第二章-調(diào)制解調(diào)

1、1 第二章 調(diào)制解調(diào)移動通信電子工程系李明2一、概述調(diào)制：把要傳輸?shù)哪M信號或數(shù)字信號變換成適合信道傳輸?shù)男盘?。調(diào)制過程發(fā)生在通信系統(tǒng)的發(fā)送端。解調(diào)：在接收端將已調(diào)信號還原成要傳輸?shù)脑夹盘?。移動通信電子工程系李?移動通信信道的基本特征：帶寬有限干擾和噪聲影響大多徑衰落移動通信電子工程系李明4適合移動通信的信號必須是：具有高的頻譜利用率具有較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落的能力移動通信電子工程系李明5高頻譜利用率要求已調(diào)信號頻譜能量集中，所占的帶寬窄，避免輻射到相鄰頻道的功率過大。高的抗干擾和抗多徑性能指的是在惡劣的信道環(huán)境下，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)后的輸出信號的信噪比較大或者誤碼率較低。移動通信電子工程系李明6

2、二、數(shù)字頻率調(diào)制MSK (Minimum Frequency Shift Keying)最小頻移鍵控，一種特殊形式的FSK，其頻差是滿足兩個頻率相互正交(即相關(guān)函數(shù)等于0)的最小頻差，并要求FSK信號的相位連續(xù)。 5 . 01bTfhbTfff2112其頻差為，即調(diào)制指數(shù)為式中，Tb為輸入數(shù)據(jù)流的碼元寬度。移動通信電子工程系李明7MSK信號的特點：.MSK信號是恒定包絡(luò)信號；.在碼元轉(zhuǎn)換時刻，信號的相位是連續(xù)的，以載波相位為基準(zhǔn)的信號相位在一個碼元期間內(nèi)線性地變化；.在一個碼元期間內(nèi)，信號應(yīng)包括四分之一載波周期的整數(shù)倍，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)為0.5。2移動通信電子工程系李明8MSK的信號表達(dá)式為式中

3、， 是為了保證t=kTb時相位連續(xù)而加入的相位常量。令 k = ct+k kTbt(k+1)Tb 式中，2cos)(kkcxtaTttSbkxkkbkxtaT2移動通信電子工程系李明9相位連續(xù)時 k-1(kTb) = k(kTb) 2)(11kaaxxkkkk可得：對于給定的輸入序列ak，MSK的相位軌跡是：3/ 201 1 1 1 1 1 1 1 1Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7Tb8Tb9Tb0akxk (t)t/ 2/ 23/ 225/ 23233344圖MSK的相位軌跡/20-/2-3/2-2Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7Tb8Tb9Tb (t)t223/2圖MSK可能的相

4、位軌跡移動通信電子工程系李明12GMSK (Gaussian Minimum Frequency Shift Keying)高斯最小頻移鍵控，通過在FM調(diào)制器前加入高斯低通濾波器(又稱為預(yù)調(diào)制濾波器)而實現(xiàn)的。移動通信電子工程系李明13高斯濾波器應(yīng)具有的特性：.帶寬窄并且具有陡峭的截止特性(便于抑制高頻分量).脈沖響應(yīng)的過沖較小(防止過大的瞬時頻移).保持濾波器輸出脈沖面積(對應(yīng)/2相移)不變，以利于采用相干檢測圖GMSK信號產(chǎn)生原理高斯低通濾波器頻率調(diào)制器(VCO)NRZ信號GMSK已調(diào)信號移動通信電子工程系李明15GMSK的信號表達(dá)式dTnTgaTttStbbnbc22cos)(式中an為

5、輸入數(shù)據(jù)。移動通信電子工程系李明16相對于MSK來說：GMSK的相位路徑要光滑，消除了MSK相位路徑在碼元轉(zhuǎn)換時刻的相位轉(zhuǎn)折點。2另外，GMSK信號在一個碼元周期內(nèi)的相位增量，不是固定為，而是隨著輸入序列的不同而不同，精確程度更高。圖GMSK的相位軌跡0 / 2 / 2(t)MSKGMSKt / Tb12345678圖GMSK的功率譜密度Bb：高斯低通濾波器的歸一化3 dB帶寬Tb：碼元寬度BbTb值越小，功率譜密度越緊湊。00.51.01.52.02.5f Tb (f 為信道間隔)1201008060402001.0BbTb(MSK)0.50.40.30.250.20.16鄰道干擾 / dB

6、0.7移動通信電子工程系李明19BbTb越小頻譜越集中。當(dāng)參變量時，GMSK的功率譜即可滿足GSM的要求。3 . 0bbTB移動通信電子工程系李明20三、數(shù)字相位調(diào)制PSK (Phase Shift Keying) 相移鍵控調(diào)制，是一種角調(diào)制方式，用于調(diào)制的離散信號的每一種特征狀態(tài)，都用周期性正弦振蕩的一個規(guī)定相位來代表。如：用二進(jìn)制符號1來對應(yīng)載波0相位；符號0對應(yīng)于載波相位。輸入信號PSK圖PSK波形圖移動通信電子工程系李明22QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)正交(四相)相移鍵控調(diào)制，利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息。相位邏輯：在QPSK

7、中雙比特碼元與四種相位之間的一一對應(yīng)的邏輯關(guān)系相位邏輯分為循環(huán)碼(格雷碼)相位邏輯和自然碼相位邏輯兩類。圖QPSK信號的產(chǎn)生圖QPSK信號功率譜QPSK移動通信電子工程系李明25OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying)偏移四相相移鍵控，與QPSK調(diào)制類似，不同之處是在正交支路引入了半個碼元的時延，使得兩個支路的數(shù)據(jù)不會同時發(fā)生變化，因而不會產(chǎn)生180相位跳變。圖OQPSK信號的產(chǎn)生+1+10-1-1Q(a)(b)+1+10-1-1QII圖 QPSK和OQPSK信號的星座圖(a) QPSK； (b) OQPSK 移動通信電子工程系李明28OQPSK

8、調(diào)制比QPSK調(diào)制更優(yōu)，不同之處是在正交支路引入了半個碼元的時延，使得兩個支路的數(shù)據(jù)不會同時發(fā)生變化，不會發(fā)生QPSK中的相位跳變，僅僅能產(chǎn)生/2的相位跳變。？移動通信電子工程系李明29/4-DQPSK (/4-Differential QPSK)正交差分移相鍵控調(diào)制，線性調(diào)制方式，具有較高的頻譜利用率，但是其包絡(luò)不恒定。它的最大相位跳變值介于QPSK和OQPSK之間，為135。/4-DQPSK有比QPSK更小的包絡(luò)波動和比GMSK更高的頻譜利用率在多徑擴(kuò)展和衰落的情況下，/4-DQPSK比QPSK的性能更好圖 /4-DQPSK信號的產(chǎn)生串 / 并變換sinctLPFcosctLPF放大輸入數(shù)

9、據(jù)差分相位編碼SISQUkVk / 4-DPSK信號IkQk移動通信電子工程系李明31/4-DQPSK的基本關(guān)系式式中，是當(dāng)前碼元的相位跳變量，由差分相位編碼器的輸入碼組、 決定。kkkkkkkkkkIQQQIIsincossincos1111kISQS表 /4-DQPSK的相位跳變規(guī)則圖 /4-DQPSK的相位關(guān)系(1, 0)(1, 0)I(0, 1)(0, 1)oQ)2/1 ,2/1 ()2/1 ,2/1 ()2/1 ,2/1 ()2/1 ,2/1 (移動通信電子工程系李明34四、QAM (Quadrature Amplitude Modulation)正交振幅調(diào)制，是用兩個獨立的基帶數(shù)字

10、信號對兩個相互正交的同頻載波進(jìn)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。移動通信電子工程系李明35一般表達(dá)式為：式中，Ts為碼元寬度。m=1, 2, , M；M為Am和Bm的電平數(shù)。tBtAtycmcmsincos)(sTt 0預(yù)調(diào)制LPFsin(ct)cos(ct)y(t)已調(diào)信號輸出預(yù)調(diào)制LPF2到L電平變換2到L電平變換串并變換AmBm+(a)L到2電平變換并串變換L到2電平變換多電平判決定時恢復(fù)多電平判決LPFLPF載波恢復(fù)(b)圖 QAM調(diào)制解調(diào)原理框圖(a) QAM調(diào)制框圖； (b) QAM解調(diào)框圖 圖方型QAM的星座圖(a)

11、4QAM (b) 16QAM (c) 64QAM(c)(b)dmem(a)dmememdm圖 2 星型QAM的星座圖(a) 4QAM (b) 16QAM (c) 64QAM移動通信電子工程系李明39星型QAM比方型QAM性能更佳：星型16QAM振幅值比方型16QAM的振幅值要少一種星型16QAM的相位值比方型16QAM的相位值要少四種圖方型16QAM和星形16QAM星座圖的比較移動通信電子工程系李明41五、擴(kuò)頻調(diào)制SS (Spread Spectrum)擴(kuò)頻通信是利用自相關(guān)性非常強(qiáng)而互相關(guān)性弱的周期性碼序列作為地址碼，對被用戶信息調(diào)制過的載波進(jìn)行再次調(diào)制，使其頻譜大為展寬(擴(kuò)頻調(diào)制)；在接收端

12、以本地產(chǎn)生的已知地址碼為參考，根據(jù)相關(guān)性差異對收到的所有信號進(jìn)行鑒別，從中將與本地地址碼完全一致的寬帶信號還原成窄帶信號而選出，其他與本地地址碼無關(guān)的信號則仍保持或擴(kuò)展為寬帶信號而濾去(相關(guān)檢測或擴(kuò)頻解調(diào))。 移動通信電子工程系李明42優(yōu)勢：擴(kuò)頻可以將信號隱藏在大量的背景噪聲下，使它難以被檢測出擴(kuò)頻還能降低ISI和窄帶干擾擴(kuò)頻使得多個用戶可以分享相同的信號帶寬(擴(kuò)頻中信號間可以相互重疊，而且解調(diào)后的信號之間的干擾可以很小)和RAKE接收機(jī)一起使用，可以有效地對抗多徑衰落移動通信電子工程系李明43在忽視噪聲(Noise)影響的條件下，僅考慮干擾(Interference)時MNEESIRjsSI

13、R (Signal-to-Interference)為式中，Es是發(fā)送信號所需能量；Ej是隨信號而來的干擾能量；N是擴(kuò)頻后占用的帶寬；M是擴(kuò)頻前占用的帶寬；NM。移動通信電子工程系李明44擴(kuò)頻后(信號輸出)和擴(kuò)頻前(信號輸入)的信噪比的差異為Gp=N/MGp被稱為處理增益，它體現(xiàn)了擴(kuò)頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。移動通信電子工程系李明45擴(kuò)頻調(diào)制.系統(tǒng)模型發(fā)送端發(fā)送端輸入的信息經(jīng)過信息調(diào)制形成數(shù)字信號；用擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列調(diào)制數(shù)字信號，展寬信號的頻譜；射頻功率放大送到天線上發(fā)送出去；移動通信電子工程系李明46接收端信號經(jīng)過電路、高頻放大器后送入到變頻器，產(chǎn)生中頻信號；用本地產(chǎn)生的與發(fā)送端完

14、全相同的擴(kuò)頻碼解擴(kuò)；信息解調(diào)，恢復(fù)信號。信息調(diào)制信息擴(kuò)頻調(diào)制擴(kuò)頻碼發(fā)生器射頻調(diào)制射頻發(fā)生器信息解調(diào)信息擴(kuò)頻解調(diào)本地擴(kuò)頻碼發(fā)生器變頻本地射頻發(fā)生器圖擴(kuò)頻通信原理框圖移動通信電子工程系李明48目前的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)有：直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時、線性調(diào)頻等。移動通信電子工程系李明49.DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)直接序列擴(kuò)頻，指的是直接使用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端去擴(kuò)展信號的頻譜；在接收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息。移動通信電子工程系李明50調(diào)制后的信號s(t)和一個寬帶擴(kuò)頻信號或擴(kuò)頻碼sc(t)相乘，sc(t)

15、在一段時間Tc中是常數(shù)，并且振幅是1或-1。擴(kuò)頻碼比特一般被看作為碼片(chip)，1/Tc被稱為碼片速率。圖直擴(kuò)通信系統(tǒng)中的擴(kuò)頻和解擴(kuò)圖擴(kuò)頻中窄帶干擾的消除忽略噪聲時移動通信電子工程系李明53.FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)跳頻擴(kuò)頻，使調(diào)制后的信號在一定的帶寬中通過改變符合一個擴(kuò)頻碼sc(t)的載波頻率跳躍變化。在發(fā)送端，使用一臺可以通過碼片序列確定調(diào)制載波頻率的頻率合成器產(chǎn)生信號；在接收端，使用類似的頻率合成器和碼片序列進(jìn)行解調(diào)。圖跳頻原理圖圖跳頻示意圖移動通信電子工程系李明56慢跳頻(SFH)：如果兩跳之間的時間間隔Tc超過了一個符號時間

16、，Tc=kTs，其中k為正整數(shù)?？焯l(FFH)：在一個符號期間載波變化了多次， Tc=Ts/k，其中k為正整數(shù)。移動通信電子工程系李明57慢跳頻系統(tǒng)中，干擾被分散在數(shù)個符號上，因此 使 用 交 織 編 碼 可 以 避 免 在 單 個 碼 字(codeword)上同時產(chǎn)生太多的差錯?？焯l系統(tǒng)中，每個符號都具有多種頻率，因此可以保護(hù)符號，對抗窄帶干擾和頻率選擇性衰落。移動通信電子工程系李明58偽隨機(jī)(PN)序列.相關(guān)性偽隨機(jī)碼：用來逼近真正的隨機(jī)噪聲的性能一種周期性的脈沖信號(碼序列)。互相關(guān)性：任意兩個信號間的差異性，用互相關(guān)函數(shù)表征。差異越大，信號相互之間越不容易發(fā)生干擾，不會發(fā)生誤判。自

17、相關(guān)性：一個信號與其自身延遲后信號之間的相似性，用自相關(guān)系數(shù)表征。移動通信電子工程系李明59式中，f(t)和g(t-)代表兩個不同的信號。如果以上表達(dá)式的結(jié)果為0，則表明它們之間的互相關(guān)性為0，互為正交。通常希望兩個信號的互相關(guān)性越小越好，則它們越容易區(qū)分，且相互間干擾也小。2/2/)()(lim)(TTTadttgtfR移動通信電子工程系李明60.碼序列的自相關(guān)碼序列A和碼序列B (由碼序列A位移若干比特所得)只有完全相同時，自相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大，等于1。PDADADA)(對于二進(jìn)制序列，其自相關(guān)系數(shù)可表示為：式中，A是相對應(yīng)碼元相同的數(shù)目，D是相對應(yīng)碼元不同的數(shù)目，P是碼序列周期長度。圖自相

18、關(guān)系數(shù)為-1/15移動通信電子工程系李明62.碼序列的互相關(guān)在CDMA中，任意兩個信號必須保持正交或準(zhǔn)正交，即它們的互相關(guān)性為零或很小。不同的用戶應(yīng)選用自相關(guān)性強(qiáng)而互相關(guān)性弱的周期性碼序列作為地址碼。1010111111001001圖碼長為的組正交碼的波形移動通信電子工程系李明64六、OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交頻分復(fù)用，將頻域內(nèi)將給定信道分成許多個正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。對需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，先進(jìn)行串并變換，將并行信號分別進(jìn)行調(diào)制并合并成一個OFDM符號。特點：各子載波相互正交，擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，不但減少了載波間的相互干擾，還大大提高了頻譜利用率。OFDM系統(tǒng)可以很好地對抗頻率選擇性衰落。移動通信電子工程系李明65OFDM和相關(guān)帶寬的關(guān)系相關(guān)帶寬：指的是信道在兩個頻移處的頻率響應(yīng)保持強(qiáng)相關(guān)時的最大頻率差。傳輸帶寬小于相關(guān)帶寬，信號的相關(guān)性很好，信道的衰落特性平坦；大于相關(guān)帶寬，信號的相關(guān)性變差，信道呈頻率選擇性衰落。圖OFDM示意圖圖FDM與OFDM帶寬利用率的比較移動通信電子工程系李明68OFDM信號可以用復(fù)數(shù)形式表示為tjMmmmOFDMetdtS)()(10式中， ，為第m個子載波角頻率，dm(t)為第個m子載波上的復(fù)數(shù)信號