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文檔簡介

1、§ 4-3恒定包絡(luò)調(diào)制方式移相鍵控信號(hào)(OQPSK、兀/4-DQPSK )的主要缺點(diǎn)是沒能從根本上消除碼元轉(zhuǎn)換出的載波相位突變。相位的突變將使系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)的旁瓣功率分量,造成對(duì)鄰近信道的干擾;若將此信號(hào)通過帶限系統(tǒng),由于旁瓣的濾除將產(chǎn)生信號(hào)包絡(luò)起伏變化;為了不失真的傳輸,對(duì)信道的線性特性要求非??量獭:惆j(luò)調(diào)制的特點(diǎn):1、對(duì)線性要求低??墒褂?C類放大器,功率效率高2、帶外輻射低??蛇_(dá)-60-70dB3、利于限幅器的使用。可克服隨機(jī)噪聲和瑞利衰落導(dǎo)致的信號(hào)幅度的變化,抗干擾抗衰落能力強(qiáng)。4、具有較好的解調(diào)門限。一、最小移頻鍵控(MSK)為了克服相位不連續(xù)的缺點(diǎn),需要控制相位的連續(xù)性,即

2、采用連續(xù)相位調(diào)制(CPM)。MSK是二進(jìn)制連續(xù)相位移頻鍵控CPFSK的一種特殊形式(在相鄰符號(hào)交界處相位保持連續(xù)),其特殊性主要表現(xiàn)在它具有正交信號(hào)的最小頻差(移頻系數(shù)h=0.5)。1. MSK兩頻率信號(hào)的相關(guān)性(MSK信號(hào)的調(diào)制指數(shù))2FSK信號(hào)的互相關(guān)系數(shù) P可以求得(為了方便討論,令它們的初相=0):(4-1)(4-2)Tbcos,1tcos,2tdt = Sn(2+Sn(02 cTb2-dTb其中COc=(切1 +切2)/2 ,與d=|切1 一切2|/2令p=0,即要求式(4-1)右端兩項(xiàng)分別為0,即rcTb=nnsin(2 樸)2 'dTb=Sa(2 dTb )=Sa(2,2

3、fdfb)=Sa( 2 | f1一言| )=Sa(2 二 h )=0 fb(4-3)上式(4-3)要成立,即要求調(diào)制指數(shù) h=| f1 ;,2 |=? (n為正整數(shù))n hmin=0.5說明: 當(dāng)h=0.5時(shí),波形相關(guān)系數(shù)為 0(即相關(guān)函數(shù)等于 0),兩個(gè)頻率信號(hào)相互正交;h = = 0.5是移頻鍵控具有良好的誤碼性能所允許的最小調(diào)制指數(shù)fb1/Tb(h=)。(式中,Tb為輸入數(shù)據(jù)流的比特寬度) wmf m2. MSK的頻率關(guān)系由式(3-2)可知 f c = ( N+ ) = ( N+ ) f b(4-4)4Tb4Tb4上式(4-3)要成立,即要求h=H (n為正整數(shù))=>hmin=0.

4、5H Af =hfb=fb/2=2fd2nfd=fb/4nf1= (N+-)fb ;f2= (N+1)fb443. MSK信號(hào)的相位連續(xù)性兀h .,、,.,冗 .,1,,一Sk(t) =cos斜t + akt +xk =cos 忡+ akt +xk(4-5)當(dāng)ak =+1時(shí),信號(hào)頻率 f1 = (wc + );當(dāng)ak =-1時(shí),信號(hào)頻率 f2 = (wc );2 二2Tb2 二2Tb令氣=wct+里akt+xk =。上 +乳kT”t(k+1)Tb(4-6)2Tb其中氣=工&仃+xk(4-7)2TbBk稱作第K個(gè)碼元的附加相位,易知在此碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)它是t的直線方程,并且,在一個(gè)碼元持續(xù)

5、時(shí)間 耳內(nèi),它變化 y, ak =1, 0k增加z";否則ak=-1, 6k減少5。正式因?yàn)镸SK調(diào)制所有的相位都得經(jīng)歷,并且其幅度保持恒定,所以 MSK的星座圖 為下圖:為了保持相位連續(xù),在t=kTb時(shí)應(yīng)有下式成立:cPkjL(kTb><PkkTb(4-8)k 二(4-9)勿知要灑足式(3-8),要求6k =Hk,即x. = xk+ (akw ak)-表明本比特內(nèi)的相位常數(shù)xk不僅與當(dāng)時(shí)輸入有關(guān),還與前一比特輸入及其相位常數(shù)XkJ1有關(guān)。這就說明,MSK信號(hào)的前后碼原之間存在相關(guān)性。若令x0=0,則(4-10)Xk=0或士兀(模2兀)例1若x0=0,輸入序列ak為+1,

6、 +1, -1, +1, -1, -1,求對(duì)應(yīng)每比特的相位常數(shù)X. ?解答如書P77。例2 若x0=0,輸入序列 ak = 1,1,+1,1,婦,+1,+1,1,+1 ,求MSK相對(duì)于載波相位的相位軌跡圖?解:在一個(gè)比特時(shí)間內(nèi),A8k變化為 成丁x(±1)Tb = ±;,即當(dāng)ak=+1時(shí),增加 :;ak=-1 時(shí),減少 °因此其相位軌跡圖如下圖所示:2ak-1-1+ 1-1+ 1 |+1 |+1 1 | +1xK i MUM0-2冗 冗 -3冗-3冗-3冗4冗-4冗Tb 2Tb . 3Tb 4Tb 5Txke (t)2兀3兀/22兀兀/20一 t-兀/2兀-3 兀

7、 /2-2兀圖4-10 MSK的相位網(wǎng)格圖e (t)3k/2itit /20-W2-it-3 tt 2-2 Tt-5 Tt 2-3 Tt由圖可見,正斜率表示傳“ 1 ” (ak=+l)的相位軌跡,負(fù)斜率表示傳“ 0”(ak=-l)的相位軌跡。MSK的所有可能相位軌跡圖如下所示:4. MSK信號(hào)的正交表示法卜面將證明MSK可看成是一類特殊的 OQPSK。即OQPSK兩路基帶信號(hào)的矩形波形被正弦波形脈沖所代替。將式(4-5)變形得到下式aa& (t) = cos( k t x< )cos ct sin( k txk )sin wct2Tb2Tb=(cos 琴 cosxk -sinsi

8、n Xk)cos w/ ak 二tak 二 t(4-11)一(sin cosxkcos sin xk)sin wct2Tb2Tb考慮到式(4-10), 有s i xk =0 cosxk =±1 ,以及考慮到ak =士1 ,兀, ,、一t ,式(4-10)變?yōu)閍kak二,cos1 =cost 及sin1 = ak sin2Tb2Tb2Tb旦 sinwct 2Tbt& (t) = cosxk coscoswct -ak cosxk sin 2Tb二 t.二t .=Pk cos coswctqk sinsin Wct(4-12)2Tb2Tb式中 Pk=cosxk=±1;

9、qk =ak cosxk =akPk =±1(4-13)由式(4-9)可知,僅當(dāng)ak #ak,且k為奇數(shù)時(shí),Pk才可以改變。又由式(4-13)可知,若Pk與ak同時(shí)改變,貝U qk不變;反之,ak#ak,且k為偶數(shù)時(shí),Pk不變,qk才可以改變。也即pk和qk兩者不可以同時(shí)改變。這就讓我們想到OQPSK的兩個(gè)分支的數(shù)字信息。即MSK可看成是一類特殊的 OQPSK。但仍需要證明下面定理。若bk經(jīng)串并變換后,可分成同相分支Pk和正交分支qk,即b1,b2,b3,b4,b5,b6,A,b8=P1,q2, P3,q4, P5,q6, P7,q8。,則 ak 與 bk之間滿足差分編碼關(guān)系( ba

10、bkj)。(1) 當(dāng)k為偶數(shù)時(shí),對(duì)應(yīng)bk =qk,由式(3-13)得qk =akpk = akpk;(2) 當(dāng) k 為奇數(shù)時(shí),對(duì)應(yīng) A = pk , 由式(3-9)得Pk =(ak ak_1)Pk_L=ak(ak_lPk_i) = akqk_L,因此bk=ak,bj(4-14)成立。也即,當(dāng)輸入碼元ak= 1時(shí),bk變號(hào),也即qk=Pk,或Pk = qk。5. MSK信號(hào)的調(diào)制方法MSK信號(hào)的產(chǎn)生原理如下圖所示:差分編碼圖4-11 MSK調(diào)制器原理框圖(1) 輸入二進(jìn)制碼元ak = ± 1 ;(2) 經(jīng)差分編碼后得bk=ak *bk_L,即逢-1就變號(hào)。(若為10形式,則bk=ak

11、O b=;相同就輸出1,對(duì)應(yīng)幅度為1;不同就輸出0,對(duì)應(yīng)幅度為-1 )。(3) 串并變換后得到兩路并行雙極性不歸0碼,且相互錯(cuò)開 Tb波形分別為b, (t)和bQ(t),符號(hào)寬度為2Tb;(4) b| (t)和bQ(t)分別和cos業(yè)L和sin里土相乘;2Tb2Tb(5) 將中結(jié)果再分別對(duì)相互正交的載波coswct和sin wct進(jìn)行調(diào)制;(6) 將兩路已調(diào)信號(hào)相加,通過帶通濾波器,就得到 MSK信號(hào)。MSK信號(hào)也可以將非歸零的二進(jìn)制序列直接送入FM調(diào)制器中來產(chǎn)生,這里要求FM調(diào)制器的調(diào)制指數(shù)為 0.5。 結(jié)論: MSK是一種特殊的CPFSK,調(diào)制指數(shù)為0.5a) 在碼元交替點(diǎn),滿足信號(hào)相位連

12、續(xù)的條件,即信號(hào)波形無突變, 已調(diào)信號(hào)幅度是恒定的;b) 以載波相位為基準(zhǔn),在一個(gè)碼元周期Tb內(nèi),信號(hào)的相位準(zhǔn)確地按線性變化土三;2 MS他是一類特殊形式的 OQPSK用半正弦脈沖取代 OQPSK勺基帶矩形脈沖。 在一個(gè)碼元期間Tb內(nèi),信號(hào)應(yīng)是1個(gè)載波周期的整數(shù)倍,即 0、蘭、兀、的n倍。4221 信號(hào)頻率偏離載頻 fc為土 。4Tb6. 解調(diào)方式1 一 , 定時(shí)的時(shí)鐘 一需要有一個(gè)專門的同步電路來提取,比如用平萬環(huán)、科斯塔環(huán)、判決2Tb反饋環(huán)、逆調(diào)制環(huán)等。MSK相干解調(diào)框圖如下圖:I支路和Q支路的輸出:參照FSK的誤碼率分析,在輸入為窄帶高斯噪聲二t2cosxk cos2ak cosxk s

13、in(均值為0,方差為。2)的情況,各支路的誤碼率為p's = 1erfc( Jr/ 2),式中,rwa2/?。:。又由于與FSK性能相比,由于各2支路的實(shí)際碼元寬度為2Tb,其對(duì)應(yīng)的低通濾波器帶寬減少為原帶寬的1/2,從而使MSK的輸出信噪比提高了一倍。誤碼率為Ps = ; erfc(J r) = 1 erfc(J令)經(jīng)過差分譯碼后的誤比特率為:pe =2ps(ps)=Qrl1.7Eb(注意:這是差分譯碼.n。后的誤碼率)。二、高斯最小移頻鍵控 GMSK1、GMSK信號(hào)的產(chǎn)生原理:ISI。脈沖成型可矩形脈沖經(jīng)過限帶信道后,脈沖在時(shí)間上擴(kuò)展,造成嚴(yán)重的符號(hào)串?dāng)_以減小ISI和調(diào)制信號(hào)的帶

14、寬。移動(dòng)中的脈沖成型技術(shù):升余弦滾降濾波器高斯脈沖成型濾波器。圖4-13高斯濾波的最小移頻鍵控 (GMSK)圖4-15 GMSK信號(hào)的頻譜MSK信號(hào)在任意一個(gè)碼元間隔內(nèi),相位的變化為±z ,而在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻保持相位的連續(xù)性;但是相位的變化是折線,碼元轉(zhuǎn)換時(shí)可產(chǎn)生尖角,從而使其頻譜特性的旁MSK)前先經(jīng)過一個(gè)瓣滾降不快,帶外輻射還相對(duì)較大。為解決此問題,可在調(diào)制(高斯濾波器整形(預(yù)濾波),如下圖所示:輸入數(shù)據(jù) A預(yù)調(diào)制濾波器 . FM調(diào)制器 不歸零(NRZ) 調(diào)制指數(shù)為0.5圖4-14 GMSK調(diào)制器基帶高斯脈沖成形技術(shù)平滑了MSK信號(hào)的相位曲線,因此穩(wěn)定了信號(hào)的頻率變化,這使得發(fā)射頻

15、譜上的旁瓣大大降低。GMSK的相位路徑比 MSK平滑,無相位轉(zhuǎn)折點(diǎn),相位增量不固定。對(duì)前置濾波器的要求:帶寬窄且為銳截止特性有較低的過脈沖響應(yīng)保持輸出脈沖的面積不變。其目的:抑制高頻分量,防止過量的瞬時(shí)頻率偏移以及滿足相干檢測(cè)的需要。2、GMSK信號(hào)的頻譜對(duì)數(shù)字移動(dòng)通信來說,調(diào)制方式的主要性能要求是節(jié)約頻帶和減少差錯(cuò)概率。因此,要求調(diào)制信號(hào)的能量集中在頻譜主瓣內(nèi),旁瓣的功率要小,且滾降要快。由上圖可知:GMSK的功率譜密度隨 BJb I ,頻譜越集中。當(dāng) BbTb "危,就變?yōu)镸SK的頻譜(Bb為高斯濾波器3dB的帶寬,Tb為碼元寬度,BbTb為高斯濾波器3dB 的歸一化帶寬)。例如

16、,數(shù)據(jù)速率1/Tb=16kb/s,頻道間隔 f=25kHz ,則歸一化頻道間隔 fTb=25/16=1.56。 從圖 3-14 可查得,在 BbTb=0.3 時(shí),鄰道干擾為-60dB ; BbTb =0.25 時(shí)為-70dB ; BbTb =0.2 時(shí)為-80dB。實(shí)際中還應(yīng)考慮載波漂移的影響?鄰道干擾會(huì)比上述計(jì)算值嚴(yán)重一些。3、GMSK的解調(diào)GMSK的解調(diào)可采用正交相干解調(diào)和鎖相環(huán)解調(diào)兩種方法(如書P95圖4-15),也可采用鑒相器或差分檢測(cè)器,下圖4-16所示就為一比特延退差分檢測(cè)原理框圖。圖4-16 一比特延退差分檢測(cè)原理框圖設(shè)中頻濾波器的輸出信號(hào)為:SIF(t) =R(t)cos

17、9;,ct 抑)】 式中,R(t)是時(shí)變包絡(luò);3 c是中頻載波角頻率;9 (t)是附加相位函數(shù)。在不計(jì)輸入噪聲與干擾的情況下,相乘器的輸出為:R(t)cos減 *t) R(t -Tb)sin %(t -兀)*t -兀)經(jīng)LPF后的輸出信號(hào)為:1.Y(t) =;R(t)R(t Tb)sin fTbr(Tb)2*(Tb) - Mt) -u(t -Tb)-.1_當(dāng) 3 cTb=k(2 兀)(k 為整數(shù))時(shí),Y(t) =2R(t)R(t Tb)sinAB(Tb)式中,R(t)和R(t-Tb)是信號(hào)的包絡(luò),永遠(yuǎn)是正值。因而Y(t)的極性取決于相差信息 0(Tb)。令判決門限為零,即判決規(guī)則為Y(t) > 0 判為“+1 ”: Y(t) v 0 判為-1在輸入“+1時(shí)0 (t)增大,在輸入-T時(shí)0 (t)減小。用上述判決規(guī)則即可恢復(fù)出原來的數(shù)據(jù),

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