通信原理（第7版）-第8章新型數(shù)字調(diào)制

通信原理（第7版）-第8章新型數(shù)字調(diào)制第一頁，共84頁。新型數(shù)字調(diào)制

第8章樊昌信曹麗娜編著通信原理（第7版）第二頁，共84頁。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

第三頁，共84頁。正交振幅調(diào)制（QAM）§8.1（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）一種振幅和相位聯(lián)合鍵控的數(shù)字調(diào)制技術(shù)第四頁，共84頁。

觀察MPSK的星座圖：需求背景問題引出第五頁，共84頁。

容易想到的一種辦法：-----往往會受發(fā)射功率的限制。解決途徑第六頁，共84頁。

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(jì)思想第七頁，共84頁。第八頁，共84頁。16QAM信號16PSK信號最大振幅同為AM最小距離——此最小距離代表噪聲容限的大小。舉例對比最小距離第九頁，共84頁。

噪聲容限越大，抗噪聲性能就越強(qiáng)。

d2超過d1約1.57dB（最大功率(振幅)相等條件下）

d2超過d1約4.12dB（平均功率相等條件下）16QAM是最具有代表性的MQAM信號，此外：比較：第十頁，共84頁。M=4時(shí)，QPSK信號就是一種最簡單的QAM信號注：

QAM星座圖除方型結(jié)構(gòu)外，還有星型或其他結(jié)構(gòu)M=64、256時(shí)，QAM信號的星座圖：第十一頁，共84頁。

星座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則星座結(jié)構(gòu)影響系統(tǒng)性能！第十二頁，共84頁。2種振幅值8種相位值3種振幅值12種相位方型16QAM

星型16QAM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，因而星型比方型更具有吸引力。但方型星座的QAM信號的產(chǎn)生與接收更易實(shí)現(xiàn)。第十三頁，共84頁。在QAM中，載波的振幅和相位同時(shí)受基帶信號控制，因此，

它的一個(gè)碼元可表示為：展開為：式中：

Xk=Akcosk，Yk=-AksinkAk、k、Xk和Yk分別可以取多個(gè)離散值

16QAM信號的產(chǎn)生表明：第十四頁，共84頁。AM第十五頁，共84頁。第十六頁，共84頁。復(fù)合相移法：

用兩路獨(dú)立的QPSK信號疊加，即可形成16QAM信號。AMAM

大圓上的4個(gè)紅點(diǎn)表示第一個(gè)QPSK信號矢量的位置。在這4個(gè)位置上可以疊加上第二個(gè)QPSK矢量，后者的位置用虛線小圓上的4個(gè)小黑點(diǎn)表示。第十七頁，共84頁。

16QAM信號的解調(diào)——正交相干解調(diào)第十八頁，共84頁。以上兩式適用于其他線性數(shù)字調(diào)制信號。

MQAM信號的譜零點(diǎn)帶寬第十九頁，共84頁。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。

第二十頁，共84頁。最小頻移鍵控（MSK）§8.2——2FSK的改進(jìn)型第二十一頁，共84頁。問題引出：

——相位不連續(xù)引起究其原因：需求背景西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院

第二十二頁，共84頁。

解決途徑：——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CPM——MSK就是一種包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、頻差最小，并且嚴(yán)格正交的2FSK（CPFSK）信號。第二十三頁，共84頁。第二十四頁，共84頁?！?.2.1

正交2FSK信號的最小頻率間隔設(shè)2FSK信號碼元的表示式為欲滿足正交條件，則要求互相關(guān)系數(shù)即要求第二十五頁，共84頁。上式積分結(jié)果為若設(shè)1+0>>1，則上式左端第1和3項(xiàng)0，故有由于1和0是任意常數(shù)，故必須同時(shí)有上式才等于零第二十六頁，共84頁。應(yīng)當(dāng)令即要求

上面討論中，假設(shè)初始相位1和0是任意的，它在接收端無法預(yù)知，因此只能采用非相干接收方法。注意：第二十七頁，共84頁?？苫啚榧磧H要求第二十八頁，共84頁?！?.2.2

MSK信號的基本原理1

MSK信號的頻率間隔MSK信號第k個(gè)碼元表示：這里TB=Tbc

-載頻；TB

-碼元寬度；ak=1（對應(yīng)輸入碼元“1”和“0”）；第二十九頁，共84頁。最小頻差:調(diào)制指數(shù):第三十頁，共84頁。2

MSK碼元中波形的周期數(shù)可改寫為式中MSK信號應(yīng)滿足正交條件：第三十一頁，共84頁。N―正整數(shù)由此推出還可寫成或第三十二頁，共84頁。并有T1=1/f1T0=1/f0含義：一個(gè)碼元時(shí)間TB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1/2個(gè)周期。第三十三頁，共84頁。當(dāng)N=1，m=3時(shí)“1”的一個(gè)碼元內(nèi)有2個(gè)正弦波周期?！?”的一個(gè)碼元內(nèi)有1.5個(gè)正弦波周期。例如第三十四頁，共84頁。3

MSK信號的相位連續(xù)性相位連續(xù)條件:即在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻t=kTB，滿足：——相位約束條件。據(jù)此確定初相k，使相位連續(xù)。若設(shè)k-1的初始參考值等于0，則第三十五頁，共84頁。

MSK信號的相位路徑:第k個(gè)碼元的附加相位：斜率截距直線方程若ak=+1，則

k(t)線性增加/2任一TB內(nèi)下圖若ak=-1，則k(t)線性減小/2第三十六頁，共84頁。附加相位k(t)的路徑示例：-1-1+1-1+1+1-1+100101101在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，MSK信號的附加相位是連續(xù)的！可見：第三十七頁，共84頁。TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)附加相位k(t)的全部可能路徑：上例00101101第三十八頁，共84頁。TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)

模2運(yùn)算后的附加相位路徑：第三十九頁，共84頁。（1）設(shè)“0”對應(yīng)

f0，“1”

對應(yīng)f1，則有解例4TB4TB第四十頁，共84頁。（2）MSK信號時(shí)間波形如圖所示：TBTB正弦波）正弦波）第四十一頁，共84頁。（3）MSK信號附加相位路徑圖：可見：在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，MSK信號的相位是連續(xù)的。第四十二頁，共84頁。4

MSK信號的正交表示法進(jìn)行展開，表示成頻率為fc的兩個(gè)正交分量：將MSK信號第四十三頁，共84頁。以及∵∴正交分量(Q)同相分量(I)則第四十四頁，共84頁。由式可知

pk和qk不可能同時(shí)改變

pk和ak同時(shí)改變時(shí)，

qk=akpk不改變第四十五頁，共84頁。第四十六頁，共84頁。設(shè)k=0時(shí)為初始狀態(tài)，輸入序列ak

：

+1，-1，+1，-1，-1，+1，+1，-1，+1

由此例可見，pk和qk

不可能同時(shí)改變符號。MSK信號舉例取值表這里TB=Tb第四十七頁，共84頁。

可見：MSK信號波形相當(dāng)于一種特殊的OQPSK信號波形，其正交的兩路碼元也是偏置的，特殊之處主要在于其包絡(luò)是正弦形，而不是矩形。波形圖第四十八頁，共84頁?！?.2.3

MSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)1

MSK信號的產(chǎn)生方法第四十九頁，共84頁。2

MSK信號的解調(diào)方法多種。如同2FSK,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。

延時(shí)判決相干解調(diào)法

考察k=1和k=2的兩個(gè)碼元。設(shè)1(t)=0，則在t＝2TB時(shí)，k(t)的相位可能為0或，見圖A。

將這部分放大為圖B：原理第五十頁，共84頁。圖Bk(t)TB2TBTB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)圖A第五十一頁，共84頁。在解調(diào)時(shí)，若用cos(ct+/2)作為相干載波與MSK信號相乘，則得到:低通濾波，并去掉常數(shù)(1/2)后，得到輸出電壓：按照輸入碼元ak的取值不同，v0的軌跡圖如下：第五十二頁，共84頁。v0(t)TB2TB若輸入的兩個(gè)碼元:“+1,+1”或“+1,-1”“-1，+1”或“-1，-1”為正為負(fù)第五十三頁，共84頁。按照此法，在TB<t

3TB期間積分，

就能判斷第2個(gè)接收碼元的值，依此類推。積分結(jié)果為正值，說明第1個(gè)接收碼元為“+1”積分結(jié)果為負(fù)值，說明第1個(gè)接收碼元為“-1”第五十四頁，共84頁。圖中兩個(gè)積分判決器的積分時(shí)間長度均為2TB，但是錯(cuò)開時(shí)間TB。上支路的積分判決器先給出第2i個(gè)碼元輸出，然后下支路給出第(2i+1)個(gè)碼元輸出。載波提取積分判決解調(diào)輸出MSK信號[(2i-1)TB，(2i+1)TB]積分判決[2iTB，2(i+1)TB]此法利用前后兩個(gè)碼元的信息對于前一個(gè)碼元作判決，故可以提高數(shù)據(jù)接收的可靠性。方框圖第五十五頁，共84頁?！?.2.4

MSK信號的功率譜注意: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：與QPSK和OQPSK相比，MSK的譜密度更為集中，即旁瓣下降得更快，故對相鄰頻道的干擾較小。歸一化單邊功率譜密度Ps(f)：（平均功率

＝1W時(shí)）第五十六頁，共84頁。

包含90％信號功率的帶寬近似值為： 對于QPSK、OQPSK、MSK：B

1/TB

Hz 對于BPSK：

B

2/TB

Hz包含99％信號功率的帶寬近似值為： 對于MSK： B

1.2/TB

Hz

對于QPSK及OQPSK：

B

6/TB

Hz

對于BPSK：

B

9/TB

Hz由此可見，MSK信號的帶外功率下降非?？?。計(jì)算表明第五十七頁，共84頁?！?.2.5

MSK信號的誤碼性能

MSK信號是用極性相反的半個(gè)正（余）弦波形去調(diào)制兩個(gè)正交的載波。因此，當(dāng)用匹配濾波器分別接收每個(gè)正交分量時(shí)，MSK信號的誤比特率性能和2PSK、QPSK及OQPSK等的性能一樣。但是，若把它當(dāng)作FSK信號用相干解調(diào)法在每個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間TB內(nèi)解調(diào)，則其性能將比2PSK信號的性能差3dB。第五十八頁，共84頁。

MSK信號的主要特點(diǎn)；歸納第五十九頁，共84頁。進(jìn)一步改進(jìn)——GMSK第六十頁，共84頁?！?.2.6高斯最小頻移鍵控(GMSK)（GaussianFilteredMinimumShiftKeying，GMSK）高斯型低通濾波器B—濾波器的3dB帶寬BTb—?dú)w一化3dB帶寬傳遞函數(shù)沖激響應(yīng)第六十一頁，共84頁。BTb越小，輸出脈沖的寬度越大，ISI越嚴(yán)重。讓一個(gè)高為1，持續(xù)時(shí)間為(-Tb/2~+Tb/2)的矩形方波通過該濾波器，則其輸出脈沖g(t)在±Tb/2變得圓滑。高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)第六十二頁，共84頁。

GMSK信號的相位路徑可見：消除了MSK相位路徑在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位轉(zhuǎn)折點(diǎn)∵沒有相位轉(zhuǎn)折點(diǎn)，∴該時(shí)刻的導(dǎo)數(shù)也是連續(xù)的，即信號的頻率不會突變，這將使信號譜的旁瓣衰減更快。第六十三頁，共84頁。

GMSK信號的的功率譜密度——GMSK的缺點(diǎn)——GMSK的優(yōu)點(diǎn)在第二代移動通信系統(tǒng)（GSM）中，采用BTb=0.3的GMSK調(diào)制。第六十四頁，共84頁。正交頻分復(fù)用（OFDM）§8.3——一種多載波調(diào)制技術(shù)（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）多載波調(diào)制第六十五頁，共84頁。

問題引出單載波調(diào)制§8.3.1概述存在問題單個(gè)載波上西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院

第六十六頁，共84頁。

問題引出單載波調(diào)制§8.3.1概述|C(f)|tffBTB存在問題|C(f)|信道最大多徑遲延差——TB

<

τmax

，產(chǎn)生頻率選擇性衰落。

需復(fù)雜的均衡第六十七頁，共84頁。NTBtfB/N

解決途徑多載波調(diào)制串/并分成帶寬:Bi=B/N

碼元持續(xù)時(shí)間:Ti=NTB數(shù)據(jù)傳輸速率:Ri

=RB/N<信道的相關(guān)帶寬>信道最大多徑遲延τmax子信道|C(f)|tffBTBBTB第六十八頁，共84頁。

正交頻分復(fù)用（OFDM）——

多載波并行調(diào)制體制

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(diǎn)設(shè)計(jì)思想子信道的均衡也相對容易第六十九頁，共84頁。

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(gè)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。

缺點(diǎn)：第七十頁，共84頁?！?.3.2OFDM的基本原理表示式設(shè)OFDM系統(tǒng)中有N個(gè)子信道，每個(gè)子信道采用的子載波為：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：可改寫成：式中，Bk是一個(gè)復(fù)數(shù)，為第k路子信道中的復(fù)輸入數(shù)據(jù)。第七十一頁，共84頁。即正交條件為了使這N

路子信道信號在接收時(shí)能夠完全分離，要求它們滿足正交條件。在TB內(nèi)，任意兩個(gè)子載波都正交的條件是：積分結(jié)果為第七十二頁，共84頁。其中，m=整數(shù)和n=整數(shù)；并且k和i可以取任意值。上式等于0的條件：這就是子載頻正交的條件。即要求子載頻滿足fk=k/2TB，式中k=整數(shù)；且要求子載頻間隔f=fk–fi=n/TB，故要求的最小子載頻間隔為：第七十三頁，共84頁。

OFDM的頻域特性TBtfk+1/TBfkf

OFDM信號（各子載波合成后）頻譜：

各相鄰子載波的頻率間隔等于最小容許