黄载禄通信原理-第八章数字调制

第八章数字信号调制 序言 数字信号调制的特点 1 0数码使被调信号参数突变 得名 键控 ShiftKeying 数字信号调制在通信系统中所处位置 见下图 解 8 1数字信号的幅度调制 8 1 1多电平幅度调制 MPAM 一 信号时间函数表达式及星座图 8 1数字信号的幅度调制 8 1 2数字信号的正交调幅 QAM 一 QAM原理 对正交的两信号 coswt和sinwt同时进行调制 而后相加 见下图 8 1 2数字信号的正交调幅 QAM 一 QAM原理 续 又可以表示为包络形式 式中 对于多电平信号 这时和都会跳变 会有如下波形 码元宽度 8 1 2数字信号的正交调幅 QAM 二 多电平QAM实现方案 MQAM 对于电平数M有如下关系 即M可开平方 如 M 16 64等 这时可采用平衡结构方案 见下图 对于16QAM L 4 1 发端 2 收端 8 1 2数字信号的正交调幅 QAM 二 多电平QAM实现方案 MQAM 3 16QAM频带利用率估算 输入速率 串 并变换后 二 四变换后 得码元宽度 如取的升余弦信号 有 这时有 调整码元波形 可改变16QAM的频带利用率 有 8 1 2数字信号的正交调幅 QAM 三 16QAM信号的星座图 有园形 方形两类 见图 例8 1 2 采用256QAM正交幅度信号 载波频率为2 4GHz 信号带宽为800kHz 如图 选用的升余弦信号 求最高传送速率和频带利用率 解 1 求比特速率 取信号双边带 有 得 求得支路码元速率 支路电平数为L 等于支路码元个数 每一电平表示的比特数为 支路比特率为 传送的比特总速率 2 频带利用率 8 2 1引言 8 2数字信号角调制的参数描述 角调制类型 调相 PSK 调频 FSK 注 模拟FM的抗噪声性能大大优于AM 请注意数字调制并无此现象 MPSK不优于MQAM 当M 4时 8 2数字信号角调制的参数描述 8 2 2PSK信号的相位参数描述 一 MPSK信号星座图 式中 g t 是码元的波形函数 是相位 二 MPSK信号的数学表达式 8 2 2PSK信号的相位参数描述 三 MPSK信号的归一化表示 码元能量 可将前式改写成 有 注 在信号检测一章要利用基函数概念 8 2数字信号角调制的参数描述 8 2 3FSK信号的频率参数描述 8 2 3FSK信号的频率参数描述 三 FSK信号的相关性 1 数学表达式码元之间频差为不同频差信号之间的相关系数是 取实部得 8 2 3FSK信号的频率参数描述 三 FSK信号的相关性 续 8 3连续相位移频键控 CPFSK 相位不连续 shiftkeying 要二个振荡器 信号频谱不纯 工程实际中不用 采用VCO实现连续相位调制 第n个码元的幅值 1 g t nT 第n个码元的波形函数调制信号数据序列的表达式 设计VCO的频率灵敏度和码元幅值配合 实现所要求的频偏 8 3连续相位移频键控 CPFSK 8 3 1最小移频键控 MSK 信号描述 一 VCO输出信号的相位函数表述 假设VCO输入电压变化A 频率由 用h表示VCO的频偏常数 调制指数 有 VCO的瞬时频偏为 VCO输出信号相位函数 MSK信号频率的改变 即相位的改变 8 3 1最小移频键控 MSK 信号描述 8 3连续相位移频键控 CPFSK 8 3 2MSK信号常用码元波形 好的码元波形可改善信号频谱 提高性能 表8 3 1常用连续相位调制波形函数 上述波形相应时间函数表达式 8 3连续相位移频键控 CPFSK 8 3 3MSK信号分析 一 MSK信号的相位轨迹 记录了第n个码元以前相位的变化轨迹 相位只能取的整数倍 8 3连续相位移频键控 CPFSK 8 3 3MSK信号分析 二 MSK信号与QPSK信号的等效 采用信号的包络表示 可将时间函数改为如下形式 考虑到上述4项总是留下两项 而可表示为如下形式 8 3 3MSK信号分析 三 数字角调制信号的功率谱分析 介绍结论 详细分析 推演 请见教材 8 3 3MSK信号分析 注 对于PSK FSK一类信号 求功率谱的方法是 先求出这类信号低频包络的相关函数 再通过相关函数得出功率谱 教材中介绍的方法 适用于FSK 也适用于PSK 分析所得CPFSK信号的功率谱 注 此图为2FSK信号的功率谱 h 0 5即为MSK h表示调制参数 注 此为4CPFSK信号的功率谱 在h 0 85时 功率谱随h增大 趋于离散谱 注 图中OQPSK频谱描述的是矩形基带码元产生的OQPSK MSK等效的OQPSK的基带波形是正弦波包络 因而其频率优于OQPSK CPFSK信号分析小结 MSK是CPFSK调制中的频差最小的一种FSK 它与QPSK等效 可视为一种特殊的PSK OQPSK 注 非线性调制之间的等效关系不是个别现象 例如 模拟窄带FM的频谱和AM等效 BPSK和DSB等效等 由于频率资源受限 又由于FSK信号的相关性 因而通常选择FSK信号的频差是 选择何频差 取决于接收机的解调方式 MSK在GSM移动通信中采用 并采用高斯型基带波形 QPSK在IS 95 CDMA 移动通信系统中采用 当调制参数变化时CPFSK信号的功率谱改变明显 己调信号的功率谱越窄越好 因而MSK信号性能应略优于QPSK 8 4 1PSK信号载波恢复中的相位模糊问题 8 4相移频键控 PSK 信号分析及应用 在模拟信号调制中主要用FM PM应用极少 在数字调制中PSK与FSK应用都十分广泛 一 BPSK信号的相位模糊 BPSK等效于DSB 须在接收端恢复载波 采用相关解调 方案见下图 相位模糊的原因是 无论接收机采用何方案恢复载波 都无法控制输出载波的相位 这是无法克服的机制问题 详见教材 8 4 1PSK信号载波恢复中的相位模糊问题 二 二进差分相移键控BDPSK 方法 在调相前 先将数据进行差分编码 而后再进行移相 称之为相对移相 称未进行差分编码的移相为绝对移相 原理 利用差分码的逻辑特性 使相位模糊对解调输出无影响 见基带传输一章 差分编码 均不引起解码输出变化 DPSK相干解调的各点波形 将载波移相180度 解调输出不变 DPSK信号采用差分相干 延时相关 解调 正确还原数码 8 4相移频键控 PSK 信号分析及应用 8 4 2四相差分相移键控 QDPSK QPSK同样有相位模糊问题 克服方法同样是采用差分编码 由于是四进制差分编码 因而 码变换电路 的逻辑较繁杂 书中未收入 QDPSK实现方案见下图 QDPSK调制器实现原理 需加入 QDPSK差分相干解调实现原理 8 4相移频键控 PSK 信号分析及应用 8 4 3移动通信中的QPSK调制解调方案 一 IS 95中的调制解调方案 平衡四相BQM 扩频码序列 片码速率 1 2288Mb s 8 4 3移动通信中的QPSK调制解调方案 二 第三代移动通信中的调制方案 平衡四相CQM 调制效率提高 抗衰落性能更好 小结 数字调制理论和技术还在发展 如MQAM等 尤其是研究MQ