第8章新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)1

1、第第8章章 新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：p正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制p最小頻移鍵控和高斯最小頻移鍵控最小頻移鍵控和高斯最小頻移鍵控p正交頻分復用正交頻分復用8.1 正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制QAMp在系統(tǒng)帶寬一定的情況下，多進制調(diào)制的信息傳輸速率比二進制高，即多進制調(diào)制系統(tǒng)的頻帶利用率高，提高了有效性。 p多進制調(diào)制系統(tǒng)頻帶利用率的提高是通過犧牲功率利用率來換取的 ，降低了可靠性。解決方法：p振幅相位聯(lián)合鍵控(APK)幅相鍵控信號的一般表示式為 cosAPKnscnnstA g tnTt基帶信基帶信號幅度號幅度 寬度為寬度為Ts的單個基的單個基帶信號波形帶信號波形

2、coscossinsinAPKnsncnsncnnstA g tnTtA g tnTtcossinnnnnnnXAYA cossincossinAPKnscnscnnccstX g tnTtY g tnTtX ttY ttAPK信號可看作兩個正信號可看作兩個正交調(diào)制信號之和交調(diào)制信號之和 信號矢量圖在信號表示式中，若k值僅可以取/4和-/4，Ak值僅可以取+A和-A，則此QAM信號就成為QPSK信號，如下圖所示：所以，QPSK信號就是一種最簡單的QAM信號。有代表性的QAM信號是16進制的，記為16QAM，它的矢量圖示于下圖中： Ak類似地，有64QAM和256QAM等QAM信號，如下圖所示：

3、 它們總稱為MQAM調(diào)制。由于從其矢量圖看像是星座，故又稱星座星座調(diào)制。 64QAM信號矢量圖 256QAM信號矢量圖l16QAM信號產(chǎn)生方法p正交調(diào)幅法：用兩路獨立的正交4ASK信號疊加，形成16QAM信號，如下圖所示。 AMp復合相移法：它用兩路獨立的QPSK信號疊加，形成16QAM信號，如下圖所示。AMAM圖中虛線大圓上的4個大黑點表示第一個QPSK信號矢量的位置。在這4個位置上可以疊加上第二個QPSK矢量，后者的位置用虛線小圓上的4個小黑點表示。16QAM和16PSK的信號星座圖 ( )cos,1,2,16iicis tAti16QAM信號表達式信號表達式最大功率（或最大功率（或振幅）

4、相等振幅）相等12sin0.3916dAA16PSK相鄰信號點的距離相鄰信號點的距離 22211AAdLM16QAM相鄰信號點的距離相鄰信號點的距離 L是在兩個正交方向（是在兩個正交方向（x或或y）上信號的電平）上信號的電平數(shù)，數(shù)，M為進制數(shù)為進制數(shù) 220.473AdAd2超過超過d11.62dB即在最大功率（峰值功率）相即在最大功率（峰值功率）相等的情況下，等的情況下，16QAM信號比信號比16PSK信號性能好信號性能好1.62dB在最大功率相等情況下比較是不實際的，應該以信號的平均功率相等為條件來比較上述信號的距離才是合理的 QAM信號的峰值功率與平均功率之比信號的峰值功率與平均功率之比

5、 2221(1)2(21)QAMLiL Li峰值功率平均功率L=4161.8QAMPSK信號的峰值功率與平均功率之比信號的峰值功率與平均功率之比 1PSK 16QAM比比 16PSK約大約大2.55dB u在平均功率相等的情況下，16QAM的相鄰信號最小距離超過16PSK約4.19dB，也就是抗干擾的能力更強。當當M大于大于4時，時，MQAM的抗噪聲性能優(yōu)于的抗噪聲性能優(yōu)于MPSK，且隨著，且隨著M的增的增加，這種優(yōu)勢越明顯加，這種優(yōu)勢越明顯 只有兩個振只有兩個振幅值幅值 有三種振有三種振幅值幅值 8種相位種相位 12種相位種相位 u在衰落信道中星型在衰落信道中星型16QAM16QAM比方型比

6、方型16QAM16QAM星座更具有吸引力星座更具有吸引力 實例：在下圖中示出一種用于調(diào)制解調(diào)器的傳輸速率為9600 b/s的16QAM方案，其載頻為1650 Hz，濾波器帶寬為2400 Hz，滾降系數(shù)為10。(a) 傳輸頻帶(b) 16QAM星座1011 1001 1110 11111010 1000 1100 11010001 0000 0100 01100011 0010 0101 0111A24008.2 最小頻移鍵控和高斯最小頻移鍵控最小頻移鍵控和高斯最小頻移鍵控nMSK(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

7、移頻鍵控，有時也稱為快速移頻鍵控(FFSK)。n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； n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。 l 最小頻移鍵控（MSK）定義：是一種包絡恒定、相位連續(xù)、帶寬最小并且嚴格正交的2FSK信號，其波形圖如下： p正交2FSK信號的最小頻率間隔假設2FSK信號碼元的表示式為為了滿足正交條件，要求即要求上式積分結(jié)果為”時當發(fā)送“”時當發(fā)送“0)cos(1)cos()(0011tAtAts11000cos() cos()d0sTttts1010101001cos()

8、cos()d02Tttt假設1+0 1，上式左端第1和3項近似等于零，則它可化簡為由于1和0是任意常數(shù)，故必須同時有上式才等于零。為了同時滿足這兩個要求，應當令即要求所以，當取m = 1時是最小頻率間隔。故最小頻率間隔等于 1 / Ts。10101010101010101010sin()sin()sin()sin()0ssTT0 1)cos(sin()sin()cos(01010101ssTT0)sin(01sT1)cos(01sTmTs2)(01sTmff/01上面討論中，假設初始相位1和0是任意的，它在接收端無法預知，所以只能采用非相干檢波法接收。對于相干接收，則要求初始相位是確定的，在接

9、收端是預知的，這時可以令1 - 0 = 0。 于是，下式可以化簡為因此，僅要求滿足所以，對于所以，對于相干接收相干接收，保證正交的，保證正交的2FSK信號的最小頻率間隔等信號的最小頻率間隔等于于1 / 2Ts。0 1)cos(sin()sin()cos(01010101ssTT0)sin(01sTsTnff2/01pMSK信號的基本原理 MSK信號的第k個碼元可以表示為式中，c 載波角載頻； ak = 1（當輸入碼元為“1”時， ak = + 1 ； 當輸入碼元為“0”時， ak = - 1 ）； Ts 碼元寬度； k 第k個碼元的初始相位，它在一個碼元寬度 中是不變的。 ( )cos()2k

10、kcksas tttTsskTtTk ) 1(ak= 1，分別，分別表示二進制信表示二進制信息息1和和0 相應地相應地MSK信號的兩個頻率可表示為信號的兩個頻率可表示為111 1()44cSsmffNNmTT1,2, =0,1,2,3-=-=+211 1()44cSsmffNTT+=+=+)(cos)(cMSKtttsk)2cos(sckktTatss) 1(TktkTkkktTats2)(第第k個碼元個碼元的初始相位的初始相位2112SffT-=第第k個碼元個碼元的附加相的附加相位位由上式可以得知：式中，T1 = 1 / f1；T2 = 1 / f2上式給出一個碼元持續(xù)時間Ts內(nèi)包含的正弦波

11、周期數(shù)。由此式看出，無論兩個信號頻率f1和f0等于何值，這兩種碼元包含的正弦波數(shù)均相差1/2個周期。124141TmNTmNTsMSK信號的歸一化雙邊功率頻譜密度 為 )(sfP22s2csc2ss)(161)(2cos16)(TffTffTfP式中，式中，fc為載頻，為載頻，Ts為碼元寬度。為碼元寬度。)(cff 與與QPSK和和OQPSK信號相比，信號相比，MSK信號功率譜更為集中，即其旁瓣下降信號功率譜更為集中，即其旁瓣下降得更快。故它對相鄰頻道的干擾較小。得更快。故它對相鄰頻道的干擾較小。 計算表明，包含計算表明，包含99%信號功率的帶寬近似值中，約為信號功率的帶寬近似值中，約為1.2

12、/Ts；QPSK及及OQPSK其次，為其次，為6/ Ts；BPSK最大，為最大，為9/ Ts。 由此可見，由此可見，MSK信號的帶外功率下降非?？?。信號的帶外功率下降非?？?。橫坐標是以載頻橫坐標是以載頻為中心畫的，即為中心畫的，即橫坐標代表頻率橫坐標代表頻率Ts碼元碼元間隔間隔（2）GMSK（高斯最小頻移鍵控）l目的：改善MSK頻譜利用率l方法：在頻率調(diào)制之前用一個高斯低通濾波器對基帶信號進行預濾波。低通濾波可以除去s (t)中的高頻分量，得到比較緊湊的功率譜。n 高斯低通濾波器的沖激響應高斯低通濾波器的沖激響應2 22( )tGhte22( )fGHfeln20.58872BBH (f )是

13、對稱于是對稱于f=0的鐘形的鐘形 高斯濾波器高斯濾波器 pGMSK：先用高斯濾波器將基帶信號成形為高斯形脈沖，然后再進行MSK調(diào)制，稱為高斯最小頻移鍵控。p習慣上使用BT來作為GMSK的重要指標。其中，B為3dB帶寬，T為碼元間隔。 pBT表明濾波器的3dB帶寬與碼元速率的關(guān)系， 例如，BT=0.5就表示濾波器的3dB帶寬是碼元速率的0.5倍。3dB基帶基帶帶寬帶寬lGMSK優(yōu)點（1）既可以像MSK那樣相干檢測，也可以像FSK那樣非相干檢測。（2）GMSK最吸引人的性能是它既具有出色的功率利用率（GMSK信號是恒包絡的），又具有很好的譜利用率。lGMSK缺點：存在碼間串擾，降低了可靠性。 8.

14、3 正交頻分復用n概述單載波體制：碼元持續(xù)時間Ts短，但占用帶寬B大；由于信道特性|C(f)|不理想，產(chǎn)生碼間串擾。多載波體制：將信道分成許多子信道。假設有10個子信道，則每個載波的調(diào)制碼元速率將降低至1/10，每個子信道的帶寬也隨之減小為1/10。若子信道的帶寬足夠小，則可以認為信道特性接近理想信道特性，碼間串擾可以得到有效的克服。fttBBTsNTs單載波調(diào)制單載波調(diào)制多載波調(diào)制f|C(f)|C(f)|ffc(t)t多載波調(diào)制原理多載波調(diào)制原理正交頻分復用(OFDM) ：一類多載波并行調(diào)制體制OFDM的特點：為了提高頻率利用率和增大傳輸速率，各路子載波的已調(diào)信號頻譜有部分重疊；各路已調(diào)信號

15、是嚴格正交的，以便接收端能完全地分離各路信號；每路子載波的調(diào)制是多進制調(diào)制；每路子載波的調(diào)制制度可以不同，根據(jù)各個子載波處信道特性的優(yōu)劣不同采用不同的體制。并且可以自適應地改變調(diào)制體制以適應信道特性的變化。 OFDM的缺點：對信道產(chǎn)生的頻率偏移和相位噪聲很敏感；信號峰值功率和平均功率的比值較大，這將會降低射頻功率放大器的效率。nOFDM的基本原理設在一個OFDM系統(tǒng)中有N個子信道，每個子信道采用的子載波為式中，Bk 第k路子載波的振幅，它受基帶碼元的調(diào)制 fk 第k路子載波的頻率 k 第k路子載波的初始相位則在此系統(tǒng)中的N路子信號之和可以表示為上式可以改寫成1, 1, 0)2cos()(Nkt

16、fBtxkkkk1010)2cos()()(NkkkkNkktfBtxts102)(NktfjkkketsB102)(NktfjkkketsB實函數(shù)實函數(shù)第k路子信道中的復輸入數(shù)據(jù),是復數(shù)B Bk應該使上式右端的虛部等于零l正交條件為了使這N路子信道信號在接收時能夠完全分離，要求它們滿足正交條件。在碼元持續(xù)時間Ts內(nèi)任意兩個子載波都正交的條件是：三角公式展開得到0)2cos()2cos(0dttftfiiTkk0)(2cos(21)(2cos(21)2cos()2cos(000dttffdttffdttftfiTkikTikikiiTkk積分結(jié)果為令上式等于0的條件是：其中m = 整數(shù)和n =

17、 整數(shù)；并且k和i可以取任意值。由上式解出，要求fk = (m + n)/2Ts， fi = (m n)/2Ts即要求子載頻滿足 fk = k/2Ts ，式中 k = 整數(shù)；且要求子載頻間隔f = fk fi = n/Ts，故要求的最小子載頻間隔為fmin = 1/Ts這就是子載頻正交的條件。 0)(2sin)(2sin)(2)(2sin)(2)(2sinikikikikikiksikikiksikffffffTffffTffnTffmTffsiksik)()(和OFDM的頻域特性設在一個子信道中，子載波的頻率為fk、碼元持續(xù)時間為Ts，則此碼元的波形和其頻譜密度畫出如下圖：ffkfk+1/TsTst在OFDM中，各相鄰子載波的頻率間隔等于最小容許間隔 故各子載波合成后的頻譜密度曲線如下圖 圖中各路子載波的頻譜重疊，但是實際上在一個碼元持續(xù)時間內(nèi)它們是正交的。故在接收端很容易利用此正交特性將各路子載波分離開。采用這樣密集的子載頻，并且在子信道間不需要保護頻帶間隔，因此能夠充分利用頻帶。這是OFDM的一大優(yōu)點。 s/1 Tf fk2/Tsfk1/Tsfkffl各路子載波的調(diào)制制度可以不同，按照各個子載波所處頻段的信道特性采用不同的調(diào)制制度，并且可以隨信道特性的變化而改變，具有