第七章电子课件.ppt

1、第7章现代数字调制技术，7.1引言7.2改进的正交相移键控7.3恒定包络连续相移控制7.4正交幅度调制7.5正交频分复用多载波调制，7.1引言第6章讨论了几种基本数字调制技术的调制和解调原理。随着数字通信的快速发展，各种数字调制方法不断改进和发展，许多性能良好的数字调制技术出现在现代通信系统中。在本章中，我们主要介绍几种在实际通信系统中常用的现代数字调制技术。首先，介绍了几种恒包络调制技术，包括偏移正交相移键控(OQPSK)、/4正交相移键控(QPSK)、/4最小相移键控(MSK)和高斯最小相移键控(GMSK)。然后介绍了非稳态包络调制正交幅度调制。在介绍了这些单载波调制之后，又介绍了多载波调

2、制，重点是正交频分复用。7.2.1偏移正交相移键控(OQPSK)，在数字调制中，假设QPSK信号的每个符号的包络是矩形方波，高频信号也具有恒定的包络特性，但此时，调制信号的频谱将是无限的，但实际上，信道带宽总是有限的。为了限制QPSK信号的带宽，基带双极性矩形不归零脉冲序列首先由基带成形滤波器进行带限，然后进行QPSK调制。问题是经过频带限制处理后的QPSK信号将不再是一个恒定的包络。此外，当码组为或时，会发生载波相位跳变，导致QPSK信号经过带限处理后包络波动，甚至出现包络为0的现象。必须避免这种现象，因为包络波动大的带限QPSK信号通过非线性器件后，其功率谱的旁瓣增大，导致频谱扩散，增加对

3、相邻信道的干扰。为了消除相位跳变，OQPSK提出以QPSK为基础。QPSK信号由正交调制方法产生。其原理是对输入数据进行串/并转换，即将二进制数据分成两组，得到四种组合：(1，1)、(1，1)、(1，1)和(1，1)。每组的前一位是同相分量，后一位是正交分量。然后，利用同相分量和正交分量对两个正交载波进行2PSK调制，最后将调制结果叠加得到QPSK信号。可以看出，QPSK信号的相位有四个可能值，QPSK的相位关系如图(a)所示。随着输入数据的不同，QPSK信号的相位将在这四个相位上跳跃，如图(a)中的箭头所示。当发生对角转变时，即发生相移时，通过带通滤波器后形成的包络波动必须达到最大值。为了减

4、少包络波动，这里进行了改进。当QPSK被正交调制时，正交分量Q(t)的基带信号相对于同相分量I(t)的基带信号被延迟半个符号间隔(一个比特间隔)。这种方法称为偏移正交相移键控。(a)QPSK信号的相位关系(b)OQPSK信号的相位关系图，如图(b)所示。经过带通滤波器后，0QPSK信号中包络的最大值与最小值的比值大致相同，不再出现比值无穷大的现象。也就是说，滤波后的QPSK信号本质上不同于OQPSK信号。由于OQPSK信号也可以看作是同相支路和正交支路的2PSK信号的叠加，所以OQPSK信号的功率谱形状与QPSK信号相同。理论上，如果使用相干解调，OQPSK信号的误码性能与相干解调QPSK相同

5、。但是，带限OQPSK信号的包络波动小于带限QPSK信号，经过限幅放大后频谱展宽较小，因此OQPSK的性能优于QPSK。实际上，OQPSK比QPSK使用得更广泛。7.2.2 /4正交相移键控，它与OQPSK的不同之处在于只有四个相位点。QPSK信号的调制信号的相位是均匀分布的如果调制信号的相位可以在两组之间交替跳变，则相位跳变值只能有和、这样就避免了QPSK信号相位突变的现象。此外，相邻符号之间至少存在相位变化，这使得接收机容易恢复和同步时钟。因为最大相移比QPSK的小，所以它被称为QPSK频移，简称QPSK。如果采用相干解调，则/4 -QPSK信号的抗噪声性能与QPSK信号相同。然而，限带后

6、/4-QPSK信号的恒包络性能优于限带后的QPSK，但不如OQPSK，因为OQPSK最小，/4-QPSK次之，QPSK最大。应该指出的是，QPSK的优点在于它可以采用差分检测，因为QPSK信号中的信息完全包含在载波的两个相邻符号之间的相位差中。差分检测是一种非相干解调，大大简化了接收机的设计。此外，还发现在存在多径和衰落的情况下，QPSK比OQPSK具有更好的性能，因此QPSK越来越受到重视，现在北美和日本的数字蜂窝移动通信系统已经采用了QPSK调制。7.3.3虽然最小频移键控(MSK)、OQPSK和-QPSK避免了QPSK信号相位突变180度的现象，改善了包络波动，但它们并没有从根本上解决包

7、络波动问题。原因是包络波动是由相位的不连续变化引起的。因此，我们自然会想到使用相位连续变化的调制方法，这就是所谓的连续相位调制(CPM)。MSK是一种特殊的2FSK信号，是二进制连续相移键控(CPFSK)的一种特殊情况。第6.2.2节中讨论的2FSK信号通常由两个独立的振荡源产生，并且在频率转换时相位是不连续的，因此它将在功率谱中引起较大的旁瓣分量。如果它通过带限系统，它将产生信号包络的波动，这是不必要的。为了克服上述缺点，对2FSK信号进行了改进，引入了MSK调制。MSK被称为最小频移键控，有时也被称为快速频移键控(FFSK)。所谓的“最小”意味着这种调制方法可以获得具有最小调制指数(0.5

8、)的正交信号；而“快”意味着在给定的相同频带内，MSK可以以比2PSK更高的速率传输数据，并且频带外的频谱分量比2PSK衰减得更快。MSK信号具有以下特征：(1)MSK信号的包络是恒定的；(2)MSK是调制指数为0.5的正交信号，频率偏移等于()赫兹；(3)MSK波形相位在符号转换时是连续的；(4)MSK附加相位在符号持续时间内线性变化，等等。1 MSK信号的正交性，可以表示为，其中，它表示载波频率；表示相对载波频率的频率偏移；指示第k个符号的起始阶段；是数字基带信号。称为附加相位函数，它是载波相位之外的附加相位。当信号频率为时，信号频率为、因此最小频率差等于符号传输速率的一半。相应的调制指数

9、是2 MSK信号的相位连续性。根据相位连续性条件，需要及时满足。从上面的公式可以看出，第k个符号处的MSK信号的初始相位不仅与当前相位相关，而且与先前的和相关。为了简单起见，假设第一个符号的初始相位为0，然后、3 MSK信号将被生成和解调、考虑或，最后可以获得上述公式中的同相分量；是正交分量。图MSK信号产生框图，图MSK解调器原理框图，4 MSK信号频谱特性，通过推导，MSK信号归一化功率谱密度的表达式如下：在上面的公式：中，它是载波频率和符号宽度。根据上述公式绘制的功率谱曲线如图所示(实线所示)。应当注意，图中的横坐标是以载波频率为中心绘制的，也就是说，横坐标代表频率；表示二进制符号间隔。

10、文中还给出了其它调制信号的功率谱密度曲线，以供比较从图中可以看出，与QPSK和OQPSK信号相比，MSK信号的功率谱更集中，即旁瓣下降更快。因此，它对相邻信道的干扰较小。该图显示了GMSK)、MSK和OQPSK信号以及7.3.4高斯最小频移键控(GMSK)的功率谱密度。尽管MSK信号具有良好的频谱特性和误码性能，但在某些通信场合，如移动通信中，MSK仍然占据着较宽的带宽。此外，其频谱的带外衰减仍然不够快，以至于在25kHz的信道间隔内传输16kbit/s的数字信号时会产生邻信道干扰。为此，人们试图改善MSK的调制方式。在频率调制之前，使用低通滤波器对基带信号进行预滤波。通过滤除高频成分，它给出

11、了更紧凑的功率谱，从而提高了频谱利用率。为了获得窄带输出信号的频谱，前置滤波器必须满足以下条件：(1)窄带宽和陡截止特性；(2)脉冲响应超调小；(3)保持输出脉冲的面积不变，确保相移为/2。为了满足这些特性，选择高斯滤波器是合适的。高斯滤波器的传递函数在公式中给出，其中b是高斯滤波器的3dB带宽。滤波器的脉冲响应为。由于它的高斯特性，它被称为高斯滤波器。调制前，基带信号由高斯滤波器整形为高斯脉冲，然后由MSK调制，这就是所谓的高斯最小频移键控，简称GMSK。用于定义GMSK，其中b是3dB带宽和符号间隔。GMSK信号的功率谱难以分析和计算，计算机模拟得到的结果如图所示。从图中可以看出，GMSK

12、具有功率谱集中的优势。应当指出，GMSK信号频谱特性的改善是通过降低误码率性能来实现的。前置滤波器的带宽越窄，输出功率谱越紧凑，但误码率性能越差。因此，我们应该折衷频谱利用率和误码率。研究表明=0.25是无线蜂窝系统的一个好选择。正交调幅是一种幅度和相位联合键控(APK)的调制方法。它可以提高系统的可靠性，获得更高的信息频带利用率，是目前广泛使用的数字调制方式。7.4.1正交调幅信号表示，正交调幅是用两个独立的基带数字信号来抑制两个相互正交的同频载波的双边带调制，并利用调制信号在相同带宽内频谱正交的特性来实现两个并行的数字信息传输。在时域中，APK意味着载波的幅度和相位同时受到基带信号的控制。

13、APK信号的一般表达式是，其中是基带信号的第n个符号的幅度，第n个符号的初始相位，g(t)是单个矩形脉冲，幅度为1，宽度为0。QAM信号的表达式是通过用三角公式进一步扩展上述公式得到的。如果信号空间中QAM信号的坐标点数(状态数)记录为4QAM，则其同相和正交支路采用二进制信号；如果同相和正交支路都使用四进制信号，将获得16QAM信号。以此类推，如果两个分支都采用1进制信号，就可以得到多进制信号。矢量图，矢量端点的分布图称为星座图。通常，星座图可以用来描述正交调幅信号的空间分布。目前，MQAM已经得到了更多的研究，并被推荐用于数字通信，即十六进制正交幅度调制(16QAM)或六十四进制正交幅度调

14、制(64QAM)。以下讨论集中在16QAM上。对于M=16的16QAM，有许多不同分布形式的信号星座。两个有代表性的信号星座如图8-10所示。在图(a)中，信号点的分布是正方形的，所以它被称为矩形16QAM星座，也称为标准16QAM。在图(b)中，信号点的分布是星形的，所以它被称为星形16QAM星座。图16QAM星座，如果所有信号点以相等的概率出现，则平均发射信号功率假定两个星座的信号点之间的最小距离为2，如图8-10所示。对于正方形16QAM，平均信号功率为，对于星形16QAM，平均信号功率为：因此，正方形和星形16QAM之间的功率差为1.4分贝。此外，两者之间的星座结构存在重要差异。首先，

15、星形16QAM只有两个振幅值，而正方形16QAM有三个振幅值；第二，星形16QAM只有8个相位值，而方形16QAM有12个相位值。这两点使得星形16QAM在衰落信道中比16QAM更有吸引力。然而，由于方形星座正交调幅信号的平均发射功率仅略大于最优正交调幅信号的平均发射功率，并且方形星座正交调幅信号的产生和解调容易实现，因此方形星座正交调幅信号在实际通信中得到了广泛的应用。当M=4，16，32，64时，MQAM信号的星座图如图所示。图MQAM信号的星座图，7.4.2 MQAM信号的产生和解调，以及MQAM信号的调制示意图如图所示。在图中，输入的二进制序列经过两个并行序列，其输出速率被串/并转换器

16、减半，然后从2电平转换到1电平，形成1电平基带信号和，分别乘以同相载波和正交载波，最后将两个信号相加得到方形星座的MQAM信号。图Fig. QAM信号调制示意图和MQAM信号相干解调示意图.MQAM信号可以采用正交相干解调方法，如解调器原理图所示。多级判决器判断并检测多级基带信号。让我们讨论一下MQAM当时的频带利用率。MQAM信号由同相和正交支路的二进制ASK信号叠加而成，因此其功率谱是两个支路信号功率谱的叠加。第一个零带宽(主瓣宽度)是，即符号频带利用率、7.4.3 MQAM信号频带利用率，因此，7.4.4 MQAM信号信息频带利用率，抗噪声性能分析，我们可以在矢量图中看到每个信号点之间的

17、距离，而相邻点之间的最小距离直接代表了噪声容限。例如，随着十进制数m的增加，信号空间中信号点之间的最小距离减小，并且相应的信号判定区域相应地减小。因此，当信号被噪声和干扰损坏时，接收信号的错误概率将相应增加。从这个角度出发，让我们比较一下PSK和QAM在相同基数下的抗噪声性能。假设调制信号的最大幅度为1，MPSK信号星座上信号点之间的最小距离为，而MQAM信号正方形星座上信号点之间的最小距离为，其中l是信号点在水平轴和垂直轴上投影的级数。可以看出，当M=4时，4PSK和4QAM的星座是相同的。当M=16时，假设最大功率(最大振幅)相同。在最大振幅为1、=0.47和=0.39的条件下，超过约1.64分贝。实际上，信号