第四章--现代数字调制解调技术_MSK要点课件.ppt
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1、1,第四章 先进的数字带通调制和解调,2,BPSK、QPSK、OQPSK和FSK信号的都可能会发生相位突变,瞬间产生极大的频率变化,相应的谐波会造成对带外的干扰;OQPSK较之QPSK相位突变小,造成的带外干扰也小;若能够采用避免相位跳变的调制,则可大大抑止带外干扰;最小频移键控(MSK)正是基于这种思路提出的调制方式。,3,4.1 最小频移键控(MSK)及高斯最小频移键控(GMSK)MSK和FSK比较:相位连续包络恒定占用带宽最小严格正交 4.1.1 MSK信号的基本原理表示式式中,(当输入码元为“1”时,ak=+1;当输入码元为“0”时,ak=-1)T 码元持续时间;k 第k个码元的确定的
2、初始相位。,4,由上式可以看出:当ak=+1时,码元频率 f1等于 fs+1/(4T);当ak=-1时,码元频率 f0等于 fs-1/(4T)。故 f1 和 f2 的距离等于1/(2T)FSK信号的最小频率间隔 上式可以改写为式中,,5,码元持续时间T由于它是一个正交FSK信号,所以它应当满足式:即有,上式左端4项应分别等于零,所以将第3项sin(2k)=0的条件代入第1项,得到要求:sin(2sT)=0即要求:或 上式表示,MSK信号每个码元持续时间 T 内包含的载波周期数必须是1/4的整数倍。,6,即上式可以改写为式中,N为正整数;m=0,1,2,3以及有由上式可以得知:式中,T1=1/f
3、1;T0=1/f0,7,上式给出一个码元持续时间 T 内包含的正弦波周期数。由此式看出,无论两个信号频率f1和f0等于何值,这两种码元包含的正弦波数均相差1/2个周期。例如,当N=1,m=3时,对于比特“1”和“0”,一个码元持续时间内分别有2个和1.5个正弦波周期,如下图所示:,8,4.1.2 MSK信号的相位连续性码元相位的含义 设:式中,s 载波角频率;k 码元初始相位。仅当一个码元中包含整数个载波周期时,初始相位相同的相邻码元间相位才是连续的,即波形是连续的;否则,即使初始相位k相同,波形也不连续。如下图所示:,9,波形连续的一般条件:前一码元末尾的总相位等于后一码元开始时的总相位,即
4、MSK信号的相位连续条件相位连续的MSK信号要求前一码元末尾的相位等于后一码元的初始相位。由MSK信号的表示式:和上式可知,这是要求由上式可以容易地写出下列递归条件:由上式可以看出,第(k+1)个码元的相位不仅和当前的输入有关,而且和前一码元的相位有关。,10,载波相位连续性分析,研究tnTS瞬间前后载波的相位 在第n1个符号结束前瞬间,载波相位 在第n个符号开始前瞬间,载波相位 可见有,即相位连续。,11,MSK信号的附加相位设:k的初始参考值等于0。这时,由可知,而MSK信号可以改写为式中,第k个码元信号的附加相位。它是 t 的直线方程。并且,在一个码元持续时间T 内,它变化+/2 或-/
5、2。,12,附加相位(t)的轨迹图设:输入数据序列 ak=+1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,-1 则由得到,13,MSK的表达式为,14,4.1.3 MSK信号的正交表示法MSK信号表示式可以变换为如下两个正交分量:式中,,15,例:输入序列 ak=+1,-1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,16,输入序列 ak=+1,-1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,17,4.1.4 MSK信号的产生和解调 MSK信号的产生由下式可以画出MSK信号产生的方框图如下:,18,MSK信号的解调如同2FSK信号,可以采用相干解调或非相干解调方法。延时判
6、决相干解调法 另一种解调方法基本原理:采用QPSK信号的解调原理接收信号分别用提取的相干载波cosst 和-sinst 相乘:sk(t)cosst=pkcos(t/2T)cosst-qksin(t/2T)sinstcosst=(1/2)pkcos(t/2T)sk(t)(-sinst)=pkcos(t/2T)cosst-qksin(t/2T)sinst(-sinst)=(1/2)qksin(t/2T)上两式和原MSK信号的两个正交分量的振幅相同。它们经过积分判决后,得到pk和qk。再作模2乘。,19,当输入序列 ak=+1,-1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,+1时,解调波形如下:,20,
7、最小频移键控(MSK)在上式中,因为 所以有,21,22,为避免解调时的本地载波的相位模糊问题,可采用加预编码 的MSK技术 MSK信号的最佳接收方法 利用两个相隔一个周期T的两个匹配滤波器(相关器)在两个码元周期T分别进行收到和判决。,23,4.1.5 MSK信号的功率谱MSK信号的归一化功率谱密度Ps(f)计算结果如下:式中,fs 信号载频;T 码元持续时间。功率谱曲线:,24,4.1.6 MSK信号的误码率性能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。若把它当作FSK信号用相干解调法在每个码元持续时间T内解调,则其性能将比
8、2PSK信号的性能差3dB。11.3.7 高斯最小频移键控(GMSK)先将矩形码元通过一个高斯型低通滤波器,再作MSK调制。高斯型低通滤波器特性:式中,B 滤波器的3 dB带宽。优点:对邻道干扰小。缺点:有码间串扰(ISI)。应用:在GSM制的蜂窝网中采用BT=0.3的GMSK调制,以得到更大的用户容量。BT值越小,码间串扰越大。,25,高斯滤波最小频移键控(GMSK)g(t):高斯滤波特性,26,移动通信技术已经经历了以下三个阶段。第一代(1G)源于20世纪80年代,模拟移动电话时代,主要采用模拟和频分多址(FDMA)技术,建立在频分多址接入和蜂窝频率复用的理论基础上。第二代(2G)起源于9
9、0年代初期,1994年建成GSM数字网,2000年建成CDMA数字网。第二代数字移动通信系统可以提供话音以及低速率数据业务。主要采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)技术。第三代移动通信(3G)由卫星移动通信网和地面移动通信网组成,形成对全球无缝覆盖的立体通信网络,以满足各种用户密度的需要,支持高速移动环境,提供语音、数据和多媒体等多种业务(最高速率可达2Mbit/s)的先进移动通信网,基本实现个人通信的要求。但是不能满足多媒体通信的要求,通信速率更高,网络占用频谱更宽,通信终端更加灵活,智能性能更高,兼容性能更好,多媒体通信质量高,通信费用更加低的第四代移动通信(4G)应运而生。据2
10、011年3月5日最新新闻报道,第四代移动通信(4G)系统在我国4个城市试运行。,27,4G可以再不同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务,可以在任何地方宽带接入互联网,能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。4G系统中关键技术主要包括以下五个方面:(1).OFDM调制技术(2).软件无线电(3).智能天线技术(4).多用户检测技术,28,(1).OFDM调制技术 4G要求将数据速率从3G的2Mbps提高到20-100Mbps,对全速移动用户能够提供150Mbit/s的高质量影像服务。OFDM技术是在无线环境下的高速传输技术。OFDM技术的主要思想是在频域内将
11、给定的信道分成许多正交子信道,每一个子信道上采用一个子载波调制,并且各个子载波并行传输,这样虽然总的信道是非平坦的,但是每个子信道是相对平坦的,符号带宽小于信道带宽,可以消除符号波形间的干扰。OFDM技术最大的优势是对抗频率选择性衰落或窄带干扰;同时,子载波之间相互正交且频谱重叠,既减少了子载波间的互相干扰又提高了频谱利用率。,29,(2).软件无线电 软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用的硬件平台,利用软件加载方式实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序,在硬件平台上可以实现不同的功能,用以实现在不同的系统中利用单一的终端进行漫游。软
12、件无线电的核心思想是尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器,并尽可能的使用软件来定义无线功能。,30,(3).智能天线技术 智能天线(AAA,Adaptive Antenna Array)具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能,在移动通信中,可以改善信号质量又能增加传输容量,是4G移动通信的关键技术。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰,增强特殊范围内有用的信号。其基本原理是无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射,同时通过基带信号处理器,对天线上收到的信号按一定的算法进行合并,实现上行波束赋形。智能天线被定义为多入单出(MISO,Multi
13、ple Input Signal Output)、单入多出(SIMO,Signal Input Multiple Output)和多入多出(MIMO,Multiple Input Multiple Output)等几种方式。MIMO可以看成是智能天线的扩展。它是发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统,其有效的利用随机衰落和可能存在的多径传输来成倍的提高数据传输速率。其核心技术是空时信号处理,利用空间分布的多个时间域和空间域结合进行信号处理。,31,(4).多用户检测技术 4G系统的终端和基站将用到多用户检测技术以提高系统的容量。多用户检测技术的基本思想是:把同时占用某个信道的所有用户或部分用
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