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1、微波与卫星通信微波与卫星通信(tng xn)微波与卫星通微波与卫星通信信(tng xn)的通信的通信(tng xn)体制体制第一页，共167页。3.13.13.13.1信号信号信号信号(xnho)(xnho)(xnho)(xnho)传输方式与复用方式传输方式与复用方式传输方式与复用方式传输方式与复用方式 1.1.信号传输方式信号传输方式信号传输方式一般分为基带传输和频带传输两种。基带传输是指无需进行基带频谱搬移就能以基带信号形式传输信号的方式。若将基带信号的频谱搬移到某个信号传输方式一般分为基带传输和频带传输两种。基带传输是指无需进行基带频谱搬移就能以基带信号形式传输信号的方式。若将基带信号的
2、频谱搬移到某个(mu)(mu)载波频带内进行传输，则此方式就是频带传输，所传输的信号称为频带信号。在数字微波和卫星系统中都采用频带传输方式，但有一定的区别。载波频带内进行传输，则此方式就是频带传输，所传输的信号称为频带信号。在数字微波和卫星系统中都采用频带传输方式，但有一定的区别。第1页/共167页第二页，共167页。微波信道既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。因为数字信号的抗干扰性能强，传输质量高，所以目前(mqin)在长途微波通信干线中以传输数字信号为主，构成数字微波通信系统。又因为微波的发射频率很高，所以在数字微波传输系统中，常用脉冲形式的基带序列对中频频率70MHz或140MHz进
3、行调制，然后再变换到微波频率进行传输。第2页/共167页第三页，共167页。在低速数字微波(wib)通信系统设备中，一个波道的发信机(或收信机)只使用一个载频(即射频)。在SDH数字微波(wib)通信系统中，采用多进制编码的64QAM、128QAM、256QAM和512QAM调制方式，同时还采用多载频的传输方式。例如采用4个载频，使每个载频都用256QAM调制方式去传输100Mb/s信息，这样一个波道的4个载频同时传送，就可以传输4倍这样的信息，而其占用的频谱却与只用一个载频传输时所占用的频谱相当。这样使数字微波(wib)朝着既扩大容量，又不占用较大信道带宽的方向发展。第3页/共167页第四页
4、，共167页。卫星通信系统有单路制和群路制两种方式。所谓单路制，就是一个用户的一路信号去调制一个载波，即单路单载波（SCPC）方式；所谓群路制，就是多个要传输(chun sh)的信号按照某种多路复用方式组合在一起，构成基带信号，再去调制载波（即MCPC方式）。第4页/共167页第五页，共167页。2.2.多路复用方式多路复用方式把在同一信道中能够同时传把在同一信道中能够同时传输多路信息且互不干扰的方式称输多路信息且互不干扰的方式称为多路复用。目前，广泛采用的为多路复用。目前，广泛采用的多路复用方式有两种，一是频分多路复用方式有两种，一是频分多路复用（多路复用（FDMFDM），二是时分多），二是
5、时分多路复用（路复用（TDMTDM）。）。FDMFDM是从频域的是从频域的角度进行分析的，使各路信号角度进行分析的，使各路信号(xnho)(xnho)在频率上彼此分开，而在频率上彼此分开，而在时域上彼此混叠在一起；在时域上彼此混叠在一起；TDMTDM是从时域的角度进行分析的，使是从时域的角度进行分析的，使各路信号各路信号(xnho)(xnho)在时间上彼此在时间上彼此分开，而在频域上彼此混叠在一分开，而在频域上彼此混叠在一起。起。第5页/共167页第六页，共167页。1）频分多路（FDM）方式模拟信号一般采用频分多路（FDM）方式。它将各路用户信号采用单边带调制(tiozh)（SSB)，将其频
6、谱分别搬移到互不重叠的频率上，形成多路复用信号，然后在一个信道中同时传输。接收端用滤波器将各路信号分离。由于是用频率区分信号的，故称之为频分多路复用。在频分复用中，信道的可用频带被分割成若干彼此互不重叠的频段，每路信号占据其中一个频段。为了使各路信号的频谱互不重叠，因此，在各路信号的发送端都使用了适当的滤波器。若不考虑信道中所引入的噪声和干扰的影响，在接收端进行信息接收时，各路信号应严格地限制在本信道通带之内。这样当信号经过带通滤波器之后，就可提取出各自信道的已调波，然后通过解调器、低通滤波器，获得原信号。第6页/共167页第七页，共167页。频分复用系统中的主要问题在于各路信号之间存在相互干
7、扰。这是由于系统非线性器件的影响使各路信号之间产生组合波，当其落入本波道通带之内时，就构成干扰。特别(tbi)值得注意的是在信道传输中的非线性所造成的干扰是无法消除的，因而频分复用系统对系统线性的要求很高，同时还必须合理地选择各路载波频率，并在各路载波频带之间增加保护带宽来减小干扰。第7页/共167页第八页，共167页。2）时分多路（TDM）方式对数字信号而言，通常采用时分多路复用方式。它将一条通信线路的工作时间周期性地分割成若干个互不重叠的时隙，分配给若干个用户，每个用户分别(fnbi)使用指定的时隙。这样，就可以将多路信号在时间轴上互不重叠地穿插排列在同一条公共信道上进行传输。因此在接收端
8、可以利用适当的选通门电路在各时隙中选出各路用户的信号，然后再恢复成原来的信号。第8页/共167页第九页，共167页。3.23.2调制调制调制调制(tiozh)(tiozh)方式方式方式方式 3.2.13.2.1微波与卫星通信中的调制方式微波与卫星通信中的调制方式在数字微波通信系统中，常用脉冲形式的基带序列对中频频率在数字微波通信系统中，常用脉冲形式的基带序列对中频频率70MHz70MHz或或140MHz140MHz进行调制，然后再变换进行调制，然后再变换(binhun)(binhun)到微波频率进行传输。到微波频率进行传输。在低速数字微波通信系统中，一个波道的发信机在低速数字微波通信系统中，一
9、个波道的发信机(或收信机或收信机)只使用一个载频只使用一个载频(即射频即射频)。在。在SDHSDH数字微波通信系统中，采用多进制编码的数字微波通信系统中，采用多进制编码的64QAM64QAM、128QAM128QAM、256QAM256QAM和和512QAM512QAM调制方式。调制方式。第9页/共167页第十页，共167页。在卫星通信系统中，既采用了模拟调制，也采用了数字调制。目前模拟卫星通信系统主要采用频率调制(FM)，这是因为FM技术成熟，且传输质量好，能得到较高的信噪比。在这种系统中，一般可采用预加重技术、门限扩展技术和语音压扩技术来增加系统的传输带宽，提高系统的传输容量。数字调制中仍
10、然采用正弦波作为载波信号。由于正弦信号有幅度、频率和相位三种基本参量，因此可以(ky)构成幅度键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)(差分移相键控(DPSK)三种基本调制方式，其调制波形如图31所示。第10页/共167页第十一页，共167页。图图3 31 1二进制基带信号二进制基带信号(xnho)(xnho)的调制波形的调制波形 第11页/共167页第十二页，共167页。图图3 32 2三种三种(sn zhn)(sn zhn)调制方式所对应的功率谱调制方式所对应的功率谱 第12页/共167页第十三页，共167页。数字卫星通信中选择调制方式，应综合考虑多方面的因素。（1）由于通信
11、卫星位于外层空间，因而卫星信道的自由空间部分无起伏衰落现象，只引入白高斯噪声，可视为恒参信道，因此，可以考虑采用最佳的调制和检测方式，如PSK方式。（2）在发射设备中采用了高频功率放大器(HPA)，而转发器中使用了行波管放大器(TWTA)。它们的输入、输出(shch)特性均为非线性特性，而且具有幅相转换(AM/PM)效应，即当输入信号变化时，其输出(shch)信号的相位也随之发生变化。因此，ASK技术及含有ASK的混合调制一般不宜采用，而应该采用恒包络调制方式。第13页/共167页第十四页，共167页。（3）应考虑卫星频带和功率的有效利用、带限与延迟失真、邻近信道干扰和同信道干扰等的影响，以及
12、卫星工作(gngzu)点的选择、同步电路设计、调制解调设备实现的难易程度，等等。概括起来可以把数字卫星通信的调制方式分成两大类：一是充分利用功率的调制方式，二是充分利用带宽的调制方式（射频）。第14页/共167页第十五页，共167页。3.2.23.2.2模拟调制模拟调制宽带宽带FMFM1.1.调频信号的产生调频信号的产生产生调频信号的方法有两种产生调频信号的方法有两种,一种是直接法，另一种是倍频一种是直接法，另一种是倍频法。法。用倍频法产生调频信号时，用倍频法产生调频信号时，首先利用窄带调频器来产生窄带首先利用窄带调频器来产生窄带调频信号，然后调频信号，然后(rnhu)(rnhu)再用倍再用倍
13、频的方法将其变换成宽带信号，频的方法将其变换成宽带信号，如图如图3 33 3所示。所示。第15页/共167页第十六页，共167页。图图3 33 3倍频法实现宽带倍频法实现宽带(kun di)(kun di)调频调频 第16页/共167页第十七页，共167页。由调频的概念可以得出已调频信号x（t）与调制(tiozh)信号s（t）之间的关系，即（31）式中A为调频信号的载波(zib)振幅,0为调频信号载波(zib)的角频率,Kf（是一个常数）为调制灵敏度，s（t）为调制信号，0为t=0时的载波(zib)相位。为了便于分析，经常假设0=0。第17页/共167页第十八页，共167页。通常将由调频引起的
14、最大瞬时相位(xingwi)偏移远小于30的情况称为窄带调频，此时近似有下列关系成立：因此(ync)式（31）可改写为（设0=0）：（32）第18页/共167页第十九页，共167页。倍频器的输入(shr)、输出端之间的关系为（33）其中a为常数。可以看出，载频和相位均增加了一倍。让倍频器的输出信号经过一个带通滤波器时，就可以将其中的直流成分(chng fn)滤除，获得一个新的调频信号。第19页/共167页第二十页，共167页。2.调频信号的解调调频信号的解调过程(guchng)如图34所示。在信号传输过程(guchng)中，会有噪声夹杂在有用信号中，当接收端收到FM信号时，也收到了噪声信号。这
15、些噪声信号同样经过低噪声放大器和下变频器变成中频频率，并同有用信号一起进入中频带通滤波器，带通滤波器的带宽选择合适，就能够滤出带外噪声。第20页/共167页第二十一页，共167页。图图3 34 4 FMFM信号信号(xnho)(xnho)的解调过程的解调过程 第21页/共167页第二十二页，共167页。3.3.性能指标性能指标1 1）FMFM信号的带宽信号的带宽只要系统所提供的传输带宽只要系统所提供的传输带宽（B B）足以容纳）足以容纳(rngn)(rngn)调频波调频波频谱能量的频谱能量的98%98%以上，就可忽略以上，就可忽略信号失真的影响。我们把此时的信号失真的影响。我们把此时的带宽称为
16、射频传输带宽。此时可带宽称为射频传输带宽。此时可认为传输带宽为认为传输带宽为 B=2(mf+1)Fm(34)式中，,Fm为调制信号的最高频率；fp为调制信号的峰值频偏。式(34)亦可由下式表示：B=2(fp+Fm)(35)第22页/共167页第二十三页，共167页。由于FDM信号的波形与热噪声的波形很相似，而其峰值频率又与信号的峰值电压相对应。为此，我们定义一个新的物理量峰值因数Fp，它是峰值电压与有效电压的比值。可见(kjin)，信号的峰值电压与所选取的峰值因数Fp有关，其关系可用下式表示：fp=Fplfr(36)式中，fr为测试音的有效(yuxio)频偏，它代表在多路信号的相对电平为0dB
17、处传输1mW测试信号时，频率调制器输出端所产生的有效(yuxio)值；l称为负载因数。在卫星通信中，Fp的取值范围为3.164.45，l一般取2.82，fr取577kHz。第23页/共167页第二十四页，共167页。2）调频解调器输出信噪比信噪比是衡量系统传输质量的一个重要参数，其数值等于(dngy)信号功率与噪声功率之比。由图32可知，输入信噪比，低通滤波器输出(shch)端的信噪比为(37)由此可得解调(ji dio)信噪比增益为(38)卫星通信系统中常取mf=5，此时解调信噪比增益可达450。第24页/共167页第二十五页，共167页。3.2.33.2.3数字调制数字调制1.PSK1.P
18、SK方式方式在中容量数字微波通信和卫在中容量数字微波通信和卫星通信中，星通信中，QPSK(4PSK)QPSK(4PSK)是应用较是应用较广泛的一种调制方式。这里我们广泛的一种调制方式。这里我们将介绍二进制移相键控（将介绍二进制移相键控（BPSKBPSK即即2PSK2PSK）、四相移相键控（）、四相移相键控（QPSKQPSK）的调制原理及它们的几种的调制原理及它们的几种(j(j zhn)zhn)改进形式。改进形式。1 1）二进制绝对调相）二进制绝对调相（2PSK2PSK）和相对调相（）和相对调相（2DPSK2DPSK）方式方式绝对调相是利用载波信号的绝对调相是利用载波信号的不同相位去传输数字信号
19、的不同相位去传输数字信号的“1”“1”和和“0”“0”码的，二进制绝对码的，二进制绝对调相的变换规则是：数据调相的变换规则是：数据“1”“1”对应于已调信号的对应于已调信号的00相位，数相位，数据据“0”“0”对应于已调信号的对应于已调信号的180180相位，如图相位，如图3 35 5（b b）所示；或）所示；或反之。反之。第25页/共167页第二十六页，共167页。相对调相是利用载波信号相位的相对关系表示数字信号的“1”和“0”码的，其变换规则是：数据“1”使已调信号的相位变化180相位，数据“0”使已调信号的相位变化0相位，如图35（c）所示；或反之。图中的0和180的变化是相对于已调信号
20、前一码元的相位的，或者说，这里(zhl)的变化是以已调信号的前一码元相位作参考相位而变化的。第26页/共167页第二十七页，共167页。图图3 35 52PSK2PSK与与2DPSK2DPSK的调相波形的调相波形(b xn)(b xn)第27页/共167页第二十八页，共167页。2）2PSK信号、2DPSK信号的产生与解调2PSK信号的产生方法有直接调相法和相位选择法两种，如图36所示。直接调相法采用环形调制器产生调制信号；相位选择法的基带信号由“1”码控制(选择)0相位载波(zib)信号输出，“0”码控制相位载波(zib)信号输出，从而获得了绝对移相的已调信号。第28页/共167页第二十九页
21、，共167页。图图3 36 6二进制绝对调相信号的产生二进制绝对调相信号的产生(chnshng)(chnshng)电路电路 第29页/共167页第三十页，共167页。2PSK信号的解调用相干检测法，又称为极性比较法，其电路原理方框图如图37(a)所示。先将调相信号S（t）经全波整流后，通过窄带滤波器(中心频率为2fc)将整流后得到的二次谐波成分2fc滤出。然后对2fc信号限幅、二分频，二分频器输出(shch)的就是提取出来的相干载波，其形状为方波，此为载波提取过程。2PSK已调波S（t）与相干载波通过相乘器进行极性比较(即解调)，解调获得输出(shch)信号，如图37（b）所示。极性相同，输出
22、(shch)为正；极性相反，输出(shch)为负。乘法器输出(shch)信号经低通滤波和判别后，即可得到基带信号，如图中的波形。第30页/共167页第三十一页，共167页。图图3 37 7二相绝对调相信号二相绝对调相信号(xnho)(xnho)的解调的解调 第31页/共167页第三十二页，共167页。2PSK信号的解调存在一个问题，即二分频电路输出存在相位不定性或称相位模糊问题（相位可能为0，也有可能为180）。当二分频电路输出的相位不定时，相干解调输出的基带信号就会存在0或1倒相现象。解决这一问题的方法就是采用(ciyng)相对调相，即2DPSK方式。2DPSK信号与2PSK信号之间存在着内
23、在的联系。只要将输入的基带数据序列变换成相对序列，即差分码序列，然后用相对序列去进行绝对调相，便可得到2DPSK信号，如图3-8(a)所示。第32页/共167页第三十三页，共167页。图图3 38 82DPSK2DPSK信号信号(xnho)(xnho)的产生与解调的产生与解调 第33页/共167页第三十四页，共167页。设an、Dn分别表示绝对码序列和差分码序列，其相应(xingyng)关系为（39）式中，为模2加。按上式计算时，初始值Dn-1可以(ky)任意假设，应有：当an=1时，DnDn-1；当an=0时，Dn=Dn-1。第34页/共167页第三十五页，共167页。2DPSK的解调方法有
24、两种：极性比较法和相位比较法。图38(b)所示的是极性比较法的实现原理框图。极性比较法对2DPSK信号先进行2PSK解调，然后用码变换器将差分码变为绝对码。在进行2PSK解调时，可能会出现“1”、“0”倒相现象。但变换为绝对码后的码序列是惟一的，即与倒相无关。接收端码变换器的功能是完成(wn chng)Dnan的转换。由式(39)应有（310）2DPSK信号的另一种解调方法(fngf)是相位比较法，又称差分相干解调法。具体解调原理我们将在DQPSK信号中介绍。第35页/共167页第三十六页，共167页。3）多相调制上面讨论的二相调制是用载波的两种相位(0，)去传输二进制的数字信息“1”和“0”
25、的，如图39(a)所示。在现代数字微波和卫星通信中，为了提高(t go)信息传输速率，往往利用载波的一种相位去携带一组二进制信息码，如图39(b)、(c)所示。第36页/共167页第三十七页，共167页。图图3 39 9多相多相(du xin)(du xin)调相的相位矢量图调相的相位矢量图 第37页/共167页第三十八页，共167页。四相调制，既可以表示为四相调制，既可以表示为QPSKQPSK，也可以表示为，也可以表示为4PSK4PSK，它用载波的四种不同相位与两位二，它用载波的四种不同相位与两位二进制信息码（进制信息码（ABAB）的组合（）的组合（0000，0101，1111，1010）对
26、应来表征传送的数据信息。在）对应来表征传送的数据信息。在QPSKQPSK调制中，调制中，首先对输入的二进制数据按二位数字编成一组，构成双比特码元。其组合共有首先对输入的二进制数据按二位数字编成一组，构成双比特码元。其组合共有2222种，即有种，即有2222种不同状态种不同状态(zhungti)(zhungti)，故可以用，故可以用M=22M=22种不同相位或相位差来表示。若将载波的一个周期种不同相位或相位差来表示。若将载波的一个周期()均匀地分成四种相位，可有两种方式，即均匀地分成四种相位，可有两种方式，即0,0,2,32,32,22,2和和4,34,34,54,54,7 4,7 4 4。四相
27、调相电路与这两种方式对应，分为。四相调相电路与这两种方式对应，分为2 2调相系统和调相系统和4 4调相系统。同样，调相系统。同样，若采用八相调制方式，在一个码元时间内可传送若采用八相调制方式，在一个码元时间内可传送3 3位码，其信息传输速率是二相调制方式的位码，其信息传输速率是二相调制方式的3 3倍。由此可见，采用多相调制的级数愈多，系统的传输速率愈高，但相邻载波之间的相位差倍。由此可见，采用多相调制的级数愈多，系统的传输速率愈高，但相邻载波之间的相位差愈小，接收时要区分它们的困难程度就愈大，将使误码率增加。目前在多相调相方式中，通愈小，接收时要区分它们的困难程度就愈大，将使误码率增加。目前在
28、多相调相方式中，通常采用四相制和八相制。常采用四相制和八相制。第38页/共167页第三十九页，共167页。四相调相已调波在两种调相系统中的矢量图分别如图310的(a)、(b)所示。图310(c)、(d)所示的是两种调相系统已调波起始调相角对应的相位起始点位置的示意图。从图310(a)、(b)所示可以看出，相邻已调波矢量对应的双比特码之间只有一位不同。双比特码的这种排列关系叫循环码(也叫格雷码)。在对多相调制信号进行解调时，这种码型有利于减少相邻相位误判而造成的误码，可提高(t go)数字信号频带传输的可靠性。第39页/共167页第四十页，共167页。图图3 31010两种调相系统的相位两种调相
29、系统的相位(xingwi)(xingwi)矢量图和起始相角矢量图和起始相角 第40页/共167页第四十一页，共167页。四相调制也有绝对调相和相对调相两种方式，分别记作4PSK和4DPSK。绝对调相的载波起始相位与双比特码之间有一种固定的对应关系(gun x)，但相对调相的载波起始相位与双比特码之间没有固定的对应关系(gun x)，它是以前一时刻双比特码对应的相对调相的载波相位为参考而确定的，其关系(gun x)式为（311）其中，k为本时刻(shk)相对调相已调波起始相位；k-1为前一时刻(shk)相对调相已调波起始相位；k为本时刻(shk)相对前一时刻(shk)已调波的相位变化量。第41页
30、/共167页第四十二页，共167页。四相调制产生QPSK信号的电路很多，常见的有正交调制法和相位选择法。其中正交调制法使用得最为普遍，图311(a)所示的就是用这种方法产生4PSK信号的原理图。用两位二进制信息码(AB)的组合来产生4PSK信号，一个4PSK信号可以看做是两种正交的2PSK信号的合成，可用串/并变换电路将输入的二进制序列依次分为两个并行的序列。QPSK信号可用两路相干解调器分别进行(jnxng)解调，因此图311(b)中，上、下两个支路分别是2PSK信号解调器，它们分别用来检测双比特码元中的A码元和B码元，然后通过并/串变换电路还原为串行数据信息。第42页/共167页第四十三页
31、，共167页。图图3 31111QPSKQPSK信号的产生信号的产生(chnshng)(chnshng)与解调原理图与解调原理图 第43页/共167页第四十四页，共167页。AB二码元的组合有00、01、11和10四种。序列由00到01，然后到11，再到10，最后回到00的过程，其相位路径是沿正方形边界变化的。当两个码同时出现改变时，相位路径将沿对角线变化，即过原点，如图312所示。在调相系统中，通常(tngchng)是不采用绝对调相方式的。这是因为在性能较好的调相系统中，都使用相干解调方式，为了克服相干载波的倒现象可能造成的严重误码，实际的四相调相系统都采用相对调相方式，即4DPSK。第44
32、页/共167页第四十五页，共167页。图图3 31212QPSKQPSK信号的相位信号的相位(xingwi)(xingwi)路径图路径图 第45页/共167页第四十六页，共167页。当处于外层空间的通信卫星相对于地球作高速运动时，在卫星移动通信中存在多普勒频移现象(xinxing)，对接收信号构成干扰，严重时会影响信息传输质量。而/4DQPSK是一种具有多普勒频移校正功能的调制解调器，下面介绍/4DQPSK信号的产生与解调。四相相对调相可采用类似两相调相系统码变换的方法。在图311（a）给出的4PSK信号产生的原理图的串并变换之前加入一个码变换器，即把输入数据序列变换为差分码序列，就为4DPS
33、K信号产生的原理图。也可采用正交调制法产生相对调相信号，方框图如图3-13所示，这是一个/4调相系统。第46页/共167页第四十七页，共167页。图图3 31313四相相对四相相对(xingdu)(xingdu)调相电路方框图（调相电路方框图（/4/4系统）系统）第47页/共167页第四十八页，共167页。差分相干解调是以相邻前一码元的载波相位作为参考相位的，故解调时可直接比较前后码元载波的相位，从而直接得到相位差携带的数据信息。在图314中给出了DQPSK差分相干解调器的框图。从图中可以(ky)看出，解调的目的就是从已调DQPSK信号中恢复出k,在已调信号中存在多普勒频移的情况下，能正确恢复
34、出cosk和sink即可。DQPSK称为偏置四相移相键控，它是在QPSK基础之上发展起来的。第48页/共167页第四十九页，共167页。图图3 31414/4/4DQPSKDQPSK的中频差分的中频差分(ch fn)(ch fn)相干解调器框图相干解调器框图 第49页/共167页第五十页，共167页。从QPSK的相位路径图中可以看出，当两位码同时变化时，QPSK信号的相位矢量必将经过原点。这意味着QPSK信号经过滤波器后，其包络将在相位矢量过原点时为0，如图315所示。可见此时(c sh)包络起伏性最大。如果再加上卫星信道的非线性及AM/PM效应的影响，那么这种包络的起伏性将转化为相位的变化，
35、从而给系统引入了相位噪声，严重时会影响系统通信质量。因此，应尽可能地使调制后的波形具有等幅包络特性。OQPSK正是在此思路的基础之上发展起来的。第50页/共167页第五十一页，共167页。图图3 31515QPSKQPSK经过经过(jnggu)(jnggu)带通滤波器前后的波形带通滤波器前后的波形 第51页/共167页第五十二页，共167页。图图3 31616OQPSKOQPSK信号信号(xnho)(xnho)的相位路径图的相位路径图 第52页/共167页第五十三页，共167页。由于在QPSK调制中只是当A和B路的符号同时发生变化时，相位路径才会通过原点，因此，如果人为地让A与B支路间存在一定
36、的时延，那么将使两个支路的跳变时刻彼此错开，从而避免相位路径过原点的现象，也就彻底(chd)地消除了滤波后信号包络过零点的情况。此时，OQPSK的相位矢量变化将如图316所示。第53页/共167页第五十四页，共167页。图317中给出了OQPSK信号产生与解调的原理示意图。与图311进行比较后，我们可以得出这样的结论，即它们(t men)之间的区别仅仅在于OQPSK调制解调器的B支路增加了一个延时器，所延迟的时间Tb为符号间隔（T0）的一半，即Tb=T0/2。本图中Tb为1bit。第54页/共167页第五十五页，共167页。图图3 31717OQPSKOQPSK信号产生与解调信号产生与解调(j
37、i dio)(ji dio)的原理示意图的原理示意图 第55页/共167页第五十六页，共167页。2.QAM方式QAM是正交幅度调制的英文缩写，又称正交双边带调制。它用两路独立的基带波形分别对两个相互正交的同频载波(zib)进行抑制载波(zib)的双边带调制，对所得到的两路已调信号再进行矢量相加。这是一种既调幅又调相的调制方式，它广泛地应用于微波通信中。1）2ASK信号的产生与解调2ASK是一种最简单的数字幅度调制方式，载波(zib)幅度随基带数据信号变化。图3-18所示的是2ASK调制系统基本构成框图。第56页/共167页第五十七页，共167页。图图3 318182ASK2ASK调制调制(t
38、iozh)(tiozh)系统基本构成框图系统基本构成框图 第57页/共167页第五十八页，共167页。调制器就是一个乘法器，因此(ync)已调信号可写为 e(t)=S(t)cosct2ASK信号(xnho)的波形和功率谱见图31（b）和图32（a）。第58页/共167页第五十九页，共167页。2）QAM信号由调相原理可知，增加载波调相的相位数，可以提高信息传输速率，即增加信道的传输容量。单纯靠增加相数，会使设备复杂化，同时误码率也随之增加，于是人们(rn men)又提出了具有较好性能的正交调幅方式。第59页/共167页第六十页，共167页。多进制调相方法的已调波其包络是等幅(恒定)的，因此限制
39、了两个正交通道上的电平组合，已调波矢量的端点都被限制在一个圆上。QAM调制方法与其不同(b tn)，它的已调波可由每个正交通道上的调幅信号任意组合，其已调波的矢量端点就不被限制。故QAM调制是既调幅又调相的一种方式，如图319左图所示。由16PSK和16QAM已调波矢量端点的星座图可明确看出，16QAM的16个已调波矢量端点不在一个圆上，点间距离较远。解调时，区分相邻已调波矢量容易，故误码率低(与相同点数的16PSK相比)。当把坐标原点与各矢量端点连线时，可看出各已调波矢量的相位和幅度均有变化，所以说QAM方式的载波是既调幅又调相的。第60页/共167页第六十一页，共167页。图图3 3191
40、916QAM16QAM和和16PSK16PSK方式方式(fngsh)(fngsh)的星座图的星座图 第61页/共167页第六十二页，共167页。图图3 3202016QAM16QAM正交调制正交调制(tiozh)(tiozh)法的调制法的调制(tiozh)(tiozh)解调原理图解调原理图 第62页/共167页第六十三页，共167页。信息速率为fB的基带数字序列经串/并变换后，在两个正交支路I、Q中都变成两个二进制码，其码元速率为fB/2。在每个支路中，2/4电平变换电路相当于又一次串/并变换，使每个支路具有四电平信号，故码速为fB/4。变换后的基带数字序列经预滤波限带后，送入相乘器进行抑制载
41、波的双边带调幅(DSBSC),相乘器输出即为抑制载波的四电平调幅信号。同相支路和正交支路的四电平调幅信号在合成器中进行矢量(shling)相加，经滤波放大后，即可输出16QAM已调波。第63页/共167页第六十四页，共167页。为了将解调器输出的四电平信号变成二进制码，在同相支路和正交支路上各设置三个阈值比较器。当四电平的某电压值超过某阈值时，则该比较器的输出为高电平；不到最小阈值时，比较器输出为最低电平。三个阈值比较器的输出并行送入逻辑电路，逻辑电路根据(gnj)输入的不同阈值等级，将输出处理成相应的双比特二电平码，完成4/2电平变换。同相和正交支路的fB/2码流再经过并/串变换，就可恢复发
42、端速率为fB的基带数字序列。第64页/共167页第六十五页，共167页。为了进一步说明正交调幅信号的特点，还可以从已调信号的相位矢量表示方法来讨论，并用4QAM正交调幅信号的产生电路加以说明，如图321所示。正交幅度的A路的“1”对应于0相位，A路的“0”则对应于180相位，而B路的载波与A路相差90，则B路的“1”对应于90相位，B路的“0”对应于270相位。A、B两路调制输出合成(hchng)后，则输出信号可有四种不同相位，各代表一组AB二元码组，即00、01、11、10。这四种组合所对应的相位矢量关系如图321所示。第65页/共167页第六十六页，共167页。图图3 321214QAM4
43、QAM信号的产生信号的产生(chnshng)(chnshng)电路、相位矢量及星座表示电路、相位矢量及星座表示 第66页/共167页第六十七页，共167页。如果只画出矢量端点，则如图321(b)所示，称为QAM的星座表示。星座图上有四个星点，则称为4QAM。从星座图上很容易看出：A路的“1”码位于星座图的右侧，“0”码在左侧；而B路的“1”码则在上侧，“0”码在下侧。星座图上各信号(xnho)点之间的距离越大，则抗误码能力越强。16QAM星座图如图322所示。采用二路四电平码送到A、B支路的调制器，那么正交调幅的每个支路上均有四个电平，每路在星座上有4个点，于是44=16，组成16个点的星座图
44、。同理，将二路八电平码分别送到A、B支路的调制器，可得64点星座图，称为64QAM。更进一步还有256QAM等。第67页/共167页第六十八页，共167页。图图3 3222216QAM16QAM星座图星座图 第68页/共167页第六十九页，共167页。3.MSK、GMSK方式1）2FSK方式2FSK是指二进制的移频键控，用二进制数字信号来控制载波频率，当传送“1”码时输出频率f1，当传送“0”码时输出频率f0。2FSK信号的波形(b xn)可以看做是载波频率f1和f0的两个2ASK信号的复合，见图31（b），功率谱密度由两个双边带谱叠加而成，见图32（c）。若两个载波频率之差小于数据调制信号速
45、率fb,则连续谱呈现单峰；如两个载波频率之差较大，则出现双峰。第69页/共167页第七十页，共167页。2）最小移频键控MSK在实际应用中，有时要求发送信号具有包络恒定、高频分量较小的特点。PSK、QAM等调制方式具有相位突变的特点，因而影响已调信号高频分量的衰减。最小移频键控(MSK)是2FSK的一种改进型，是使FSK信号相位始终保持连续变化的一种调制方式，又称快速移频键控FFSK。“快速”指的是这种调制方式对于给定的频带，它能比2PSK传输更高速的数据；而“最小”指的是这种调制方式能以最小的调制指数（h=0.5）获得正交的调制信号。MSK方式在功率利用率和频带利用率上均优于2PSK，因此，
46、MSK调制方式已广泛运用(ynyng)于地面移动通信和卫星移动通信领域。第70页/共167页第七十一页，共167页。MSK信号(xnho)可写成 MSK信号产生与解调(ji dio)框图如图323所示。第71页/共167页第七十二页，共167页。图图3 32323MSKMSK信号产生信号产生(chnshng)(chnshng)与解调框图与解调框图 第72页/共167页第七十三页，共167页。它的特点有：(1)能以最小的调制指数（h=0.5）获得正交信号，且保持两个频率正交。(2)能使相差半个周期的正弦波产生最大的相位差。MSK信号所选择的两个信号频率f1和f0在一个码元期间的相位积累严格地相差
47、180，即f1和f0信号的波形在一个码元期间恰好差半个周期。(3)已调信号的相位路径是连续的，在所获得的相应MSK信号中不存在相位突变(tbin)的现象。第73页/共167页第七十四页，共167页。(4)MSK信号在第k码元的相位不仅与当前(dngqin)码元ak有关，而且与前面的码元ak-1及其相位有关。具体关系可用下式表示：式中ak代表(dibio)第k个码元中所携带的数据，ak取1，可见k(t)的微分正比于ak。而k为第k个码元的相位：从上式可以看出，k也是由第k个码元中所携带的数据ak决定的，而且符合差分编码关系，因此(ync)在MSK信号调制器和解调器中分别进行差分编码与解码。第74
48、页/共167页第七十五页，共167页。3）GMSK方式在邻道间隔很小的场合，如在移动通信以及卫星移动通信系统(xtng)中，要求邻道干扰小于-60-70dB。尽管MSK信号的功率谱特性比QPSK信号有所改善，但仍不能满足要求。为了进一步改善已调信号的功率谱特性，就必须采用GMSK方式。第75页/共167页第七十六页，共167页。图图3 32424GMSKGMSK调制调制(tiozh)(tiozh)原理原理 第76页/共167页第七十七页，共167页。GMSK在MSK调制器之前加了一个高斯低通滤波器，如图324所示。这个滤波器是用来抑制旁瓣输出的，因此要求该滤波器具有下列特性：(1）带宽窄，可抑
49、制高频分量，具有陡峭的截止(jizh)特性。(2）过冲脉冲响应较低，可以避免出现过大的瞬时频偏。(3）保持滤波器输出脉冲的面积不变，即保证调制指数h=0.5。这样当基带数据信号经过高斯滤波器和MSK调制器之后，就可获得恒包络的GMSK信号，而且可以正交展开，它的相位路径在MSK的基础上得以进一步改善。第77页/共167页第七十八页，共167页。GMSK的性能与高斯滤波器(也是低通滤波器)的特性紧密相关。图325所示为GMSK信号(xnho)的功率谱密度。图中，参变量BTb为高斯滤波器的归一化3dB带宽B与码元长度Tb的乘积。BTb值愈大，滤波器抑制高频分量的作用愈弱，当BTb时，GMSK输出的
50、已调信号(xnho)就是MSK信号(xnho)。GMSK信号(xnho)的频谱特性的改善是通过降低误比特率性能换来的。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BTb=0.25时，误比特率性能下降并不严重。所以通常采用BTb=0.20.25的滤波器。GMSK的误码性能要比MSK差。第78页/共167页第七十九页，共167页。图图3 32525GMSKGMSK信号的功率信号的功率(gngl)(gngl)谱密度谱密度 第79页/共167页第八十页，共167页。4.4.性能指标性能指标1 1）数字调制信号所）数字调制信号所占带宽占带宽不同的调制方式不同的调制方式(fngsh)(fn