通信原理（第2版）課件 單元7 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)

單元7數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)學(xué)習(xí)引導(dǎo)通信系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸和用無線傳輸，需要將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理后再傳輸，這種傳送方法叫做頻帶（或帶通）傳輸。我們知道，現(xiàn)在很多電子通信設(shè)備，例如MP3、手機(jī)、電腦等處理的都是數(shù)字信號(hào)，設(shè)備內(nèi)部處理的數(shù)字基帶信號(hào)具有豐富的低頻分量，但只適合在低通型信道中傳輸，例如雙絞線。然而很多傳輸信道都是帶通型的，并不適合傳輸基帶信號(hào)，例如無線信道、光纖信道。為了使數(shù)字信號(hào)能在帶通信道中傳輸，必須采用數(shù)字調(diào)制方式。帶通型信道的帶寬比低通型信道的大得多，可以采用頻分復(fù)用技術(shù)傳輸多路信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送，需要將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)頻到較高頻段進(jìn)行傳輸。在前面我們已經(jīng)了解了模擬信號(hào)的各種調(diào)制方式，并完成了把低頻信號(hào)“搬移”到高頻段或制定頻段的任務(wù)。同樣的概念依然適用于對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到較高的載波頻率上，這種信號(hào)處理方式稱為數(shù)字調(diào)制，相應(yīng)的傳輸方式稱為數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸。頻帶傳輸是一種采用調(diào)制、解調(diào)技術(shù)的傳輸形式。數(shù)字頻帶傳輸就是先將基帶信號(hào)變換（調(diào)制）成便于在模擬信道中傳輸?shù)?、具有較高頻率范圍的模擬信號(hào)（稱為頻帶信號(hào)），再將這種頻帶信號(hào)在模擬信道中傳輸。因此這是一種數(shù)字信號(hào)的模擬傳輸。與模擬調(diào)制相似，數(shù)字調(diào)制所用的載波一般也是連續(xù)的正弦型信號(hào)，而調(diào)制信號(hào)則為數(shù)字基帶信號(hào)。理論上講，載波的形式可以是任意的，比如三角波、方波等，適合在帶通信道中傳輸即可。在實(shí)際通信中多選用正弦型信號(hào)，是因?yàn)樗哂行问胶?jiǎn)單，便于產(chǎn)生和接收等特點(diǎn)?，F(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)、數(shù)字電視系統(tǒng)都是采用數(shù)字頻帶傳輸。數(shù)字調(diào)制也可以分為幅度、頻率和相位調(diào)制。由于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)只有兩個(gè)狀態(tài)，因此調(diào)制后的載波參量也只有兩個(gè)取值，如同“開關(guān)”控制的效果，所以稱為“鍵控”。其調(diào)制過程就像用調(diào)制信號(hào)去控制一個(gè)開關(guān)，從兩個(gè)具有不同參量的載波中選擇相應(yīng)的載波輸出，從而形成已調(diào)信號(hào)。在數(shù)字調(diào)制中它們稱為幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。7.1“0”和“1”的世界-數(shù)字調(diào)制原理現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制。用于調(diào)制的信號(hào)是由“0”和“1”組成的離散信號(hào)，其載波是連續(xù)波。為了使數(shù)字信號(hào)在有限帶寬的信道中傳輸，必須用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。實(shí)際應(yīng)用中，在發(fā)送端用基帶數(shù)字信號(hào)控制高頻載波，把基帶數(shù)字信號(hào)變換為頻帶數(shù)字信號(hào)—數(shù)字調(diào)制；在接收端通過解調(diào)器把頻帶數(shù)字信號(hào)還原成基帶數(shù)字信號(hào)—解調(diào)。通常，我們把數(shù)字調(diào)制與解調(diào)合起來稱為數(shù)字調(diào)制，把包括調(diào)制和解調(diào)過程的傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸系統(tǒng)。頻帶傳輸系統(tǒng)可以通過圖7-1來描述。由圖可見，原始數(shù)字序列經(jīng)基帶信號(hào)形成器后變成適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)s（t），然后送到鍵控器來控制射頻載波的振幅、頻率或相位，形成數(shù)字調(diào)制信號(hào)，并送至信道。在信道中傳輸?shù)倪€有各種干擾。接收濾波器把疊加在干擾和噪聲中的有用信號(hào)提取出來，并經(jīng)過相應(yīng)的解調(diào)器，恢復(fù)出數(shù)字基帶信號(hào)s（t）或數(shù)字序列。在第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用的是模擬調(diào)頻（FM）傳輸模擬語音，但其信令系統(tǒng)卻是數(shù)字的，采用2FSK數(shù)字調(diào)制技術(shù)。第二代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，傳送的語音都是經(jīng)過數(shù)字語音編碼和信道編碼后的數(shù)字信號(hào)。GSM系統(tǒng)采用GMSK調(diào)制，IS-54系統(tǒng)和PDC系統(tǒng)采用π/4-DQPSK調(diào)制，CDMA系統(tǒng)（IS-95）的下行信道采用QPSK調(diào)制、上行信道采用OQPSK調(diào)制。第三代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)采用MQAM調(diào)制、平衡四相（BQM）擴(kuò)頻調(diào)制、復(fù)四相擴(kuò)頻調(diào)制（CQM）、雙四相擴(kuò)頻調(diào)制（DQM）等技術(shù)。所謂調(diào)制，是對(duì)信號(hào)源的編碼信息（信源）進(jìn)行處理，使其變?yōu)檫m合于信道傳輸形式的過程。信號(hào)源的編碼信息中含有直流分量和頻率較低的分量，我們稱為基帶信號(hào)?；鶐盘?hào)一般不能直接作為傳輸信號(hào)，必須把它轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號(hào)以適合于信道傳輸。這個(gè)帶通信號(hào)叫做已調(diào)信號(hào)，基帶信號(hào)則稱為調(diào)制信號(hào)。調(diào)制是通過以改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號(hào)的變化而變化來實(shí)現(xiàn)的；而解調(diào)則是將基帶信號(hào)從載波中提取出來的逆變換過程。一般而言，數(shù)字調(diào)制技術(shù)可分為兩種類型：一是利用模擬方法去實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，也就是把數(shù)字基帶信號(hào)當(dāng)作模擬信號(hào)的特殊情況來處理；二是利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)鍵控載波，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。第二種技術(shù)通常稱為鍵控法，例如用基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的振幅、頻率及相位進(jìn)行鍵控，便可獲得振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）及相移鍵控（PSK）調(diào)制方式。也有同時(shí)改變載波振幅和相位的調(diào)制技術(shù)，如正交調(diào)幅（QAM）。鍵控法一般由數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，它具有調(diào)制變換速率快、調(diào)整測(cè)試方便、體積小和設(shè)備可靠性高等特點(diǎn)。從理論上來說，數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制在本質(zhì)上沒有什么不同，它們都是屬正弦波調(diào)制。但是，數(shù)字調(diào)制是調(diào)制信號(hào)為數(shù)字型的正弦波調(diào)制，而模擬調(diào)制則是調(diào)制信號(hào)為連續(xù)型的正弦波調(diào)制。在數(shù)字調(diào)制中，所選擇參量可能變化狀態(tài)數(shù)應(yīng)與信息元數(shù)相對(duì)應(yīng)。數(shù)字信息有二進(jìn)制和多進(jìn)制之分，因此，數(shù)字調(diào)制可分為二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制兩種。在二進(jìn)制調(diào)制中，信號(hào)參量只有兩種可能取值；而在多進(jìn)制調(diào)制中，信號(hào)參量可能有M（M＞2）種取值。一般而言，在碼元速率一定的情況下，M取值越大，則信息傳輸速率越高，但其抗干擾性能也越差。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)已調(diào)信號(hào)的結(jié)構(gòu)形式又可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制兩種。在線性調(diào)制中，已調(diào)信號(hào)表示為基帶信號(hào)與載波信號(hào)的乘積，已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)和基帶信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，只不過搬移了一個(gè)頻率位置。主要包括各種PSK和QAM等。這類調(diào)幅技術(shù)不適宜于非線性移動(dòng)無線信道，因?yàn)樗鼈儾荒軡M足占用頻帶的要求。然而這些調(diào)制技術(shù)可用于線性移動(dòng)信道。因?yàn)閺幕鶐ьl率變換到無線電載頻以及放大到發(fā)射電平，都需要高度的線性，即低的失真，因此設(shè)計(jì)難度大，制造成本高。但隨著放大器設(shè)計(jì)技術(shù)的新突破，實(shí)現(xiàn)了高效率而且實(shí)用的線性放大器，才使得移動(dòng)通信無線系統(tǒng)中有效地使用線性調(diào)制方法成為可能。1987年以后，QPSK等線性調(diào)制技術(shù)開始廣泛應(yīng)用。在非線性調(diào)制中，其射頻已調(diào)波信號(hào)具有恒定包絡(luò)（連續(xù)相位）的特性，即恒定包絡(luò)調(diào)制。已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)和基帶信號(hào)的乘積關(guān)系，其頻譜不是簡(jiǎn)單的頻譜搬移。其優(yōu)點(diǎn)是已調(diào)信號(hào)具有相對(duì)窄的功率譜和對(duì)放大設(shè)備沒有線性的要求，可使用高效率的C類功率放大器，降低了功放成本。其中具有代表性的是最小移頻鍵控MSK、高斯濾波最小移頻鍵控GMSK、平滑調(diào)頻TFM等。在調(diào)制技術(shù)中，還要注意相位路徑或相位軌跡。載波相位變化值是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)，記作Φ（t）。Φ（t）隨時(shí)間t變化的軌跡稱為相位路徑或相位軌跡。一個(gè)已調(diào)波頻譜高頻滾降特性與其相位路徑有著緊密的關(guān)系，相位路徑不同，對(duì)應(yīng)的已調(diào)波頻譜高頻滾降速度也不同。所以，為了控制已調(diào)波的頻譜特性，就必須控制它的相位路徑。如GSM系統(tǒng)為什么使用GMSK調(diào)制，而不使用MSK調(diào)制，就是基于相位路徑的考慮。通常情況下，相位路徑分為兩大類，即連續(xù)相位路徑和非連續(xù)相位路徑。數(shù)字調(diào)相分為絕對(duì)調(diào)相和相對(duì)調(diào)相兩種基本形式。所謂絕對(duì)調(diào)相，就是以未調(diào)載波的相位作為基準(zhǔn)的調(diào)制，如在兩相調(diào)制中，設(shè)碼元取“1”時(shí)，已調(diào)載波的相位與未調(diào)載波的相位相同，即0°相位差；碼元取“0”時(shí)，則反相，即180°相位差。數(shù)字調(diào)相又稱移相鍵控（PSK），它是用數(shù)字信號(hào)改變載波信號(hào)相位的一種調(diào)制方式。相對(duì)調(diào)相是用相鄰的前一個(gè)碼元的載波相位作為基準(zhǔn)。通常，數(shù)字調(diào)相分二相和多相移相鍵控。綜上所述，數(shù)字調(diào)制的分類如圖7-2所示。7.2泛起的漣漪-數(shù)字振幅鍵控振幅鍵控是用數(shù)字調(diào)制信號(hào)控制載波的通斷。例如在二進(jìn)制中，發(fā)0的時(shí)候不發(fā)送載波，發(fā)1的時(shí)候發(fā)送載波，以此來控制載波的幅度隨調(diào)制信號(hào)發(fā)生變化。我們?cè)谑静ㄆ魃夏芎芊奖愕挠^測(cè)到一陣陣出現(xiàn)的波形，如同泛起的漣漪一般。資訊1二進(jìn)制振幅鍵控的調(diào)制用基帶數(shù)字信號(hào)控制一個(gè)載波幅度的調(diào)制稱為數(shù)字振幅調(diào)制，亦稱振幅鍵控（ASK）。二進(jìn)制振幅鍵控是數(shù)字調(diào)制中出現(xiàn)最早的，也是最簡(jiǎn)單的。但因其抗噪聲的能力較差，故在數(shù)字通信中用得不多。不過，二進(jìn)制振幅鍵控常常作為研究其他數(shù)字調(diào)制方式的基礎(chǔ)，因此，熟悉它仍然是必要的。圖7-32ASK信號(hào)的產(chǎn)生及波形資訊2二進(jìn)制振幅鍵控的解調(diào)ASK信號(hào)的解調(diào)有包絡(luò)解調(diào)法和相干解調(diào)法兩種（見圖7-4），與AM信號(hào)的解調(diào)相比，增加了一個(gè)“抽樣判決器”方框，這樣可以提高數(shù)字信號(hào)的接收性能。（1）包絡(luò)解調(diào)法包絡(luò)解調(diào)是一種非相干解調(diào)，如圖7-4(a)所示，在包絡(luò)檢測(cè)法解調(diào)中，帶通濾波器用以濾除大量的帶外噪聲；包絡(luò)檢測(cè)器就是解調(diào)器，用以檢測(cè)出2ASK信號(hào)的包絡(luò)（恢復(fù)基帶信號(hào)）；抽樣判決器包括抽樣、判決和碼元形成。圖7-4振幅鍵控的解調(diào)圖7-5包絡(luò)檢測(cè)法解調(diào)2ASK波形圖如果本地載波與發(fā)送載波同頻同相，得到的原數(shù)字信息幅度就最大，這是最好的結(jié)果。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，達(dá)到同頻不成問題，但要達(dá)到同相卻還有一定距離。由于調(diào)制用載波與本地載波間存在相位差，使輸出信號(hào)減小。顯然，相位差別越小，得到的原數(shù)字信息幅度就越大。一旦相位差別接近90°時(shí)，得到的信號(hào)幅度就接近于零，也就無法正確抽樣判決。目前，從技術(shù)上可以使本地載波和調(diào)制載波的差別很小，接近相等。資訊3多進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控多進(jìn)制幅度調(diào)制信號(hào)的載波振幅有M種取值，在一個(gè)碼元期間TS內(nèi)，發(fā)送其中的一種幅度的載波信號(hào)。 由圖7-6可知，不同的數(shù)字信息0、1、2、3分別由載波的不同幅度來表示。從圖(c)中可以觀察發(fā)現(xiàn)，MASK信號(hào)可以分解成多個(gè)2ASK信號(hào)的疊加。因此，m電平的MASK信號(hào)可以看作由振幅互不相等、時(shí)間上互不相容的m－1個(gè)2ASK信號(hào)疊加而成。MASK信號(hào)的特點(diǎn)：(1)傳輸效率高。與二進(jìn)制相比，碼元速率相同時(shí)，多進(jìn)制調(diào)制的信息速率比二進(jìn)制的高，它是二進(jìn)制的k=lbM倍，頻帶利用率與二進(jìn)制相同。在相同的信息速率情況下，MASK系統(tǒng)的頻帶利用率是2ASK系統(tǒng)的k=lbM倍。采用正交調(diào)幅后，還可以再增加兩倍。因此，MASK在高信息速率的傳輸系統(tǒng)中得到應(yīng)用。(2)抗衰落能力差。MASK信號(hào)只宜在恒參信道(如有線信道)中使用。(3)在接收機(jī)輸入平均信噪比相等的情況下，MASK系統(tǒng)的誤碼率比2ASK系統(tǒng)要高。(4)電平數(shù)M越大，設(shè)備越復(fù)雜。7.3律動(dòng)的心-數(shù)字頻率鍵控?cái)?shù)字頻率鍵控是利用數(shù)字調(diào)制信號(hào)的正負(fù)極性不同控制載波的頻率。當(dāng)數(shù)字信號(hào)的振幅為正時(shí)載波頻率為f1，當(dāng)數(shù)字信號(hào)的振幅為負(fù)時(shí)載波頻率為f2。有快有慢，節(jié)律分明，仿佛在跳著一支美麗的華爾茲舞曲。資訊1二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的調(diào)制數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控，記作FSK，頻移鍵控是用載波的頻率來傳送基帶數(shù)據(jù)信號(hào)，也就是用所傳送的基帶數(shù)據(jù)信號(hào)控制載波的頻率。在頻移鍵控調(diào)制中，幅度恒定不變，其載波信號(hào)的頻率隨著兩種可能的狀態(tài)（高頻率和低頻率，代表二進(jìn)制的“1”和“0”）而切換。FSK信號(hào)有可能呈現(xiàn)連續(xù)相位（恒定包絡(luò)）的波形，也可能呈現(xiàn)不連續(xù)相位波形。將它們分別記作CPFSK及DPFSK。從原理上講，數(shù)字調(diào)頻可以用模擬調(diào)頻法來實(shí)現(xiàn)，也可以用鍵控法來實(shí)現(xiàn)，而且后者較為方便。它是利用數(shù)字序列來控制開關(guān)電路，從而選擇不同的載頻輸出。輸出的波形相位有可能連續(xù)，也可能不連續(xù)。（1）直接調(diào)頻法（相位連續(xù)FSK信號(hào)的產(chǎn)生）用數(shù)字基帶矩形脈沖控制一個(gè)振蕩器的某些參數(shù)，直接改變振蕩頻率，使輸出得到不同頻率的已調(diào)信號(hào)。用此方法產(chǎn)生的FSK信號(hào)對(duì)應(yīng)著兩個(gè)頻率的載波，在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，兩個(gè)載波相位能夠保持連續(xù)，所以稱其為相位連續(xù)的FSK信號(hào)。直接調(diào)頻法雖易于實(shí)現(xiàn)，但頻率穩(wěn)定度較差，因而實(shí)際應(yīng)用范圍不廣。（2）頻率鍵控法（相位不連續(xù)FSK信號(hào)的產(chǎn)生）頻率鍵控法也叫做頻率轉(zhuǎn)換法，它是用數(shù)字矩形脈沖控制電子開關(guān)，使電子開關(guān)在兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而在輸出端得到不同頻率的已調(diào)信號(hào)。其原理方框圖及各點(diǎn)波形如圖7-7所示。由波形圖可見，在兩個(gè)碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，前后碼元的相位不連續(xù)，這種類型的信號(hào)為相位不連續(xù)的FSK信號(hào)。由圖7-7可知，數(shù)字信號(hào)“1”時(shí)，正脈沖使門電路1接通，門2斷開，輸出頻率為f1；數(shù)字信號(hào)為“0”時(shí)，門1斷開，門2接通，輸出頻率為f2。如果產(chǎn)生f1和f2的兩個(gè)振蕩器是獨(dú)立的，則輸出的FSK信號(hào)的相位是不連續(xù)的。這種方法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，波形好，頻率穩(wěn)定度高，電路不很復(fù)雜，所以得到廣泛應(yīng)用。資訊2二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的解調(diào)數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)方法很多，可以分為線性鑒頻法和分離濾波法兩大類。線性鑒頻法有模擬鑒頻法、過零檢測(cè)法、差分檢測(cè)法等；分離濾波法又包括相干檢測(cè)法、非相干檢測(cè)法以及動(dòng)態(tài)濾波法等。非相干檢測(cè)的具體解調(diào)電路是包絡(luò)檢測(cè)法，相干檢測(cè)的具體解調(diào)電路是同步檢波法。下面就過零檢測(cè)法、包絡(luò)檢測(cè)法及同步檢波法加以介紹。1．過零檢測(cè)法過零檢測(cè)法又稱為零交點(diǎn)法，計(jì)數(shù)法。其原理方框圖及各點(diǎn)波形圖見圖7-8。單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)經(jīng)過零點(diǎn)的次數(shù)多少，可以用來衡量頻率的高低。數(shù)字調(diào)頻波的過零點(diǎn)數(shù)隨不同載頻而異，故檢出過零點(diǎn)數(shù)可以得到關(guān)于頻率的差異，這就是過零檢測(cè)法的基本思想。考慮一個(gè)相位連續(xù)的FSK信號(hào)a，經(jīng)放大限幅得到一個(gè)矩形方波b，經(jīng)微分電路得到雙向微分脈沖c，經(jīng)全波整流得到單向尖脈沖d，單向尖脈沖的密集程度反映了輸入信號(hào)的頻率高低，尖脈沖的個(gè)數(shù)就是信號(hào)過零點(diǎn)的數(shù)目。單向脈沖觸發(fā)一脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生一串幅度為E、寬度為t的矩形歸零脈沖e。脈沖串e的直流分量代表著信號(hào)的頻率，脈沖越密，直流分量越大，反映著輸入信號(hào)的頻率越高。經(jīng)低通濾波器就可得到脈沖串e的直流分量f。這樣就完成了頻率-幅度變換，從而再根據(jù)直流分量幅度上的區(qū)別還原出數(shù)字信號(hào)“1”和“0”。圖7-8過零檢測(cè)法框圖及各點(diǎn)波形圖圖7-9FSK信號(hào)包絡(luò)檢波方框圖及波形圖3．相干解調(diào)法相干解調(diào)電路的原理方框圖如圖7-10所示。圖中兩個(gè)帶通濾波器的作用同上，起分路作用。它們的輸出分別與相應(yīng)的同步相干載波相乘，再分別經(jīng)低通濾波器取出含基帶數(shù)字信息的低頻信號(hào)，濾掉二倍頻信號(hào)，抽樣判決器在抽樣脈沖到來時(shí)對(duì)兩個(gè)低頻信號(hào)進(jìn)行比較判決，即可還原出基帶數(shù)字信號(hào)。圖7-10FSK信號(hào)相干檢測(cè)方框圖相干解調(diào)能提供較好的接收性能，但是要求接收機(jī)提供具有準(zhǔn)確頻率和相應(yīng)的相干參考電壓，增加了設(shè)備的復(fù)雜性。通過將相干解調(diào)與包絡(luò)（非相干）解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)：（1）兩種解調(diào)方法均可工作在最佳門限電平。（2）在輸入信號(hào)信噪比r一定時(shí)，相干解調(diào)的誤碼率小于非相干解調(diào)的誤碼率；當(dāng)系統(tǒng)的誤碼率一定時(shí)，相干解調(diào)比非相干解調(diào)對(duì)輸入信號(hào)的信噪比要求低。所以相干解調(diào)FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干的包絡(luò)檢測(cè)。但當(dāng)輸入信號(hào)的信噪比r很大時(shí)，兩者的相對(duì)差別不明顯。（3）相干解調(diào)時(shí)，需要插入兩個(gè)相干載波，因此電路較為復(fù)雜，但包絡(luò)檢測(cè)就無需相干載波，因而電路較為簡(jiǎn)單。一般而言，大信噪比時(shí)常用包絡(luò)檢測(cè)法，小信噪比時(shí)才用相干解調(diào)法。資訊3多進(jìn)制數(shù)字頻移鍵控MFSK是2FSK的推廣，在MFSK中使用不同的載波頻率來表示數(shù)字信息。 圖7-11是MFSK的調(diào)制與解調(diào)的系統(tǒng)框圖。將輸入的串行二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換成多進(jìn)制碼，不同的多進(jìn)制碼對(duì)應(yīng)選通某一個(gè)門電路，其他門關(guān)閉，相應(yīng)地輸出某一頻率載波。圖7-11多頻制系統(tǒng)的組成方框圖在接收端，MFSK信號(hào)輸入到各個(gè)不同的帶通濾波器，各帶通濾波器的中心頻率分別是各個(gè)載頻。當(dāng)某一已調(diào)載頻信號(hào)到來時(shí)，只有一個(gè)帶通濾波器有信號(hào)及噪聲通過，其他帶通濾波器只有噪聲通過。抽樣判決器的任務(wù)就是在某時(shí)刻比較所有包絡(luò)檢波器輸出的電壓，判決哪一路最大，也就是判決對(duì)方送來的是什么頻率，并選出最大者作出輸出，這個(gè)輸出相當(dāng)于多進(jìn)制的某一碼元。邏輯電路把這個(gè)輸出譯成用k位二進(jìn)制并行碼表示的m進(jìn)制數(shù)，再送并/串變換器變成串行的二進(jìn)制輸出信號(hào)，從而完成數(shù)字信號(hào)的傳輸。MFSK信號(hào)的特點(diǎn)：(1)在傳輸率一定時(shí)，由于采用多進(jìn)制，每個(gè)碼元包含的信息量增加，碼元寬度加寬，因而在信號(hào)電平一定時(shí)每個(gè)碼元的能量增加。(2)一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制碼元組合，因此，總的判決數(shù)可以減少。(3)碼元加寬后可有效地減少由于多徑效應(yīng)造成的碼間串?dāng)_的影響，從而提高衰落信道下的抗干擾能力。MFSK信號(hào)的主要缺點(diǎn)是信號(hào)頻帶寬，頻帶利用率低。MFSK一般用于調(diào)制速率(載頻變化率)不高的短波、衰落信道上的數(shù)字通信。7.4相由心生-數(shù)字相位調(diào)制用數(shù)字調(diào)制信號(hào)的正負(fù)控制載波的相位稱為數(shù)字相位調(diào)調(diào)制，數(shù)字相位調(diào)制又叫相移鍵控，簡(jiǎn)寫為PSK。數(shù)字調(diào)制的頻率其實(shí)沒有改變，只是相位發(fā)生了變化，當(dāng)數(shù)字信號(hào)的振幅為正時(shí)，載波起始相位取0；當(dāng)數(shù)字信號(hào)的振幅為負(fù)時(shí)，載波起始相位取180°。二進(jìn)制相移鍵控記作2PSK或BPSK，多進(jìn)制相移鍵控記作MPSK。它們是利用載波振蕩相位的變化來傳送數(shù)字信息的。資訊1二進(jìn)制相移鍵控相移鍵控即二進(jìn)制相位調(diào)制，就是用載波的兩個(gè)或兩種相位來傳送二進(jìn)制數(shù)字信息。由于載波只用兩個(gè)相位（多為固定值）來表達(dá)數(shù)字信號(hào)，顯然每個(gè)相位只能表達(dá)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)（0或1）。通常把二進(jìn)制相移分為絕對(duì)相移（PSK）和相對(duì)相移（DPSK）兩種。圖7-12二相調(diào)相波形DPSK是相移鍵控的非相干形式，它不需要以參考載波的相位為基準(zhǔn)，所以稱為差分移相鍵控，或相對(duì)移相鍵控。非相干接收機(jī)比較容易實(shí)現(xiàn)且價(jià)格低廉，因此，在無線通信中已被廣泛使用。DPSK調(diào)制器框圖如圖7-16所示。圖7-16DPSK調(diào)制器框圖資訊2二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的解調(diào)2．2DPSK信號(hào)解調(diào)(1)極性比較—碼變換法。此法與調(diào)制中的先“差分編碼”后“2PSK調(diào)制”相對(duì)應(yīng)，即是先“2PSK解調(diào)”后“差分譯碼”，其方框圖見圖7-19。2DPSK解調(diào)器將輸入的2DPSK信號(hào)還原成相對(duì)碼{bn}，再由差分譯碼器把相對(duì)碼轉(zhuǎn)換成絕對(duì)碼，輸出{an}。圖7-18PSK解調(diào)框圖(2)相位比較法—差分檢測(cè)法。前面的方法是最后才進(jìn)行絕對(duì)碼的恢復(fù)，本方法是一開始就考慮了前后碼元間的相位，差分檢測(cè)法的方框圖見圖7-20(a)。這種方法不需要碼變換器，也不需要專門的相干載波發(fā)生器，因此設(shè)備比較簡(jiǎn)單、實(shí)用。圖中Tb延時(shí)電路的輸出起著參考載波的作用。乘法器起著相位比較(鑒相)的作用。{an}輸出延遲z(t)y2(t)y1(t)x(t)y(t)抽樣判決器Tb抽樣脈沖(a)框圖(b)波形圖圖7-20相位比較法解調(diào)2DPSK信號(hào)資訊3多進(jìn)制數(shù)字相移鍵控可見，多進(jìn)制相位調(diào)制的已調(diào)波相當(dāng)于對(duì)兩個(gè)正交載波進(jìn)行多電平的雙邊帶調(diào)幅，其中AcosΦn，AsinΦn分別稱為同相分量和正交分量。而且對(duì)于多進(jìn)制相位調(diào)制的已調(diào)波，每個(gè)調(diào)制的載波相位含有L個(gè)二進(jìn)制數(shù)，N越大，L也越大，載波的利用率越高。以四進(jìn)制為例，即Φn有四種離散值。因此，只要先把單極性的輸入碼元轉(zhuǎn)換為雙極性波形，然后分別對(duì)兩個(gè)正交載波進(jìn)行2電平雙邊帶調(diào)幅，就能實(shí)現(xiàn)四相移相鍵控或稱正交相移鍵控信號(hào)（QPSK）。四相差分相位調(diào)制可以用直接調(diào)相或碼變換加相位選擇法實(shí)現(xiàn)。圖7-21QPSK和OQPSK相位星座圖圖7-24QPSK信號(hào)解調(diào)電路圖7-25QPSK信號(hào)解調(diào)波形QPSK和OQPSK信號(hào)占用的帶寬相同，但在抗噪聲干擾性能和帶寬效率、帶限性上，OQPSK均優(yōu)于QPSK，所以O(shè)QPSK信號(hào)非常適合于移動(dòng)通信系統(tǒng)。7.5兩儀生四相-現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了使數(shù)字信號(hào)在有限帶寬的高頻信道中傳輸時(shí)，具有較高的頻帶利用率、功率利用率和抗噪聲性能，單一的基本調(diào)制方式幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)已不能滿足需要，人們于是在它們的基礎(chǔ)上進(jìn)行了新的組合，產(chǎn)生了多種新的調(diào)制方式。資訊1正交幅度調(diào)制(QAM)通過前面的學(xué)習(xí)我們知道，單獨(dú)使用振幅或相位攜帶信息時(shí)，不能最充分地利用信號(hào)平面。多進(jìn)制振幅調(diào)制時(shí)，矢量端點(diǎn)在一條軸上分布；多進(jìn)制相位調(diào)制時(shí)，矢量端點(diǎn)在一個(gè)圓上分布。隨著進(jìn)制數(shù)N的增大，這些矢量端點(diǎn)之間的最小距離也隨之減小，導(dǎo)致誤判概率增大。但如果我們充分地利用整個(gè)平面，將矢量端點(diǎn)重新合理地分布，則有可能在不減小最小距離的情況下，增加信號(hào)矢量的端點(diǎn)數(shù)目。從上述概念出發(fā)，我們引出振幅與相位相結(jié)合的調(diào)制方式，這種方式通常稱為數(shù)字復(fù)合調(diào)制方式，一般的復(fù)合調(diào)制稱為幅相鍵控（APK），兩個(gè)正交載波幅相鍵控稱為正交振幅調(diào)制（QAM）。式中，sinωct項(xiàng)稱為正交信號(hào)，或稱Q信號(hào)；cosωct項(xiàng)稱為同相信號(hào)，或稱I信號(hào)。顯然，當(dāng)mQ（t）是mI（t）的希爾伯特變換時(shí)，正交振幅調(diào)制就變成了單邊帶調(diào)制；同時(shí)，當(dāng)mI（t）與mQ（t）的取值分別為+1，－l時(shí)，正交振幅調(diào)制和四相移相鍵控（QPSK）完全相同，即四相相位鍵控信號(hào)實(shí)際上是一種正交幅度鍵控。當(dāng)上式中輸入的基帶信號(hào)為多電平（如16，32）時(shí)，便可以構(gòu)成多電平正交振幅調(diào)制。下面以16-QAM為例來說明其調(diào)制特征，圖7-26所示的是一個(gè)16-QAM的信號(hào)星座圖，其中第i個(gè)信號(hào)的表達(dá)式為：圖7-2616-QAM信號(hào)星座圖16-QAM信號(hào)的產(chǎn)生有兩種基本方法：一種是用兩路正交的四電平振幅鍵控信號(hào)疊加而成；另一種是用兩路獨(dú)立的四相移相鍵控信號(hào)疊加而成。圖7-27所示是一種實(shí)現(xiàn)16-QAM調(diào)制的原理示意圖。二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)輸入以后，以4bit為一組，分別取出2bit送入上、下兩個(gè)2-4電平轉(zhuǎn)換器，再分別送入調(diào)制器進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)制后的兩信號(hào)相加，便得到16-QAM的輸出信號(hào)。如果輸入二進(jìn)制數(shù)的速率為fa，則送到2-4電平轉(zhuǎn)換器的速率為fa/4。ala2，blb2的真值表如表7-2所示。圖7-2716-QAM調(diào)制原理圖圖7-2916-QAM的調(diào)制與解調(diào)原理框圖及16-QAM信號(hào)波形圖資訊3偏移四相相移鍵控(OQPSK)正交相移鍵控調(diào)制（QPSK）是四相相移調(diào)制，又稱四相鍵控，可記作4PSK，它有4種不同相位狀態(tài)，規(guī)定了四種載波相位，分別為45°，135°，225°，275°，各自對(duì)應(yīng)于四進(jìn)制的是4種數(shù)據(jù)（碼元），即00，01，10，11。由于每一種載波相位代表兩個(gè)比特特信息，所以每個(gè)四進(jìn)制碼元又被稱為雙比特碼元。從圖7-31（a）中可以看到，QPSK調(diào)制信號(hào)可視為2路正交載波經(jīng)PSK調(diào)制后的信號(hào)疊加，在這種疊加過程中所占用的帶寬將保持不變。因此在一個(gè)調(diào)制符號(hào)中傳輸兩個(gè)比特，正交相移鍵控（QPSK）比PSK的帶寬效率高兩倍。載波的相位為四個(gè)間隔相等的值±π/4，±3π/4，其相位的星座圖如圖7-32（a）所示；也可以將相位的星座圖（圖7-32（a）旋轉(zhuǎn)45°，得到圖7-32（b），其相位值是0，±π/2，π，為交錯(cuò)正交相移鍵控（OQPSK）調(diào)制相位的星座圖。OQPSK是OffsetQPSK的縮寫，稱為交錯(cuò)QPSK，也稱偏移四相相移鍵控。它的I、Q兩支路在時(shí)間上錯(cuò)開一個(gè)碼元的時(shí)間Tb進(jìn)行調(diào)制，這樣可避免在QPSK中，碼元轉(zhuǎn)換在兩支路總是同時(shí)的，因而在轉(zhuǎn)換時(shí)刻，載波可能會(huì)產(chǎn)生180°的相位跳變，在OQPSK中，兩支路碼元不可能同時(shí)轉(zhuǎn)換，因而它最多只能有±90°相位的跳變。相位跳變小，所以它的頻譜特性要比QPSK的好，對(duì)出現(xiàn)邊瓣和頻帶加寬等有害現(xiàn)象不敏感，可以得到高效率的放大，其它特性均與QPSK差不多。其相位的星座圖如圖7-32所示。圖7-32QPSK和OQPSK相位星座圖資訊4π/4四相相移鍵控(π/4-QPSK)通常載波恢復(fù)都存在一定的相位模糊性。QPSK可能會(huì)發(fā)生4相模糊性，從而引起相當(dāng)大的誤碼率。為了消除這一相位模糊性，可在調(diào)制器內(nèi)加一差分編碼器，在解調(diào)器中加一差分譯碼器，這就是所謂的差分QPSK，它與QPSK不同之處在于所傳符號(hào)對(duì)應(yīng)的不是載波的絕對(duì)相位，而是相位的改變，即相位差。π/4-DQPSK調(diào)制是一種正交相移鍵控調(diào)制技術(shù)，是對(duì)QPSK信號(hào)的特性進(jìn)行改進(jìn)的一種調(diào)制方式。改進(jìn)之一是將QPSK的最大相位跳變從±π降為±3π/4，從而改善了π/4-DQPSK的頻譜特性。改進(jìn)之二是解調(diào)方式，QPSK只能用相干解調(diào)，而π/4-DQPSK既可以用相干解調(diào)，也可以用非相干解調(diào)，這就使接收機(jī)的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。π/4-DQPSK已用于美國(guó)的IS-136數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)和個(gè)人接入通信系統(tǒng)（PCS）中。π/4-DQPSK調(diào)制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖7-34所示。輸入數(shù)據(jù)經(jīng)串/并變換后得到同相通道I和正交通道Q的兩種脈沖序列SI和SQ。通過差分相位編碼，使得在kTS≤t＜（k+1）TS時(shí)間內(nèi)，I通道的信號(hào)UK和Q通道的信號(hào)VK發(fā)生相應(yīng)的變化，再分別進(jìn)行正交調(diào)制后合成為π/4-DQPSK信號(hào)。式中，θk為kTS≤t＜（k+1）TS之間的附加相位。π/4-DQPSK相位的相位關(guān)系如圖7-35所示。在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，π/4-DQPSK的相位跳變量只有±π/4和±3π/4四種取值。從圖7-35中可看出相位跳變必定在“○”組和“◎”組之間跳變。即在相鄰碼元，僅會(huì)出現(xiàn)從“○”組到“◎”組相位點(diǎn)（或“◎”組到“○”組）的跳變，而不會(huì)在同組內(nèi)跳變。π/4-DQPSK調(diào)制是一種包絡(luò)不恒定的線性調(diào)制。π/4-DQPSK信號(hào)的解調(diào)可采用相干檢測(cè)、差分檢測(cè)或鑒頻器檢測(cè)。中頻差分檢測(cè)框圖如圖7-36所示。其優(yōu)點(diǎn)是用兩個(gè)鑒相器而不需要本地振蕩器。接收到的π/4-DQPSK信號(hào)先變頻到中頻（IF），然后經(jīng)帶通濾波器，由XK和YK抽樣、判決后獲得的結(jié)果，再經(jīng)限幅器和并/串變換后，再生出原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。圖7-35π/4-DQPSK的相位關(guān)系圖7-36中頻差分檢測(cè)框圖資訊5最小頻移鍵控(MSK)圖7-37MSK調(diào)制器方框圖（1）對(duì)輸入數(shù)據(jù)序列進(jìn)行差分編碼；（2）把差分編碼器的輸出數(shù)據(jù)用串/并變換器分成兩路，并相互交錯(cuò)一個(gè)比特寬度Tb；（3）用加權(quán)函數(shù)cos（πt/2Tb）和sin（πt/2Tb）分別對(duì)兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)；（4）用兩路加權(quán)后的數(shù)據(jù)分別對(duì)正交載波cosωct和sinωct進(jìn)行調(diào)制；（5）把兩路輸出信號(hào)進(jìn)行疊加。綜合以上分析可知，MSK信號(hào)必須具有以下特點(diǎn)：（1）已調(diào)信號(hào)的振幅是恒定的；（2）信號(hào)的頻率偏移嚴(yán)格地等于±1/（4Tb），相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)h=ΔfTb=（f2－f1）Tb=1/2；（3）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)準(zhǔn)確地線性變化±π/2；（4）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；（5）在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，信號(hào)的相位是連續(xù)的，或者說，信號(hào)的波形沒有突跳。MSK信號(hào)可以采用鑒頻器解調(diào)，也可以采用相干解調(diào)。相干解調(diào)的框圖如圖7-38所示，圖中采用平方環(huán)來提取相干載波。圖7-38MSK相干解調(diào)框圖MSK與FSK性能相比，由于各支路的實(shí)際碼元寬度為2Tb，其對(duì)應(yīng)的低通濾波器帶寬減少為原帶寬的1/2，從而使MSK的輸出信噪比提高了一倍。資訊6高斯最小頻移鍵控(GMSK)GMSK調(diào)制方式能滿足移動(dòng)通信環(huán)境下對(duì)鄰道干擾的嚴(yán)格要求，我們將輸入端接有高斯低通濾波器的MSK調(diào)制器稱為高斯最小頻移鍵控（GMSK）。GMSK是由MSK演變來的一種簡(jiǎn)單的二進(jìn)制調(diào)制方法，是連續(xù)相位的恒包絡(luò)調(diào)制。MSK信號(hào)可由FM調(diào)制器來產(chǎn)生，由于輸入二進(jìn)制不歸零脈沖序列具有較寬的頻譜，從而導(dǎo)致已調(diào)信號(hào)的帶外衰減較慢。如果將輸入信號(hào)經(jīng)過濾波以后再送入FM調(diào)制，必然會(huì)改善已調(diào)信號(hào)的帶外特性。所以最簡(jiǎn)單的產(chǎn)生GMSK信號(hào)的方法就是通過在FM調(diào)制器前加入一個(gè)基帶信號(hào)預(yù)處理濾波器，即高斯低通濾波器，如圖7-39所示。圖7-39GMSK信號(hào)產(chǎn)生的原理圖這種GMSK調(diào)制技術(shù)能將基帶信號(hào)變換成高斯脈沖信號(hào)，其包絡(luò)無陡峭沿，亦無拐點(diǎn)，因此相位路徑得以進(jìn)一步平滑，如圖7-40所示，GMSK早已被確定為歐洲新一代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式，應(yīng)用在GSM等系統(tǒng)中。圖7-40GMSK信號(hào)的相位軌跡GMSK信號(hào)的解調(diào)可以用同MSK一樣的正交相干解調(diào)。在相干解調(diào)中最為重要的是相干載波的提取，這在移動(dòng)通信的環(huán)境中是比較困難的，因而移動(dòng)通信系統(tǒng)通常采用差分解調(diào)和鑒頻器解調(diào)等非相干解調(diào)的方法。圖7-41所示的就是一比特延遲差分檢測(cè)解調(diào)器的原理框圖。圖7-411bit延遲差分檢測(cè)器的框圖資訊7正交頻分復(fù)用(OFDM)正交頻分復(fù)用(OFDM)是多載波數(shù)字傳輸技術(shù)，它由多載波調(diào)制(MCM)技術(shù)發(fā)展而來，所以也可看成是一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)。它將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后調(diào)制為射頻信號(hào)。不像常規(guī)的單載波技術(shù)，如AM/FM(調(diào)幅/調(diào)頻)在某一時(shí)刻只用單一頻率發(fā)送單一信號(hào)，OFDM在經(jīng)過特別計(jì)算的正交頻率上同時(shí)發(fā)送多路高速信號(hào)。這一結(jié)果就如同在噪聲和其他干擾中突發(fā)通信一樣有效利用帶寬。在無線傳輸系統(tǒng)，特別是電視廣播系統(tǒng)中，由于城市建筑群或其他的復(fù)雜的地理環(huán)境，發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過反射、散射等傳播路徑后，到達(dá)接收端的信號(hào)往往是多個(gè)幅度和相位各不相同的信號(hào)的疊加，使接收到的信號(hào)幅度出現(xiàn)隨機(jī)起伏變化，形成多徑衰落，引起信號(hào)的頻率選擇性的衰減，導(dǎo)致信號(hào)畸變。在實(shí)際的移動(dòng)通信中，多徑干擾根據(jù)其產(chǎn)生的條件大致可分為以下3類：第一類多徑干擾是由于快速移動(dòng)的用戶附近物體的反射形成的干擾信號(hào)，其特點(diǎn)是在信號(hào)的頻域上產(chǎn)生多普勒擴(kuò)散而引起的時(shí)間選擇性衰落；第二類多徑干擾是由于遠(yuǎn)處山丘與高大建筑物反射形成的干擾信號(hào)，其特點(diǎn)是信號(hào)在時(shí)域和空間角度上發(fā)生了擴(kuò)散，從而引起相對(duì)應(yīng)的頻率選擇性衰落和空間選擇性衰落；第三類多徑干擾是由基站附近的建筑物和其他物體的反射而形成干擾信號(hào)，其特點(diǎn)是嚴(yán)重影響到達(dá)天線的信號(hào)入射角分布，從而引起空間選擇性衰落。為了對(duì)付這3類多徑干擾而引起的3種不同的選擇性衰落，人們想盡了一切辦法予以克服。分集接收技術(shù)專門克服角度擴(kuò)散而引起的空間選擇性衰落；信道交織編碼技術(shù)專門克服多普勒頻率擴(kuò)散而引起的時(shí)間選擇性衰落；以及專門為了克服多徑傳播的時(shí)延功率譜的擴(kuò)散而引起頻率選擇性衰落的Rake接收技術(shù)。為了對(duì)付這3類多徑干擾而引起的3種不同的選擇性衰落，人們想盡了一切辦法予以克服。分集接收技術(shù)專門克服角度擴(kuò)散而引起的空間選擇性衰落；信道交織編碼技術(shù)專門克服多普勒頻率擴(kuò)散而引起的時(shí)間選擇性衰落；以及專門為了克服多徑傳播的時(shí)延功率譜的擴(kuò)散而引起頻率選擇性衰落的Rake接收技術(shù)。在傳統(tǒng)的多載波通信系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)頻帶被劃分為若干個(gè)互相分離的子信道(子載波)。子信道之間有一定的保護(hù)間隔，接收端通過濾波器把各個(gè)子信道分離之后分別接收所需信息。這樣雖然可以避免不同信道的互相干擾，但卻以犧牲頻率利用率為代價(jià)。而且當(dāng)子信道數(shù)量很大時(shí)，濾波器的設(shè)置就成了幾乎不可能的事情。20世紀(jì)中期，人們提出了混疊頻帶的多載波通信方案，選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，也就是我們所說的OFDM。按照這種設(shè)想，OFDM可以充分利用信道帶寬，節(jié)省將近50％的帶寬，如圖7-42所示。除此之外，OFDM還可以使單個(gè)用戶的信息流被串/并變換為多個(gè)低速率碼流，每個(gè)碼流用一個(gè)子載波發(fā)送。OFDM系統(tǒng)是將串行高速（寬帶）數(shù)據(jù)分成若干組并行的低速數(shù)據(jù)流，用多個(gè)載波（又稱子載波）并行傳輸，使每路信號(hào)的頻帶都小于信道的相關(guān)帶寬，這樣對(duì)每一個(gè)子載波來說，信道都是頻率平坦的，因此可以有效降低頻率選擇性衰落對(duì)系統(tǒng)性能的影響，從而實(shí)現(xiàn)頻率分集。由于使用無干擾正交載波技術(shù)，單個(gè)載波間無需保護(hù)頻帶，且頻譜可相互重疊，這樣使得可用頻譜的使用效率更高；另外，OFDM技術(shù)可動(dòng)態(tài)分配在子信道上的數(shù)據(jù)，為獲得最大的數(shù)據(jù)吞吐量，多載波調(diào)制器可以智能地分配更多的數(shù)據(jù)到噪聲小的子信道上。圖7-42帶寬節(jié)省示意在頻域中，OFDM的各個(gè)子載波的關(guān)系如圖7-43所示，可以看出，在每一子載波頻率的最大值處，所有其他子信道的頻譜值恰好為零。由于在解調(diào)過程中，需要計(jì)算這些點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的每一子載波頻率的最大值，因此，可以從多個(gè)相互重疊的子信道符號(hào)頻譜中提取出每個(gè)子信道符號(hào)，而不會(huì)受到其他子信道的干擾。圖7-43頻域中載波正交關(guān)系圖7-44采用保護(hù)間隔的OFDM時(shí)頻表示OFDM處理的物理意義是把通常由一個(gè)載波傳輸?shù)拇懈咚贁?shù)據(jù)流用多個(gè)載波并行處理，從而降低了對(duì)每一載波通道的要求，其過程復(fù)雜，但在抗多路反向方面的性能很優(yōu)良。只要延遲信號(hào)比直接信號(hào)滯后的時(shí)間不大于1．2倍保護(hù)間隔時(shí)間（約300μs，對(duì)應(yīng)于傳播距離90km），各個(gè)低速OFDM載波就不會(huì)混疊。OFDM所能容許的300μs延遲時(shí)間大大超出了單反射機(jī)多路反射造成的延遲，提供了開發(fā)單反射機(jī)多路反射造成的延遲，也提供了開發(fā)單頻網(wǎng)的可能性。在單頻網(wǎng)中，發(fā)射同樣節(jié)目的多臺(tái)發(fā)射機(jī)可工作在同一頻率上，只要各發(fā)射信號(hào)是同步的，而且它們的傳播距離相差不超過90km，那么在接收機(jī)上多路信號(hào)的總效果就是增加而不是降低信號(hào)的質(zhì)量。因此，OFDM的基本特征是將串行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流分成若干組（段），每組或每段待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)再分成N個(gè)符號(hào)，對(duì)每個(gè)符號(hào)分配一個(gè)彼此正交的載波，調(diào)制后一并發(fā)送出去。通過這種形式的調(diào)制，傳輸時(shí)可使每個(gè)載波的符號(hào)（比特）持續(xù)時(shí)間或周期延長(zhǎng)N倍。OFDM調(diào)制通常需要幾百或上千個(gè)載頻，這給實(shí)際應(yīng)用帶來極大困難，Weinstein提出了一種利用離散傅里葉變換（DFT）來實(shí)現(xiàn)OFDM。使多載波概念變成單載波概念來處理，大大簡(jiǎn)化了處理電路。OFDM系統(tǒng)可以這樣來實(shí)現(xiàn)：在發(fā)端，先由{Ck}的IDFT（離散傅里葉反變換）求得{sn}，再經(jīng)過一低通濾波器即得所需的OFDM信號(hào)s（t）；在收端，先對(duì)s（t）抽樣得到{sn}，再對(duì){sn}求DFT（離散傅里葉變換）即得{Ck}。當(dāng)N=2m（m為正整數(shù)），可用快速算法，實(shí)現(xiàn)極其簡(jiǎn)單。這樣，把多載波概念轉(zhuǎn)換成基帶數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)際調(diào)制時(shí)只采用單載波，如圖7-45所示。圖7-45OFDM數(shù)字調(diào)制、解調(diào)示意圖OFDM每個(gè)子載波所用的調(diào)制方法不必相同。各個(gè)子載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào)制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等，以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。我們通過選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式就可以獲得最大頻譜效率。無線多徑信道的頻率選擇性衰落會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)功率大幅下降，下降幅度經(jīng)常會(huì)達(dá)到30dB之多，信噪比也隨之下降。為了提高頻譜利用率，應(yīng)該采用與信噪比相匹配的調(diào)制方式?？煽啃允峭ㄐ畔到y(tǒng)正常運(yùn)行的基本考核指標(biāo)。出于保證系統(tǒng)可靠性的考慮，很多通信系統(tǒng)傾向于選擇靠干擾能力強(qiáng)的BPSK或OPSK調(diào)制方式，以確保在信道最壞條件下的信噪比要求，但是這兩種調(diào)制方式的頻譜效率很低。而OFDM技術(shù)采用自適應(yīng)調(diào)制，根據(jù)信道條件的好壞來選擇采用不同的調(diào)制方式。比如在終端靠近基站時(shí)，信道條件一般會(huì)比較好，調(diào)制方式就可以由BPSK(頻譜效率1bit/s/Hz)轉(zhuǎn)化成16QAM～64QAM(頻譜效率4～6bit/s/Hz)，整個(gè)系統(tǒng)的頻譜利用率就會(huì)得到大幅度的改善。自適應(yīng)調(diào)制能夠擴(kuò)大系統(tǒng)容量，但信號(hào)必需包含一定的開銷比特，以告知接收端信號(hào)所采用的調(diào)制方式。自適應(yīng)調(diào)制要求系統(tǒng)必須對(duì)信道的性能有及時(shí)和精確的了解，如果在差的信道上采用較強(qiáng)的調(diào)制方式，那么就會(huì)產(chǎn)生很高的誤碼率，影響系統(tǒng)的可用性。OFDM系統(tǒng)可以用導(dǎo)頻信號(hào)或參考碼字來測(cè)試信道的好壞。發(fā)送一個(gè)已知數(shù)據(jù)的碼字，測(cè)出每條信道的信噪比，根據(jù)這個(gè)信噪比來確定最適合的調(diào)制方式。正交頻分復(fù)用作為一種多載波傳輸技術(shù)，主要應(yīng)用于數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)(MMDS：MultichannelMultipointDistributionService)多信道多點(diǎn)分布服務(wù)和WLAN服務(wù)以及下一代陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)。圖7-46所示為單載波調(diào)制、FDM及OFDM三種方式的頻譜圖。圖7-46單載波調(diào)制、FDM及OFDM三種調(diào)制方式頻譜比較OFDM通過將一個(gè)高速率的數(shù)據(jù)流分割成多個(gè)低速率的數(shù)據(jù)流，并分別發(fā)送每個(gè)數(shù)據(jù)流，從而降低了比特速率。為了解決多址干擾，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用了OFDM技術(shù)。OFDM良好地解決了多徑環(huán)境中的信道選擇性衰落，但對(duì)信道平坦性衰落尚未得到較好的克服，即各載波的幅度服從瑞利分布的衰落。用信道編碼來解決這一問題的即是COF