现代数字调制技术

《通信原理课件》第八章现代数字调制技术8.1引言8.2偏移四相相移键控8.3π/4四相相移键控8.4最小频移键控8.5高斯最小频移键控8.6正交幅度调制8.7正交频分复用《通信原理课件》8.1引言在第6章中已经讨论了几种基本数字调制技术的调制和解调原理。随着数字通信的迅速发展，各种数字调制方式也在不断地改进和发展，现代通信系统中出现了很多性能良好的数字调制技术。本章我们主要介绍目前实际通信系统中常使用的几种现代数字调制技术。首先介绍几种恒包络调制，包括偏移四相相移键控（OQPSK）、π/4四相相移键控（π/4-QPSK）、最小频移键控（MSK）和高斯型最小频移键控（GMSK）；然后介绍正交幅度调制（QAM），它是一种不恒定包络调制。在介绍了这几种单载波调制后，再引入多载波调制，着重介绍其中的正交频分复用（OFDM）。《通信原理课件》8.2偏移四相相移键控（OQPSK）在数字调制中，假设QPSK信号的每个码元的包络为矩形方波，则高频信号也具有恒包络特性，但这时已调信号的频谱将为无穷大，而实际上信道带宽总是有限的，为了对QPSK信号的带宽进行限制，先将基带双极性矩形不归零脉冲序列先经过基带成形滤波器进行限带，然后再进行QPSK调制。问题是：通过带限处理后的QPSK信号将不再是恒包络了。而且当码组，或时，会产生的载波相位跳变，这种相位跳变会引起带限处理后的QPSK信号包络起伏，甚至出现包络为0的现象。这种现象必须避免，这是因为当通过非线性器件后，包络起伏很大的限带QPSK信号的功率谱旁瓣增生，导致频谱扩散，增加对相邻信道的干扰。为了消除的相位跳变，在QPSK的基础上提出了OQPSK。《通信原理课件》《通信原理课件》（a）QPSK信号的相位关系（b）OQPSK信号的相位关系图8-1QPSK和OQPSK信号的相位关系为了减小包络起伏，这里做一改进：在对QPSK做正交调制时，将正交分量tQ的基带信号相对于同相分量tI的基带信号延迟半个码元间隔/2sT（一个比特间隔）。这种调制方法称为偏移四相相移键控（OQPSK）。《通信原理课件》如图8-1（b）所示。经带通滤波器后，OQPSK信号中包络的最大值与最小值之比约为2，不再出现比值无限大的现象。也就是说，滤波后的QPSK信号和OQPSK信号有本质的区别。由于OQPSK信号也可以看作是由同相支路和正交支路的2PSK信号的叠加，所以OQPSK信号的功率谱与QPSK信号的功率谱形状相同。如果采用相干解调方式，理论上OQPSK信号的误码性能与相干解调的QPSK相同。但是，频带受限的OQPSK信号包络起伏比频带受限的QPSK信号小，经限幅放大后频谱展宽的少，所以OQPSK的性能优于QPSK。在实际中，OQPSK比QPSK应用更广泛。《通信原理课件》8.3π/4四相相移键控《通信原理课件》图8-3π/4-QPSK信号的星座图《通信原理课件》《通信原理课件》8.4最小频移键控（MSK）《通信原理课件》《通信原理课件》8.4.1MSK信号的正交性《通信原理课件》《通信原理课件》8.4.2MSK信号的相位连续性《通信原理课件》8.4.3MSK信号的产生与解调《通信原理课件》图8-7MSK信号的产生方框图《通信原理课件》图8-8MSK解调器原理框图《通信原理课件》8.4.4MSK信号的频谱特性《通信原理课件》图8-9MSK、GMSK和OQPSK等信号的功率谱密度《通信原理课件》8.5高斯最小频移键控（GMSK）《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》8.6正交幅度调制（QAM）正交振幅调制（QAM）是一种幅度和相位联合键控（APK）的调制方式。它可以提高系统可靠性，且能获得较高的信息频带利用率，是目前应用较为广泛的一种数字调制方式。《通信原理课件》8.6.1正交振幅调制的信号表示正交振幅调制是用两路独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。《通信原理课件》一、时域表示《通信原理课件》《通信原理课件》二、矢量图如果QAM信号的在信号空间中的坐标点数目（状态数）4M，记为4QAM，它的同相和正交支路都采用二进制信号；如果同相和正交支路都采用四进制信号将得到16QAM信号。以此类推，如果两条支路都采用L进制信号将得到MQAM信号，其中2LM。矢量端点的分布图称为星座图。通常可以用星座图来描述QAM信号的信号空间分布状态。MQAM目前研究较多，并被建议用于数字通信中的是十六进制的正交幅度调制（16QAM）或六十四进制的正交幅度调制（64QAM），下面重点讨论16QAM。《通信原理课件》图8-1016QAM的星座图对于M=16的16QAM来说，有多种分布形式的信号星座图。两种具有代表意义的信号星座图如图8-10所示。在图8-10（a）中，信号点的分布成方型，故称为矩形16QAM星座，也称为标准型16QAM。在图8-10（b）中，信号点的分布成星型，故称为星型16QAM星座。《通信原理课件》《通信原理课件》由此可见，方型和星型16QAM两者功率相差1.4dB。另外，两者的星座结构也有重要的差别，一是星型16QAM只有两个振幅值，而方型16QAM有三种振幅值；二是星型16QAM只有8种相位值，而方型16QAM有12种相位值。这两点使得在衰落信道中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。但是由于方型星座QAM信号所需的平均发送功率仅比最优的QAM星座结构的信号平均功率稍大，而方型星座的MQAM信号的产生及解调比较容易实现，所以方型星座的MQAM信号在实际通信中得到了广泛的应用。当M=4,16,32,64时MQAM信号的星座图如图8-11所示。《通信原理课件》图8-11MQAM信号的星座图《通信原理课件》8.6.2MQAM信号的产生和解调MQAM信号调制原理图如图8-12所示。图中，输入的二进制序列经过串/并变换器输出速率减半的两路并行序列，再分别经过2电平到L电平的变换，形成L电平的基带信号()Imt和()Qmt，再分别对同相载波和正交载波相乘，最后将两路信号相加即可得到方型星座的MQAM信号。《通信原理课件》图8-12QAM信号调制原理图《通信原理课件》图8-13MQAM信号相干解调原理图MQAM信号可以采用正交相干解调方法，其解调器原理图8-13所示。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测。《通信原理课件》8.6.3MQAM信号的频带利用率《通信原理课件》8.6.4MQAM信号的抗噪性能分析在矢量图中可以看出各信号点之间的距离，相邻点的最小距离直接代表噪声容限的大小。比如，随着进制数M的增加，在信号空间中各信号点间的最小距离减小，相应的信号判决区域随之减小，因此，当信号受到噪声和干扰的损害时，接收信号错误概率将随之增大。下面我们从这个角度出发，来比较一下相同进制数时PSK和QAM的抗噪性能。《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》8.7正交频分复用（OFDM）《通信原理课件》8.7.1多载波调制技术多载波调制技术是一种并行体制，它将高速率的数据序列经串/并变换后分割为若干路低速数据流，每路低速数据采用一个独立的载波调制，叠加在一起构成发送信号，在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收，获得低速率信息数据后，再通过并/串变换得到原来的高速信号。多载波传输系统原理框图如图8-14所示。《通信原理课件》图8-14多载波传输系统原理框图《通信原理课件》在多载波调制方式中，子载波设置主要有3种方案。图8-15（a）为传统的频分复用方案，它将整个频带划分为N个互不重叠的子信道。在接收端可以通过滤波器组进行分离。图8-15（b）为偏置QAM方案，它在3dB处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的。第三种方案为正交频分复用（OFDM）方案，要求各子载波保持相互正交。《通信原理课件》图8-15子载波的两种设置方案《通信原理课件》8.7.2正交频分复用技术《通信原理课件》图8-16OFDM调制原理框图《通信原理课件》图8-17OFDM信号的频谱结构示意图OFDM信号由N个信号叠加而成，每个信号频谱为2TSas函数（中心频率为子载波频率），相邻信号频谱之间有1/2重叠，OFDM信号的频谱结构示意图如图8-17所示。《通信原理课件》《通信原理课件》图8-18OFDM解调原理框图在接收端，对tSm用频率为nf的正弦载波在sT0,进行相关运算。就可得到各子载波上携带的信息nA，然后通过并/串变换，恢复出发送的二进制数据序列。由此可得如图8-18所示的OFDM的解调原理框图。《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》图8-19用DFT实现OFDM的原理框图