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无线通信技术武卓zwu@shu.edu.cn2010-12-21数字调制和解调技术数字基带信号数字基带信号的频谱载波传输或者带通传输数字调制无线移动通信的重要研究课题抗信道损伤高频谱效率通信与信息工程学院数字调制概述线性调制正交调幅恒包络调制多载波调制移动信道对数字调制性能的影响通信与信息工程学院数字调制和解调技术数字调制和解调技术3.1.1数字调制概述数字调制的特点抗损伤能力强可以采用现代信号处理和控制技术纠错编码、加密、均衡等可编程调制解调(软件无线电)调制信号的数学表示数字调制的实质:调制信息信号波形波形集合:对二元调制:M=2一个信号波形(符号)最多可携带比特信息数字调制和解调技术通信与信息工程学院12(),(),,()MSStStSt2logM数字调制和解调技术在矢量空间中的信号波形,可表示为N个正交波形的线性组合,这N个正交波形构成了该矢量空间的基:正交:单位能量:通信与信息工程学院12()()()()0,()1NiijjjijiStStttdtijtdt数字调制和解调技术例如:二相相移键控BPSK信号,其中:每比特的信号能量每比特的持续时间122()cos(2),02()cos(2),0bcbbbcbbEStfttTTEStfttTTbEbT数字调制和解调技术对该信号集,只有一个基这样,BPSK信号集可表示为星座图(信号集在几何上的表示):QI通信与信息工程学院bEbE12()cos(2),0cbbtfttTT11(),()BPSKbbSEtEt数字调制和解调技术通信与信息工程学院调制信号的最佳接收最佳:误码率最小条件:加性白噪声接收端的有用表示:例如:BPSK接收到的信号:最佳接收判决准则:10(),1()()0ststst发“”码,发“”码10()cos,()cosccccstAtstAt()()()ytStnt2210001[()()][()()]0TTytStdtytStdt判为“”判为“”数字调制和解调技术3.1.2线性调制特点:线性调制中,发射信号S(t)的幅度随数字调制信号线性变化其中,是已调信号的复包络表示通常为复数形式。线性调制一般没有恒定的包络频带利用率高通信与信息工程学院2()Re()[()cos2()sin2]cjftmRcIcStAteAmtftmtft()()()RImtmtjmt数字调制和解调技术BPSK调制通信与信息工程学院101b(t)a(t)c(t)+1-1b(t)c(t)a(t)数字调制和解调技术BPSK波形(滤波后)未滤波时的频谱:带宽(奈奎斯特滤波后):Wrs1rb1-3-2-1123-30-25-20-15-10-5数字调制和解调技术BPSK性能指标---误码率(BER):dpdq10dnp(t)nq(t)PeP'0'P'0''1'P'1'P'1''0'12Qd212Qd2Qd2Q2EbN0A22d2422EN02EbN0其中QPSK调制数字调制和解调技术BasebanddataIn-phasecarrier+1-1010+1-1100Quadraturecarrier数字调制和解调技术QPSK即4PSK,是四进制数字相位调制。它是将信息序列中一对相邻码元的四个状态(00、01、10、11),用四个相位不同的载波信号进行相位调制。QPSK信号可以表示为kkktkcos2,0,1,2,34SQPSKTscgtTtmm数字调制和解调技术4,4M344参考相位00011110B方式系统45474系统2参考相位00011110A方式4,0M0232A方式双信息符号与k的关系000111100°90°180°270°B方式双信息符号与k的关系0001111045°135°225°315°数字调制和解调技术在一个符号间隔(0,T)内,码元信号为()(cos)()cos(2)(sin)()sin(2)2[cos(2)sin(2)]()211mmTcmTcccTStgtftgtftIftQftgtIQ其中:,串/并变换90°移相××∑tcosωctsinωc二进制双极性不归零码QPSK输出IQ载波发生数字调制和解调技术在QPSK中两正交支路数据在时间上是完全对准,当两路数据同时改变相位是,会发生180°的相位跃变。7/45/43/4/40t+1-1-1-1+1+1+1-1-1+1QI+1-1+1+1-1-1-1+1-1+1IQ-1+1+1-17443454数字调制和解调技术QPSK相干解调框图数据输出90接收信号QPSK低通并/串变换器相移载波恢复电路带通滤波低通抽样判决抽样判决定时定时数字调制和解调技术OQPSK(交错正交相移调制)是QPSK的改进。它与QPSK有相同的相位关系,不同在于将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。串/并变换LPF-90°BPF延迟Tb/2LPFcos()ct输入()OQPSKStIQOQPSK数字调制和解调技术OQPSK的功率谱主瓣包含功率的92.5%,频带受限OQPSK比频带受限的QPSK的包络起伏小,经限幅放大后频谱展宽也少,故OQPSK性能优于QPSK。输出并/串变换LPF-90°抽样判决延迟Tb/2LPF()OQPSKStIQ抽样判决定时抽样载波恢复BPFOQPSK相干解调框图数字调制和解调技术π/4QPSK是对QPSK的一种改进,它把QPSK调制的A、B两种方式的矢量图合二为一,并且使载波相位只能从一种模式(A或B)向另一种模式(B或A)跳变。矢量图中的箭头表示载波相位的跳变路径,显然,相位变化只有土45。和土135。4种状态,不存在180°相位跳变,因此较QPSK调制具有更好的频谱特性。数字调制和解调技术映射逻辑电路的功能为1111cossin(1)sincos(2)kkkkkkkkkkIIQQIQπ/4QPSK调制系统框图11010010IkaQkakπ/43π/4-3π/4-π/4串/并LPF映射逻辑LPF2cosctπ/4QPSKS(t)信号输出IkQkak,Iak,Q{aj}SI(t)SQ(t)数字调制和解调技术ak,I,与ak,Q有(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)4种组合,经映射逻辑变换后,输出有8种取值组合:在映射逻辑输出的数据流中,第k个同相正交双bit符号Ik、Qk的合成相位值用θk表示;第k-1个同相正交双bit符号lk-1、Qk-1的合成相位值用θk-1表示。为了求得Ik、Qk的合成相位,将Ik-1、Qk-1的8种取值组合带入公式(1)(2)得到:11111111(1,0)(,)(0,1)(,)(1,0)(,)(0,1)(,)2222222211cos()sin()kkkkkkIQ1kkkcossinkkkkIQ数字调制和解调技术π/4QPSK调制系统输出信号数学表达式为()coscos()sinsinIkQkSttStt()()()coscossinsinIQkckcStStStttπ/4QPSK调制系统输出信号相位由θk决定,根据对θk的定义,很容易求出输入数据流变化时,π/4QPSK调制系统输出信号的相位变化关系。数字调制和解调技术例题:输入数据流{aj}={00101100110111},π/4QPSK调制系统输出信号相位变化规律。解:{aj}经串/并变换后得到{ak,I,ak,Q}={00;10;11;00;11;01;11}。设初相θ0=0,依据表1给出的方式可求出Δθk、θk及θk跳变的度数数字调制和解调技术π/4QPSK的解调可以采用相干解调,也可以采用非相干解调。可供选择的解调器有三种:基带差分检波,中频差分检波和调频鉴频器检波。基带差分检测中频差分检测FM鉴频器检测关键:求出相差的余弦和正弦函数用非相干方式直接检测相差数字调制和解调技术基带差分检波框图接收信号π/4QPSK数据输出2cosct2sinct11kkkkwwzz11kkkkzwwzISQS带通并/串变换低通低通抽样判决抽样判决cos2cosckktcoskkw1coskkkxsin2sinckktsinkkz1sinkkkycoscktarctankkkQI是第k个数据比特的载波相位0,10,00,10,0IIQQxSxSySySkkkk若则若则若则若则数字调制和解调技术因此误码率为:频谱利用率与BPSK相同使用在SatcomsTerrestrialradioUMTS11100001dWrs1rb21Pe2Qd2A22d2222EN04EbN0PbPe2Q2EbN0QPSK误符号率为QPSK调制系统性能数字调制和解调技术BPSK与QPSK有同样的功率要求带宽效率为:BPSK:QPSK:怎样增加带宽效率?---增加每个符号包含的比特数rbW1121brWkrsWlog2M1数字调制和解调技术PSK调制的误码率性能数字调制和解调技术例题:一个数据的速率为64kbit/s的信息将在带宽为25kHz的频带上传输.试求M和β的值。例题:如果要求系统的BER性能达到10-8同时采用M-PSK调制,那么此时的比特能量与噪声功率比值(Eb/N0)为多少?数字调制和解调技术正交幅度调制(QAM)是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅,利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性,实现两路并行的数字信息的传输。正交振幅调制的一般表达式为:Tb为码元宽度,Am和Bm为离散的振幅值,m=1,2,…,M,M为Am和Bm的个数。QAM()cossin,0mcmcbytAtBttT数字调制和解调技术可以看出,已调信号是由两路相互正交的载波叠加而成的,每路载波被一组离散的振幅{Am}、{Bm}所调制,故称这种调制方式为正交振幅调制。其振幅Am和Bm可以表示成A是固定的振幅,与信号的平均功率有关。(dm,em)表示QAM调制信号矢量端点在信号空间的坐标,由输入数据决定。AdAAeBmmmm数字调制和解调技术提出MQAM的原因为了高速传输大量数据,又要不占用过宽的频带必然要提高频带利用率。已知频带利用率:式中,为码元宽度,为比特率,m为进制数,B为所需带宽。2log/bbsRmbitsHzBBTsTbR数字调制和解调技术16PSK星座图:在单独使用相位调制时,不能最充分地利用信号平面。IQ数字调制和解调技术(1)单独的幅度键控ASK,在矢量图上只利用了坐标轴上的点。(2)单独的相移键控PSK,在矢量图上只利用了圆周上的点。当M增多,点会越来越密,这些矢量点之间的距离也随之减小,很容易产生码间的串扰,导致误码随之增加。为了要充分利用平面,将矢量点合理分布,因此引出幅度和相位结合的多进制调制方式MQAM。数字调制和解调技术16QAM星座图:IQ数字调制和解调技术MQAM星座图数字调制和解调技术MQAM信号可表示成:为了方便传输与检测,一般都取、为双极性码,并令它有相等的信号间距,如取为,式中为码元宽度。
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