無線通信原理與應(yīng)用-63-脈沖成形課件

1無線通信原理與應(yīng)用第六章移動無線電中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)1無線通信原理與應(yīng)用第六章移動無線電中的2主要內(nèi)容調(diào)制技術(shù)概述無線移動通信對數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求線路碼及其頻譜脈沖成形信號空間概念線性調(diào)制技術(shù)

恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)擴頻調(diào)制技術(shù)2主要內(nèi)容調(diào)制技術(shù)概述3脈沖成形1.為什么要進行脈沖成形？2.脈沖成形還會帶來什么影響？3.兩種常用的脈沖成形濾波器3脈沖成形1.為什么要進行脈沖成形？4為什么要進行脈沖成形？前面介紹的線路碼都采用矩形脈沖進行數(shù)據(jù)的脈沖成形，如雙極性NRZ碼中，用正矩形脈沖代表二進制的“1”，用負的矩形脈沖代表二進制的“0”。直接將這種脈沖用于調(diào)制會使已調(diào)信號頻譜具有較高的旁瓣，無法滿足無線移動通信的要求。4為什么要進行脈沖成形？前面介紹的線路碼都采用矩形脈沖進行數(shù)5例如：2PSK調(diào)制是線性調(diào)制，調(diào)制過程可以表達為二進制雙極性NRZ碼與本地載波直接相乘。所以其射頻頻譜就是基帶譜的簡單搬移，射頻帶寬（正頻率方向的零點對零點帶寬）是基帶帶寬（正頻率方向的第一零點帶寬）的兩倍。13dB5例如：2PSK調(diào)制是線性調(diào)制，調(diào)制過程可以表達為二進制雙極6對基帶信號進行低通濾波（稱作脈沖成形）可以降低射頻旁瓣。常用的濾波器有兩種。一種是升余弦濾波器，一般用于線性調(diào)制；另一種是高斯濾波器，常用于恒包絡(luò)調(diào)制。6對基帶信號進行低通濾波（稱作脈沖成形）可以降低射頻旁瓣。7脈沖成形還會帶來什么影響？脈沖成形濾波器都是低通濾波器，因此這些濾波器的沖激響應(yīng)不可能是時間有限的。理想低通濾波器的沖激響應(yīng)波形如右上圖所示。信號經(jīng)過這樣的一個低通濾波器之后，會造成信號在時域上的擴展，一個符號的脈沖將會延伸到相鄰的其他符號中，因此，進行脈沖成形就意味著“人為地”引入碼間干擾。7脈沖成形還會帶來什么影響？脈沖成形濾波器都是低通濾波器，因8所以，要么我們選擇可以消除碼間干擾影響的濾波器作為脈沖成形濾波器，要么就應(yīng)該將人為引入的碼間干擾控制在對系統(tǒng)性能影響較小的程度以內(nèi)。升余弦濾波器屬于前一種情形；高斯濾波器則屬于后一種情形。8所以，要么我們選擇可以消除碼間干擾影響的濾波器作為脈沖成形9奈奎斯特準則解決了既能克服碼間干擾又能保持小的傳輸帶寬的問題。該準則為：要使ISI的影響完全被抵消，需要整個通信系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)在接收機端每個抽樣時刻只對當前符號有響應(yīng)，而對其他符號的響應(yīng)全等于零。奈奎斯特準則可表示為：

其中Ts是符號周期，n是整數(shù)，K是非零常數(shù)消除碼間干擾的奈奎斯特準則9奈奎斯特準則解決了既能克服碼間干擾又能保持小的傳輸帶寬的問10選擇濾波器的考慮濾波器的沖擊響應(yīng)

在接近n≠0的取樣點處要迅速衰減。在發(fā)射端和接收端必須便于實現(xiàn)成形濾波器，以產(chǎn)生期望的。10選擇濾波器的考慮濾波器的沖擊響應(yīng)在接近n11滿足奈奎斯特準則的濾波器一個滿足奈奎斯特準則的濾波器的沖擊響應(yīng)可以表示為：對應(yīng)的濾波器頻率響應(yīng)：f<fs/2,非0。11滿足奈奎斯特準則的濾波器一個滿足奈奎斯特準則的濾波器的沖12理想的奈奎斯特濾波器這個濾波器雖然滿足奈奎斯特準則，但是其實現(xiàn)比較困難，因為它對應(yīng)于非因果系統(tǒng)并難以逼近。還有該濾波器的沖擊響應(yīng)在每個過零點的斜率都為1/t且僅在Ts的整數(shù)倍為零，這樣過零點抽樣時間的任何偏差都會造嚴重的ISI。12理想的奈奎斯特濾波器這個濾波器雖然滿足奈奎斯特準則，但是13實際使用的奈奎斯特濾波器實際使用的滿足奈奎斯特準則的濾波器大都具有如下的形式的沖擊響應(yīng)和頻率響應(yīng)：其中，13實際使用的奈奎斯特濾波器實際使用的滿足奈奎斯特準則的濾波14兩種常用的脈沖成形濾波器升余弦濾波器高斯濾波器14兩種常用的脈沖成形濾波器升余弦濾波器15升余弦濾波器升余弦滾降濾波器滿足奈奎斯特準則，其頻率響應(yīng)函數(shù)為：其中α是滾將因子，取值范圍為0到1。其沖激響應(yīng)函數(shù)為：15升余弦濾波器升余弦滾降濾波器滿足奈奎斯特準則，其頻率響應(yīng)16升余弦濾波器的頻率響應(yīng)濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)如右圖。α為滾降系數(shù)。

0≤α≤1。α

＝0時是濾波帶寬為0.5R的理想低通濾波器；α

＝0.5時，濾波帶寬為0.75R；α

＝1時，濾波帶寬為R。16升余弦濾波器的頻率響應(yīng)濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)如右17

頻域

時域注意：α越大，濾波器帶寬越寬，但沖激響應(yīng)過零點時衰減得會越快——有利于減小對定時抖動的敏感度。17頻域時域注意：α越大，濾波器帶寬18升余弦濾波器的濾波器帶寬BRC：

BRC＝(1＋α)/2TS

。所以，能夠通過該濾波器的符號速率為：

RS＝1/TS=2BRC/(1+α)?；鶐盘枎?8升余弦濾波器的濾波器帶寬BRC：基帶信號帶寬19

數(shù)據(jù)為“1，0，1”

，進行α=0.5的升余弦脈沖成形，BPSK已調(diào)波形。已調(diào)信號包絡(luò)會有起伏變化19數(shù)據(jù)為“1，0，1”，進行α=0.5的升余弦脈沖成形20脈沖成型頻譜約束作用右圖顯示了，不進行脈沖成形的BPSK信號功率譜和升余弦(α=0.5)脈沖成形后的BPSK信號功率譜。就前者而言，信號能量的90％在大約1.6Rb帶寬內(nèi)；而對于后者，信號能量的90％在大約1.5Rb帶寬內(nèi)。20脈沖成型頻譜約束作用右圖顯示了，不進行脈沖21升余弦濾波器的實現(xiàn)（1）請注意，依照“消除碼間干擾的奈奎斯特準則”，當我們使整個通信系統(tǒng)的等效沖激響應(yīng)具有升余弦形式的頻率響應(yīng)函數(shù)時，理論上可以消除碼間干擾的影響。所以我們往往按下圖來實現(xiàn)升余弦濾波。Ht(f)Hc(f)Hr(f)HRC(f)

δ(t)21升余弦濾波器的實現(xiàn)（1）請注意，依照“消除碼間干擾的奈奎22升余弦濾波器的實現(xiàn)（2）其中，Ht(f)為發(fā)送濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)，Hc(f)為信道的頻率響應(yīng)函數(shù)，Hr(f)為接收濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)。如果信道為理想信道，即Hc(f)=1或hc(t)=δ(t)（即使信道不是理想的，也可以通過均衡來消除信道的影響），我們使，。

這樣，既保證了整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)無碼間干擾傳輸（設(shè)Hc(f)=1），又實現(xiàn)了匹配濾波——以獲取最佳信噪比。此時我們稱發(fā)送端的脈沖成形濾波器Ht(f)為平方根升余弦濾波器。22升余弦濾波器的實現(xiàn)（2）其中，Ht(f)為發(fā)送濾波器的頻23升余弦濾波器的實現(xiàn)（3）在實際使用時，升余弦脈沖成形濾波器可以在基帶數(shù)據(jù)上實現(xiàn)，也可以在射頻發(fā)射機的輸出端實現(xiàn)。一般情況下，脈沖成形濾波器在基帶上用DSP實現(xiàn)，這種實現(xiàn)方式要比在射頻上實現(xiàn)容易的多，因為在基帶的頻率要比射頻的頻率低，更易于實現(xiàn)。并且因為該濾波器的沖擊響應(yīng)是非因果的，在實際使用時必須截短。23升余弦濾波器的實現(xiàn)（3）在實際使用時，升余弦脈沖成形濾波24升余弦濾波器的缺點對于升余弦濾波器，非常重要的是要求載波能夠完全保留脈沖的波形，此時對于升余弦濾波器才能夠考慮其頻譜效率。這就要求使用升余弦脈沖成形的系統(tǒng)必須使用線性RF功放。如果使用非線性RF功放，則基帶脈沖波形的微小失真將會導(dǎo)致傳輸信號的帶寬占用發(fā)生急劇的變化。如果不對這中變化加以適當?shù)目刂?，將會造成移動通信系統(tǒng)的嚴重的鄰道干擾。因此，使用奈奎斯特脈沖成形得到的帶寬上的減少需要使用線性功放來達到。這個問題的一個解決方法是使用實時反饋的線性放大器來提高功率效率。這也正是當前移動通信中的研究熱點。24升余弦濾波器的缺點對于升余弦濾波器，非常重要的是要求載波25高斯濾波器(GaussianFilter)不使用奈奎斯特技術(shù)實現(xiàn)脈沖成形也是可能的，其中一項重要的技術(shù)就是使用高斯脈沖成形技術(shù)，高斯濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為：

濾波器的沖激響應(yīng)函數(shù)為：

α與濾波器的3dB帶寬B有關(guān)，且

25高斯濾波器(GaussianFilter)不使用奈奎26數(shù)學(xué)上，常將如exp(-αx2)的函數(shù)稱為高斯函數(shù)（其中α為常數(shù)），所以這種濾波器稱作高斯濾波器。將如exp(-αx2)的函數(shù)也稱作鐘形函數(shù)，波形如鐘狀，且沒有過零點。其沖激響應(yīng)波形如右圖。26數(shù)學(xué)上，常將如exp(-αx2)的函數(shù)稱為高斯函數(shù)（其中27下頁圖中給出了k=BTs取不同值時，基帶高斯濾波器的沖擊響應(yīng)。高斯濾波器的絕對帶寬比較窄，并且具有截止尖銳、過沖低及脈沖面積保持不變的性質(zhì)，使得它非常適合使用于非線性RF放大器和不能精確保持傳輸脈沖波形不變的調(diào)制技術(shù)，具有較高的頻譜效率。因為高斯脈沖成形濾波器不滿足奈奎斯特準則，所以會造成ISI增加，導(dǎo)致性能下降，因此其功率效率較升余弦滾降濾波器要低。27下頁圖中給出了k=BTs取不同值時，基帶高斯濾波器的沖擊282829脈沖成形的效果29脈沖成形的效果30無線通信原理與應(yīng)用第六章移動無線電中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)1無線通信原理與應(yīng)用第六章移動無線電中的31主要內(nèi)容調(diào)制技術(shù)概述無線移動通信對數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求線路碼及其頻譜脈沖成形信號空間概念線性調(diào)制技術(shù)

恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)擴頻調(diào)制技術(shù)2主要內(nèi)容調(diào)制技術(shù)概述32脈沖成形1.為什么要進行脈沖成形？2.脈沖成形還會帶來什么影響？3.兩種常用的脈沖成形濾波器3脈沖成形1.為什么要進行脈沖成形？33為什么要進行脈沖成形？前面介紹的線路碼都采用矩形脈沖進行數(shù)據(jù)的脈沖成形，如雙極性NRZ碼中，用正矩形脈沖代表二進制的“1”，用負的矩形脈沖代表二進制的“0”。直接將這種脈沖用于調(diào)制會使已調(diào)信號頻譜具有較高的旁瓣，無法滿足無線移動通信的要求。4為什么要進行脈沖成形？前面介紹的線路碼都采用矩形脈沖進行數(shù)34例如：2PSK調(diào)制是線性調(diào)制，調(diào)制過程可以表達為二進制雙極性NRZ碼與本地載波直接相乘。所以其射頻頻譜就是基帶譜的簡單搬移，射頻帶寬（正頻率方向的零點對零點帶寬）是基帶帶寬（正頻率方向的第一零點帶寬）的兩倍。13dB5例如：2PSK調(diào)制是線性調(diào)制，調(diào)制過程可以表達為二進制雙極35對基帶信號進行低通濾波（稱作脈沖成形）可以降低射頻旁瓣。常用的濾波器有兩種。一種是升余弦濾波器，一般用于線性調(diào)制；另一種是高斯濾波器，常用于恒包絡(luò)調(diào)制。6對基帶信號進行低通濾波（稱作脈沖成形）可以降低射頻旁瓣。36脈沖成形還會帶來什么影響？脈沖成形濾波器都是低通濾波器，因此這些濾波器的沖激響應(yīng)不可能是時間有限的。理想低通濾波器的沖激響應(yīng)波形如右上圖所示。信號經(jīng)過這樣的一個低通濾波器之后，會造成信號在時域上的擴展，一個符號的脈沖將會延伸到相鄰的其他符號中，因此，進行脈沖成形就意味著“人為地”引入碼間干擾。7脈沖成形還會帶來什么影響？脈沖成形濾波器都是低通濾波器，因37所以，要么我們選擇可以消除碼間干擾影響的濾波器作為脈沖成形濾波器，要么就應(yīng)該將人為引入的碼間干擾控制在對系統(tǒng)性能影響較小的程度以內(nèi)。升余弦濾波器屬于前一種情形；高斯濾波器則屬于后一種情形。8所以，要么我們選擇可以消除碼間干擾影響的濾波器作為脈沖成形38奈奎斯特準則解決了既能克服碼間干擾又能保持小的傳輸帶寬的問題。該準則為：要使ISI的影響完全被抵消，需要整個通信系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)在接收機端每個抽樣時刻只對當前符號有響應(yīng)，而對其他符號的響應(yīng)全等于零。奈奎斯特準則可表示為：

其中Ts是符號周期，n是整數(shù)，K是非零常數(shù)消除碼間干擾的奈奎斯特準則9奈奎斯特準則解決了既能克服碼間干擾又能保持小的傳輸帶寬的問39選擇濾波器的考慮濾波器的沖擊響應(yīng)

在接近n≠0的取樣點處要迅速衰減。在發(fā)射端和接收端必須便于實現(xiàn)成形濾波器，以產(chǎn)生期望的。10選擇濾波器的考慮濾波器的沖擊響應(yīng)在接近n40滿足奈奎斯特準則的濾波器一個滿足奈奎斯特準則的濾波器的沖擊響應(yīng)可以表示為：對應(yīng)的濾波器頻率響應(yīng)：f<fs/2,非0。11滿足奈奎斯特準則的濾波器一個滿足奈奎斯特準則的濾波器的沖41理想的奈奎斯特濾波器這個濾波器雖然滿足奈奎斯特準則，但是其實現(xiàn)比較困難，因為它對應(yīng)于非因果系統(tǒng)并難以逼近。還有該濾波器的沖擊響應(yīng)在每個過零點的斜率都為1/t且僅在Ts的整數(shù)倍為零，這樣過零點抽樣時間的任何偏差都會造嚴重的ISI。12理想的奈奎斯特濾波器這個濾波器雖然滿足奈奎斯特準則，但是42實際使用的奈奎斯特濾波器實際使用的滿足奈奎斯特準則的濾波器大都具有如下的形式的沖擊響應(yīng)和頻率響應(yīng)：其中，13實際使用的奈奎斯特濾波器實際使用的滿足奈奎斯特準則的濾波43兩種常用的脈沖成形濾波器升余弦濾波器高斯濾波器14兩種常用的脈沖成形濾波器升余弦濾波器44升余弦濾波器升余弦滾降濾波器滿足奈奎斯特準則，其頻率響應(yīng)函數(shù)為：其中α是滾將因子，取值范圍為0到1。其沖激響應(yīng)函數(shù)為：15升余弦濾波器升余弦滾降濾波器滿足奈奎斯特準則，其頻率響應(yīng)45升余弦濾波器的頻率響應(yīng)濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)如右圖。α為滾降系數(shù)。

0≤α≤1。α

＝0時是濾波帶寬為0.5R的理想低通濾波器；α

＝0.5時，濾波帶寬為0.75R；α

＝1時，濾波帶寬為R。16升余弦濾波器的頻率響應(yīng)濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)如右46

頻域

時域注意：α越大，濾波器帶寬越寬，但沖激響應(yīng)過零點時衰減得會越快——有利于減小對定時抖動的敏感度。17頻域時域注意：α越大，濾波器帶寬47升余弦濾波器的濾波器帶寬BRC：

BRC＝(1＋α)/2TS

。所以，能夠通過該濾波器的符號速率為：

RS＝1/TS=2BRC/(1+α)?；鶐盘枎?8升余弦濾波器的濾波器帶寬BRC：基帶信號帶寬48

數(shù)據(jù)為“1，0，1”

，進行α=0.5的升余弦脈沖成形，BPSK已調(diào)波形。已調(diào)信號包絡(luò)會有起伏變化19數(shù)據(jù)為“1，0，1”，進行α=0.5的升余弦脈沖成形49脈沖成型頻譜約束作用右圖顯示了，不進行脈沖成形的BPSK信號功率譜和升余弦(α=0.5)脈沖成形后的BPSK信號功率譜。就前者而言，信號能量的90％在大約1.6Rb帶寬內(nèi)；而對于后者，信號能量的90％在大約1.5Rb帶寬內(nèi)。20脈沖成型頻譜約束作用右圖顯示了，不進行脈沖50升余弦濾波器的實現(xiàn)（1）請注意，依照“消除碼間干擾的奈奎斯特準則”，當我們使整個通信系統(tǒng)的等效沖激響應(yīng)具有升余弦形式的頻率響應(yīng)函數(shù)時，理論上可以消除碼間干擾的影響。所以我們往往按下圖來實現(xiàn)升余弦濾波。Ht(f)Hc(f)Hr(f)HRC(f)

δ(t)21升余弦濾波器的實現(xiàn)（1）請注意，依照“消除碼間干擾的奈奎51升余弦濾波器的實現(xiàn)（2）其中，Ht(f)為發(fā)送濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)，Hc(f)為信道的頻率響應(yīng)函數(shù)，Hr(f)為接收濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)。如果信道為理想信道，即Hc(f)=1或hc(t)=δ(t)（即使信道不是理想的，也可以通過均衡來消除信道的影響），我們使，。

這樣，既保證了整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)無碼間干擾傳輸（設(shè)Hc(f)=1），又實現(xiàn)了匹配濾波——以獲取最佳信噪比。此時我們稱發(fā)送端的脈沖成形濾波器Ht(f)為平方根升余弦濾波器。22升余弦濾波器的實現(xiàn)（2）其中，Ht(f)為發(fā)送濾波器的頻52升余弦濾波器的實現(xiàn)（3）在實際使用時，升余弦脈沖成形濾波器可以在基帶數(shù)據(jù)上實現(xiàn)，也可以在射頻發(fā)射機的輸出端實現(xiàn)。一般情況下，脈沖成形濾波器在基帶上用DSP實現(xiàn)，這種實現(xiàn)方式要比在射頻上實現(xiàn)容易的多，因為在基帶的頻率要比射頻的頻率低，更易于實現(xiàn)。并且因為該濾波器的沖擊響應(yīng)是非因果的，在實際使用時必須截短。23升余弦濾波器的實現(xiàn)（3）在實際使用時，升余弦脈沖成形濾波53升余弦濾波器的缺點對于升余弦濾波器，非常重要的是要求載波能夠完全保