通信原理 第8章.

1、1通信原理2通信原理第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术3第8章 新型数字带通调制技术l8.1 正交振幅调制正交振幅调制(QAM)n1、原理：QAM是振幅和相位联合键控调制方式( )cos()cc tAtna00011011kkA4444AAAA00011011( )cos()4cc tAt( )cos()4cc tAt ( )cos()4cc tAt( )cos()4cc tAt AA4第8章 新型数字带通调制技术0110( )c t4QAM001100011011( )cos()4cc tAt( )cos()4cc tAt ( )cos()4cc tAt( )cos()4c

2、c tAt 5第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术u矢量图矢量图在信号表示式中，若在信号表示式中，若 k值仅可以取值仅可以取 /4和和- /4，Ak值仅可值仅可以取以取+A和和-A，则此，则此QAM信号就成为信号就成为QPSK信号，如下图信号，如下图所示：所示：所以，所以，QPSK信号就是一种最简单的信号就是一种最简单的QAM信号。信号。6第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术u有代表性的有代表性的QAM信号是信号是16进制的，记为进制的，记为16QAM，它，它的矢量图示于下图中：的矢量图示于下图中： Ak7第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术u类

3、似地，有类似地，有64QAM和和256QAM等等QAM信号，如下图信号，如下图所示：所示： 它们总称为它们总称为MQAM调制。由于从其矢量图看像是星座，调制。由于从其矢量图看像是星座，故又称故又称星座星座调制。调制。 64QAM信号矢量图信号矢量图 256QAM信号矢量图信号矢量图8第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术n2、产生方法（以、产生方法（以4QAM信号为例）信号为例）u正交调幅法：用两路独立的正交正交调幅法：用两路独立的正交2ASK信号叠加，形信号叠加，形成成4QAM信号，如下图所示。信号，如下图所示。 AMKXKY9第8章 新型数字带通调制技术u信号表示式：信号表示

4、式：这种信号的一个码元可以表示为这种信号的一个码元可以表示为式中，式中，k = 整数；整数；Ak和和 k分别可以取多个离散值。分别可以取多个离散值。 Xk = Akcos k Yk = Aksin kXk和和Yk也是可以取多个离散值的变量。从上也是可以取多个离散值的变量。从上式看出，式看出，ek(t)可以看作是两个正交的振幅键控信可以看作是两个正交的振幅键控信号之和。号之和。( )cos()kkcke tAtTktkT) 1( ( )coscossinsinkkkckkce tAtAt( )cossinkkckce tXtYt10第8章 新型数字带通调制技术电平转换电平转换串并变换nauvuv

5、KXKYcosctsinctQAM4QAM 信号产生器01 11 11第8章 新型数字带通调制技术01104QAM0011nauv10000111KXKY11111111cosKcXtsinKcYt010203040506070-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81010203040506070-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81010203040506070-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81010203040506070-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81cosKcXtsinKcY

6、t12第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术n3、QAM的优势的优势 u16QAM信号和信号和16PSK信号的性能比较：信号的性能比较：在下图中，按最大振幅相等，画出这两种信号的星座图。在下图中，按最大振幅相等，画出这两种信号的星座图。设其最大振幅为设其最大振幅为AM，则，则16PSK信号的相邻矢量端点的欧信号的相邻矢量端点的欧氏距离氏距离d1 和和16QAM信号的相邻点欧氏距离信号的相邻点欧氏距离d2分别为分别为 d2和和d1代表这代表这 两种体制两种体制噪声容限噪声容限的大小的大小110.39316MMdAAAM d2(a) 16QAMAM d1(b) 16PSK2220.4

7、7132MMdAA13(a) 传输频带(b) 16QAM星座1011 1001 1110 11111010 1000 1100 11010001 0000 0100 01100011 0010 0101 0111A2400第8章 新型数字带通调制技术n4、QAM应用应用u实例实例1：QAM特别适用于频带资源有限的场合。例如，电话信道特别适用于频带资源有限的场合。例如，电话信道的带宽通常限制在的带宽通常限制在3003400Hz的范围内，若希望得到高的传输的范围内，若希望得到高的传输速率，可采用速率，可采用QAM。在下图中示出一种用于调制解调器的传输。在下图中示出一种用于调制解调器的传输速率为速率

8、为9600 b/s的的16QAM方案，其载频为方案，其载频为1650 Hz，滤波器带宽，滤波器带宽为为2400 Hz（9600/4=2400），滚降系数为），滚降系数为10。14第8章 新型数字带通调制技术u实例实例2：p目前，我国的有线电视在有线电视信号传输时，一般采用目前，我国的有线电视在有线电视信号传输时，一般采用64QAM调制方式。（每个码元传输调制方式。（每个码元传输6bit信息，信息速率是码元信息，信息速率是码元速率的速率的6倍）倍）p对于标清信号，如果符号率采用对于标清信号，如果符号率采用6.875M符号符号/秒，每个频道的最秒，每个频道的最高信息传输速率为高信息传输速率为6.8

9、75*641.25Mbps，信道编码采用信道编码采用RS编码编码（204，188），每个频道的有效传输速率为），每个频道的有效传输速率为41.25*（188/204）38.01Mbps，按每套节目的速率为，按每套节目的速率为6Mbps，故每个频道可以，故每个频道可以传输的节目数量为传输的节目数量为38.01/66.33个。个。p作为发展趋势的作为发展趋势的HDTV信号，未经压缩时的数据为信号，未经压缩时的数据为663.5Mbit/s，压缩后为压缩后为31.8Mbit/s（压缩比（压缩比20.8 1）。如果采用）。如果采用64QAM调制，调制，传输带宽为传输带宽为31.8/65.3MHz（码元速

10、率即为带宽）（码元速率即为带宽），频带利用，频带利用率达到率达到6bit/s/Hz。p也就是说，在现有的有线电视系统中，采用也就是说，在现有的有线电视系统中，采用64QAM调制方式，调制方式，每个频道可以传输一路高清或每个频道可以传输一路高清或6路标清信号，提高了信道利用路标清信号，提高了信道利用率。率。15第8章 新型数字带通调制技术l8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控最小频移键控和高斯最小频移键控n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，其波形图如下： 16第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术n8.2.1 正交正交2

11、FSK信号的最小频率间隔信号的最小频率间隔假设假设2FSK信号码元的表示式为信号码元的表示式为保证正交的保证正交的2FSK信号的最小频率间隔等于信号的最小频率间隔等于1 / 2Ts。”时当发送“”时当发送“0)cos(1)cos()(0011tAtAts17第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术n 8.2.2 MSK信号的基本原理信号的基本原理uMSK信号的频率间隔信号的频率间隔 MSK信号的第信号的第k个码元可以表示为个码元可以表示为式中，式中， c 载波角载频；载波角载频； ak = 1（当输入码元为（当输入码元为“1”时，时， ak = + 1 ； 当输入码元为当输入码元为

12、“0”时，时， ak = - 1 ）；）； Ts 码元宽度；码元宽度； k 第第k个码元的初始相位，它在一个码元宽度个码元的初始相位，它在一个码元宽度 中是不变的。中是不变的。 ( )cos()2kkcksas tttT(1)sskTtkT 18第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术由上式可以看出，由上式可以看出，当输入码元为当输入码元为“1”时，时， ak = +1 ，故码元频率，故码元频率f1=fc + 1/(4Ts)；当输入码元为当输入码元为“0”时，时， ak = -1 ，故码元频率，故码元频率f0=fc - 1/(4Ts)。所以，所以， f1 和和f0的差等于的差等于1

13、 / (2Ts)。在。在8.2.1节已经证明，这是节已经证明，这是2FSK信号的最小频率间隔。信号的最小频率间隔。( )cos()2kkcksas tttT(1)sskTtkT 19第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术u MSK信号的相位连续性信号的相位连续性 k(t)称作第称作第k个码元的附加相位。个码元的附加相位。( )cos()cos( )2kkckcksas tttttTs( )2kkkattT(1)sskTtkT 20第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术由上式可见，在此码元持续时间内它是由上式可见，在此码元持续时间内它是t的直线方程。并且，的直线方程。

14、并且，在一个码元持续时间在一个码元持续时间Ts内，它变化内，它变化ak /2，即变化，即变化 /2。每。每经过一个码元的持续时间，经过一个码元的持续时间，MSK码元的附加相位就改变码元的附加相位就改变 /2 ；若若ak =+1，则第，则第k个码元的附加相位增加个码元的附加相位增加 /2；若若ak = -1 ，则第，则第k个码元的附加相位减小个码元的附加相位减小 /2。按照这一规律，可以画出按照这一规律，可以画出MSK信号附加相位信号附加相位 k(t)的轨迹图如的轨迹图如下：下：kskktTat2)(21第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术Ts3Ts5Ts9Ts7Ts11Ts0t

15、( )kt232012304536782 910116ak =1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 -10s( )02kkkattTkn22第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术习题习题8-1 设发送数字序列为设发送数字序列为+1-1-1-1-1-1+1，试画出用其调制，试画出用其调制后的后的MSK信号相位变化图。若码元速率为信号相位变化图。若码元速率为1000B，载波频，载波频率为率为3000Hz，试画出此，试画出此MSK信号的波形。信号的波形。t( )kt223200102345673 231110003000325044cSffHzT111000300027

16、5044cSffHzT132503.251000n 127502.751000n+1-1-1-1-1-1+124第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术习题习题8-2 设有一个设有一个MSK信号，码元速率为信号，码元速率为1000B，分别用频，分别用频率率f1和和f0表示码元表示码元“1”和和“0”，若，若f1=1250Hz，试求其，试求其f0应应为多少？并画出为多少？并画出“101”的波形。的波形。1112504cSffHzT11000BSRHzT1110001250100044cSffHzT011000100075044cSffHzT25第8章 新型数字带通调制技术uMSK信号

17、的正交表示法( )cos()2kkcksas tttTsskTtTk ) 1( )cos()cossin()sin22kkkkckcssaas tttttTTcoscossinsincossincoscossinsin2222kkkkkkckkcssssatatatatttTTTTcoscoscoscossinsin22kckkcsstttatTTcoscossinsin(1)22kckcssssttptqtkTtkTTT 26第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术考虑到有考虑到有 以及以及 上式表示，此信号可以分解为同相（上式表示，此信号可以分解为同相（I）和正交（）和正交（Q

18、）分量）分量两部分。两部分。I分量的载波为分量的载波为cos ct，pk中包含输入码元信息，中包含输入码元信息，cos( t/2Ts)是其正弦形加权函数；是其正弦形加权函数；Q分量的载波为分量的载波为sin ct ，qs中包含输入码元信息，中包含输入码元信息， sin( t/2Ts)是其正弦形加权函数。是其正弦形加权函数。 1cos, 0sinkk1,ka sksksskTtatTaTttTa2sin2sin,2cos2cos及1coskkp1coskkkkkpaaq27第8章 新型数字带通调制技术k01 23456789t(-Ts, 0)(0, Ts)(Ts, 2Ts)(2Ts, 3Ts)(

19、3Ts, 4Ts)(4Ts, 5Ts)(5Ts, 6Ts)(6Ts, 7Ts)(7Ts, 8Ts)(8Ts, 9Ts)ak+1+1-1+1-1-1+1+1-1 1bk+1+1-1-1+1-1-1-1+1+1k000000pk+1+1-1-1+1+1-1-1+1+1qk+1+1+1-1-1-1-1-1-1+11coskkp1coskkkkkpaaq( )coscossinsin(1)22kkckcsssstts tptqtkTtkTTT 28第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术n8.2.3 MSK信号的产生和解调信号的产生和解调uMSK信号的产生方法信号的产生方法 MSK信号可以

20、用两个正交的分量表示：信号可以用两个正交的分量表示：s( )coscossinsin22kkckcsttstptqtTTsskTtTk ) 1(差分差分编码编码串串/并并变换变换振荡振荡f=1/4T振荡振荡f=fs移相移相 /2移相移相 /2 cos( t/2Ts)qkpkqksin( t/2Ts)sin( t/2Ts)cos ctsin ctakbk带通带通滤波滤波MSK信号信号pkcos( t/2Ts)cos ctqksin( t/2Ts)sin ctpkcos( t/2Ts)29第第8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术n8.2.6 高斯最小频移键控高斯最小频移键控u在进行在进行MSK调制前将矩形信号脉冲先通过一个高斯型的调制前将矩形信号脉冲先通过一个高斯型的低通滤波器。这样的体制称为低通滤波器。这样的体制称为高斯最小频移键控高斯最小频移键控(GMSK)。 u此高斯型低通滤波器的频率特性表示式为：此高斯型低通滤波器的频率特性表示式为：式中，式中，B 滤波器的滤波器的3 dB带宽。带宽。将上式作