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1、课 件,新型数字调制,通信原理（第7版）,第8章,樊昌信 曹丽娜 编著,正交振幅调制 （QAM）最小移频键控（MSK）高斯最小移频键控（GMSK）正交频分复用（OFDM）,本章内容:,第7章 数字调制,第8章 新型数字调制,正交振幅调制 （QAM）,8.1,（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）,一种振幅和相位联合键控的数字调制技术,所有信号点（）平均分布在同一个圆周上。圆周半径等于信号幅度。,观察MPSK的星座图：,在信号幅度相同（即功率相等）条件下： 进制数 M 增加，星座图上相邻信号点的距离越小 这意味着在相同噪声条件下，系统的误码率增大,需求背景,问
2、题引出,如何增大距离，以减小误码率呢 ？,Q&A,针对问题,解决途径,M 增加，距离越来越小,增大相邻信号点间的距离,增大圆周半径（信号功率 ）来增大相邻信号点的距离，,容易想到的一种办法：,-往往会受发射功率的限制。,解决途径,在不增大圆半径基础上（即不增加信号功率）， 重新安排信号点的位置，以增大相邻信号点的距离。,正交振幅调制 QAM : 一种把 ASK 和 PSK 结合起来的调制方式。,一种更好的设计思想：,这种思想的可行性方案：,振幅 和 相位 联合键控的调制方式。,(星座结构),设计思想,QAM是一种振幅和相位联合键控的调制方式，其频谱利用率高，抗噪声性能优于MPSK，在中大容量数
3、字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信等领域获得广泛应用。,16QAM信号 16PSK信号,最大振幅同为AM,最小距离,此最小距离代表噪声容限的大小。,举例 对比,最小距离,噪声容限越大，抗噪声性能就越强。,d2超过d1约1.57 dB（最大功率(振幅)相等条件下） d2超过d1约4.12 dB（平均功率相等条件下）,16QAM是最具有代表性的MQAM信号，此外：,表明：16QAM 比16PSK 的噪声容限大，抗噪能力强。,比较：,M=4时，QPSK信号就是一种最简单的QAM信号,注： QAM星座图除方型结构外，还有星型或其他结构,M=64、256时，QAM信号的星座图：,若信号功
4、率相同，选择信号点间距离最大的结构， 若最小距离相同，选择平均功率最小的星座结构。 振幅环个数：应少，有利于实现自动增益控制； 相位的个数：应少，有利于实现载波相位跟踪。,星座结构,不仅影响到已调信号的功率谱特性， 而且影响已调信号的解调及其性能。,设计准则,星座结构影响系统性能！,2种振幅值8种相位值,3种振幅值12种相位,方型16QAM,星型16QAM,在多径衰落信道中，信号振幅和相位取值越多，受到的影响越大，因而星型 比方型更具有吸引力。,但方型星座的QAM信号的产生与接收更易实现。,在 QAM 中，载波 的振幅和相位同时受基带信号控制，因此， 它的一个码元可表示为：,展开为：,MQAM
5、信号可由两路载波正交的 ASK信号叠加而成,式中： Xk = Akcosk，Yk = -Aksink Ak、k、 Xk和Yk分别可以取多个离散值,16QAM信号的产生,表明：,正交调幅法： 用两路正交的4ASK信号叠加，即可形成 16QAM信号。,方形 MQAM 利用两个同频正交载波 在同一带宽内 实现了 两路并行的 L ASK信号的传输。,X (t) 和Y (t)分别与相互正交的两路载波相乘（调制），形成两路互为正交的4ASK信号，最后将两路信号相加即可得到16QAM信号。,输入的二进制序列（每4个“abcd”比特为一组）经过串/并变换器输出速率减半的两路并行序列（上支路ac和下支路bd）；
6、然后分别经过2- 4电平变换，形成4电平基带信号X (t) 和Y (t)。,复合相移法： 用两路独立的QPSK信号叠加，即可形成 16QAM信号。,大圆上的4个红点表示第一个QPSK信号矢量的位置。,在这4个位置上可以叠加上第二个QPSK矢量，后者的位置用虚线小圆上的4个小黑点表示。,由于16QAM信号的16个信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数均有4个（+3、+1、-1、-3），对应低通滤波器输出的4电平基带信号，因而4电平判决器应有3个判决电平：+2、0、-2。,16QAM信号的解调,正交相干解调,4 电平判决器对 4 电平基带信号进行判决和检测，再经 4-2 电平转换和 并/串 变换器最
7、终输出二进制数据。,以上两式适用于其他线性数字调制信号。, MQAM利用两个同频正交载波在同一带宽内实现了两路并行的LASK信号的传输， MQAM的频带利用率:,MQAM信号的谱零点带宽,频带利用率：,（bps/Hz）,以上两式也适用于其他线性数字调制信号。,在实际中，往往需要对2-L电平转换后的L电平基带信号 进行脉冲成形滤波，以抑制已调信号的带外辐射。,脉冲成形滤波器通常是滚降系数为的升余弦滤波器。这时，MQAM信号的带宽:,最小频移键控（MSK）,8.2, 2FSK的改进型,问题引出：,键控2FSK缺点：相位不连续、占用频带宽和功率谱旁瓣衰减慢等。,OQPSK和/4-QPSK虽然不会像Q
8、PSK那样发生180相位突变，但未根本解决包络起伏问题。,相位不连续引起,MPSK（ 如QPSK）缺点：载波相位突变（ 180 ） 旁瓣大（频谱扩展）干扰邻道 ；包络起伏大 。,究其原因：,需求背景,23,解决途径：,改善已调波的相位路径,已调波的频谱特性与相位路径密切相关！,（恒包络调制技术 的发展思路 ）,采用相位连续变化的调制方式CPM,MSK就是一种包络恒定、相位连续、频差最小，并且严格正交的2FSK（CPFSK）信号。,正交两个频率的信号不相关，即,的互相关系数 0, 因此，MSK 称为最小频移键控， 又称快速频移键控（FFSK，Fast FSK）。,频差最小意味占用带宽最小、 调制
9、指数最小：h=0.5,它相比OQPSK 和QPSK ，功率谱更为集中，即 旁瓣衰减更快，对邻道干扰小，适用于移动通信。,25,8.2.1 正交2FSK信号的最小频率间隔,设 2FSK信号码元的表示式为,欲满足正交条件，则要求互相关系数,即要求,上式积分结果为,若设1+0 1，则上式左端第1和3项0，故有,由于1和0是任意常数，故必须同时有,上式才等于零,应当令,即要求,当取m = 1时，满足正交条件的最小频率间隔：,上面讨论中，假设初始相位1和0是任意的，它在接收端无法预知，因此只能采用非相干接收方法。,对于相干接收，则要求初始相位是确定的，在接收端是预知的，这时可令1 - 0 = 0。 于是
10、，下式,可化简为,即仅要求,相干接收时，保证正交的2FSK信号的最小频率间隔：,8.2.2 MSK信号的基本原理,1 MSK信号的频率间隔,MSK信号第k个码元表示：,k-保证在t=kTB时刻信号相位连续而加入的相位常数。,这里TB=Tb,c -载频；,TB -码元宽度；,ak = 1（对应输入码元“1”和 “0”）；,当输入码元“1”时 (ak = +1) ，码元频率 f1= fc + 1/(4TB)当输入码元“0”时 (ak = - 1) ，码元频率 f0= fc - 1/(4TB),最小频差:,调制指数:,2 MSK码元中波形的周期数,可改写为,式中,MSK信号应满足正交条件：,N 正整
11、数,由此推出,表明：MSK信号在每个码元周期内必须包含四分之一 载波周期的整数倍。,还可写成,或,并有,T1 = 1 / f1T0 = 1 / f0,含义：一个码元时间TB内包含的正弦波周期数。,两种码元包含的正弦波数均相差1/2个周期。,当 N =1，m = 3 时 “1”的一个码元内有 2 个正弦波周期。 “0”的一个码元内有1.5个正弦波周期。,3 MSK信号的相位连续性,前一码元末尾的相位 = 后一码元起始的相位,相位连续条件:,即在码元转换时刻 t=kTB，满足：,相位约束条件。据此确定初相k，使相位连续。,若设k-1的初始参考值等于0，则,MSK信号的相位路径:,第k个码元的附加相
12、位：,斜率 截距 直线方程,若ak =+1，则k(t) 线性增加 /2,任一TB内,若ak = -1，则k(t) 线性减小 /2,37,附加相位k(t)的路径示例：,-1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 +1,0 0 1 0 1 1 0 1,在码元转换时刻，MSK信号的附加相位是连续的！,38,附加相位k(t)的全部可能路径：,上例 0 0 1 0 1 1 0 1,39,模2运算后的附加相位路径：,设发送数据序列为 0010110101，采用MSK方式传输，码元速率为 1200Baud，载波频率为2400Hz。 （1）试求“0”符号和“1”符号对应的频率； （2）画出 MSK信号时间波形；
13、 （3）画出 MSK信号附加相位路径图（初始相位为0）。,（1）设“0”对应 f0 ，“1” 对应 f1，则有,解,（2）MSK信号时间波形如图所示：,（3）MSK信号附加相位路径图：,可见：在码元转换时刻，MSK信号的相位是连续的。,4 MSK信号的正交表示法,进行展开，表示成频率为fc的两个正交分量：,将MSK信号,以及,正交分量(Q),同相分量( I ),则,由式,可知,仅当 ak ak-1，且k为奇数 时，pk才改变：pk = - pk-1 仅当 ak ak-1，且k为偶数 时，qk才改变：qk = -qk-1,k和qk不可能同时改变,k和ak同时改变时， qk =ak pk不改变,4
14、6,同相支路(I )数据和正交支路（Q）数据每隔2TB秒 才有可能改变符号， 且I 支路与Q支路的码元在时间上错开TB。,k在cos(t/2Ts)的过零点处才可能改变； qk在sin (t/2TB)的过零点处才可能改变； 因此，加权函数cos(t/2TB)和sin (t/2TB)都是正负符号不同的半个正弦波周期。这样就保证了波形的连续性。,设k = 0时为初始状态，输入序列 ak： +1， -1，+1，-1， -1， +1， +1， -1，+1,由此例可见，pk和qk不可能同时改变符号。,MSK信号举例,取值表,这里TB=Tb,可见：MSK信号波形相当于一种特殊的OQPSK信号波形，其正交的两
15、路码元也是偏置的，特殊之处主要在于其包络是正弦形，而不是矩形。,波形图,8.2.3 MSK信号的产生与解调,1 MSK信号的产生方法,2 MSK信号的解调方法,多种。如同2FSK,可以采用相干或非相干解调；鉴频器解调法，相关接收法等。,延时判决相干解调法,考察k = 1和k = 2的两个码元。设1(t) = 0，则在t 2TB时，k(t)的相位可能为0或，见图 A。,将这部分放大为图 B：,原理,图B,图A,在解调时，若用cos(ct + /2)作为相干载波与MSK信号相乘，则得到:,低通滤波，并去掉常数(1/2)后，得到输出电压：,按照输入码元ak的取值不同， v0的轨迹图如下：,若输入的两
16、个码元:,则k(t)在(0 t 2TB)的值：,“+1, +1” 或“+1, -1”,“-1，+1”或“-1，-1”,为正,为负,按照此法，在TB t 3TB期间积分， 就能判断 第 2 个 接收码元的值，依此类推。,若在(0 t 2TB)期间对 积分，则,积分结果为正值，说明第1个接收码元为“+1”积分结果为负值，说明第1个接收码元为“-1”,55,图中两个积分判决器的积分时间长度均为2TB，但是错开时间TB。上支路的积分判决器先给出第2i个码元输出，然后下支路给出第(2i+1)个码元输出。,此法利用前后两个码元的信息对于前一个码元作判决，故可以提高数据接收的可靠性。,方框图,8.2.4 M
17、SK信号的功率谱,注意: 图中横坐标是以载频为中心画的，即横坐标代表(f fc),可见：与QPSK 和OQPSK相比，MSK的谱密度更为集中，即旁瓣下降得更快，故对相邻频道的干扰较小。,归一化 单边功率谱密度Ps(f)：,（平均功率 1 W时）,包含90信号功率的带宽近似值为： 对于QPSK、OQPSK、MSK： B 1/TB Hz对于BPSK： B 2/TB Hz包含99信号功率的带宽近似值为：对于 MSK： B 1.2/TB Hz对于 QPSK及OQPSK： B 6/TB Hz对于 BPSK： B 9/TB Hz 由此可见，MSK信号的带外功率下降非常快。,计算表明,8.2.5 MSK信号
18、的误码性能,MSK信号是用极性相反的半个正（余）弦波形去调制两个正交的载波。 因此，当用匹配滤波器分别接收每个正交分量时，MSK信号的误比特率性能和2PSK、QPSK及OQPSK等的性能一样。 但是，若把它当作FSK信号用相干解调法在每个码元持续时间TB内解调，则其性能将比2PSK信号的性能差3dB。,信号的包络恒定；在码元转换时刻，信号的相位连续；信号的频偏等于1/4TB，调制指数h=0.5；在一个码元期间，附加相位线性变化/2； 在每个码元周期内必须包含1/4 载波周期的整数倍； 两种码元包含的正弦波数均相差1/2个周期；功率谱密度的主瓣较QPSK宽，但滚降速率较快。,MSK信号的主要特点
19、；,移动通信系统要求：信号谱的旁瓣相对于主瓣峰值应低于60 70dB。尽管MSK信号具有较好的频谱特性和误码性能， 但仍不能满足此要求。因此，需要对MSK的带外频谱特性进行改进， 使其衰减速度加快。,进一步改进,GMSK,GMSK的功率谱密度比MSK的更加集中，旁瓣进一步降低，能满足蜂窝移动通信环境下对带外辐射的严格要求。,在MSK调制之前，用一个高斯型低通滤波器对矩形的输入基带信号进行预处理，这种体制称为GMSK。,8.2.6 高斯最小频移键控(GMSK),（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）,高斯型低通滤波器,B滤波器的3dB带宽BTb
20、归一化3dB带宽,传递函数 冲激响应,62,62,BTb越小，输出脉冲的宽度越大，ISI越严重。,让一个高为1，持续时间为(-Tb/2+Tb/2)的矩形方波通过该滤波器，则其输出脉冲g(t)在Tb/2变得圆滑。,高斯滤波器的矩形脉冲响应,GMSK信号的相位路径,可见：消除了MSK相位路径在码元转换时刻的相位转折点,没有相位转折点，该时刻的导数也是连续的，即信号的频率不会突变，这将使信号谱的旁瓣衰减更快。,64,GMSK信号的的功率谱密度,BTb越小，功率谱的衰降越快,BTb越小，输出脉冲宽度越大，ISI越严重。, GMSK的缺点, GMSK的优点,在第二代 移动通信系统（GSM）中，采用BTb
21、 = 0.3的GMSK调制。,65,正交频分复用（OFDM）,8.3, 一种多载波调制技术,（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ）,具有较强的抗多径传播和抗频率选择性衰落的能力以及较 高的频谱利用率，在高速无线通信系统中得到了广泛应用。,多载波调制,它是将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送，前面介绍的各种数字调制方式都属于单载波体制。,问题引出,单载波调制,8.3.1 概述,单个,载波上,它是将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送，前面介绍的各种数字调制方式都属于单载波体制。,问题引出,单载波调制,8.3.1 概述,TB,高速数据信
22、号的码元持续时间TB 短，但占用带宽B大 信道特性|C(f)|不理想，将产生码间串扰 ISI。,|C(f)|,信道最大多径迟延差, TB max ，产生频率选择性衰落。,需复杂的均衡,68,NTB,B/N,解决途径,信道 N个子信道，高速 N 路 低速子数据流， 分别调制到各子载波上并行传输。,多载波调制,串/并,分成,带宽: Bi = B/N 码元持续时间: Ti = NTB 数据传输速率: Ri = RB/N,信道的相关带宽,信道最大多径迟延max,TB,正交频分复用（OFDM）, 一类多载波并行调制体制,将高速数据流分散调制到多个子载波上并行传输，从而使各子 载波的信号速率大为降低； 子
23、信道上的信号带宽信道的相关带宽， 每个子信道上可看成是平坦性衰落，从而可消除ISI 、提高抗多径和抗衰落的能力。, 各路子载波的已调信号频谱有1/2重叠 提高了频率利用率和总传输速率；,设计思想,子信道的均衡也相对容易, 各路已调信号是严格正交的 便于接收端分离各路信号，减少子信道之间的相互干扰（ICI）； 每路子载波的调制制度可以不同根据每个子载波处信道特性的优劣不同采用不同的体制。, 对信道产生的频率偏移和相位噪声很敏感； 信号峰值功率和平均功率的比值较大，这将会降低射频功率放大器的效率； 对同步要求严格。,8.3.2 OFDM的基本原理,表 示 式,设OFDM系统中有N个子信道，每个子信
24、道采用的子载波为：,式中，Bk 、fk、k 分别为 第k路子载波的振幅、频率、初始相位； Bk 受基带码元的调制。则此系统中的 N 路子信号之和为：,可改写成：,式中，Bk是一个复数，为第k路子信道中的复输入数据。,即,正交条件,为了使这 N 路子信道信号在接收时能够完全分离，要求它们满足正交条件。在TB内，任意两个子载波都正交的条件是：,积分结果为,其中，m = 整数和n = 整数；并且k和i可以取任意值。,上式等于0的条件：,这就是子载频正交的条件。,即要求子载频满足 fk = k/2TB ，式中 k = 整数；且要求子载频间隔f = fk fi = n/TB，故要求的最小子载频间隔为：,
25、OFDM的频域特性,OFDM信号（各子载波合成后）频谱：,各相邻子载波的频率间隔等于最小容许间隔：,单个子载波频谱：,设一个子信道中，子载频 fk 、码长TB， 则此码元的波形和频谱密度：,由图可见：各路子载波的频谱是相互重叠的，但在一个码元持续时间内它们是正交的。这样不但减小了子载波间的相互干扰（ICI )，同时又提高了频谱利用率OFDM的一大优点。,可按照各个子载波所处频段的信道特性采用不同的调制制度，因而具有很大的灵活性。OFDM的又一个重大优点。,OFDM的频带利用率,设OFDM系统中共有N路子载波，子信道码元间隔为TB，每路子载波均采用M 进制的调制，则它占用的频带宽度为,因为一路子
26、信道的比特率为,OFDM信号的比特率为,所以OFDM的频带利用率为,并行的OFDM体制与串行的单载波体制相比，频带利用率大约提高一倍。,当N很大时,若用单个载波的M 进制码元传输，为得到相同的传输速率，则码元间隔应缩短为(TB /N)，而占用带宽等于(2N/TB)，故频带利用率为,8.3.3 OFDM的实现,OFDM的历程,多载波调制技术始于1957年，主要用于军事无线通信中，但因结构复杂而限制了它的应用。,1971年，Weinstein和Ebert撰文提出了采用离散傅里叶变换（IDFT/DFT）实现多载波调制/解调的解决方案，以此取代复杂的硬件结构，使得以OFDM为代表的多载波调制技术开始走
27、向实用。,由于快速傅里叶变换（FFT）是实现DFT计算的简化算法，所以采用FFT更能显著降低多载波传输系统的复杂度。但在当时，由于缺乏数字处理功能强大的元器件，因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展。,随着超大规模集成电路和数字信号处理器（DSP）芯片技术的迅猛发展，FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其他难以实现的困难也都得到了解决，从而使OFDM系统的付诸应用成为现实。,OFDM信号的调制,基于IDFT/DFT的OFDM信号调制原理图：,基于IFFT/FFT的OFDM信号调制原理图：,基于IFFT/FFT的OFDM信号接收原理图：,OFDM的应用,OFDM技术已广泛用于各种通信系统。例如，接入网中的高速数字环路（HDSL）、非对称数字环路（ADSL）、高清晰度数字电视（HDTV）的地面广播系统、无线局域网（WLAN）等，并且开始应用于无线广域网（WWAN）。 在移动通信领域，OFDM是第3代、第4代（4G）移动通信系统准备采用的关键技术之一。,配套辅导教材：,曹丽娜 樊昌信,编著,国防工业出版社,整理知识 归纳结论梳理关系 引导主线剖析难点 解惑疑点强化重点 点击考点,谢谢！,
