微波与卫星通信第3章微波与卫星通信的通信体制.ppt

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1、,第3章 微波与卫星通信的通信体制,3.1 信号传输方式与复用方式 3.2 调制方式 3.3 编码技术 3.4 信号处理技术,3.1 信号传输方式与复用方式,1.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。,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。

2、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进行调制，然后再变换到微波频率进行传输。,在低速数字微波通信系统设备中，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。这样使数字微波朝着既扩大容量，又不占用较大

3、信道带宽的方向发展。,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）。,2.多路复用方式 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（FDM），二是时分多路复用（TDM）。FDM是从频域的角度进行分析的，使各路信号在频率上彼此分开，而在时域上彼此混叠在一起；TDM是从时域的角度进行分析的，使各路信号在时间上彼此分开，而在频域上彼此混叠在一起。,

4、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（SSB)，将其频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

5、调器、低通滤波器，获得原信号。,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。,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

6、道上进行传输。因此在接收端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。,3.2 调制方式,3.2.1 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70MHz或140MHz进行调制，然后再变换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(或收信机)只使用一个载频(即射频)。在SDH数字微波通信系统中，采用多进制编码的64QAM、128QAM、256QAM和512QAM调制方式。,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

7、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。,图31 二进制基带信号的调制波形,图32 三种调制方式所对应的功率谱,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

8、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。,（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，以及卫星工作点的选择、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

9、式（射频）。,3.2.2 模拟调制宽带FM 1.调频信号的产生 产生调频信号的方法有两种,一种是直接法，另一种是倍频法。 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调频信号，然后再用倍频的方法将其变换成宽带信号，如图33所示。,图33 倍频法实现宽带调频,由调频的概念可以得出已调频信号x（t）与调制信号s（t）之间的关系，即,（31）,式中A为调频信号的载波振幅,0为调频信号载波的角频率,Kf（是一个常数）为调制灵敏度，s（t）为调制信号，0为t=0时的载波相位。为了便于分析，经常假设0 =0。,通常将由调频引起的最大瞬时相位偏移远小于30的情况称为窄带调频，此时近似有下列关系成立：

10、,因此式（31）可改写为（设0=0）：,（32）,倍频器的输入、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滤除，获得一个新的调频信号。,2.调频信号的解调 调频信号的解调过程如图34所示。在信号传输过程中，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。,图34FM信号的解调过程,3.性能指标 1）FM信号的带宽 只要系统所提供的传输带宽（

11、B）足以容纳调频波频谱能量的98%以上，就可忽略信号失真的影响。我们把此时的带宽称为射频传输带宽。此时可认为传输带宽为,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),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，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为测试音的有效频偏，它代表在多路信号的相对电平为0dB处传输1m

12、W测试信号时，频率调制器输出端所产生的有效值；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。,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,，低通滤波器输出端的信噪比为,(37),由此可得解调信噪比增益为,(38),卫星通信系统中常取mf=5，此时解调信噪比增益可达450。,3.2.3 数字调制 1.PSK方式 在中容量数字微波通信和卫星通信中，QPSK(4PSK)是应用较广泛的一种调制方式。这里我们将介绍二进制移相键控（BPSK即2PSK）、四相移相键控（Q

13、PSK）的调制原理及它们的几种改进形式。 1）二进制绝对调相（2PSK）和相对调相（2DPSK）方式 绝对调相是利用载波信号的不同相位去传输数字信号的“1”和“0”码的，二进制绝对调相的变换规则是：数据“1”对应于已调信号的0相位，数据“0”对应于已调信号的180相位，如图35（b）所示；或反之。,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前一码元的相位的，或者说，这里的变化是以已调信号的前一码元相位作参考相

14、位而变化的。,图35 2PSK与2DPSK的调相波形,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相位载波信号输出，“0”码控制相位载波信号输出，从而获得了绝对移相的已调信号。,图36 二进制绝对调相信号的产生电路,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

15、出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)，解调获得输出信号，如图37（b）所示。极性相同，输出为正；极性相反，输出为负。乘法器输出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。,图37 二相绝对调相信号的解调,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相对调相，即2DPSK方式。 2DPSK信号与2PSK信号之间存在着内在的联系。

16、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。,图38 2DPSK信号的产生与解调,设an、Dn分别表示绝对码序列和差分码序列，其相应关系为,（39）,式中，为模2加。按上式计算时，初始值Dn-1可以任意假设，应有：当an=1时，DnDn-1；当an=0时，Dn = Dn-1 。,2DPSK的解调方法有两种：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。

17、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Dnan的转换。由式(39)应有,（310）,2DPSK信号的另一种解调方法是相位比较法，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。,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”的，如图39(a)所示。在现代数字微波和卫星通信中，为了提高信息传输速率，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。,图39 多相调相的相位矢量图,四相调制，既可以表示为QPSK，也可以表示为4PSK，它用载波的四种不同相位与两位二进制信息码（A

18、B）的组合（00，01，11，10）对应来表征传送的数据信息。在QPSK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22种，即有22种不同状态，故可以用M=22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0,2, 32,2和4,34,54,7 4。四相调相电路与这两种方式对应，分为2调相系统和4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3位码，其信息传输速率是二相调制方式的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

19、。目前在多相调相方式中，通常采用四相制和八相制。,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，可提高数字信号频带传输的可靠性。,图310 两种调相系统的相位矢量图和起始相角,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

20、有一种固定的对应关系，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，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，其关系式为,（311）,其中，k为本时刻相对调相已调波起始相位；k-1为前一时刻相对调相已调波起始相位；k为本时刻相对前一时刻已调波的相位变化量。,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

21、两个并行的序列。 QPSK信号可用两路相干解调器分别进行解调，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。,图311 QPSK信号的产生与解调原理图,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

22、重误码，实际的四相调相系统都采用相对调相方式，即4DPSK。,图312 QPSK信号的相位路径图,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，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4DPSK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

23、。,图313 四相相对调相电路方框图（/4系统）,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。,图314 /4DQPSK的中频差分相干解调器框图,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

24、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，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。,图315 QPSK经过带通滤波器前后的波形,图316 OQPSK信号的相位路径图,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，也就彻底地消除了

25、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。,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。,图317 OQPSK信号产生与解调的原理示意图,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进行抑制载波的双边带调制，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，

26、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。,图318 2ASK调制系统基本构成框图,调制器就是一个乘法器，因此已调信号可写为,e(t)=S(t)cosct,2ASK信号的波形和功率谱见图31（b）和图32（a）。,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，于是人们又提出了具有较好性能的正交调幅方式。,多进制调相方法的已调波其包络是等幅(恒定)的，因此限制了

27、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，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。,图319 16QAM和16PSK方式的星座图,图320 16QAM正交调

28、制法的调制解调原理图,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相加，经滤波放大后，即可输出16QAM已调波。,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

29、；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，就可恢复发端速率为fB的基带数字序列。,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两路调制输出合成后，则输出信号可有四种不同相位，各代

30、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。,图321 4QAM信号的产生电路、相位矢量及星座表示,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。同理，将二路八电

31、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。,图322 16QAM星座图,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。,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

32、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，MSK调制方式已广泛运用于地面移动通信和卫星移动通信领域。,MSK信号可写成,MSK信号产生与解调框图如图323所示。,图323 MSK信号产生与解调框图,它的特点有： (

33、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的现象。,(4)MSK信号在第k码元的相位不仅与当前码元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

34、中所携带的数据ak决定的，而且符合差分编码关系，因此在MSK信号调制器和解调器中分别进行差分编码与解码。,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。,图324 GMSK调制原理,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，可抑制高频分量，具有陡峭的截止特性。 (2）过冲脉冲响应较低，可以避免出现过大的瞬

35、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。,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输出的已调信号就是MSK信号。 GMSK信号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。

36、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。,图325 GMSK信号的功率谱密度,4.性能指标 1）数字调制信号所占带宽 不同的调制方式，其调制解调原理不同，因而所获得的已调信号所占的带宽也不同。 对MQAM系统而言，A、B各路基带信号的电平数应是 。按多电平传输分析，A路和B路每个符号(码元)含有的比特数应为 。如令k=lbM，则相当于k/2个二元码组成一个符号。设符号间隔(即符号周期)为 为符号速率（单位：波特Baud）。因为总速率为fb,则A、B各路的比特率为 ，并有,(313),如果基带形成滤波器采

37、用滚降特性(为滚降系数)，因抽样频率 ，故调制系统带宽应为,（314）,这样当M=4时，则 ，即带宽由输入信号速率决定。因此，当输入信号速率一定时，多电平数字调幅所要求的带宽将低于2ASK的情况。,对于MPSK系统而言，由于QPSK信号可以看成是对两个正交载波进行二电平双边带调制后所得到两路2ASK信号的叠加，以此类推，MPSK信号则是对彼此正交的两个载波进行调制后的两路MASK信号的叠加。因此，MPSK信号与MQAM信号的频带宽度及频带利用率相同，而且M越大，频带利用率也越高。 对于MSK系统，它是相位连续的2FSK信号的特例(调制指数h=0.5的2FSK)，可以看成是两个2ASK信号的合成

38、。因此，很容易求出MSK信号的带宽B=2.5fb。,由上面的分析可以得出这样的结论:QAM、QPSK/DQPSK和OQPSK信号谱宽(带宽)相同,并且是BPSK/DBPSK的一半，而MSK信号谱宽介于QPSK和BPSK之间。当在MSK调制器前加一个高斯滤波器时，就可获得相位特性更为平滑的GMSK信号。理想情况下，GMSK信号的谱宽应与MSK信号相同。但由前面的分析可知，实际的信号带宽与所使用的滤波器带宽有关。,2）频带利用率 频带利用率也是一个非常重要的参数，它是输入数据序列的比特率与信道带宽的比值，常用符号表示，即 (单位：b/Hz)。对于多电平数字调制系统而言：,（315）,【例31】已知

39、一个正交调幅系统采用16QAM调制，带宽为3600Hz，滚降系数=0.5。试求出每路所采用的电平数、调制速率（符号速率）、总比特率和频带利用率。 解 每路所采用的电平数为,每路的调制速率,每路的比特率（二进制）fN=23600=7200(Hz),总比特率,f总=2fN=27200=14400 (Hz),频带利用率,3）误码性能分析 在数字系统中用误码率来衡量系统的性能。 Eb为单位比特的平均信号能量，n0为噪声的单边功率谱密度。各种调制方式的误码率可分析如下： （1）当Eb/n0一定时，M愈大，系统的误码率也愈大。 (2）差分数字调相方式的误码性能要优于一般的PSK方式的误码性能。 (3）高斯

40、滤波器对高频分量的抑制作用愈强，则获得的相位路径曲线更为平滑，但给系统引入的码间干扰也愈大，对系统的误码性能的影响也愈大。,5.载波同步技术 接收端进行相干解调时需要产生一个相干载波，与接收信号相乘进行解调。这就要求接收端相干载波与发送端载波要同频同相。获得与发送载波的频率和相位相同的信息，需要进行载波提取和形成。 目前，接收端获取相干载波的方法主要有两类：一是直接提取法；二是利用插入导频提取相干载波。 从接收的已调信号中提取相干载波，首先要考虑的问题是接收的已调信号中是否含有载波频率分量。如果接收的已调信号中含有载波频率分量(线谱)，就可以直接通过窄带滤波器提取。,在数据传输中，载波频率分量

41、本身不携带信息。多数调制方式都采用抑制载波频率分量的方式，即已调信号中不直接含有载波频率分量。这时，就无法直接从接收信号中提取载波的频率和相位信息。但是对于2PSK、QAM等信号，只要对接收信号波形进行适当的非线性处理，就可以使处理后的信号中含有载波的频率和相位信息。这时，就可以通过窄带滤波器提取相干载波了，如图326所示。,图326 用平方处理法提取载波,为了防止和减少由于接收信号幅度波动和接收信号瞬时中断所造成的提取相干载波的频率和相位不稳定及相位抖动现象，可以采用插入锁相环的方式进行载波跟踪。适当地选择锁相环的增益，可以使静态相位差足够小，并使输出的提取载波相位抖动控制在允许的范围内。插

42、入锁相环的另一作用是当接收信号瞬时中断时，由于锁相环内压控振荡器的作用，可以维持本地输出的相干载波不中断，以保持系统稳定。,3.3 编码技术,3.3.1 信源编码技术 信源编码是指首先将话音、图像等模拟信号转换成为数字信号，然后再根据传输信息的性质，采用适当的编码方法。为了降低系统的传输速率，提高通信系统效率，就要对话音或图像信号进行频带压缩传输。 数字微波通信系统采用的最基本的语音编码方式为标准的脉冲编码调制（PCM）方式，即以奈奎斯特抽样定理为基准，将频带宽度为3003400Hz的语音信号变换成编码速率为64kb/s的数字信号，调制后经微波线路传输，在收端进行解调，经数/模转换便恢复出原有

43、的模拟信号。系统可以在有限的传输带宽内保证系统的误码性能，实现高质量的信息传输。,在数字卫星通信系统中，实施了信号频带压缩技术，可以充分利用有效的频率资源，降低传输速率。信源编码方案很多。数字卫星通信中的编码速率为1664kb/s，而移动卫星通信中的编码速率为1.29.6kb/s。在一定的编码速率下，应尽可能提高话音质量。 在数字系统中所采用的话音信号的基本编码方式包括三大类：波形编码、参数编码和混合编码。 波形编码是直接将时域信号变成为数字代码的一种编码方式,如PCM、M、ADPCM、SBC、VQ等。,参数编码是以发音机制模型作为基础，直接提取语音信号的一些特征参量，并对其进行编码的一种编码

44、方式。其基本原理是由语音产生的条件建立语音信号产生的模型，然后提取语音信号中的主要参量，经编码发送到接收端；接收端经解码恢复出与发端相应的参量，再根据语音产生的物理模型合成输出相应语音。即参数编码采取的是语音分析与合成的方法，其特点是可以大大压缩数码率，因而获得了广泛的应用。当然，其语音质量与波形编码相比要差一点。,表31 微波与卫星系统中所使用的语音编码方法,无论是PCM信号或是M信号，其所占带宽宽度均远大于模拟语音信号。因此，长期以来人们一直在进行压缩数字化语音占用频带的工作，即在相同质量指标条件下降低数字化语音的数码率，以提高数字通信系统的频带利用率。这一点对于频率资源十分紧张的超短波陆

45、地移动通信、卫星通信系统等很有实用意义。 通常把编码速率低于64kb/s的语音编码方法称为语音压缩编码技术。其方法很多，如自适应差分脉码调制(ADPCM)、自适应增量调制(ADM)、子带编码(SBC)、矢量量化编码(VQ)、变换域编码(ATC)、参量编码(声码器)等。,3.3.2 信道编码技术 1.信道编码的基本理论 信道编码是指在数据发送之前，在信息码之外附加一定比特数的监督码元，使监督码元与信息码元构成某种特定的关系，接收端根据这种特定的关系来进行检验。 信道编码不同于信源编码。信源编码的目的是为了提高数字信号的有效性，具体地讲就是尽可能压缩信源的冗余度。其去掉的冗余度是随机的、无规律的。

46、而信道编码的目的在于提高数字通信的可靠性，它加入冗余码用来减少误码，其代价是降低了信息的传输速率，即以减少有效性来增加可靠性。其增加的冗余度是特定的、有规律的，故可利用其在接收端进行检错和纠错，保证传输质量。因此，信道编码技术亦称差错控制编码技术。,差错控制是指当信道差错率达到一定程度时，必须采取的用以减少差错的措施。 通常差错控制方式又可分为三大类：前向纠错（FEC）、检错重发（自动请求重发ARQ）以及使用FEC和ARQ技术的混合纠错方式。 1）前向纠错方式 前向纠错又称为自动纠错，它是指在检测端检测到所接收的信息出现误码的情况下，可按一定的算法自动确定发生误码的位置，并自动予以纠正。其特点

47、是单向传输，实时性好，但译码设备较复杂。,2）检错重发方式 检错重发也称为自动请求重发（ARQ），它是指在接收端检测到接收信息出现差错之后，通过反馈信道要求发送端重发原信息，直到接收端得到正确信息为止，从而达到纠错的目的。其特点是需要反馈信道，译码设备简单，在突发错误和信道干扰较严重时有效，但实时性差，主要在计算机数据通信中得到应用。,3）混合纠错方式 混合纠错方式记作HEC，是FEC和ARQ方式的结合。在此种方式中，当接收端检测到所接收的信息存在差错时，只对其中少量的错误自动进行纠正，而超过纠正能力的差错仍通过反向信道发回信息，要求重发此分组。这种方式具有自动纠错和检错重发的优点，可达到较低

48、的误码率，因此近年来得到广泛应用，但它需要双向信道以及较复杂的译码设备和控制系统。,编码的纠错和检错能力由汉明距离（码的最小距离d0）决定。通常存在下列几种情况。 （1）若要求检测e个错码，则dmin应满足：dmine+1； （2）若要求能够纠正t个错码，则dmin应满足： dmin 2t+1； （3）若要求能够纠正t个错码，同时检测e个错码，则dmin应满足： dmine+t+1。 在微波与固定卫星系统中使用的纠错编码有线性分组码、循环码、BCH码和卷积码等。,2.分组编码与交织技术 1）线性分组码 分组码是指将每k个信息码元分为一组，然后按一定的规律产生r个监督码元，那么分组码的长度n=k+r，通常用符号（n,k）表示。线性分组码是指信息码元与监督码元之间的关系可以用一组线性方程来表示的分组码,即在（n，k）分组码中，每一个监督码元都是码组中某些信息码元按模2加(“+”，“-”，“”统一用“+”表示)而得到的。线性分组码是一类重要的纠错码，应用很广。,一般说来，若码长为n，信息位数为k，则监督位数r=n-k。如果希望用r个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n种可能位置，则要求,