第8章 新型數(shù)字帶通調(diào)制技術

第8章新型數(shù)字帶通調(diào)制技術第一頁，共43頁。主要外語詞匯正交振幅鍵控QAM（Quadrature-AmplitudeModulation）最小頻移鍵控

MSK（MinimumShiftKeying）高斯最小頻移鍵控GMSK（GaussianMSK）

正交頻分復用

OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）

第二頁，共43頁。作業(yè)P2571，2第三頁，共43頁。本章主要內(nèi)容

8.1正交振幅調(diào)制QAM8.2

最小頻移鍵控MSK和高斯最小頻移鍵控GMSK8.3

正交頻分復用OFDM第四頁，共43頁?！?/p>

8.1正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制（QAM：Quadrature-AmplitudeModulation）1、正交調(diào)幅原理:理論上早已證明，信道中同時傳輸相同頻率的兩個正交信號(如正弦和余弦)是不會發(fā)生的混淆的，它們占用一個信號的帶寬傳輸。因此，人們常用一對正交載波去調(diào)制兩個信號疊加后傳輸。sk(t)=Xkcosω0t＋Yksinω0t第五頁，共43頁。更常見的做法是把一個信號經(jīng)串/并變換后，分別用正弦載波和余弦載波去各調(diào)一路然后合并。正如在四元調(diào)相中所作過的那樣，那里是對雙極性不歸零碼去調(diào)制。如果改用單極性不歸零碼，則成為四元正交調(diào)幅（4QAM）。QAM是利用正交載波對兩路信號分別進行雙邊帶調(diào)制形成的。串/并變換二元序列a

b4QAM信號-/2COS0tsin0tTs第六頁，共43頁。當a=1，b=1時：S11(t)=A(cosω0t+sinω0t)=A(cosω0t+sinω0t)=A(cos45ocosω0t+sin45osinω0t)=Acos(ω0t-45o)S4QAM(t)=A(acosω0t+bsinω0t)=Acos(ω0t+k)當a=1，b=0時：S10(t)=Acosω0t;當a=0，b=1時：S01(t)=Asinω0t;當a=0，b=0時：S00(t)=0;第七頁，共43頁。10011以（sn）=(1101001011)→(）為例：11001t10011acosω0tt11001bsinω0tt1101001011snt1101001011S4QAM(t)第八頁，共43頁。

采用相干解調(diào)，A、B兩路分別用本地載波cos(ω0t)和sin(ω0t)去相乘：S4QAM(t)=A(acosω0t+bsinω0t)A路：S4QAM(t)cosω0t=[a

(1+cos2ω0t)+bsin2ω0t]B路：S4QAM(t)sinω0t=[asin2ω0t+b(1-cos2ω0t)]低通濾波后，A路：a；B路：b；BPF-/2COS0tLPF抽樣判定并/串LPF抽樣判定4QAM信號sin0t二元序列ab第九頁，共43頁。只要使用正交調(diào)制，必然引入多種相位，調(diào)相是不可避免的，正交調(diào)幅必然是幅相聯(lián)合鍵控。4QAM的4種組態(tài)中包含了3種幅度和3種相位：組態(tài)11011000幅度AAA0相位45o90o0o無

把4個組態(tài)用矢量表示在相量圖上，矢量端點的分布圖稱為“星座圖”。Acosω0tAsinω0t11011000i第十頁，共43頁。與16PSK的最小星點距離d1=2AMsin11.25o=0.39AM比較，16QAM比16PSK的分辨率（噪聲容限）要大一些。設信號組態(tài)矢量的最大振幅為AM，不難求出16QAM星點之間的最小距離：d2=AM/3=0.47AMd2

iAM

16元正交調(diào)幅存在16種幅、相聯(lián)調(diào)組態(tài)。典型的信號星座圖如下圖所示。2、16QAM調(diào)制:d111.25oAM16PSK16QAM第十一頁，共43頁。

信號矢量端點的分布圖稱為星座圖。通常，可以用星座圖來描述QAM信號的信號空間分布狀態(tài)。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所示。(a)方型16QAM星座（標準型16QAM）；(b)星型16QAM星座16QAM的星座圖第十二頁，共43頁。星型16QAM信號平均功率是方型16QAM信號平均功率的1.4倍。另外，兩者的星座結(jié)構(gòu)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。第十三頁，共43頁。M=4,16,32,…,256時，MQAM信號的星座圖如圖所示。其中，M=4,16,64,256時星座圖為矩形，而M=32,128時星座圖為十字形。前者M為2的偶次方，即每個符號攜帶偶數(shù)個比特信息；后者M為2的奇次方，即每個符號攜帶奇數(shù)個比特信息。第十四頁，共43頁。MQAM信號的星座圖第十五頁，共43頁。§

8.2最小頻移鍵控和高斯最小頻移鍵控數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制，由于已調(diào)信號包絡恒定，因此有利于在非線性特性的信道中傳輸。由于一般移頻鍵控信號相位不連續(xù)、帶寬較大等原因，使其頻譜利用率較低。本節(jié)將討論的MSK（MinimumFrequencyShiftKeying）是二進制連續(xù)相位FSK的一種特殊形式。MSK稱為最小頻移鍵控，有時也稱為快速頻移鍵控(FFSK)。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；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。第十六頁，共43頁。

由功率譜知2FSK的帶寬為：|f1-f0|+2fs=Δf+2fs;要減少2FSK的帶寬,就要減小兩個載頻之間的距離。fcf1f1+fsf0+fsf0-fsf0f1-f0=Δffc=(f0+f1)/2f1-fsf0fcf1

Δf/2Δf/2然而當兩個載頻之間距離小于2fs后，會造成兩頻譜主峰的交迭而使兩種碼元混淆。如果能讓兩種碼元的頻譜“交而不混”，就能進一步減小兩個載頻之間的距離。1、怎樣使FSK具有最小的帶寬？第十七頁，共43頁。只要適當選取ω1,ω2和1,0值，讓S1(t)與S0(t)正交，就能使二載頻相距很近而不發(fā)生混雜。正交條件為

fc=kfs/4

和

Δf=n/(2Ts)=nfs/2；

從時域看：在正交條件下盡量讓Δf小，取n=1，就有：Δf=fs/2于是:f1=fc+Δf/2=fc+fs/4=(k+1)fs/4;

f0=fc-Δf/2=fc-fs/4=(k-1)fs/4；B=1.5fs

；由

f1-f0

=Δffc=(f1+f0)/2例如fs=1000Hz時，Δf=500Hz，B=1500Hz；若取k=10，則fc=2500Hz，f1=2750Hz，f0=2250Hz；第十八頁，共43頁。首先，載頻f0和f1必須取自同一個振蕩源，選用它不同的分頻。其次，f0和f1的數(shù)值還應當合理選用?？梢宰C明，只要f0和f1的數(shù)值滿足正交條件：

fc=kfs/4和Δf=fs/2就能使波形連續(xù)。2、怎樣使2FSK波形連續(xù)?例如，fc=fs，結(jié)果是每經(jīng)過一個“0”碼，余弦波形少1/4周期；每經(jīng)過一個“1”碼，余弦波形多1/4周期；從而使波形正好銜接。10fs的5/4fs的3/4第十九頁，共43頁。在一個碼元時間Ts內(nèi)，MSK信號可表示為其中kTs≤t≤(k+1)Ts

，k=0,1,…式中，k(t)稱為附加相位函數(shù)；ωc為載波角頻率；Ts為碼元寬度；ak為第k個輸入碼元，取值為±1；

k為第k個碼元的相位常數(shù)，在時間kTs≤t≤(k+1)Ts中保持不變，其作用是保證在t=kTs時刻信號相位連續(xù)。3、MSK信號一般原理第二十頁，共43頁。瞬時角頻率為則MSK信號參數(shù)：ak=+1（傳號頻率）ak=－1（空號頻率）中心頻率（常稱此為載頻）最小頻差為調(diào)制指數(shù)第二十一頁，共43頁。MSK信號波形舉例100111第二十二頁，共43頁。附加相位函數(shù)ak=+1，k(t)增大/2；ak=－1，k(t)減小/2。MSK的相位網(wǎng)格圖Ts3Ts5Ts9Ts7Ts11Ts0k(t)第二十三頁，共43頁。從以上分析總結(jié)得出，MSK信號具有以下特點：（1）MSK信號是恒定包絡信號；（2）MSK信號的相位是分段線性變化的，同時在碼元轉(zhuǎn)換時刻相位仍是連續(xù)的。以載波相位為基準的信號相位在一個碼元期間內(nèi)線性地變化±/2；（3）在一個碼元期間內(nèi)，信號應包括四分之一載波周期的整數(shù)倍，信號的頻率偏移等于fs/4，相應的調(diào)制指數(shù)h=0.5，帶寬為1.5fs

。第二十四頁，共43頁。MSK信號調(diào)制器原理圖差分編碼串/并變換振蕩f=1/4T振蕩f=fs移相/2移相/2cos(t/2Ts)qkpkqksin(t/2Ts)sin(t/2Ts)cosstsinstakbk帶通濾波MSK信號－pkcos(t/2Ts)cosstqksin(t/2Ts)sinstpkcos(t/2Ts)4、MSK信號的產(chǎn)生和解調(diào)第二十五頁，共43頁。MSK信號相干解調(diào)器原理圖第二十六頁，共43頁。5、MSK信號的功率譜MSK信號的歸一化（平均功率＝1W時）單邊功率譜密度Ps(f)的計算結(jié)果如下：第二十七頁，共43頁。由圖可以看出，與2PSK相比，MSK信號的功率譜更加緊湊，其第一個零點出現(xiàn)在0.75/Ts處，而2PSK的第一個零點出現(xiàn)在1/Ts處。這表明，MSK信號功率譜的主瓣所占的頻帶寬度比2PSK信號的窄；當(f-fc)→∞時，MSK的功率譜以(f-fc)-4的速率衰減，它要比2PSK的衰減速率快得多，因此對鄰道的干擾也較小。MSK信號的歸一化功率譜第二十八頁，共43頁。第二十九頁，共43頁。高斯最小移頻鍵控(GMSK)由上一節(jié)分析可知，MSK調(diào)制方式的突出優(yōu)點是已調(diào)信號具有恒定包絡，且功率譜在主瓣以外衰減較快。但是，在移動通信中，對信號帶外輻射功率的限制十分嚴格，一般要求必須衰減30dB以上。從MSK信號的功率譜可以看出，MSK信號仍不能滿足這樣的要求。高斯最小移頻鍵控(GMSK)就是針對上述要求提出來的。GMSK調(diào)制方式能滿足移動通信環(huán)境下對鄰道干擾的嚴格要求，它以其良好的性能而被泛歐數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)(GSM)所采用。第三十頁，共43頁。MSK調(diào)制是調(diào)制指數(shù)為0.5的二進制調(diào)頻，基帶信號為矩形波形。為了壓縮MSK信號的功率譜，可在MSK調(diào)制前加入預調(diào)制濾波器，對矩形波形進行濾波，得到一種新型的基帶波形，使其本身和盡可能高階的導數(shù)都連續(xù)，從而得到較好的頻譜特性。為了有效地抑制MSK信號的帶外功率輻射，預調(diào)制濾波器應具有以下特性：(1)帶寬窄并且具有陡峭的截止特性；(2)脈沖響應的過沖較??；(3)濾波器輸出脈沖響應曲線下的面積對應于π/2的相移。其中條件(1)是為了抑制高頻分量；條件(2)是為了防止過大的瞬時頻偏；條件(3)是為了使調(diào)制指數(shù)為0.5。一種滿足上述特性的預調(diào)制濾波器是高斯低通濾波器。第三十一頁，共43頁。GMSK(GaussianFilteredMinimumShiftKeying)調(diào)制原理圖第三十二頁，共43頁?！?/p>

8.3正交頻分復用單載波調(diào)制和多載波調(diào)制比較：單載波體制：碼元持續(xù)時間Ts短，但占用帶寬大；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。

第三十三頁，共43頁。多載波調(diào)制原理fttBBTNT單載波調(diào)制多載波調(diào)制f|C(f)||C(f)|ffc(t)t第三十四頁，共43頁。OFDM(正交頻分復用)技術實際上是MCM(Multi-CarrierModulation，多載波調(diào)制)的一種。其主要思想是，將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ICI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。第三十五頁，共43頁。第三十六頁，共43頁。fk＋2/Tsfk＋1/Tsfkff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雖然由圖上看，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。第三十七頁，共43頁。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