《無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用》課件第04章 單載波調(diào)制技術(shù)

第四章單載波調(diào)制技術(shù)4.1概述在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中普遍采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)，這是因為數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制相比具有許多優(yōu)點，包括更高的頻譜效率、更好的抗噪聲性能、更強的抗信道損傷的能力、易于進(jìn)行差錯控制以及更好的安全保密性等。在衡量數(shù)字調(diào)制的性能時，常用的主要指標(biāo)有功率效率和頻譜效率。功率效率是指調(diào)制技術(shù)在有限功率條件下保持?jǐn)?shù)字信息正確傳輸?shù)哪芰?，該指?biāo)反映了調(diào)制技術(shù)對功率有效利用的能力。頻譜效率是指調(diào)制技術(shù)在有限帶寬內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的能力，它反映了對帶寬有效利用的能力。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用24.1概述在無線通信系統(tǒng)中選擇調(diào)制方式時，通常會考慮以下幾個方面的因素：頻譜效率：無線通信系統(tǒng)中，如何在有限的頻率資源內(nèi)實現(xiàn)更高的傳輸速率，始終是無線通信要解決的主要問題。功率效率：手持無線終端采用電池供電，功耗受限，因此要求終端上使用的調(diào)制方式具有較高的功率效率?？垢蓴_、抗噪聲能力：由于無線信道傳播特性復(fù)雜，存在各種噪聲和干擾，因此要求調(diào)制方式具有較強的抗噪聲和抗干擾能力。抵抗多徑衰落的能力：無線信道存在多徑傳播，從而產(chǎn)生信號衰落，因此要求調(diào)制方式具有較強的抗衰落能力。實現(xiàn)復(fù)雜度：終端的成本、體積受限，因此要求調(diào)制方式具有低實現(xiàn)復(fù)雜度和低成本。以上這些要求經(jīng)常是相互矛盾的，彼此影響，不能同時滿足。因此無線通信系統(tǒng)在選擇調(diào)制方式時，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)需求，折中考慮上述要求，得到一個最佳的權(quán)衡結(jié)果。例如移動通信系統(tǒng)中下行和上行鏈路通常會使用不同的調(diào)制方案，主要是因為基站側(cè)功率供應(yīng)有保證，往往追求更高的頻譜效率；但是手機側(cè)功率受限，通常更多關(guān)注功率的有效利用。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用34.2脈沖成形技術(shù)

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用44.2脈沖成形技術(shù)

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用54.2脈沖成形技術(shù)

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用64.2.1奈奎斯特第一準(zhǔn)則

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用74.2.1奈奎斯特第一準(zhǔn)則

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用84.2.1奈奎斯特第一準(zhǔn)則下圖給出了輸入符號序列為{+1,+1,+1,+1,+1}時，脈沖成形模塊輸出的基帶波形，可以看出，盡管由于成形脈沖相互疊加，導(dǎo)致基帶波形有起伏，但是在抽樣時刻，波形幅度僅取決于當(dāng)前符號，其它符號對于基帶波形幅度的貢獻(xiàn)均為0，從而避免了抽樣時刻的ISI。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用94.2.1奈奎斯特第一準(zhǔn)則

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用102024/3/314.2.1奈奎斯特第一準(zhǔn)則

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用114.2.1奈奎斯特第一準(zhǔn)則

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用124.2.1奈奎斯特第一準(zhǔn)則

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用134.2.2奈奎斯特第二準(zhǔn)則

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用144.2.2奈奎斯特第二準(zhǔn)則

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用154.2.2奈奎斯特第二準(zhǔn)則

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用164.2.2奈奎斯特第二準(zhǔn)則

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用174.2.3奈奎斯特第三準(zhǔn)則

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用184.3信號空間分析在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收機將收到的信號同各個可能的發(fā)射信號做比較，找到“最近”或者最相似的那個作為檢測結(jié)果．以使出錯的概率最小。為了判斷“遠(yuǎn)近”，我們需要能夠度量信號之間的距離，然而波形之間的距離計算過于復(fù)雜。信號的空間表示，通過將信號投影到一組基函數(shù)，把信號波形和向量表示一一對應(yīng)起來，從而將問題從無限維的函數(shù)空間變換到有限維的向量空間中，進(jìn)而利用向量空間中的距離概念來度量信號之間的距離，簡化計算。信號的空間表示具有很強的通用性，幾乎所有的數(shù)字調(diào)制都可以統(tǒng)一到空間表示的框架之下，方便我們以統(tǒng)一的視角看待各種不同的調(diào)制方法。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用194.3.1已調(diào)信號的空間表示

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用204.3.1已調(diào)信號的空間表示

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用214.3.1已調(diào)信號的空間表示

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用224.3.2AWGN信道下接收信號的空間表示

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用234.3.2AWGN信道下接收信號的空間表示

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用24AWGN噪聲的正交展開

接收機與誤碼率

重要結(jié)論

接收機的工作

判決域和判決準(zhǔn)則

判決域的設(shè)計原則

最大似然判決準(zhǔn)則

判決域

判決域示例判決域

特定星座集的誤碼元率估計

4.4線性調(diào)制技術(shù)數(shù)字調(diào)制主要分為幅度/相位調(diào)制和頻率調(diào)制兩類。幅度/相位調(diào)制也稱線性調(diào)制，已調(diào)信號頻譜是基帶信號頻譜的線性搬移。頻率調(diào)制通過瞬時頻率來攜帶信息，已調(diào)信號頻譜與基帶信號頻譜相比，除了頻譜搬移以外還有新的頻率分量，頻率調(diào)制的已調(diào)信號包絡(luò)一般是恒定的，因此又稱為非線性調(diào)制或恒包絡(luò)調(diào)制。一般來說，線性調(diào)制比非線性調(diào)制具有更好的頻譜效率，但是需要使用價格昂貴、功率效率差的線性放大器。目前已有一些方法來克服線性調(diào)制的這些缺點，如數(shù)字預(yù)失真技術(shù)等。非線性調(diào)制則具有更好的功率效率，其恒包絡(luò)特性允許使用價格便宜，功率效率高的非線性放大器，且具有良好的抗信道衰落的能力。選擇線性調(diào)制還是非線性調(diào)制就是在前者的頻率效率和后者的功率效率以及抵抗信道衰落的能力之間進(jìn)行選擇。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用314.4.1多進(jìn)制相位調(diào)制MPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用324.4.1多進(jìn)制相位調(diào)制MPSK調(diào)制器原理框圖如下無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用334.4.1多進(jìn)制相位調(diào)制MPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用344.4.2二進(jìn)制移相鍵控BPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用354.4.2二進(jìn)制移相鍵控BPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用364.4.2二進(jìn)制移相鍵控BPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用374.4.2二進(jìn)制移相鍵控BPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用384.4.2二進(jìn)制移相鍵控BPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用394.4.3四相移相鍵控QPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用40

4.4.3四相移相鍵控QPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用414.4.3四相移相鍵控QPSKQPSK信號的調(diào)制器和解調(diào)器原理如圖所示無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用424.4.4交錯四相移相鍵控OQPSK當(dāng)采用矩形脈沖時，QPSK信號包絡(luò)恒定。當(dāng)采用升余弦滾降濾波器作為成形脈沖時，不同滾降因子條件下QPSK信號的時域波形如圖所示?？梢钥闯鯭PSK信號不再具有恒包絡(luò)的性質(zhì)，且包絡(luò)起伏劇烈，存在過零點，這就要求使用成本高且功率效率低的線性放大器。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用434.4.4交錯四相移相鍵控OQPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用44

4.4.4交錯四相移相鍵控OQPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用454.4.5π/4四相移相鍵控π/4QPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用46

4.4.5π/4四相移相鍵控π/4QPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用474.4.5π/4四相移相鍵控π/4QPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用484.4.5π/4四相移相鍵控π/4QPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用494.4.5π/4四相移相鍵控π/4QPSK由于π/4QPSK信號是差分移相鍵控信號，既可采用相干解調(diào)，也可采用非相干解調(diào)。如下為基帶差分檢測器的原理框圖，需要注意的是，在解調(diào)中本地載波信號只需和接收信號的載波同頻即可，無需相位同步。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用504.4.5π/4四相移相鍵控π/4QPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用514.4.5π/4四相移相鍵控π/4QPSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用524.4.6正交振幅調(diào)制QAM

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用534.4.6正交振幅調(diào)制QAM

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用544.4.6正交振幅調(diào)制QAM

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用554.5恒包絡(luò)調(diào)制頻率調(diào)制通過載波的頻率攜帶信息，已調(diào)信號具有恒定包絡(luò)，可以采用功率效率高的非線性放大器。由于恒包絡(luò)信號的包絡(luò)中不包含有用信息，因此對信道的幅度失真不敏感，能很好地抵抗隨機噪聲和瑞利衰落引起的信號波動。恒包絡(luò)調(diào)制信號的帶外輻射可以做到很低。恒包絡(luò)調(diào)制的缺點是作為一種非線性調(diào)制，其占用帶寬大，頻譜效率低。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用564.5.1二進(jìn)制移頻鍵控BFSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用574.5.1二進(jìn)制移頻鍵控BFSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用584.5.1二進(jìn)制移頻鍵控BFSKBFSK信號可以使用相干解調(diào)BFSK信號也可以采用非相干解調(diào)無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用594.5.2最小移頻鍵控MSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用604.5.2最小移頻鍵控MSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用614.5.2最小移頻鍵控MSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用624.5.2最小移頻鍵控MSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用634.5.2最小移頻鍵控MSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用644.5.2最小移頻鍵控MSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用654.5.2最小移頻鍵控MSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用664.5.2最小移頻鍵控MSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用674.5.2最小移頻鍵控MSKMSK調(diào)制器中各個信號波形示例無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用684.5.2最小移頻鍵控MSKMSK信號相干解調(diào)器無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用694.5.2最小移頻鍵控MSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用704.5.3高斯最小移頻鍵控GMSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用714.5.3高斯最小移頻鍵控GMSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用724.5.3高斯最小移頻鍵控GMSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用734.5.3高斯最小移頻鍵控GMSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用744.5.3高斯最小移頻鍵控GMSKGMSK通過高斯濾波器引入可控的ISI平滑了相位路徑，相位函數(shù)不僅是連續(xù)變化的，而且是平滑變化的，消除了MSK在碼元轉(zhuǎn)換時刻的相位轉(zhuǎn)折點，從而改善了頻譜特性。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用754.5.3高斯最小移頻鍵控GMSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用764.5.4多進(jìn)制頻移鍵控MFSK

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用774.6無線信道中的調(diào)制性能無線信道存在多徑效應(yīng)和多普勒擴展，對于調(diào)制方案的性能有著嚴(yán)重的影響。在無線信道中衡量調(diào)制性能的指標(biāo)主要有兩個：一個是平均誤碼率或誤比特率，另一個是通信中斷率，即瞬時信噪比低于給定門限值的概率。本節(jié)分別討論平坦衰落和頻率選擇性衰落對數(shù)字調(diào)制性能的影響。由于無線通信中基本上都是慢衰落，因此本節(jié)只考慮慢衰落的情形。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用784.6.1平坦衰落信道中的調(diào)制性能

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用794.6.1平坦衰落信道中的調(diào)制性能AWGN與瑞利衰落信道下不同調(diào)制性能的誤碼率曲線如下圖總體來看，瑞利衰落條件下不同調(diào)制方案的誤碼率和平均信噪比呈倒數(shù)關(guān)系，而AWGN條件下，誤碼率隨信噪比的增加呈指數(shù)下降趨勢。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用804.6.1平坦衰落信道中的調(diào)制性能

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用814.6.2頻率選擇性衰落信道中的調(diào)制性能頻率選擇性衰落會導(dǎo)致符號間干擾，提高發(fā)送功率同樣提高了ISI的強度，不能消除ISI導(dǎo)致的誤碼，因此ISI會造成背景誤碼。碼間干擾造成的背景誤碼與調(diào)制方式及碼間干擾的特性有關(guān)，而碼間干擾的特性又和信道特性及發(fā)送的符號速率有關(guān)，