樊昌信通信原理第8章新型数字调制(7版)ppt课件.ppt

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1、课 件,新型数字调制,通信原理（第7版）,第8章,樊昌信 曹丽娜 编著,正交振幅调制（QAM）最小移频键控（MSK）高斯最小移频键控（GMSK）正交频分复用（OFDM）,本章内容:,第7章 数字调制,第8章 新型数字调制,正交振幅调制（QAM）,8.1,（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）,一种振幅和相位联合键控的数字调制技术,所有信号点（）平均分布在同一个圆周上。圆周半径等于信号幅度。,观察MPSK的星座图：,在信号幅度相同（即功率相等）条件下：进制数 M 增加，星座图上相邻信号点的距离越小 这意味着在相同噪声条件下，系统的误码率增大,需求背景,问题引出

2、,如何增大距离，以减小误码率呢？,Q&A,针对问题,解决途径,M 增加，距离越来越小,增大相邻信号点间的距离,增大圆周半径（信号功率）来增大相邻信号点的距离，,容易想到的一种办法：,-往往会受发射功率的限制。,解决途径,在不增大圆半径基础上（即不增加信号功率），重新安排信号点的位置，以增大相邻信号点的距离。,正交振幅调制 QAM:一种把 ASK 和 PSK 结合起来的调制方式。,一种更好的设计思想：,这种思想的可行性方案：,振幅 和 相位 联合键控的调制方式。,(星座结构),设计思想,QAM是一种振幅和相位联合键控的调制方式，其频谱利用率高，抗噪声性能优于MPSK，在中大容量数字微波通信系统、

3、有线电视网络高速数据传输、卫星通信等领域获得广泛应用。,16QAM信号 16PSK信号,最大振幅同为AM,最小距离,此最小距离代表噪声容限的大小。,举例 对比,最小距离,噪声容限越大，抗噪声性能就越强。,d2超过d1约1.57 dB（最大功率(振幅)相等条件下）d2超过d1约4.12 dB（平均功率相等条件下）,16QAM是最具有代表性的MQAM信号，此外：,表明：16QAM 比16PSK 的噪声容限大，抗噪能力强。,比较：,M=4时，QPSK信号就是一种最简单的QAM信号,注：QAM星座图除方型结构外，还有星型或其他结构,M=64、256时，QAM信号的星座图：,若信号功率相同，选择信号点间

4、距离最大的结构，若最小距离相同，选择平均功率最小的星座结构。振幅环个数：应少，有利于实现自动增益控制；相位的个数：应少，有利于实现载波相位跟踪。,星座结构,不仅影响到已调信号的功率谱特性，而且影响已调信号的解调及其性能。,设计准则,星座结构影响系统性能！,2种振幅值8种相位值,3种振幅值12种相位,方型16QAM,星型16QAM,在多径衰落信道中，信号振幅和相位取值越多，受到的影响越大，因而星型 比方型更具有吸引力。,但方型星座的QAM信号的产生与接收更易实现。,在 QAM 中，载波 的振幅和相位同时受基带信号控制，因此，它的一个码元可表示为：,展开为：,MQAM信号可由两路载波正交的 ASK

5、信号叠加而成,式中：Xk=Akcosk，Yk=-Aksink Ak、k、Xk和Yk分别可以取多个离散值,16QAM信号的产生,表明：,正交调幅法：用两路正交的4ASK信号叠加，即可形成 16QAM信号。,方形 MQAM 利用两个同频正交载波 在同一带宽内 实现了 两路并行的 L ASK信号的传输。,X(t)和Y(t)分别与相互正交的两路载波相乘（调制），形成两路互为正交的4ASK信号，最后将两路信号相加即可得到16QAM信号。,输入的二进制序列（每4个“abcd”比特为一组）经过串/并变换器输出速率减半的两路并行序列（上支路ac和下支路bd）；然后分别经过2-4电平变换，形成4电平基带信号X(

6、t)和Y(t)。,复合相移法：用两路独立的QPSK信号叠加，即可形成 16QAM信号。,大圆上的4个红点表示第一个QPSK信号矢量的位置。,在这4个位置上可以叠加上第二个QPSK矢量，后者的位置用虚线小圆上的4个小黑点表示。,由于16QAM信号的16个信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数均有4个（+3、+1、-1、-3），对应低通滤波器输出的4电平基带信号，因而4电平判决器应有3个判决电平：+2、0、-2。,16QAM信号的解调,正交相干解调,4 电平判决器对 4 电平基带信号进行判决和检测，再经 4-2 电平转换和 并/串 变换器最终输出二进制数据。,以上两式适用于其他线性数字调制信号。,M

7、QAM利用两个同频正交载波在同一带宽内实现了两路并行的LASK信号的传输，MQAM的频带利用率:,MQAM信号的谱零点带宽,频带利用率：,（bps/Hz）,以上两式也适用于其他线性数字调制信号。,在实际中，往往需要对2-L电平转换后的L电平基带信号 进行脉冲成形滤波，以抑制已调信号的带外辐射。,脉冲成形滤波器通常是滚降系数为的升余弦滤波器。这时，MQAM信号的带宽:,最小频移键控（MSK）,8.2,2FSK的改进型,问题引出：,键控2FSK缺点：相位不连续、占用频带宽和功率谱旁瓣衰减慢等。,OQPSK和/4-QPSK虽然不会像QPSK那样发生180相位突变，但未根本解决包络起伏问题。,相位不连

8、续引起,MPSK（如QPSK）缺点：载波相位突变（180）旁瓣大（频谱扩展）干扰邻道；包络起伏大。,究其原因：,需求背景,23,解决途径：,改善已调波的相位路径,已调波的频谱特性与相位路径密切相关！,（恒包络调制技术 的发展思路）,采用相位连续变化的调制方式CPM,MSK就是一种包络恒定、相位连续、频差最小，并且严格正交的2FSK（CPFSK）信号。,正交两个频率的信号不相关，即,的互相关系数 0,因此，MSK 称为最小频移键控，又称快速频移键控（FFSK，Fast FSK）。,频差最小意味占用带宽最小、调制指数最小：h=0.5,它相比OQPSK 和QPSK，功率谱更为集中，即 旁瓣衰减更快，

9、对邻道干扰小，适用于移动通信。,25,8.2.1 正交2FSK信号的最小频率间隔,设 2FSK信号码元的表示式为,欲满足正交条件，则要求互相关系数,即要求,上式积分结果为,若设1+0 1，则上式左端第1和3项0，故有,由于1和0是任意常数，故必须同时有,上式才等于零,应当令,即要求,当取m=1时，满足正交条件的最小频率间隔：,上面讨论中，假设初始相位1和0是任意的，它在接收端无法预知，因此只能采用非相干接收方法。,对于相干接收，则要求初始相位是确定的，在接收端是预知的，这时可令1-0=0。于是，下式,可化简为,即仅要求,相干接收时，保证正交的2FSK信号的最小频率间隔：,8.2.2 MSK信号

10、的基本原理,1 MSK信号的频率间隔,MSK信号第k个码元表示：,k-保证在t=kTB时刻信号相位连续而加入的相位常数。,这里TB=Tb,c-载频；,TB-码元宽度；,ak=1（对应输入码元“1”和“0”）；,当输入码元“1”时(ak=+1)，码元频率 f1=fc+1/(4TB)当输入码元“0”时(ak=-1)，码元频率 f0=fc-1/(4TB),最小频差:,调制指数:,2 MSK码元中波形的周期数,可改写为,式中,MSK信号应满足正交条件：,N 正整数,由此推出,表明：MSK信号在每个码元周期内必须包含四分之一 载波周期的整数倍。,还可写成,或,并有,T1=1/f1T0=1/f0,含义：一

11、个码元时间TB内包含的正弦波周期数。,两种码元包含的正弦波数均相差1/2个周期。,当 N=1，m=3 时“1”的一个码元内有 2 个正弦波周期。“0”的一个码元内有1.5个正弦波周期。,3 MSK信号的相位连续性,前一码元末尾的相位=后一码元起始的相位,相位连续条件:,即在码元转换时刻 t=kTB，满足：,相位约束条件。据此确定初相k，使相位连续。,若设k-1的初始参考值等于0，则,MSK信号的相位路径:,第k个码元的附加相位：,斜率 截距 直线方程,若ak=+1，则k(t)线性增加/2,任一TB内,若ak=-1，则k(t)线性减小/2,37,附加相位k(t)的路径示例：,-1-1+1-1+1

12、+1-1+1,0 0 1 0 1 1 0 1,在码元转换时刻，MSK信号的附加相位是连续的！,38,附加相位k(t)的全部可能路径：,上例 0 0 1 0 1 1 0 1,39,模2运算后的附加相位路径：,设发送数据序列为 0010110101，采用MSK方式传输，码元速率为 1200Baud，载波频率为2400Hz。（1）试求“0”符号和“1”符号对应的频率；（2）画出 MSK信号时间波形；（3）画出 MSK信号附加相位路径图（初始相位为0）。,（1）设“0”对应 f0，“1”对应 f1，则有,解,（2）MSK信号时间波形如图所示：,（3）MSK信号附加相位路径图：,可见：在码元转换时刻，M

13、SK信号的相位是连续的。,4 MSK信号的正交表示法,进行展开，表示成频率为fc的两个正交分量：,将MSK信号,以及,正交分量(Q),同相分量(I),则,由式,可知,仅当 ak ak-1，且k为奇数 时，pk才改变：pk=-pk-1 仅当 ak ak-1，且k为偶数 时，qk才改变：qk=-qk-1,pk和qk不可能同时改变,pk和ak同时改变时，qk=ak pk不改变,46,同相支路(I)数据和正交支路（Q）数据每隔2TB秒 才有可能改变符号，且I 支路与Q支路的码元在时间上错开TB。,pk在cos(t/2Ts)的过零点处才可能改变；qk在sin(t/2TB)的过零点处才可能改变；因此，加权

14、函数cos(t/2TB)和sin(t/2TB)都是正负符号不同的半个正弦波周期。这样就保证了波形的连续性。,设k=0时为初始状态，输入序列 ak：+1，-1，+1，-1，-1，+1，+1，-1，+1,由此例可见，pk和qk不可能同时改变符号。,MSK信号举例,取值表,这里TB=Tb,可见：MSK信号波形相当于一种特殊的OQPSK信号波形，其正交的两路码元也是偏置的，特殊之处主要在于其包络是正弦形，而不是矩形。,波形图,8.2.3 MSK信号的产生与解调,1 MSK信号的产生方法,2 MSK信号的解调方法,多种。如同2FSK,可以采用相干或非相干解调；鉴频器解调法，相关接收法等。,延时判决相干解

15、调法,考察k=1和k=2的两个码元。设1(t)=0，则在t 2TB时，k(t)的相位可能为0或，见图 A。,将这部分放大为图 B：,原理,图B,图A,在解调时，若用cos(ct+/2)作为相干载波与MSK信号相乘，则得到:,低通滤波，并去掉常数(1/2)后，得到输出电压：,按照输入码元ak的取值不同，v0的轨迹图如下：,若输入的两个码元:,则k(t)在(0 t 2TB)的值：,“+1,+1”或“+1,-1”,“-1，+1”或“-1，-1”,为正,为负,按照此法，在TB t 3TB期间积分，就能判断 第 2 个 接收码元的值，依此类推。,若在(0 t 2TB)期间对 积分，则,积分结果为正值，说

16、明第1个接收码元为“+1”积分结果为负值，说明第1个接收码元为“-1”,55,图中两个积分判决器的积分时间长度均为2TB，但是错开时间TB。上支路的积分判决器先给出第2i个码元输出，然后下支路给出第(2i+1)个码元输出。,此法利用前后两个码元的信息对于前一个码元作判决，故可以提高数据接收的可靠性。,方框图,8.2.4 MSK信号的功率谱,注意:图中横坐标是以载频为中心画的，即横坐标代表(f fc),可见：与QPSK 和OQPSK相比，MSK的谱密度更为集中，即旁瓣下降得更快，故对相邻频道的干扰较小。,归一化 单边功率谱密度Ps(f)：,（平均功率 1 W时）,包含90信号功率的带宽近似值为：

17、对于QPSK、OQPSK、MSK：B 1/TB Hz对于BPSK：B 2/TB Hz包含99信号功率的带宽近似值为：对于 MSK：B 1.2/TB Hz对于 QPSK及OQPSK：B 6/TB Hz对于 BPSK：B 9/TB Hz 由此可见，MSK信号的带外功率下降非常快。,计算表明,8.2.5 MSK信号的误码性能,MSK信号是用极性相反的半个正（余）弦波形去调制两个正交的载波。因此，当用匹配滤波器分别接收每个正交分量时，MSK信号的误比特率性能和2PSK、QPSK及OQPSK等的性能一样。但是，若把它当作FSK信号用相干解调法在每个码元持续时间TB内解调，则其性能将比2PSK信号的性能差

18、3dB。,信号的包络恒定；在码元转换时刻，信号的相位连续；信号的频偏等于1/4TB，调制指数h=0.5；在一个码元期间，附加相位线性变化/2；在每个码元周期内必须包含1/4 载波周期的整数倍；两种码元包含的正弦波数均相差1/2个周期；功率谱密度的主瓣较QPSK宽，但滚降速率较快。,MSK信号的主要特点；,移动通信系统要求：信号谱的旁瓣相对于主瓣峰值应低于60 70dB。尽管MSK信号具有较好的频谱特性和误码性能，但仍不能满足此要求。因此，需要对MSK的带外频谱特性进行改进，使其衰减速度加快。,进一步改进,GMSK,GMSK的功率谱密度比MSK的更加集中，旁瓣进一步降低，能满足蜂窝移动通信环境下

19、对带外辐射的严格要求。,在MSK调制之前，用一个高斯型低通滤波器对矩形的输入基带信号进行预处理，这种体制称为GMSK。,8.2.6 高斯最小频移键控(GMSK),（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）,高斯型低通滤波器,B滤波器的3dB带宽BTb归一化3dB带宽,传递函数 冲激响应,62,62,BTb越小，输出脉冲的宽度越大，ISI越严重。,让一个高为1，持续时间为(-Tb/2+Tb/2)的矩形方波通过该滤波器，则其输出脉冲g(t)在Tb/2变得圆滑。,高斯滤波器的矩形脉冲响应,GMSK信号的相位路径,可见：消除了MSK相位路径在码元转换时刻

20、的相位转折点,没有相位转折点，该时刻的导数也是连续的，即信号的频率不会突变，这将使信号谱的旁瓣衰减更快。,64,GMSK信号的的功率谱密度,BTb越小，功率谱的衰降越快,BTb越小，输出脉冲宽度越大，ISI越严重。,GMSK的缺点,GMSK的优点,在第二代 移动通信系统（GSM）中，采用BTb=0.3的GMSK调制。,65,正交频分复用（OFDM）,8.3,一种多载波调制技术,（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）,具有较强的抗多径传播和抗频率选择性衰落的能力以及较 高的频谱利用率，在高速无线通信系统中得到了广泛应用。,多载波调制,它是将需要传

21、输的数据流调制到单个载波上进行传送，前面介绍的各种数字调制方式都属于单载波体制。,问题引出,单载波调制,8.3.1 概述,单个,载波上,它是将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送，前面介绍的各种数字调制方式都属于单载波体制。,问题引出,单载波调制,8.3.1 概述,TB,高速数据信号的码元持续时间TB 短，但占用带宽B大 信道特性|C(f)|不理想，将产生码间串扰 ISI。,|C(f)|,信道最大多径迟延差,TB max，产生频率选择性衰落。,需复杂的均衡,68,NTB,B/N,解决途径,信道 N个子信道，高速 N 路 低速子数据流，分别调制到各子载波上并行传输。,多载波调制,串/并,分成

22、,带宽:Bi=B/N 码元持续时间:Ti=NTB 数据传输速率:Ri=RB/N,信道的相关带宽,信道最大多径迟延max,TB,正交频分复用（OFDM）,一类多载波并行调制体制,将高速数据流分散调制到多个子载波上并行传输，从而使各子 载波的信号速率大为降低；子信道上的信号带宽信道的相关带宽，每个子信道上可看成是平坦性衰落，从而可消除ISI、提高抗多径和抗衰落的能力。,各路子载波的已调信号频谱有1/2重叠 提高了频率利用率和总传输速率；,设计思想,子信道的均衡也相对容易,各路已调信号是严格正交的 便于接收端分离各路信号，减少子信道之间的相互干扰（ICI）；每路子载波的调制制度可以不同根据每个子载波

23、处信道特性的优劣不同采用不同的体制。,对信道产生的频率偏移和相位噪声很敏感；信号峰值功率和平均功率的比值较大，这将会降低射频功率放大器的效率；对同步要求严格。,8.3.2 OFDM的基本原理,表 示 式,设OFDM系统中有N个子信道，每个子信道采用的子载波为：,式中，Bk、fk、k 分别为 第k路子载波的振幅、频率、初始相位；Bk 受基带码元的调制。则此系统中的 N 路子信号之和为：,可改写成：,式中，Bk是一个复数，为第k路子信道中的复输入数据。,即,正交条件,为了使这 N 路子信道信号在接收时能够完全分离，要求它们满足正交条件。在TB内，任意两个子载波都正交的条件是：,积分结果为,其中，m

24、=整数和n=整数；并且k和i可以取任意值。,上式等于0的条件：,这就是子载频正交的条件。,即要求子载频满足 fk=k/2TB，式中 k=整数；且要求子载频间隔f=fk fi=n/TB，故要求的最小子载频间隔为：,OFDM的频域特性,OFDM信号（各子载波合成后）频谱：,各相邻子载波的频率间隔等于最小容许间隔：,单个子载波频谱：,设一个子信道中，子载频 fk、码长TB，则此码元的波形和频谱密度：,由图可见：各路子载波的频谱是相互重叠的，但在一个码元持续时间内它们是正交的。这样不但减小了子载波间的相互干扰（ICI)，同时又提高了频谱利用率OFDM的一大优点。,可按照各个子载波所处频段的信道特性采用

25、不同的调制制度，因而具有很大的灵活性。OFDM的又一个重大优点。,OFDM的频带利用率,设OFDM系统中共有N路子载波，子信道码元间隔为TB，每路子载波均采用M 进制的调制，则它占用的频带宽度为,因为一路子信道的比特率为,OFDM信号的比特率为,所以OFDM的频带利用率为,并行的OFDM体制与串行的单载波体制相比，频带利用率大约提高一倍。,当N很大时,若用单个载波的M 进制码元传输，为得到相同的传输速率，则码元间隔应缩短为(TB/N)，而占用带宽等于(2N/TB)，故频带利用率为,8.3.3 OFDM的实现,OFDM的历程,多载波调制技术始于1957年，主要用于军事无线通信中，但因结构复杂而限

26、制了它的应用。,1971年，Weinstein和Ebert撰文提出了采用离散傅里叶变换（IDFT/DFT）实现多载波调制/解调的解决方案，以此取代复杂的硬件结构，使得以OFDM为代表的多载波调制技术开始走向实用。,由于快速傅里叶变换（FFT）是实现DFT计算的简化算法，所以采用FFT更能显著降低多载波传输系统的复杂度。但在当时，由于缺乏数字处理功能强大的元器件，因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展。,随着超大规模集成电路和数字信号处理器（DSP）芯片技术的迅猛发展，FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其他难以实现的困难也都得到了解决，从而使OFDM系统的付诸应用成为现实。,OFDM信号的

27、调制,基于IDFT/DFT的OFDM信号调制原理图：,基于IFFT/FFT的OFDM信号调制原理图：,基于IFFT/FFT的OFDM信号接收原理图：,OFDM的应用,OFDM技术已广泛用于各种通信系统。例如，接入网中的高速数字环路（HDSL）、非对称数字环路（ADSL）、高清晰度数字电视（HDTV）的地面广播系统、无线局域网（WLAN）等，并且开始应用于无线广域网（WWAN）。在移动通信领域，OFDM是第3代、第4代（4G）移动通信系统准备采用的关键技术之一。,配套辅导教材：,曹丽娜 樊昌信,编著,国防工业出版社,整理知识 归纳结论梳理关系 引导主线剖析难点 解惑疑点强化重点 点击考点,谢谢！,