《无记忆调制方式》PPT课件.ppt

1 数字通信 第三讲 无记忆调制2011 YupingZhao Professor 赵玉萍DepartmentofElectronicsPekingUniversityBeijing100871 Chinaemail yuping zhao 2 无记忆调制输出信号只与当前输入的0 1信号有关有记忆调制输出信号与当前输入的0 1信号以及在其之前或之后的信号有关 无记忆调制 3 调制过程 将两个二进制数字组成的序列映射成一组相应时间波形 例 待传序列为 0010111001 t T 2T 3T 1 3 T 一个波形占有的时间 注意 此时的信号输出只与此刻的信号输入有关 与其前后输入信号无关 最简单的BPSK通信系统框图 4 BPSK调制 低通滤波 载波调制 AWGN信道 载波解调 低通滤波 0 1数据 0 1数据 BPSK解调 最简单的BPSK基带通信系统 5 BPSK调制 低通滤波 AWGN信道 低通滤波 0 1数据 0 1数据 BPSK解调 6 例 待传序列为 an 001000 1比特 符号 T t BPSK信号描述 第一步 映射 sn 6 7 7 发送端低频时域信号的形成 设发射数据取值为 1或 1 第m个数据用Am 表示 则发射信号可以表示为 为了将信号限制在一定频带内 发送信号的频谱与滤波器的频谱相乘 8 发端滤波后信号谱 f 滤波前后频谱比较 发端滤波前信号谱 发端滤波宽度 发射端使用低通滤波器限制发送信号带宽 注 此处标记为 H f 2的原因是假设输入随机信号 只能考察其功率谱的变化 9 滤波器响应函数g t t t x t x t t g t 频谱相乘可以由时域的卷积来实现 输入脉冲序列与低通滤波器的响应函数的卷积 10 10 低通滤波 离散的数据序列通过连续时间函数的低通滤波器 输出为连续的时间波形 Linearfilterg t s t Linearfilterg n s n 在实际通信系统中 连续信号采用离散时域信号的插值来表示 离散的数据序列通过离散时间函数的低通滤波器 输出为离散的时间序列 11 11 连续时间波形的滤波器响应函数 sinc函数 12 12 sinc函数 离散时间序列的滤波器响应函数 13 13 例 待传序列为 an 001000 1比特 符号 T t BPSK信号描述 第一步 映射 第二步 成型滤波 sn n 0 n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 注 黑色曲线即为各sinc曲线叠加的结果 成型滤波 成型滤波的作用将时域脉冲信号用有限带宽的sinc x 进行传输成型滤波过程由成型滤波器完成成型滤波器为低通滤波器通过成型滤波器之后的传输信号表示为 14 实际系统中的滤波器 15 D D D D D D X X X X X X X C1 CN C3 C0 C4 C5 C2 输入 输出 D为一个延时单位系数C0 CN为滤波器系数值 实际上为sinc x 函数上的值 实际系统操作 生成脉冲序列 16 将 1 1序列中每个数据后面插入N个0 仿真原理 17 卷积 滤波前后时域信号对比 18 滤波前 滤波后 关于发端滤波器的讨论 发送信号通过滤波器将信号的频谱限定的一定的频率以下将脉冲序列通过低通滤波器的过程成为成型滤波 因此低通滤波器也成为成型滤波器 sinc x 为典型的成型滤波函数在仿真中可以采用卷积的方法实现 也可以采用多个sinc x 叠加的方法实现 19 高阶调制 高阶调制的一个符号可以携带更多的比特高阶调制的符号速率决定了系统所占的带宽 而不是比特速率符号平均能量用Es表示 若果一个符号带有k个比特 每个比特的平均能量用Eb表示 则有Es k Eb 20 21 调制中需要考虑的问题 通信系统一般使用正弦 余弦信号携带信息正弦 余弦函数如何携带信息 三个参数波形的幅度 波形的相位 波形的频率如何设计使信号更能够抗干扰基于正交性的原则 正交性可分为时域 频域 码域正交各种减小对其他信号的影响 滤波器限制带外功率谱密度 22 信道需要考虑的因素 信道噪声的大小及其对信号的影响噪声对于幅度 相位 频率都有影响信道其他干扰因素时变信道频谱扩展 23 正交的概念 通信系统采用信号的正交特性使系统系能最佳正交的定义 24 正交信号的传输形式 信号的传输就是使用了正交性原理 频域正交 不同频带 保证不同的信号在正交的频带内传输同一频带 利用sin t 和cos t 函数的正交性时域正交 不同的信号在不同的时间传输码域的正交 使用符合正交性原则的码字传输不同的信号 基带信号的定义 基带信号 信号在0频附近携带了所有的发送信号的信息可进行载波调制将信号搬移到载波频段一般由数字电路完全可以实现 25 低通滤波器 一般通信系统的发射端和接收端都有滤波器发端滤波器作用 将发送信号的频谱限定在给定的频带内 成型滤波方法 使用低通滤波器收端滤波器作用 滤除给定频带之外的噪声方法 使用低通滤波器发端滤波器与收端滤波器为一对匹配滤波器 26 27 27 成型滤波器 将输入脉冲信号变为Sinc函数输出 sinc函数 28 特点 Am的取值为离散值Am表示M 2K个可能的幅度 1 m M 一个Am可携带K比特信息 设共有M可能的幅度值 Am为种可能的值之一 且 PAM调制方式 PAM信号是用传输信号的幅度的不同携带信息的 Am的通用表达式为 l为特定的常数 29 例 设l 1 得到 M 2 k 1 Am 1 1 M 4 k 2 Am 3 1 1 3 M 8 k 3 Am 7 5 3 1 1 3 5 7 PAM调制方式 0 1 1 m 12 M 2 0 1 1 m 1234 M 4 3 1 30 不同的传输信号与携带的比特的一一对应关系 M 2 1个符号携带1bit信息 M 4 1个符号携带2bit信息 M 8 1个符号携带3bit信息 在复平面上的表示 实际上只在实轴上有值 PAM调制方式 31 设发送一个幅度为Am的信号 其基带表达式为 这里g t 为发端滤波器的时域响应函数 T为等效信号持续时间 PAM调制方式 32 32 发送端低频时域信号的形成 设发射数据序列为Am 发端滤波器时域响应函数为g t 则发射信号可以表示为 以上是连续信号的表达式 在实际通信系统中 连续信号采用离散时域信号的插值来表示 发端滤波器模块 33 复数调制 PAM 低通滤波器 0 1数据 实部 基带信号实部 特点 PAM信号只有实部传输信号的特性是由发送的序列值和低通滤波器的响应函数共同决定的 34 经过发端滤波器g t 后 例 发送信号为 1 1 3 1 3 1 时的基带信号波形 注 黑色曲线即为各曲线的叠加结果 35 PAM信号中每个信号的能量是不等的 信号的平均能量为各个信号能量的平均值若每个符号传输的概率相等 则信号平均能量为 当g t 的能量为1时 则信号平均能量为 36 0 3 1 1 3 dmin d d 欧几里德距离的概念 l 37 最小欧式距离 信号任意一对信号点的欧氏距离为 习题 设发射基带8PAM信号 即M 8 发端滤波器能量为1 l 1 通道噪声功率为 2 请计算8种PAM信号中每种信号的信噪比设发射信号为 1 1 3 3 3 1 发端滤波器的响应函数的sinc x 函数 画出发送的每个信号的波形以及各个波形叠加的结果 38 39 特点 Am的取值为离散复数值Am表示M 2K个可能的相位 1 m M 一个Am可携带K比特信息 设共有M可能的相位值 Am为种可能的值之一 Am的通用表达式为 MPSK信号调制方式 MPSK信号是用传输信号的相位的不同携带信息的 40 等效低通信号记为 传输信号有M个可能的相位 用于传送k个比特 M 2k每种可能的信号相位为 41 如果不考虑g t 的影响 信号可以表示为在复平面的点 我们所画的星座图实际上就是这些点的位置 一些常用MPSK信号 M 2 BPSKM 4 4PSK QPSKM 8 8PSK 42 相位调制 PSK 用相位信息传输信号 PSK信号与传输比特的对应关系 MPSK信号特点 信号点分布在复数平面的单位圆上实部与虚部都可以携带信息 是两维信号信号的幅度 能量 相等 43 思考题 以QPSK为例 考虑一下使用本页与上页的表达式的时候各个部分的取值 4PSK与QPSK 44 发端滤波器模块 45 复数调制 PSK QAM 低通滤波器 0 1数据 低通滤波器 实部 虚部 基带信号实部 基带信号虚部 几个特点 实部信号与虚部信号可以看成两个完全独立的分支传输信号的特性是由发送的序列值和低通滤波器的响应函数共同决定的 46 实部 虚部 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 注 黑色曲线即为各曲线的叠加结果 47 显然M个波形具有相同的能量 相位调制 PSK 信号的平均能量 当滤波器能量为1时 48 欧几里德距离 任意两点之间的直线距离 最小欧几里德距离 Re Im 49 格林码 Graymapping 10 00 11 01 11 00 10 01 00 01 10 11 00 01 11 10 格林码 格林码的作用 使相邻两个星座点相差比特数最小 非格林码 NoGraymapping 习题 产生长度为20的0 1序列 使用格林编码方法生成4PSK信号和QPSK信号画出4PSK和QPSK信号的传输信号波形 滤波器采用sinc x 函数 讨论4PSK和QPSK传输信号的同异点 50 51 正交幅度调制 QAM QAM信号是利用传输信号的相位和幅度两个参数携带信息的 基带信号表达式 实部信号幅度 QAM可以解释为组合相位和幅度的调制 虚部信号幅度 52 利用幅度和相位携带信息 正交幅度调制 QAM QuadratureAmplitudeModulation 53 实部 虚部 1 3j 1 j 3 3j 1 j 3 j 1 j 注 黑色曲线即为各曲线的叠加 54 QAM信号的另一种解释 可以考虑成M1个电平的PAM信号 I路 与M2个电平的PAM信号 Q路 联合构成的信号也可以考虑成M1个电平的PAM信号与M2个相位PSK信号的组合若M1 2n M2 2m 则信号的可能传输值共有M1 M2 2m n 可能的传输比特数为m n符号速率为R 比特速率为 m n R QAM星座图特性 满足星座图的设计原则相同信号能量条件下 最小欧几里德距离最大化相同最小欧几里德距离条件下 平均信号能量最小化相邻两点所比特数差别最小星座排列要有利于接收端判决 55 56 常用QAM信号实例 最为广泛使用的QAM星座图 QPSK 16QAM 64QAM 57 欧洲广播电视系统 DVB T 中使用的几种信号模式 信号比特与坐标轴之间的对应关系 58 问题 找出信号比特与坐标轴之间的对应关系 信号是否为格林编码方式 该星座图的形成方法是什么 59 60 QAM是二维信号 可以用二维向量表示 任意一对信号向量间的欧氏距离为 61 任意形状星座图的设计原则 16点的星座图可能的形状 星座图设计原则 相同信号能量条件下 最小欧几里德距离最大化相同最小欧几里德距离条件下 平均信号能量最小化 讨论题 验证P56页32QAM星座图是否是最佳的 给出一种不同的32QAM星座图设计方案 62 63 讨论 关于4PSK与QPSK的比较 特性比较 I Q平面只有4个符号 信号欧几里得距离相同一种信号可由另一种旋转45 得到4PSK信号 每个符号只包含实部或虚部QPSK 每个符号包含实部及虚部当4PSK信号实部与虚部与QPSK的实部与虚部相同大小时 QPSK信号能量是4PSK的二倍 幅度为倍 64 OQPSK的特点 设信号持续时间为T I路信号和Q路信号分别为ak和bk 信号调制波形为g t 则OQPSK的信号s t 为 OQPSK的Q路信号相对于I路信号有T 2的延时 这样做的目的是减少信号之间的相位变化 OffsetQPSK OQPSK 65 相位的跳变带来高频分量 aaa 65 引入OQPSK的原因 QPSK信号的相位跳变 66 引入OQPSK的原因 QPSK信号的相位变化轨迹 出现 的相位变化 67 OffsetQPSK OQPSK QPSK相位变化情况例 68 OQPSK相位变化情况例 69 70 比较4PSK QPSK OQPSK的信号相位变化 调制方式 4PSK QPSK OQPSK 信号成形滤波器 sincfilter raisedcosinefilter r 0 5 1 rectanglefilter 71 4PSK raisedcosinefilter r 0 5 72 QPSK raisedcosinefilter r 0 5 73 OQPSK raisedcosinefilter r 0 5 74 总结 当采用相同的信号成形滤波器时 4PSK和QPSK的信号相位变化相同 而OQPSK的信号相位变化小于4PSK和QPSK 75 多维信号 利用信号时域或频域正交性构成的多维信号 一个时间间隔可以分为多个互不交叠的时隙 这些时隙相互正交 第n个时隙用于传输第n维信号 同样的带宽也可以分为多个正交的子带宽 可以传输多维信号 也可以联合利用时域和频域传输多维信号 一维信号调制方式 PAM信号两维信号调制方式 MPSK信号 QAM信号 正交多维信号调制方式 76 时频资源占用示意 正交信号要满足正交条件 77 FSK信号等效低通表达式 有M个等能量的信号 每个信号的使用不同的频率进行传输 且这些频率是相互正交的 Orthogonals