現(xiàn)代數字調制技術

關于現(xiàn)代數字調制技術第一頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.1引言

在第6章中已經討論了幾種基本數字調制技術的調制和解調原理。隨著數字通信的迅速發(fā)展，各種數字調制方式也在不斷地改進和發(fā)展，現(xiàn)代通信系統(tǒng)中出現(xiàn)了很多性能良好的數字調制技術。本章我們主要介紹目前實際通信系統(tǒng)中常使用的幾種現(xiàn)代數字調制技術。首先介紹幾種恒包絡調制，包括偏移四相相移鍵控（OQPSK）、π/4四相相移鍵控（π/4

-QPSK）、最小頻移鍵控（MSK）和高斯型最小頻移鍵控（GMSK）；然后介紹正交幅度調制（QAM），它是一種不恒定包絡調制。在介紹了這幾種單載波調制后，再引入多載波調制，著重介紹其中的正交頻分復用（OFDM）。第二頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.2偏移四相相移鍵控（OQPSK）在數字調制中，假設QPSK信號的每個碼元的包絡為矩形方波，則高頻信號也具有恒包絡特性，但這時已調信號的頻譜將為無窮大，而實際上信道帶寬總是有限的，為了對QPSK信號的帶寬進行限制，先將基帶雙極性矩形不歸零脈沖序列先經過基帶成形濾波器進行限帶，然后再進行QPSK調制。問題是：通過帶限處理后的QPSK信號將不再是恒包絡了。而且當碼組，或時，會產生的載波相位跳變，這種相位跳變會引起帶限處理后的QPSK信號包絡起伏，甚至出現(xiàn)包絡為0的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象必須避免，這是因為當通過非線性器件后，包絡起伏很大的限帶QPSK信號的功率譜旁瓣增生，導致頻譜擴散，增加對相鄰信道的干擾。為了消除的相位跳變，在QPSK的基礎上提出了OQPSK。第三頁，共五十二頁，2022年，8月28日第四頁，共五十二頁，2022年，8月28日（a）QPSK信號的相位關系（b）OQPSK信號的相位關系

圖8-1QPSK和OQPSK信號的相位關系第五頁，共五十二頁，2022年，8月28日由于OQPSK信號也可以看作是由同相支路和正交支路的2PSK信號的疊加，所以OQPSK信號的功率譜與QPSK信號的功率譜形狀相同。如果采用相干解調方式，理論上OQPSK信號的誤碼性能與相干解調的QPSK相同。但是，頻帶受限的OQPSK信號包絡起伏比頻帶受限的QPSK信號小，經限幅放大后頻譜展寬的少，所以OQPSK的性能優(yōu)于QPSK。在實際中，OQPSK比QPSK應用更廣泛。第六頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.3π/4四相相移鍵控第七頁，共五十二頁，2022年，8月28日圖8-3π/4-QPSK信號的星座圖第八頁，共五十二頁，2022年，8月28日第九頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.4最小頻移鍵控（MSK）第十頁，共五十二頁，2022年，8月28日第十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.4.1MSK信號的正交性第十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日第十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.4.2MSK信號的相位連續(xù)性第十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.4.3MSK信號的產生與解調第十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日圖8-7MSK信號的產生方框圖第十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日圖8-8MSK解調器原理框圖第十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.4.4MSK信號的頻譜特性第十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日圖8-9MSK、GMSK和OQPSK等信號的功率譜密度第十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.5高斯最小頻移鍵控（GMSK）第二十頁，共五十二頁，2022年，8月28日第二十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日第二十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.6正交幅度調制（QAM）正交振幅調制（QAM）是一種幅度和相位聯(lián)合鍵控（APK）的調制方式。它可以提高系統(tǒng)可靠性，且能獲得較高的信息頻帶利用率，是目前應用較為廣泛的一種數字調制方式。第二十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日正交振幅調制的信號表示正交振幅調制是用兩路獨立的基帶數字信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調制，利用已調信號在同一帶寬內頻譜正交的性質來實現(xiàn)兩路并行的數字信息傳輸。第二十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日一、時域表示第二十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日第二十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日二、矢量圖第二十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日圖8-1016QAM的星座圖對于M=16的16QAM來說，有多種分布形式的信號星座圖。兩種具有代表意義的信號星座圖如圖8-10所示。在圖8-10（a）中，信號點的分布成方型，故稱為矩形16QAM星座，也稱為標準型16QAM。在圖8-10（b）中，信號點的分布成星型，故稱為星型16QAM星座。第二十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日第二十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日由此可見，方型和星型16QAM兩者功率相差1.4dB。另外，兩者的星座結構也有重要的差別，一是星型16QAM只有兩個振幅值，而方型16QAM有三種振幅值；二是星型16QAM只有8種相位值，而方型16QAM有12種相位值。這兩點使得在衰落信道中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。但是由于方型星座QAM信號所需的平均發(fā)送功率僅比最優(yōu)的QAM星座結構的信號平均功率稍大，而方型星座的MQAM信號的產生及解調比較容易實現(xiàn)，所以方型星座的MQAM信號在實際通信中得到了廣泛的應用。當M=4,16,32,64時MQAM信號的星座圖如圖8-11所示。第三十頁，共五十二頁，2022年，8月28日圖8-11MQAM信號的星座圖第三十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.6.2MQAM信號的產生和解調第三十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日圖8-12QAM信號調制原理圖第三十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日圖8-13MQAM信號相干解調原理圖MQAM信號可以采用正交相干解調方法，其解調器原理圖8-13所示。多電平判決器對多電平基帶信號進行判決和檢測。第三十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.6.3MQAM信號的頻帶利用率第三十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.6.4MQAM信號的抗噪性能分析在矢量圖中可以看出各信號點之間的距離，相鄰點的最小距離直接代表噪聲容限的大小。比如，隨著進制數M的增加，在信號空間中各信號點間的最小距離減小，相應的信號判決區(qū)域隨之減小，因此，當信號受到噪聲和干擾的損害時，接收信號錯誤概率將隨之增大。下面我們從這個角度出發(fā)，來比較一下相同進制數時PSK和QAM的抗噪性能。第三十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日第三十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日第三十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.7 正交頻分復用（OFDM）第三十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.7.1多載波調制技術多載波調制技術是一種并行體制，它將高速率的數據序列經串/并變換后分割為若干路低速數據流，每路低速數據采用一個獨立的載波調制，疊加在一起構成發(fā)送信號，在接收端用同樣數量的載波對發(fā)送信號進行相干接收，獲得低速率信息數據后，再通過并/串變換得到原來的高速信號。多載波傳輸系統(tǒng)原理框圖如圖8-14所示。第四十頁，共五十二頁，2022年，8月28日圖8-14多載波傳輸系統(tǒng)原理框圖第四十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日在多載波調制方式中，子載波設置主要有3種方案。圖8-15（a）為傳統(tǒng)的頻分復用方案，它將整個頻帶劃分為N個互不重疊的子信道。在接收端可以通過濾波器組進行分離。圖8-15（b）為偏置QAM方案，它在3dB處載波頻譜重疊，其復合譜是平坦的。第三種方案為正交頻分復用（OFDM）方案，要求各子載波保持相互正交。第四十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日圖8-15子載波的兩種設置方案第四十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.7.2正交頻分復用技術第四十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日圖8-16OFDM調制原理框圖第四十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日圖8-17OFDM信號的頻譜結構示意圖