新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù).ppt

1、第8章 新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù),8.1 正交振幅調(diào)制(QAM) 8.2 最小移頻鍵控(MSK),返回主目錄,通 信 原 理,8.1 正交振幅調(diào)制(QAM),主要內(nèi)容 其它數(shù)字調(diào)制簡介 MQAM調(diào)制原理 MQAM解調(diào)原理 MQAM抗噪聲性能,一、其它數(shù)字調(diào)制簡介 數(shù)字調(diào)制的三種基本方式：數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制，這三種數(shù)字調(diào)制方式是數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)。 三種基本數(shù)字調(diào)制方式都存在不足之處，如頻譜利用率低、抗多徑衰落能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴重等。 為了改善這些不足，近幾十年來人們不斷地提出一些新的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以適應各種通信系統(tǒng)的要求。 其主要研究內(nèi)容圍繞著減小信號帶寬以提高

2、頻譜利用率；提高功率利用率以增強抗干擾性能；適應各種隨參信道以增強抗多徑衰落能力等。,例如，在恒參信道中，正交振幅調(diào)制（QAM）和正交頻分復用（OFDM）方式具有高的頻譜利用率，因此，正交振幅調(diào)制在衛(wèi)星通信和有線電視網(wǎng)絡高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應用。而正交頻分復用在非對稱數(shù)字環(huán)路ADSL和高清晰度電視HDTV的地面廣播系統(tǒng)等得到了成功應用。 高斯最小移頻鍵控（GMSK）和/4DQPSK具有較強的抗多徑衰落性能，帶外功率輻射小等特點，因而在移動通信領(lǐng)域得到了應用。 GMSK用于泛歐數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（GSM）， /4DQPSK用于北美和日本的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。,二、MQAM調(diào)制(振幅相

3、位聯(lián)合鍵控APK）原理 在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點之一。 正交振幅調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式，其在中、 大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應用。 在移動通信中，隨著微蜂窩和微微蜂窩的出現(xiàn)，使得信道傳輸特性發(fā)生了很大變化。 過去在傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中不能應用的正交振幅調(diào)制也引起人們的重視。, 正交振幅調(diào)制是用兩個獨立的基帶數(shù)字信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用這種已調(diào)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。 1.

4、正交振幅調(diào)制信號的一般表示式,式中，An是基帶信號幅度，g(t-nTs)是寬度為Ts的單個基帶信號波形。 式(8.1 - 1)還可以變換為正交表示形式:,(8.1 - 1),正交振幅調(diào)制信號的一般表示式為,sMQAM(t)=,令 Xn=An cosn Yn=Ansinn,則式(6.5 - 2)變?yōu)?QAM中的振幅Xn和Yn可以表示為 Xn=cnA Yn=dnA,(8.1 - 2),(8.1 - 3),(8.1 - 4),式中，A是固定振幅，cn、dn由輸入數(shù)據(jù)確定。cn、dn決定了已調(diào)QAM信號在信號空間中的坐標點。 2. QAM信號調(diào)制原理圖 QAM信號調(diào)制原理圖如圖 8.1 - 1 所示。

5、,圖8.1-1 QAM信號調(diào)制原理圖,圖中，輸入的二進制序列經(jīng)過串/并變換器輸出速率減半的兩路并行序列， 再分別經(jīng)過2電平到L電平的變換，形成L電平的基帶信號。 為了抑制已調(diào)信號的帶外輻射，該L電平的基帶信號還要經(jīng)過預調(diào)制低通濾波器，形成X(t)和Y(t)，再分別對同相載波和正交載波相乘。 最后將兩路信號相加即可得到QAM信號。,3.星座圖 信號矢量端點的分布圖稱為星座圖。通常，可以用星座圖來描述QAM信號的信號空間分布狀態(tài)。 對于M=16的16QAM來說，有多種分布形式的信號星座圖。 兩種具有代表意義的信號星座圖如圖 8.1 - 2 所示。在圖 8.1 - 2(a)中， 信號點的分布成方型，

6、故稱為方型16QAM星座，也稱為標準型16QAM。在圖 8.1 - 2(b)中，信號點的分布成星型，故稱為星型16QAM星座。 若信號點之間的最小距離為2A，且所有信號點等概率出現(xiàn)，則平均發(fā)射信號功率為,(8.1 - 5),圖 8.1- 216QAM的星座圖 (a) 方型16QAM星座； (b) 星型16QAM星座,對于方型16QAM，信號平均功率為,對于星型16QAM，信號平均功率為,兩者功率相差1.4dB。另外，兩者的星座結(jié)構(gòu)也有重要的差別。一是星型16QAM只有兩個振幅值，而方型16QAM有三種振幅值；二是星型16QAM只有8種相位值，而方型16QAM有12種相位值。這兩點使得在衰落信道

7、中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。,M=4, 16, 32, , 256時MQAM信號的星座圖如圖 8.1 - 3 所示。其中，M=4, 16, 64, 256 時星座圖為矩形，而M=32, 128 時星座圖為十字形。前者M為2的偶次方，即每個符號攜帶偶數(shù)個比特信息；后者M為2的奇次方，即每個符號攜帶奇數(shù)個比特信息。 4.星點間距 若已調(diào)信號的最大幅度為1，則MPSK信號星座圖上信號點間的最小距離為,(8.1 - 6),圖8.1-3 MQAM信號的星座圖,式中，L為星座圖上信號點在水平軸和垂直軸上投影的電平數(shù)，M=L2。 由式(8.1 - 6)和(8.1 - 7)可以看出，當M=

8、4時，d4PSK=d4QAM，實際上，4PSK和4QAM的星座圖相同。當M=16時，d16QAM=0.47，而d16PSK=0.39，d16PSKd16QAM。 這表明，16QAM系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于16PSK。,MQAM信號矩形星座圖上信號點間的最小距離為,(8.1 - 7),三、MQAM解調(diào)原理 MQAM信號同樣可以采用正交相干解調(diào)方法， 其解調(diào)器原理圖如圖 8.1- 4 所示。 解調(diào)器輸入信號與本地恢復的兩個正交載波相乘后，經(jīng)過低通濾波輸出兩路多電平基帶信號X(t)和Y(t)。多電平判決器對多電平基帶信號進行判決和檢測，再經(jīng)L電平到2電平轉(zhuǎn)換和并/串變換器最終輸出二進制數(shù)據(jù)。 ,圖 8.

9、1-4MQAM信號相干解調(diào)原理圖,四、MQAM抗噪聲性能 對于方型QAM，可以看成是由兩個相互正交且獨立的多電平ASK信號疊加而成。因此，利用多電平信號誤碼率的分析方法，可得到M進制QAM的誤碼率為,式中，M=L2，Eb為每比特碼元能量，n0為噪聲單邊功率譜密度。 圖 8.1 -5 給出了M進制方型QAM的誤碼率曲線。,(8.1- 8),圖 8.1- 5 M進制方型QAM的誤碼率曲線,8.2 最小移頻鍵控(MSK),主要內(nèi)容 MSK的基本原理 MSK調(diào)制解調(diào)原理 MSK的性能（選） 高斯最小移頻鍵控(GMSK),一、 MSK 的基本原理 數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制，由于已調(diào)信號包絡恒定， 因此

10、有利于在非線性特性的信道中傳輸。由于一般移頻鍵控信號相位不連續(xù)、頻偏較大等原因，使其頻譜利用率較低。MSK(Minimum Frequency Shift Keying)是二進制連續(xù)相位FSK的一種特殊形式。 MSK稱為最小移頻鍵控，有時也稱為快速移頻鍵控(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；而“快速”是指在給定同樣的頻帶內(nèi)，MSK能比2PSK的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，且在帶外的頻譜分量要比2PSK衰減的快。,1、MSK的一般表達式 MSK是恒定包絡連續(xù)相位頻率調(diào)制， 其信號的表示式為,其中,（k-1）TstkTs, k=1,2， ,令,則式(8.2 -

11、 1)可表示為 sMSK(t)= cosct+k(t),(8.2 - 1),(8.2 - 2),(8.2- 3),式中，k(t)稱為附加相位函數(shù)；c為載波角頻率；Ts為碼元寬度；ak為第k個輸入碼元，取值為1；k為第k個碼元的相位常數(shù)，在時間（k-1）TstkTs中保持不變，其作用是保證在t=（k-1）Ts時刻信號相位連續(xù)。 2、 MSK信號的兩個頻率及波形,則,由式(8.2 - 5)可以看出，MSK信號的兩個頻率分別為,(8.2 - 4),(8.2 - 5),f1=fc- f2=fc+,中心頻率fc應選為,式(8.2 - 8)表明，MSK信號在每一碼元周期內(nèi)必須包含四分之一載波周期的整數(shù)倍。

12、fc還可以表示為,(N為正整數(shù)； m=0, 1, 2, 3),相應地MSK信號的兩個頻率可表示為,(8.2 - 6),(8.2 - 7),(8.2 - 8),(8.2 - 9),(8.2 - 10),3、 MSK信號前后碼元區(qū)間的相位約束關(guān)系 對第k個碼元的相位常數(shù)k的選擇應保證MSK信號相位在碼元轉(zhuǎn)換時刻是連續(xù)的。根據(jù)這一要求，由式(8.2 - 2)可以得到相位約束條件為,(8.2- 11),由此可得頻率間隔為,(8.2- 12),MSK信號的調(diào)制指數(shù)為,(8.2- 13),當取N=1, m=0 時，MSK信號的時間波形如圖 8.2- 1 所示。,圖8.2-1 MSK 信號的時間波形,f1=

13、3/4fs表示0,f2=5/4fs表示1,式中，若取k的初始參考值0=0，則 k=0 或 (模2)k=0, 1, 2, 上式即反映了MSK信號前后碼元區(qū)間的相位約束關(guān)系， 表明MSK信號在第k個碼元的相位常數(shù)不僅與當前碼元的取值ak有關(guān)，而且還與前一碼元的取值ak-1及相位常數(shù)k-1有關(guān)。,(8.2 - 14),(8.2 - 15),即：在t=(k-1)Ts時，k(t)=k-1(t)，則得：,4、附加相位函數(shù) 由附加相位函數(shù)k(t)的表示式(8.2 - 2)可以看出，k(t)是一直線方程，其斜率為 ， 截距為k。由于ak的取值為1，故 是分段線性的相位函數(shù)。因此，MSK的整個相位路徑是由間隔為

14、Ts的一系列直線段所連成的折線。 在任一個碼元期間Ts，若ak=+1，則k(t)線性增加/2 ；若ak=-1， 則k(t)線性減小/2 。對于給定的輸入信號序列ak，相應的附加相位函數(shù)k(t)的波形如圖 8.2- 2 所示。 對于各種可能的輸入信號序列，k(t)的所有可能路徑如圖 8.2- 3 所示，它是一個從-2到+2的網(wǎng)格圖。,圖 8.2 2 附加相位函數(shù)k (t)的波形圖,圖 8.2 -3MSK的相位網(wǎng)格圖,5、MSK信號具有的特點 （1）MSK信號的振幅是恒定的（恒定包絡信號）； （2）信號的頻率偏移嚴格地等于1/（4Ts），相應的調(diào)制指數(shù)h=（f2-f1)Ts=0.5。 （3）以載波

15、相位為基準的信號相位在一個碼元期間內(nèi)線性地變化 /2 ； （4） 在一個碼元期間內(nèi)， 信號應包括四分之一載波周期的整數(shù)倍； （5）在碼元轉(zhuǎn)換時刻，信號的相位是連續(xù)的（或者說，信號的波形沒有突變）。,根據(jù)式(8.2- 16)畫出MSK信號的功率譜如圖 8.2 - 4 所示。 為了便于比較，圖中還畫出了2PSK信號的功率譜。 由圖8.2- 4 可以看出，與2PSK相比，MSK信號的功率譜更加緊湊， 其第一個零點出現(xiàn)在0.75/Ts處，而2PSK的第一個零點出現(xiàn)在1/Ts處。 這表明，MSK信號功率譜的主瓣所占的頻帶寬度比2PSK信號的窄；當(f-fc)時，MSK的功率譜以(f-fc)-4的速率衰減

16、，它要比2PSK的衰減速率快得多，因此對鄰道的干擾也較小。,(8.2 - 16),對于MSK信號，其單邊功率譜密度可表示為：,6、MSK信號的功率譜,圖 8.2-4MSK信號的歸一化功率譜,二、 MSK調(diào)制解調(diào)原理 1、 MSK信號的正交表示式 由MSK信號的一般表示式(6.6 - 3)可得 sMSK(t)= cosct+k(t)=cosk(t) cosct-sink(t) sinct (8.2 - 17) 代入式(8.2- 17)可得,(8.2- 18),上式即為MSK信號的正交表示形式。其同相分量為 也稱為I支路。 其正交分量為 也稱為Q支路。cos 和sin 稱為加權(quán)函數(shù)。 2、 MSK

17、信號調(diào)制器原理圖 由式(8.2- 18)可以畫出MSK信號調(diào)制器原理圖如圖 8.2-5 所示。圖中， 輸入二進制數(shù)據(jù)序列經(jīng)過差分編碼和串/并變換后， I支路信號經(jīng) 加權(quán)調(diào)制和同相載波cosct相乘輸出同相分量xI(t)。,(8.2 - 19),圖8.2-5 MSK信號調(diào)制器原理圖,Q支路信號先延遲Ts，經(jīng) 加權(quán)調(diào)制和正交載波 sinct相乘輸出正交分量xQ(t)。xI(t)和xQ(t)相減就可得到已調(diào)MSK信號。 3、 MSK信號的解調(diào) MSK信號屬于數(shù)字頻率調(diào)制信號，因此可以采用一般鑒頻器方式進行解調(diào)，其原理圖如圖 8.2-6 所示。鑒頻器解調(diào)方式結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。,圖 8.2-6MSK鑒

18、頻器解調(diào)原理圖,圖 8.2-7MSK信號相干解調(diào)器原理圖,由于MSK信號調(diào)制指數(shù)較小，采用一般鑒頻器方式進行解調(diào)誤碼率性能不太好，因此在對誤碼率有較高要求時大多采用相干解調(diào)方式。 圖 8.2-7 是MSK信號相干解調(diào)器原理圖，其由相干載波提取和相干解調(diào)兩部分組成。 ,*三、 MSK的性能（選） 設信道特性為恒參信道，噪聲為加性高斯白噪聲，MSK解調(diào)器輸入信號與噪聲的合成波為 r(t)=cos(ct+ + k） +n(t) (8.2- 21) 式中 n(t)=nc(t) cosct-ns(t) sinct 是均值為0，方差為n2的窄帶高斯噪聲。 經(jīng)過相乘、低通濾波和抽樣后，在t=2kTs時刻I支

19、路的樣值為 (8.2- 22) 在t=(2k+1)Ts時刻Q支路的樣值為,(8.2 - 23),式中nc和ns分別為nc(t)和ns(t)在取樣時刻的樣本值。在I支路和Q支路數(shù)據(jù)等概率的情況下，各支路的誤碼率為,式中， r= 為信噪比。 經(jīng)過交替門輸出和差分譯碼后， 系統(tǒng)的總誤比特率為 Pe=2Ps(1-Ps) MSK系統(tǒng)誤比特率曲線如圖 8.2-8 所示。 由以上分析可以看出，MSK信號比2PSK有更高的頻譜利用率，并且有更強的抗噪聲性能，從而得到了廣泛的應用。 ,(8.2 - 24),(8.2- 25),圖 8.2-8MSK系統(tǒng)誤比特率曲線,PS：支路誤碼率 PC：系統(tǒng)總誤碼率,作 業(yè) 思

20、考題（自作）： P257 8-3,8-4 習 題 ： P257 8-1，*8-2,*四、高斯最小移頻鍵控(GMSK),由上一節(jié)分析可知，MSK調(diào)制方式的突出優(yōu)點是已調(diào)信號具有恒定包絡，且功率譜在主瓣以外衰減較快。但是，在移動通信中，對信號帶外輻射功率的限制十分嚴格，一般要求必須衰減70（60）dB以上。 從MSK信號的功率譜可以看出，MSK信號仍不能滿足這樣的要求。高斯最小移頻鍵控(GMSK)就是針對上述要求提出來的。GMSK調(diào)制方式能滿足移動通信環(huán)境下對鄰道干擾的嚴格要求，它以其良好的性能而被泛歐數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)(GSM)所采用。,MSK調(diào)制是調(diào)制指數(shù)為0.5的二進制調(diào)頻，基帶信號為矩形波形。為了壓縮MSK信號的功率譜，可在MSK調(diào)制前加入預調(diào)制濾波器，對矩形波形進行濾波，得到一種新型的基帶波形， 使其本身和盡可能高階的導數(shù)都連續(xù)，從而得到較好的頻譜特性。 GMSK(GaussianFiltered Minimum Shift Keying)調(diào)制原