c7-第8章新型數(shù)字調(diào)制

1、 美工設(shè)計：陳英 技術(shù)支持：張嘉等人 課 件 新型數(shù)字調(diào)制 第8章正交振幅調(diào)制 （QAM）最小移頻鍵控（MSK）高斯最小移頻鍵控（GMSK）正交頻分復(fù)用（OFDM） 本章內(nèi)容: 第8章 新型數(shù)字調(diào)制 正交振幅調(diào)制 （QAM）8.1 （Quadrature Amplitude Modulation，QAM）一種振幅振幅和相位相位聯(lián)合鍵控的數(shù)字調(diào)制技術(shù)l 觀察觀察MPSK的星座圖：的星座圖：n 需求背景需求背景問題引出l 容易想到的一種辦法：-往往會受發(fā)射功率的限制。解決途徑l 可行性方案：振幅 和 相位 聯(lián)合鍵控的調(diào)制方式。(星座結(jié)構(gòu))設(shè)計思想M1M20.473AdA2MM2sin0.3916d

2、AA 16QAM信號 16PSK信號最大振幅同為AM最小距離此此代表代表噪聲容限噪聲容限的的大小大小。n 舉例舉例 對比對比最小距離 噪聲容限噪聲容限越越大大，抗噪聲性能就越，抗噪聲性能就越強強。21dd l d2超過超過d1約約1.57 dB（最大功率（最大功率(振幅振幅)相等條件下）相等條件下）l d2超過超過d1約約4.12 dB（平均功率相等條件下）（平均功率相等條件下） 16QAM是最具有代表性的是最具有代表性的MQAM信號，此外：信號，此外：比較：比較：M=4時，時，QPSK信號就是一種最簡單的信號就是一種最簡單的QAM信號信號 注：注： QAM星座圖除星座圖除方型方型結(jié)構(gòu)外，還有

3、結(jié)構(gòu)外，還有星型星型或其他結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)M=64、256時，時，QAM信號的信號的星座圖星座圖：n 星座結(jié)構(gòu)n 設(shè)計準(zhǔn)則星座結(jié)構(gòu)影響系統(tǒng)性能！2種振幅值種振幅值8種相位值種相位值3種振幅值種振幅值12種相位種相位方型方型16QAM 星型星型16QAMl在多徑衰落信道中，信號振幅和相位取值越多，受到的在多徑衰落信道中，信號振幅和相位取值越多，受到的影響越大，因而影響越大，因而星型星型 比比方型方型更具有吸引力。更具有吸引力。l但但方型方型星座的星座的QAMQAM信號的產(chǎn)生與接收更易實現(xiàn)。信號的產(chǎn)生與接收更易實現(xiàn)。展開為：式中： Xk = Akcosk，Yk = -Aksink Ak、k、 Xk和

4、Yk分別可以取多個離散值n 16QAM信號的產(chǎn)生信號的產(chǎn)生表明：M( )cos()kkcke tAt(1)BBkTtkT ( )cossinkkckce tXtYtAMLMu復(fù)合相移法： 用兩路獨立的用兩路獨立的QPSK信號疊加，即可形成信號疊加，即可形成 16QAM信號。信號。AMAM 大大圓上的圓上的4個個紅紅點點表示表示第一個第一個QPSK信號矢量的信號矢量的位置。位置。 在這在這4個位置上可以疊個位置上可以疊加上第二個加上第二個QPSK矢量，矢量，后者的位置用虛線后者的位置用虛線小小圓圓上的上的4個小黑點表示。個小黑點表示。n 16QAM信號的解調(diào)信號的解調(diào)正交相干解調(diào)正交相干解調(diào)以上

5、兩式適用于其他線性數(shù)字調(diào)制信號。以上兩式適用于其他線性數(shù)字調(diào)制信號。 n MQAM信號的信號的譜零點帶寬譜零點帶寬頻帶利用率： （bps/Hz） 以上兩式也適用于其他線性數(shù)字調(diào)制信號。以上兩式也適用于其他線性數(shù)字調(diào)制信號。 最小頻移鍵控（MSK）8.2 2FSK的改進(jìn)型n 問題引出問題引出： 相位不連續(xù)引起相位不連續(xù)引起n 究其原因究其原因：需求背景n 解決途徑解決途徑：改善已調(diào)波的相位路徑改善已調(diào)波的相位路徑采用相位連續(xù)變化的調(diào)制方式采用相位連續(xù)變化的調(diào)制方式CPMMSK就是一種就是一種包絡(luò)恒定包絡(luò)恒定、相位連續(xù)相位連續(xù)、頻差最小，頻差最小，并且嚴(yán)格正交正交的2FSK（CPFSK）信號。”時

6、發(fā)送“”時發(fā)送“010011)cos()cos()(tAtAteB)cos()cos(Tdttt000110B)cos()cos(Tdttt0010101010218.2.1 正交2FSK信號的最小頻率間隔 設(shè)設(shè) 2FSK信號碼元的表示式為信號碼元的表示式為 欲滿足欲滿足條件，則要求互相關(guān)系數(shù)條件，則要求互相關(guān)系數(shù)即要求即要求001010101010101010101)()sin()()sin()sin()sin(BBTT上式積分結(jié)果為上式積分結(jié)果為若設(shè)若設(shè) 1+ 0 1，則上式左端第，則上式左端第1和和3項項 0，故有，故有0101010101)cos(sin()sin()cos(BBTT由

7、于由于 1和和 0是任意常數(shù)，故必須同時有是任意常數(shù)，故必須同時有001BT)sin(101BT)cos(上式才等于零上式才等于零mTB201)(BTmff/01應(yīng)當(dāng)令應(yīng)當(dāng)令即要求即要求 上面討論中，假設(shè)上面討論中，假設(shè)初始相位初始相位 1 1和和 0 0是任意的，它在是任意的，它在接收端無法預(yù)知，因此只能采用接收端無法預(yù)知，因此只能采用非非相干相干接收方法。接收方法。 注意注意：001BT)sin(BTnff201/可化簡為可化簡為0101010101)cos(sin()sin()cos(BBTT即僅要求即僅要求8.2.2 MSK信號的基本原理1 MSK信號的頻率間隔信號的頻率間隔MSK信號

8、第信號第k個碼元表示：個碼元表示：頻偏；-BkTa2這里這里TB=Tb c -載頻；載頻； TB - -碼元寬度；碼元寬度；ak = 1（對應(yīng)輸入碼元（對應(yīng)輸入碼元“1”和和 “0”）；）；最小頻差最小頻差:調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù):121201kkkkkatfatfte當(dāng)當(dāng)),cos(),cos()()/()/(BBTffTffcc4141012 MSK碼元中波形的周期數(shù)碼元中波形的周期數(shù)可改寫為可改寫為式中式中B)cos()cos(Tkkdttftf001022MSK信號應(yīng)滿足信號應(yīng)滿足正交正交條件：條件：N 正整數(shù)正整數(shù)由此推出由此推出 B4cnTT 還可寫成還可寫成 或或并有并有 T1 = 1

9、 / f1T0 = 1 / f0含義：一個碼元時間含義：一個碼元時間TB內(nèi)包含的正弦波周期數(shù)。內(nèi)包含的正弦波周期數(shù)。兩種碼元包含的正弦波數(shù)均相差兩種碼元包含的正弦波數(shù)均相差1/2個周期。個周期。 當(dāng)當(dāng) N =1，m = 3 時時 “1”的一個碼元內(nèi)有的一個碼元內(nèi)有 2 個正弦波周期。個正弦波周期。 “0”的一個碼元內(nèi)有的一個碼元內(nèi)有1.5個正弦波周期。個正弦波周期。例如3 MSK信號的信號的相位連續(xù)性相位連續(xù)性n 相位連續(xù)條件相位連續(xù)條件: :即在碼元轉(zhuǎn)換時刻即在碼元轉(zhuǎn)換時刻 t=kTB，滿足：，滿足：相位約束條件相位約束條件。據(jù)此確定初相。據(jù)此確定初相 k，使相位連續(xù)。，使相位連續(xù)。)(mo

10、d,20或kl 若設(shè)若設(shè) k-1的初始參考值等于的初始參考值等于0，則，則( )cos(2)kkkcBe ttatTB BB Bk kT T t t ( (k k + +1 1) )T Tn MSK信號的相位信號的相位路徑路徑: :l第第k個碼元的附加相位：個碼元的附加相位： BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(12 斜率斜率 截距截距 直線方程直線方程B(1)( )2kkBBkatkTkTTtt 若若ak =+1，則，則 k(t) 線性線性增增加加 /2l 任一任一TB內(nèi)內(nèi)下圖若若ak = -1，則，則 k(t) 線性線性減減小小 /2l 附加相位附加相位 k(t)的路徑示

11、例：的路徑示例：-1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 +10 0 1 0 1 1 0 1 在碼元轉(zhuǎn)換時刻，在碼元轉(zhuǎn)換時刻，MSK信號的附加相位信號的附加相位是是連續(xù)連續(xù)的！的！可見：可見：TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)l 附加相位附加相位 k(t)的的全部可能路徑全部可能路徑：上例上例 0 0 1 0 1 1 0 1TB3TB5TB9TB7TB11TB0 k(t)l 模模2 運算后的運算后的附加相位附加相位路徑路徑：（1 1）設(shè)）設(shè)“0”0”對應(yīng)對應(yīng) f0 ，“1”1” 對應(yīng)對應(yīng) f1，則有，則有解例例0cs112002 4002100Hz44ffT1cs112002 40

12、02 700Hz44ffT4TB4TB（2）MSK信號時間波形如圖所示：信號時間波形如圖所示：TBTB正弦波）正弦波）（3）MSK信號附加相位路徑圖：信號附加相位路徑圖：可見：在碼元轉(zhuǎn)換時刻，可見：在碼元轉(zhuǎn)換時刻，MSK信號的相位信號的相位是是連續(xù)連續(xù)的。的。4 MSK信號的信號的正交表示法正交表示法進(jìn)行展開，表示成頻率為進(jìn)行展開，表示成頻率為fc的兩個正交分量：的兩個正交分量： 將將MSK信號信號( )cos()cossin()sin22kkkkckcBBaae tttttTTcoscossinsincos22sincoscossinsin22kkkkcBBkkkkcBBatattTTata

13、ttTT( )cos()cossin()sin22cocosskccBkBkktte tttTxTa)(mod,20或k10kkcos,sin1kaBkBkBBkTtatTaTttTa2222sinsin,coscos及以及以及cos()cossin()sin22cBBkcktttTqTptcos1kkp cos1kkkkkapaq 正交分量(Q)同相分量( I )則則由式由式可知可知( )cos()cossin()sin22kccBkBktte tttTTpqcos1kkp cos1kkkkkapaq pkqk pkak qk =ak pk 設(shè)設(shè)k = 0時為初始狀態(tài)，輸入序列時為初始狀態(tài)，

14、輸入序列 ak ： +1， -1， +1， -1， -1， +1， +1， -1， +1 pk qkn MSK信號舉例信號舉例u取值表取值表這里TB=Tb 可見：可見：MSK信號波信號波形相當(dāng)于一種特殊形相當(dāng)于一種特殊的的OQPSK信號波形，信號波形，其正交的兩路碼元其正交的兩路碼元也是偏置的，特殊也是偏置的，特殊之處主要在于其包之處主要在于其包絡(luò)是正弦形，而不絡(luò)是正弦形，而不是矩形。是矩形。u波形圖波形圖8.2.3 MSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)1 MSK信號的產(chǎn)生方法信號的產(chǎn)生方法( )cos()cossin()sin(1)22kccBBBBkktte tttkTtpqkTTT （）2 MSK信號

15、的解調(diào)方法信號的解調(diào)方法多種。如同多種。如同2FSK,可以采用相干或非相干解調(diào)；可以采用相干或非相干解調(diào)；鑒頻器解調(diào)法，相關(guān)接收法等。鑒頻器解調(diào)法，相關(guān)接收法等。延時判決相干解調(diào)法延時判決相干解調(diào)法 考察考察k = 1和和k = 2的兩個碼元。設(shè)的兩個碼元。設(shè) 1(t) = 0，則，則在在t 2TB時，時， k(t)的相位可能為的相位可能為0或或，見，見圖圖 A。將這部分放大為將這部分放大為圖圖 B：u原理原理圖圖Bk(t)TB2TBTB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)圖圖Al在解調(diào)時，若用在解調(diào)時，若用cos( ct + /2)作為相干載波與作為相干載波與MSK信信號相乘，則得到號

16、相乘，則得到:)(costtkc)/cos(2tc)(cos)(cos2221221tttkck)(sin2)(cos0ttvkkl低通濾波，并去掉常數(shù)低通濾波，并去掉常數(shù)(1/2)后，得到輸出電壓：后，得到輸出電壓：l 按照輸入碼元按照輸入碼元ak的取值不同，的取值不同， v0的軌跡圖如下：的軌跡圖如下：v0(t)TB2TB若輸入的兩個碼元若輸入的兩個碼元:“+1, +1” 或“+1, -1”“-1，+1”或“-1，-1”為為正正為為負(fù)負(fù)按照此法，在按照此法，在TB t 3TB期間積分，期間積分， 就能判斷就能判斷 第第 2 個個 接收碼元的值，依此類推。接收碼元的值，依此類推。積分結(jié)果為積

17、分結(jié)果為正值正值，說明第，說明第1個接收碼元為個接收碼元為“+1”積分結(jié)果為積分結(jié)果為負(fù)值負(fù)值，說明第，說明第1個接收碼元為個接收碼元為“-1” 圖中兩個積分判決器的積分時間長度均為圖中兩個積分判決器的積分時間長度均為2TB，但是錯開時間但是錯開時間TB。上上支路的積分判決器先給出支路的積分判決器先給出第第2i個個碼元碼元輸出，然后輸出，然后下下支路給出支路給出第第(2i+1)個個碼元輸出。碼元輸出。載波提取載波提取 積分判決積分判決解調(diào)輸出解調(diào)輸出MSK信號信號(2i-1)TB， (2i+1)TB積分判決積分判決2iTB， 2 (i+1)TB此法利用前后兩個碼元的信息對于前一個碼元作判決，故

18、此法利用前后兩個碼元的信息對于前一個碼元作判決，故可以提高數(shù)據(jù)接收的可靠性?？梢蕴岣邤?shù)據(jù)接收的可靠性。u方框圖方框圖8.2.4 MSK信號的功率譜2222161232BccsTffTffTfP)()(cos)(BB注意注意: 圖中橫坐標(biāo)是以載頻為中心畫的，即橫坐標(biāo)代表圖中橫坐標(biāo)是以載頻為中心畫的，即橫坐標(biāo)代表(f fc) 可見可見：與：與QPSK 和和OQPSK相比相比，MSK的的譜密度更為集中，即旁譜密度更為集中，即旁瓣下降得更快，故對相瓣下降得更快，故對相鄰頻道的干擾較小。鄰頻道的干擾較小。歸一化歸一化 單邊功率譜密度單邊功率譜密度Ps(f)：（平均功率 1 W時） l包含包含90信號功率

19、的帶寬近似值為：信號功率的帶寬近似值為： 對于對于QPSK、OQPSK、MSK： B 1/TB Hz對于對于BPSK： B 2/TB Hzl包含包含99信號功率的帶寬近似值為：信號功率的帶寬近似值為：對于對于 MSK： B 1.2/TB Hz對于對于 QPSK及及OQPSK： B 6/TB Hz對于對于 BPSK： B 9/TB Hz 由此可見，由此可見，MSK信號的帶外功率下降非常快。信號的帶外功率下降非常快。計算表明計算表明8.2.5 MSK信號的誤碼性能l MSK信號是用極性相反的半個正（余）弦波形去調(diào)制兩個正交的載波。l 因此，當(dāng)用匹配濾波器分別接收每個正交分量時，MSK信號的誤比特率

20、性能和2PSK、QPSK及及OQPSK等的性能一樣。l 但是，若把它當(dāng)作FSK信號用相干解調(diào)法在每個碼元持續(xù)時間TB內(nèi)解調(diào)，則其性能將比2PSK信號的性能差3dB。 MSK信號的主要特點；信號的主要特點；歸納歸納GMSK8.2.6 高斯最小頻移鍵控(GMSK)（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）n 高斯型低通濾波器高斯型低通濾波器22( )exp()H ff2( )exph ttln2 10.5887=2BBB濾波器的濾波器的3dB帶寬帶寬BTb歸一化歸一化3dB帶寬帶寬l 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)l 沖激響應(yīng)沖激響應(yīng)BTb越小，輸出越小，輸出脈沖

21、的寬度越大脈沖的寬度越大，ISI越嚴(yán)重。越嚴(yán)重。讓一個高為讓一個高為1，持續(xù)時間為，持續(xù)時間為(-Tb/2 +Tb/2)的的矩形方矩形方波波通過該濾波器，則其輸通過該濾波器，則其輸出脈沖出脈沖g(t)在在Tb/2變得變得圓滑。圓滑。l高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)n GMSK信號的相位路徑信號的相位路徑可見：消除了可見：消除了MSK相位路徑在相位路徑在碼元轉(zhuǎn)換時刻碼元轉(zhuǎn)換時刻的相位轉(zhuǎn)折點的相位轉(zhuǎn)折點 沒沒有有相位相位轉(zhuǎn)折點，轉(zhuǎn)折點，該時刻的該時刻的導(dǎo)數(shù)導(dǎo)數(shù)也是連續(xù)的，即信號也是連續(xù)的，即信號的的頻率頻率不會突變，這將使信號譜的旁瓣衰減更快。不會突變，這將使信號譜的旁瓣衰減更快

22、。n GMSK信號的的功率譜密度信號的的功率譜密度 GMSK的的缺點缺點 GMSK的的優(yōu)點優(yōu)點在第二代 移動通信系統(tǒng)（GSM）中，采用BTb = 0.3的GMSK調(diào)制。 正交頻分復(fù)用（OFDM）8.3 一種多載波調(diào)制技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ）多載波調(diào)制問題引出n單載波調(diào)制單載波調(diào)制8.3.1 概述存在問題存在問題單個載波上問題引出n單載波調(diào)制單載波調(diào)制8.3.1 概述|C(f)|tffBTB存在問題存在問題|C(f)|信道最大多徑遲延差 TB max ，產(chǎn)生頻率選擇性衰落。 需復(fù)雜的均衡NTBtfB/N解決途徑n多載波調(diào)制多載

23、波調(diào)制串/并分成 帶寬: Bi = B/N 碼元持續(xù)時間: Ti = NTB 數(shù)據(jù)傳輸速率: Ri = RB/N信道最大多徑遲延max 子信道子信道|C(f)|tffBTBBTBn 正交頻分復(fù)用（正交頻分復(fù)用（OFDM） 各路子載波的已調(diào)信號頻譜有1/2重疊 提高了頻率利用率和 總傳輸速率； 特點設(shè)計思想 各路已調(diào)信號是嚴(yán)格正交的 便于接收端分離各路信號，減少子信道之間的相互干擾（ICI）； 每路子載波的調(diào)制制度可以不同根據(jù)每個子載波處信道特性的優(yōu)劣不同采用不同的體制。 對信道產(chǎn)生的頻率偏移和相位噪聲很敏感； 信號峰值功率和平均功率的比值較大，這將會降低射頻功率放大器的效率； 對同步要求嚴(yán)格。

24、 缺點：8.3.2 OFDM的基本原理n 表 示 式l 設(shè)OFDM系統(tǒng)中有N個子信道，每個子信道采用的子載波為：12102-)cos()(NktfBtxkkkk，式中，Bk 、fk、 k 分別為 第k路子載波的振幅、頻率、初始相位； Bk 受基帶碼元的調(diào)制。則此系統(tǒng)中的 N 路子信號之和為：10102NkkkkNkktfBtxte)cos()()(l 可改寫成：102BNktfjkkkete)()(式中，Bk是一個復(fù)數(shù)，為第k路子信道中的復(fù)輸入數(shù)據(jù)。022210dttfftffikikTikikB)(cos()(cos(即n 正交條件l 為了使這 N 路子信道信號在接收時能夠完全分離，要求它們滿足正交條件。在TB內(nèi)，任意兩個子載波都正交的條件是：0)(2sin)(2sin