通信原理_教学课件_14.ppt

1,第八章新型数字带通调制技术(8.1-8.2),4,2010年3月，BCNG课题组加入World-wideUniversityNetwork(WUN)CognitiveCommunicationsConsortium，成为该联盟的第45个成员。WUN感知通信联盟致力于通过全球范围的合作，形成感知通信领域的权威地位。目前，美洲的UCLA、Illinois、UBC等大学；欧洲的Leeds、Surrey、York大学、澳洲的Sydney大学、以及国内的北京大学、浙江大学等均是该组织成员。与英国利兹大学信号处理实验室合作，联合申办2012年IEEEInternationalWorkshoponSignalProcessingAdvancesinWirelessCommunications(IEEESPAWC).,开放式实验平台用于国际交流,BCNG组发表的部分学术论文（1）,PilotDesignforMIMOOFDMSystemswithVirtualCarriers.IEEETransactionsonSignalProcessing.Vol.57,No.5,2009；PracticaltimingandfrequencysynchronizationforOFDMbasedcooperativesystems,IEEETransactionsonSignalProcessing,toappear.DataDetectioninCooperativeSTBC-OFDMSystemswithMultipleFrequencyOffsets，IEEESignalProcessingLetters,vol.16,no.6,2009.ANewRestrictedFull-rankSingle-symbolDecodableDesignforFourTransmitAntennas.IEEESignalProcessingLetters,Vol.15,2008.Intra-FlowContentionProbleminWirelessMulti-hopNetworks,IEEECommunicationsLetters,vol.14,no.1,pp.18-20,2010.RethinkingAvailableBandwidthEstimationinIEEE802.11-basedAdhocNetworks,IETElectronicsLetters,vol.45,no.4,pp.211-213,2009.ANewRestrictedFull-rankSingle-symbolDecodableDesignforFourTransmitAntennas,”IEEESignalProcessingLetters,Vol.15,December2008.ACyclotomicLatticeBasedQuasi-OrthogonalSTBCforEightTransmitAntennas,IEEESignalProcessingLetters,Vol.17,No.4,April2010.,BCNG组发表的部分学术论文（2）,AchievingSpaceandTimeDiversitybyUsingLatticeConstellationBasedJointAlamoutiCoding,IEEECommunicationLetters,Vol.14,No.1,January2010.TimingandfrequencysynchronizationforOFDMbasedcooperativesystems.34thIEEEInternationalConferenceonAcoustic,Speech,andSignalProcessing,April2009.Sub-blocknon-coherentspace-frequencycodingwithfull-diversityforMIMO-OFDM”,the50thIEEEGlobecom,Washington,DC,USA,Nov.26-30,2007;JointChannelTrackingandSymbolDetectionforMIMO-OFDMMobileCommunications,acceptedbythe66thIEEEVehicularTechnologyConference（VTC）,2007，Baltimore;RethinkingAvailableBandwidthEstimationinIEEE802.11-basedAdhocNetworks,IETElectronicsLetters,vol.45,no.4,pp.211-213,2009.AccurateAvailableBandwidthestimationinIEEE802.11-basedadhocnetwork,ElsevierComputerCommunications,vol.32,no.6,pp.1050-57,2009.,BCNG组发表的部分学术论文（3）,PreservingQoSinWirelessAdhocNetworks,Invitedpaper,inIEEE1stInternationalConferenceonWirelessVITAE09,May2009,Aalborg,Denmark,pp.911-915.RateAdaptiveMACProtocolforIEEE802.11WLANs,IEEEICT06.Funchal,Portugal.May2006RateAdaptivetransmissionSchemeforIEEE802.11WLANs,JournalofCommunicationandComputer.2006,vol.13,no.1,pp.70-73.PFQ-OS:APacketFairQueuingbasedOpportunisticSchedulerinWirelessNetworks,ChineseJournalofElectronics(CJE),vol.2,pp.333-339,2008.OpportunisticSchedulingwithStatisticalFairnessGuaranteeinWirelessNetworks,IEEEPIMRC07,Athens,Greece.September,2007.OpportunisticSchedulingforDelaySensitiveFlowsinWirelessNetworks,The16thInternationalConferenceonComputerCommunicationsandNetworks,Hawaii,USA,August,2007.,BCNG组发表的部分学术论文（4）,ImplementingaHighThroughputAccessinIEEE802.11WirelessMeshNetworks,TheThirdInternationalConferenceonQualityofServiceinHeterogeneousWired/WirelessNetworks(QShine06),Ontario,Canada,August,2006.ANovelRoutingSchemeforAnti-jammingAdHocNetworksUsingDirectionalAntennas,IEEEICT06,Funchal,Portugal,May,2006.RecursiveChannelEstimationAlgorithmsforIterativeReceiverinMIMOOFDMSystems.IEEEWCNC,Budapest,Hungary,2009.LowComplexityVariationalBayesIterativeReceiverforMIMO-OFDMSystems.IEEEICC,Dresden,Germany,2009.JointSymbolDetectionandChannelEstimationforMIMO-OFDMSystemsviatheVariationalBayesianEMAlgorithm.IEEEWCNC,LasVegas,Mar.,2008.DatadetectionincooperativeSFBC-OFDMsystemswithmultiplefrequencyoffsets,IETCommunications,toappear.,BCNG组发表的部分学术论文（5）,TransmitbeamformingforMISOfrequency-selectivechannelswithper-antennapowerconstraintandlimited-ratefeedback,IEEEInternationalWorkshoponSignalProcessingAdvancesinWirelessCommunication(IEEESPAWC),June2010ARate-adaptiveCooperativeMACprotocolbasedonRTS/CTSschemeforMANET,IEEEACCESSNETS07,Aug.2007,Ottawa,Ontario,Canada.Sub-blocknon-coherentspace-frequencycodingforMIMO-OFDM.AcceptedbyIEEEGlobecom2007,WashingtonDC,Nov.2007.Diversitycodingschemeforwirelessopticalcommunicationwithdirectdetection,IEEElectronicsLetters,40(13):822-823,2004.ATypicalCooperativeMIMOSchemeinWirelessAdHocNetworksandItsChannelCapacity,inProc.ofIEEEInternationalConferenceonCommunication(ICC08),Beijing,May,2008.CooperativeTransmissionintheWirelessSensorsNetwork：RealizationandAnalysis,IEEEProceedingsofWicom2006.(EI)Sept.2006.,BCNG组发表的部分学术论文（6）,AnEvolutionaryTopologyUnawareTDMAMACProtocolforAdHocNetworks,IEEEICC08,Beijing,May2008,pp.4825-4829.AnEvolutionaryTimeSpreadMultipleAccessProtocolforAdHocNetworks,IEEEWCNC08,LasVegas,March2008,pp.1781-1785.AnEvolutionary-DynamicTDMASlotAssignmentProtocolforAdHocNetworks,IEEEWCNC07,HongKong,March2007,pp.138-142.PerformanceEvaluation,ImprovementandChannelAdaptiveStrategyforIEEE802.11FragmentationMechanism,IEEEISCC06.Cagliari,Italy.June2006.,11,第8章新型数字带通调制技术,8.1正交振幅调制(QAM)8.2最小频移键控和高斯最小频移键控8.3正交频分复用,主要内容,12,8.1正交振幅调制(QAM),问题的提出：多进制相移键控（MPSK）的频带利用率高，功率利用率较高；随着M的增大，相邻相位的距离逐渐变小，噪声容限减小，可靠性降低；需要改善在M取值较大时的噪声容限。,13,8.1正交振幅调制(QAM),解决方法：单独使用幅度或相位携带信息时，不能充分利用信号平面，上MASK的信号点只能分布在一个轴上，MPSK的信号点只能分布在一个圆。振幅和相位联合调制（APK），以正交幅度调制（QAM）为主。,14,8.1正交振幅调制(QAM),两个相互正交的振幅键控信号之和。,信号表达式：,正交幅度调制(QAM)的另一种理解,Xk,Yk,15,8.1正交振幅调制(QAM),QAM调制解调系统组成：,16,8.1正交振幅调制(QAM),矩形星座图M为2的偶数次幂十字形星座图M为2的奇数次幂QPSK与4QAM相同,MQAM星座图,17,8.1正交振幅调制(QAM),16QAM信号的产生方法正交调幅法：用两路独立的正交4ASK信号叠加，形成16QAM信号。,18,8.1正交振幅调制(QAM),复合相移法：它用两路独立的QPSK信号叠加，形成16QAM信号。,19,8.1正交振幅调制(QAM),16QAM信号和16PSK信号的性能比较：按最大振幅相等，画出这两种信号的星座图,20,8.1正交振幅调制(QAM),设其最大振幅为A，则16PSK信号的相邻信号点的最小距离为16QAM的相邻信号点最小欧式距离为d2超过d1约1.57dB。,21,8.1正交振幅调制(QAM),这时是在最大功率（振幅）相等的条件下比较的，没有考虑这两种体制的平均功率差别。16PSK信号的平均功率（振幅）就等于其最大功率（振幅）。16QAM信号，在等概率出现条件下，可以计算出其最大功率和平均功率之比等于1.8倍，即2.55dB。在平均功率相等条件下，16QAM的相邻信号距离超过16PSK约4.12dB。,22,8.1正交振幅调制(QAM),MQAM的频带利用率,理想情况下MQAM与MPSK最高频带利用率均为：基带传输系统为升余弦滚降时，频带利用率为：,23,8.1正交振幅调制(QAM),实例：一种用于调制解调器的传输速率为9600b/s的16QAM方案，其载频为1650Hz，滤波器带宽为2400Hz，滚降系数为10。,24,8.1正交振幅调制(QAM),16QAM方案的改进：QAM的星座形状并不是正方形最好，实际上以边界越接近圆形越好。实例：,25,第6章新型数字带通调制技术,8.1正交振幅调制(QAM)8.2最小频移键控和高斯最小频移键控8.3正交频分复用,主要内容,26,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,OQPSK和/4QPSK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，很自然会想到使用相位连续变化的调制方式。本节讨论的最小频移键控（MSK）和高斯最小频移键控（GMSK）就是恒包络连续相位调制。,调制指数：,27,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,定义：最小频移键控（MSK）信号是一种包络恒定、相位连续、带宽最小并且严格正交的2FSK信号。波形图如下：,28,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,8.2.1正交2FSK信号的最小频率间隔假设2FSK信号码元的表示式为为了满足正交条件，要求,29,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,假设1+01，上式左端第1和3项近似等于零，则它可以化简为,30,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,由于1和0是任意常数，故必须同时有当m=1时是最小频率间隔，最小频率间隔等于1/Ts。,31,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,对于相干解调，则要求初始相位是确定的，在接收端是预知的，这时可以令1-0=0。对于相干解调，保证正交的2FSK信号的最小频率间隔等于1/(2Ts)。,32,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK信号的时域表达式,表示未调载波频率；,Ts表示码元宽度；,A表示已调信号振幅；,ak表示第k个码元中的信息，其取值为,表示直到时刻的累积相位值。,8.2.2最小频移键控的原理,33,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,令,MSK信号可以表示成在时间间隔内具有两个频率之一的正弦波。,定义：,34,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,频率间隔：,MSK的调制指数：,满足正交条件的最小频移指数。,35,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK的相位分析,定义：,=,36,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,37,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK的相位网格图,QPSK信号的相位改变量,38,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK信号特点,（1）已调信号的振幅是恒定的；（2）信号的频率偏移严格地等于相应的调制指数；,（3）以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确地线性变化；,（4）在码元转换时刻信号的相位是连续的，或者说，信号的波形没有突跳。,39,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK信号的调制,8.2.3MSK信号的产生和解调,40,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK信号的解调方法延时判决相干解调法,41,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,设，MSK信号相位的变化规律,在t2T时，k(t)的相位可能为0或。,42,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,在解调时，若用cos(ct+/2)作为相干载波与MSK信号相乘，则得到上式右端第二项的频率为2c。将它用低通滤波器滤除，并省略掉常数(1/2)后，得到输出电压,43,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,按照输入码元ak的取值不同，输出电压v(t)的轨迹图：若输入的两个码元为“1,+1”或“1,-1”，则k(t)的值在0t2Ts期间始终为正。若输入的一对码元为“1，+1”或“1，1”，则k(t)的值始终为负。,44,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,若在此2Ts期间对上式积分，则积分结果为正值时，说明第一个接收码元为“1”；若积分结果为负值，则说明第1个接收码元为“1”。按照此法，在Tst3Ts期间积分，就能判断第2个接收码元的值，依此类推。用这种方法解调，由于利用了前后两个码元的信息对于前一个码元作判决，故可以提高数据接收的可靠性。,45,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,两个积分判决器的积分时间长度均为2Ts，但是错开时间Ts。上支路的积分判决器先给出第2i个码元输出，然后下支路给出第(2i+1)个码元输出。,46,8.2最小频移键控和高斯最小频移键控,8.2.4MSK信号的功率谱MSK信号的归一化（平均功率1W时）单边功率谱密度,与频率f4成反比,与频率f2成反比,MSK能量集中在频率较低处,能量集中在