樊昌信通信原理第8章-新型数字调制(7版)

课件新型数字调制通信原理（第7版）第8章樊昌信曹丽娜编著正交振幅调制（QAM）最小移频键控（MSK）高斯最小移频键控（GMSK）正交频分复用（OFDM）本章内容:第7章数字调制第8章新型数字调制正交振幅调制（QAM）§8.1（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）一种振幅和相位联合键控的数字调制技术所有信号点（•）平均分布在同一个圆周上。圆周半径等于信号幅度。观察MPSK的星座图：0100011110000001010100101110111011在信号幅度相同（即功率相等）条件下：——进制数M增加，星座图上相邻信号点的距离越小——这意味着在相同噪声条件下，系统的误码率增大需求背景问题引出如何增大距离，以减小误码率呢？Q&A针对问题解决途径M增加，距离越来越小增大相邻信号点间的距离——增大圆周半径（信号功率）来增大相邻信号点的距离，容易想到的一种办法：-----往往会受发射功率的限制。解决途径——在不增大圆半径基础上（即不增加信号功率），重新安排信号点的位置，以增大相邻信号点的距离。——正交振幅调制QAM:一种把ASK和PSK结合起来的调制方式。一种更好的设计思想：这种思想的可行性方案：振幅和相位联合键控的调制方式。(星座结构)设计思想QAM是一种振幅和相位联合键控的调制方式，其频谱利用率高，抗噪声性能优于MPSK，在中大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信等领域获得广泛应用。M1M20.473AdA2MM2sin0.3916dAA16QAM信号16PSK信号最大振幅同为AM最小距离——此最小距离代表噪声容限的大小。举例对比最小距离噪声容限越大，抗噪声性能就越强。21ddd2超过d1约1.57dB（最大功率(振幅)相等条件下）d2超过d1约4.12dB（平均功率相等条件下）16QAM是最具有代表性的MQAM信号，此外：表明：16QAM比16PSK的噪声容限大，抗噪能力强。比较：M=4时，QPSK信号就是一种最简单的QAM信号64QAM信号矢量图256QAM信号矢量图注：QAM星座图除方型结构外，还有星型或其他结构M=64、256时，QAM信号的星座图：若信号功率相同，选择信号点间距离最大的结构，若最小距离相同，选择平均功率最小的星座结构。振幅环个数：应少，有利于实现自动增益控制；相位的个数：应少，有利于实现载波相位跟踪。星座结构——不仅影响到已调信号的功率谱特性，——而且影响已调信号的解调及其性能。设计准则星座结构影响系统性能！(-3,3)(-3,1)(-3,-3)(3,-3)(3,1)(3,3)(-1,-1)(-1,1)abcd垂直4ASK星座水平4ASK星座（-4.61,0)(2.61,0)(4.61,0)(0,2.61)(0,4.61)(0,-4.61)(0,-2.61)(-2.61,0)2种振幅值8种相位值3种振幅值12种相位方型16QAM星型16QAM在多径衰落信道中，信号振幅和相位取值越多，受到的影响越大，因而星型比方型更具有吸引力。但方型星座的QAM信号的产生与接收更易实现。在QAM中，载波的振幅和相位同时受基带信号控制，因此，它的一个码元可表示为：展开为：MQAM信号可由两路载波正交的ASK信号叠加而成式中：Xk=Akcosk，Yk=-AksinkAk、k、Xk和Yk分别可以取多个离散值16QAM信号的产生表明：M()cos()kkcketAt(1)BBkTtkT()cossinkkckcetXtYtAM正交调幅法：用两路正交的4ASK信号叠加，即可形成16QAM信号。方形MQAM利用两个同频正交载波在同一带宽内实现了两路并行的LASK信号的传输。LMX(t)和Y(t)分别与相互正交的两路载波相乘（调制），形成两路互为正交的4ASK信号，最后将两路信号相加即可得到16QAM信号。输入的二进制序列（每4个“abcd”比特为一组）经过串/并变换器输出速率减半的两路并行序列（上支路ac和下支路bd）；然后分别经过2-4电平变换，形成4电平基带信号X(t)和Y(t)。复合相移法：用两路独立的QPSK信号叠加，即可形成16QAM信号。AMAM大圆上的4个红点表示第一个QPSK信号矢量的位置。在这4个位置上可以叠加上第二个QPSK矢量，后者的位置用虚线小圆上的4个小黑点表示。由于16QAM信号的16个信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数均有4个（+3、+1、-1、-3），对应低通滤波器输出的4电平基带信号，因而4电平判决器应有3个判决电平：+2、0、-2。16QAM信号的解调——正交相干解调4电平判决器对4电平基带信号进行判决和检测，再经4-2电平转换和并/串变换器最终输出二进制数据。以上两式适用于其他线性数字调制信号。MQAM222logbBRBRMMQAM22112loglog(bps/Hz)22bRLMB∵MQAM利用两个同频正交载波在同一带宽内实现了两路并行的LASK信号的传输，∴MQAM的频带利用率:MQAM信号的谱零点带宽2(1)(1)logbBRBRM频带利用率：2blog(1)M（bps/Hz）以上两式也适用于其他线性数字调制信号。在实际中，往往需要对2-L电平转换后的L电平基带信号进行脉冲成形滤波，以抑制已调信号的带外辐射。脉冲成形滤波器通常是滚降系数为的升余弦滤波器。这时，MQAM信号的带宽:最小频移键控（MSK）§8.2——2FSK的改进型问题引出：键控2FSK缺点：相位不连续、占用频带宽和功率谱旁瓣衰减慢等。OQPSK和π/4-QPSK虽然不会像QPSK那样发生180˚相位突变，但未根本解决包络起伏问题。——相位不连续引起MPSK（如QPSK）缺点：载波相位突变（180˚）→旁瓣大（频谱扩展）→干扰邻道；包络起伏大。究其原因：需求背景23解决途径：——改善已调波的相位路径已调波的频谱特性与相位路径密切相关！（恒包络调制技术的发展思路）——采用相位连续变化的调制方式CPM——MSK就是一种包络恒定、相位连续、频差最小，并且严格正交的2FSK（CPFSK）信号。正交——两个频率的信号不相关，即10cos2cos2fttf和的互相关系数ρ＝0——因此，MSK称为最小频移键控，又称快速频移键控（FFSK，FastFSK）。频差最小——意味占用带宽最小、调制指数最小：h=0.5——它相比OQPSK和QPSK，功率谱更为集中，即旁瓣衰减更快，对邻道干扰小，适用于移动通信。25”时发送“”时发送“010011)cos()cos()(tAtAteB)]cos()[cos(Tdttt000110B]})cos[(]){cos[(Tdttt001010101021§8.2.1正交2FSK信号的最小频率间隔设2FSK信号码元的表示式为欲满足正交条件，则要求互相关系数即要求001010101010101010101)()sin()()sin(])sin[(])sin[(BBTT上式积分结果为若设1+01，则上式左端第1和3项0，故有0101010101]))[cos(sin()sin()cos(BBTT由于1和0是任意常数，故必须同时有001BT)sin(101BT)cos(上式才等于零mTB201)(BTmff/01应当令即要求∴当取m=1时，满足正交条件的最小频率间隔：BTff/min101上面讨论中，假设初始相位1和0是任意的，它在接收端无法预知，因此只能采用非相干接收方法。注意：对于相干接收，则要求初始相位是确定的，在接收端是预知的，这时可令1-0=0。于是，下式001BT)sin(BTnff201/可化简为0101010101]))[cos(sin()sin()cos(BBTT即仅要求∴相干接收时，保证正交的2FSK信号的最小频率间隔：BTff2101/min§8.2.2MSK信号的基本原理BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(121MSK信号的频率间隔MSK信号第k个码元表示：k-保证在t=kTB时刻信号相位连续而加入的相位常数。频偏；-BkTa2这里TB=Tbc-载频；TB-码元宽度；ak=1（对应输入码元“1”和“0”）；BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(12当输入码元“1”时(ak=+1)，码元频率f1=fc+1/(4TB)当输入码元“0”时(ak=-1)，码元频率f0=fc-1/(4TB)BTfff2101/最小频差:调制指数:0.51/BfhT121201kkkkkatfatfte当当),cos(),cos()()/()/(BBTffTffcc4141012MSK码元中波形的周期数可改写为式中BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(12B)]cos()[cos(Tkkdttftf001022MSK信号应满足正交条件：N―正整数由此推出表明：MSK信号在每个码元周期内必须包含四分之一载波周期的整数倍。B1,2,3,...4cnfnTB1()1,2,3,...44cBnmfNmTTB4cnTT还可写成或1BB0BB1114411144ccmffNTTmffNTT并有014141TmNTmNTBT1=1/f1T0=1/f0含义：一个码元时间TB内包含的正弦波周期数。两种码元包含的正弦波数均相差1/2个周期。当N=1，m=3时“1”的一个码元内有2个正弦波周期。“0”的一个码元内有1.5个正弦波周期。014141TmNTmNTB例如3MSK信号的相位连续性前一码元末尾的相位=后一码元起始的相位相位连续条件:即在码元转换时刻t=kTB，满足：111112－－kkkkkkkkkaakaaaak,,)(1-k——相位约束条件。据此确定初相k，使相位连续。)(mod,20或k若设k-1的初始参考值等于0，则()cos(2)kkkcBettatT-11BB22kkkkaaTT=BBkTkTBBkT≤t≤(k+1)TMSK信号的相位路径:第k个码元的附加相位：BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(12斜率截距直线方程B(1)()2kkBBkatkTkTTtt若ak=+1，则k(t)线性增加/2任一TB内下图若ak=-1，则k(t)线性减小/237附加相位k(t)的路径示例：图7-38MSK信号附加相位路径-1-1+1-1+1+1-1+100101101在码元转换时刻，MSK信号的附加相位是连续的！可见：38TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)附加相位k(t)的全部可能路径：上例0010110139TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)模2运算后的附加相位路径：设发送数据序列为0010110101，采用MSK方式传输，码元速率为1200Baud，载波频率为2400Hz。（1）试求“0”符号和“1”符号对应的频率；（2）画出MSK信号时间波形；（3）画出MSK信号附加相位路径图（初始相位为0）。（1）设“0”对应f0，“1”对应f1，则有解例0cs1120024002100Hz44ffT1cs1120024002700Hz44ffT4TB4TB（2）MSK信