解調(diào)兩部分組成。 )2(STt第34頁/共78頁第三十四頁，共78頁。圖 6- 11MSK鑒頻器解調(diào)(ji dio)原理圖BPF鑒 頻LPF抽 樣判 決輸 出輸 入第35頁/共78頁第三十五頁，共78頁。圖 6 - 12MSK信號(hào)(xnho)相干解調(diào)器原理圖LPF判決電路LPF判決電路并 /

23、串變換差分譯碼載波恢復(fù)BPF輸入輸出cosctsinct第36頁/共78頁第三十六頁，共78頁。 的性能 設(shè)信道(xn do)特性為恒參信道(xn do)，噪聲為加性高斯白噪聲，MSK解調(diào)器輸入信號(hào)與噪聲的合成波為r(t)=cos(ct+ + k) +n(t) (6.2 - 21) 式中 n(t)=nc(t) cosct-ns(t) sinct是均值為0，方差為2的窄帶高斯噪聲。 經(jīng)過相乘、低通濾波和抽樣后，在t=2kTs時(shí)刻I支路的樣值為 (2kTs)=acosk+(-1)knc (6.2 - 22) 在t=(2k+1)Ts時(shí)刻Q支路的樣值為 (2k+1)Ts=aakcosk+(-1)kns

24、 QQtTaSk2第37頁/共78頁第三十七頁，共78頁。式中nc和ns分別為nc(t)和ns(t)在取樣時(shí)刻(shk)的樣本值。在I支路和Q支路數(shù)據(jù)等概率的情況下，各支路的誤碼率為 Ps= 0)(dxxfdxax0222)(exp21)(21rerfc式中， r= 為信噪比。 經(jīng)過交替門輸出和差分譯碼后， 系統(tǒng)(xtng)的總誤比特率為 Pe=2Ps(1-Ps) (6.2 - 25)MSK系統(tǒng)(xtng)誤比特率曲線如圖 6 - 13 所示。 由以上分析可以看出，MSK信號(hào)比2PSK有更高的頻譜利用率，并且有更強(qiáng)的抗噪聲性能，從而得到了廣泛的應(yīng)用。 222a第38頁/共78頁第三十八頁，共7

25、8頁。圖 6- 13MSK系統(tǒng)(xtng)誤比特率曲線 1081071061051041031024681012誤比特率Pc誤碼率 Psa222r / dBPs , Pc第39頁/共78頁第三十九頁，共78頁。 由上一節(jié)分析可知，MSK調(diào)制方式的突出優(yōu)點(diǎn)是已調(diào)信號(hào)具有恒定包絡(luò)，且功率譜在主瓣以外衰減較快。但是，在移動(dòng)通信中，對(duì)信號(hào)帶外輻射功率的限制十分嚴(yán)格(yng)，一般要求必須衰減70dB以上。從MSK信號(hào)的功率譜可以看出，MSK信號(hào)仍不能滿足這樣的要求。高斯最小移頻鍵控(GMSK)就是針對(duì)上述要求提出來的。GMSK調(diào)制方式能滿足移動(dòng)通信環(huán)境下對(duì)鄰道干擾的嚴(yán)格(yng)要求，它以其良好的性能

26、而被泛歐數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)所采用。 第40頁/共78頁第四十頁，共78頁。 的基本原理 MSK調(diào)制是調(diào)制指數(shù)為0.5的二進(jìn)制調(diào)頻，基帶信號(hào)為矩形波形。為了壓縮MSK信號(hào)的功率譜，可在MSK調(diào)制前加入預(yù)調(diào)制濾波器，對(duì)矩形波形進(jìn)行濾波，得到一種(y zhn)新型的基帶波形， 使其本身和盡可能高階的導(dǎo)數(shù)都連續(xù)，從而得到較好的頻譜特性。GMSK(GaussianFiltered Minimum Shift Keying)調(diào)制原理圖如圖6 - 14 所示。 為了有效地抑制MSK信號(hào)的帶外功率輻射，預(yù)調(diào)制濾波器應(yīng)具有以下特性： 第41頁/共78頁第四十一頁，共78頁。圖 6 14 GMSK調(diào)制

27、(tiozh)原理圖預(yù)調(diào)制濾波器MSK調(diào)制器輸入輸出第42頁/共78頁第四十二頁，共78頁。 (1) 帶寬窄并且具有陡峭的截止特性； (2) 脈沖響應(yīng)的過沖較??； (3) 濾波器輸出脈沖響應(yīng)曲線下的面積對(duì)應(yīng)(duyng)于/2的相移。 其中條件(1)是為了抑制高頻分量；條件(2)是為了防止過大的瞬時(shí)頻偏；條件(3)是為了使調(diào)制指數(shù)為0.5。 一種滿足上述特性的預(yù)調(diào)制濾波器是高斯低通濾波器， 其單位沖激響應(yīng)為exp)(2taath第43頁/共78頁第四十三頁，共78頁。傳輸函數(shù)為H(f)=exp(-2f2 ) (6.3 - 2)式中,是與高斯(o s)濾波器的3dB帶寬Bb有關(guān)的參數(shù)，它們之間的

28、關(guān)系為 Bb= 0.5887 如果輸入為雙極性不歸零矩形脈沖序列s(t): s(t)= 2ln21(),1nbnna b tnTa b(t) =,1bT020bTt 其他(qt)第44頁/共78頁第四十四頁，共78頁。其中, Tb為碼元間隔。高斯預(yù)調(diào)制(tiozh)濾波器的輸出為x(t)=s(t)*h(t)= g()nbnatnT式中, g(t)為高斯(o s)預(yù)調(diào)制濾波器的脈沖響應(yīng): g(t)=b(t)*h(t)= dhaTbbbbTTTTb)(122daaTbbbbTTTTb)(exp1222當(dāng)BbTb取不同值時(shí)，g(t)的波形(b xn)如圖 6 - 15 所示。 GMSK信號(hào)的表達(dá)式為

29、 sGMSK(t)=cos tbbnbcdTnTgaTtw)2(2第45頁/共78頁第四十五頁，共78頁。圖6-15 高斯(o s)濾波器的矩形脈沖響應(yīng)00.51024681.00.750.50.40.30.2BbTb0.1g(t)第46頁/共78頁第四十六頁，共78頁。式中，an為輸入數(shù)據(jù)。 高斯濾波器的輸出脈沖經(jīng)MSK調(diào)制得到GMSK信號(hào)，其相位路徑由脈沖的形狀決定。由于(yuy)高斯濾波后的脈沖無陡峭沿， 也無拐點(diǎn)，因此，相位路徑得到進(jìn)一步平滑，如圖 6 - 16 所示。 222TbTb4t(t)0圖 6 - 16GMSK信號(hào)(xnho)的相位路徑第47頁/共78頁第四十七頁，共78頁。

30、 圖 6 - 17 是通過計(jì)算機(jī)模擬得到(d do)的GMSK信號(hào)的功率譜。 圖中，橫坐標(biāo)為歸一化頻差(f - fc)Tb，縱坐標(biāo)為功率譜密度，參變量BbTb為高斯低通濾波器的歸一化3dB帶寬Bb與碼元長度Tb的乘積。BbTb=的曲線是MSK信號(hào)的功率譜密度。GMSK信號(hào)的功率譜密度隨BbTb值的減小變得緊湊起來。表 6 - 1 給出了作為BbTb函數(shù)的GMSK信號(hào)中包含給定功率百分比的帶寬。第48頁/共78頁第四十八頁，共78頁。圖 6 -17GMSK信號(hào)的功率(gngl)譜密度1200.160.20.30.5BbTb: TFMQPSKBbTb(MSK)1101009080706050403

31、0201001000.51.01.52.02.5功率譜密度 / dB第49頁/共78頁第四十九頁，共78頁。表表 6 1 GMSK信號(hào)中包含信號(hào)中包含(bohn)給定功率百分比的射頻帶寬給定功率百分比的射頻帶寬 BbTb 90% 60% 96.9% 96.99% 0.2 0.52Rb 0.79Rb0.99Rb1.22Rb0.25 0.57Rb0.86Rb1.09Rb1.37Rb0. 50.69Rb1.04Rb1.33Rb2.08Rb 0.78Rb1.20Rb2.76Rb6.00Rb第50頁/共78頁第五十頁，共78頁。 圖 6 - 18 是在不同BbTb時(shí)由頻譜分析儀測得的射頻輸出頻譜?？梢?，

32、測量值與圖6 - 17 所示的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果基本一致。 圖 6 - 19 是GMSK信號(hào)正交相干解調(diào)時(shí)測得的眼圖?？梢钥闯?， 當(dāng)BbTb較小時(shí)會(huì)使基帶波形中引入嚴(yán)重的碼間干擾(gnro)，從而降低性能。當(dāng)BbTb=0.25 時(shí)，GMSK的誤碼率比MSK下降1 dB。 第51頁/共78頁第五十一頁，共78頁。圖 6 18 不同BbTb時(shí)實(shí)測(sh c)GMSK信號(hào)射頻功率譜 第52頁/共78頁第五十二頁，共78頁。圖 6 - 19GMSK信號(hào)(xnho)正交相干解調(diào)的眼圖 第53頁/共78頁第五十三頁，共78頁。 的調(diào)制與解調(diào) 產(chǎn)生GMSK信號(hào)的一種簡單方法是采用鎖相環(huán)(PLL)法， 其原理圖如

33、圖 6 - 20 所示。圖中，輸入數(shù)據(jù)序列先進(jìn)行 相移BPSK調(diào)制，然后將該信號(hào)通過鎖相環(huán)對(duì)BPSK信號(hào)的相位突跳進(jìn)行平滑，使得信號(hào)在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻相位連續(xù)，而且沒有尖角。該方法實(shí)現(xiàn)GMSK信號(hào)的關(guān)鍵是鎖相環(huán)傳輸函數(shù)的設(shè)計(jì)，以滿足輸出(shch)信號(hào)功率譜特性要求。 由式(6.3 - 8)，GMSK信號(hào)可以表示為正交形式，即 sGMSK(t)=cosct+(t)=cos(t)cosct-sin(t)sinct 2第54頁/共78頁第五十四頁，共78頁。圖 6 -20PLL型GMSK調(diào)制器 移相BPSK2鎖相環(huán)振蕩器輸入輸出cosct第55頁/共78頁第五十五頁，共78頁。式中 (t)= dTnT

34、gaTbbtnb)2(2 由式(6.3 - 9)和式(6.3 - 10)可以構(gòu)成一種波形存儲(chǔ)正交調(diào)制器，其原理圖如圖 6 - 21 所示。 波形存儲(chǔ)正交調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)是避免了復(fù)雜的濾波器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，可以產(chǎn)生具有任何特性的基帶脈沖波形和已調(diào)信號(hào)。 GMSK信號(hào)的基本特征與MSK信號(hào)完全相同， 其主要差別是GMSK信號(hào)的相位軌跡比MSK信號(hào)的相位軌跡平滑。因此， 圖 6 - 12所示的MSK信號(hào)相干解調(diào)器原理圖完全適用GMSK信號(hào)的相干解調(diào)。 GMSK信號(hào)也可以采用圖 6 - 22 所示的差分(ch fn)解調(diào)器解調(diào)。圖 6 - 22(a)是1比特差分(ch fn)解調(diào)方案，圖 6 - 22(b)是

35、2比特差分(ch fn)解調(diào)方案。 第56頁/共78頁第五十六頁，共78頁。圖 6 2 1 波 形 存 儲(chǔ) 正 交 調(diào) 制 器 產(chǎn) 生(chnshng)GMSK信號(hào)cos函數(shù)表象限控制sin函數(shù)表D / A變換D / A變換LPFLPFBPF輸出輸入cosctsinct第57頁/共78頁第五十七頁，共78頁。 圖6-22GMSK 信號(hào)(xnho)差分解調(diào)器原理（a)1比特差分調(diào)節(jié)器 （b)2比特差分解調(diào)器BPF時(shí)延 Tb90 移相LPF抽樣判決信號(hào)輸入輸出BPF時(shí)延2 TbLPF抽樣判決信號(hào)輸入輸出(a)(b)限幅器第58頁/共78頁第五十八頁，共78頁。 系統(tǒng)的性能(xngnng) 假設(shè)信道

36、為恒參信道，噪聲為加性高斯白噪聲，其單邊功率譜密度為n0。 GMSK信號(hào)相干解調(diào)的誤比特率下界可以表示為 Pe= rderfc0minn221 式中，dmin為在t1到t2之間觀察所得的Hilbert空間中發(fā)送數(shù)據(jù)“1”和“0”對(duì)應(yīng)(duyng)的復(fù)信號(hào)u1(t)和u0(t)之間的最小距離， 即 dttutudtttutu201)(),(2min2110)()(min第59頁/共78頁第五十九頁，共78頁。 在恒參信道，加性高斯白噪聲條件下，測得的GMSK相干解調(diào)誤比特率曲線如圖6 - 23 所示。由圖可以看出(kn ch)，當(dāng)BbTb=0.25 時(shí)，GMSK的性能僅比MSK下降1dB。由于移

37、動(dòng)通信系統(tǒng)是快速瑞利衰落信道，因此誤比特性能要比理想信道下的誤比特性能下降很多。具體誤比特性能要通過實(shí)際測試。 第60頁/共78頁第六十頁，共78頁。圖6-23 例相信(xingxn)道下GMSK相干解調(diào)誤比特率曲線 BbTb(MSK)0.250.20理想BPSK檢測前高斯BPFBbTb0.6310610510410310210146810121416BEREbNo/ dB第61頁/共78頁第六十一頁，共78頁。 DQPSK( -Shift Differentially Encoded Quadrature Phase Shift Keying)是一種正交相移鍵控調(diào)制方式，它綜合了QPSK和O

38、QPSK兩種調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)。 DQPSK有比QPSK更小的包絡(luò)波動(dòng)和比GMSK更高的頻譜利用率。在多徑擴(kuò)展和衰落的情況下， DQPSK比OQPSK的性能更好。 DQPSK能夠采用非相干解調(diào)，從而(cng r)使得接收機(jī)實(shí)現(xiàn)大大簡化。 DQPSK已被用于北美和日本的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。 4444444第62頁/共78頁第六十二頁，共78頁。 的調(diào)制原理 在 DQPSK調(diào)制器中，已調(diào)信號(hào)的信號(hào)點(diǎn)從相互偏移 的兩個(gè)QPSK星座圖中選取。圖 6 - 24 給出了兩個(gè)相互偏移 的星座圖和一個(gè)合并的星座圖，圖中兩個(gè)信號(hào)點(diǎn)之間的連線表示可能的相位跳變?？梢?， 信號(hào)的最大相位跳變是 。 另外，由圖 6 -

39、24 還可看出，對(duì)每對(duì)連續(xù)的雙比特其信號(hào)點(diǎn)至少有 的相位變化，從而使接收機(jī)容易進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)和同步。 DQPSK調(diào)制器原理圖如圖 6 - 25所示。輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列經(jīng)過串/并變換和差分相位編碼輸出同相支路信號(hào)Ik和正交支路信號(hào)Qk，Ik和Qk的符號(hào)速率是輸入數(shù)據(jù)速率的一半。在第k個(gè)碼元區(qū)間內(nèi)，差分相位編碼器的輸出和輸入有如下(rxi)關(guān)系:444443444第63頁/共78頁第六十三頁，共78頁。 圖 6- 24 DQPSK信號(hào)(xnho)的星座圖 4QkIkQkIk(a)(b)QkIk(c)第64頁/共78頁第六十四頁，共78頁。圖 6-25 DQPSK調(diào)制器原理圖 4LPFLPF輸出co

40、sctsinct差分相位編碼串 / 并變換輸入QkIk第65頁/共78頁第六十五頁，共78頁。 Ik=Ik-1cosk-Qk-1sink (6.4 - 1) Qk=Ik-1sink+Qk-1cosk式中，k是由差分相位編碼器的輸入數(shù)據(jù)xk和yk所決定的。 采用Gray編碼的雙比特（xk，yk）與相移k的關(guān)系如表 9 - 2所示。差分相位編碼器的輸出Ik和Qk共有五種取值： 為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外功率輻射(fsh)，在進(jìn)行正交調(diào)制前先使同相支路信號(hào)和正交支路信號(hào)Ik和Qk通過具有線性相位特性和平方根升余弦幅頻特性的低通濾波器。幅頻特性表示式為 . 1,21, 0)( fH1,2) 12(sin1

41、21afT00f Ta21Ta21 fTa21fTa21第66頁/共78頁第六十六頁，共78頁。表表 6 2 采用采用(ciyng)Gray編碼的雙比特編碼的雙比特(xk, yk)與相移與相移k的關(guān)系表的關(guān)系表 xkyk00011110k443434第67頁/共78頁第六十七頁，共78頁。 式中，g(t)為低通濾波器輸出脈沖波形，k為第k個(gè)數(shù)據(jù)期間的絕對(duì)相位。k可由以下差分編碼得出: k=k-1+k (6.4 - 5) DQPSK是一種線性調(diào)制，其包絡(luò)不恒定(hngdng)。若發(fā)射機(jī)具有非線性放大，將會(huì)使已調(diào)信號(hào)頻譜展寬，降低頻譜利用率。 為了提高功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍，改善輸出信號(hào)的頻譜特性， 通常采用具有負(fù)反饋控制的功率放大器。 4第68頁/共78頁第六十八頁，共78頁。 的解調(diào) DQPSK可以采用與4DPSK相似的方式解調(diào)。 在加性高斯白噪聲(AWGN)信道中，相干解調(diào)的 DQPSK與DQPSK有相同的誤碼性能。為了(