无线通信技术-第三章 数字通信技术

无线通信技术上海大学通信与信息工程学院2013年4月第第三三章章数字调制技术数字调制技术前言前言前言前言无线调制技术是一种将信源产生的信号转换为适宜无线传线线输的形式的过程。一般说来，信源产生的信号包含直流信号和低频分量，称为基带信号。由于低频信号传输距离有限，并且多路信号在同一频段传输会产生互相干扰，因此，基带信号不适宜用作无线传输。通常将基带信号转变为一个相对于基带频率而言频率非常高的信号以适于远距离个相对于基带频率而言频率非常高的信号，以适于远距离的无线传输。基带信号称为调制信号，经过调制的高频信号称为已调信号。在信号的发生端通过调制过程，利用发送天线把已调信号发送出去，在信号接收端通过解调过程，把已调信号还原为基带信号。2013年4月26日33前言前言前言前言按照调制信号的形式，调制可以分为模拟调制和数字调制。，。模拟调制是指利用输入的模拟信号直接调制载波的振幅、频率或相位，从而得到已调信号；例如，AM，FM和PM。数字调制是指利用数字信号来控制载波的幅度、频率或相位，例如ASK，FSK和PSK，QAM等。按照载波的形式调制可以分为已正弦波作为载波的连按照载波的形式，调制可以分为已正弦波作为载波的连续波调制和以脉冲序列作为载波的脉冲调制。对信号进行调制传输主要达到以下目的：对信号进行调制传输主要达到以下目的：（1）将调制信号转换为适合于信道传输的已调信号（2）实现信道的多路复用提高信道利用率（2）实现信道的多路复用，提高信道利用率（3）提高抗干扰能力2013年4月26日44提要提要提要提要2ASK、2FSK和2PSK（2DPSK）、（）正交调幅（QAM）调制信号的数学表示表调制信号的最佳接收正交调幅信号的星座图表示正交调幅信号的星座图表示正交调幅信号的调制与解调正交调幅性能正交调幅性能2013年4月26日553131调制信号的表示调制信号的表示3.13.1调制信号的表示调制信号的表示数字调制的实质：调制信息信号波形波形集合：对二进制调制形式：M=2{}12(),(),,()MSStStSt=进：一个信号波形（符号）最多可携带比特信息向量空间2logM向量空间采用数学语言来描述和研究波形集合S将S中的元素映射为向量空间中的点可以得到调制方案性将S中的元素映射为向量空间中的点，可以得到调制方案性能的许多信息。理论基础向量空间中任何物理可实现的波形的有限集合，都可以表示为N维向量空间的基底（N个正交波形）的线性组合。2013年4月26日663131调制信号的表示调制信号的表示3.13.1调制信号的表示调制信号的表示1()()NiijjjStStφ==()()0,ijttdtijφφ+∞−∞+∞=≠2()1itdtφ−∞=2013年4月26日773131调制信号的表示调制信号的表示3.13.1调制信号的表示调制信号的表示例如：二相相移键控BPSK信号，12()cos(2),02()cos(2)0bcbbbEStfttTTEStfttTππ=≤≤=≤≤其中:每比特的信号能量每比特的持续时间2()cos(2),0cbbStfttTTπ=−≤≤bEbT每比特的持续时间对该信号集，只有一个基：这样，BPSK信号集可表示为bT12()cos(2),0cbbtfttTTφπ=≤≤{}11(),()BPSKbbSEtEtφφ=−星座图（信号集在矢量空间上的表示）：{}bEbE−2013年4月26日883131调制信号的表示调制信号的表示3.13.1调制信号的表示调制信号的表示向量空间这种星座图为每一个可能的符号的复包络提供了一个直观的图形：x轴代表复包络的同相分量，y轴代表复包络的正交分量，这个概念可推广到M进制调制制调制。为了表示调制信号的完整集合需要的基底信号的数目称为矢量空间的维数。调制方案的某些性质可以从它的星座图中得到：（1）带宽效率（2）误码率性能误码率的上界：ndQsPijijis≠≤0,2)|(εdzexQxz∞−=)2(221)(π对于对称星座（所有星座点之间距离相等）。2013年4月26日993232四相相移键控（四相相移键控（QPSKQPSK））3.23.2四相相移键控（四相相移键控（QPSKQPSK））QPSK信号表示Q载波相位取等间隔的四个值，比如每个相位对应2比特信息23,,2,0πππ个特息4,3,2,1,0,2)1(2cos2)(=≤≤−+=iTtitfTEtsscssQPSKππTs：符号持续时间s22EEππQPSK信号矢量空间的基底可取)2sin(2)1(sin2)2cos(2)1(cos2)(tfiTEtfiTEtscsscssQPSKππππ−−−=QPSK信号矢量空间的基底可取)2sin(2)(),2cos(2)(21tfTttfTtcscsπφπφ==2013年4月26日10103232四相相移键控（四相相移键控（QPSKQPSK））3.23.2四相相移键控（四相相移键控（QPSKQPSK））QPSK信号集Q=−−−4,3,2,1),(2)1(sin)(2)1(cos:)(21itiEtiEtsssQPSKφπφπ误码率性能星座点距离：，（每个符号2bits：Es=2Eb）bsEE22=座：，（bts：sb）代入前面的公式得到QPSK的误比特率：相同的能量效率下，频谱效率提高一倍bs==00212nEerfcnEQPbbe2013年4月26日11113232四相相移键控（四相相移键控（QPSKQPSK））3.23.2四相相移键控（四相相移键控（QPSKQPSK））QPSK调制技术Q2013年4月26日12123232四相相移键控（四相相移键控（QPSKQPSK））3.23.2四相相移键控（四相相移键控（QPSKQPSK））QPSK解调技术Q2013年4月26日13133333偏移四相相移键控（偏移四相相移键控（OQPSKOQPSK））3.33.3偏移四相相移键控（偏移四相相移键控（OQPSKOQPSK））OQPSK也称为偏移四相相移键控（offset-QPSK），是Q（Q），QPSK的改进型。它与QPSK有同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。不同点在于它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。由于两支路码元半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻转不会发生两支路码元极性同时翻转的现象因此翻转，不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此，OQPSK信号相位只能跳变0°、±90°，不会出现180°的相位跳变。2013年4月26日14143333偏移四相相移键控（偏移四相相移键控（OQPSKOQPSK））3.33.3偏移四相相移键控（偏移四相相移键控（OQPSKOQPSK））OQPSK的调制与解调Q可采用正交相干解调方式解调，它与QPSK信号的解调原理基本相同，其差别仅在于对Q支路信号抽样判决时间比I支路延迟了T/2，这是因为在调制时Q支路信号在时间上偏移了T/2所以抽样判决时刻也应偏移T/2调制时Q支路信号在时间上偏移了T/2，所以抽样判决时刻也应偏移T/2，以保证对两支路交错抽样。OQPSK的优缺点OQPSK克服了QPSK的l80°的相位跳变，信号通过BPF后包络起伏小，性能得到了改善，因此受到了广泛重视。但是，当码元转换时，相位变化不连续，存在90°的相位跳变，因而高频滚降慢，频带仍然较宽。2013年4月26日15153434正交振幅调制（正交振幅调制（QAMQAM））3.43.4正交振幅调制（正交振幅调制（QAMQAM））幅度和相位联合键控原理：在两路正交载波上分别采用独立的MASK调制然后叠加生成，调制信号通过电平幅度和载波相位承载比特信息。星座图：2013年4月26日16163434正交振幅调制（正交振幅调制（QAMQAM））3.43.4正交振幅调制（正交振幅调制（QAMQAM））调制与解调2013年4月26日17173535多载波调制多载波调制3.53.5多载波调制多载波调制单载波调制和多载波调制比较单载波体制：码元持续时间Ts短，但占用带宽B大；由于信道特性C(f)不理想，产生码间串扰。多载波体制：将信道分成许多子信道。假设有10个子信道，则每个载波的调制码元速率将降低至1/10，每个子信道的带宽也随之减小为1/10。若子信道的带宽足够小，则可以认为信道特性接近理想信道特性，码间串扰可以得到有效的克服得到有效的克服。2013年4月26日18183535多载波调制多载波调制3.53.5多载波调制多载波调制多载波调制的基本原理2013年4月26日1919正交频分复用（正交频分复用（OFDMOFDM）技术）技术正交频分复用（正交频分复用（OFDMOFDM）技术）技术正交频分复用OFDM：是一种多载波调制复特点：•为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调信号频谱有部分重叠；•各路已调信号是严格正交的，以便接收端能完全地分离各路信号各路已调信号是严格正交的，以便接收端能完全地分离各路信号•每路子载波的调制可以是多进制调制；•每路子载波的调制制度可以不同，根据各个子载波处信道特性的优劣不同采用不同的体制。并且可以自适应地改变调制体制以适应信道特性的变化。缺点：缺点：•对信道产生的频率偏移和相位噪声很敏感；•信号峰值功率和平均功率的比值较大，这将会降低射频功率放大器的效率。2013年4月26日2020OFDMOFDM技术技术OFDMOFDM技术技术OFDM的基本原理2013年4月26日2121OFDMOFDM技术技术OFDMOFDM技术技术OFDM的基本原理2013年4月26日2222OFDMOFDM技术技术OFDMOFDM技术技术OFDM的基本原理2013年4月26日2323OFDMOFDM技术技术OFDMOFDM技术技术OFDM的基本原理2013年4月26日2424OFDMOFDM技术技术OFDMOFDM技术技术OFDM的基本原理2013年4月26日2525OFDMOFDM技术技术OFDMOFDM技术技术OFDM的基本原理2013年4月26日2626OFDMOFDM技术技术OFDMOFDM技术技术OFDM系统的实现（以MQAM为例来讨论）OFDM系统的实现（以MQAM为例来讨论）DFT回顾：注意：注意：2013年4月26日2727OFDMOFDM技术技术OFDMOFDM技术技术2013年4月26日2828OFDMOFDM技术技术OFDMOFDM技术技术OFDM信号的产生：1、码元分组先将输入码元序列分成帧，每帧中有F个码元，即有F比特。然后将此F比特分成N组每组中的比特数可不同如下图所示此F比特分成N组，每组中的比特数可以不同，如下图所示2013年4月26日2929OFDMOFDM技术技术OFDMOFDM技术技术OFDM信号的产生2、MQAM坐标映射将每组中的bi个比特看作是一个Mi进制码元Bi，其中bi＝log2Mi，并且经过串/并变换将F个串行码元b变为N个（路）并行码元B各路并行码且经过串/并变换将F个串行码元bi变为N个（路）并行码元Bi。各路并行码元Bi持续时间相同，均为一帧时间Tf=FTs，但是各路码元Bi包含的比特数不同。这样得到的N路并行码元Bi用来对于N个子载波进行不同的MQAM调制这时的各个码元B可能属于不同的M进制所以它们各自进行不同调制。这时的各个码元Bi可能属于不同的Mi进制，所以它们各自进行不同的MQAM调制。MQAM调制中一个码元可以用平面上的一个点表示。而平面上的一个点可以用一个矢量或复数表示。下面用复数Bi表示此点。将Mi进制的码元Bi变成一一对应的复数Bi的过程称为映射过程。例如，若有一个码元Bi是16iii进制的，它由二进制的输入码元“1100”构成，则它应进行16QAM调制2013年4月26日3030OFDMOFDM技术技术OFDMOFDM技术技术2013年4月26日3131OFDMOFDM技术技术OFDMOFDM技术技术3.ID