第8章新型数字带通调制技术

通信原理1通信原理湖南大学信息科学与工程学院陈林[e-mail]23其它数字调制简介数字调制的三种基本方式：数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制，这三种数字调制方式是数字调制的基础。三种基本数字调制方式都存在不足之处，如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，近几十年来人们不断地提出一些新的数字调制解调技术，以适应各种通信系统的要求。其主要研究内容围绕着减小信号带宽以提高频谱利用率；提高功率利用率以增强抗干扰性能；适应各种随参信道以增强抗多径衰落能力等。第8章新型数字带通调制技术4例如，在恒参信道中，正交振幅调制（QAM）和正交频分复用（OFDM）方式具有高的频谱利用率，因此，正交振幅调制在卫星通信和有线电视网络高速数据传输等领域得到了广泛应用。而正交频分复用在非对称数字环路ADSL和高清晰度电视HDTV的地面广播系统等得到了成功应用。高斯最小移频键控（GMSK）和π/4DQPSK具有较强的抗多径衰落性能，带外功率辐射小等特点，因而在移动通信领域得到了应用。GMSK用于泛欧数字蜂窝移动通信系统（GSM），π/4DQPSK用于北美和日本的数字蜂窝移动通信系统。第8章新型数字带通调制技术第8章新型数字带通调制技术8.1正交振幅调制(QAM)8.2最小移频键控(MSK)8.3正交频分利用（OFDM）返回主目录通信原理1.振幅相位联合键控（APK）2.正交调制模型3.正交振幅调制信号的表示4.16QAM产生方法5.QAM信号和PSK信号的性能比较6.16QAM实例7.例题6新型数字带通调制技术-正交振幅调制QAM振幅相位联合键控系统（APK）：问题的提出•在系统带宽一定的情况下，多进制调制的信息传输速率比二进制高，也就是说，多进制调制系统的频带利用率高，提高了有效性•多进制调制系统频带利用率的提高是通过牺牲功率利用率来换取的，降低了可靠性•在MPSK体制中，随着M增大，相邻相位的距离减小，使得噪声容量减小，误码率难以保障，为改善M大时的噪声容限，发展了QAM体制。解决方法：•振幅相位联合键控:正交振幅调制(QAM，QuadratureAmplitudeModulation)是一种相位和振幅联合调制。7振幅相位联合键控（APK）振幅相位联合键控（APK）--振幅和相位都有几种取值。APK信号的一般表达式：e0(t)=∑ang(t-nTs)cos(ωct+φn)=[∑ang(t-nTs)cosφn]cos(ωct)-[∑ang(t-nTs)sinφn]sin(ωct)令：ancosφn=Xn,-ansinφn=Yne0(t)=∑Xng(t-nTs)cosωct+∑Yng(t-nTs)sinωct=cosωct+sinωct可见APK可以看作两个正交调制信号之和。8)(tI)(tQ9正交调制模型两个独立的正交双边带振幅调制之和。I和Q在时间上是重叠的，频域上也是重叠的。因为是正交的，所以可以分开。对两个相互正交的同频率载波进行双边带调制，合成起来就得到正交双边带调制信号。10正交调制的多种形态当Q(t)和I(t)是模拟信号，且Q(t)是I(t)的希尔伯特变换时，正交调制就变成了单边带调制。当Q(t)和I(t)是数字基带信号，且Q(t)与I(t)的取值为多幅度--即多电平时，就构成正交振幅调制(QAM--QuadratureAmplitudeModulation)QAM当Q(t)和I(t)是数字基带信号，且Q(t)与I(t)的取值为±1时，此时的4QAM就是QPSK。正交振幅调制(QAM)•是用二个独立的基带波形对二个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。•在这种调制中，己调制载波的振幅和相位都随二个独立的基带信号变化。•采用多进制正交振幅调制MQAM(M2)。增大M可提高频率的利用率，也即提高传输效率.•与MPSK相比，同进制、相同发射功率条件下的MQAM误码率更低，即可靠性比MPSK好。1112MQAM调制(振幅相位联合键控——APK）的应用在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。正交振幅调制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化。过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视。在光纤通信网络中，QAM也在开展研究，并取得一定的进展。131.正交振幅调制(QAM--QuadratureAmplitudeModulation)信号的表示信号的一个码元可以表示为式中，k=整数；Ak和k分别可以取多个离散值。上式可以展开为令Xk=AkcoskYk=-Aksink则信号表示式变为Xk和Yk也是可以取多个离散值的变量。)cos()(0kkktAtsTktkT)1(tAtAtskkkkk00sinsincoscos)(tYtXtskkk00sincos)(sk(t)是两个正交的振幅键控信号之和--正交振幅调制(QAM)142.MQAM信号调制原理图图8.1-1QAM信号调制原理图MQAM可以用正交调制的方法产生，串并变换电路将二电平序列变成速率为Rb/2的二电平序列，2－L电平变换器将二电平序列变成L电平信号，L＝M1/2,L电平信息速率为Rb/logM,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MQAM信号。抑制已调信号的带外辐射15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。为了抑制已调信号的带外辐射，该L电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，形成X(t)和Y(t)，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QAM信号。16QAM矢量图--4QAM若：k--取/4和-/4，Ak--取+A和-A，则：Xk和Yk--取±(√2/2)--±1(归一化），4QAM信号--两个幅度为±1的正交振幅键控信号之和4QAM就成为QPSK--QPSK信号是一种QAM信号Xk=AkcoskYk=-AksinktYtXtskkk00sincos)(1716QAM矢量图（注意红线和绿线的合成）是两路四个幅度的正交振幅键控信号之和X和Y分别为四种可能的取值合成1864QAM和256QAM矢量图64QAM是两路八个幅度的正交振幅键控信号之和256QAM是两路十六个幅度的正交振幅键控信号之和64QAM信号矢量图256QAM信号矢量图1916QAM信号的产生方法：16QAM信号的产生有两种基本方法：一种是正交调幅法，它是用两路正交的四电平振幅键控信号叠加而成；另一种是复合相移法，它是用两路独立的四相移相键控信号叠加而成。2016QAM产生方法--正交调幅法两路独立的正交4ASK信号叠加–它用两路独立的QPSK信号（大圆和小圆）叠加，形成16QAM信号，如下图所示。图中虚线大圆上的4个大黑点表示第一个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。21AMAM16QAM产生方法--复合相移法2216QAM信号和16PSK信号的性能比较在平均功率相等条件下：16PSK信号的平均功率（振幅）就等于其最大功率（振幅）；16QAM信号，在等概率条件下，其最大功率和平均功率之比等于1.8倍，即2.55dB。因此，16QAM比16PSK信号的噪声容限大4.12dB。在最大功率（振幅）相等的条件下：最大振幅AM相等，16PSK信号的相邻矢量端点的欧氏距离16QAM信号的相邻点欧氏距离d2超过d1约1.57dB10.3938MMdAAMMAAd471.0322d2和d1的比值代表这两种体制的噪声容限之比AMd2(a)16QAMAMd1(b)16PSK第8章新型数字带通调制技术按上两式计算，d2超过d1约1.57dB。但是，这时是在最大功率（振幅）相等的条件下比较的，没有考虑这两种体制的平均功率差别。16PSK信号的平均功率（振幅）就等于其最大功率（振幅）。而16QAM信号，在等概率出现条件下，可以计算出其最大功率和平均功率之比等于1.8倍，即2.55dB。因此，在平均功率相等条件下，16QAM比16PSK信号的噪声容限大4.12dB。当M＝4时，在d4QAM=d4PSK,这是因为4PSK和4QAM星座图相同。当M〉4，d4QAM=d4PSK,说明MQAM抗干扰能力优于MPSK。23243、MQAM解调原理MQAM信号同样可以采用正交相干解调方法，其解调器原理图如图8.1-4所示。解调器输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波输出两路多电平基带信号X(t)和Y(t)。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测，再经L电平到2电平转换和并/串变换器最终输出二进制数据。25图8.1-4MQAM信号相干解调原理图264、MQAM抗噪声性能对于方型QAM，可以看成是由两个相互正交且独立的多电平ASK信号叠加而成。因此，利用多电平信号误码率的分析方法，可得到M进制QAM的误码率为:])(1log3[)11(022nELerfcLPbLe式中，M=L2，Eb为每比特码元能量，n0为噪声单边功率谱密度。图8.1-5给出了M进制方型QAM的误码率曲线。(8.1-8)27图8.1-5M进制方型QAM的误码率曲线－6－4－20246810121416182022PSKM＝32QAMM＝16QAM＋PSKM＝4PSKM＝16QAMM＝6410－625510－5210－42510－32510－22510－1PMSNR/bit/dB当M大于4时，MQAM的抗噪声性能优于MPSK，且随着M的增加，这种优势越明显5.QAM频带利用率•MQAM功率谱主瓣宽度为B=2Rs,Rs=Rb/K(M=2k)•η=Rb/B=Rb/2Rs=k*Rb/2Rb=k/2=log2M/2bit/s/Hz（由此式可知，QAM的频带利用率与PSK的相同）•如64QAM，Rb/B=3bit/s/Hz296.QAM信号和PSK信号的性能比较QAM比PSK信号的抗噪声能力更好。二者的信号带宽相同，频带利用率相同。第8章新型数字带通调制技术•实例：在下图中示出一种用于调制解调器的传输速率为9600b/s的16QAM方案，其载频为1650Hz，滤波器带宽为2400Hz，滚降系数为10％。30(a)传输频带(b)16QAM星座1011100111101111101010001100110100010000010001100011001001010111A240031例7.10-1采用4PSK或4QAM调制传输2400b/s数据：(1)最小理论带宽是多少？（带宽和什么有关？码速率）(2)若传输带宽不变，而比特率加倍，则调制方式应如何改变？•解：(1)M=4，Rb=2400b/s,RB=Rb/log2M=1200Baud;BMPSK=2B基，（B基）min=RB/2=600Hz（理论带宽与波形有关）(时，理论上最小，为乃奎斯特带宽)最小理论带宽是：BMPSK=2B基=2×RB/2=RBB4PSK=1200Hz(2)若BMPSK=1200Hz不变，Rb=4800b/s(加倍)，最小理论带宽BMPSK=RB,RB=BMPSK=1200log2M=Rb/RB=4800/1200=4,M=24=16,应采用16QPSK22,maxBRB本例说明：在传输带宽不变的情况下，增加进制数可以提高信息速率32例7.10-2采用2PSK调制传输2400b/s数据：最小理论带宽是多少？•解：M=2，Rb=2400b/s,RB=Rb=2400Baud;最小理论带宽是：B2PSK=RB=2400Hz本例说明：在相同信息速率下，增加进制数可以减小带宽，减小码