《无线通信基础与应用》课件第04章 单载波调制技术

第四章单载波调制技术4.1概述在现代无线通信系统中普遍采用数字调制技术，这是因为数字调制与模拟调制相比具有许多优点，包括更高的频谱效率、更好的抗噪声性能、更强的抗信道损伤的能力、易于进行差错控制以及更好的安全保密性等。在衡量数字调制的性能时，常用的主要指标有功率效率和频谱效率。功率效率是指调制技术在有限功率条件下保持数字信息正确传输的能力，该指标反映了调制技术对功率有效利用的能力。频谱效率是指调制技术在有限带宽内传输数据的能力，它反映了对带宽有效利用的能力。无线通信基础与应用24.1概述在无线通信系统中选择调制方式时，通常会考虑以下几个方面的因素：频谱效率：无线通信系统中，如何在有限的频率资源内实现更高的传输速率，始终是无线通信要解决的主要问题。功率效率：手持无线终端采用电池供电，功耗受限，因此要求终端上使用的调制方式具有较高的功率效率。抗干扰、抗噪声能力：由于无线信道传播特性复杂，存在各种噪声和干扰，因此要求调制方式具有较强的抗噪声和抗干扰能力。抵抗多径衰落的能力：无线信道存在多径传播，从而产生信号衰落，因此要求调制方式具有较强的抗衰落能力。实现复杂度：终端的成本、体积受限，因此要求调制方式具有低实现复杂度和低成本。以上这些要求经常是相互矛盾的，彼此影响，不能同时满足。因此无线通信系统在选择调制方式时，应该根据系统需求，折中考虑上述要求，得到一个最佳的权衡结果。例如移动通信系统中下行和上行链路通常会使用不同的调制方案，主要是因为基站侧功率供应有保证，往往追求更高的频谱效率；但是手机侧功率受限，通常更多关注功率的有效利用。无线通信基础与应用34.2脉冲成形技术

无线通信基础与应用44.2脉冲成形技术

无线通信基础与应用54.2脉冲成形技术

无线通信基础与应用64.2.1奈奎斯特第一准则

无线通信基础与应用74.2.1奈奎斯特第一准则

无线通信基础与应用84.2.1奈奎斯特第一准则下图给出了输入符号序列为{+1,+1,+1,+1,+1}时，脉冲成形模块输出的基带波形，可以看出，尽管由于成形脉冲相互叠加，导致基带波形有起伏，但是在抽样时刻，波形幅度仅取决于当前符号，其它符号对于基带波形幅度的贡献均为0，从而避免了抽样时刻的ISI。无线通信基础与应用94.2.1奈奎斯特第一准则

无线通信基础与应用102024/3/314.2.1奈奎斯特第一准则

无线通信基础与应用114.2.1奈奎斯特第一准则

无线通信基础与应用124.2.1奈奎斯特第一准则

无线通信基础与应用134.2.2奈奎斯特第二准则

无线通信基础与应用144.2.2奈奎斯特第二准则

无线通信基础与应用154.2.2奈奎斯特第二准则

无线通信基础与应用164.2.2奈奎斯特第二准则

无线通信基础与应用174.2.3奈奎斯特第三准则

无线通信基础与应用184.3信号空间分析在数字通信系统中，接收机将收到的信号同各个可能的发射信号做比较，找到“最近”或者最相似的那个作为检测结果．以使出错的概率最小。为了判断“远近”，我们需要能够度量信号之间的距离，然而波形之间的距离计算过于复杂。信号的空间表示，通过将信号投影到一组基函数，把信号波形和向量表示一一对应起来，从而将问题从无限维的函数空间变换到有限维的向量空间中，进而利用向量空间中的距离概念来度量信号之间的距离，简化计算。信号的空间表示具有很强的通用性，几乎所有的数字调制都可以统一到空间表示的框架之下，方便我们以统一的视角看待各种不同的调制方法。无线通信基础与应用194.3.1已调信号的空间表示

无线通信基础与应用204.3.1已调信号的空间表示

无线通信基础与应用214.3.1已调信号的空间表示

无线通信基础与应用224.3.2AWGN信道下接收信号的空间表示

无线通信基础与应用234.3.2AWGN信道下接收信号的空间表示

无线通信基础与应用24AWGN噪声的正交展开

接收机与误码率

重要结论

接收机的工作

判决域和判决准则

判决域的设计原则

最大似然判决准则

判决域

判决域示例判决域

特定星座集的误码元率估计

4.4线性调制技术数字调制主要分为幅度/相位调制和频率调制两类。幅度/相位调制也称线性调制，已调信号频谱是基带信号频谱的线性搬移。频率调制通过瞬时频率来携带信息，已调信号频谱与基带信号频谱相比，除了频谱搬移以外还有新的频率分量，频率调制的已调信号包络一般是恒定的，因此又称为非线性调制或恒包络调制。一般来说，线性调制比非线性调制具有更好的频谱效率，但是需要使用价格昂贵、功率效率差的线性放大器。目前已有一些方法来克服线性调制的这些缺点，如数字预失真技术等。非线性调制则具有更好的功率效率，其恒包络特性允许使用价格便宜，功率效率高的非线性放大器，且具有良好的抗信道衰落的能力。选择线性调制还是非线性调制就是在前者的频率效率和后者的功率效率以及抵抗信道衰落的能力之间进行选择。无线通信基础与应用314.4.1多进制相位调制MPSK

无线通信基础与应用324.4.1多进制相位调制MPSK调制器原理框图如下无线通信基础与应用334.4.1多进制相位调制MPSK

无线通信基础与应用344.4.2二进制移相键控BPSK

无线通信基础与应用354.4.2二进制移相键控BPSK

无线通信基础与应用364.4.2二进制移相键控BPSK

无线通信基础与应用374.4.2二进制移相键控BPSK

无线通信基础与应用384.4.2二进制移相键控BPSK

无线通信基础与应用394.4.3四相移相键控QPSK

无线通信基础与应用40

4.4.3四相移相键控QPSK

无线通信基础与应用414.4.3四相移相键控QPSKQPSK信号的调制器和解调器原理如图所示无线通信基础与应用424.4.4交错四相移相键控OQPSK当采用矩形脉冲时，QPSK信号包络恒定。当采用升余弦滚降滤波器作为成形脉冲时，不同滚降因子条件下QPSK信号的时域波形如图所示。可以看出QPSK信号不再具有恒包络的性质，且包络起伏剧烈，存在过零点，这就要求使用成本高且功率效率低的线性放大器。无线通信基础与应用434.4.4交错四相移相键控OQPSK

无线通信基础与应用44

4.4.4交错四相移相键控OQPSK

无线通信基础与应用454.4.5π/4四相移相键控π/4QPSK

无线通信基础与应用46

4.4.5π/4四相移相键控π/4QPSK

无线通信基础与应用474.4.5π/4四相移相键控π/4QPSK

无线通信基础与应用484.4.5π/4四相移相键控π/4QPSK

无线通信基础与应用494.4.5π/4四相移相键控π/4QPSK由于π/4QPSK信号是差分移相键控信号，既可采用相干解调，也可采用非相干解调。如下为基带差分检测器的原理框图，需要注意的是，在解调中本地载波信号只需和接收信号的载波同频即可，无需相位同步。无线通信基础与应用504.4.5π/4四相移相键控π/4QPSK

无线通信基础与应用514.4.5π/4四相移相键控π/4QPSK

无线通信基础与应用524.4.6正交振幅调制QAM

无线通信基础与应用534.4.6正交振幅调制QAM

无线通信基础与应用544.4.6正交振幅调制QAM

无线通信基础与应用554.5恒包络调制频率调制通过载波的频率携带信息，已调信号具有恒定包络，可以采用功率效率高的非线性放大器。由于恒包络信号的包络中不包含有用信息，因此对信道的幅度失真不敏感，能很好地抵抗随机噪声和瑞利衰落引起的信号波动。恒包络调制信号的带外辐射可以做到很低。恒包络调制的缺点是作为一种非线性调制，其占用带宽大，频谱效率低。无线通信基础与应用564.5.1二进制移频键控BFSK

无线通信基础与应用574.5.1二进制移频键控BFSK

无线通信基础与应用584.5.1二进制移频键控BFSKBFSK信号可以使用相干解调BFSK信号也可以采用非相干解调无线通信基础与应用594.5.2最小移频键控MSK

无线通信基础与应用604.5.2最小移频键控MSK

无线通信基础与应用614.5.2最小移频键控MSK

无线通信基础与应用624.5.2最小移频键控MSK

无线通信基础与应用634.5.2最小移频键控MSK

无线通信基础与应用644.5.2最小移频键控MSK

无线通信基础与应用654.5.2最小移频键控MSK

无线通信基础与应用664.5.2最小移频键控MSK

无线通信基础与应用674.5.2最小移频键控MSKMSK调制器中各个信号波形示例无线通信基础与应用684.5.2最小移频键控MSKMSK信号相干解调器无线通信基础与应用694.5.2最小移频键控MSK

无线通信基础与应用704.5.3高斯最小移频键控GMSK

无线通信基础与应用714.5.3高斯最小移频键控GMSK

无线通信基础与应用724.5.3高斯最小移频键控GMSK

无线通信基础与应用734.5.3高斯最小移频键控GMSK

无线通信基础与应用744.5.3高斯最小移频键控GMSKGMSK通过高斯滤波器引入可控的ISI平滑了相位路径，相位函数不仅是连续变化的，而且是平滑变化的，消除了MSK在码元转换时刻的相位转折点，从而改善了频谱特性。无线通信基础与应用754.5.3高斯最小移频键控GMSK

无线通信基础与应用764.5.4多进制频移键控MFSK

无线通信基础与应用774.6无线信道中的调制性能无线信道存在多径效应和多普勒扩展，对于调制方案的性能有着严重的影响。在无线信道中衡量调制性能的指标主要有两个：一个是平均误码率或误比特率，另一个是通信中断率，即瞬时信噪比低于给定门限值的概率。本节分别讨论平坦衰落和频率选择性衰落对数字调制性能的影响。由于无线通信中基本上都是慢衰落，因此本节只考虑慢衰落的情形。无线通信基础与应用784.6.1平坦衰落信道中的调制性能

无线通信基础与应用794.6.1平坦衰落信道中的调制性能AWGN与瑞利衰落信道下不同调制性能的误码率曲线如下图总体来看，瑞利衰落条件下不同调制方案的误码率和平均信噪比呈倒数关系，而AWGN条件下，误码率随信噪比的增加呈指数下降趋势。无线通信基础与应用804.6.1平坦衰落信道中的调制性能

无线通信基础与应用814.6.2频率选择性衰落信道中的调制性能频率选择性衰落会导致符号间干扰，提高发送功率同样提高了ISI的强度，不能消除ISI导致的误码，因此ISI会造成背景误码。码间干扰造成的背景误码与调制方式及码间干扰的特性有关，而码间干扰的特性又和信道特性及发送的符号速率有关，