1、LOGO,第 8 章 新型数字带通调制技术, ,8.1 正交振幅调制 8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控 8.3 正交频分复用, ,随着 VLSI 和 DSP 技术的发展，一些性能上各有,所长但实现较复杂的新型调制系统得以广泛应用,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #1,8.1,正交振幅调制, ,QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 属于振幅、相位联合键控 APK,MASK、MPSK,分析, 从星座图可以观察到： 若信号的幅度 (功率) 不变，当 M 增
2、加时，相邻信号点的 欧氏距离减小，对应着噪声容限减小，抗噪声性能减弱,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #2,8.1 正交振幅调制 QAM 基本原理,QAM 基本原理 用两个独立的基带波形( 二进制/多进制)，对两路正交的 同频载波进行MASK-SC 调制，实现两路信号并行传输, ,正交载波：cosw0t 、cos(w0t /2) sinw0t 传输信号：s(t) mI(t)cosw0t mQ(t)sinw0t,mI(t) cosw0t,mI(t),cosw0t,s(t),-sinw0t mQ(
3、t),-sinw0t,mQ(t),通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011,DyNE All rights reserved,Page #3,低通 滤波,信道,90 移相,90 移相,低通 滤波,8.1 正交振幅调制,16QAM,4QAM QPSK 16QAM,Q,d,与 16PSK,比较，噪声容限：,A,I,当最大幅度相同时 AQAM APSK,d,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011,DyNE All rights reserved,Page #4,A,8.1 正交振幅调制,16QAM,设各符号等概，平均功率相等：,Q,d
4、,A,I,当平均功率相同时，16QAM 比 16PSK 的噪声容限大： 1.62 + 2.55 = 4.17 dB,d,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011,DyNE All rights reserved,Page #5,A,8.1,正交振幅调制,常用的星座图,常用的星座图：, ,4QAM 16QAM 32QAM 64QAM 128QAM 256QAM,M= 2N N 为偶数时， 星座图为矩形 N 为奇数时， 星座图为十字形,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page
5、 #6,8.1,正交振幅调制,QAM,调制与解调,比特率 波特率： Rb RBlog2 M QAM 调制与解调 1. 正交调幅法：,Q,10 11 01 00,用两路正交的 MASK,叠加实现,00,01,11,10,I,2,M L,Rb/2,coswct -sinwct,coswct -sinwct,Rb/2,通信原理 第 8 章,新型数字带通调制技术,Copyright 2011,DyNE,All rights reserved,Page #7,抽样判决 (L-1)门限,低通 滤波,2 L 电平转换,串并 变换,定时 脉冲,并串 变换,抽样判决 (L-1)门限,低通 滤波,2 L 电平转换
6、,8.1 正交振幅调制 QAM,调制与解调,2. 复合相移法：,用两路独立的 MPSK 叠加实现,1011,1001 1000,1110,1111,1010,1100,1101,10,11,10,11,00,01,00,01,0001,0000,0100 0101,0110,差分象限符号映射，格雷码符号映射,0011,0010,0111,16QAM 其他星座图： 例：V.29 (Modem),5 3, How ?,9600 b/s 2400 Baud fc 1700 Hz B 2400 Hz (500 2900 Hz),4.61,2.61,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyr
7、ight 2011 DyNE All rights reserved,Page #8,1,8.1,正交振幅调制,8QAM,8QAM,幅度控制,(1, 1),采用任一星座图 皆可实现： Rb = RBlog2M,通信原理 第 8 章,新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #9,二电平波形,1,二电平波形,二电平波形,四电平波形,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,最小移频键控 MSK 带宽最小、相位连续、包络恒定、频率正交的 2FSK,简单说明：从 CPFSK ( 连续相位 FSK ) 出发,什么情况下需 要相位修正
8、?,码元宽度为 Ts, ,f1 f2 且相位连续 允许在转换点修正 一个码元内累计相位,ak 0,f1,差为 ，周期数差半个,1,f2,1,c,2,0,f1,1, 0, 1, 奇 k 异码，则变 ,第 8 章 新型数字带通调制技术,通信原理,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #10,0,1,2,f f f f,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控 MSK, ,从载波来看，一个码元内两频率各自累计相位差 /2 一个码元内包含 Tc /4 的整数倍： 调制指数：h f /Rb fTs 0.5, ,f1 f2 且相位连续 允许在转换点修正 一
9、个码元内累计相位,ak 0,f1,差为 ，周期数差半个,1,f2,1,c,2,0,f1,fc, 奇 k 异码，则变 ,通信原理,第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #11,0,1,2,Tc /4 个数：7, 9 , 10 , 8,f f f f,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控 MSK, ,从载波来看，一个码元内两频率各自累计相位差 /2 一个码元内包含 Tc /4 的整数倍： 调制指数：h f /Rb fTs 0.5 以最小 f 实现了 CPFSK，故称最小移频键控 MSK,上述 f,是满足频率正交
10、性的最小频差，即 2wc,r 0 w,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #12,0,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK,信号的表示,MSK 信号的表示,jk：为保证相位连续加入的修正相位 附加相位函数,附加相位与修正相位的图示方法：,q,f2 = fc f1 =,fc +f,t,T,s,fc f,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #13,相差 n 即可连续,平滑相位,8.2 最小频移键
11、控和高斯最小频移键控,MSK,信号的表示,ak,MSK 信号的表示,jk：为保证相位连续加入的修正相位 附加相位函数,相位约束条件：k,码元开始相位 k 1 码元末尾相位,：邻码相同时，修正相位不变 ：邻码变化时，调整修正相位,设 j0 0；则 jk 0 或 ,(mod 2), 奇 k 异码，则变 ,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #14,0,1,2,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK 附加相位轨迹,qk,附加相位轨迹,2, ak = +1： /2 ak = -1： /2 相位 j
12、k 可直接依据： 纵轴交点：m 横轴交点：2mTs qk(t) 轨迹 ak,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,/Ts,-,-2,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #15,：邻码相同时，修正相位不变 ：邻码变化时，调整修正相位 设 j0 0；则 jk 0 或 (mod 2) 奇 k 异码，则变 ,k,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,ak,+1,+1,-1,+1,-1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,+1,jk,0,0,0,0,0,0,t,8.2 最小频移键控和高斯最小
13、频移键控,MSK 信号的正交表示法,MSK 信号的正交表示法,0,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011,DyNE All rights reserved,Page #16,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控 MSK,信号的正交表示法,Qk =ak Ik,MSK 可视作一种正交调制, 同相序列：Ik = cosjk,Ik = ak Qk Qk = ak cosjk, 正交序列：Qk = ak Ik ak Ik 、Qk,j0,=,0，I0,=,+1, 差分变换：bk ak bk1 串并变换：Ik 、Qk, ,k k,为偶数，Ik,不会变化,为奇数，Qk 不会
14、变化,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #17,：邻码相同时，修正相位不变 ：邻码变化时，调整修正相位 设 j0 0；则 jk 0 或 (mod 2) 奇 k 异码，则变 ,规 律,方 法,ak,a0,a1,a2,a3,a4,a5,Ik,I0,I1,I2,I3,I4,I5,Qk,Q0,Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,bk,I0,Q0,I1,Q2,I3,Q4,I5,加权 (调制) 函数,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控 MSK,信号的正交表示法,Qk,=ak Ik,MSK 可视作一种正交调制,
15、 ,同相序列：Ik = cosjk 正交序列：Qk = ak Ik,Ik = ak Qk Qk = ak cosjk,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011,DyNE All rights reserved,Page #18,k,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,ak,+1,+1,+1,-1,+1,-1,-1,-1,+1,-1,-1,jk,0,0,0,0,0,0,0,bk,+1,+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1,+1,+1,-1,+1,Ik,+1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,-1,-1,Qk,+1,+1,+1,+1
16、,-1,-1,-1,-1,+1,+1,+1,加权 (调制) 函数,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控 MSK 信号的正交表示法,Qk =ak Ik MSK OQPSK 相同点：Ik 、Qk 是偏移 (offset) 的 MSK OQPSK 不同点：两正交支路的包络是正弦波, ,根据,MSK,正交表达式可以实现,MSK,调制,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011,DyNE All rights reserved,Page #19,k,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,ak,+1,+1,+1,-1,+1,-1,-1,-1,+1,-1,-1,
17、jk,0,0,0,0,0,0,0,bk,+1,+1,+1,+1,-1,-1,+1,-1,+1,+1,-1,+1,Ik,+1,+1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,+1,+1,-1,-1,Qk,+1,+1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,+1,+1,+1,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK,信号的产生与解调,Qk,=ak Ik,MSK 信号的产生与解调 MSK 信号的产生方法,cosWt,coswct,ak,bk,sMSK(t),sinWt,-sinwct,bk = ak bk1,k,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All
18、rights reserved,Page #20,90 移相,Ik,串并 变换,Q,90 移相,差分 编码,带通 滤波,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控 MSK 信号的产生与解调,Qk =ak Ik,MSK 信号的产生与解调 MSK 信号的解调方法,1 0 1 0,q (t),k,1,t,2Ts, ,1. 2FSK 相干解调,0,2FSK 非相干解调 延时判决相干解调法,2. 3.,(2i1)T,(2i1)T,s,s,-sinwct,-sinwct,11、10：qk(t) 0，vo 0 00、01：qk(t) 0，vo 0,2iTs ,2(i1)Ts,通信原理 第 8 章 新型数字带通调
19、制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #21,积分判决,载波提取,积分判决,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK,信号的功率谱密度,MSK 信号的功率谱密度,Ps(f ),Ps(f ) /dB,1.0,QPSK, MSK 2PSK 2FSK,OQPSK,0,MSK 2PSK,-10 -20,0.5,-30 -40,(ffc)Tb,(ffc)Tb,0.5,1.0,1.5,0.75 1,2,3,4,通信原理,第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page
20、 #22,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK,信号的功率谱密度,MSK 信号的功率谱密度,90% 功率带宽： MSK、QPSK、OQSPK：B 1/Tb BPSK：B 2/Tb 99% 功率带宽： MSK：B 1.2/Tb QPSK、OQSPK：B 8/Tb MSK 与 QPSK 和 OQPSK 相比：功率谱密度更为集中，,旁瓣下降得更快，对临道干扰更小。,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #23,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控 MSK 信号的误码率性能,MSK 信号的误码率
21、性能 误码率性能与接收方式有关： 1. 用匹配滤波器接收时，误比特率性能与 2PSK、QPSK 及 OQPSK 等的性能一样 2. 用 2FSK 相干解调时，误比特率性能比 2PSK 信号的性,能差,3 dB,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #24,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控 高斯最小频移键控 GMSK,高斯最小频移键控 GMSK,MSK： 已调信号具有恒定包络，功率谱在主瓣以外衰减较快 GMSK：(Gaussian Filtered Minimus Shift Keying) 移
22、动通信要求信号带外辐射功率必须衰减 70 dB 以上， MSK 信号仍不能满足此要求 GMSK 是 MSK 的改进，满足对邻道干扰的严格要求， 被泛欧数字蜂窝移动通信系统 (GSM) 所采用。 基带矩形波形通过预调制滤波，得到较好的频谱特性， 然后再进行 MSK 调制：,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #25,MSK 调制器,预调制 滤波器,P,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控 高斯最小频移键控,GMSK,预调制滤波器 采用高斯型低通滤波器,Bb：滤波器的 3 dB 带宽 冲激响应为高斯
23、型：,GSM 蜂窝网采用的是 BbTb 0.3 的 GMSK 从冲激响应可见 ， GMSK 存在码间串扰,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011,DyNE All rights reserved,age #26,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,高斯最小频移键控,GMSK,功率谱密度,(dB),10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 -110,0.2,-120,0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All righ
24、ts reserved,Page #27,QPSK,MSK,0.16,BbTb=,0.3,0.5,: TFM,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控 高斯最小频移键控 GMSK,GMSK 信号中包含给定功率百分比的射频带宽,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #28,功率 BbTb,90%,99%,99.9%,99.99%,0.2 GMSK,0.52 Rb,0.79 Rb,0.99 Rb,1.22 Rb,0.25 GMSK,0.57 Rb,0.86 Rb,1.09 Rb,1.37 Rb,0. 5
25、GMSK,0.69 Rb,1.04 Rb,1.33 Rb,2.08 Rb, MSK,0.78 Rb,1.20 Rb,2.76 Rb,6.00 Rb,8.3,正交频分复用 OFDM, ,Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM 是一种并行 (多载波) 传输体制 串行体制：使用一个载波，符号流为串行 为了提高信息速率，码元持续时间 Tb 占用带宽 B ， 信道特性不理想时，面临较严重的多径衰落和码间串扰 FDM 将信道分为N 个子信道，子信道的特性接近理想， 每路仅传输数据的 1/N，Tb 可提高抗多径衰落能力 传统 FDM： 每个子载波间隔较
26、大，有隔离带；简单、频带利用率低 OFDM： 各子载波频谱有 1/2 重叠，但相互正交，带宽节省 1/2,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #29,8.3,正交频分复用,OFDM,频率正交条件,结论：,k,i, ,一个码元内含整数载波周期，最小频率间隔为 1/Ts 幅度及相位的变化不影响正交性,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #30,MSK 为 1/(2Ts)，是 j j 时的特例,8.3 正交
27、频分复用 OFDM,OFDM 发展： 并非新出现的技术，早期用于军用无线高频通信系统， 但设备复杂，费用昂贵 1980 年代，提出了采用 IDFT 实现多载波调制的方法， 降低了实现的复杂程度和成本，使 OFDM 技术实用化 OFDM 的特点： 各路子信道的已调信号频谱有重叠；频带利用率高 各路子载波是严格正交的，接收端利用相关接收技术， 可完全分离各路信号 每路子载波的调制是多进制调制 根据各路子信道特性的不同，各路子载波可采用不同的 调制制度：2DPSK、DQPSK、16QAM、.,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights r
28、eserved,Page #31,8.3 正交频分复用 OFDM,波形、频谱及频带利用率,M-ary,code,log2M,bit,OFDM： Rb Nlog2M (1/Ts ) BOFDM (N 1)(1/Ts ),.,N 路 子 载 波,单载波 M 进制传输：对比, 要求满足：Rb log2M (N/Ts ), 码元速率：RB N/Ts 占用带宽：B = 2(N/Ts ),可见，OFDM 的频带利用率比单载波体制提高约一倍,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #32,1/Ts f,Ts,8.3,正交频分复用,OFDM,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #33,8.3 正交频分复用,OFDM,OFDM 应用：, ,ADSL：非对称数字环路 HDSL：高速数字环路 HDTV：高清晰度电视的地面广播系统 DAB：数字音频广播 DVB：数字视频广播 WLAN：无线局域网 IEEE 802.11a、802.11g 4G：下一代蜂窝移动通信网,通信原理 第 8 章 新型数字带通调制技术,Copyright 2011 DyNE All rights reserved,Page #34,
