通信原理及SystemView仿真测试第8章新型数字带通调制技术.ppt

8.1 正交振幅调制及仿真 8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控及仿真 8.3 正交频分复用及仿真 8.4 仿真实训,第8章 新型数字带通调制技术,1. QAM的调制和解调 所谓正交幅度调制，是用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行调幅的双边带调制，然后将已调信号加在一起进行传输或发射。它是一种振幅和相位联合键控，其表达式为 (8-1),8.1 正交振幅调制及仿真,式中： k为表示进制的整数； sk(t)为联合键控信号的一个码元； Ak、k为多个离散值。将式(8-1)展开整理，得 (8-2) 令Xk=Ak cosk, Yk=Ak sink,则 (8-3) 由式(8-3)可以看出， QAM信号可以看成是两个正交的振幅键控信号之和，mI(t)为同相信号，mQ(t)为正交信号。由于在其矢量图平面上分布如星座，故QAM调制又称星座调制。其调制和解调原理框图分别如图8-1和8-2所示。为了抑制已调信号的带外辐射，该M电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器。,图8-1 QAM调制原理框图,图8-2 QAM解调原理框图,在式(8-1)中，当Ak取A，k取/4时，此时的QAM信号就是上一章讲的QPSK信号，它是一种最简单的QAM信号，如图8-3所示。目前研究较多的是16QAM (十六进制的QAM信号)，其星座图如图8-3所示。类似地，还有64QAM、256QAM。,图8-3 QAM信号矢量图,下面以16QAM为例说明整个过程，其表达式为 (8-4) 用4个二进制符号a1a2b1b2就可以表示出16个数，其星座图的编码规则为 (1) 任意相邻两点的编码的码距(不同位的个数)为1；,(2) 横坐标相同的点其a1a2编码必相同，纵坐标相同的点其b1b2编码必相同。 利用上述规律进行相量分解，任意一个矢量都可以分解成振幅为1 V或3 V同相分量和正交分量之和，如图8-4所示，且进制M与振幅个数L之间的关系为 (8-5) a1a2(或b1b2)与同相或正交分量振幅之间的关系如表8-1所示。,表8-1 a1a2与同相分量振幅之间的关系,16QAM的产生方法有两种。 (1) 正交调幅法：用两路独立的正交4ASK信号叠加，形成16QAM信号，如图8-4所示。 (2) 复合相移法： 用两路独立的QPSK信号叠加，形成16QAM信号，如图8-5所示。 图中虚线大圆内的4个大黑点表示第一个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。,图8-4 正交调幅法产生16QAM信号,图8-5 复合相移法产生16QAM信号,为了比较16QAM信号和16PSK信号的性能，我们将把它们的星座图画在一起。在最大振幅相等的情况下，16QAM和16PSK的星座图如图8-6所示。,图8-6 16QAM和16PSK的星座图,设最大振幅为A, 则16QAM最小码距d1和16PSK中的相邻码距d2分别为 (8-6) 此距离代表噪声容限的大小，由上式可知，在振幅(最大功率)相等的情况下，16QAM的噪声容限高于16PSK。,2. QAM的仿真 根据上面的原理，其SystemView仿真模型如图8-7所示,图8-7 16QAM的SystemView调制解调图,其输出结果如图8-8和图8-9所示,图8-8 16QAM相干解调输出信号,图8-9 16QAM的星座图,8.2.1 最小频移键控 由前面的QPSK信号调制知识可以得到，当相位跳变所引起的角频率(相位对时间的变化率)大时，会造成信号功率谱的扩散， 增大了旁瓣分量， 会对邻近频道信号产生干扰。为了使旁瓣的功率谱衰减加快，信号的相位就不能发生突变，即相位与时间之间是连续的，最小频移键控(MSK，Minimum-shift keying)的思想就是因此而产生的。,8.2 最小频移键控和高斯 最小频移键控及仿真,1. MSK的调制和解调 MSK是一种二进制相位连续的特殊的2FSK调制技术。MSK的包络恒定、误比特率低、频谱利用率高，故它是一种高效的调制方法，特别适合于无线移动通信系统。 假定发“1”对应的角频率为1，发“0”对应的角频率为2，则MSK信号可以表示为 (8-7),1) 调制指数 下面我们分析一下f1、f2与fc、fs的关系。为了得到这个关系，需要对总的相角求导，即 (8-8),所以 (8-9) 最小频差 (8-10) 调制指数 (8-11),2) MSK是一种频差最小的正交调制方式 由前面的知识可知, 2FSK调制中两信号的相关系数为 (8-12) 当调制指数为0.5时 f1f2=0.5fs (8-13) 此时 sin2(f2f1)Ts=sin=0 sin4fcTs=sin4fcTs=sink=0， |k|1,即 =0 4fcTs=k 可得 (8-14) 就是说，载波频率取四分之一码元速率的整数倍。 由此可知，当调制指数为0.5时， 是最小满足正交条件的，所以MSK是一种频差最小的正交调制方式。,3) 相位常数和附加相位 为了使MSK信号的相位连续，需要保证第k个码元的起始相位是第k1个码元的末相位，即 (8-15) 上式表明，两相邻码元之间的相位是相关联的。若用相干解调，一般令初相位为 ，则 (8-16),由前面的分析可知，附加相位 是斜率为 ，截距为 的直线方程。由于ak随机选+1或1，所以直线是以Ts为分段的线性函数。在一个码元周期内，当ak=+1时，线性增加/2；当ak=1时，线性减少/2。 当输入信号为1, +1, +1, +1, 1, +1, 1时，信号的初相位和附加相位的变化轨迹如图8-10所示。,图8-10 信号的初相位和附加相位的变化轨迹,4) MSK信号的调制和解调 调制采用正交调制，解调采用抗干扰能力强的相干解调，此时 ，即 。 对式(8-7)进行展开得 (8-17),式中：,其中 (8-18) bI是同相分量基带信号，bQ是正交分量基带信号，它们由原始的信息经过差分编码形式得到。 令 ，则式(8-17)可变为 (8-19),当模2时， ， 由式(8-18)得 (8-20) 由式(8-19)构成的MSK的正交调制原理框图如图8-11所示。,图8-11 MSK的正交调制原理框图,采用相干解调的MSK原理框图如图8-12所示。,图8-12 相干解调的MSK原理框图,5) MSK信号的功率谱 由前面的功率谱知识可知，MSK信号的归一化双边功率谱密度为 (8-21) 其图像如图8-13所示。,图8-13 MSK信号的归一化双边功率谱密度,2. MSK的仿真 根据前面的介绍， MSK SystemView仿真模型如图8-14所示，输出结果如图8-15所示。,图8-14 MSK的SystemView仿真模型,图8-15 原码和输出码波形,8.2.2 高斯最小频移键控 MSK信号具有带宽较窄， 包络恒定，带外功率下降快的优点，但对传输速率高的数字调制系统来讲还不能满足需要。比如，在移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，一般要求必须衰减70 dB以上。为了进一步减少旁瓣的功率分量和降低对邻近信道的干扰，需要对MSK方式进一步改进，高斯最小频移键控(GMSK)就是针对上述要求提出来的。 GMSK调制就是在MSK调制之前加一个高斯型的低通滤波器。此高斯型的低通滤波器的频率特性表达式为 (8-22),其中是与高斯滤波器的3 dB带宽B有关的参数，它们之间的关系为 (8-23) 对式(8-22)作傅里叶反变换，得其单位冲激响应为 (8-24),1. GMSK的调制 GMSK的调制原理框图如图8-16所示。 GMSK的解调可以采用正交相干解调，或者差分解调(非相干解调)，但不足的是误比特率比MSK的高，所以GMSK的频谱改善要以误比特率的下降作代价。GMSK的功率谱密度用计算机仿真法得到，结果示意图如图8-17所示。,图8-16 GMSK的调制原理框图,图8-17 GMSK的功率谱密度,2. GMSK的仿真 根据上面的介绍，其SystemView仿真模型如图8-18所示。,图8-18 GMSK的SystemView仿真模型,正交频分复用(OFDM)属于多载波调制方式。多载波调制的基本思想如下：在发送端将高速率的数据流经串/并变换成若干个低速率的数据流，再分别用独立的载波调制这些低速数据流，然后经相加组成发送信号，接收端采用相干解调后，得到低速率的数据，最后通过串并转换获得高速率的数据流。 多载波调制解调系统的方框图如图8-19所示。,8.3 正交频分复用及仿真,图8-19 多载波调制解调系统的方框图,与单载波调制系统相比，多载波调制系统的抗多径衰落能力和抗频率选择性衰落能力强，频谱利用率高，但对定时偏差和载波频率偏差敏感，对前端放大器的要求更苛刻。 OFDM是多载波调制中的一种高效调制技术，其特点如下： (1) 抗多径传播和衰落能力强。由于OFDM系统把信息分散到许多个载波上，降低了各子载波的信号速率，使符号周期比多径迟延长，因而能够减弱多径传播的影响。若再采用时域均衡和保护间隔等措施，则可以有效降低符号间干扰。,(2) 频谱利用率高。OFDM信号由N个信号叠加而成，每个信号频谱为Sa()函数并且与相邻信号频谱有1/2重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近奈圭斯特极限。 (3) 适合高速率数据传输。OFDM中的自适应机制使不同的子载波可以根据信道的实际情况采用不同的调制方式。信道特性好时采用频谱利用率高的高效率调制方式，而衰落很大的子信道则采用抗干扰能力强的调制方式。因此，它适合高速率的数据传输。,(4) 抗干扰能力强。OFDM采用循环前缀和在相邻码元间增加保护间隔来提高抗码间干扰的能力。 (5) 对定时和频率的偏移敏感。,1. OFDM的基本原理 为了提高频谱利用率， OFDM中各子载波频谱有1/2重叠，但满足相互正交。接收端通过相关解调分离出各子载波，同时消除码间干扰的影响。 设在一个OFDM系统中有N个子信道，则N路子信号之和可用复数表示为 (8-25),1) 最小载频间隔 为了使N路子信号在接收端能够完全分离，需要它们满足正交的条件，由此可以推出，子载波频率fk和子载波频率间隔分别满足 (8-26) (8-27) 故要求的最小子载频间隔为 (8-28),2) OFDM的频谱利用率 OFDM信号由N个信号叠加而成，每个信号频谱为1/Ts函数并且与相邻信号频谱有1/2重叠，从理论上讲，其频谱利用率可以接近奈奎斯特极限。 OFDM信号及其子载波信号的频谱密度结构如图8-20所示。 设信号采样频率为1/Ts，则每个子载波信号的采样速率为1/(NTs)，即载波间距为1/(NTs)，若忽略信号两侧的旁瓣， 则频谱宽度为 (8-29),图8-20 OFDM信号及其子载波信号的频谱密度结构,OFDM的符号速率为 (8-30) 比特率为 (8-31) 因此， OFDM的频谱利用率为 (8-32),2. OFDM的调制和解调 对OFDM信号进行间隔为T的采样，并令k=0，则式(8-25)变为 (8-33) 与离散傅里叶反变换(IDFT)类似, 所以OFDM信号可以通过IDFT变换得到，其产生与解调原理如图8-21所示。,图8-21 OFDM信号调制与解调原理图,图中，在发送端，输入信息速率为Rb的二进制数据序列先进行串/并变换。根据OFDM符号间隔Ts，将其分成RbTs个比特一组。然后把它们分配到N个子信道， 经过编码后映射为N个复数子符号Xk，其中子信道k对应的子符号Xk代表bk个比特，且 (8-34),在利用上述的方法进行调制和解调时，为了使信号在IFFT、FFT前后功率保持不变，DFT和IDFT间的约束条件如下: (8-35) (8-36),3. OFDM的仿真 根据上面的介绍， OFDM的SystemView仿真模型及仿真结果(输出波形)如图8-22所示。,图8-22 OFDM的SystemView 仿真模型及仿真结果(输出波形),1. 实训目的 通过SystemView仿真实验，使读者进一步掌握新型调制技术的原理。通过实训可以培养学生的设计能力，激发学生的学习兴趣，增强学生分析问题和解决问题的能力。 2. 实训内容 16QAM系统的调制和解调。,8.4 仿真实训,3. 实训仿真 根据前面的章节内容可知，16QAM信号的产生可以采用正交调制和复合相移法，其接收端采取相干解调的方法。因此，16QAM系统的调制解调仿真原理图如图8-23所示。其调制部分采