第4章-正交振幅调制

1、1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n8.1 正交振幅调制正交振幅调制 n8.2 最小频移键控最小频移键控n8.3 高斯最小频移键控高斯最小频移键控n8.4 正交频分复用正交频分复用主要内容主要内容22logbBMPSKMPSKRRMBB理想低通理想低通1 / 2NsfT 基带信号带宽基带信号带宽2NfMPSK信号带宽信号带宽1 /sT码元速率码元速率2log M频带利用率频带利用率1 /ssfT 2sf1 /sT21log2M方波方波余弦滚降余弦滚降(1)Nf 2(1)Nf 1 /sT2log1M 信息速率信息速率2log/sM T2log/sM T2log/sM T8.1

2、 正交幅度调制正交幅度调制3 MPSK误码率公式可以近似为写为：误码率公式可以近似为写为：MrerfcPesin8.1 正交幅度调制正交幅度调制1( )MeMPfd MPSK误码率误码率48.1 正交幅度调制正交幅度调制n 问题的提出：问题的提出： n 多进制相移键控（多进制相移键控（MPSK）的）的频带利用率高频带利用率高，随着，随着M的增大，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，相邻相位的距离逐渐变小，噪声容限减小，可靠性降低，误误码率增大码率增大；n 需要改善在需要改善在M取值较大时的取值较大时的噪声容限噪声容限。n解决方法：解决方法： 单独使用幅度单独使用幅度(MA

3、SK)或相位或相位(MPSK)携带信息时，不能充分携带信息时，不能充分利用信号平面，利用信号平面，MPSK的信号点只能分布在一个圆上，的信号点只能分布在一个圆上，MASK 的信的信号点只能分布在一个轴上。号点只能分布在一个轴上。 APKAPK调制调制：就是用一个信号符号：就是用一个信号符号同时同时控制载波的控制载波的幅度与幅度与相位相位2 2个参量的调制方式个参量的调制方式58.1 正交幅度调制正交幅度调制0( )cos()kkks tAt00cossinkkXtYt同相分量同相分量 正交分量正交分量1 QAM1 QAM信号的时域表达式信号的时域表达式00coscossinsinkkkkAtA

4、tcoskkkXAsinkkkYA 是两个正交的是两个正交的振振幅键控幅键控信号之和信号之和 正交幅度调制正交幅度调制(QAM) ：用两路独立的基带数字信号对两个用两路独立的基带数字信号对两个相互正相互正交交的的同频载波同频载波进行进行抑制载波的双边带调制抑制载波的双边带调制，利用已调信号在同一带宽，利用已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。 正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）是一种）是一种幅度和相位幅度和相位联合键控（联合键控（APK）的调）的调制方式制方式.调制相位调制相位调制幅度调制幅度62 矢量图矢量图8.1 正

5、交幅度调制正交幅度调制 矢量端点矢量端点的分布图称为的分布图称为星座图星座图，可以用星座图来描述，可以用星座图来描述QAMQAM信信号的信号空间分布状态。号的信号空间分布状态。 如果如果QAMQAM信号的在信号空间中的信号的在信号空间中的坐标点数目是坐标点数目是4 4个个（状态（状态数），记为数），记为4QAM4QAM，它的，它的同相和正交支路都采用二进制信号同相和正交支路都采用二进制信号；如；如果同相和正交支路都采用果同相和正交支路都采用四进制信号四进制信号将得到将得到16QAM16QAM信号。以此类信号。以此类推，如果两条支路都采用推，如果两条支路都采用L L进制进制信号将得到信号将得到M

6、QAMMQAM信号信号，其中，其中M=LM=L2 2。7n矩形星座图矩形星座图M为为2的偶数次幂的偶数次幂n十字形星座图十字形星座图M为为2的奇数次幂的奇数次幂nQPSK与与4QAM相同相同4,16,64,256M 128,32 M16M32M64M128M256 MMQAM星座图星座图8.1 正交幅度调制正交幅度调制8 输入的二进制序列经过串输入的二进制序列经过串/并变换器输出速率减半的两路并并变换器输出速率减半的两路并行序列，再分别经过行序列，再分别经过2电平到电平到L电平的变换，形成电平的变换，形成L电平的基带信电平的基带信号。为了抑制已调信号的带外辐射，该号。为了抑制已调信号的带外辐射

7、，该L电平的基带信号还要经电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，形成过预调制低通滤波器，形成Xk和和Yk，再分别对同相载波和正交，再分别对同相载波和正交载波相乘。最后将两路信号相加即可得到载波相乘。最后将两路信号相加即可得到QAM信号。信号。 8.1 正交幅度调制正交幅度调制3 QAM信号的调制和解调信号的调制和解调(正交）正交）98.1 正交幅度调制正交幅度调制10 解调器输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通解调器输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波输出两路多电平基带信号滤波输出两路多电平基带信号Xk和和Yk。多电平判决器对多电平基带。多电平判决器对多电平基带信

8、号进行判决和检测，再经信号进行判决和检测，再经L电平到电平到2电平转换和并电平转换和并/串变换器最终输串变换器最终输出二进制数据。出二进制数据。 8.1 正交幅度调制正交幅度调制1100( )cossinQAMkketXtYt12kkXX 12kkYY 8.1 正交幅度调制正交幅度调制12 （1）正交调幅法）正交调幅法：用两路独立的正交：用两路独立的正交4ASK信号叠加，形成信号叠加，形成16QAM信号信号。 8.1 正交幅度调制正交幅度调制4 16QAM信号信号 输入的二进制序列经过串输入的二进制序列经过串/并变换器输出速率减半的两路并并变换器输出速率减半的两路并行序列，再分别经过行序列，再

9、分别经过2电平到电平到4电平的变换，形成电平的变换，形成4电平的基带信电平的基带信号。为了抑制已调信号的带外辐射，该号。为了抑制已调信号的带外辐射，该4电平的基带信号还要经电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，形成过预调制低通滤波器，形成Xk和和Yk，再分别对同相载波和正交，再分别对同相载波和正交载波相乘。最后将两路信号相加即可得到载波相乘。最后将两路信号相加即可得到QAM信号。信号。 13I路路Q路路( 1, 1)(-1, 1)(-1,-1)( 1,-1)( 3, 3)( 3, 1)( 3,-1)( 3,-3)( 1, 3)( 1,-3)(-1, 3)(-1,-3)(-3, 1)(-3,-

10、1)(-3, 3)(-3,-3)Q路路 3 1 -1 -3I路路-3 -1 1 38.1 正交幅度调制正交幅度调制（2）星座图星座图 14I路路Q路路0101011010101001000001001000110000011101001010110111101100111111Q路路 3 1 -1 -3I路路-3 -1 1 38.1 正交幅度调制正交幅度调制（3）编码方案编码方案 11 10 01 000000 01 01 1010 1115I路路Q路路0000001010101000010100011001110101001100011011100011101101111111Q路路 3 1

11、 -1 -3I路路-3 -1 1 38.1 正交幅度调制正交幅度调制格雷码（方法很多）格雷码（方法很多）11 10 00 010101 00 00 1010 1116 解调器输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通解调器输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波输出两路多电平基带信号滤波输出两路多电平基带信号Xk和和Yk。多电平判决器对多电平基带。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测，再经信号进行判决和检测，再经4电平到电平到2电平转换和并电平转换和并/串变换器最终输串变换器最终输出二进制数据。出二进制数据。 8.1 正交幅度调制正交幅度调制（4）解调解调 17 （5）

12、复合相移法：）复合相移法：它用两路独立的它用两路独立的QPSK信号叠加，形信号叠加，形成成16QAM信号。信号。8.1 正交幅度调制正交幅度调1 正交幅度调制正交幅度调制编码方法编码方法1001001111001001011011001101001019对于对于M=16的的16QAM来说，有多种分布形式的信号星座图。来说，有多种分布形式的信号星座图。 两种具有代表意义：两种具有代表意义：矩形矩形16QAM星座星座（也称为标准型（也称为标准型16QAM）和）和星型星型16QAM星座星座。(-3,3)(-3,1)(-3,-3)(3,-3)(3,1)(3,3)(-1,-1)

13、(-1,1)8.1 正交幅度调制正交幅度调制20 若信号点之间的最小距离为若信号点之间的最小距离为2A2A，且所有信号点等概率出，且所有信号点等概率出现，则平均发射信号功率为现，则平均发射信号功率为)()(2122nMnndcMAsp8.1 正交幅度调制正交幅度调制对于方型对于方型16QAM16QAM，信号平均功率为，信号平均功率为22212210)18410824(16)()(AAdcMAspnMnn对于星型对于星型16QAM16QAM，信号平均功率为，信号平均功率为 22222221( )()(8 2.618 4.61 )14.0316MnnnAAp scdAM 5 MQAM的功率的功率2

14、1 两者功率相差两者功率相差1.4dB1.4dB。一是星型一是星型16QAM16QAM只有两个振幅值，只有两个振幅值，而方型而方型16QAM16QAM有三种振幅值；二是星型有三种振幅值；二是星型16QAM16QAM只有只有8 8种相位值，种相位值，而方型而方型16QAM16QAM有有1212种相位值。种相位值。这两点使得在衰落信道中，星型这两点使得在衰落信道中，星型16QAM16QAM比方型比方型16QAM16QAM更具有吸引力。更具有吸引力。 但但方型星座方型星座QAMQAM信号所需的平均发送功率比信号所需的平均发送功率比QAMQAM星座结构星座结构的信号平均功率小，的信号平均功率小，而方型

15、星座的而方型星座的MQAMMQAM信号的产生及解调比信号的产生及解调比较容易实现较容易实现，所以方型星座的所以方型星座的MQAMMQAM信号在实际通信中得到了信号在实际通信中得到了广泛的应用。广泛的应用。8.1 正交幅度调制正交幅度调制2216QAM信号和信号和16PSK信号的性能比较信号的性能比较 按最大振幅相等，画出这两种信号的星座图按最大振幅相等，画出这两种信号的星座图16QAMAM d2AM d116PSK8.1 正交幅度调制正交幅度调制23 设其最大振幅为设其最大振幅为AM，则，则16PSK信号的相邻信号点的信号的相邻信号点的欧氏距离欧氏距离为为 16QAM的相邻信号点的相邻信号点欧

16、氏距离（欧氏距离（最小距离）为最小距离）为 d2超过超过d1约约1.57 dB。120.393168MMMAdAA 220.4713MMAdA 8.1 正交幅度调制正交幅度调制16QAMAM d2AM d116PSKd2和和d1的比值就代的比值就代表这两种体制的噪表这两种体制的噪声容限之比声容限之比248.1 正交幅度调制正交幅度调制 设其最大振幅为设其最大振幅为AM，则，则MPSK信号的相邻信号点的欧氏距离为信号的相邻信号点的欧氏距离为 MQAM的相邻信号点欧氏距离（方形星座图）为的相邻信号点欧氏距离（方形星座图）为12MAdM 22211MMAAdLM L L是星座图上信号点在水平轴和垂直

17、轴上投影的电平数，是星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数，M=L2 这是在这是在最大功率（振幅）相等最大功率（振幅）相等的条件下比较的，没有考的条件下比较的，没有考虑这两种体制的虑这两种体制的平均功率平均功率差别。差别。25当平均功率受限时：当平均功率受限时： MPSK信号的平均功率（振幅）就等于其最大功率（振幅）。信号的平均功率（振幅）就等于其最大功率（振幅）。 MQAM信号，其最大功率和平均功率之比：信号，其最大功率和平均功率之比： 即此时即此时d2又可增加又可增加 倍倍 16QAM信号，在信号，在等概率等概率出现条件下，可以计算出其最大功率和出现条件下，可以计算出其最大功率和平均

18、功率之比等于平均功率之比等于1.8倍，即倍，即2.55 dB。 在平均功率相等条件下，在平均功率相等条件下，16QAM的噪声容限超过的噪声容限超过16PSK约约4.12 dB。8.1 正交幅度调制正交幅度调制2/221(1)2(21)LiL Lki 最最大大功功率率平平均均功功率率k266 MQAM6 MQAM抗噪声性能抗噪声性能 对于方型对于方型QAMQAM，可以看成是由两个相互正交且独立的，可以看成是由两个相互正交且独立的多电平多电平ASKASK信号叠加而成。因此，利用多电平信号叠加而成。因此，利用多电平ASKASK信号误码信号误码率的分析方法，可得到率的分析方法，可得到M M进制进制QA

19、MQAM的误码率为的误码率为203log(1)()1beELpL erfcLn M=L2，Eb为每比特码元能量，为每比特码元能量，n0为噪声单边功率谱密度。为噪声单边功率谱密度。8.1 正交幅度调制正交幅度调制27M M进制方型进制方型QAMQAM的误码率曲线的误码率曲线 8.1 正交幅度调制正交幅度调制 随着进制数随着进制数M的的增加，在信号空间中增加，在信号空间中各信号点间的最小距各信号点间的最小距离减小，相应的信号离减小，相应的信号判决区域随之减小，判决区域随之减小，因此，当信号受到噪因此，当信号受到噪声和干扰的损害时，声和干扰的损害时，接收信号错误概率将接收信号错误概率将随之增大。随之增大。287 MQAM的频带利用率的频带利用率 调制过程表明，调制过程表明，MQAM信号可以看成信号可以看成两个正交的抑制载两个正交的抑制载波双边带调幅信号的相加波双边带调幅信号的相加，所以其功率谱，所以其功率谱都取决于同相和正都取决于同相和正交路基带信号的功率谱交路基带信号的功率谱。MQAM与与MPSK信号在相同信号点信号在相同信号点数时，功率谱相同，带宽均为基带信号带宽的数