新型数字带通调制技术-通信原理.ppt

1、1、通信原理，2、通信原理，第8章，新型数字带通调制技术，第3章，新型数字带通调制技术。我们讨论了数字调制的三种基本模式：数字幅度调制、数字频率调制和数字相位调制。这三种数字调制方法是数字调制的基础。然而，这三种数字调制方式都存在频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等缺点。为了改善这些缺点，近几十年来已经提出了一些新的数字调制技术来满足各种新的通信系统的要求。这些调制技术的研究主要集中在寻找一种频带利用率高、抗干扰能力强的调制方式。本节介绍几种有代表性的现代数字调制技术。4，第8章新的数字带通调制技术，在2SK系统中，其频带利用率为1/2 b/s/Hz。如果ASK信号通过

2、正交载波技术传输，频带利用率可以翻倍。如果将多系统和正交载波技术相结合，可以进一步提高频带利用率。能够完成这一任务的技术被称为正交幅度调制。第八章新型数字带通调制技术QAM利用两个独立的基带信号抑制两个互为正交的同频载波的双频调幅，并利用这一调制信号在相同带宽内频谱的正交性实现两个并行的数字信息传输。调制方法通常包括二进制四进制、四进制、八进制，相应的空间信号矢量端点分布图称为星座图。可以看出，电平数M和信号状态M之间的关系是M=m2。第八章新的数字带通调制技术，8.1正交幅度调制信号表达式：该信号的符号可以表示为：k=整数；Ak和K可以分别取多个离散值。上述公式可以扩展为Xk=AkcoskY

3、k=-Aksink，然后信号表达式变成Xk和Yk，它们是可以取多个离散值的变量。从上面的公式可以看出，sk(t)可以看作是两个正交幅度键控信号的和。第八章新型数字带通调制技术在信号矢量图的表达中，如果K值只能取/4和-/4，Ak值只能取A和-A，那么这个QAM信号就变成了QPSK信号，如下图所示：因此，QPSK信号是最简单的QAM信号。8，第8章新的数字带通调制技术，代表性的QAM信号是十六进制的，表示为16QAM，其矢量图如下图所示：9，第8章新的数字带通调制技术，同样，还有QAM信号如64QAM和256QAM，如下图所示：它们总是被称为MQAM调制。因为从矢量图看它像一个星座，所以它也被称

4、为星座调制。10，第8章，新的数字带通调制技术，正交幅度调制QAM信号可以在ASK模式下独立传输数字信号。如果两个信道的基带信号是x(t)和y(t)，则QAM信号可以表示为，其中上述公式Tb是多符号间隔。为了便于传输和检测，xk和yk通常是双极性二进制符号，如1、3、(m -l)等。11，第8章新的数字带通调制技术，正交调幅通常，原始数字数据都是二进制的。为了得到多频带QAM信号，首先将二进制信号转换成二进制信号，然后进行正交调制，最后进行加法运算。下图显示了产生多级正交调幅信号的数学模型。(a)正交调幅信号产生(b)正交调幅信号解调，第12章，第8章，新的数字带通调制技术，相干解调解调器首先

5、对接收的正交调幅信号进行正交相干解调。低通滤波器LPF滤除乘法器产生的高频分量。LPF输出可以在采样决定后恢复电平信号x(t)和y(t)。因为xk和yk的值通常是1、3(m-l)，所以决策电平应该设置在信号电平间隔的中点，即0、2、4(m-2)。根据多符号和二进制符号之间的关系，可以转换M级信号，13，第8章新的数字带通调制技术，16QAM信号正交调幅方法：两个独立的正交4ASK信号叠加形成16QAM信号，如下图所示。14，第8章新型数字带通调制技术，复合相移法：它利用两个独立的QPSK信号形成16QAM信号，如下图所示。图中虚线圆上的四个大黑点代表第一个QPSK信号矢量的位置。第二个QPSK

6、矢量可以叠加在这四个位置上，第二个QPSK矢量的位置由虚线圆上的四个小黑点表示。15，第8章新的数字带通调制技术，16QAM信号和16PSK信号的性能比较：在下图中，这两个信号的星座图是根据相等的最大幅度绘制的。如果最大幅度为调幅，16PSK信号相邻矢量端点间的欧氏距离之比等于16QAM信号相邻点间的欧氏距离之比等于d2和d1，这代表了两个系统的噪声容限之比。16，第8章新的数字带通调制技术，根据上述两个公式，d2超过d1约1.57分贝。然而，比较是在最大功率(振幅)相等的条件下进行的，并且没有考虑两个系统之间的平均功率差。16PSK信号的平均功率(幅度)等于其最大功率(幅度)。另一方面，在概

7、率相等的情况下，16QAM信号的最大功率与平均功率之比可以计算为1.8倍，即2.55分贝。因此，在平均功率相等的情况下，16QAM信号的噪声容限比16PSK信号大4.12分贝。17，第8章新的数字带通调制技术，16QAM方案的改进：QAM的星座形状不是最好的正方形，事实上，边界离圆越近越好。例如，下图给出了一个改进的16QAM方案，其中星座的每个点的幅度分别等于1、3和5。与上图相比，不难看出其星座中每个信号点的最小相位差大于后者，因此它可以容忍较大的相位抖动。18，第8章新的数字带通调制技术，示例：下图显示了一个16QAM方案，调制解调器的传输速率为9600 b/s，载波频率为1650 Hz

8、，滤波器带宽为2400 Hz，滚降系数为10。QAM系统的性能不如QPSK系统，但频带利用率高于QPSK系统。因此，它在带限系统中是一种很有前途的调制方法。19，第8章新的数字带通调制技术，8.2最小频移键控和高斯最小频移键控定义：最小频移键控(MSK)信号是一个具有恒定包络、连续相位、最小带宽和严格正交性的2FSK信号，其波形图如下：20，第8章新的数字带通调制技术，8.2.1正交2FSK信号的最小频率间隔假定2FSK信号符号的表达式为现在。为了满足正交条件，要求上述公式的积分结果为、和21。第八章是一种新的数字带通调制技术。假设1 0 1，上述公式左端的第一项和第三项近似等于零，它可以简化

9、为1和0是任意常数，因此它必须同时具有上述公式才能等于零。为了同时满足这两个要求，应该立即要求。因此，当m=1时，它是最小频率间隔。最小频率间隔等于1/Ts。第八章新的数字带通调制技术。在上述讨论中，假设初始相位1和0是任意的，这不能在接收端预测，因此只能通过非相干检测来接收。对于相干接收，要求在接收端确定和预测初始相位，然后可以得到1-0=0。因此，下面的等式可以简化，所以只需要满足。因此，对于相干接收，正交2FSK信号的最小频率间隔保证等于1/2Ts。23，第8章，新的数字带通调制技术，8 . 2 . 2 MSK信号的基本原理MSK信号的频率间隔MSK信号的第k个符号可以表示为公式中S载波

10、的角载波频率；Ak=1(当输入符号为“1”时，AK=1；当输入符号为0时，AK=-1)；Ts符号宽度。初始ph值第8.2.1节已经证明，这是2FSK信号的最小频率间隔。25，第8章新的数字带通调制技术，MSK符号中波形的周期数可以重写为公式，因为MSK信号是一个正交的2FSK信号，它应该满足正交条件，即，26，第8章新的数字带通调制技术，上述公式左端的四项应该分别等于零，所以第三项sin(2k)=0被替换为第一项，并得到要求。MSK信号的每个符号持续时间Ts中包含的波形周期数必须是1/4周期的整数倍，即上述公式可以改写为n个正整数；M=0，1，2，3，27，第8章是一种新的数字带通调制技术，从

11、上面的公式可以知道：其中T1=1/f1；T0=1/f0上述公式给出了符号持续时间Ts中包含的正弦波周期数。从该公式可以看出，无论两个信号频率f1和f0等于多少，这两个符号中包含的正弦波数相差1/2周期。例如，当N=1和m=3时，位“1”和“0”在一个符号持续时间内分别有2个和1.5个正弦波周期。(见下图)、28、第8章新的数字带通调制技术、第29章、第8章新的数字带通调制技术，MSK信号相位连续性波形(相位)连续性的一般条件是，前一个符号结束时的总相位等于后一个符号开始时的总相位，也就是说，要求下面的递归条件可以很容易地由上述公式写成。从上述公式可以看出，第k个符号的相位不仅与当前输入有关，还

12、与前一个符号有关。也就是说，要求MSK信号的前后符号之间存在相关性。第八章新的数字带通调制技术可以假设k-1的初始参考值等于0。此时，从上面的公式可以看出，下面的公式可以重写为k(t)被称为kth符号的附加相位。第八章，新型数字带通调制技术。从上面的公式可以看出，在这个符号持续时间内，它是一个线性方程。并且，在一个符号持续时间Ts内，它改变ak/2，即改变/2。根据相位连续性的要求，当t=(k-1) ts时，附加相位k-1(kTs)应该是kth符号的初始附加相位k(kTs)。因此，每当一个符号的持续时间过去时，MSK符号的附加相位改变/2；如果ak=1，第k个符号的附加相位增加/2；如果ak=

13、-1，第k个符号的附加相位将减少/2。根据这一规律，MSK信号的附加相位k(t)的轨迹图可以绘制如下：32。第8章新的数字带通调制技术，图中给出的曲线对应的输入数据序列是：AK=1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，33，1第8章新的数字带通调制技术，模2运算后的附加相位路径：0，35，第8章新的数字带通调制技术，MSK信号的正交表示将证明它可以用频率为fs的两个正交分量来表示。三角公式将用于扩展：36，第8章，新的数字带通调制技术。考虑到存在上述公式并将其转换为上述公式，此信号可分解为两个部分：同相(1)和正交(Q)分量。I分量的载波是cosst，pk包含输

14、入符号信息，cos(t/2Ts)是其正弦加权函数。Q分量的载波是正弦信号，qs包含输入符号信息，sin(t/2Ts)是其正弦加权函数。第八章新的数字带通调制技术，虽然每个符号的持续时间是Ts秒，但是pk和qk似乎可以每Ts秒改变一次，但是pk和qk不能同时改变。因为pk只有在ak-1和K是奇数时才能改变。但是当pk和ak同时改变时，qk不变；此外，只有当k是偶数时，pk不变，但qk变。换句话说，当k是奇数时，qk不会改变。因此，两者不能同时改变。此外，对于kth符号，它在(k-1)Ts t kTs的范围内，并且它的起始点是(k-1)Ts。因为pk只能在k为奇数时改变，所以pk只能在起始点为2n

15、Ts (n为整数)时改变，即在cos的过零点(t/2Ts)。同样，qk只能在sin的过零点(t/2Ts)改变这确保了波形的连续性。38，第8章，新的数字带通调制技术。MSK信号的示例值表将k=0设置为初始状态，并且输入序列ak是1，1，1，1，1，1，1，1。从这个例子可以看出，pk和qk不能同时改变符号。39，第8章，新的数字带通调制技术。从该图可以看出，MSK信号波形相当于一个特殊的OQPSK信号波形，并且它的正交双向符号也是偏移的。特别之处在于它的包络是正弦的，而不是矩形的。40，第8章新的数字带通调制技术，8.2.3 MSK信号产生和解调MSK信号产生方法MSK信号可以用两个正交分量来

16、表示：根据上述公式的框图如下：41，第8章新的数字带通调制技术，框图的原理用一个例子来说明：输入序列：AK=A1，A2，A3，A4，=1，-。-1，-1，1，1，-1，1经过差分编码器后，它获得输出序列：bk=b1，b2，b3，b4，b5，b6 1，-1，1，-1，-1，1，1，1。序列BK分为pk分支和qk分支：B1通过串/并转换P1、q2、p3、q4、p5、q6，串/并转换输出的分支符号长度是输入符号长度的两倍。如果仍然使用原始序列号K，并且分支的第K个符号长度仍然被认为是Ts，那么可以写这里的pk和qk的长度仍然是原始Ts。换句话说，因为p1=p2=b1，p1和p2构成长度等于2Ts且值为b1的符号。MSK信号可以通过将pk和qk相乘两次来合成。42，第8章，新的数字带通调制技术，ak和bk差分编码关系的证明由于序列bk由p1，q2，p3，q4，pk-1，qk，pk 1，qk 2组成，根据差分编