现代调制技术.ppt
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1、 6.1 正交振幅调制(QAM) 6.2 最小移频键控(MSK) 6.3 高斯最小移频键控(GMSK) 6.4 DQPSK调制 现代数字调制解调技术 囤 参 县 屠 奎 箕 峦 得 裔 帅 癸 到 顾 主 换 亦 詹 嘲 药 服 鼎 九 萨 川 柔 碎 娃 骄 妈 箍 深 豹 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 现代数字调制解调技术 在通信原理课程中我们讨论了数字调制的三种基 本方式:数字振幅调制、数字频率调制和数字相 位调制,然而,这三种数字调制方式都存在不足 之处,如频谱利用率低、抗多径抗衰落能力差、 功率谱衰减慢带外辐射严重等。为了改善这些不 足,近几十年来人们不断地提出一些
2、新的数字调 制解调技术,以适应各种通信系统的要求。例如 ,在恒参信道中,正交振幅调制(QAM)和正交频 分复用(OFDM)方式具有高的频谱利用率,正交 振幅调制在卫星通信和有线电视网络高速数据传 输等领域得到广泛应用。 额 硒 燕 份 泅 萨 沃 蔡 蛰 眠 粮 蓟 特 炙 沸 锅 购 埂 臼 具 危 蝉 挥 句 件 驼 瘁 蝉 南 父 替 篓 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 而正交频分复用在非对称数字环路ADSL 和高清晰度电视HDTV 的地面广播系统等得 到成功应用。高斯最小移频键控(GMSK)和 /4DQPSK 具有较强的抗多径抗衰落性能 ,带外功率辐射小等特点,因而在移
3、动通信 领域得到应用。高斯最小移频键控用于泛欧 数字蜂窝移动通信系统(GSM),/4 DQPSK 用于北美和日本的数字蜂窝移动通 信系统。 下面分别对几种具有代表性的数字调制 系统进行讨论。 酸 宋 涧 承 活 云 溉 装 父 党 线 性 咐 捏 斧 郑 泣 纲 阳 扛 佣 患 线 拴 膜 彼 歉 饥 盈 弧 贫 槐 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 6.1正交振幅调制(QAM) 在现代通信中,提高频谱利用率一直是人们关注的 焦点之一。近年来,随着通信业务需求的迅速增长, 寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系 统设计、研究的主要目标之一。正交振幅调制 QAM(Quadr
4、ature Amplitude Modulation)就是一种频谱 利用率很高的调制方式,其在中、 大容量数字微波通 信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统 等领域得到了广泛应用。在移动通信中,随着微蜂窝 和微微蜂窝的出现,使得信道传输特性发生了很大变 化。 过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制 也引起人们的重视 篡 奔 葵 蔫 拟 员 苗 私 襟 毁 权 约 议 霜 荫 究 案 糊 语 宿 扶 亥 童 彦 缠 卒 派 盲 髓 鳞 浩 赞 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 6.1.1MQAM调制原理 正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正 交的同频载波进
5、行抑制载波的双边带调制,利用这种已调信号 在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输 。 正交振幅调制信号的一般表示式为 sMQAM(t)= 式中,An是基带信号幅度,g(t-nTs)是宽度为Ts的单个基带 信号波形。 式(6.1 - 1)还可以变换为正交表示形式: sMQAM(t)= 截 刀 勉 佬 份 棱 畜 赔 整 摈 亿 胸 味 画 咖 侩 鬃 摊 百 姑 南 企 半 割 稿 私 魁 襄 险 赂 兰 船 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 sMQAM(t)= 令 Xn=An cos Yn=Ansin 则式(6.1 - 2)变为 sMQAM(t)= QAM中的振幅
6、Xn和Yn可以表示为 Xn=cnA Yn=dnA 很 舜 杜 肆 踢 缆 摈 泣 疤 赃 卡 愧 旋 臼 怠 盏 渴 扰 储 暑 绷 倾 剖 蓑 淄 果 旧 筒 羔 坎 案 镐 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 式中,A是固定振幅,cn、dn由输入数据确定。cn、dn决 定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。 QAM信号调制原理图如图 6 - 1 所示。图中,输入的二进 制序列经过串/并变换器输出速率减半的两路并行序列, 再 分别经过2电平到L电平的变换,形成L电平的基带信号。 为 了抑制已调信号的带外辐射,该L电平的基带信号还要经过 预调制低通滤波器,形成X(t)和Y(t),
7、再分别对同相载波和正 交载波相乘。 最后将两路信号相加即可得到QAM信号。 坛 仲 急 隐 歇 嗓 免 聊 恍 萝 锡 邀 巳 啡 赏 想 凋 茁 猫 祈 煞 逗 锈 萄 埂 友 献 宙 浸 贼 八 纠 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 图6-1 QAM信号调制原理图 火 咱 苔 哟 哲 把 阎 二 踢 钝 腔 滓 愿 蔽 粪 斜 禹 做 熄 胁 脆 前 粕 蚤 仰 读 绘 微 衣 烫 鼻 焙 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 信号矢量端点的分布图称为星座图。通常,可以用星座 图来描述QAM信号的信号空间分布状态。对于M=16的 16QAM来说,有多种分布形式的信号
8、星座图。 两种具有代 表意义的信号星座图如图 6 - 2 所示。在图 6 - 2(a)中, 信号 点的分布成方型,故称为方型16QAM星座,也称为标准型 16QAM。在图 6 - 2(b)中,信号点的分布成星型,故称为星 型16QAM星座。 若信号点之间的最小距离为2A,且所有信号点等概率 出现,则平均发射信号功率为 蓄 散 浅 篙 引 孽 祟 姿 焦 珊 耐 赢 产 瓷 纠 垛 删 界 硝 份 萄 媒 柜 迹 糠 甸 舞 瘟 障 蛰 抽 谎 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 图 6- 216QAM的星座图 (a) 方型16QAM星座; (b) 星型16QAM星座 徐 号 枚 松
9、 场 掐 字 源 嫂 铂 概 蒸 啤 薪 钟 气 果 蒙 萨 暖 柒 髓 烽 究 擎 啊 贪 忌 用 淹 琅 糜 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 对于方型16QAM,信号平均功率为 对于星型16QAM,信号平均功率为 两者功率相差1.4dB。另外,两者的星座结构也有重要的 差别。一是星型16QAM只有两个振幅值,而方型16QAM有 三种振幅值;二是星型16QAM只有8种相位值,而方型 16QAM有12种相位值。这两点使得在衰落信道中,星型 16QAM比方型16QAM更具有吸引力。 萝 危 次 茹 碰 蒲 税 岁 氏 檀 旁 抚 圣 欧 厂 捅 腐 颊 翱 釜 到 马 请 弯 师
10、 婿 屎 蚌 泪 鲸 章 韧 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 M=4, 16, 32, , 256时MQAM信号的星座图如图 6 - 3 所示 。其中,M=4, 16, 64, 256 时星座图为矩形,而M=32, 128 时星 座图为十字形。前者M为2的偶次方,即每个符号携带偶数个 比特信息;后者M为2的奇次方,即每个符号携带奇数个比特 信息。 若已调信号的最大幅度为1,则MPSK信号星座图上信号 点间的最小距离为 dMPSK=2 sin 而MQAM信号矩形星座图上信号点间的最小距离为 镀 荚 噎 峡 悔 卜 称 买 硷 皮 猴 鸣 灯 稻 汁 蛾 塔 食 貌 矣 幌 颧 烽
11、 癣 赶 为 献 缚 用 浪 疤 景 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 图6-3 MQAM信号的星座图 吓 钦 鸿 亭 氓 听 亩 憾 止 毁 咳 销 俩 负 临 赛 沙 很 呜 踊 腥 或 吱 踪 吾 芯 惟 趁 容 床 潘 囚 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 dMQAM= 式中,L为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电 平数,M=L2。由式(6.1 - 6)和(6.1 - 7)可以看出,当M=4时, d4PSK=d4QAM,实际上,4PSK和4QAM的星座图相同。当M=16 时,d16QAM=0.47,而d16PSK=0.39,d16PSKd16QAM。
12、这表明, 16QAM系统的抗干扰能力优于16PSK。 良 农 魏 楷 证 午 干 兔 谦 惩 睛 转 侠 棘 锨 彭 邓 甚 告 葫 崔 电 烟 程 龋 音 爵 心 际 既 止 秸 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 6.1.2 MQAM解调原理 MQAM信号同样可以采用正交相干解调方法, 其解调器原 理图如图 6 - 4 所示。解调器输入信号与本地恢复的两个正交 载波相乘后,经过低通滤波输出两路多电平基带信号X(t)和 Y(t)。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测,再经 L电平到2电平转换和并/串变换器最终输出二进制数据。 涅 乳 叙 碉 询 俱 苑 痪 桂 蔫 泡 路
13、筛 情 琉 嘴 甲 刽 芽 书 婴 贝 弄 搂 二 番 巫 膀 媚 凑 耗 俐 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 图 6-4MQAM信号相干解调原理图 费 苛 芭 脉 峰 有 雀 淘 弦 壬 蜀 虫 颇 捞 俯 男 趣 雹 太 碴 呕 预 萄 憾 首 五 锡 娇 赁 宪 住 太 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 6.1.3MQAM抗噪声性能 对于方型QAM,可以看成是由两个相互正交且独立的 多电平ASK信号叠加而成。因此,利用多电平信号误码率的 分析方法,可得到M进制QAM的误码率为 Pe= 式中,M=L2,Eb为每比特码元能量,n0为噪声单边功率谱密度 。 图 6
14、 -5 给出了M进制方型QAM的误码率曲线。 该 又 光 燕 骂 优 榨 饱 幢 熊 茧 蛙 题 痞 缴 弦 祈 牙 舍 胞 桐 壶 躇 科 儒 撵 阀 先 煞 乙 店 剑 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 图 6- 5 M进制方型QAM的误码率曲线 泵 蝎 搞 朗 娥 佣 撵 盆 急 临 札 较 鼻 唐 形 漾 头 藻 祷 孵 涧 陕 分 皂 霜 跟 界 触 本 稠 住 柔 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 6.2 最小移频键控(MSK) 数字频率调制和数字相位调制,由于已调信号包络恒定, 因此有利于在非线性特性的信道中传输。由于一般移频键控信 号相位不连续、频偏
15、较大等原因,使其频谱利用率较低。本节 将讨论的MSK(Minimum Frequency Shift Keying)是二进制连续 相位FSK的一种特殊形式。MSK称为最小移频键控,有时也称 为快速移频键控(FFSK)。所谓“最小”是指这种调制方式能以最 小的调制指数(0.5)获得正交信号; 而“快速”是指在给定同样的 频带内,MSK能比2PSK的数据传输速率更高,且在带外的频 谱分量要比2PSK衰减的快。 苞 煤 皂 桑 霸 获 君 继 聂 啼 呼 叁 雕 添 访 跃 龙 蕉 驰 泽 虏 针 赂 衰 棕 极 减 垃 轿 单 搭 衍 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 6.2.1 M
16、SK 的基本原理 MSK是恒定包络连续相位频率调制, 其信号的表示式为 sMSK(t)= cos 其中 kTst(k+1)Ts, k=0, 1, 令 则式(6.2 - 1)可表示为 sMSK(t)= cosct+k(t) 甥 榔 嫂 矿 诸 酣 疹 聂 掇 姓 搽 霸 哦 迂 抿 诬 骄 笛 鸭 栗 股 迪 衫 沸 指 犹 盎 丘 竹 移 冯 开 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 式中,k(t)称为附加相位函数;c为载波角频率;Ts为码元 宽度;ak为第k个输入码元,取值为1;k为第k个码元的相 位常数,在时间kTst(k+1)Ts中保持不变,其作用是保证在 t=kTs时刻信号相
17、位连续。 令 k(t)=ct+ 则 由式(6.2 - 5)可以看出,MSK信号的两个频率分别为 槽 蛙 刷 搀 棍 价 恃 猿 逼 煞 准 搔 徒 讫 愧 趟 保 立 钦 喧 贰 龚 蛀 肥 锗 倦 懂 寸 邹 耘 搂 碌 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 f1=fc- f1=fc+ 中心频率fc应选为 fc= 式(6.2 - 8)表明,MSK信号在每一码元周期内必须包含四分之 一载波周期的整数倍。fc还可以表示为 fc= (N为正整数; m=0, 1, 2, 3) 相应地MSK信号的两个频率可表示为 f1= 格 擒 出 认 凄 饼 痴 抽 传 辩 述 货 葬 磅 适 铆 脾 耀
18、 空 兢 豺 瓜 喘 噬 拳 毫 般 萍 漆 膛 鱼 循 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 由此可得频率间隔为 f=f2-f1= MSK信号的调制指数为 h=f Ts= 当取N=1, m=0 时,MSK信号的时间波形如图 6 - 6 所示。 拂 璃 它 空 巍 穗 遂 详 柏 谎 动 答 轮 裴 腰 睹 暴 疾 藤 蛙 弯 洽 辫 乳 御 炯 谰 郑 胸 全 棱 剃 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 图6-6 MSK 信号的时间波形 铃 究 舟 寐 俊 晰 傣 琢 簇 溺 暇 赣 歹 鲍 免 兔 衅 练 踢 石 柑 甄 辑 广 淑 锄 逐 船 捻 甫 敲 裔 现 代
19、 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 k=k-1+(ak-1-ak) ak=ak-1 akak-1 式中,若取k的初始参考值0=0,则 k=0 或 (模2)k=0, 1, 2, 上式即反映了MSK信号前后码元区间的相位约束关系, 表明MSK信号在第k个码元的相位常数不仅与当前码元的取值 ak有关,而且还与前一码元的取值ak-1及相位常数k-1有关。 对第k个码元的相位常数k的选择应保证MSK信号相位在 码元转换时刻是连续的。根据这一要求,由式(6.2 - 2)可以 得到相位约束条件为 揖 呜 泌 城 堰 纤 譬 锈 株 絮 锐 帚 祷 精 踪 弗 阻 朵 注 换 饮 羚 叛 落 霄 递 宇
20、 服 睛 碌 果 来 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 由附加相位函数k(t)的表示式(6.2 - 2)可以看出,k(t)是一 直线方程,其斜率为 , 截距为k。由于ak的取值为1, 故 是分段线性的相位函数。因此,MSK的整个相位路径 是由间隔为Ts的一系列直线段所连成的折线。在任一个码元期 间Ts,若ak=+1,则k(t)线性增加 ;若ak=-1, 则k(t)线性减小 。对于给定的输入信号序列ak,相应的附加相位函数k(t)的波 形如图 6 - 7 所示。 对于各种可能的输入信号序列,k(t)的所有可能路径如图 6 - 8 所示,它是一个从-2到+2的网格图。 伶 络 诈 贴
21、 囊 陛 莱 囤 修 僵 弥 当 莎 诀 痞 濒 欧 检 蹭 镶 反 的 嫌 前 羽 镭 煽 挑 腔 搓 碗 渴 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 图 6 7 附加相位函数k(t)的波形图 卯 幢 用 譬 逸 约 篱 开 撇 便 适 旱 娜 搁 渠 制 秀 虞 燎 阂 痪 烃 郎 骂 樱 冈 梧 膝 郁 饰 惦 捏 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 图 6 -8MSK的相位网格图 诵 落 隅 拾 孕 懒 透 溪 峙 抑 锨 森 责 驮 坞 肯 酗 槛 宙 寨 茎 雀 荷 驾 吃 蔫 曾 春 依 悉 艾 拉 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 从以上分析总
22、结得出,MSK信号具有以下特点: (1)MSK信号是恒定包络信号; (2)在码元转换时刻,信号的相位是连续的,以载波相位 为基准的信号相位在一个码元期间内线性地变化 ; (3) 在一个码元期间内, 信号应包括四分之一载波周期的 整数倍,信号的频率偏移等于 ,相应的调制指数h=0.5。 下面我们简要讨论一下MSK信号的功率谱。对于由式(6.2 - 1)定义的MSK信号,其单边功率谱密度可表示为 跌 鹏 镇 档 龄 告 吓 酉 弄 麓 痕 求 庭 糙 睁 捣 晌 悼 由 潭 澜 汲 兔 锰 陆 孽 蚀 倚 竭 遏 幸 挥 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 根据式(6.2 - 16)画
23、出MSK信号的功率谱如图 6 - 9 所示。 为了便于比较,图中还画出了2PSK信号的功率谱。 由图 6 - 9 可以看出,与2PSK相比,MSK信号的功率谱 更加紧凑, 其第一个零点出现在0.75/Ts处,而2PSK的第一个 零点出现在1/Ts处。这表明,MSK信号功率谱的主瓣所占的 频带宽度比2PSK信号的窄;当(f-fc)时,MSK的功率谱以 (f-fc)-4的速率衰减,它要比2PSK的衰减速率快得多,因此对 邻道的干扰也较小。 汽 唇 赫 仟 赖 消 寄 得 琴 盾 栏 粕 熔 椎 侯 馏 伴 设 罕 孵 糖 盟 栗 伏 年 汲 巨 稻 窟 溯 敲 炎 现 代 调 制 技 术 现 代
24、调 制 技 术 图 6 - 9MSK信号的归一化功率谱 削 钟 团 辞 拦 轧 维 变 痢 涛 亩 穆 删 矩 谜 搅 趋 饰 蛰 宫 术 汐 彤 坪 牲 钢 世 仓 镭 陨 把 责 现 代 调 制 技 术 现 代 调 制 技 术 6.2.2 MSK调制解调原理 由MSK信号的一般表示式(6.2 - 3)可得 sMSK(t)= cosct+k(t)=cosk(t) cosct-sink(t) sinct (6.2 - 17) 因为k(t)= +k 代入式(6.2 - 17)可得 sMSK(t)=coskcos 兆 鲤 掠 坞 县 汹 疗 上 为 盅 捐 烁 穴 陈 碗 疮 柞 动 弯 溪 盖
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