無線通信原理與應(yīng)用-61-數(shù)字調(diào)制概述課件

1無線通信原理與應(yīng)用第六章移動(dòng)無線電中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)2主要內(nèi)容調(diào)制技術(shù)概述無線移動(dòng)通信對(duì)數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求線路碼及其頻譜脈沖成形信號(hào)空間概念線性調(diào)制技術(shù)

恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)3調(diào)制技術(shù)概述調(diào)制的定義調(diào)制的分類數(shù)字調(diào)制的優(yōu)越性數(shù)字調(diào)制解調(diào)的研究內(nèi)容兩類數(shù)字調(diào)制技術(shù)4調(diào)制的定義將要傳輸?shù)男盘?hào)變換為適合信道特性的形式過程。要傳輸?shù)男盘?hào)——調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)——已調(diào)信號(hào)。在接收端需將已調(diào)信號(hào)還原成原始信號(hào)，該過程稱為解調(diào)。5調(diào)制的分類調(diào)制信號(hào)的類型：模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制已調(diào)信號(hào)是否是調(diào)制信號(hào)的線性搬移：線性調(diào)制和非線性調(diào)制已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)：恒包絡(luò)調(diào)制、非恒包絡(luò)調(diào)制已調(diào)信號(hào)的相位：連續(xù)相位調(diào)制、非連續(xù)相位調(diào)制6數(shù)字調(diào)制的優(yōu)越性更強(qiáng)的抗干擾和抗噪聲能力；便于進(jìn)行差錯(cuò)控制；易于復(fù)用各種不同形式的信息；更好的安全保密性能；可采用復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)；便于實(shí)現(xiàn)軟件無線電。7數(shù)字調(diào)制解調(diào)的研究內(nèi)容（1）正交基的設(shè)計(jì)和選擇（傳統(tǒng)上是正弦波）：此設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)已調(diào)信號(hào)與信道特性的最大相容。在正交基上的最佳已調(diào)信號(hào)集或信號(hào)星座的設(shè)計(jì)：星座的外形或說星座的最小閉包特性的研究，目標(biāo)是使星座的平均能量最小（BER一定情況下）；星座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性研究，它決定了在接收空間中對(duì)信號(hào)點(diǎn)的判決區(qū)的劃分，而最佳的判決區(qū)劃分會(huì)使得信號(hào)檢測的差錯(cuò)概率最小，這在某種程度上確定了解調(diào)器的結(jié)構(gòu)；星座的維數(shù)設(shè)計(jì)，它在一定意義上決定了信道的帶寬利用率。8數(shù)字調(diào)制解調(diào)的研究內(nèi)容（2）信息比特空間到已調(diào)信號(hào)集的映射關(guān)系：現(xiàn)代調(diào)制映射規(guī)則是按某種規(guī)則將信息符號(hào)映射到比信息符號(hào)集更大的調(diào)制信號(hào)集，即調(diào)制本身將引入調(diào)制信息序列之間的一定約束關(guān)系。這種映射的目標(biāo)有兩個(gè)：在統(tǒng)計(jì)特性上將盡可能多的信息符號(hào)映射為能量較小的信號(hào)點(diǎn)。使不同調(diào)制信號(hào)序列之間的歐氏距離盡可能大。解調(diào)設(shè)計(jì)：可劃分為相干解調(diào)與非相干解調(diào)；一般情況下相干解調(diào)比非相干解調(diào)有3dB的能量增益。解調(diào)設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)只有一個(gè)，就是使信息符號(hào)接收的差錯(cuò)概率最小。9數(shù)字調(diào)制解調(diào)的研究內(nèi)容（3）調(diào)制解調(diào)器的復(fù)雜性研究：即使一個(gè)非常良好的調(diào)制方式和相應(yīng)的解調(diào)方式，如果其時(shí)間開銷（即時(shí)延和速度）和空間的開銷（即設(shè)備量）是通信要求或者技術(shù)水平難以達(dá)到的，那么這一調(diào)制解調(diào)方式仍然不可取。

10兩大類適用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)線性調(diào)制：特點(diǎn)是調(diào)制過程表現(xiàn)為對(duì)基帶信號(hào)譜的簡單搬移，因此具有較窄的主瓣，但不能保證已調(diào)信號(hào)的相位連續(xù)變化。連續(xù)相位的頻率調(diào)制：特點(diǎn)為已調(diào)信號(hào)相位連續(xù)變化，已調(diào)信號(hào)包絡(luò)恒定（恒包絡(luò)調(diào)制）。但屬于非線性調(diào)制，即射頻譜并不是基帶譜的簡單搬移，因此往往具有較寬的主瓣。11例：美國的蜂窩系統(tǒng)DAMPS和日本的蜂窩系統(tǒng)PDC以及日本的無繩系統(tǒng)PHS（“小靈通”）均采用π/4DQPSK

調(diào)制，屬線性調(diào)制。又例：GSM系統(tǒng)采用GMSK調(diào)制，屬恒包絡(luò)調(diào)制。π/4DQPSK即π/4差分正交相位鍵控GMSK即高斯最小頻移鍵控

12無線移動(dòng)通信對(duì)調(diào)制技術(shù)的要求基本要求——功率效率和帶寬效率一句話描述：一個(gè)令人滿意的調(diào)制方案要能在低接收信噪比的條件下提供小的誤比特率（BER），對(duì)抗多徑和衰落情況性能良好。占用最小的帶寬，并且容易實(shí)現(xiàn)，價(jià)格低廉。13功率效率（1）功率效率：以達(dá)到一定的解調(diào)輸出誤比特率（如10－5）所需要的接收機(jī)輸入端的數(shù)字信噪比Eb／N0來度量。用加性高斯白噪聲信道中的誤比特性能來體現(xiàn)。<數(shù)字信噪比>：即Eb／N0

，每比特能量與噪聲功率譜密度之比。14功率效率（2）設(shè)已調(diào)信號(hào)平均功率為S(W)，總的噪聲功率為N(W)，信號(hào)帶寬為B(Hz)。則，相比較于模擬信號(hào)的信噪比S/N，將Eb/N0稱作數(shù)字信號(hào)的信噪比。后者是前者的歸一化值，用比特率和帶寬的比值進(jìn)行歸一化。Eb/N0也沒有量綱。15功率效率（3）如右圖，最下面的“瀑布”曲線是2PSK相干解調(diào)的誤碼率曲線，稍往上是2DPSK差分相干解調(diào)的誤碼率曲線。由于達(dá)到同一誤碼率水平，后者需要更大的Eb/N0，所以，2PSK相干解調(diào)相對(duì)于2DPSK差分相干解調(diào)具有更高的功率效率。注意：大的Eb/N0可以通過增加信號(hào)發(fā)射功率來獲得。16帶寬效率（1）帶寬效率：設(shè)已調(diào)信號(hào)占據(jù)的帶寬為BHz（常對(duì)應(yīng)為頻譜主瓣寬度），所傳輸?shù)幕鶐盘?hào)的數(shù)據(jù)速率為Rbit/s，則該調(diào)制方式的帶寬效率為：帶寬效率有一個(gè)基本的上限，香農(nóng)的信道編碼理論指出，在一個(gè)任意小的差錯(cuò)概率下，最大的帶寬效率受限于信道內(nèi)的噪聲，即信道容量公式：其中，C是信道容量，B是RF帶寬，S/N信噪比。17帶寬效率（2）在基帶數(shù)據(jù)速率相同的情況下，四進(jìn)制基帶數(shù)據(jù)比二進(jìn)制基帶數(shù)據(jù)的符號(hào)（Symbol）寬度大一倍（RS,4＝0.5RS,2），即：TS,4＝2TS,2。在采用雙極性不歸零碼時(shí)，第一零點(diǎn)帶寬為：

B＝1／TS。 所以，就未調(diào)制的基帶信號(hào)而言，

B4＝0.5B2。因此，四進(jìn)制調(diào)制帶寬效率是二進(jìn)制調(diào)制的二倍，也就是說，相同基帶傳輸速率（比特率）情況下，多進(jìn)制調(diào)制具有更高的帶寬效率。18帶通信號(hào)和等效復(fù)基帶信號(hào)（1）已調(diào)信號(hào)一般具有如圖所示的頻譜（功率譜密度，PSD）。由于信號(hào)功率相對(duì)集中于載頻fc附近的一定范圍內(nèi)（圖中紅色陰影部分），所以已調(diào)信號(hào)又稱作帶通信號(hào)。19帶通信號(hào)和等效復(fù)基帶信號(hào)（2）帶通信號(hào)一般可以表示為：

其中，g(t)稱作帶通信號(hào)s(t)的等效復(fù)基帶信號(hào)，它代表著s(t)的包絡(luò)和相位，即有

如果g(t)的功率譜為Pg(f)，則s(t)的功率譜PS(f)為：

20帶通信號(hào)和等效復(fù)基帶信號(hào)（3）

調(diào)制

復(fù)基帶信號(hào)的PSD

帶通（已調(diào)）信號(hào)的PSD21常用的帶寬定義絕對(duì)帶寬：信號(hào)的非零值功率譜密度在頻率上占用的范圍。零點(diǎn)－零點(diǎn)帶寬：頻譜主瓣寬度。3dB帶寬（半功率帶寬）：功率譜密度下降到峰值功率的一半，即低于峰值功率3dB時(shí)的頻率范圍。22功率效率和帶寬效率的折中（1）在數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要在帶寬效率和功率效率之間進(jìn)行折中。例如對(duì)信息信號(hào)增加差錯(cuò)控制編碼會(huì)提高已調(diào)信號(hào)占用的帶寬，也就是降低了帶寬效率，但同時(shí)對(duì)于給定的誤比特率所需的接收功率降低了，于是以帶寬效率換取了功率效率。無編碼有編碼23

功率效率和帶寬效率的折中（2） 另一方面，更多進(jìn)制的相位調(diào)制方案降低了調(diào)制信號(hào)占用的帶寬，但是同時(shí)增加了達(dá)到同樣的誤比特率所需的信噪比。下表是不同M值的MPSK的比較，這一點(diǎn)我們?cè)诤竺孢€會(huì)有進(jìn)一步的分析。24幾個(gè)方面的約束和進(jìn)一步