通信原理第8章新型數(shù)字調(diào)制(7版)

通信原理第8章新型數(shù)字調(diào)制(7版)第一頁，共84頁。新型數(shù)字調(diào)制

通信原理（第7版）第8章樊昌信曹麗娜編著第二頁，共84頁。正交振幅調(diào)制（QAM）最小移頻鍵控（MSK）高斯最小移頻鍵控（GMSK）正交頻分復用（OFDM）

本章內(nèi)容:

第7章數(shù)字調(diào)制

第8章新型數(shù)字調(diào)制

第三頁，共84頁。正交振幅調(diào)制（QAM）§8.1（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）一種振幅和相位聯(lián)合鍵控的數(shù)字調(diào)制技術(shù)第四頁，共84頁。所有信號點（?）平均分布在同一個圓周上。圓周半徑等于信號幅度。

觀察MPSK的星座圖：

在信號幅度相同（即功率相等）條件下：——進制數(shù)M增加，星座圖上相鄰信號點的距離越小——這意味著在相同噪聲條件下，系統(tǒng)的誤碼率增大需求背景問題引出第五頁，共84頁。如何增大距離，以減小誤碼率呢？Q&A針對問題解決途徑M增加，距離越來越小

增大相鄰信號點間的距離——增大圓周半徑（信號功率）來增大相鄰信號點的距離，

容易想到的一種辦法：-----往往會受發(fā)射功率的限制。解決途徑第六頁，共84頁?！诓辉龃髨A半徑基礎(chǔ)上（即不增加信號功率），重新安排信號點的位置，以增大相鄰信號點的距離?！徽穹{(diào)制

QAM:一種把ASK和PSK結(jié)合起來的調(diào)制方式。

一種更好的設(shè)計思想：

這種思想的可行性方案：振幅

和相位

聯(lián)合鍵控的調(diào)制方式。(星座結(jié)構(gòu))設(shè)計思想第七頁，共84頁。QAM是一種振幅和相位聯(lián)合鍵控的調(diào)制方式，其頻譜利用率高，抗噪聲性能優(yōu)于MPSK，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)星通信等領(lǐng)域獲得廣泛應用。第八頁，共84頁。16QAM信號16PSK信號最大振幅同為AM最小距離——此最小距離代表噪聲容限的大小。舉例對比最小距離第九頁，共84頁。

噪聲容限越大，抗噪聲性能就越強。

d2超過d1約1.57dB（最大功率(振幅)相等條件下）

d2超過d1約4.12dB（平均功率相等條件下）16QAM是最具有代表性的MQAM信號，此外：

表明：16QAM

比16PSK的噪聲容限大，抗噪能力強。比較：第十頁，共84頁。M=4時，QPSK信號就是一種最簡單的QAM信號

64QAM信號矢量圖256QAM信號矢量圖注：

QAM星座圖除方型結(jié)構(gòu)外，還有星型或其他結(jié)構(gòu)M=64、256時，QAM信號的星座圖：第十一頁，共84頁。若信號功率相同，選擇信號點間距離最大的結(jié)構(gòu)，若最小距離相同，選擇平均功率最小的星座結(jié)構(gòu)。振幅環(huán)個數(shù)：應少，有利于實現(xiàn)自動增益控制；相位的個數(shù)：應少，有利于實現(xiàn)載波相位跟蹤。

星座結(jié)構(gòu)——不僅影響到已調(diào)信號的功率譜特性，——而且影響已調(diào)信號的解調(diào)及其性能。設(shè)計準則星座結(jié)構(gòu)影響系統(tǒng)性能！第十二頁，共84頁。2種振幅值8種相位值3種振幅值12種相位方型16QAM

星型16QAM在多徑衰落信道中，信號振幅和相位取值越多，受到的影響越大，因而星型比方型更具有吸引力。但方型星座的QAM信號的產(chǎn)生與接收更易實現(xiàn)。第十三頁，共84頁。在QAM中，載波的振幅和相位同時受基帶信號控制，因此，

它的一個碼元可表示為：展開為：MQAM信號可由兩路載波正交的

ASK信號疊加而成式中：

Xk=Akcosk，Yk=-AksinkAk、k、Xk和Yk分別可以取多個離散值

16QAM信號的產(chǎn)生表明：第十四頁，共84頁。AM正交調(diào)幅法：

用兩路正交的4ASK信號疊加，即可形成16QAM信號。方形MQAM利用兩個同頻正交載波

在同一帶寬內(nèi)實現(xiàn)了

兩路并行的

L

ASK信號的傳輸。第十五頁，共84頁。

X(t)

和Y(t)分別與相互正交的兩路載波相乘（調(diào)制），形成兩路互為正交的4ASK信號，最后將兩路信號相加即可得到16QAM信號。輸入的二進制序列（每4個“abcd”比特為一組）經(jīng)過串/并變換器輸出速率減半的兩路并行序列（上支路ac和下支路bd）；然后分別經(jīng)過2-4電平變換，形成4電平基帶信號X(t)

和Y(t)。第十六頁，共84頁。復合相移法：

用兩路獨立的QPSK信號疊加，即可形成16QAM信號。AMAM

大圓上的4個紅點表示第一個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。第十七頁，共84頁。

由于16QAM信號的16個信號點在水平軸和垂直軸上投影的電平數(shù)均有4個（+3、+1、-1、-3），對應低通濾波器輸出的4電平基帶信號，因而4電平判決器應有3個判決電平：+2、0、-2。

16QAM信號的解調(diào)——正交相干解調(diào)4電平判決器對4電平基帶信號進行判決和檢測，再經(jīng)4-2電平轉(zhuǎn)換和并/串變換器最終輸出二進制數(shù)據(jù)。第十八頁，共84頁。以上兩式適用于其他線性數(shù)字調(diào)制信號。

∵

MQAM利用兩個同頻正交載波在同一帶寬內(nèi)實現(xiàn)了兩路并行的LASK信號的傳輸，∴

MQAM的頻帶利用率:

MQAM信號的譜零點帶寬第十九頁，共84頁。頻帶利用率：

（bps/Hz）

以上兩式也適用于其他線性數(shù)字調(diào)制信號。

在實際中，往往需要對2-L電平轉(zhuǎn)換后的L電平基帶信號

進行脈沖成形濾波，以抑制已調(diào)信號的帶外輻射。脈沖成形濾波器通常是滾降系數(shù)為的升余弦濾波器。這時，MQAM信號的帶寬:第二十頁，共84頁。最小頻移鍵控（MSK）§8.2——2FSK的改進型第二十一頁，共84頁。

問題引出：鍵控2FSK缺點：相位不連續(xù)、占用頻帶寬和功率譜旁瓣衰減慢等。OQPSK和π/4-QPSK雖然不會像QPSK那樣發(fā)生180?相位突變，但未根本解決包絡起伏問題。——相位不連續(xù)引起

MPSK（如QPSK）缺點：載波相位突變（

180?）

→旁瓣大（頻譜擴展）→干擾鄰道；包絡起伏大。

究其原因：需求背景第二十二頁，共84頁。

解決途徑：——改善已調(diào)波的相位路徑

已調(diào)波的頻譜特性與相位路徑密切相關(guān)?。ê惆j調(diào)制技術(shù)

的發(fā)展思路

）——采用相位連續(xù)變化的調(diào)制方式CPM——MSK就是一種包絡恒定、相位連續(xù)、頻差最小，并且嚴格正交的2FSK（CPFSK）信號。正交——兩個頻率的信號不相關(guān)，即的互相關(guān)系數(shù)ρ＝023第二十三頁，共84頁?！虼耍琈SK稱為最小頻移鍵控，

又稱快速頻移鍵控（FFSK，F(xiàn)astFSK）。頻差最小——意味占用帶寬最小、

調(diào)制指數(shù)最?。篽=0.5——它相比OQPSK

和QPSK，功率譜更為集中，即

旁瓣衰減更快，對鄰道干擾小，適用于移動通信。第二十四頁，共84頁?！?.2.1

正交2FSK信號的最小頻率間隔設(shè)2FSK信號碼元的表示式為欲滿足正交條件，則要求互相關(guān)系數(shù)即要求25第二十五頁，共84頁。上式積分結(jié)果為若設(shè)1+0>>1，則上式左端第1和3項0，故有由于1和0是任意常數(shù)，故必須同時有上式才等于零第二十六頁，共84頁。應當令即要求∴當取m=1時，滿足正交條件的最小頻率間隔：上面討論中，假設(shè)初始相位1和0是任意的，它在接收端無法預知，因此只能采用非相干接收方法。注意：第二十七頁，共84頁。對于相干接收，則要求初始相位是確定的，在接收端是預知的，這時可令1-0=0。于是，下式可化簡為即僅要求∴相干接收時，保證正交的2FSK信號的最小頻率間隔：第二十八頁，共84頁?！?.2.2

MSK信號的基本原理1

MSK信號的頻率間隔MSK信號第k個碼元表示：k-保證在t=kTB時刻信號相位連續(xù)而加入的相位常數(shù)。

這里TB=Tbc

-載頻；TB

-碼元寬度；ak=1（對應輸入碼元“1”和“0”）；第二十九頁，共84頁。當輸入碼元“1”時(ak=+1)，碼元頻率f1=fc

+1/(4TB)當輸入碼元“0”時(ak=-1)，碼元頻率f0=fc

-1/(4TB)最小頻差:調(diào)制指數(shù):第三十頁，共84頁。2

MSK碼元中波形的周期數(shù)可改寫為式中MSK信號應滿足正交條件：第三十一頁，共84頁。N―正整數(shù)由此推出表明：MSK信號在每個碼元周期內(nèi)必須包含四分之一載波周期的整數(shù)倍。還可寫成或第三十二頁，共84頁。并有T1=1/f1T0=1/f0含義：一個碼元時間TB內(nèi)包含的正弦波周期數(shù)。兩種碼元包含的正弦波數(shù)均相差1/2個周期。第三十三頁，共84頁。當N=1，m=3時“1”的一個碼元內(nèi)有2個正弦波周期?！?”的一個碼元內(nèi)有1.5個正弦波周期。例如第三十四頁，共84頁。3

MSK信號的相位連續(xù)性前一碼元末尾的相位=

后一碼元起始的相位相位連續(xù)條件:即在碼元轉(zhuǎn)換時刻t=kTB，滿足：——相位約束條件。據(jù)此確定初相k，使相位連續(xù)。若設(shè)k-1的初始參考值等于0，則第三十五頁，共84頁。

MSK信號的相位路徑:第k個碼元的附加相位：斜率截距直線方程若ak=+1，則 k(t)線性增加/2任一TB內(nèi)下圖若ak=-1，則k(t)線性減小/2第三十六頁，共84頁。附加相位k(t)的路徑示例：-1-1+1-1+1+1-1+100101101在碼元轉(zhuǎn)換時刻，MSK信號的附加相位是連續(xù)的！可見：37第三十七頁，共84頁。TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)附加相位k(t)的全部可能路徑：上例00101101第三十八頁，共84頁。TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)

模2運算后的附加相位路徑：第三十九頁，共84頁。

設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)序列為0010110101，采用MSK方式傳輸，碼元速率為1200Baud，載波頻率為2400Hz。

（1）試求“0”符號和“1”符號對應的頻率；（2）畫出MSK信號時間波形；（3）畫出MSK信號附加相位路徑圖（初始相位為0）。（1）設(shè)“0”對應f0，“1”

對應f1，則有解例4TB4TB第四十頁，共84頁。（2）MSK信號時間波形如圖所示：TBTB正弦波）正弦波）第四十一頁，共84頁。（3）MSK信號附加相位路徑圖：可見：在碼元轉(zhuǎn)換時刻，MSK信號的相位是連續(xù)的。第四十二頁，共84頁。4

MSK信號的正交表示法進行展開，表示成頻率為fc的兩個正交分量：將MSK信號第四十三頁，共84頁。以及∵∴正交分量(Q)同相分量(I)則第四十四頁，共84頁。由式可知僅當ak≠ak-1，且k為奇數(shù)時，pk才改變：pk=-pk-1僅當ak≠ak-1，且k為偶數(shù)時，qk才改變：qk=-qk-1

pk和qk不可能同時改變

pk和ak同時改變時，qk=ak

pk不改變第四十五頁，共84頁。同相支路(I)數(shù)據(jù)和正交支路（Q）數(shù)據(jù)每隔2TB秒才有可能改變符號，且I支路與Q支路的碼元在時間上錯開TB。

pk在cos(t/2Ts)的過零點處才可能改變；

qk在sin(t/2TB)的過零點處才可能改變；

因此，加權(quán)函數(shù)cos(t/2TB)和sin(t/2TB)都是正負符號不同的半個正弦波周期。這樣就保證了波形的連續(xù)性。46第四十六頁，共84頁。設(shè)k=0時為初始狀態(tài)，輸入序列ak：+1，-1，+1，-1，-1，+1，+1，-1，+1

由此例可見，pk和qk不可能同時改變符號。MSK信號舉例取值表這里TB=Tb第四十七頁，共84頁。

可見：MSK信號波形相當于一種特殊的OQPSK信號波形，其正交的兩路碼元也是偏置的，特殊之處主要在于其包絡是正弦形，而不是矩形。a0a1a2a3a4a5a6a7a8a9akTB0t+1-1

TB2TB3TB4TB5TB6TB7TB8TB

9TB

10TBt(mod2)0+1tqk-10+1-1pkt00MSK信號t0qksin(t/2TB)sinctt0pkcos(t/2TB)cosctt2TB0qksin(t/2TB)t0pkcos(t/2TB)波形圖第四十八頁，共84頁?！?.2.3

MSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)1

MSK信號的產(chǎn)生方法差分編碼串/并變換振蕩f=1/4TB振蕩f=fc移相/2移相/2cos(t/2TB)qkpkqksin(t/2TB)sin(t/2TB)cosctsinctakbk帶通濾波MSK信號-pkcos(t/2TB)cosctqksin(t/2TB)sinctpkcos(t/2TB)第四十九頁，共84頁。2

MSK信號的解調(diào)方法多種。如同2FSK,可以采用相干或非相干解調(diào)；鑒頻器解調(diào)法，相關(guān)接收法等。延時判決相干解調(diào)法

考察k=1和k=2的兩個碼元。設(shè)1(t)=0，則在t＝2TB時，k(t)的相位可能為0或，見圖A。

將這部分放大為圖B：原理第五十頁，共84頁。圖Bk(t)TB2TBTB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)圖A第五十一頁，共84頁。在解調(diào)時，若用cos(ct+/2)作為相干載波與MSK信號相乘，則得到:低通濾波，并去掉常數(shù)(1/2)后，得到輸出電壓：按照輸入碼元ak的取值不同，v0的軌跡圖如下：第五十二頁，共84頁。v0(t)TB2TB若輸入的兩個碼元:則k(t)在(0<t

2TB)的值：“+1,+1”或“+1,-1”“-1，+1”或“-1，-1”為正為負第五十三頁，共84頁。按照此法，在TB<t3TB期間積分，

就能判斷第2個接收碼元的值，依此類推。若在(0<t

2TB)期間對積分，則積分結(jié)果為正值，說明第1個接收碼元為“+1”積分結(jié)果為負值，說明第1個接收碼元為“-1”第五十四頁，共84頁。圖中兩個積分判決器的積分時間長度均為2TB，但是錯開時間TB。上支路的積分判決器先給出第2i個碼元輸出，然后下支路給出第(2i+1)個碼元輸出。載波提取積分判決解調(diào)輸出MSK信號[(2i-1)TB，(2i+1)TB]積分判決[2iTB，2(i+1)TB]此法利用前后兩個碼元的信息對于前一個碼元作判決，故可以提高數(shù)據(jù)接收的可靠性。方框圖第五十五頁，共84頁?！?.2.4

MSK信號的功率譜注意:圖中橫坐標是以載頻為中心畫的，即橫坐標代表(f–fc)

可見：與QPSK和OQPSK相比，MSK的譜密度更為集中，即旁瓣下降得更快，故對相鄰頻道的干擾較小。歸一化單邊功率譜密度Ps(f)：（平均功率

＝1W時）第五十六頁，共84頁。

包含90％信號功率的帶寬近似值為： 對于QPSK、OQPSK、MSK：B1/TB

Hz 對于BPSK：

B2/TB

Hz包含99％信號功率的帶寬近似值為： 對于MSK： B1.2/TB

Hz

對于QPSK及OQPSK：

B6/TB

Hz

對于BPSK：

B9/TB

Hz由此可見，MSK信號的帶外功率下降非常快。計算表明第五十七頁，共84頁?！?.2.5

MSK信號的誤碼性能

MSK信號是用極性相反的半個正（余）弦波形去調(diào)制兩個正交的載波。因此，當用匹配濾波器分別接收每個正交分量時，MSK信號的誤比特率性能和2PSK、QPSK及OQPSK等的性能一樣。但是，若把它當作FSK信號用相干解調(diào)法在每個碼元持續(xù)時間TB內(nèi)解調(diào)，則其性能將比2PSK信號的性能差3dB。第五十八頁，共84頁。信號的包絡恒定；在碼元轉(zhuǎn)換時刻，信號的相位連續(xù)；信號的頻偏等于1/4TB，調(diào)制指數(shù)h=0.5；在一個碼元期間，附加相位線性變化±π/2；在每個碼元周期內(nèi)必須包含1/4載波周期的整數(shù)倍；兩種碼元包含的正弦波數(shù)均相差1/2個周期；功率譜密度的主瓣較QPSK寬，但滾降速率較快。

MSK信號的主要特點；歸納第五十九頁，共84頁。移動通信系統(tǒng)要求：信號譜的旁瓣相對于主瓣峰值應低于60~70dB。盡管MSK信號具有較好的頻譜特性和誤碼性能，但仍不能滿足此要求。因此，需要對MSK的帶外頻譜特性進行改進，使其衰減速度加快。進一步改進——GMSKGMSK的功率譜密度比MSK的更加集中，旁瓣進一步降低，能滿足蜂窩移動通信環(huán)境下對帶外輻射的嚴格要求。第六十頁，共84頁。在MSK調(diào)制之前，用一個高斯型低通濾波器對矩形的輸入基帶信號進行預處理，這種體制稱為GMSK?！?.2.6高斯最小頻移鍵控(GMSK)（GaussianFilteredMinimumShiftKeying，GMSK）高斯型低通濾波器B—濾波器的3dB帶寬BTb—歸一化3dB帶寬傳遞函數(shù)沖激響應第六十一頁，共84頁。BTb越小，輸出脈沖的寬度越大，ISI越嚴重。讓一個高為1，持續(xù)時間為(-Tb/2~+Tb/2)的矩形方波通過該濾波器，則其輸出脈沖g(t)在±Tb/2變得圓滑。高斯濾波器的矩形脈沖響應62第六十二頁，共84頁。

GMSK信號的相位路徑可見：消除了MSK相位路徑在碼元轉(zhuǎn)換時刻的相位轉(zhuǎn)折點∵沒有相位轉(zhuǎn)折點，∴該時刻的導數(shù)也是連續(xù)的，即信號的頻率不會突變，這將使信號譜的旁瓣衰減更快。第六十三頁，共84頁。

GMSK信號的的功率譜密度BTb越小，功率譜的衰降越快BTb越小，輸出脈沖寬度越大，ISI越嚴重?！狦MSK的缺點——GMSK的優(yōu)點在第二代移動通信系統(tǒng)（GSM）中，采用BTb=0.3的GMSK調(diào)制。64第六十四頁，共84頁。正交頻分復用（OFDM）§8.3——一種多載波調(diào)制技術(shù)（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）具有較強的抗多徑傳播和抗頻率選擇性衰落的能力以及較

高的頻譜利用率，在高速無線通信系統(tǒng)中得到了廣泛應用。多載波調(diào)制65第六十五頁，共84頁。

它是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流調(diào)制到單個載波上進行傳送，前面介紹的各種數(shù)字調(diào)制方式都屬于單載波體制。

問題引出單載波調(diào)制§8.3.1概述存在問題單個載波上第六十六頁，共84頁。

它是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流調(diào)制到單個載波上進行傳送，前面介紹的各種數(shù)字調(diào)制方式都屬于單載波體制。

問題引出單載波調(diào)制§8.3.1概述|C(f)|tffBTB

高速數(shù)據(jù)信號的碼元持續(xù)時間TB短，但占用帶寬B大——信道特性|C(f)|不理想，將產(chǎn)生碼間串擾ISI。

存在問題|C(f)|信道最大多徑遲延差——TB

<

τmax

，產(chǎn)生頻率選擇性衰落。

需復雜的均衡第六十七頁，共84頁。NTBtfB/N

解決途徑

信道

N個子信道，高速

N路

低速子數(shù)據(jù)流，

分別調(diào)制到各子載波上并行傳輸。多載波調(diào)制串/并分成帶寬:Bi=B/N

碼元持續(xù)時間:Ti=NTB數(shù)據(jù)傳輸速率:Ri

=RB/N<信道的相關(guān)帶寬>信道最大多徑遲延τmax子信道|C(f)|tffBTBBTB68第六十八頁，共84頁。

正交頻分復用（OFDM）——

一類多載波并行調(diào)制體制將高速數(shù)據(jù)流分散調(diào)制到多個子載波上并行傳輸，從而使各子

載波的信號速率大為降低；

∵子信道上的信號帶寬<信道的相關(guān)帶寬，∴每個子信道上可看成是平坦性衰落，從而可消除ISI、提高抗多徑和抗衰落的能力。

各路子載波的已調(diào)信號頻譜有1/2重疊

——提高了頻率利用率和總傳輸速率；

特點設(shè)計思想子信道的均衡也相對容易第六十九頁，共84頁。

各路已調(diào)信號是嚴格正交的——便于接收端分離各路信號，減少子信道之間的相互干擾（ICI）；

每路子載波的調(diào)制制度可以不同——根據(jù)每個子載波處信道特性的優(yōu)劣不同采用不同的體制。

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；

對同步要求嚴格。

缺點：第七十頁，共84頁?！?.3.2OFDM的基本原理表示式設(shè)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

、fk、k

－分別為第k路子載波的振幅、頻率、初始相位；

Bk受基帶碼元的調(diào)制。則此系統(tǒng)中的N路子信號之和為：可改寫成：式中，Bk是一個復數(shù)，為第k路子信道中的復輸入數(shù)據(jù)。第七十一頁，共84頁。即正交條件為了使這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TB內(nèi)，任意兩個子載波都正交的條件是：積分結(jié)果為第七十二頁，共84頁。其中，m=整數(shù)和n=整數(shù)；并且k和i可以取任意值。上式等于0的條件：這就是子載頻正交的條件。即要求子載頻滿足fk=k/2TB，式中k=整數(shù)；且要求子載頻間隔f=fk–fi=n/TB，故要求的最小子載頻間隔為：第七十三頁，共84頁。

OFDM的頻域特性TBtfk+1/TBfkf

OFDM信號（各子載波合成后）頻譜：

各相鄰子載波的頻率間隔等于最小容許間隔：fk＋2/TBfkfffk＋1/TB單個子載波頻譜：設(shè)一個子信道中，子載頻fk、碼長TB，

則此碼元的波形和頻譜密度：第七十四頁，共84頁。由圖可見：各路子載波的頻譜是相互重疊的，但在一個碼元持續(xù)時間內(nèi)它們是正交的。這樣不但減小了子載波間的相互干擾（ICI)，同時又提高了頻譜利用率——OFDM的一大優(yōu)點。可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，因而具有很大