现代数字通信技术-第三章-数字调制ppt课件

.,1,第三章数字调制,3.1数字调制概述简单数字调制2ASK2FSKBPSKDBPSK等多进制调制相移键控QPSK8PSK正交幅度调制16QAM256QAM等,.,2,QPSK（4PSK）信号星座图,10,00,01,11,00,01,10,11,3.1数字调制概述,.,3,QPSK调试原理框图如下所示,3.1数字调制概述,.,4,10010011,3.1数字调制概述,.,5,8PSK信号星座图,16QAM信号星座图,3.1数字调制概述,.,6,1.准恒包络调制OQPSK,3.2恒包络调制,OQPSK调制原理框图如下所示,.,7,3.2恒包络调制,OQPSK,10010011,.,8,3.2恒包络调制,/4DQPSK,.,9,MSK最小频移键控GMSK高斯滤波最小频移键控（GSM为代表）、TFM平滑调频,3.2恒包络调制,2、CPM连续相位调制,.,10,3.2恒包络调制,MSK调制方式概述MSK是数字调制技术的一种。数字调制是数字信号转换为信道特性相匹配的波形的过程。调制过程就是输入数据控制（键控）载波的幅度、频率和相位。MSK属于恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的研究，主要是围绕着充分的节省频谱和高效率地利用可用频带这个中心而展开的。随着通信容量的迅速增加，致使射频频谱非常拥挤，这就要求必须控制射频输出信号的频谱。但是由于现代通信系统中非线性器件的存在，引入了频谱扩展，抵消了发送端中频或基带滤波器对减小带外衰减所做的贡献。,.,11,3.2恒包络调制,MSK调制方式概述这是因为器件的非线性具有幅相转换（AM/PM）效应，会使已经滤除的带外分量几乎又都被恢复出来了。为了适应这类信道的特点，必须设法寻找一些新的调制方式，要求它所产生的已调信号，经过发端带限后，虽然仍旧通过非线性器件，但是，非线性器件输出信号只产生很小的频谱扩展。,.,12,3.2恒包络调制,为了适应这类信道的特性，已调信号须有以下两个特点：1、包络恒定或包络起伏很小由于信道中具有非线性的输入输出特性，所以已调波包络不能起伏，即不能用包络来携带信息，需要采用频移键控（FSK）或相移键控（PSK）来传递信息。2、具有最小功率谱占用率已调波需要具有快速高频率滚降的频谱特性，需要旁瓣必须很小，这种信号经过带限滤波之后，只要让主瓣无失真通过，由于旁瓣功率很小，所以滤波器的输出信号（即非线性器件的输入信号）的包络起伏就会很小，大大减少了AM/PM效应，继而频谱扩展的现象也会随之而减小由于已调波具有快速高频滚降的频谱特性，使信号能量大部分集中在一定的带宽内，因此提高了频带的利用率。,.,13,3.2恒包络调制,为了适应这类信道的特性，已调信号须有以下两个特点：根据这些要求，人们在实践中创造了各式各样的调制方式，我们称之为现代恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性。MSK（最小频移键控）是频移键控FSK的一种改进形式。在二进制FSK方式中载波频率随着调制信号“1”或“0”而变，其相位通常是不连续的。所谓MSK方式，就是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式。可以看成是调制指数为0.5的一种CPFSK信号。,.,14,3.2恒包络调制,.,15,3.2恒包络调制,MSK信号特征：已调信号幅度恒定在一个码元周期内，信号应包含1/4载波周期的整数倍。码元转换时相位连续调制指数h=(f2-f1)/fb=(f2-f1)Tb=0.5以载波相位为参考，相位随时间线性变化。带外辐射小，主瓣较宽，适合窄带通信,.,16,3.2恒包络调制,.,17,3.2恒包络调制,.,18,仙农定理指出可以用编码实现高效而可靠的通信。TCM网格编码调制，G.Ungerboeck于1982年将编码与调制结合为一体，不增加信号速率和带宽情况下，获得编码增益。,3.3TCM网格编码调制,.,19,3.3TCM网格编码调制,4状态8PSKTCM码结构,以4状态8PSK网格编码调制为例，如图6-2，它是Ungerboeck1975研究出的第一种TCM码。,第一部分差分编码,第二部分卷积编码,第三部分分集映射,.,20,3.3TCM网格编码调制,网格编码调制器的一般构成法,把4状态8PSKTCM码的概念推广到一般。网格编码调制（TCM）一般由三部分组成：第一部分是差分编码，它与第三部分的合理结合可以解决接收端解调时信号集相位的混淆问题。第二部分是卷积编织器，将m比特编码成m+1比特。第三部分叫分集映射（mappingbysetpartitioning），其任务将一个（m+1）比特组对应为一个调制符号输出。（m+1）比特组有2m+1种可能的组合，调制后的信号集星座（constellation）想要与之一一对应，显然必须是2m+1点的星座。,.,21,3.3TCM网格编码调制,.,22,3.4OFDM基本原理,正交频分复用(OFDM)技术以其高效的频谱利用率、较强的抗多径能力、均衡比较容易（通常采用单抽头均衡器）、灵活的信道调制及功率分配能力、低廉的成本等突出优点适宜于宽带高速数据的传输，成为数字视频广播（DVB）,高清晰度电视(HDTV)以及代移动通信系统的关键技术之一，无线局域网(WLAN)物理层标准IEEE803.11、城域网标准IEEE803.16d/e标准也都支持OFDM的调制方式。,.,23,3.4OFDM基本原理,OFDM是多载波传输技术的一种，信号频带内不同的子载波间相互正交，将一个高速数据流调制到多个低速子载波同时并行地传送。为了充分利用调制信号时频域之间的正交性，OFDM相邻子载波信号频谱有1/2的重叠，因此可以获得最佳的频谱利用率，OFDM不仅是一种调制技术，也是一种高频谱效率的频分复用技术。,.,24,3.4OFDM基本原理,发送的数据通过IFFT变换，调制到各子载波上，将变换后的序列后一部分复制到前面，形成循环前缀(CP,Cyclicprefix)，通过D/A变换形成基带信号，再通过信道发送。,OFDM系统基带模型,.,25,3.4OFDM基本原理,循环前缀CP,OFDM循环前缀,OFDM频谱特性,.,26,3.4OFDM基本原理,在多径信道下，循环前缀的长度大于信道的延时扩展时，则不会产生符号块间干扰IBI，发送信号表示为,或,.,27,3.4OFDM基本原理,（1）式中，表示当前OFDM符号第k个子载波上的调制数据，N为FFT变换的点数，在多径信道下，接收端的接收信为,（2）,上式中，表示当前OFDM符号周期内第m个采样时刻第l径的信道脉冲响应值，为第m个采样时刻信道噪声。对(2)式进行FFT变换得：,.,28,3.4OFDM基本原理,（3）,上式中，表示第m个采样时刻第k个子载波的信道频域响应。,.,29,3.4OFDM基本原理,(3)式右边第二项为子载波间干扰项，为的FFT变换，表示频域噪声。若信道为静态信道或时不变信道，为常量，(3)右边第二项为零，即不存在子载波间干扰，通过单抽头均衡器即可实现各子载波上数据的解调。,(4),.,30,3.4OFDM基本原理,在实际应用中，矩形窗函数的OFDM信号带外辐射较大，图4(a)为矩形窗函数的OFDM信号功率谱密度，图中参数b表示循环前缀长度与FFT长度之比，图中可看出，循环前缀长度对带外辐射有一定的影响。IEEE802.11a采用升余弦窗函数减小带外辐射，而且这种窗函数不会对子载波间正交性产生影响，如图5及（5）式所示，功率谱密度如图4(b)所示，带外辐射比图3-4(a)减小很多，循环前缀长度对功率谱密度影响不大。为进一步减小相邻频段信号的干扰，在频带边缘设置一些空闲子载波，例如IEEE802.11a标准中，第-32-27和2731号子载波空闲，为对抗放大器直流偏移，0号子载波也空闲，图6为8个频段的OFDM信号功率谱，横轴为频率轴，单位为MHz。,.,31,3.4OFDM基本原理,（a）,（b）,OFDM功率谱.(i)矩形窗函数(ii)升余弦窗函数,.,32,3.4OFDM基本原理,升余弦窗的OFDM信号,（5）,.,33,3.4OFDM基本原理,图6IEEE802.11a标准OFDM信号各频段分布,.,34,3.5自适应比特和功率分配,注水定理,OFDM系统把宽带信道分成多个子载波信道，各子载波的频谱相互重叠，从而提高了频谱利用率。但OFDM系统不同子载波的衰减存在差异，如果在各个子载波上平均分配比特和功率，处于深衰落的子载波就会产生较大的误码率，严重恶化系统性能。因此，在发送端根据各子信道状况对各个子载波分配比特数和功率会取得更好的系统性能。自适应调制技术是根据信道增益来分配功率或者比特以提高性能的一种通信技术。信息论对自适应调制技术有着十分重要的指导意义，自适应调制技术获得的性能以信息论的极限值为极限。在信息论中，功率分配的经典算法就是基于注水定理的功率分配算法，这种算法能够实现信道容量理论上的最大化。,.,35,3.5自适应比特和功率分配,OFDM系统中，不管信道是何种类型，无论频率选择性信道、时变信道、或者是双选信道，各个子载波信道的信噪比是不尽相同的。从信息论的理论可知，根据信道状态的不同，利用注水定理的方法来分配功率，能够获得最大的信道容量。该算法的主要思想是，在信号总功率有限的情况下，给信道增益比较好的子载波分配较多的增益，而对那些信道增益比较差的子载波分配较少功率，这样就可以提高系统的信道容量。对于OFDM系统，所有子载波使用相同带宽。在满足式（6）也就是总功率有限的条件下，注水功率算法的目标为使式（7）OFDM系统多子载波的信道容量最大化，即,（6）,.,36,3.5自适应比特和功率分配,（7）,其中，表示每个子载波的信号功率，表示通信系统的信道容量，表示频谱利用率（bps/Hz），为功率归一化的时候接收端的信噪比。在满足（6）式约束条件下，求式（7）系统容量的极大值，可通过拉格朗日乘数法，引入目标函数。,（8）,其中是拉格朗日乘数。目标函数对各个子载波的功率求一阶偏导，得到方程为：,.,37,3.5自适应比特和功率分配,（9）可得：（10）其中：是注水门限。将（6）式取等号，将（10）式带入，可求出考虑到，然而（10）式有可能小于零，因此子载波实际被分配的功率是：（11）,.,38,3.5自适应比特和功率分配,如果某些子信道分配到的功率为0，则（11）式代入（6）式后，（6）式有可能不成立，就删除某个信噪比最差子载波信道。重新利用注水功率分配算法分配功率到其它的子载波信道中，这样注水平面就会逐渐升高，直到系统中不存在信道增益太差的子载波信道、所有功率分配完毕。此时，OFDM系统的频谱利用率即为：（12）假设所有得到功率分配的子载波信道的集合为，其中得到功率分配的子载波的数目为，表示集合的数量。那么由总功率条件式（5-8）得：（13）这样，得到注水门限为：（14）,.,39,3.5自适应比特和功率分配,图7为注水功率分配算法原理图，对注水功率分配算法进行了直观形象的说明。,图7注水功率分配算法示意图,在该图中，纵轴表示各个子载波的功率，横轴表示各个子载波信道。所有子载波信道信噪比的倒数构成了谷的底部，阴影部分表示向各个子载波中注入的功率，总功率为。水平面的高度即为，水平面与每个子载波谷底的高度就是该子信道的功率。,.,40,3.5自适应比特和功率分配,如果子载波信道的增益太差、信噪比太小，因而过大高出水平面高度，那么该子载波信道不分配功率。若所有子载波信道都获得了功率分配，由公式（13）和（14）可得（15）注水功率分配算法对信道增益大的子载波信道，分配较大的功率；对信道增益小的子载波信道分配较小的功率，以保证信道条件好的子载波信道能传输更多的信息，在功率有限的条件下，提高系统的容量。,.,41,3.5自适应比特和功率分配,当某个子载波信道条件太差时，大于某一设定值时，对此子信道不分配功率，此时这个子信道不发送数据。注水定理充分利用了信道增益较好的子载波信道，一定程度上舍弃了增益较差的子载波信道，这样避免了系统用过多的发送功率浪费在恶劣的子载波信道上，提高了系统总的效率。“注水算法”是功率分配的经典算法。当信道带宽有限时，该算法能够达到信道容量的极大值。但是该算法求得的子载波上的比特数为任意实数，而在实际系统中，载波上调制的比特数都为整数，因此在实际系统中使用“注水功率分配算法”时，需要根据信道状况进行调节。总的来讲，信息论的结论对于研究自适应调制算法仍具有较强的指导意义。,.,42,3.5自适应比特和功率分配,自适应比特功率分配算法自适应资源分配算法在MIMO和OFDM技术中得到广泛的研究，按分配的资源对象来讲，可分为自适应调制和自适应功率分配。自适应调制通过在信道增益较好的子信道上采用高阶调制或分配较多比特，在信道增益较差的子信道上采用低阶调制或分配较少比特甚至不分配比特，提高了通信系统的资源利用效率。自适应功率分配算法，通常根据信息论中信道容量最大化的注水原理进行功率分配，即信噪比大的信道上分配较多功率，信噪比较小的信道上分配较少功率。比特分配和功率分配是关联在一起的，这样的算法称为比特功率分配算法。根据约束条件与目标函数的不同，子载波信道的比特与功率分配，可分为速率最大化分配、功率最小化分配和平均误比特率最小化三种。,.,43,3.5自适应比特和功率分配,其中，速率最大化就是在给定误比特率(BER)要求和总发射功率受限的条件下使传输比特率最大；功率最小化就是在给定误码率(BER)要求和传输总比特率一定的条件下，使总的发射功率最小；平均误比特率最小化是在发送总功率一定、发送的总比特率一定的情况下，进行比特和功率分配，使得系统的平均误比特率最小。平均误比特率最小化适用于电话等对服务质量要求严格或者固定速率传输的系统，而传输比特率最大适用于视频或Email等可变速率传输的系统，发射功率最小化可应用于手持式移动终端。一般而言，无线通信系统都是功率有限的，而且，基于平均误比特率最小化的优化算法和速率最大化分配算法的最优分配结果是相互等价的。传统的一些自适应比特功率分配的经典算法有如下几种：,.,44,3.5自适应比特和功率分配,1Hughes-Hartogs算法采用注水原理的在子信道上分配的比特数可能是任意实数，这在实际中是很难实现的。Hughes-Hartogs提出一种渐增式的贪婪(greedy)算法Hughes-Hartogs算法。该算法可在给定比特率和目标BER的前提下，自适应地分配给每个子载波信道比特及功率，使得通信系统的总功率最小。基本思想是：在每一次比特分配过程中，选择递增功率最小的子载波信道进行比特分配，这样就可以保证总的发送功率最小。当用该算法于多载波系统时，由于子载波信道较多，该算法运算较慢。具体算法描述如下：（1）各子信道分配比特数初始化：,.,45,3.5自适应比特和功率分配,（2）各子载波比特数分别增加一位时，计算相应功率增加量：,.,46,3.5自适应比特和功率分配,（3）总比特数是否分配完毕,迭代停止时，即为各子信道上的调制比特数。为目标总比特数，为第n个子信道增加一个比特所需要增加的功率，为噪声单边功率谱密度，为信道增益倍数。表示使用调制方式要达到给定误比特率时需要的信噪比，若系统中可用的最高调制方式是M比特，则规定，而子信道上不发送信号时。然后根据给定的误比特率确定各子信道上的发送功率：,.,47,3.5自适应比特和功率分配,（16）,2Chow算法为了克服当子信道数较多时Hughes-Hartogs方法运算量过大的缺点，Chow等提出了Hughes-Hartogs算法的替代算法Chow算法。该算法利用香农公式计算出信道能够传输的比特数，先大致分配各子信道比特数，再根据目标总比特数，选择性能（根据可调制比特余量数确定）最差或最好的子信道，逐比特减少或增加，使总比特数等于目标比特数，再进行子信道功率分配，使在满足误码率条件下，总发射功率最小化。算法如下：（1）假设所有子载波信道上的信号能量都是1，计算各子载波信道的信噪比，。,.,48,3.5自适应比特和功率分配,（2）令系统性能余量,迭代次数，已使用的子载波信道，其中N为所有的可用子载波数量。（3）令依次计算、和：,.,49,3.5自适应比特和功率分配,其中，为信噪比差额，表示信道容量和算法实际传输能力的差，即在给定的信道容量和误码率条件下，系统实际信噪比与仙农极限所需信噪比的比值，与信道编码方式和误