6.6恒包络调制.ppt

6正弦载波数字调制 6 1概述6 2二进制数字调制原理6 3二进制数字调制系统的抗噪声性能6 4二进制数字调制系统的性能比较6 5多进制数字调制系统6 6恒包络调制 6 6恒包络调制 研究对象 恒包络调制研究目的 寻找适合于实际信道条件的调制方式研究方法 循序渐进 一个问题一个问题地解决 6 6恒包络调制 问题的提出 恒包络调制 调制信号的幅度不变 模拟调制 调频 调相 数字调制 OQPSK 4DQPSK MSK GMSK 这种调制可用硬限幅的方法去除干扰引起的幅度变化 具有一定的抗干扰性能 经过带限处理后的QPSK信号将不再是恒包络 具有恒包络特性 调制后的信号的频谱将无限宽 当相邻码元间发生180 相移时 限带后的包络甚至会出现包络为0的现象 经非线性放大器之后 包络的起伏虽然可以减弱或消除 但同时却会使频谱扩展 其旁瓣对邻近频道的信号形成干扰 发送时的带限滤波将完全失去作用 6 6恒包络调制 6 6 1OQPSK 偏移四相相移键控 6 6 2 4DQPSK 4四相相对相移键控 6 6 3MSK 最小频移键控 6 6 4GMSK 高斯最小频移键控 6 6 1OQPSK 偏移四相相移键控 表6 11QPSK信号输入数据的串 并变换 QPSK信号是用正交调制方法产生的 其原理是先对输入数据作串 并变换 即将二进制数据每两比特分组 每相隔2Ts 相位跳变量可能为 90 或 180 使得星座图中信号点只能沿正方形的四个边移动 不再会出现没对角线移动 发生对角过渡 180 相移时 限带之后所形成的包络起伏达到最大 6 6 1OQPSK OQPSK的原理 先对输入数据作串 并变换 再使正交分量sQ t 相对于同相分量sI t 延时半个码元间隔其错开半个输入码元间隔Ts 然后分别对两个正交的载波进行2PSK调制 最后叠加为OQPSK信号就有可能减小包络起伏 6 6 1OQPSK 表6 12OQPSK输入数据的串 并变换后再交错 和QPSK信号一样 未滤波的OQPSK信号也具有恒包络 并且也是无穷大的带宽 由于脉冲串dQ t 相对于dI t 的时间位移为Ts 2 故OQPSK信号一般可写作 脉冲对 I Q 的变化率提高了一倍 但两个脉冲不会同时变化状态 并且两个脉冲串的偏移为Ts 2 而相隔Ts 2的两信号之间总的相位差变化只能是 90 这使得星座图中信号点只能沿正方形的四个边移动 不再会出现没对角线移动 6 6 1OQPSK 滤波后的OQPSK信号中包络最大值与最小值之比约为 不可能再出现比值为无穷大的情形 在这种情况下 非线性放大就可以用来提供更有效的放大 以重新获得恒包络 使用矩形脉冲的QPSK信号的功率谱密度 使用矩形脉冲的OQPSK信号的功率谱密度 QPSK和OQPSK在正频率范围的功率谱是相同的 在实际中 OQPSK比QPSK用得更多 6 6恒包络调制 6 6 1OQPSK 偏移四相相移键控 6 6 2 4DQPSK 4四相相对相移键控 6 6 3MSK 最小频移键控 6 6 4GMSK 高斯最小频移键控 6 6 2 4DQPSK 4四相相对相移键控 与QPSK和OQPSK相比 它具有以下优点 1 码元转换时的相位突跳限于 4或 3 4 2 可以使用差分检测 以避免相干检测中相干载波的相位模糊问题 使已调信号的相位在 组和 组之间交替地跳变 即 只能跳变为 而 只能跳变为 则相位跳变值就只能有 4和 3 4四种取值 从而避免了QPSK信号那种 的相位跳变 由于最大相移3 4比QPSK的最大相移 小 4 所以称为 4相移QPSK 简称 4DQPSK 6 6 2 4DQPSK 4四相相对相移键控 QPSK的最大相位变化为180 OQPSK的最大相位变化为90 4DQPSK的最大相位变化则为135 带限后的 4DQPSK信号保持恒包络的性能比带限后的QPSK好 但比OQPSK更容易受包络变化的影响 4DQPSK最吸引人的性能是它可以采用非相干检测 这将大大简化接收机设计 存在多径扩展和衰落时 4DQPSK的工作性能要优于OQPSK 4DQPSK调制技术受到重视 应用于第三代移动通信系统中 6 6 2 4DQPSK 发射技术 第k个同相脉冲Ik 第k个和正交脉冲Qk 6 6 2 4DQPSK 发射技术 信息比特对 表6 13与几种输入比特对相对应的载波相移 相移 Ik和Qk的值以及波形I t 和Q t 的幅度峰值可取五个可能值 0 1 1 4DQPSK信号内的信息完全包含在载波在两个相邻码元之间的相位差 k中 所以能够使用非相干的差分检测 6 6 2 4DQPSK 基带差分检测 由噪声 电波传输和干扰引起的相移 常数 载波频率的任何漂移将引起输出相位的漂移 从而会导致误码率增大 判决规则 6 6恒包络调制 6 6 1OQPSK 偏移四相相移键控 6 6 2 4DQPSK 4四相相对相移键控 6 6 3MSK 最小频移键控 6 6 4GMSK 高斯最小频移键控 6 6 3MSK 最小频移键控 OQPSK和 4DQPSK虽然消除了QPSK信号中180 的相位突变 改善了包络的起伏 但并没有从根本上解决包络起伏问题 包络起伏是由相位的非连续变化引起的 因此 我们很自然会想到使用相位连续变化的调制方式 这类调制称为连续相位调制 CPM continuousphasemodulation 它泛指载波相位以连续形式变化的一大类频率调制技术最小频移键控 MSK minimumshiftkeying 是连续相位的频移键控 FSK 的一种特殊类型 6 6 3MSK 最小频移键控 含义 MSK是具有调制指数0 5的连续相位频移键控 因其调制指数最小故得名 调制指数 hFSK f fs 2FSK信号 两信号正交 从连续相位FSK的角度 MSK信号可表示为 随时间连续变化的相位 最小频差 6 6 3MSK 最小频移键控 pn 1 分别表示二进制信息1和0 6 6 3MSK 最小频移键控 同相载波 正交载波 两个比特周期内积分 经过偏移 组合成被解调的信号 6 6 3MSK 最小频移键控 QPSK和OQPSK信号在正频率范围内具有相同的功率谱 与频率f4成反变比 与频率f2成反变比 MSK能量集中在频率较低处 能量集中在频率较高处 MSK和QPSK OQPSK信号的功率谱均具有比较大的旁瓣 不能满足移动通信的需要 6 6恒包络调制 6 6 1OQPSK 偏移四相相移键控 6 6 2 4DQPSK 4四相相对相移键控 6 6 3MSK 最小频移键控 6 6 4GMSK 高斯最小频移键控 6 6 4GMSK 高斯最小频移键控 目的 改善MSK谱利用率方法 在频率调制之前用一个低通滤波器对基带信号进行预滤波 低通滤波可以除去s t 中的高频分量 得到比较紧凑的功率谱低通滤波器的选择原则 1 窄的带宽和尖锐的过渡带 2 低峰突的冲激响应 3 保持输出脉冲的面积不变 以保证 2的相移 6 6 4GMSK GaussMinimunShiftKeying 低通滤波器的冲激响应 频率响应函数 H f 是对称于f 0的钟形 高斯滤波器 GMSK 调制前先利用高斯滤波器将基带信号成形为高斯形脉冲 然后再进行MSK调制 这样一种调制方式称为高斯最小频移键控 GMSK滤波器可以利用3dB基带带宽B和基带码元间隔T完全定义 因此 习惯使用BT乘积定义GMSK 注意 MSK信号等价为BT乘积无穷大的GMSK信号 3dB基带带宽 6 6 4GMSK 当BT乘积减小时 旁瓣电平衰减非常快 第二个旁瓣的峰值比主瓣低30dB还多 第二个旁瓣的峰值比主瓣低20dB BT乘积愈小 所对应的GMSK信号的功率谱愈紧凑 谱利用率愈好 6 6 4GMSK GMSK优点 1 既可以像MSK那样相干检测 也可以像FSK那样非相干检测 2 GMSK最吸引人的性能是它既具有出色的功率利用率 因为GMSK信号是恒包络的 又具有很好的谱利用率 GMSK缺点 存在码间串扰 降低了可靠性 一矩形脉冲rec t T uT t T 2 通过高斯滤波器之后 成形的高斯脉冲为 它是非因果的 因此在实际应用中必须使用截尾的高斯脉冲 6 6 4GMSK 具有一个比T大的宽度 所以高斯滤波器在发射信号中会产生码间串扰 当BT值减小时 引入的码间串扰值会增大 BT值愈小 功率谱愈紧凑 但引入的码间串扰会破坏接收机性能 其负面影响是使误码率升高 AWGN 是一常数 与BT乘积有关 当BT 0 5887时 由高斯滤波产生的码间串扰所引起的误码率将达到最小 BT 0 25对于蜂窝式无线系统是一个很好的选择 6正弦载波数字调制 小结1 正弦载波数字调制是提高数字信息传输有效性和可靠性的重要手段 在AWGN 加性高斯白噪声 信道条件下 PSK的误码性能最优 其次是DPSK FSK和ASK 从实现调制系统的复杂性看 基于非相干解调的FSK和ASK系统的复杂性较低 PSK或DPSK系统的实现成本要高一些 从对频谱的利用效率看 PSK DPSK ASK系统比FSK要高 6正弦载波数字调制 小结2 数字调制系统的基本作用是将数字信息序列映射为合适的信号波形 以便发射到 无线 信道中去 数字调制系统对频谱资源的利用程度和抗噪声能力是我们考察数字调制方式的重要指标 因此 本章在详细说明基本调制方式的原理后 还介绍了一些比基本调制系统抗噪声性能和 或频谱利用率更高的调制方式 主要包括 多进制的调制 MASK MFSK MPSK等 QAM OQPSK 4DQPSK MSK和GMSK等 6正弦载波数字调制 小结3 AWGN信道条件下 且频带利用率相同 进制数大于四时 QAM比MPSK的抗噪声性能优 功率利用率高 OQPSK 4DQPSK MSK和GMSK等调制方式与普通的ASK FSK PSK或DPSK和QAM调制方式相比 已调信号对邻道的干扰小