西電-現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)剖析

現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)

現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)

主要探討內(nèi)容(1)減小信號(hào)帶寬提高頻譜利用率；(2)提高功率利用率增加抗干擾性能；適應(yīng)各種隨參信道增加抗多徑抗衰落實(shí)力；數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)。現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)

正交振幅調(diào)制(QAM)；正交頻分復(fù)用(OFDM)；最小移頻鍵控(MSK)；高斯最小移頻鍵控(GMSK)；

DQPSK；擴(kuò)頻調(diào)制。一、正交振幅調(diào)制(QAM)在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率始終是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。近年來(lái)，隨著通信業(yè)務(wù)需求的快速增長(zhǎng)，找尋頻譜利用率高的數(shù)字調(diào)制方式已成為數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、探討的主要目標(biāo)之一。其中正交振幅調(diào)制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式。在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。信號(hào)星座圖

信號(hào)矢量端點(diǎn)的分布圖稱(chēng)為星座圖。通常，可以用星座圖來(lái)描述QAM信號(hào)的信號(hào)空間分布狀態(tài)。對(duì)于的16QAM來(lái)說(shuō)，有多種分布形式的信號(hào)星座圖。兩種具有代表意義的信號(hào)星座圖如下圖所示。

2.QAM信號(hào)調(diào)制其中QAM中的振幅可以表示為

QAM信號(hào)調(diào)制原理圖如下圖所示。圖中，輸入的二進(jìn)制序列經(jīng)過(guò)串/并變換器輸出速率減半的兩路并行序列，再分別經(jīng)過(guò)2電平到L電平的變換，形成L電平的基帶信號(hào)。為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射，該電平的基帶信號(hào)還要經(jīng)過(guò)預(yù)調(diào)制低通濾波器，再分別對(duì)同相載波和正交載波相乘。最終將兩路信號(hào)相加即可得到QAM信號(hào)。

以主瓣寬度作為MQAM信號(hào)帶寬，則MQAM調(diào)制方式的頻譜利用率為二、最小移頻鍵控(MSK)

由于一般移頻鍵控信號(hào)相位不連續(xù)、頻偏較大等緣由，使其頻譜利用率較低。MSK(MinimumFrequency–shift-keying)是二進(jìn)制連續(xù)相位FSK的一種特殊形式。MSK稱(chēng)為最小移頻鍵控，有時(shí)也稱(chēng)為快速移頻鍵控(FFSK)。所謂“最小”是指這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)(0.5)獲得正交信號(hào)；而“快速”是指在給定同樣的頻帶內(nèi)，MSK能比2PSK傳輸更高的數(shù)據(jù)速率，且在帶外的頻譜重量要比2PSK衰減的快。

1.MSK的基本原理

MSK是恒定包絡(luò)連續(xù)相位頻率調(diào)制，其信號(hào)的表示式為：稱(chēng)為附加相位函數(shù)；為輸入第個(gè)碼元，取值為；為第個(gè)碼元的相位常數(shù)。

中心頻率為：兩個(gè)頻率可表示為：由此可得頻率間隔為MSK信號(hào)的調(diào)制指數(shù)為附加相位函數(shù)是始終線(xiàn)方程，其斜率為MSK的相位網(wǎng)格圖

MSK信號(hào)具有以下特點(diǎn)

MSK信號(hào)是恒定包絡(luò)信號(hào)；在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻信號(hào)的相位是連續(xù)的，以載波相位為基準(zhǔn)的信號(hào)相位在一個(gè)碼元期間內(nèi)線(xiàn)性地變更；在一個(gè)碼元期間內(nèi)，信號(hào)應(yīng)包括四分之一載波周期的整數(shù)倍，信號(hào)的頻率偏移等于，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)。MSK信號(hào)的功率譜

2.MSK調(diào)制解調(diào)原理

MSK信號(hào)的一般表示式為

調(diào)制器原理圖

鑒頻器解調(diào)原理圖

相干解調(diào)器原理圖

3.MSK的誤比特率性能

各支路的誤碼率為

式中為信噪比系統(tǒng)的總誤比特率為MSK系統(tǒng)誤比特率曲線(xiàn)

三、高斯最小移頻鍵控(GMSK)

在移動(dòng)通信中，對(duì)信號(hào)帶外輻射功率的限制特別嚴(yán)格，一般要求必需衰減70dB以上。從MSK信號(hào)的功率譜可以看出，MSK信號(hào)仍不能滿(mǎn)足這樣的要求。高斯最小移頻鍵控(GMSK)就是針對(duì)上述要求提出來(lái)的。GMSK調(diào)制方式能滿(mǎn)足移動(dòng)通信環(huán)境下對(duì)鄰道干擾的嚴(yán)格要求，它以其良好的性能而被泛歐數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)所接受。1.GMSK的基本原理

為了壓縮MSK信號(hào)的功率譜，可在MSK調(diào)制前加入預(yù)調(diào)制濾波器，對(duì)矩形波形進(jìn)行濾波，得到一種新型的基帶波形，使其本身和盡可能高階的導(dǎo)數(shù)都連續(xù)，從而得到較好的頻譜特性。GMSK調(diào)制原理

預(yù)調(diào)制濾波器主要特性

(1)

帶寬窄并且具有陡峭的截止特性；(2)

脈沖響應(yīng)的過(guò)沖較?。?3)

濾波器輸出脈沖響應(yīng)曲線(xiàn)下的面積對(duì)應(yīng)于的相移。其中條件(1)是為了抑制高頻重量；條件(2)是為了防止過(guò)大的瞬時(shí)頻偏；條件(3)是為了使調(diào)制指數(shù)為0.5。高斯低通濾波器特性

單位沖擊響應(yīng)

傳輸函數(shù)

高斯預(yù)調(diào)制濾波器的脈沖響應(yīng)

GMSK信號(hào)的相位路徑

GMSK信號(hào)的功率譜

GMSK信號(hào)

的眼圖

2.GMSK的調(diào)制與解調(diào)

鎖相環(huán)(PLL)法

波形存儲(chǔ)正交調(diào)制器

1比特差分解調(diào)器2比特差分解調(diào)器3.GMSK系統(tǒng)的性能

GMSK信號(hào)相干解調(diào)的誤比特率下界為式中為發(fā)送數(shù)據(jù)“1”和“0”之間的最小距離

歸一化最小信號(hào)距離

GMSK信號(hào)誤比特性能

四、正交頻分復(fù)用(OFDM)

OFDM是一種并行體制，它是將高速率的串行信息數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并變換，分割為若干路低速率并行數(shù)據(jù)流，然后每路低速率數(shù)據(jù)接受一個(gè)獨(dú)立的載波調(diào)制并疊加在一起構(gòu)成發(fā)送信號(hào)。OFDM方式作為一種高效調(diào)制技術(shù)，具有較強(qiáng)的抗多徑傳播和頻率選擇性衰落的實(shí)力以及較高的頻譜利用率。OFDM系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于接入網(wǎng)中的高速數(shù)字環(huán)路HDSL、非對(duì)稱(chēng)數(shù)字環(huán)路ADSL，高清晰度電視HDTV的地面廣播系統(tǒng)。在移動(dòng)通信領(lǐng)域，OFDM是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)接受的技術(shù)之一。1.OFDM基本原理

OFDM是把高速串行的數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換，變成低速的并行數(shù)據(jù)流，再依據(jù)調(diào)制方式把并行的數(shù)據(jù)流進(jìn)行映射為各路并行的調(diào)制符號(hào)流，對(duì)一組正交載波進(jìn)行調(diào)制，各路已調(diào)信號(hào)相加后，形成OFDM信號(hào)。在接收端依據(jù)OFDM信號(hào)中各載波之間正交的特點(diǎn)，接受相關(guān)接收的方法，分別各路已調(diào)信號(hào)，并復(fù)原出基帶調(diào)制符號(hào)流，再依據(jù)系統(tǒng)調(diào)制的方式，復(fù)原出并行數(shù)據(jù)流，通過(guò)并串變換復(fù)原動(dòng)身送的高速串行數(shù)據(jù)流。OFDM信號(hào)數(shù)學(xué)表示形式

式中為第m個(gè)子載波角頻率為第m個(gè)子載波上的復(fù)數(shù)信號(hào),在一個(gè)符號(hào)期間為常數(shù)，則有子載波已調(diào)信號(hào)功率譜密度

OFDM合成信號(hào)功率譜密度

OFDM信號(hào)調(diào)制與解調(diào)

OFDM信號(hào)產(chǎn)生原理

OFDM信號(hào)的產(chǎn)生是基于快速離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)的，輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列先進(jìn)行串/并變換。依據(jù)OFDM符號(hào)間隔，將其分成個(gè)比特一組。這個(gè)比特被安排到N個(gè)子信道上，經(jīng)過(guò)編碼后映射為N個(gè)復(fù)數(shù)子符號(hào)。接受2N點(diǎn)快速離散傅立葉反變換(IFFT)將頻域內(nèi)的N個(gè)復(fù)數(shù)子符號(hào)變換成時(shí)域中的2N個(gè)實(shí)數(shù)樣值，加上循環(huán)前綴之后就構(gòu)成了實(shí)際的OFDM發(fā)送符號(hào)。D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器輸出基帶信號(hào)。最終經(jīng)過(guò)上變頻輸出OFDM信號(hào)。OFDM信號(hào)接收端原理

OFDM信號(hào)接收端的處理過(guò)程與發(fā)送端相反。接收端輸入OFDM信號(hào)首先經(jīng)過(guò)下變頻變換到基帶，A/D轉(zhuǎn)換、串/并變換后的信號(hào)去除循環(huán)前綴，再進(jìn)行2N點(diǎn)快速離散傅立葉變換(FFT)得到一幀數(shù)據(jù)。為了對(duì)信道失真進(jìn)行校正，須要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單抽頭或雙抽頭時(shí)域均衡。最終經(jīng)過(guò)譯碼判決和并/串變換，復(fù)原動(dòng)身送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列。為了使信號(hào)在IFFT、FFT前后功率保持不變，DFT和IDFT應(yīng)滿(mǎn)足以下關(guān)系在OFDM系統(tǒng)中，子載波的數(shù)量應(yīng)依據(jù)信道帶寬、數(shù)據(jù)速率以及符號(hào)周期來(lái)確定。OFDM系統(tǒng)接受的調(diào)制方式應(yīng)依據(jù)功率及頻譜利用率的要求來(lái)選擇。常用的調(diào)制方式有QPSK和16QAM方式。另外，不同的子信道還可以接受不同的調(diào)制方式，特性較好的子信道可以接受頻譜利用率較高的調(diào)制方式，而衰落較大的子信道應(yīng)選用功率利用率較高的調(diào)制方式，這是OFDM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。3.OFDM系統(tǒng)性能

抗脈沖干擾OFDM系統(tǒng)抗脈沖干擾的實(shí)力比單載波系統(tǒng)強(qiáng)很多。這是因?yàn)閷?duì)OFDM信號(hào)的解調(diào)是在一個(gè)很長(zhǎng)的符號(hào)周期內(nèi)積分，從而使脈沖噪聲的影響得以分散。事實(shí)上，對(duì)脈沖干擾有效的抑制作用是最初探討多載波系統(tǒng)的動(dòng)機(jī)之一。提交給CCITT的測(cè)試報(bào)告表明，能夠引起多載波系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤的脈沖噪聲的門(mén)限電平比單載波系統(tǒng)高lldB。抗多徑傳播與衰落OFDM系統(tǒng)把信息分散到很多個(gè)載波上，大大降低了各子載波的信號(hào)速率，使符號(hào)周期比多徑拖延長(zhǎng)，從而能夠減弱多徑傳播的影響。若再接受愛(ài)護(hù)間隔和時(shí)域均衡等措施，可以有效降低符號(hào)間干擾。