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5.6 多载波调制和正交频分复用,3,一、多载波调制,1、MCM的基本思想 MCM：Multi-Carrier Modulation，将待传输的数据流分解成M个子数据流，每个子数据流的传输速率降为原数据流的1/M，然后用这些子数据流去并行调制M个载波。,4,一、多载波调制,MCM基本思想的示意图,5,2、MCM的意义时间弥散（时延扩展，time delay spread）：移动信道中，由于存在多条不同距离的传播路径，使发送端发送的一个脉冲，到达接收端时却是多个不同时延脉冲在时间轴上的叠加。将最大时延与最小时延的差值称为时延扩展，记为。若发送的脉冲宽度为Ts，则接收脉冲的宽度为：Ts+。时延扩展将导致ISI，并且码间串扰的严重程度与/Ts成正比。多载波调制可以降低信道传输的符号速率，即增加Ts，因此可以有效地减小甚至消除码间串扰。,一、多载波调制,6,一、多载波调制,3、MCM的实现方式多音实现的MCM（Multitone Realization MCM）主要用于有线电传输系统 正交频分复用的MCM（OFDM）主要用于无线电传输系统 多载波码分复用MCM（MC-CDMA）主要用于扩频通信系统,本章只介绍OFDM方式,7,一、多载波调制,8,二、OFDM,1、OFDM的基本思想 OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用。将信道分成N个子信道，每个子信道上一个载波，称为子载波，各个子载波之间相互正交。实现时，将一路高速串行输入的数据信号流转换成N路并行的低速子数据流，调制到每个子载波上进行传输。,9,二、OFDM,OFDM系统子载波正交特性在中心频率时振幅达到峰值，而在此频率的整数倍时振幅为零。,10,二、OFDM,2、OFDM的特点正交信号可以通过在接收端采用相关技术分离，这样可以减少子信道之间的相互干扰；通过把信道分成多个带宽很窄的子信道，可以使OFDM系统比单载波系统具有更强的抗频率选择性衰落的能力，减少突发错；原因是，对于每一个子信道而言，遭受的是平坦衰落；与采用自适应均衡的单载波系统相比，OFDM系统的信道均衡更简单；由于每个子载波之间相互正交，所以每个子载波的频带之间互相重叠，可以获得很高的频带效率，这也是OFDM技术区别于FDM技术的本质。,11,二、OFDM,由于OFDM信号是由多个不同频率，不同振幅，不同相位的信号相互叠加的结果，因此，具有很高的峰平功率比（PAPR），这就要求RF功率放大器要有较大的动态范围。与单载波系统相比，OFDM系统对频偏和频漂更敏感。,12,OFDM与FDM,二、OFDM,13,二、OFDM,3、OFDM的实现原理,14,二、OFDM,发端：串/并变换后N路并行数据同时输出，分别调制在N个子载波上。N个子载波可以表示为 则第m时刻的一个OFDM信号可以表示为 收端：采用混频后积分清洗的方式对各子载波解调。,15,二、OFDM,4、OFDM的FFT实现如果不考虑保护时间，那么OFDM信号可以表示为X(t)为复等效基带信号。对X(t)进行抽样，抽样速率为1/Ts，则当t=kTs时，抽样值X(k)满足 X(k)恰好是d(n)的N点反离散傅立叶变换（IDFT）的结果。因此可以用IDFT运算完成OFDM复等效基带信号的子载波调制过程，用离散傅立叶变换（DFT）完成其解调过程,16,二、OFDM,4、OFDM的FFT实现一个实际的FFT算法的OFDM实现框图,5.7 频带信号的传输特性,18,一、引言,信号的传输特性包括传输的有效性和可靠性。有效性由功率谱特性决定，可靠性由误比特率特性决定。频带信号的功率谱特性不仅与调制方式有关，还与调制前的滤波器特性有关。,19,二、功率谱特性,1、QPSK、OQPSK、/4-DQPSK信号功率谱计算式BPSK/DBPSK信号QPSK/DQPSK/OQPSK信号当比特速率相同时，四相调制信号功率谱的主瓣宽度是二相调制信号功率谱的主瓣宽度的一半。即四相调制信号的传输效率是二相调制信的两倍。,20,二、功率谱特性,2、MSK、QAM信号功率谱计算式MSK信号MQAM信号，令，则,21,二、功率谱特性,3、非带限的PSK/DBPSK,QPSK/DQPSK,OQPSK,MSK信号功率谱密度图,22,二、功率谱特性,4、MSK信号的功率谱与QPSK信号功率谱的比较 MSK信号的功率谱较QPSK宽，但其旁瓣以1/f4速率迅速下降，而QPSK的旁瓣则以1/f2的速率下降。对于-50dB带宽和包含99%功率的带宽，MSK分别是8.18/Tb和1.17/Tb，而QPSK则分别是100/Tb和10.3/Tb，,23,二、功率谱特性,5、GMSK信号功率谱,24,二、功率谱特性,6、SQAM信号功率谱,A值减小时，SQAM功率谱的带外辐射减小。,25,二、功率谱特性,7、OFDM信号功率谱OFDM信号的功率谱特性与已调信号的功率谱特性有关，还与复用的子信道数目N有关。BPSK调制时 N=16的OFDM信号频谱图,26,二、功率谱特性,7、OFDM信号功率谱（续）BPSK调制时 N=4和32的OFDM信号频谱图,27,二、功率谱特性,8、OFDM信号频带效率不仅与基带信号调制方式有关，还与子信道数目N有关 N路复用、已调信号的符号间隔为Ts的OFDM信号频带利用率（M进制）当N很大时 单载波的M进制调制，频带利用率为 可见，OFDM的频带效率是比较高的,28,三、抗噪声性能,数字调制信号的抗噪声性能用误比特率Pb或误码率Pe（即误符号率）衡量。注意：对于某一种调制方式，当Ts=Tb 时，误比特率与误码率相等，否则，可能不相等。即使是同一种调制方式，相干解调与非相干解调的误码率特性也不同。,29,三、抗噪声性能,1、BPSK、QPSK、OQPSK、MSK的错误概率BPSK,QPSK,OQPSK,MSK采用相干解调时的误比特率相同，计算公式为,30,三、抗噪声性能,2、/4-DQPSK的错误概率差分相位解调的性能劣于相干相位解调/4-DQPSK的三种非相干检测方式是等价的，具有相同的误比特率计算公式,31,三、抗噪声性能,3、GMSK的错误概率GMSK信号可以采用相干解调，也可以采用差分解调。相干解调用于非移动环境中，相应的误比特率称为静态误比特率；而非相干解调则用于移动环境中，相应的误比特率称为动态误比特率。随着BbTb减小，GMSK静态误比特率增加,32,三、抗噪声性能,3、GMSK的错误概率在 BbTb一定条件下，随着多谱勒频移的增加，GMSK信号的误比特率增加。在有多谱勒频移的情况下，GMSK信号的误比特率有界。,33,三、抗噪声性能,4、QAM的错误概率MQAM与MPSK的比较MQAM误码率曲线,MQAM相对于MPSK的 的改善量,34,三、抗噪声性能,5、MQAM信号的频带效率和功率效率,MQAM信号的频带效率和功率效率(取=1),35,三、抗噪声性能,7、OFDM的错误概率载波偏移和多普勒扩展导致OFDM各子信道之间的正交性被破坏，出现信道间干扰，误码率增加 OFDM包络不恒定，即信道非线性将引起误码率的增加,载波偏移对128-OFDM系统信噪比的影响（多普勒频移为0）,36,三、抗噪声性能,7、OFDM的错误概率,37,四、滤波和限幅对传输性能的影响,对信号进行带限滤波导致已调信号的包络波动，而后再经过信道非线性饱和区的限幅，进一步加剧了信号的畸变，结果使传输性能下降。主要表现在：导致被滤除的信号功率谱再生；导致抗噪声性能下降。性能恶化的程度与带限的已调信号的包络起伏程度以及滤波的程度有关包络起伏程度大，则性能恶化越明显；滤除的信号多，则恶化明显。,38,实测的带限QPSK及带限并硬限幅QPSK的频谱,垂直：10dB/格水平：20kHz/格,四、滤波和限幅对传输性能的影响,39,四、滤波和限幅对传输性能的影响,抗信道的非线性性能,40,四、滤波和限幅对传输性能的影响,抗噪声性能下降,41,1、正交调制器的一般结构,QPSK、OQPSK、MSK、GMSK调制信号可以表示为：,五、讨论,42,2、正交解调器的一般结构,五、讨论,43,3、调制技术的发展过程,以前的调制技术基本是沿着改善调制信号功率谱特性的思路发展的。（1）减小相位调制的跳变量：BPSK/2-DBPSK；QPSK/4-DQPSK OQPSK；（2）发展到连续相位调制：MSK，CPM；（3）努力改善连续相位调制的相位路径的平滑程度（采用调制前预滤波的方式实现）：GMSK，TFM；,当前和未来的调制技术将沿着提高频带利用率、提高传输数率的方向发展，同时兼顾移动通信的要求和可靠性的提高。（1）QAM方式（2）编码调制,五、讨论,44,五、讨论,3、调制技术的发展过程,45,3、调制技术的发展过程,五、讨论,46,总结,本节课主要讲解了以下内容MCM和OFDM已调信号的功率谱特性已调信号的抗噪声特性信道的带限和限幅特性对已调信号特性的影响,47,作业与思考题,5.7 简述OFDM的优缺点。5.8 画出OFDM的实现原理框图，并说明其原理。5.9 根据BPSK和QPSK相干解调器的原理框图，证明：对于等概的二进制比特流，当比特速率和Eb/N0相同时，两者的误比特率相同。5.10 滤波和限幅对系统的传输性能有什么影响？,谢 谢！,