通信原理第十八讲(第6章)

通信原理多媒体教学主讲：伍宗富通信原理课程教学讲授：伍宗富2019年12月16日星期一湖南文理学院电气与信息工程学院通信原理讲授：伍宗富主要内容：数字调制系统的组成框图三大类数字调制方法各种接收系统的原理抗噪声性能的分析方法重点：数字调制系统的组成框图各种已调信号的性能和参数计算各种接收系统的差别信噪比公式第6章数字带通传输系统通信原理讲授：伍宗富6.1引言6.2二进制数字调制原理6.3二进制数字调制系统的抗噪声性能6.4二进制数字调制系统的性能比较第6章数字带通传输系统6.5多进制数字调制系统6.6改进的数字调制方式通信原理讲授：伍宗富第十八讲改进的数字调制方式习题解答6.6改进的数字调制方式通信原理讲授：伍宗富6.6.1最小移频键控(MSK)产生的原因：数字频率调制和数字相位调制，由于已调信号包络恒定，因此有利于在非线性特性的信道中传输。由于一般移频键控信号相位不连续、频偏较大等原因，使其频谱利用率较低。MSK(MinimumFrequencyShiftKeying)是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。MSK称为最小移频键控，有时也称为快速移频键控(FFSK)。“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数(0.5)获得正交信号；“快速”是指在给定同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比2PSK衰减的快。6.6改进的数字调制方式MSK是一种特殊形式的FSK，其频差是满足两个频率相互正交(即相关函数等于0)的最小频差，并要求FSK信号的相位连续，其频差Δf=f2-f1=1/2TS,即频率调制指数为5.0/1STfh式中，TS为输入数据流的比特宽度。通信原理讲授：伍宗富MSK是恒定包络连续相位频率调制，其信号的表示式为：令则式可表示为：6.6.1.1MSK的基本原理kkScMSKtaTttS2cos)(SSkTtTk)1(,kkstaTt2)(SSkTtTk)1(,)(cos)(tttScMSK式中，ωc为载波角频率；Ts为码元宽度；ak为第k个输入码元，取值为±1；θ(t)称为附加相位函数；φk为第k个码元的相位常数，在时间(k-1)Ts≤t≤kTs中保持不变，其作用是保证在t=kTs时刻信号相位连续。通信原理讲授：伍宗富kkScMSKtaTttS2cos)(由式可以看出，当ak1时，信号的频率为：ScScTfTf41)2(212当ak1时，信号的频率为：ScScTfTf41)2(211因而中心频率fc应选为：,1,2,...4cSnfnT==或1()4cSmfNT=+(N为正整数；m=0,1,2,3)MSK信号在每一码元周期内必须包含四分之一载波周期的整数倍相应地MSK信号的两个频率可表示为：1111()44cSmffNTT-=-=+2111()44cSmffNTT+=+=+ss频率关系通信原理讲授：伍宗富由此可得频率间隔为:2112SfffT1001110tOsMSK(t)所以MSK信号的频率调制指数为：5.0/1STfh当取N=1,m=0时，MSK信号的时间波形如图所示：通信原理讲授：伍宗富对第k个码元的相位常数k的选择应保证MSK信号相位在码元转换时刻是连续的。根据这一要求，由可以得到相位约束条件为：相位关系)(cos)(tttScMSK令ssckTtTktt)1(,)(f])1[(])1[(1skskTkTkff为了保持相位连续，在t=（k-1）Ts时应有下式成立：则kkstaTt2)(1111)1()]1(2)[(kkkkkkkkaa当akak1时当akak1时式中，若取φk的初始参考值φ0=0，则φk=0或±π(模2π)k=0,1,2,…上式即反映了MSK信号前后码元区间的相位约束关系，表明MSK信号在第k个码元的相位常数不仅与当前码元的取值ak有关，而且还与前一码元的取值ak-1及相位常数φk-1有关。通信原理讲授：伍宗富θ(t)附加相位函数：是MSK信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位而得到的剩余相位。是一直线方程，其斜率为，截距为φk。kkstaTt2)(ksaT2由于ak的取值为±1，故是分段线性的相位函数。（以码元宽度Ts为段）taTks2因此，MSK的整个相位路径是由间隔为Ts的一系列直线段所连成的折线。在任一个码元期间内，若ak+1，则(t)线性增加；若ak-1，则k(t)线性减小。220k(t)－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1＋1ak－30－2－3－34－4xk2TsTs3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts8Ts9Tst2π32π32π52Tb0θ(0)－π/2－π－3π/2－2ππ/2π3π/22π04Tb6Tb8Tbtθ(t)通信原理讲授：伍宗富MSK信号具有以下特点：（1）MSK信号是恒定包络信号，即已调信号的振幅是恒定的；（2）信号的频率偏移等于，相应的调制指数h0.5。（3）以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内线性变化±；（4）在一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数倍；（5）在码元转换时刻，信号的相位是连续的，信号的波形没有突跳。ST412MSK是恒定包络连续相位频率调制，其信号的表示式为：6.6.1.1MSK的基本原理kkScMSKtaTttS2cos)(SSkTtTk)1(,通信原理讲授：伍宗富6.6.1.2MSK调制解调原理∵∴tttttttScccMSKsin)(sincos)(cos)(cos)(又∵kkstaTt2)(，ak±1，φk=0或±π(模2π)ttTattTtaTttScSkkcSkkkScMSKsin2sincoscos2coscos2cos)(∴SSkTtTk)1(,通信原理讲授：伍宗富MSK调制通信原理讲授：伍宗富MSK解调BPF鉴频LPF抽样判决输出输入MSK鉴频器解调原理图MSK信号相干解调器原理图通信原理讲授：伍宗富MSK信号相干解调器原理图MSK解调通信原理讲授：伍宗富MSK的输入数据与各支路数据及基带波形的关系通信原理讲授：伍宗富6.6.2高斯最小移频键控(GMSK)由上一节分析可知，MSK调制方式的突出优点是已调信号具有恒定包络，且功率谱在主瓣以外衰减较快。但是，在移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，一般要求必须衰减70dB以上。从MSK信号的功率谱可以看出，MSK信号仍不能满足这样的要求。高斯最小移频键控(GMSK)就是针对上述要求提出来的。GMSK调制方式能满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求，它以其良好的性能而被泛欧数字蜂窝移动通信系统(GSM)所采用。通信原理讲授：伍宗富MSK调制是调制指数为0.5的二进制调频，基带信号为矩形波形。为了压缩MSK信号的功率谱，可在MSK调制前加入预调制滤波器，对矩形波形进行滤波，得到一种新型的基带波形，使其本身和尽可能高阶的导数都连续，从而得到较好的频谱特性。GMSK(GaussianFilteredMinimumShiftKeying)调制原理图如图所示。预调制滤波器MSK调制器输入输出GMSK的基本原理高斯低通滤波器通信原理讲授：伍宗富(1)带宽窄并且具有陡峭的截止特性；(2)具有较低的过冲脉冲响应；(3)滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于π/2的相移。即保持输出脉冲的面积不变。条件(1)是为了抑制高频分量；条件(2)是为了防止过大的瞬时频偏；条件(3)是为了使调制指数为0.5。为了有效地抑制MSK信号的带外功率辐射，预调制高斯低通滤波器应具有以下特性：通信原理讲授：伍宗富高斯滤波器的矩形脉冲响应00.5102468∞1.00.750.50.40.30.2BbTb＝0.1g(t)－1200.160.20.30.5BbTb＝:TFMQPSKBbTb＝∞(MSK)－110－100－90－80－70－60－50－40－30－20－1001000.51.01.52.02.5功率谱密度/dBGMSK信号的功率谱密度高斯低通滤波器的冲击响应为bBntath212)exp()(222aa该滤波器对单个宽度为Tb的矩形脉冲的响应为：22122212)(bbbbTtnBQTtnBQtgttdtQt)2/exp(21)(2通信原理讲授：伍宗富GMSK的信号表达式为：ttdTnTgaTttStbbnbc22cos)(GMSK的相位轨迹通信原理讲授：伍宗富由式tttttttScccsin)(sincos)(cos))(cos()(式中bbbtbbnbTktkTtkTdTnTgaTt)1()()(22)(tt可得ttdTnTgaTttStbbnbc22cos)(不同BbTb时实测GMSK信号射频功率谱GMSK信号正交相干解调的眼图通信原理讲授：伍宗富地址产生cos[θ(t)]表象限计数器sin[θ(t)]表………D/AD/ALPFLPFΣsin(ωct)cos(ωct)输入数据y(t)正交调制器波形存储正交调制法产生GMSK信号高斯滤波FM(h=0.5)＋迟延Tbakck差分编码的GMSK调制器高斯滤波FM（h=0.4~0.7)输入数据GFSK信号不归零(NRZ)GFSK调制的原理框图通信原理讲授：伍宗富6.6.3时频调制方式所谓时频调制信号：即在一个或一组二进制符号的持续时间内，用若干个较窄的射频脉冲来传输原二进制符号信息，而相邻射频脉冲具有不同频率，并按串序发送。这种在不同的时间发送不同频率所构成的信号就称时频调制信号或称时频编码信号。好处：（1）接收端具有频率分集效果；（2）抗多径时延；（3）提高抗码间干扰能力。不利：已调信号的总频带加宽。通信原理讲授：伍宗富例如，两个二进制符号为一组，四种组合如下四频四时编排：三个二进制符号为一组，四种组合如下四频四时编排：注：时频调制信号的抗衰落和克服多径时延的能力，取决于时频编码的方法，不同的方法有不同的性能。我们通常利用多元线性群码理论作为理论基础。因为正交码有好的抗衰落能力，故首先考虑先择正交性的群码。通信原理讲授：伍宗富6.6.4正交频分复用（OFDM多载波并行调制）单载波调制和多载波调制比较单载波体制：码元持续时间Ts短，但占用带宽B大；由于信道特性|C(f)|不理想，产生码间串扰。多载波体制：将信道分成许多子信道。假设有10个子信道，则每个载波的调制码元速率将降低至1/10，每个子信道的带宽也随之减小为1/10。若子信道的带宽足够小，则可以认为信道特性接近理想信道特性，码间串扰可以得到有效的克服。正交频分复用(OFDM)特点：为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调信号频谱有部分重叠；各路已调信号是严格正交的，以利于接收端能完全地分离各路信号；每路子载波的调制是多进制调制；每路子载波的调制制度可以不同，根据各个子载波处信道特性的优劣不同采用不同的体制。并且可以自适应地改变调制体制以适应信道特性的变化。通信原理讲授：伍宗富习题解答6-18通信原理讲授：伍宗富习题解答6-18通信原理讲授：伍宗富习题解答6-19通信原理讲授：伍宗富习题解答6-20通信原理多媒体教学主讲：伍宗富•第六章作业：教材P185~186•1、4、5、6、8、14、15