第6章 数字调制与检测

第6章数字调制与检测现代无线通信技术ModernWirelessCommunicationTechnologies

福州大学物理与信息工程学院郑绍华20091引言1、数字调制？更廉价、速度更快、效率更高；高频率效率、强纠错能力、抗那个信道失真、高效的多址接入、更好的安全保密性等；2、调制方式的选择？高传输速率高频带利用率（最小带宽占用）高功率效率（最小发送功率）对信道影响的抵抗能力（最小误码比特率）低功耗、低成本2引言3、数字调制分类幅度/相位调制——线性调制；频率调制——非线性调制/恒包络调制；线性调制一般比非线性调制具有更好的频谱特性，因为非线性处理会导致频谱的扩展，不过线性调制把信息包含在幅度或相位中，易受衰落和干扰的影响；36.1信号空间分析数字调制是将若干个比特映射为几种可能的发送信号之一，接收机将收到的信号同各个可能的发送信号做比较，找到“最接近”的作为检测结果，使得出错的概率最小；需要一个“度量”来反映信号之间的距离；通过将信号投影到一组基函数上，就能将信号波形和向量表示一一对应起来，这样，问题就从无限维的函数空间转到了有限维的向量空间，就可利用向量空间中现成的距离概念。41、信号与系统模型通信系统模型51、信号与系统模型61、信号与系统模型消息序列对应的发送信号71、信号与系统模型82、信号的几何表示把信号{si(t):i=1,2,…,M}用几何方式表示，就可以利用最小距离准则得到AWGN信道下的最佳接收机设计。将信号进行几何表示的基础是“基”的概念，可以把任意M个定义在[0,T）上的有限能量实信号S={s1(t),s2(t),…,sM(t)}表示为N≤M个实正交基函数{φ1(t),φ2(t),…,φN(t)}的线性组合。称这组基函数张成了集合S。92、信号的几何表示102、信号的几何表示线性带通调制的基函数由正弦和余弦函数组成：112、信号的几何表示122、信号的几何表示132、信号的几何表示142、信号的几何表示二维信号空间。借助信号空间表示，来分析无穷维数的函数，大大简化系统性能的分析和最佳接收机设计推导。15向量空间163、接收机结构和充分统计量173、接收机结构和充分统计量AWGN信道下信号检测的接收机结构183、接收机结构和充分统计量193、接收机结构和充分统计量203、接收机结构和充分统计量213、接收机结构和充分统计量223、接收机结构和充分统计量236.2带通调制原理数字带通调制的基本原理是用载波信号携带信息比特在信道中传输，在接收端解调器从接收到的信号中提取出这些信息比特流。信道对发送信号的损伤可能会导致出现比特错误，调制的目标就是以最小的数据损伤概率实现高速传输数据；246.2带通调制原理256.2带通调制原理266.3幅度/相位调制276.3幅度/相位调制幅度相位调制器286.3幅度/相位调制幅度/相位相干解调器接收机一般设有一个载波相位恢复电路，使得接收机的相位与发送端相位一致，称相干检测。296.3幅度/相位调制幅度/相位调制主要分三种：脉冲幅度调制（MPAM）相移键控（MPSK）正交幅度调制（MQAM）：幅度和相位都携带信息301、脉冲幅度调制一维的脉冲幅度调制(MPAM)是最简单的线性调制，它没有正交分量。311、脉冲幅度调制321、脉冲幅度调制MPAM的星座图映射通常采用格雷码映射，相邻星座点只有一个比特不同；M=4,K=22d000111100000010110101101111011002d星座的格雷码331、脉冲幅度调制M=4和8时的MPAM的判决域Zi以及脉幅Ai的数学表达式及图示：34MPAM相干解调MPAM只有一个基函数352、相移键控MPSK362、相移键控MPSKMPSK也常采用格雷映射，信号相位随比特的变化而作相应的变化；MPSK的格雷映射372、相移键控MPSKMPSK的判决域383、正交幅度调制393、正交幅度调制星座判决域404、差分调制MPSK和QPSK都在相位中携带了消息，需要相干解调，即发送载波的相位和接收机的相位必须一致。增加了接收机的复杂度和成本，且在快衰落信道提取相干载波更为困难；所以考虑不要求接收机有相干相位参考的技术,如差分调制。差分调制基本原理：以前一个符号作为当前符号的参考相位，从而使得接收机无需建立相干相位参考。414、差分调制424、差分调制对于任意M的差分MPSK，都可以对相位变化做格雷编码，接收端错译为相邻的相位变化时只发生一个比特的错误；D-QPSK的格雷码映射434、差分调制例：444、差分调制注意： 差分调制对载波相位的随机漂移并不敏感。但若信道存在显著的多普勒频移，那么相邻码元间隔内的相位可能会不相关，使得前一个符号成为一个很差的相位参考。多普勒频移会使差分调制出现较高的背景误差。455、正交偏移偏移正交相移键控(OffsetQPSK,OQPSK)是基于QPSK的调制方法。输入信号变化时，QPSK信号相位会在4个星座之间跳变，符号值的变化有可能引起180度的相位变化，这将使信号幅度的变化过零点，经过非线性放大器或滤波器时，相位和幅度的突变会引起失真。将正交分量g(t)偏移半个码元时间，可以消除或减弱这种突变——正交偏移，目的是降低非线性失真的敏感度。465、正交偏移带正交偏移的调制器475、正交偏移a）常规QPSK波形；b）偏移OQPSK波形；c）移位π/4的QPSK波形48π/4-QPSKπ/4-QPSK是在QPSK和OQPSK基础上经过改进的一种恒包络调制方式，优点：1）相位跳变时的相位差只能是±π/4或±3π/4；2）允许使用非相干解调，以避免相干检测中载波的相位模糊问题；带限的π/4-QPSK信号的恒包络特性比QPSK好，比OQPSK要差，但可以采用非相干解调，有利于简化接收机设计，同时对于存在多径干扰的信道，工作性能要比OQPSK要好。496.4频率调制频率调制通过信号的频率来携带信息。基函数对应不同的频率载波，在每个码元间隔内发送一个基函数。最简单的：二进制频移键控BFSK是以不同的频率w0和w1来表示符号0、1。可以有两种方法来得到BFSK信号：1）利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立载波频率进行选通；2）利用矩形脉冲序列通过调频器对一个载波进行调频；506.4频率调制对于BPSK，第一种方法：511、MFSK522、连续相位频移键控CPFSK533、FSK的非相干检测FSK的相干解调器需要对每个载波进行相干载波恢复，实现上比较困难而且昂贵；另一种方法：检测每个频率上的信号能量，若第i个频率能量最大，接收机就输出消息mi；543、FSK的非相干检测553、FSK的非相干检测563、FSK的非相干检测非相干FSK解调576.5脉冲成形幅度/相位调制的带宽取决于脉冲g(t)的带宽，矩形脉冲不是我们所希望的：1、矩形脉冲的频谱（傅里叶变换）是无限的；相应地，使用矩形脉脉冲的数字调制信号的频谱基于载波频率而移位，其频谱也是无限的。然而无线信道是带限的；2、由于多址的存在，无线信道是有记忆的信道，会产生符号间干扰ISI；在无线通信的目标是在给定的信道带宽内容纳最大可能的用户数，为了满足这个要求，必须使用预调制滤波器，其任务就是脉冲成形；586.5脉冲成