現(xiàn)代通信理論第五講現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制

1、 第第 五五 講講 現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制現(xiàn)代通信理論現(xiàn)代通信理論緒論緒論 目的：目的：為了使數(shù)字信號(hào)能在實(shí)際信道為了使數(shù)字信號(hào)能在實(shí)際信道( (特別是無(wú)線信道特別是無(wú)線信道) )中傳輸，中傳輸，有效的利用傳輸媒質(zhì)，必須把基帶信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制；有效的利用傳輸媒質(zhì)，必須把基帶信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制；方法方法1：和模擬調(diào)制一樣就是把數(shù)據(jù)信號(hào)寄生在載波的某個(gè)參數(shù)和模擬調(diào)制一樣就是把數(shù)據(jù)信號(hào)寄生在載波的某個(gè)參數(shù)上：幅度、頻率和相位，即用數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)進(jìn)行幅度調(diào)制、頻率上：幅度、頻率和相位，即用數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)進(jìn)行幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。因此可以采用模擬調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)；調(diào)制和相位調(diào)制。因此可以采用模擬調(diào)制的方

2、法來(lái)實(shí)現(xiàn)；方法方法2：由于數(shù)字信號(hào)的狀態(tài)有限由于數(shù)字信號(hào)的狀態(tài)有限,因而可以采用鍵控載波的方因而可以采用鍵控載波的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)法來(lái)實(shí)現(xiàn),如如:幅移鍵控（幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵）和相移鍵控（控（PSK）三種基本方式）三種基本方式。第一部分：二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)第一部分：二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng) 2ASK波形可看成單極性不歸零碼與正弦載波相乘的結(jié)果。波形可看成單極性不歸零碼與正弦載波相乘的結(jié)果。tnTtgatsnbnASK02cos)()(10na， p，1-p一、一、 a k碼型碼型變換變換單極性單極性NRZNRZ2ASK信號(hào)信號(hào)t0cos模擬調(diào)制法產(chǎn)生模擬調(diào)制法產(chǎn)生

3、2ASK信號(hào)信號(hào))()(41)(cscseffPffPfP與與AM信號(hào)的信號(hào)的頻譜頻譜 很相似很相似2ASK信號(hào)的解調(diào)信號(hào)的解調(diào)BPFLPF定時(shí)脈沖定時(shí)脈沖包絡(luò)檢包絡(luò)檢波器波器2ASK信號(hào)信號(hào)抽抽 樣樣判決器判決器an非相干解調(diào)非相干解調(diào)xc c o o s s c ct tBPFLPF抽抽樣樣判決器判決器2ASK信號(hào)信號(hào)相干解調(diào)相干解調(diào)定時(shí)脈沖定時(shí)脈沖 a an n y(t)z(t)s(t)二、二、 二進(jìn)制頻移鍵控二進(jìn)制頻移鍵控1. FSK信號(hào)的產(chǎn)生及時(shí)域表達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生及時(shí)域表達(dá) 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 2FSK信號(hào)可看成兩個(gè)信號(hào)可看成兩個(gè)互不相關(guān)的單極性不歸互不相關(guān)的單極性

4、不歸零碼分別與兩個(gè)正弦載零碼分別與兩個(gè)正弦載波相乘而得到波相乘而得到tnTtgatnTtgatsnbnnbnFSK212cos)(cos)()(10na， p，1-p01na， p，1-p模擬調(diào)制法產(chǎn)生模擬調(diào)制法產(chǎn)生2FSK信號(hào)信號(hào)t1cosa k單極性單極性NRZ2FSK信號(hào)信號(hào) 相加相加倒相倒相t2cos 2FSK信號(hào)的功率譜及帶寬信號(hào)的功率譜及帶寬112211( )()()()()44essssP fP ffP ffP ffP ff(1) 2FSK信號(hào)的功率譜與信號(hào)的功率譜與2ASK的相似，由離散譜和連續(xù)譜組成的相似，由離散譜和連續(xù)譜組成。(2) 連續(xù)譜的形狀隨著連續(xù)譜的形狀隨著 的大小

5、而異：的大小而異：bfff12bfff12，出現(xiàn)雙峰；出現(xiàn)雙峰；，出現(xiàn)單峰。，出現(xiàn)單峰。12ff(3) 2FSK信號(hào)的頻帶寬度為信號(hào)的頻帶寬度為: 2212FSKbBfff2FSK信號(hào)解調(diào)器信號(hào)解調(diào)器圖圖 非相干解調(diào)方式非相干解調(diào)方式 1抽樣脈沖抽樣脈沖 輸入輸入 帶通帶通濾波器濾波器 包絡(luò)包絡(luò)檢波器檢波器 抽樣抽樣判決器判決器 輸出輸出 帶通帶通濾波器濾波器 包絡(luò)包絡(luò)檢波器檢波器 2 輸入輸入 帶通帶通濾波器濾波器cos 1t 低通低通濾波器濾波器抽樣脈沖抽樣脈沖 抽樣抽樣 判決器判決器 輸出輸出 帶通帶通濾波器濾波器cos 2t 低通低通濾波器濾波器 1 2圖圖 相干解調(diào)方式相干解調(diào)方式b

6、fff212用普通的分路濾波用普通的分路濾波器需滿足下面條件器需滿足下面條件三、二進(jìn)制相移鍵控三、二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)及差分相移鍵控及差分相移鍵控(2DPSK)1、2PSK信號(hào)的產(chǎn)生及時(shí)域表達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生及時(shí)域表達(dá)s (t)0a k 相移相移載波載波k 1 0 0 1 0 1 1 0 a k載波載波2PSK信號(hào)信號(hào)c o s cts (t)雙極性雙極性不歸零碼不歸零碼模擬調(diào)制法產(chǎn)生模擬調(diào)制法產(chǎn)生2PSK信號(hào)信號(hào)A方式：方式：0， “0”， “1”B方式：方式：0， “0”， “1”tnTtgatsnbnPSK02cos)()(11na， p，1-p)()(41)(cscseffPffPfP

7、)cos(cos)(002tttsPSK或：或：2、 2PSK信號(hào)的功率譜及帶寬信號(hào)的功率譜及帶寬與與DSB信號(hào)的信號(hào)的頻譜很相似頻譜很相似仍為基帶信號(hào)帶寬的仍為基帶信號(hào)帶寬的2倍，零點(diǎn)帶寬倍，零點(diǎn)帶寬3、2PSK的相干解調(diào)器的相干解調(diào)器 抽樣抽樣判決器判決器 輸入輸入 帶通帶通濾波器濾波器c o s ct 低通低通 濾波器濾波器 輸出輸出定時(shí)脈沖定時(shí)脈沖4、 2DPSK（相對(duì)相移鍵控相對(duì)相移鍵控） 1 0 0 1 0 1 1 0 絕對(duì)碼絕對(duì)碼載波載波2PSK信號(hào)信號(hào) (0) ( ) ( ) (0) ( ) (0) (0) ( ) (0) (0) ( ) (0) (0) ( ) ( ) ( )

8、 (0)2DPSK信號(hào)信號(hào)A A方式：方式：0， “0”， “1”B B方式：方式：0， “0”， “1”相對(duì)碼相對(duì)碼 1 1 0 1 1 0 1 1 0 相對(duì)碼相對(duì)碼A方式：方式：1nnnbab1nnnbabB方式方式：?jiǎn)螛O性碼表示單極性碼表示1nnnbab1nnnbabA方式方式B方式方式雙極性碼表示雙極性碼表示2DPSK信號(hào)的相干解調(diào)和差分相干解調(diào)信號(hào)的相干解調(diào)和差分相干解調(diào)第二部分第二部分 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng) 數(shù)字有效調(diào)制數(shù)字有效調(diào)制多進(jìn)制傳輸與二進(jìn)制傳輸?shù)谋容^多進(jìn)制傳輸與二進(jìn)制傳輸?shù)谋容^: :(1) 在傳碼率相同的情況下在傳碼率相同的情況下, ,可以提高傳信率可以提

9、高傳信率; ;(2) 在傳信率相同的情況下在傳信率相同的情況下, ,可以降低信道中的傳碼率可以降低信道中的傳碼率, , 降低信號(hào)帶寬降低信號(hào)帶寬, ,增加碼元傳輸間隔增加碼元傳輸間隔, ,減小碼間干擾減小碼間干擾; ;(3) 增加了傳輸矢量增加了傳輸矢量, ,誤碼率有所增加。誤碼率有所增加。傳輸帶寬傳信率頻譜利用率：頻譜利用率：一一 、 多進(jìn)制相位調(diào)制多進(jìn)制相位調(diào)制矢矢 量量 圖圖1、4PSK(QPSK)及及4DPSK QPSK信號(hào)的矢量圖：信號(hào)的矢量圖： 邏輯選相電路邏輯選相電路串串/ /并并帶通帶通濾波器濾波器四相載波發(fā)生器四相載波發(fā)生器0 90 180 2704PSK信號(hào)信號(hào)相位選擇法產(chǎn)

10、生相位選擇法產(chǎn)生4PSK信號(hào)信號(hào)/23/2/43/47/45/40正交調(diào)制法正交調(diào)制法(/2系統(tǒng)系統(tǒng))串串/并并變換變換/4相加相加輸入輸入輸出輸出/4串串/并并變換變換/2 相移相移相加相加輸入輸入輸出輸出正交調(diào)制法正交調(diào)制法(/4系統(tǒng)系統(tǒng))/23/2/43/47/45/404PSK (QPSK) 相干解調(diào)相干解調(diào)并并/ /串串變換變換/2/2LPF輸入輸入輸出輸出LPF判決判決判決判決定時(shí)定時(shí)定時(shí)定時(shí)正交調(diào)制法產(chǎn)生正交調(diào)制法產(chǎn)生 8PSK信號(hào)信號(hào)串串/并并變變 換換相相 加加輸入輸入輸出輸出電電 平平產(chǎn)產(chǎn) 生生/2電電 平平產(chǎn)產(chǎn) 生生倒 相b2b311100001b1b301 00 10

11、11110010011001000100111101b2b1 b3二、幅度和相位聯(lián)合調(diào)制相二、幅度和相位聯(lián)合調(diào)制相(APK)提出：提出：多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的頻帶利用率高，但多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)頻帶多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的頻帶利用率高，但多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)頻帶利用率的提高是通過(guò)犧牲功率利用率來(lái)?yè)Q取的，因?yàn)槔寐实奶岣呤峭ㄟ^(guò)犧牲功率利用率來(lái)?yè)Q取的，因?yàn)镸增大，各增大，各信號(hào)點(diǎn)間最小距離減小，判決區(qū)域減小，誤碼率增大。信號(hào)點(diǎn)間最小距離減小，判決區(qū)域減小，誤碼率增大。星座圖星座圖(矢量圖矢量圖)16PSK：d10.39A16QAM：d20.47A正交調(diào)制法產(chǎn)生正交調(diào)制法產(chǎn)生16QAM信號(hào)信號(hào)串串/ /并并變換變換/2相加相

12、加輸入輸入輸出輸出 2/4電電平變換平變換 2/4電電平變換平變換正交調(diào)幅正交調(diào)幅MQAM 16QAM調(diào)制調(diào)制16QAM方型方型星坐圖星坐圖. . . . . . . . . . . . . . .A16PSK 16QAM 星型星座圖星型星座圖星型：星型：2個(gè)幅度，個(gè)幅度，8個(gè)相位個(gè)相位 方型：方型：3個(gè)幅度，個(gè)幅度，12個(gè)相位個(gè)相位在最小距離相等條件下，方在最小距離相等條件下，方型的誤碼率小于星型，但是型的誤碼率小于星型，但是正交調(diào)制法產(chǎn)生正交調(diào)制法產(chǎn)生MQAM信號(hào)信號(hào)ML 串串/并變換并變換/2相相 加加輸入輸入輸出輸出 2/L電平電平 變變 換換2/L電平電平 變變 換換單邊帶濾波單邊帶

13、濾波4800B3000-24002400f 600 3000 5400f600 3000f例：例：4800bps信號(hào)的調(diào)制解調(diào)器模型信號(hào)的調(diào)制解調(diào)器模型s (t)串串/ /并并四相四相PSK升余弦升余弦=0.5=0.548002400=0.25VBS濾波濾波器器2400-12001200f1800 1 800600 4200600 3000-800800f4800串串/ /并并8PSK=0.5升余弦升余弦雙邊帶雙邊帶BPF16001800Hz1200 1200600 3000第三部分第三部分 恒包絡(luò)調(diào)制恒包絡(luò)調(diào)制 -衰落信道的調(diào)制技術(shù)衰落信道的調(diào)制技術(shù) 現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)的研究，主要是圍繞著充分

14、地節(jié)省頻譜現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)的研究，主要是圍繞著充分地節(jié)省頻譜和高效地利用可用頻帶這一中心而展開(kāi)的，前者指的是已調(diào)信和高效地利用可用頻帶這一中心而展開(kāi)的，前者指的是已調(diào)信號(hào)頻譜占用率，后者指的是信道可用頻帶利用率。號(hào)頻譜占用率，后者指的是信道可用頻帶利用率。 由于通信容量迅速增加，致使射頻頻譜非常擁擠，因此各由于通信容量迅速增加，致使射頻頻譜非常擁擠，因此各個(gè)信道間的相互干擾已經(jīng)成為一個(gè)突出的問(wèn)題，為此國(guó)際上對(duì)個(gè)信道間的相互干擾已經(jīng)成為一個(gè)突出的問(wèn)題，為此國(guó)際上對(duì)頻帶占用率和利用率都作了嚴(yán)格的規(guī)定，例如在視距無(wú)線中繼頻帶占用率和利用率都作了嚴(yán)格的規(guī)定，例如在視距無(wú)線中繼傳輸中，規(guī)定占用帶中至少要

15、包含整個(gè)信號(hào)頻譜的傳輸中，規(guī)定占用帶中至少要包含整個(gè)信號(hào)頻譜的99%99%的功率，的功率，即帶外輻射功率不得超過(guò)即帶外輻射功率不得超過(guò)1%1%；在衛(wèi)星通信中，規(guī)定要求相鄰信；在衛(wèi)星通信中，規(guī)定要求相鄰信道中的帶外輻射功率比所需信道低道中的帶外輻射功率比所需信道低60608080分貝。分貝。現(xiàn)代恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)的特點(diǎn)：現(xiàn)代恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)的特點(diǎn)： 包絡(luò)恒定或包絡(luò)起伏小，包絡(luò)恒定或包絡(luò)起伏小，由于信道具有非線性的輸入輸出特性，由于信道具有非線性的輸入輸出特性，以及以及AM/PM效應(yīng)，所以已調(diào)波包絡(luò)不能起伏，而應(yīng)當(dāng)恒定，需要效應(yīng)，所以已調(diào)波包絡(luò)不能起伏，而應(yīng)當(dāng)恒定，需要采用采用FSK或或PSK調(diào)制調(diào)制;

16、 具有最小功率頻譜占用率，具有最小功率頻譜占用率，這就要求已調(diào)波具有快速高頻滾降這就要求已調(diào)波具有快速高頻滾降的頻譜特性，即已調(diào)波除主瓣外只有很小的旁瓣，這種信號(hào)經(jīng)過(guò)帶的頻譜特性，即已調(diào)波除主瓣外只有很小的旁瓣，這種信號(hào)經(jīng)過(guò)帶限濾波后，只要主瓣無(wú)失真的通過(guò)，由于被濾波的旁瓣功率很小，限濾波后，只要主瓣無(wú)失真的通過(guò)，由于被濾波的旁瓣功率很小，所以輸出信號(hào)（即非線性部件的輸入信號(hào)）的包絡(luò)起伏很小，從而所以輸出信號(hào)（即非線性部件的輸入信號(hào)）的包絡(luò)起伏很小，從而大大減小了大大減小了AM/PM效應(yīng)，這樣頻譜擴(kuò)展現(xiàn)象也會(huì)隨之而減小，仍效應(yīng)，這樣頻譜擴(kuò)展現(xiàn)象也會(huì)隨之而減小，仍舊保持了其具有較小功率譜占用率的

17、特點(diǎn)。舊保持了其具有較小功率譜占用率的特點(diǎn)。 已調(diào)信號(hào)相位連續(xù)：已調(diào)信號(hào)相位連續(xù)：相位路徑在轉(zhuǎn)換時(shí)刻連續(xù)變化會(huì)使頻譜的衰相位路徑在轉(zhuǎn)換時(shí)刻連續(xù)變化會(huì)使頻譜的衰減速度較快。減速度較快。一、偏移四相相移鍵控一、偏移四相相移鍵控(OQPSK)t理想理想QPSKt濾波后濾波后QPSK (c) MSK相位路徑圖相位路徑圖相位跳變導(dǎo)相位跳變導(dǎo)致頻譜發(fā)散致頻譜發(fā)散QPSK相位路徑圖相位路徑圖(b) OQPSK 相位路徑圖相位路徑圖 OQPSK調(diào)制器調(diào)制器串串/并并變換變換/2 相移相移相加相加輸入輸入輸出輸出延時(shí)延時(shí)Ts/2成形成形濾波濾波成形成形濾波濾波dtttdtttttsttsssTT)cos()co

18、s(21coscoscos)(cos)(210210212211的速率即載波頻率遠(yuǎn)大于信息若s12bbTT)()sin(1212bTn12:當(dāng)顯然時(shí)或,2:12bfnff0二、二、 最小頻移鍵控最小頻移鍵控（MSK）兩正弦信號(hào)時(shí)域正交，注意這時(shí)頻譜是重疊的兩正弦信號(hào)時(shí)域正交，注意這時(shí)頻譜是重疊的bffff21124/01bfff4/02bfff“0”“1”)2cos()(24)()(000kkMSKkbkkkbtTttstTttatdtttbsskskkTtTktTat)1( ,2)(1 0 0 1 1 1可以看出載波相位在每個(gè)碼元間可以看出載波相位在每個(gè)碼元間隔內(nèi)變化隔內(nèi)變化(/2)(/2)

19、或或(-/2) (-/2) （線性增加或減少）（線性增加或減少）顯然要保證在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻相位連續(xù)，顯然要保證在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻相位連續(xù)，必須有一定的初相位必須有一定的初相位 k k，即在碼元轉(zhuǎn)換即在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻相位路徑的延長(zhǎng)線在時(shí)刻相位路徑的延長(zhǎng)線在t0時(shí)刻的值時(shí)刻的值時(shí)當(dāng)時(shí)當(dāng)111,111,) 1()1(2)(kkkkkkkkkkaakaakaasskskkTtTktTat)1( ,2)(kskkkskkkTatkTat)1(2)()1(2)(1111初末相位連續(xù)相位連續(xù):)2(0模或k則：則：MSK信號(hào)調(diào)制器原理圖信號(hào)調(diào)制器原理圖輸入輸入a k輸出輸出串串/并并變換變換/2f0相加相加差分差分

20、編碼編碼ck延遲延遲 Tb/2fb/4Q kI k 圖圖 不同調(diào)制不同調(diào)制方式的功率譜方式的功率譜結(jié)論：結(jié)論：MSK調(diào)制主要優(yōu)點(diǎn)是具有恒定的振幅，信號(hào)功率譜在主瓣以調(diào)制主要優(yōu)點(diǎn)是具有恒定的振幅，信號(hào)功率譜在主瓣以外衰減較快。與外衰減較快。與2PSK相比較，相比較，MSK信號(hào)的功率譜更加緊湊，占用的信號(hào)的功率譜更加緊湊，占用的帶寬窄，抗干擾性強(qiáng)，是適合在窄帶信道傳輸?shù)囊环N調(diào)制方式。帶寬窄，抗干擾性強(qiáng)，是適合在窄帶信道傳輸?shù)囊环N調(diào)制方式。三、三、高斯最小頻移鍵控高斯最小頻移鍵控（GMSK） 前置前置濾波器濾波器 MSK 調(diào)制器調(diào)制器輸入輸入輸出輸出提出提出：在一些應(yīng)用場(chǎng)合（如移動(dòng)通信），對(duì)信號(hào)帶外

21、輻射功率的在一些應(yīng)用場(chǎng)合（如移動(dòng)通信），對(duì)信號(hào)帶外輻射功率的限制是十分嚴(yán)格的，比如衰減要求在限制是十分嚴(yán)格的，比如衰減要求在7080dB以上。這時(shí)以上。這時(shí)MSK信號(hào)就不能滿足這樣苛刻的要求。信號(hào)就不能滿足這樣苛刻的要求。 解決辦法：解決辦法：在衰減要求較苛刻的情況下，高斯最小頻移鍵控在衰減要求較苛刻的情況下，高斯最小頻移鍵控（GMSK）可以滿足要求）可以滿足要求。 由于由于GMSK不僅保留了不僅保留了MSK的優(yōu)點(diǎn)，而且頻譜在主瓣以外的優(yōu)點(diǎn)，而且頻譜在主瓣以外衰減得更快，且鄰路干擾小，因此在要求信號(hào)帶外輻射功率限衰減得更快，且鄰路干擾小，因此在要求信號(hào)帶外輻射功率限制嚴(yán)格的。它在移動(dòng)通信中有著

22、廣泛的應(yīng)用。制嚴(yán)格的。它在移動(dòng)通信中有著廣泛的應(yīng)用。GMSK是在是在MSK調(diào)制器之前加入一高斯低通濾波器。此高斯低調(diào)制器之前加入一高斯低通濾波器。此高斯低通濾波器需滿足：通濾波器需滿足： 1、帶寬窄，且是銳截止的，其帶寬窄，且是銳截止的，其3dB帶寬為帶寬為Bb，當(dāng)當(dāng)BbTs趨于無(wú)窮趨于無(wú)窮時(shí)時(shí)GMSK就蛻變?yōu)榫屯懽優(yōu)镸SK；2、具有較低的過(guò)沖脈沖響應(yīng)具有較低的過(guò)沖脈沖響應(yīng) ；3、能保持輸出脈沖的面積不變；能保持輸出脈沖的面積不變； 以上要求分別是為了抑制高頻成分、防止過(guò)量的瞬時(shí)頻率偏以上要求分別是為了抑制高頻成分、防止過(guò)量的瞬時(shí)頻率偏移以及進(jìn)行相干檢測(cè)所需要的。移以及進(jìn)行相干檢測(cè)所需要的。

23、需要指出的是，需要指出的是，GMSK信號(hào)的頻譜特性的改善是通過(guò)降低誤信號(hào)的頻譜特性的改善是通過(guò)降低誤碼率性能換來(lái)的。前置濾波器的帶寬越窄，輸出功率譜就越緊湊，碼率性能換來(lái)的。前置濾波器的帶寬越窄，輸出功率譜就越緊湊，誤碼率性能就變得越差，當(dāng)時(shí)誤碼率性能就變得越差，當(dāng)時(shí)BbTs=0.25的的情況下，誤碼率性能情況下，誤碼率性能下降的并不嚴(yán)重。下降的并不嚴(yán)重。 GMSK信號(hào)的功率譜密度信號(hào)的功率譜密度 若干數(shù)字調(diào)制的相對(duì)帶寬值若干數(shù)字調(diào)制的相對(duì)帶寬值 ( (與信息速率與信息速率f b b之比之比) )10(/40ebPnE調(diào)制方式調(diào)制方式 譜零點(diǎn)帶寬譜零點(diǎn)帶寬 99%能量帶寬能量帶寬 2PSK 2

24、 20.56 相干解調(diào)相干解調(diào)8.4 4PSK 1 10.28 相干相干8.4 8PSK 2/3 6.85 16PSK 1/2 5.14 相干相干16.2 16QAM 1/2 5.14 相干相干12.4 MSK 1.5 1.18第四部分第四部分 多載波調(diào)制及正交頻分復(fù)用多載波調(diào)制及正交頻分復(fù)用(OFDM) 相對(duì)于傳統(tǒng)的多載波調(diào)制系統(tǒng)，這種允許頻譜重疊的相對(duì)于傳統(tǒng)的多載波調(diào)制系統(tǒng)，這種允許頻譜重疊的方案極大的提高了頻譜利用率。方案極大的提高了頻譜利用率。 OFDM 多載波多載波（FDM）正交頻分復(fù)用（正交頻分復(fù)用（OFDMOFDM）提出：提出：多徑傳輸、信道衰落和空間射頻干擾使傳輸速度和可達(dá)距離

25、面臨多徑傳輸、信道衰落和空間射頻干擾使傳輸速度和可達(dá)距離面臨挑戰(zhàn)；同時(shí)，在固定的頻帶中，頻譜利用率直接限定系統(tǒng)所能達(dá)到的數(shù)挑戰(zhàn)；同時(shí)，在固定的頻帶中，頻譜利用率直接限定系統(tǒng)所能達(dá)到的數(shù)據(jù)吞吐性能，所以在有限的頻帶里，需要找到一種能適應(yīng)大量突發(fā)性數(shù)據(jù)吞吐性能，所以在有限的頻帶里，需要找到一種能適應(yīng)大量突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制方式。，而據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制方式。，而OFDM正是這樣一種我們需要的調(diào)制技術(shù)。正是這樣一種我們需要的調(diào)制技術(shù)。特性：特性：1. OFDM技術(shù)就是將串行的數(shù)據(jù)流分成若干個(gè)并行數(shù)據(jù)流，分別調(diào)制在技術(shù)就是將串行的數(shù)據(jù)流分成若干個(gè)并行數(shù)據(jù)流，分別調(diào)制在正交的子載波上進(jìn)行傳輸。正交的子載波上進(jìn)行

26、傳輸。OFDM系統(tǒng)不需要線性均衡，從而避免了噪系統(tǒng)不需要線性均衡，從而避免了噪聲的增加，而且由于它的符號(hào)間隔相對(duì)變長(zhǎng)，對(duì)多徑效應(yīng)、脈沖噪聲和聲的增加，而且由于它的符號(hào)間隔相對(duì)變長(zhǎng)，對(duì)多徑效應(yīng)、脈沖噪聲和快速衰落有較強(qiáng)的抵抗能力；另外由于子載波之間的正交性，其頻譜允快速衰落有較強(qiáng)的抵抗能力；另外由于子載波之間的正交性，其頻譜允許重疊，使得它的頻譜利用率比單載波系統(tǒng)提高很多。許重疊，使得它的頻譜利用率比單載波系統(tǒng)提高很多。2. 多路載波的調(diào)制解調(diào)可以利用多路載波的調(diào)制解調(diào)可以利用DFT/IDFT來(lái)完成，目的是簡(jiǎn)來(lái)完成，目的是簡(jiǎn)化系統(tǒng)的處理過(guò)程，使系統(tǒng)無(wú)需用一組振蕩器來(lái)產(chǎn)生多個(gè)子載化系統(tǒng)的處理過(guò)程，

27、使系統(tǒng)無(wú)需用一組振蕩器來(lái)產(chǎn)生多個(gè)子載波。他們還在波。他們還在OFDM符號(hào)間引入了保護(hù)間隔，以減小符號(hào)間引入了保護(hù)間隔，以減小ISI和和ICI帶來(lái)的影響。帶來(lái)的影響。1980年，年，Peled和和Ruiz提出了循環(huán)前綴提出了循環(huán)前綴CP的概念，的概念，用于解決子載波正交性的問(wèn)題。與通常在符號(hào)間插入空的保護(hù)用于解決子載波正交性的問(wèn)題。與通常在符號(hào)間插入空的保護(hù)時(shí)間來(lái)防止時(shí)間來(lái)防止ISI的做法不同，他們是將的做法不同，他們是將OFDM符號(hào)進(jìn)行了循環(huán)符號(hào)進(jìn)行了循環(huán)擴(kuò)展。這種方法有效地將信道與傳送符號(hào)之間的線性卷積近似擴(kuò)展。這種方法有效地將信道與傳送符號(hào)之間的線性卷積近似成循環(huán)卷積，當(dāng)循環(huán)前綴比信道的脈

28、沖響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，能很好成循環(huán)卷積，當(dāng)循環(huán)前綴比信道的脈沖響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，能很好地保證子載波間的正交性。當(dāng)然循環(huán)前綴也引入了與其長(zhǎng)度成地保證子載波間的正交性。當(dāng)然循環(huán)前綴也引入了與其長(zhǎng)度成正比的系統(tǒng)的能量損失，但與它消除的正比的系統(tǒng)的能量損失，但與它消除的ICI比較起來(lái)，這種能比較起來(lái)，這種能量損失是可以承受的。量損失是可以承受的。OFDM原理：原理：OFDM系統(tǒng)將串行高速數(shù)據(jù)流分成系統(tǒng)將串行高速數(shù)據(jù)流分成N個(gè)并行的低速子數(shù)據(jù)個(gè)并行的低速子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流調(diào)制到不同的子載波上同時(shí)傳輸。通過(guò)設(shè)定子載波的流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流調(diào)制到不同的子載波上同時(shí)傳輸。通過(guò)設(shè)定子載波的頻率間隔，使子載波之間相互正交，

29、這樣就允許各個(gè)子載波的頻譜重疊，頻率間隔，使子載波之間相互正交，這樣就允許各個(gè)子載波的頻譜重疊，更有效地利用頻率資源。同時(shí)，在時(shí)域的每個(gè)更有效地利用頻率資源。同時(shí)，在時(shí)域的每個(gè)OFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間相對(duì)符號(hào)持續(xù)時(shí)間相對(duì)于同速率下的單載波系統(tǒng)的要長(zhǎng)得多，于是抗多徑衰落性能也比單載波于同速率下的單載波系統(tǒng)的要長(zhǎng)得多，于是抗多徑衰落性能也比單載波系統(tǒng)提高很多。另外，系統(tǒng)提高很多。另外，OFDM符號(hào)中還引入的保護(hù)間隔能有效地克服多符號(hào)中還引入的保護(hù)間隔能有效地克服多徑信道的延時(shí)擴(kuò)展，消除碼間干擾，因此可節(jié)省復(fù)雜的均衡器。徑信道的延時(shí)擴(kuò)展，消除碼間干擾，因此可節(jié)省復(fù)雜的均衡器。它是第它是第m個(gè)個(gè)OFDM符

30、號(hào)的第符號(hào)的第k個(gè)子載波的已調(diào)制的復(fù)數(shù)值。個(gè)子載波的已調(diào)制的復(fù)數(shù)值。 N個(gè)子載波為：，個(gè)子載波為：，k=0,N-1，f c是最低的子載波頻率。是最低的子載波頻率。f k是第是第k個(gè)子載波的頻率，個(gè)子載波的頻率，T w為為OFDM符號(hào)間隔，符號(hào)間隔，OFDM系統(tǒng)的系統(tǒng)的IFFT的輸出的輸出的基帶信號(hào)可表示為：的基帶信號(hào)可表示為：102)(1)(NkNknjknemXNmxOFDM系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖加窗加窗及及D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入x bits信信號(hào)號(hào)映映射射 N 點(diǎn)點(diǎn) IFFT并并串串轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換插入插入保護(hù)保護(hù)間隔間隔串串并并轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換基帶調(diào)制基帶調(diào)制基帶解調(diào)基帶解調(diào)上變頻上變頻信信 道道下變頻下變頻x bitsA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換去除去除保護(hù)保護(hù)間隔間隔串串并并轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換信信號(hào)號(hào)反反映映射射N點(diǎn)點(diǎn)FFT 數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)