第4章-調(diào)制技術...ppt

1、,第五章 調(diào)制技術主講人：劉勁聯(lián)系方式：,主要內(nèi)容,5.1 數(shù)字調(diào)制技術介紹 5.2 信號成形 5.3 蜂窩無線系統(tǒng)中的調(diào)制 5.4 正交頻分復用,概述,問題一：為什么要采用調(diào)制技術？ 問題二：根據(jù)上學期通信原理中已經(jīng)學 過的知識，分析何種調(diào)制方式更適合移動信 道？,調(diào)制在通信系統(tǒng)中占有十分重要的地位，只有經(jīng)過調(diào)制才能將基帶信號轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號，而且它對系統(tǒng)的傳輸有效性和可靠性都有很大的影響。,調(diào)制信號,已調(diào)信號,載波,幅度,相位,頻率,概述,在無線移動信道中，當衰落和多徑條件很惡劣時，設計一個能抵抗移動信道損耗的調(diào)制方案，是一項具有挑戰(zhàn)性的工作，研究的最終目的就是在無線信道中以

2、盡可能好的質(zhì)量同時占用最少的帶寬來傳輸信號。,概述,概述,第一代蜂窩系統(tǒng) AMPS：模擬FM 第二代蜂窩系統(tǒng) D-AMPS：824-849MHz（上行） 869-894MHz（下行） /4正交相移鍵控(/4QPSK) IS-95(CDMA)：QPSK(上行)，OQPSK(下行) GSM：890-915MHz(上行) 935-960MHz(下行) 高斯最小移頻鍵控(0.3 GMSK),一、數(shù)字調(diào)制的性能指標 功率有效性P (Power Efficiency)：反映調(diào)制技術在低功率電平情況下保證系統(tǒng)誤碼性能的能力，可表述成每比特的信號能量與噪聲功率譜密度之比： 帶寬有效性B (Spectral E

3、fficiency)：反映調(diào)制技術在一定的頻帶內(nèi)數(shù)字有效性的能力，可表述成在給定帶寬條件下每赫茲的數(shù)據(jù)通過率：,5.1 數(shù)字調(diào)制技術介紹,由香農(nóng)(Shannon)定理： 因此，最大可能的BMAX為 對于GSM，B=200kHz，SNR=10dB，則有： 對于GSM目前實際數(shù)據(jù)速率為270.833kb/s，只達到信道容量的40%。,一、數(shù)字調(diào)制的性能指標,數(shù)字調(diào)制的目的在于使傳輸?shù)臄?shù)字信號與信道特性相匹配，必須具有優(yōu)良的頻譜特性和抗干擾、抗衰落性能； 移動通信要求采用恒定包絡數(shù)字調(diào)制技術; 應盡量避免幅-相轉(zhuǎn)換(AM/PM)效應; 要求調(diào)制方式具有最小的功率譜占用率。,二、蜂窩系統(tǒng)對數(shù)字調(diào)制技術

4、的要求,三、幾種基本的數(shù)字調(diào)制方式,調(diào)制信號為二進制數(shù)字信號時的調(diào)制方式統(tǒng)稱為二進制數(shù)字調(diào)制。在這類調(diào)制中，載波的某個參數(shù)（如幅度、頻率或相位）只有兩種變化的狀態(tài)。由于兩種狀態(tài)的切換與通斷鍵控相當，所以二進制調(diào)制分為幅度鍵控、頻移鍵控和相移鍵控三種。,1. 二進制幅度鍵控BASK,又稱為開關鍵控OOK，已調(diào)信號的幅度有兩種狀態(tài)變化。 數(shù)學表達式： 已調(diào)信號波形：,BASK的功率譜密度： BASK的帶寬：2B,(b) 功率譜密度Ps(f)的曲線,1. 二進制幅度鍵控BASK,1. 二進制幅度鍵控BASK,特點：,信號突然消失和再次出現(xiàn)需要無限的帶寬,已調(diào)信號的幅度有變化,信號成形,不適合移動通信

5、系統(tǒng)！,已調(diào)信號的頻率有兩種狀態(tài)變化。 數(shù)學表達式： 已調(diào)信號波形：,2. 二進制頻率鍵控BFSK,恒包絡變換,2FSK的功率譜： 2FSK的帶寬：,2. 二進制頻率鍵控BFSK,已調(diào)信號的相位有兩種狀態(tài)變化。 數(shù)學表達式： 已調(diào)信號波形：,3. 二進制相移鍵控BPSK,恒包絡變換,BPSK在接收端必須使用相干參考信號，才能確定BPSK信號的相位變化，所以BPSK信號只有與作為基準的相干參考信號比較相位才有意義。 產(chǎn)生相位模糊,3. 二進制相移鍵控BPSK,BPSK的功率譜密度： BPSK的帶寬： 2B,3. 二進制相移鍵控BPSK,4. 性能比較,-6 -3 0 3 6 9 12 15 18

6、 信噪比r (dB),1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7,Pe,誤碼率曲線,5.2 信號成形,一、概述 1. 信號成形的目的 如：2ASK：幅度的突變無限帶寬 2PSK：相位的突變無限帶寬 實際中不可能出現(xiàn)陡峭的突變，但是相位的變化一定會導致不需要的信號傳輸帶寬的增加和相應的由于有限的傳輸帶寬而導致的傳輸信號幅度的變化。 必須采取一定的措施保證已調(diào)信號的帶寬在系統(tǒng)指定的帶寬內(nèi)。,一、概述,2. 基本形式,碼元的時間中點,特點： 在從1到0的轉(zhuǎn)換期間 保持平滑； 中心有最大值，兩邊平緩下降； 成形可以在基帶實行， 也可以直接在載頻上實 行，結(jié)果是一樣的。,一

7、、概述,2. 基本形式,脈沖的寬度和它的帶寬 彼此互為反相關關系。 h(t)的寬度減小，則基帶 信號序列的帶寬增加； h(t)的寬度增加，則基帶 信號序列的帶寬減??；,一、概述,2. 基本形式,t,脈沖的寬度和它的帶寬 彼此互為反相關關系。 h(t)的寬度減小，則基帶 信號序列的帶寬增加； h(t)的寬度增加，則基帶 信號序列的帶寬減小； 符號間干擾與帶寬 之間要權衡折中。,0.5,1. 正弦滾降成形的特例升余弦成形,二、正弦滾降成形,1. 正弦滾降成形的特例升余弦成形,二、正弦滾降成形,帶寬：B = c/ 傳輸速率：Rb = 1/T =c/ 速率帶寬比： Rb / B = 1（bit/s/H

8、z）,2. 正弦滾降成形的一般形式 對于 令 則上式變?yōu)?稍加修改：,二、正弦滾降成形,2. 正弦滾降成形的一般形式,1,速率帶寬比： R / B =2/(1+r) 1(bit/s/Hz) 衰落速度有所變化,滾降因子r=fx/fc 1 帶寬B=fc+fx =(R/2)(1+fx/fc) =(R/2)(1+r),2. 正弦滾降成形的一般形式,1,速率帶寬比： R / B =2/(1+r) 1(bit/s/Hz) 衰落速度有所變化,滾降因子r=fx/fc 1 基帶帶寬B=fc+fx =(R/2)(1+fx/fc) =(R/2)(1+r),2. 正弦滾降成形的一般形式,對于OOK或PSK傳輸?shù)臒o線帶

9、寬，有 2B=R(1+r) 令傳輸帶寬為BT，則有 BT =R(1+r),3. 正弦滾降成形在移動通信中的應用,1,D-AMPS：r=0.35的正弦滾降成形 帶寬30kHz，若使用PSK的調(diào)制方式，則最大的二進制傳輸率是R=30000/1.35=22.2kbps。 日本PDC系統(tǒng)：r=0.5的正弦滾降成形 帶寬25kHz，若使用PSK的調(diào)制方式，則最大的二進制傳輸率是R=16.7kbps。,5.3 蜂窩無線系統(tǒng)中的調(diào)制,一、QPSK四相相移鍵控 四進制PSK，正交相移鍵控，是MPSK調(diào)制中最常用的一種調(diào)制方式。QPSK中，載波的相位為4個間隔相等的值，如，0、/2、和3/2 ，每個相位值都與唯

10、一的信息比特組相對應，因此也稱為四相相移鍵控。 由于一個調(diào)制碼元中傳輸兩個比特，QPSK比BPSK的帶寬效率高兩倍。,一、QPSK正交相移鍵控,1.多進制相移鍵控(MPSK) 基本原理： MPSK信號碼元可以表示為 式中，k受調(diào)制的相位，其值決定于基帶碼元的取值； A 信號振幅，為常數(shù)； k = 1, 2, M。 令A=1，然后將其展開寫成 式中， 由上式看出，M-PSK信號碼元可以看作是兩個正交的MASK信號碼元之和。因此，其帶寬和后者的帶寬相同。,一、QPSK正交相移鍵控,2. QPSK的生成 同時傳輸兩個相同頻率的載波，一個載波與另一個正交： 和 令二者的可能幅度為 若兩個載波經(jīng)成形函數(shù)

11、h(t)成形，則 根據(jù)ai和bi的不同，可以得到4個可能的信號。,2. QPSK的生成,2. QPSK的生成,2PSK的矢量圖,3. QPSK的星座圖分析,QPSK信號的星座圖,3. QPSK的星座圖分析,8PSK信號的星座圖,3. QPSK的星座圖分析,QPSK調(diào)制信號具有恒包絡特性，但它偶爾會發(fā)生相移，導致信號的包絡在瞬時間通過零點。任何一種在過零點的硬限幅或非線性放大，都將由于信號在低電壓時的失真而在傳輸過程中帶來已被濾除的旁瓣。而為了防止旁瓣的再生和頻譜擴展，必須使用效率較低的線性放大器。 OQPSK在任意時刻發(fā)送信號的最大相移都限制在/2和 -/2，消除了1800相位跳變，所以信號限

12、帶不會導致信號包絡經(jīng)過零點。,二、OQPSK交錯正交相移鍵控,二、OQPSK交錯正交相移鍵控,QPSK,OQPSK,OQPSK調(diào)制器中 同相和正交支路 時間交錯的 波形圖,OQPSK調(diào)制器,三、/4QPSK四相相移鍵控,/4 QPSK相移調(diào)制是一種正交相移鍵控技術，從最大相位跳變來看，它是OQPSK和QPSK的折中。它可以相干解調(diào)，也可以非相干解調(diào)，以避免相干檢測中相干載波的相位模糊問題。 /4 QPSK的相移都限制在45o、-45o、135o和-135o，因此，帶限/4 QPSK信號保持恒包絡的性能比帶限后的QPSK好，但比OQPSK更容易受包絡變化的影響。 /4 QPSK最吸引人的特性就是

13、能夠非相干解調(diào)（采用差分編碼），這將大大簡化接收機設計。 另外，在多徑擴展和衰落的情況下， /4 QPSK的工作性能要優(yōu)于OQPSK。,三、/4QPSK四相相移鍵控,MPSK調(diào)制方式中，信號的包絡是恒定的，也即只有相位的變化。 如果幅度與相位同時受到調(diào)制，則得到了振幅相位聯(lián)合鍵控(APK) ，也即正交幅度調(diào)制QAM。 QAM的表達式為,四、QAM正交幅度調(diào)制,MQAM 又稱星座調(diào)制,如果幅度與相位同時受到調(diào)制，則得到了振幅相位聯(lián)合鍵控(APK) ，也即正交幅度調(diào)制QAM。 QAM的表達示為 蜂窩網(wǎng)絡通常不使用該調(diào)制方式，但無線局域網(wǎng)中采用了。 QAM是28.8kbps的電話線調(diào)制解調(diào)器的基礎，

14、是56kbps的調(diào)制解調(diào)器之前所使用的技術。,四、QAM正交幅度調(diào)制,非恒包絡調(diào)制,舉例：設家用或商用的銅電話線可以傳輸頻率范圍從300-3000Hz的信號，采用16QAM調(diào)制方式。,四、QAM正交幅度調(diào)制,300Hz,3000Hz,1650Hz,1,0.5,r = 0.125，f0=1650Hz,試計算： RB=？ Rb=？ 若采用212QAM呢？,五、MSK最小頻移鍵控,1.基本原理 MSK是一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控，其最大頻移位比特率的1/4。更確切地說，MSK是調(diào)制系數(shù)為0.5的連續(xù)相位的FSK。FSK信號的調(diào)制系數(shù)類似于FM調(diào)制系數(shù)，定義為 調(diào)制系數(shù)0.5對應著能夠容納兩路正交F

15、SK信號的最小頻帶，最小頻移鍵控的由來就是指這種調(diào)制方法的頻率間隔是可以進行正交檢測的最小帶寬。,2. 表達式,五、MSK最小頻移鍵控,3. MSK的優(yōu)點 不存在相位的急劇變化 帶寬較窄 頻帶受限時，包絡不會有過零的現(xiàn)象,五、MSK最小頻移鍵控,4. GMSK,五、MSK最小頻移鍵控,e-1/2=0.61,4. GMSK 帶寬比普通的MSK小 代價：符號間的干擾增大了,五、MSK最小頻移鍵控,現(xiàn)應用在基于銅電話接入線的高速DSL調(diào)制解調(diào)中。 也作為IEEE標準802.11g和802.11a的一部分被標準化，用在無線局域網(wǎng)(WLAN)中54Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸上。 也被建議用于先進蜂窩系統(tǒng)中。

16、,5.4 正交頻分復用OFDM,一、基本原理 OFDM對無線系統(tǒng)的應用是基于無線系統(tǒng)對更高比特率、更高數(shù)據(jù)傳輸帶寬的要求而來的。 但是，當傳輸帶寬增大時，會產(chǎn)生頻率選擇性衰落和隨之而來的信號失真（符號間干擾）。 OFDM通過把信號傳輸頻譜分成狹窄的片段，并在這些片段中平行地傳輸信號從而減弱了這個效應。 如果這些頻率段足夠狹窄，平坦或非頻率選擇性衰落就會產(chǎn)生，每段上的傳輸信號將會被無失真接收。,5.4 正交頻分復用OFDM,5.4 正交頻分復用OFDM,傳輸速率：R 碼元寬度：T=1/R 帶寬：B=R(1+r),將其分成N個序列，平行傳輸： 傳輸速率：R/N 碼元傳輸間隔：Ts=N/R 帶寬：B=R(1+r),5.4 正交頻分復用OFDM,f (Hz),頻率間隔：f=1/Ts 傳輸帶寬：B=Nf,5.4 正交頻分復用OFDM,平坦衰落的發(fā)生需要傳輸帶寬B和時延擴展av滿 足的條件： av1/2B 因此，必須有f1/2av，代入f=1/Ts，則 Ts=N/R av,5.4 正交頻分復用OFDM,例1：設傳輸帶寬為1MHz，傳輸比特率800kbps(奈奎斯特滾降因子為0.25)。時延擴展為1s（1/2B=0.16 s ），會引起頻率選擇性衰落，同時產(chǎn)生符號間串擾。利用10個間隔為100kHz的載波的OFDM，符號間串擾就會減弱，在10個平行的100kHz寬的信道上干擾就是平坦衰