第7章數(shù)字調(diào)制

1、數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 南京郵電大學(xué)信息工程系南京郵電大學(xué)信息工程系 余兆明余兆明 一、為什么要進(jìn)行數(shù)字調(diào)制一、為什么要進(jìn)行數(shù)字調(diào)制 nDTV n2.美Trans Pacific Networks公司將3.2Mbps提高到 n 12Mbps; n3.Photron公司由576kbps提高到6Mbps; 15bps/Hz-32768-QAM 6bps/Hz-64QAM (3). 東大的超窄帶方案東大的超窄帶方案 n原始VMSK信號基于矩形波或三角波調(diào)寬，再濾波成形 n若直接產(chǎn)生“最像”正弦波的調(diào)制信號，理論帶寬應(yīng)最 窄 n關(guān)鍵思路關(guān)鍵思路 n使已調(diào)信號和與正弦信號之間的波形差異最小 n得到“最小波形差

2、鍵控最小波形差鍵控”（VWDK）調(diào)制 nT為信號波形的周期，也是信息的符號寬度和碼元寬度 nf=1/T為信號波形的頻率，在數(shù)值上也等于碼元的傳輸速率 Tt T t T A t tA tg pp p sin 0sin 0 tTgtg 01 n其波形可以用如下的公式來表示其波形可以用如下的公式來表示 na=0.95時VWDK時域波形（去除了二次諧波） 012345678910 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 Nomalized Frequency Nomalized Power Density (dB) 012345678910 -140 -1

3、20 -100 -80 -60 -40 -20 0 Nomalized Frequency Nomalized Power Density (dB) na=0.95時VWDK功率譜的理論值與FFT計(jì)算值 012345678910 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 原 始 信 號 濾 波 后 的 功 率 譜 dB relative frequency 波形樣本 數(shù)字濾波 DAC 信息序列 VWDK調(diào)制信號 時鐘發(fā)生器 VWDK 調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制系統(tǒng) 數(shù)字逆濾波 積分器 積分器 判 決 器 信息序列 帶有噪聲和失真的 VWDK 調(diào)制信號 ADC g(

4、t,) g(t,T-) VWDK 解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)系統(tǒng) LDPC編碼的編碼的VWDK（a=0.95）在）在 AWGN信道的信道的BER性能性能 na=0.95時VWDK時域波形（去除了所有的高次諧波） VWDK調(diào)制波形調(diào)制波形/頻譜的優(yōu)化頻譜的優(yōu)化 a=0.95 a=0.90 012345678910 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 Normalized Frequency Normalized Power Density (dB) 012345678910 -150 -125 -100 -75 -50 -25 0 Normalized Fre

5、quency Normalized Power Density (dB) 波形優(yōu)化后的波形優(yōu)化后的VWDK在在 AWGN信道的信道的BER性能性能 5101520253035 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Eb/N0 (dB) Bit Error Probability (10 power) a = 0.95 a = 0.9 (4)超窄帶與超寬帶的比較超窄帶與超寬帶的比較 nUWB與UNB是通信的兩個極端特例 nUWB：能量受限型信道擴(kuò)頻通信體制 nUNB：帶寬受限型信道“縮頻”通信體制 n在理論上 nUWB：具有信息論的堅(jiān)實(shí)支撐 nUNB： n尚未形成共識，需對仙儂公式重

6、新認(rèn)識與拓展 n由基帶調(diào)制又“回歸”到載波調(diào)制 n在應(yīng)用領(lǐng)域上 nUWB：適于中短距高速接入，尤其近距離最佳 nUNB：可以各種距離高速通信，有線也行(7類線) n在技術(shù)實(shí)現(xiàn)和硬件制作上 n與低通型UWB相比：UNB無需特殊器件 n與帶通型UWB相比：UNB更容易，IC芯片已出現(xiàn) n至少天線/饋線簡單 n在多用戶方面 nUWB：CDMA/SDMA nUNB：TDMA/FDMA/SDMA，容量可能/可以更大？ n在復(fù)雜信道的傳輸性能上 nUWB：遠(yuǎn)距離？ nUNB：理論上只面對平坦衰落，實(shí)際上待研究 n在兼容現(xiàn)有通信系統(tǒng)與設(shè)備方面 nUWB：一般需要另起爐灶 nUNB：通常更具“親和力”，只要有

7、載頻即可RF/IF接 入 n在研究態(tài)勢的把握上 nUWB：美軍方“解凍”的技術(shù)，已形成較大的“采掘 面” nUNB：“礦苗”剛剛露頭，“淘金者”還不多，容易原 創(chuàng) (5)超窄帶的信息論解釋超窄帶的信息論解釋 n帶寬的定義 n發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信道、噪聲 n關(guān)鍵是空中輻射信號的頻譜寬度 n國家無線電管理局、美國FCC的規(guī)定 n要綜合考慮頻段、功率、帶外衰減等 nUNB均呈現(xiàn)出“旗桿+茅草”式的頻譜 n不難滿足美國FCC的-60dB帶外衰減要求 n仍需從載頻兩旁的頻譜“茅草”中恢復(fù)有用信息 n超窄帶的辯證法或“詭辯” n回顧仙儂信道容量公式的推導(dǎo)過程回顧仙儂信道容量公式的推導(dǎo)過程 前提：帶寬為0,W

8、、時寬為T、AWGN信道 求解下列極限 WT n n T s N xE T PC 2 1 0 2 2 2 1log 2 11 lim)( 假定：各子信道功率分配相等且受到信號總能量限制時 W P WT TP xE ss n 22 2 仙儂得到該信道的容量公式 WN P WPC s s 0 2 1log W r N E WC bb 0 2 1log n深究仙儂推導(dǎo)過程中兩個深究仙儂推導(dǎo)過程中兩個“W”的含義的含義 n第一個由并聯(lián)子信道的個數(shù)而來 n第二個出自對信號總能量的劃分 n為避免混淆，我們用“B”代替第二個“W” 0 2 0 2 1log1log N E W B r N E WC bbb

9、12 0 W C b N E 或 B rb 為單位帶寬所傳輸?shù)男畔⑺俾?，即頻帶利用率 在理想情況下在理想情況下BW， rb C ，所以，所以UNB需要極高的功率！需要極高的功率！ n對于仙儂公式的拓展對于仙儂公式的拓展 n注意到 n理想低通在物理上不可實(shí)現(xiàn) n工程帶寬為W的濾波器，其實(shí)際利用帶寬為rW nr可粗略看成所考慮信道/濾波器帶寬的矩形系數(shù) n 則可將仙儂的信道容量公式拓展為 C N E rW N E WC bb 0 2 0 2 1log1log )( 0 dBNEb Hzbps /50 Hzbps/100 r=1r=2r=3r=4r=5 133.558.333.220.613.1 2

10、81.0130.980.355.340.2 并非并非超窄帶的高效超窄帶的高效調(diào)制調(diào)制“突破突破”了了 信息論的信道容量限，而是物理上可實(shí)信息論的信道容量限，而是物理上可實(shí) 現(xiàn)的帶寬現(xiàn)的帶寬“突破突破”了導(dǎo)出信道容量公式了導(dǎo)出信道容量公式 時所用的理想的矩形帶寬！時所用的理想的矩形帶寬！ n得到高效調(diào)制是有代價(jià)的： g sbb PWN P rW N E W r rWC 0 2 0 2 1log1log ng b PPN E rW 1 1 1log 0 2 n濾波器/信道帶寬的非理想會造成信號采樣時頻譜混疊，引入額外干擾 n使得理論上的信道容量和實(shí)際中的解調(diào)性能降低 n降低的程度取決于混疊功率Pg

11、與噪聲功率Pn之比 n我們已證明 2 2 )( 4 W ag djXP p n解調(diào)器往往需要按rW來確定采樣頻率，結(jié)果表現(xiàn)為過采樣得到了增益 n否則，超過W的信號頻譜分量在采樣后就會混疊為頻帶W內(nèi)的干擾 n用Pg表示其平均功率，則考慮實(shí)際采樣后 (6) UNB對傳統(tǒng)觀念的反思對傳統(tǒng)觀念的反思 n基帶調(diào)制的得與失 n便于分析 n線性變頻時帶通與低通的等效 n易于處理 n頻率低，容易數(shù)字實(shí)現(xiàn) n碼率和頻帶利用率難以提高 n表面上 nMQAM等的調(diào)制效率可隨M加大而提高 n可以達(dá)到2Baud/Hz的理論極限（包括利用OFDM） n但是上變頻不增加碼率 n抑制載頻的得與失 n節(jié)約發(fā)射功率 n能量利用率

12、高 n便于隱蔽 n增加系統(tǒng)復(fù)雜度 n接收機(jī)需要重新恢復(fù)載波，影響快速同步 n對碼型有限制，有時仍需插入“導(dǎo)頻” n發(fā)端要擾碼，收端要解擾 n可能要增加一次上/下變頻（也有損耗） n擾碼導(dǎo)致頻譜能量擴(kuò)散 n信源編碼后碼流中或多或少仍有殘余的相關(guān)性 n信道編碼本身就是引入相關(guān)性或冗余度 n影響解調(diào)性能的進(jìn)一步提高（不便于利用條件概率） (7) 可能的應(yīng)用可能的應(yīng)用 n帶寬受限型信道的通信提速 n高速/超高速短波高速數(shù)據(jù)傳輸（傳圖像等） n短波/超短波電臺的提速 n微波通信、衛(wèi)星通信擴(kuò)容（美國已有應(yīng)用） n水下通信 n長波電臺 n超聲波傳輸 n高速電力線傳輸 n美國正開發(fā)針對亞洲電力市場的UNB遙測

13、設(shè)備 n高速接入 n超高速DSL n超高速上網(wǎng)MODEM n紅外鼠標(biāo)、鍵盤、遙控器等 n數(shù)字電視系統(tǒng)增容 nCATV電纜增容（美國增加一倍） n新一代DVB-C機(jī)頂盒 nDVB-S調(diào)制器/機(jī)頂盒 n目前北美衛(wèi)星為20個轉(zhuǎn)發(fā)器*10個頻道=200個頻道 n美國正試驗(yàn)擴(kuò)容到10*10+10*100=1100個頻道 n模-數(shù)混合廣-電復(fù)合的新體制設(shè)想 n廣播/電視載頻/副載波上調(diào)制高速附加信息 n構(gòu)成多模式、多功能的全新產(chǎn)品 n以目前MW/SW波段的模擬AM廣播為例 n大功率的載波本身不含任何信息 n音頻范圍約為：50-5000Hz n雙邊帶調(diào)幅后在載頻處有50Hz的空閑帶寬 n對載波先UNB數(shù)字調(diào)

14、制再DSB模擬調(diào)幅 n控制載頻50Hz的帶外衰減在-60dB以下 n若按目前中國標(biāo)準(zhǔn)的465kHz中頻可有465kbps碼率 n普通收音機(jī)包絡(luò)檢波收聽正常的模擬廣播節(jié)目 n高檔收音機(jī)解調(diào)465kbps碼流可看H.264/AVS電視 n新一代移動通信(B3G/4FG)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)想 n多媒體時代的正反向非對稱要求 n新一代手機(jī)與固定終端的要求相似 n下行需要高速下載視頻流 n上行只是話音、短信和低速控制信息 n下行用UNB體制的TDMA/FDMA n基站增加功率要比手機(jī)更容易 n手機(jī)采用UNB解調(diào)要比增加天線更容易 nFDMA采用多信道或OFDM n上行仍可延用CDMA n美國公司希望政府支持，專利多

15、國覆蓋 n突發(fā)通信（瞬時、高速、抗截獲） n根據(jù)對國外HF頻段偵察、干擾技術(shù)的分析 n窄帶信號長度小于50ms就不易被截獲 n小于110ms就不易被定向/定位 n對VHF/UHF頻段，信號長度還應(yīng)更短 n抗干擾、抗截獲要求在毫秒級完成信息的突發(fā)傳輸 n希望在通信信號的持續(xù)瞬間有盡可能高效的調(diào)制/傳輸效率 nVWDK的類似正弦波與突發(fā)通信的窄脈沖包絡(luò)天然絕配 n設(shè)采用VWDK調(diào)制，碼率為載波頻率 n即使在HF頻段且脈沖寬度只有1ms，則采用10MHz載頻，一個 “突發(fā)”內(nèi)也能傳送1250字節(jié)的數(shù)據(jù)或625個漢字！ n足以滿足大多數(shù)緊急通信或最低限度通信的要求 n遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前國內(nèi)約100-200m

16、s只能傳十幾個漢字的最好水平 n通信與雷達(dá)的結(jié)合 n把突發(fā)通信利用已相參化的脈沖雷達(dá)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn) n即使由于技術(shù)原因只能在30MHz的雷達(dá)中頻上實(shí)現(xiàn) n在10s脈沖寬度內(nèi)有300bit也能傳幾十個漢字 n足以利用“高速短信”的方式在單脈沖內(nèi)完成通信 n而且不影響雷達(dá)的其它基本功能 n雷達(dá)脈沖功率高，用于通信可保證足夠的信噪比 n把這些信息位用來傳輸對雷達(dá)脈沖壓縮而言的“好碼” n雷達(dá)的作用距離和測量精度都可望進(jìn)一步提高 n而且不影響其它脈間壓縮方法的同時使用 n敵我識別 n把“雷達(dá)”方式與按應(yīng)答機(jī)方式工作的敵我識別器相結(jié)合 n信息位用來傳輸敵我識別碼，開辟“第二應(yīng)答通道” n信息隱藏（與擴(kuò)頻擴(kuò)頻

17、相對應(yīng)的“縮頻縮頻” ） n有用信息的隱藏： n有條件拿出更多的“碼率資源” n傳輸信息的隱藏： n信息譜邊帶可能為背景噪聲所掩蓋 n利用超強(qiáng)糾錯能力 n對有用信息保護(hù)得更深 n降低發(fā)射能量，實(shí)現(xiàn)最低限度通信 n可帶內(nèi)擴(kuò)頻 n偽裝、示假和亂真 n點(diǎn)頻的示假和亂真：把水?dāng)嚮?n借助民用廣播電臺/電視臺所用載波/副載波 n偽裝和抗摧毀 (8)若干有待研究的問題若干有待研究的問題 n超窄帶高效調(diào)制的理論與方法超窄帶高效調(diào)制的理論與方法 n與經(jīng)典信息論的框架結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào) n各種UNB調(diào)制方式的分析比較 n信道特性對UNB傳輸?shù)挠绊?，?n惡劣短波信道 n高速移動信道 nUNB的多載波傳輸(如VWDK與OFDM的結(jié)合) nVWDK調(diào)制波形的優(yōu)化等 nVWDK高效傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)高效傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù) n調(diào)制器的全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)及發(fā)射機(jī)模擬上變頻的影響 n基于帶通采樣解調(diào)對于性能影響的評估 n解調(diào)性能最佳的接收濾波器的設(shè)計(jì) n新的VWDK解調(diào)方法 nVWDK結(jié)合各種信道編碼的性能分析與評估 n同步及其誤差的影響等 n關(guān)鍵問題：盡量降低解調(diào)器的輸入信噪比要求 (8)若干有待研究的問題若干有待研究的問題 n超窄帶高速傳輸?shù)南到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)超窄帶高速傳輸?shù)南到y(tǒng)實(shí)現(xiàn) nVWDK高速M(fèi)ODEM的DSP和/或ASIC實(shí)現(xiàn) n帶寬、碼率和信噪比均可程控的SOC設(shè)