第八章现代数字调制技术.

第八章现代数字调制技术1.通信的理想目标和环境：通信的理想目标：在任何时候、在任何地方、与任何人都能及时沟通联系和交流信息通信的环境：非常复杂，面临各种干扰和电波传播影响电波传播的衰耗多径衰落信号在无线传播过程中，经过多点反射，从多条路径到达接收端，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，这样造成的信号衰落称为多径衰落引言抗干扰性（电波传播影响、多径衰落）已调信号带宽使用、成本因素好的数字调制方式应有的特点低信噪比下具有良好的误码性能良好的抗多径衰落能力较小带宽使用方便、成本低2.数字调制方式应考虑的因素：3.数字调制方式的分类单载波调制：某一时刻调制只使用单一载波恒定包络调制FSK、PSKOQPSK、π/4-QPSK、MSK、GMSK不恒定包络调制ASKQAM多载波调制：某一时刻调制使用多个载波OFDM本章目录8.1偏移四相相移键控（OQPSK）8.2π/4四相相移键控（π/4-QPSK）8.3最小频移键控（MSK）8.4高斯最小频移键控（GMSK）8.5正交幅度调制（QAM）8.6正交频分复用（OFDM）8.1偏移四相相移键控（OQPSK）QPSK在数字调制下的问题调制信号带宽为无穷宽，而实际的信道带宽总是有限的。码组中两个比特同时变化时有相位翻转现象，引起包络起伏。包络起伏会导致频谱扩散，增加邻信道干扰。为了克服QPSK调制已调信号带宽无穷宽、包络起伏、频谱扩散的问题，消除QPSK调制下相位翻转现象，在QPSK的基础上提出了OQPSK。QPSK调制的原理正交调制方法对数据进行串/并变换，将二进制数据每两个比特分为一组。一共有四种组合（1，1）、（1，-1）、（-1，1）和（-1，-1）。每组前一比特为同向分量I，后一比特为正交分量Q。利用同向分量、正交分量分别对两个正交的载波进行2PSK调制，最后将结果叠加。QPSK调制和OQPSK调制的相位图如图(a)所示，QPSK信号的相位在4种可能的相位上跳变，跳变量可能为±π/2或±π。当跳变量为±π时发生相位翻转，引起最大包络起伏。OQPSK调制表达式其中I(t)表示同相分量；表示正交分量，它相对于同相分量偏移Ts/2。)sin()2()cos()()(cscOQPSKtTtQttIts)2/(sTtQ由于同相分量和正交分量不能同时发生变化，相邻一个比特信号的相位只可能发生±π/2的变化。从而消除了相位翻转±π的现象。OQPSK的I、Q信道波形及相位路径22消除了相位翻转现象后，OQPSK信号中包络的最大值与最小值之比约为，不再有很大的包络起伏。OQPSK的调制、解调原理OQPSK和QPSK的比较均采用相干解调，理论上误码性能相同。频带受限的OQPSK信号包络比频带受限的QPSK信号的小，经限幅放大后功率谱展宽的少，所以OQPSK的性能优于QPSK。实际中，OQPSK比QPSK应用更广泛。OQPSK信号不能接受差分检测，接收机的设计比较复杂。8.2π/4四相相移键控（π/4-QPSK）π/4-QPSK调制是对OQPSK和QPSK在最大相位变化上进行折衷，是在QPSK和OQPSK基础上发展起来的。与QPSK和OQPSK相比的优势最大相位改变为±45°或±135°，比QPSK相位变化小，改善了功率谱特性。改进了解调方式。QPSK和OQPSK只能采用相干解调，π/4-QPSK可以采用相干解调和非相干解调。功率效率高，抗干扰能力强。能有效地提高频谱利用率，增大系统容量。π/4-QPSK调制信号的相位点已调信号的相位被均匀地分配为相距π/4的8个相位点，如下图：8个相位点分为两组，每组中各相位点相距π/2。已调信号只能在不同组之间交替跳变，相位跳变值只有±45°和±135°四种取值。设已调信号为kttsccos)(分析式中，为kT≤t≤(k+1)T间的附加相位。将上式展开，得到tttskkccsinsincoscos)(其中，为是前一码元附加相位与当前码元相位跳变量之和，可表示为：kkk1k1kkk设当前码元的两正交信号分别表示为111sinsincoscos)cos(coskkkkkkkkI111cossinsincos)sin(sinkkkkkkkkQ令前一码元的两正交信号为Ik-1=cosθk-1，Qk-1=sinθk-1则当前码元信号可表示为kkkkkQIIsincos11kkkkkIQQsincos11由此可知，当前码元的信号（Ik，Qk）不仅与当前码元相位跳变量有关，还与前一码元的信号（Ik-1，Qk-1）有关，即与信号变换电路的输入码组有关。双比特信息Ik,Qk和相邻码元之间相位跳变之间的关系k由表可见，码元转换时刻的相位跳变量只有±π/4和±3π/4共4种取值，不可能产生如QPSK信号±π的相位跳变，从而使得信号的频谱特性得到较大改善。Ik,Qk与的对应关系kπ/4-QPSK信号的产生同相分量Ik和正交分量Qk通过脉冲成形滤波器后，分别形成进入QPSK调制器的同相分量I(t)和正交分量Q(t)，然后对两个相互正交的载波调制，产生π/4-QPSK信号。调制前，二元信息经过串/并变换分成两路，再经过电平变换形成同相分量Ik和正交分量Qk，这里的电平变换又称为信号映射。全数字式π/4-QPSK调制器全数字式π/4-QPSK调制器载波信号发生器将产生相位为0、π/4、π/2、…、7π/4等8种载波信号，固定送给相位选择器D0、D1、…，D7。地址码发生器由编码电路和延迟电路组成，编码器完成双比特Ik、Qk输入和3比特Ak、Bk、Ck输出之间的转换，延迟电路完成相对码变换。3比特共有8种取值，每种取值对应控制8选1相位选择器，把所需的载波选取出来，再经滤波器形成π/4-QPSK输出信号。由于信息包含在两个抽样瞬间的载波相位差之中，故解调时只需检测这个相位差。这种解调器具有电路简单，工作稳定，易于集成等特点。π/4-QPSK非相干差分延迟解调优点在于不需要载波提取，可简化接收机设计。且在存在多径衰落时，性能优于OQPSK。8.3最小频移键控（MSK）最小频移键控（MSK）是2FSK的改进，它是二进制连续相位频移键控的一种特殊情况。本节内容提要引言8.3.1MSK信号的正交性8.3.2MSK信号的相位连续性8.3.3MSK信号的产生与解调8.3.4MSK信号的功率谱特性引言FSK的不足之处频带利用率低。所占频带宽度比2PSK大。存在包络起伏。用开关法产生的2FSK信号其相邻码元的载波波形的相位可能不连续，会出现包络的起伏。2FSK信号的两种波形不一定保证严格正交。MSK信号的特点MSK信号的包络恒定不变。MSK是调制指数为0.5的正交信号，频率偏移等于（±1/4Ts）Hz。MSK波形的相位在码元转换时刻是连续的MSK波形的附加相位在一个码元持续时间内线性地变化±π/2。8.3.1MSK信号的正交性MSK信号可以表示为)](cos[)(cMSKtttsk)2πcos(sckktTatss)1(TktkT,式中，表示载频；表示相对载频的频偏；表示第k个码元的起始相位；ak=±1是数字基带信号；称为附加相位函数，它是除载波相位之外的附加相位。cs2/πTakk)(tkkkktTats2π)(当ak=+1时，信号频率为sc241Tff当ak=-1时，信号频率为sc141Tff因此可计算出频差为s1221Tfff即最小频差等于码元传递速率的一半。对应的调制指数为5.021ssssTTTfff8.3.2MSK信号的相位连续性根据相位的连续条件，要求在时满足)(tkskTtkkkkTkTaTkTass1ss12π2π111111π2π)(kkkkkkkkkkaa,kaa,kaa可以得到可见，MSK信号在第k个码元的起始相位不仅与当前的有关，还与前面的和有关。ka1ka1k为简便起见，设第一个码元的起始相位为0，则0k或π以下讨论在每个码元间隔Ts内相对于载波相位的附加相位函数的变化kkktTats2π)(由可知，是MSK信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位得到的剩余相位，它是一个直线方程式。)(tk在一个码元间隔内1ka当时，增大)(tk2/π当时，减小1ka（MSK相位网格图）)(tk2/π例8-1已知载波频率fc=1.75/Ts，初始相位。解：(1)当ak=-1时，信号频率f1为00ssssc15.14175.141TTTTff当ak=+1时，信号频率f2为ssssc224175.141TTTTff(2)最小频差fsss12215.12TTTfff它等于码元传递速率的一半。(1)当数字基带信号ak=±1时，MSK信号的两个频率f1和f2分别是多少？(2)对应的最小频差及调制指数是多少？(3)若基带信号为+1-1-1+1+1+1，画出相应的MSK信号波形。调制指数为5.021ssssTTTfff(3)根据以上计算结果，可以画出相应的MSK波形“+1”和“-1”对应MSK波形相位在码元转换时刻是连续的，而且在一个码元期间所对应的波形恰好相差1/2载波周期。8.3.3MSK信号的产生与解调考虑到,或，MSK信号可以用两个正交分量表示为1ka0kπtTtatTttskkkcscsMSKsin2πsincoscos2πcoscos)(tTtQtTtIkkcscssin2πsincos2πcos式中，为同相分量；为正交分量。kkIcoskkkaQcos由此可以得到MSK信号的产生框图。MSK信号的产生方框图图中输入数据序列为ak，它经过差分编码后变成序列ck。经过串/并转换，将一路延迟Ts，得到相互交错一个码元宽度的两路信号Ik和Qk。加权函数和分别对两路数据信号Ik和Qk进行加权，加权后的两路信号再分别对正交载波和进行调制，调制后的信号相加再通过带通滤波器，就得到MSK信号。sTt2/πcossTt2/πsintccostcsinMSK解调由于MSK信号是一种FSK信号，所以它可以采用相干解调和非相干解调。MSK信号经带通滤波器滤除带外噪声，然后借助正交的相干载波与输入信号相乘，将Ik和Qk两路信号区分开，再经低通滤波后输出。同相支路在2kTs时刻抽样，正交支路在(2k+1)Ts时刻抽样，判决器根据抽样后的信号极性进行判决，大于0判为“1”，小于0判为“0”，经串/并变换，变为串行数据。与调制器相对应，因在发送端经差分编码，故接收端输出需经差分译码后，即可恢复原始数据。8.3.4MSK信号的功率谱特性经推导,MSK信号的归一化双边功率频谱密度的表达式为)(sfP22s2csc2ss)(161)(π2cosπ16)(TffTffTfP式中，fc为载频，Ts为码元宽度。按照上式可以画出MSK信号的功率谱曲线。图中实线为MSK功率谱曲线。图中横坐标是以载频为中心画的，即横坐标代表频率；Ts表示二进制码元间隔。)(cff图中还给出了其他几种调制信号的功率谱密度曲线作为比较。由图可见，与QPSK和OQPSK信号相比，MSK信号功率谱更为集中，即其旁瓣下降得更快。故它对相邻频道的干扰较小。具体的计算数据表明，包含99%信号功率的带宽近似值中，MSK最小，约为1.2/Ts；QPSK及OQPSK其次，为6/Ts；BPSK最大，为9/Ts。由此可见，MSK信号的带外功率下降非常快。8.4高斯最小频移键控（GMSK）MSK信号的不足：虽然包络恒定，带外功率谱密度下降快，但在一些通信场合还不能满足需要例如在移动通信中，MS