通信原理第9章现代调制技术

第9章现代调制技术基本内容：本章主要介绍几种先进的调制技术，它们有的已在广泛应用，有的正开始用于新一代通信系统和通信网，并具有长足发展和应用前景。本章作为第6章基本数字调制的继续和深入，从机制和原理及技术实施上均体现了不同特色。知识点及层次(1)MSK、QAM系统构成特点、信号分析与性能评价。(2)扩频调制的特色，扩频主要参量和性能分析。(3)TCM的构思和实施Ungerboeck编码调制的基本步骤及性能评价。(4)多载波调制和OFDM技术基本原理。9.1正交调幅正交调幅（QAM）是一个信源符号同时控制载波2个参数的调制方式，故而又称幅-相键控（APK）。QAM属于多元调制，M≥4，因此当M4时，可称为MQAM;M=4时，为QAM，但“QAM”又是M≥4的通用名称。9.1.1QAM信号设计特点(9-1)其中(ai，bi)为QAM同相项和正交项系数，E0是QAM最小幅度载波信号能量，T为符号间隔。M=4的QAM信号系数:(9-2)QAM（M=4）的具体表示式为:(9-3)特点:当M=4时，QAM与QPSKπM系统具有相同表达式与星座图。由式（9ˉ3）可知，它与QPSK表达式等效4个信号状态依次各差π/2，分别表示一个双比特符号。一些小差异是QAM表示式幅度高2倍，这无关紧要。9.1.2MQAM相干接收抗噪声性能●相干解调输出同相与正交支路“相关器”输出的信号加噪声混合值为(9-4)●误差概率公式每支路差错率为(9-5)正确概率为，则符号错误概率为(9-6)●计算平均能量（M个信号平均能量）(9-7)其中(9-8)●以平均能量表示平均误符号概率(9-9)当M=4时，且用格雷码，则(9-10)9.1.3MQAM与MPSK的比较(1)星座图:MPSK信号空间全部星点均在一个同心圆上，MQAM为APK方式的信号，全部星点呈矩形或格形排列，如下图所示。(2)当M=4时，它与QPSK实际相同（QAM星点既在同心圆上，而又呈方格形），性能也相同，欧氏距离(3)M4时，如M=16，得(9-11)(9-12)因此，MPSK抗噪声性能不如MQAM（M4）。(4)MPSK以M来等分2π相位，当M增大时，相邻信号夹角更小，只适用于M不大的情况。一般利用M≤16。现代无线通信MQAM系统，可高达1024QAM，即1024个星点。当然，MQAM还有其他形式的星座，当用M=12个星点，4个角顶星点闲置。9.2最小频移键控MSK是连续相位FSK（CPFSK）最小带宽的调制技术，是运用正交信号设计，兼顾有效性与可靠性的典型现代通信技术。9.2.1MSK信号分析MSK发送端数学模型，如下图所示。MSK系统的输入信号是差分双极性不归零码，并且在串/并变换后正交支路延迟1比特间隔Tb9.2.2MSK信号波形特点1、MSK信号波形下图给出了MSK信号形成过程。该两支路已调波均非等幅，但两者合成的完整MSK信号却为等幅波形——恒包络波形2、MSK信号相位路径——网格图在的f1与f2载波相位变化量为对应的传号与空号载频为3、MSK信号传输带宽与信道带宽利用率带宽应包括f1与f2两载波主瓣谱MSK具有FSK方式的最小带宽，是MSK名称的由来，且为典型的CPFSK。带宽利用率9.3扩频调制9.3.1扩频（SS）的基本原理1.扩频的特点（1）扩频传输带宽远大于基带信号带宽或比特率，即扩展因数，SS系统使用如此大的带宽冗余度，旨在有力地克服外来干扰，特别是故意干扰（jamming）和无线多径衰落，多用于无线与卫星数据传输；（2）SS系统利用不同于上述章节的编码与调制方式，一般是在编码调制或数字频带调制基础上再以扩展频带方式实施特殊的再一次调制——扩频调制；（3）在SS系统设计中，由于充分利用一种独立于信息码的伪随机码序列，而使通信带宽大大扩展，以防非法用户干扰或截获、窃取传输信息。它与调频和PCM不同，后者以付出一定的带宽为代价，在很大程度上只是对付加性高斯白噪声；（4）在接收端，为恢复原发送信息码序列而进行解扩，是由本地同步提供的伪随机码序列与接收的扩频码进行相关运算。SS通信系统主要对付外部侵扰或有意干扰，SS系统以大量扩展带宽为代价，挣取高可靠性，由将信码介入“码片”（codechip）其时宽是比信息比特或符号间隔小得多的PN序列。这样可使信号谱“隐匿”为近似白噪声谱，而干扰功率也扩展到SS扩频带宽内，但当解扩后，信号能量可“收聚”为原来信码能量，而干扰能量却不能再收聚回来，因此可将干扰抑制倍。由上述几个特点，我们可概括扩频通信概念性定义：将数据信号介入带有白噪声特性的伪随机序列进行传输，使传输带宽较原数据所需最小带宽大到数百、上千万倍以上，称为扩频。它可以在接收解扩后使数据解调制判决时的信噪比降低几百甚至上千万倍以上，这一扩频倍数，一般地称为扩频处理增益。2.扩频调制的优点：（1）改进通信的反干扰能力；（2）适用于码分多址系统（CDMA），提供码分复用（CDM）技术；（3）为“隐蔽”信号而使用低功率密度谱；（4）高分辨力定位；（5）安全（保密）通信；（6）在某些移动蜂窝个人通信系统（PCS）中增加通信能力和频谱利用率；（7）在扩频信道中可同时采纳大量（瞬时）用户（性能会适度降级）；（8）便于有效使用IC器材成本较低。3.扩频分类按结构和调制方式，大体分为以下几类：（1）直接序列扩频（DS-SS——Direct-sequence/spreadspectrum）并包括CDMA（码分多址）（2）跳频（FH——Frequency-Hop），并包括慢跳频（SFH）CDMA和快跳频（FFH）系统（3）载波意义上的多址（CSMA）扩频（4）时跳扩频（TH——Time-Hop）（5）线性调频（鸟声信号——bird-sound）（6）混和扩频方式9.3.2扩频调制基本方式本章讨论扩频调制技术。主要包括直接序列扩频（DS或DS-SS）、跳频扩频（FH）。扩频通信可实现多用户同时共享公用信道来传输信息——此种技术称作码分多址（CDMA）。从系统构成看，与一般数字调制系统的不同，只是在发送与接收端均增加了一个伪随机码（PN码）发生器与调制解调器，通过接口相连。PN序列的不同的码模式，作为不同接收用户地址码，与发送信码序列以某种方式结合（一般是模2加法），去控制载波参量完成调制（与解调）。在传输信息之前，首先起动PN序列，并构成在有干扰环境下的收发两端PN码同步，即能够使所需接收信息的用户可靠识别其载有信息的PN码。在传输过程中，信道介入噪声和各种干扰，包括有意干扰。受扰程度的大小主要取决于干扰源类型，如与扩频信号（带有信息）带宽相比拟的宽带干扰或窄带干扰，连续型或脉冲（非连续）干扰等形式。一般地，干扰台多半是在发射信号频带内介入一个或更多的正弦波干扰，它们可能是固定单频或随时间按某种函数规则不断改变频率。例如，在CDMA系统中，其它信道用户串扰可能是宽带或窄带系统，这取决于产生多址所使用的SS信号类型。如果是宽带，则可以由加性高斯白噪声来等效特征。我们讨论SS信号传输，主要着重宽带与窄带干扰的数字通信，而不考虑模拟信号情况。9.3.3M序列M序列是扩频通信的一种主要手段。它通常是由反馈移存器产生的具有像噪声波形的周期性二元序列，如图7-2是产生PN码的反馈移存器框图。主要由m个移存器（2状态存储）互连成多环反馈电路的逻辑电路组成。PN序列的产生由移存器长度m起始状态和反馈逻辑确定。总数为m个触发器，则移存器可能状态数为，因此由反馈移存器产生的PN序列必定是周期为。当反馈逻辑完全由“模2加”构成，则此反馈移存器为线性的。此时不允许全部触发器为0状态，于是线性反馈移存器的PN序列周期则不超过－1——当周期等于－1时，PN序列为M序列，它是由线性移存器产生的，亦称“小M序列”——m序列。9.3.4M序列性质M序列周期提长时，表现出多种随机二元序列的特性，其中1、0码等概，M序列主要性质如下：（1）在各周期的M序列中，1的个数总是多于0的个数——平衡性质；（2）0与1的各种游程中，游程为1的数量占一半，游程为的数目占。对于线性移存器M序列总游程数为，；（3）M序列自相关函数是周期的，且在间隔为的各点只有二种可能值——相关性质。M序列周期为，若1、0由双极性符号代替，即＋1、－1，波形采用双极性不归0码。下面让我们就性质3来具体分析M序列自相关函数及相应功率谱。＝7的M序列输出波形，每个码符号间隔为，设信码间隔为其周期长度，则。自相关函数为相应功率谱为：其功率谱特点：基本形状（包络）为抽样函数平方；均值存在，因此含有直流冲激谱；为周期性，所以为离散谱，谱线间隔；过零点（0包络值）在，…。由所得的归一化自相关函数与功率谱与一般随机二进制序列（参见第二章）来比较，共同点是与包络形状相类似，但是一般随机序列的是非周期的，而以为周期，因此，随机二元序列功率谱为连续谱，而则为间隔的离散谱，若N不断增大，则二者类似性就不断加大，但随着长度N加大，存储器数m也加多，在实用中对N值有一定限制。9.3.5直接序列扩频（DS-SS）9.3.5.1基带SS我们已经了解到，扩频调制可以利用较小的信号功率（如达千兆比特速率的扩频微波系统，发射功率仅为680mW），而有效地防止外来信号（如干扰台）的干扰。设为待发送二元数字数据序列，这里是基带差分码，表示伪随机（PN）序列，并各以波形与表示，均采用双极性NRZ码型，且设单位幅度为，则已调信号为“相当于”双边带（DSB）调制方式，但与“载波”均是基带信号波形，其中为窄带信号波形，而为宽带PN波形序列，于是已调信号带宽就是PN序列带宽，因此在SS系统中，PN起到“扩频码”作用，发送数据每1比特码均被嵌入长为的PN序列1个周期内。信道中介入的干扰的混合基带信号为在接收端，接收机对混入干扰的接收混合信号进行解扩与解码，这又与DSB相类比，利用“相干”方式——提供本地同步PN序列，得根据上面开始时的条件，应有于是是混合信号。但是窄带信号，而干扰项却是宽带形式，如果通过低通滤波器后，干扰功率的绝大部分会被滤除在带外。总之扩频（调制）就是充分利用扩频码PN序列的伪随机性，使载荷数字数据的传输波形序列具有宽带性及白噪声某些特征，而局外接收者无法掌握扩频码的具体规则，难于检测或获取，而又不易受到外加干扰。尚需明确的是，付出扩频的高带宽，可由使用互为正交的不同PN序列的大量用户同时通信，犹如TDM、FDM复用传输，实现码分复用（CDM）。9.3.5.2直接序列扩频信号的频带传输上面介绍的SS一般原理及DS（直接序列扩频）基带传输概念，更多地是用于射频（RF）传输系统（如卫星链路），可以利用上一章介绍的多种调制技术来纳入DS系统，兹以相干二元PSK为例进行讨论。1.DS/2PSK系统构成的基带SS信号作为下一级PSK调相器输入的调制信号，产生2PSK信号——称为DS/2PSK，表示为为双极性NRZ表示的基带扩频序列，显然是以为信息码元宽度的2PSK，其波形如图7－8。与一般PSK波形的不同，在一个信码比特间隔内，不再是单一的0相或相，而具有N个宽度为的随机相位的正弦波集合。在一个信码间隔内的这些以为间隔的RF振荡序列，相当于受控于PN（极性）的PSK序列，即以持续期的0或/span相振荡，再受到PN控制，变为与每个码片极性相对应的0或相位的已调载波序列。2.模型分析给出的系统模型虽然符合原理性概念，但实际系统，往往是首先提供常规应用的2PSK信号，然后进行DS扩频，因此适用的等效系统框图应如图7－9所示：发送信号：这里——正交基函数，作为同相载波接收信号当信道输出混合波形后，接收机首先要通过解扩从DS/2PSK信号种恢复2PSK信号，输出为：（）然后对带有由于扩频介入干扰的2PSK信号利用相干（或相关）解调，恢复原来源数据信号。3.同步在DS系统中，由于接收端需提供本地PN序列码，它必须与发送来的时钟信号同步，亦即收、发两端的PN码同步，才能准确扩频。同步系统包括两部分功能：捕捉与跟踪。（1）捕捉（acquisition）：或称粗同步。捕捉功能是使收发两端的PN码能在一个尽