第八章现代数字调制技术.优秀PPT.ppt

《第八章现代数字调制技术.优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章现代数字调制技术.优秀PPT.ppt（61页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第八章第八章 现代数字调制技术现代数字调制技术 2007年12月11.1.通信的志向目通信的志向目标标和和环环境：境：通信的志向目通信的志向目标标：在任何在任何时时候、在任何地方、与任何人都候、在任何地方、与任何人都能能刚刚好沟通好沟通联联系和沟通信息系和沟通信息 通信的通信的环环境：境：特特别别困困难难，面，面临临各种干各种干扰扰和和电电波波传传播影响播影响 电电波波传传播的衰耗播的衰耗多径衰落多径衰落 信号在无信号在无线传线传播播过过程中，程中，经过经过多点反射，多点反射，从多条路径到达接收端，从多条路径到达接收端，这这种多径信号的种多径信号的幅度、相位和到达幅度、相位和到达时间时间都不一

2、都不一样样，这样这样造造成的信号衰落称成的信号衰落称为为多径衰落多径衰落 引言2007年12月2p抗干抗干扰扰性（性（电电波波传传播影响、多径衰落）播影响、多径衰落）p已已调调信号信号带宽带宽p运用、成本因素运用、成本因素p好的数字好的数字调调制方式制方式应应有的特点有的特点p低信噪比下具有良好的低信噪比下具有良好的误码误码性能性能p良好的抗多径衰落良好的抗多径衰落实实力力p较较小小带宽带宽p运用便利、成本低运用便利、成本低2.数字调制方式应考虑的因素：2007年12月33.3.数字调制方式的分类数字调制方式的分类p单载波调制：单载波调制：p 某一时刻调制只运用单一载波某一时刻调制只运用单一载

3、波p恒定包络调制恒定包络调制pFSK、PSKpOQPSK、/4-QPSK、MSK、GMSK p不恒定包络调制不恒定包络调制pASKpQAMp多载波调制：多载波调制：p 某一时刻调制运用多个载波某一时刻调制运用多个载波pOFDM2007年12月4本章书目p8.1 偏移四相相移键控（偏移四相相移键控（OQPSK）p8.2/4四相相移键控（四相相移键控（/4-QPSK）p8.3最小频移键控（最小频移键控（MSK）p8.4高斯最小频移键控（高斯最小频移键控（GMSK）p8.5 正交幅度调制（正交幅度调制（QAM）p8.6 正交频分复用（正交频分复用（OFDM）2007年12月58.18.1 偏移四相相

4、移键控（OQPSK）pQPSK在数字调制下的问题在数字调制下的问题p调制信号带宽为无穷宽，而实际的信道带宽总是调制信号带宽为无穷宽，而实际的信道带宽总是有限的。有限的。p码组中两个比特同时变更时有相位翻转现象，引码组中两个比特同时变更时有相位翻转现象，引起包络起伏。起包络起伏。p包络起伏会导致频谱扩散，增加邻信道干扰。包络起伏会导致频谱扩散，增加邻信道干扰。p为了克服为了克服QPSK调制已调信号带宽无穷宽、包络调制已调信号带宽无穷宽、包络起伏、频谱扩散的问题，消退起伏、频谱扩散的问题，消退QPSK调制下相位调制下相位翻转现象，在翻转现象，在QPSK的基础上提出了的基础上提出了OQPSK。200

5、7年12月6QPSK调制的原理p正交调制方法正交调制方法p对数据进行串对数据进行串/并变换，将二进制数据每两个比特并变换，将二进制数据每两个比特分为一组。一共有四种组合（分为一组。一共有四种组合（1，1）、（）、（1，-1）、）、（-1，1）和（）和（-1，-1）。）。p每组前一比特为同向重量每组前一比特为同向重量I，后一比特为正交重量，后一比特为正交重量Q。p利用同向重量、正交重量分别对两个正交的载波利用同向重量、正交重量分别对两个正交的载波进行进行2PSK调制，最终将结果叠加。调制，最终将结果叠加。2007年12月7QPSK调制和OQPSK调制的相位图 如图如图(a)所示，所示，QPSK信

6、号的相位在信号的相位在4种可能的种可能的相位上跳变，跳变量可能为相位上跳变，跳变量可能为/2或或。当跳变量。当跳变量为为时发生相位翻转，引起最大包络起伏。时发生相位翻转，引起最大包络起伏。2007年12月8OQPSK调制表达式 其中其中I(t)表示同相重量表示同相重量；表示正交重量，表示正交重量，它相对于同相重量偏移它相对于同相重量偏移Ts/2。由于同相重量和正交重量不能同时发生变更，由于同相重量和正交重量不能同时发生变更，相邻一个比特信号的相位只可能发生相邻一个比特信号的相位只可能发生/2的变更。的变更。从而消退了相位翻转从而消退了相位翻转的现象。的现象。2007年12月9OQPSK的I、Q

7、信道波形及相位路径 消退了相位翻转现象后，消退了相位翻转现象后，OQPSK信号中包络的最大值与最小值信号中包络的最大值与最小值之比约为之比约为 ，不再有很大的包络起伏。，不再有很大的包络起伏。2007年12月10OQPSK的调制、解调原理2007年12月11OQPSK和QPSK的比较p均接受相干解调，理论上误码性能相同。均接受相干解调，理论上误码性能相同。p频带受限的频带受限的OQPSK信号包络比频带受限的信号包络比频带受限的QPSK信号的小，经限幅放大后功率谱展宽信号的小，经限幅放大后功率谱展宽的少，所以的少，所以OQPSK的性能优于的性能优于QPSK。p实际中，实际中，OQPSK比比QPS

8、K应用更广泛应用更广泛。pOQPSK信号不能接受差分检测，接收机的信号不能接受差分检测，接收机的设计比较困难。设计比较困难。2007年12月128.28.2/4四相相移键控（/4-QPSK）/4-QPSK调制是对调制是对OQPSK和和QPSK在最大相在最大相位变更上进行折衷，是在位变更上进行折衷，是在QPSK和和OQPSK基础上基础上发展起来的。发展起来的。与与QPSK和和OQPSK相比的优势相比的优势最大相位变更为最大相位变更为45或或135，比，比QPSK相位变更小，相位变更小，改善了功率谱特性。改善了功率谱特性。改进了解调方式。改进了解调方式。QPSK和和OQPSK只能接受相干解只能接受

9、相干解调，调，/4-QPSK可以接受相干解调和非相干解调。可以接受相干解调和非相干解调。功率效率高，抗干扰实力强。能有效地提高频谱利功率效率高，抗干扰实力强。能有效地提高频谱利用率，增大系统容量。用率，增大系统容量。2007年12月13/4-QPSK调制信号的相位点p已调信号的相位被匀整地安排为相距已调信号的相位被匀整地安排为相距/4的的8个相个相位点，如下图：位点，如下图：p8个相位点分为两组，每组中各相位点相距个相位点分为两组，每组中各相位点相距/2。p已调信号只能在不同组之间交替跳变，相位跳变已调信号只能在不同组之间交替跳变，相位跳变值只有值只有45和和135四种取值四种取值。2007年

10、12月14设已调信号为设已调信号为分析分析式中，式中，为为 kTt(k+1)T 间的附加相位。间的附加相位。将上式绽开，得到将上式绽开，得到 其中，其中，为是前一码元附加相位为是前一码元附加相位 与当前码元相位与当前码元相位跳变量跳变量 之和，可表示为：之和，可表示为：2007年12月15设当前码元的两正交信号分别表示为设当前码元的两正交信号分别表示为令前一码元的两正交信号为令前一码元的两正交信号为 Ik-1=cosk-1，Qk-1=sink-1 则当前码元信号可表示为则当前码元信号可表示为 由此可知，当前码元的信号（由此可知，当前码元的信号（Ik，Qk）不仅与当前码元）不仅与当前码元相位跳变

11、量有关，还与前一码元的信号（相位跳变量有关，还与前一码元的信号（Ik-1，Qk-1）有）有关，即与信号变换电路的输入码组有关。关，即与信号变换电路的输入码组有关。2007年12月16双比特信息Ik,Qk和相邻码元之间相位跳变 之间的关系 由表可见，码元转换时刻的相位跳变量只有由表可见，码元转换时刻的相位跳变量只有/4和和3/4共共4种取值，不行能产生如种取值，不行能产生如QPSK信号信号的相位跳的相位跳变，从而使得信号的频谱特性得到较大改善。变，从而使得信号的频谱特性得到较大改善。Ik,Qk与与 的对应关系的对应关系2007年12月17/4-QPSK信号的产生同相重量同相重量Ik 和正交重量和

12、正交重量Qk 通过脉冲成形滤波器后，分别通过脉冲成形滤波器后，分别形成进入形成进入QPSK调制器的同相重量调制器的同相重量I(t)和正交重量和正交重量Q(t)，然，然后对两个相互正交的载波调制，产生后对两个相互正交的载波调制，产生/4-QPSK信号。信号。调制前，二元信息经过串调制前，二元信息经过串/并变换分成两路，再经过电平并变换分成两路，再经过电平变换形成同相重量变换形成同相重量Ik 和正交重量和正交重量Qk，这里的电平变换又，这里的电平变换又称为信号映射。称为信号映射。2007年12月18全数字式/4-QPSK调制器2007年12月19全数字式/4-QPSK调制器 载波信号发生器将产生相

13、位为载波信号发生器将产生相位为0、/4、/2、7/4等等8种载波信号，固定送给相位选择器种载波信号，固定送给相位选择器D0、D1、，D7。地址码发生器由编码电路和延迟电路组成，编码器完成地址码发生器由编码电路和延迟电路组成，编码器完成双比特双比特Ik、Qk输入和输入和3比特比特Ak、Bk、Ck输出之间的转换，延迟输出之间的转换，延迟电路完成相对码变换。电路完成相对码变换。3比特共有比特共有8种取值，每种取值对应限制种取值，每种取值对应限制8选选1相位选择器，相位选择器，把所需的载波选取出来，再经滤波器形成把所需的载波选取出来，再经滤波器形成/4-QPSK输出信号。输出信号。由于信息包含在两个抽

14、样瞬间的载波相位差之中，故解由于信息包含在两个抽样瞬间的载波相位差之中，故解调时只需检测这个相位差。这种解调器具有电路简洁，工作调时只需检测这个相位差。这种解调器具有电路简洁，工作稳定，易于集成等特点。稳定，易于集成等特点。2007年12月20/4-QPSK非相干差分延迟解调 优点在于不须要载波提取，可简化接收机设计。且在存优点在于不须要载波提取，可简化接收机设计。且在存在多径衰落时，性能优于在多径衰落时，性能优于OQPSK。2007年12月218.3 8.3 最小频移键控（MSK）最小频移键控（最小频移键控（MSK）是）是2FSK的改进，它是的改进，它是二进制连续相位频移键控的一种特殊状况。

15、二进制连续相位频移键控的一种特殊状况。本节内容提要本节内容提要引言引言8.3.1 MSK信号的正交性信号的正交性 8.3.2 MSK信号的相位连续性信号的相位连续性 8.3.3 MSK信号的产生与解调信号的产生与解调 8.3.4 MSK信号的功率谱特性信号的功率谱特性 2007年12月22引言pFSK的不足之处的不足之处p频带利用率低。所占频带宽度比频带利用率低。所占频带宽度比2PSK大。大。p存在包络起伏。用开关法产生的存在包络起伏。用开关法产生的2FSK信号其相邻信号其相邻码元的载波波形的相位可能不连续，会出现包络码元的载波波形的相位可能不连续，会出现包络的起伏。的起伏。p2FSK信号的两

16、种波形不确定保证严格正交。信号的两种波形不确定保证严格正交。pMSK信号的特点信号的特点pMSK信号的包络恒定不变。信号的包络恒定不变。pMSK是调制指数为是调制指数为0.5的正交信号，频率偏移等于的正交信号，频率偏移等于（1/4Ts）Hz。pMSK波形的相位在码元转换时刻是连续的波形的相位在码元转换时刻是连续的 pMSK波形的附加相位在一个码元持续时间内线性波形的附加相位在一个码元持续时间内线性地变更地变更/2。2007年12月238.3.1 MSK信号的正交性 MSK信号可以表示为信号可以表示为,式中，式中，表示载频；表示载频；表示相对载频的频偏；表示相对载频的频偏；表示第表示第k个码元的

17、起始相位；个码元的起始相位；ak=1是数字基带信号；是数字基带信号；称为附加相位函数，它是除载波相位之外的附加相位。称为附加相位函数，它是除载波相位之外的附加相位。2007年12月24当当ak=+1时，信号频率为时，信号频率为当当ak=-1时，信号频率为时，信号频率为因此可计算出频差为因此可计算出频差为即最小频差等于码元传递速率的一半。即最小频差等于码元传递速率的一半。对应的调制指数为对应的调制指数为2007年12月258.3.2 MSK信号的相位连续性依据相位依据相位 的连续条件，要求在的连续条件，要求在 时满足时满足可以得到可以得到 可见，可见，MSK信号在第信号在第k个码元的起始相位不仅

18、与当个码元的起始相位不仅与当前的前的 有关，还与前面的有关，还与前面的 和和 有关。有关。2007年12月26为简便起见，设第一个码元的起始相位为为简便起见，设第一个码元的起始相位为0，则，则或或 以下探讨在每个码元间隔以下探讨在每个码元间隔Ts内相对于载波相位的附加相内相对于载波相位的附加相位函数的变更位函数的变更 由由 可知，可知，是是MSK信号的总相位减去随时信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位得到的剩余相位，它是一个直线方程间线性增长的载波相位得到的剩余相位，它是一个直线方程式。式。在一个码元间隔内在一个码元间隔内 当当 时，时，增大增大 当当 时，时，减小减小（MSK 相位网格图

19、）相位网格图）2007年12月27例例8-1 已知载波频率已知载波频率fc=1.75/Ts，初始相位，初始相位 。解：解：(1)当当ak=-1时，信号频率时，信号频率f1为为当当ak=+1时，信号频率时，信号频率f2为为(2)最小频差最小频差 它等于码元传递速率的一半。它等于码元传递速率的一半。(1)当数字基带信号当数字基带信号ak=1时，时，MSK信号的两个频率信号的两个频率f1和和f2分别是多少？分别是多少？(2)对应的最小频差及调制指数是多少？对应的最小频差及调制指数是多少？(3)若基带信号为若基带信号为+1-1-1+1+1+1，画出相应的，画出相应的MSK信信号波形。号波形。2007年

20、12月28 调制指数为调制指数为(3)依据以上计算结果，可以画出相应的依据以上计算结果，可以画出相应的MSK波形波形 “+1”和和“-1”对应对应MSK波形相位在码元转换时刻是连续的，波形相位在码元转换时刻是连续的，而且在一个码元期间所对应的波形恰好相差而且在一个码元期间所对应的波形恰好相差1/2载波周期。载波周期。2007年12月298.3.3 MSK信号的产生与解调信号的产生与解调 考虑到考虑到 ,或或 ，MSK信号可以用两个正交重量表信号可以用两个正交重量表示为示为式中，式中，为同相重量；为同相重量；为正交重量。为正交重量。由此可以得到由此可以得到MSK信号的产生框图。信号的产生框图。2

21、007年12月30MSK信号的产生方框图 图中输入数据序列为图中输入数据序列为ak，它经过差分编码后变成序列，它经过差分编码后变成序列ck。经过串经过串/并转换，将一路延迟并转换，将一路延迟Ts，得到相互交织一个码元宽度的，得到相互交织一个码元宽度的两路信号两路信号Ik和和Qk。加权函数加权函数 和和 分别对两路数据信号分别对两路数据信号Ik和和Qk进行加权，进行加权，加权后的两路信号再分别对正交载波加权后的两路信号再分别对正交载波 和和 进行调制，调进行调制，调制后的信号相加再通过带通滤波器，就得到制后的信号相加再通过带通滤波器，就得到MSK信号。信号。2007年12月31 MSK解调 p由

22、于由于MSK信号是一种信号是一种FSK信号，所以它可以接受相干解调信号，所以它可以接受相干解调和非相干解调。和非相干解调。MSK信号经带通滤波器滤除带外噪声，然后借助正交的相干载波与信号经带通滤波器滤除带外噪声，然后借助正交的相干载波与输入信号相乘，将输入信号相乘，将Ik和和Qk两路信号区分开，再经低通滤波后输出。同两路信号区分开，再经低通滤波后输出。同相支路在相支路在 2kTs 时刻抽样，正交支路在时刻抽样，正交支路在(2k+1)Ts时刻抽样，判决器依时刻抽样，判决器依据抽样后的信号极性进行判决，大于据抽样后的信号极性进行判决，大于0判为判为“1”，小于，小于0判为判为“0”，经串经串/并变

23、换，变为串行数据。与调制器相对应，因在发送端经差分并变换，变为串行数据。与调制器相对应，因在发送端经差分编码，故接收端输出需经差分译码后，即可复原原始数据。编码，故接收端输出需经差分译码后，即可复原原始数据。2007年12月328.3.4 MSK信号的功率谱特性信号的功率谱特性经推导经推导,MSK信号的归一化双边功率频谱密度信号的归一化双边功率频谱密度 的表达式为的表达式为 式中，式中，fc为载频，为载频，Ts为码元宽度。为码元宽度。依据上式可以画出依据上式可以画出MSK信号的功率谱曲线。信号的功率谱曲线。2007年12月33 图中实线为图中实线为MSK功率谱曲线。图中横坐标是以载频为中心画的

24、，即功率谱曲线。图中横坐标是以载频为中心画的，即横坐标代表频率横坐标代表频率 ；Ts表示二进制码元间隔。表示二进制码元间隔。图中还给出了其他几种调制信号的功率谱密度曲线作为比较。由图图中还给出了其他几种调制信号的功率谱密度曲线作为比较。由图可见，与可见，与QPSK和和OQPSK信号相比，信号相比，MSK信号功率谱更为集中，即其信号功率谱更为集中，即其旁瓣下降得更快。故它对相邻频道的干扰较小。旁瓣下降得更快。故它对相邻频道的干扰较小。具体的计算数据表明，包含具体的计算数据表明，包含99%信号功率的带宽近似值中，信号功率的带宽近似值中，MSK最最小，约为小，约为1.2/Ts；QPSK及及OQPSK

25、其次，为其次，为6/Ts；BPSK最大，为最大，为9/Ts。由此可见，由此可见，MSK信号的带外功率下降特别快。信号的带外功率下降特别快。2007年12月348.4 高斯最小频移键控（GMSK）pMSK信号的不足：信号的不足：p虽然包络恒定，带外功率谱密度下降快，但在一虽然包络恒定，带外功率谱密度下降快，但在一些通信场合还不能满足须要些通信场合还不能满足须要p例如在移动通信中，例如在移动通信中，MSK所占带宽和频谱的带外所占带宽和频谱的带外衰减速度仍不能满足须要，以至于在衰减速度仍不能满足须要，以至于在25kHz信道信道间隔内传输间隔内传输16kbit/s的数字信号时，将会产生邻道的数字信号时

26、，将会产生邻道干扰。干扰。p对对MSK调制方式的改进调制方式的改进p在频率调制之前，用一个高斯型低通滤波器对基在频率调制之前，用一个高斯型低通滤波器对基带信号进行预滤波，滤除高频重量，使得功率谱带信号进行预滤波，滤除高频重量，使得功率谱更加紧凑。更加紧凑。p新的调制方式：高斯最小频移键控（新的调制方式：高斯最小频移键控（GMSK）。）。2007年12月35高斯型滤波器的传输函数为高斯型滤波器的传输函数为式中，式中，B为高斯滤波器的为高斯滤波器的3dB带宽。带宽。将上式作傅里叶逆变换，得到此滤波器的冲击响应为：将上式作傅里叶逆变换，得到此滤波器的冲击响应为：式中，式中，。由于。由于 为高斯型特性

27、，故称为高斯为高斯型特性，故称为高斯型滤波器。型滤波器。习惯上运用习惯上运用BTs来作为来作为GMSK的重要指标。其中，的重要指标。其中，B为为3dB带宽，带宽，Ts为码元间隔。为码元间隔。BTs表明白滤波器的表明白滤波器的3dB带宽与码元速率的关系，带宽与码元速率的关系，例如，例如，BTs=0.5就表示滤波器的就表示滤波器的3dB带宽是码元速率的带宽是码元速率的0.5倍。倍。2007年12月36GMSK信号的功率谱 pGMSK信号的功率谱信号的功率谱很难分析计算。很难分析计算。p用计算机仿真的方法用计算机仿真的方法得到的结果如图得到的结果如图.分析：分析：GMSK具有功率谱集中的优点。具有功

28、率谱集中的优点。GMSK信号频谱特性的改善是以降低误比特率性能为代价的，预信号频谱特性的改善是以降低误比特率性能为代价的，预滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，但同时码间串扰滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，但同时码间串扰（ISI）也越明显，即）也越明显，即BTs值越小，码间串扰越大，误比特率性能也值越小，码间串扰越大，误比特率性能也会变得越差。在实际应用中会变得越差。在实际应用中BTs应当折衷选择。应当折衷选择。2007年12月378.5 正交幅度调制（QAM）p多进制的相位键控（多进制的相位键控（MPSK）调制的特点）调制的特点p在带宽和功率占用方面都具有优势，即带宽占用小在带宽和功

29、率占用方面都具有优势，即带宽占用小和比特信噪比要求低。和比特信噪比要求低。p随着进制数随着进制数M的增加其误比特率难于保证。的增加其误比特率难于保证。p正交幅度调制（正交幅度调制（QAM）技术）技术p接受正交载波技术传输接受正交载波技术传输ASK信号，可使得频带利用信号，可使得频带利用率提高一倍。率提高一倍。p再结合多进制与其它技术，可进一步提高频带利用再结合多进制与其它技术，可进一步提高频带利用率，并改善率，并改善M较大时的抗噪声性能。较大时的抗噪声性能。p它是一种幅度和相位联合键控的调制方式。它是一种幅度和相位联合键控的调制方式。2007年12月38分析 在在QAM调制中，载波的幅度和相位

30、两个参量同时受基带调制中，载波的幅度和相位两个参量同时受基带信号限制在一个码元中的信号可以表示为信号限制在一个码元中的信号可以表示为 上式可绽开为上式可绽开为 令令得到得到上式中，上式中，Xk、Yk 也是可以取多个离散值的变量。也是可以取多个离散值的变量。正交幅度调制是用两路独立的基带数字信号作为调制信号，正交幅度调制是用两路独立的基带数字信号作为调制信号，对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，它对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，它利用已调信号的正交性质来实现两路并行的数字信息传输。利用已调信号的正交性质来实现两路并行的数字信息传输。2007年12月39星座图 QA

31、M信号的表示：信号的表示：若若QAM的同相和正交支路都接受二进制信号，则信号空间中的同相和正交支路都接受二进制信号，则信号空间中的坐标点数目（状态数）的坐标点数目（状态数）M=4，记为，记为4QAM。同相和正交支路都接受四进制信号将得到同相和正交支路都接受四进制信号将得到16QAM信号。信号。以此类推，两条支路都接受以此类推，两条支路都接受L进制信号将得到进制信号将得到MQAM信号，其信号，其中中M=L2。矢量端点的分布图称为星座图。矢量端点的分布图称为星座图。通常用星座图来描述通常用星座图来描述QAM信号的信号空间分布状态。信号的信号空间分布状态。2007年12月4016QAM星座图分析 对

32、于对于16QAM来说，有多种分布形式的信号星座图。来说，有多种分布形式的信号星座图。p方型方型16QAM星座图，也称为标准型星座图，也称为标准型16QAM。p星型星型16QAM星座。星座。方型星座图中，信号点共有方型星座图中，信号点共有3种振幅值和种振幅值和12种相位值。种相位值。星型星座图中，信号点共有星型星座图中，信号点共有2种振幅值和种振幅值和8种相位值。种相位值。比较：在无线移动通信的环境中，存在多径效应和各种干扰，信号振幅比较：在无线移动通信的环境中，存在多径效应和各种干扰，信号振幅和相位的取值种类越多，受到的影响越大，接收端越难以复原原信号，和相位的取值种类越多，受到的影响越大，接

33、收端越难以复原原信号，这使得在衰落信道中，星型这使得在衰落信道中，星型16QAM比方型比方型16QAM更具有吸引力。更具有吸引力。2007年12月41若全部信号点等概率出现，则平均放射信号功率为若全部信号点等概率出现，则平均放射信号功率为 假设两种星座图的信号点之间的最小距离都为假设两种星座图的信号点之间的最小距离都为2，对于方型对于方型16QAM，信号平均功率为，信号平均功率为 对于星型对于星型16QAM，信号平均功率为，信号平均功率为 由此可见，方型比星型由此可见，方型比星型16QAM的功率小的功率小1.4dB，而且方型星座的而且方型星座的MQAM信号的产生及解调比较简洁实现。信号的产生及

34、解调比较简洁实现。方型星座的方型星座的MQAM信号在实际通信中得到了广泛的应用。信号在实际通信中得到了广泛的应用。2007年12月42当当M分别为分别为4 16 32 64时，时，MQAM信号的星座图信号的星座图 为了传输和检测便利，同相和正交支路的为了传输和检测便利，同相和正交支路的L进制码元一般为双极性码元，其间进制码元一般为双极性码元，其间隔相同。隔相同。当当L为偶数时，为偶数时，L个信号电平取为个信号电平取为1、3、（L-1）。）。假如假如M=L2为为2的偶数次方，则方型星座的的偶数次方，则方型星座的MQAM信号可等效为同相和正交信号可等效为同相和正交支路的支路的L进制抑制载波的进制抑

35、制载波的ASK信号之和。信号之和。假如状态数假如状态数ML2，比如，比如M=32，亦需利用，亦需利用36QAM的星座图，将最远的角顶上的的星座图，将最远的角顶上的4个星座点空置，可以在同样的抗噪声性能下节约发送功率。个星座点空置，可以在同样的抗噪声性能下节约发送功率。2007年12月43MQAM信号功率谱pMQAM信号是由同相和正交支路的信号是由同相和正交支路的 进制的进制的ASK信号叠信号叠加而成，所以它的功率谱是两支路信号功率谱的叠加。加而成，所以它的功率谱是两支路信号功率谱的叠加。第一零点带宽（主瓣宽度）为第一零点带宽（主瓣宽度）为 ，即码元频带利用率为，即码元频带利用率为（baud/H

36、z）所以，所以，MQAM信号的信息频带利用率为信号的信息频带利用率为 利用已调信号的正交性，利用已调信号的正交性，MQAM实现了两路数字信息在实现了两路数字信息在同一带宽内的并行传输，所以与一路同一带宽内的并行传输，所以与一路L进制的进制的ASK信号相信号相比较，相同带宽的比较，相同带宽的MQAM信号可以传送信号可以传送2倍的信息量。倍的信息量。2007年12月44PSK和QAM的抗噪声性能比较分析p在矢量图中可以看出各信号点之间的欧式距离，在矢量图中可以看出各信号点之间的欧式距离，相邻点的最小距离干脆代表噪声容限的大小。相邻点的最小距离干脆代表噪声容限的大小。p随着进制数随着进制数M的增加，

37、在信号空间中各信号点间的增加，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。的最小距离减小，相应的信号判决区域随之减小。p当信号受到噪声和干扰的损害时，接收信号错误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。概率将随之增大。p对相同进制数的对相同进制数的PSK和和QAM的抗噪声性能可进行的抗噪声性能可进行具体的比较。具体的比较。2007年12月45分析 假设已调信号的最大幅度为假设已调信号的最大幅度为1，则，则MPSK信号星座图上信信号星座图上信号点间的最小距离为号点间的最小距离为MQAM信号方型星座图上信号点间的最小距离为信号方型星座图上信号点间的最小距离为

38、 式中，式中，L为星座图上信号点在水平轴或垂直轴上投影的电平数，为星座图上信号点在水平轴或垂直轴上投影的电平数，M=L2。可以看出，当可以看出，当M=4时，时，4PSK和和4QAM的星座图相同，的星座图相同，2007年12月46 当当M=16时，假设最大功率（最大幅度）相同，在最大幅度时，假设最大功率（最大幅度）相同，在最大幅度为为1的条件下的条件下 可见，可见，超过超过 大约大约1.6dB。事实上，一般在平均功率相同的条件下来比较各信号点之事实上，一般在平均功率相同的条件下来比较各信号点之间的最短距离。间的最短距离。可以证明，可以证明，MQAM信号的最大功率与平均功率之比为信号的最大功率与平

39、均功率之比为 当当M=16时，这个比值为时，这个比值为1.8，即，即2.55 dB。表明。表明16QAM系系统的抗干扰实力优于统的抗干扰实力优于16PSK。2007年12月478.6 正交频分复用（OFDM）本节书目：本节书目：8.6.1 8.6.1 多载波调制技术多载波调制技术8.6.2 8.6.2 正交频分复用技术正交频分复用技术2007年12月48引言p前述各种调制系统在某一时刻都只用单一的载波频率来发前述各种调制系统在某一时刻都只用单一的载波频率来发送信号，信道不志向时，会造成信号的失真和码间串扰。送信号，信道不志向时，会造成信号的失真和码间串扰。p多载波传输技术，把信道分成多个子信道

40、，将基带码元匀多载波传输技术，把信道分成多个子信道，将基带码元匀整分散到每个子信道中对载波进行调制传输。整分散到每个子信道中对载波进行调制传输。p1957年出现了运用年出现了运用20个子载波并行传输低速率码元的多载个子载波并行传输低速率码元的多载波系统，克服了短波信道上的严峻多径效应，困难度高。波系统，克服了短波信道上的严峻多径效应，困难度高。p20世纪世纪80年头，人们提出了接受离散傅里叶变换来实现多年头，人们提出了接受离散傅里叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得正交分频复用个载波的调制，简化了系统结构，使得正交分频复用（OFDM）多载波调制技术趋于好用化。）多载波调制技术趋于好

41、用化。pOFDM是当今能供应高速率传输的各种无线解决方案最有是当今能供应高速率传输的各种无线解决方案最有前途的方案之一，已经被列为第前途的方案之一，已经被列为第4代（代（4G）移动通信的关）移动通信的关键技术。键技术。2007年12月498.6.1 多载波调制技术多载波调制技术p多载波调制技术是一种并行体制多载波调制技术是一种并行体制 p将高速率数据序列经串将高速率数据序列经串/并变换后分为若干路低速数据流并变换后分为若干路低速数据流 p每路低速数据接受一个独立的载波进行调制，叠加在一起每路低速数据接受一个独立的载波进行调制，叠加在一起构成发送信号构成发送信号 p在接收端用同样数量的载波对发送

42、信号进行相干接收在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收 p获得低速率信息数据后，再通过并获得低速率信息数据后，再通过并/串变换得到原来的高串变换得到原来的高速信号速信号 2007年12月50与单载波系统比，多载波调制技术的优点：p抗多径干扰和频率选择性衰落的实力强。抗多径干扰和频率选择性衰落的实力强。p串串/并变换降低了码元速率，从而增大了码元宽度，并变换降低了码元速率，从而增大了码元宽度，削减了多径时延在接收信息码元中所占的相对百削减了多径时延在接收信息码元中所占的相对百分比，以减弱多径干扰对传输系统性能的影响。分比，以减弱多径干扰对传输系统性能的影响。p假如在每一路符号中插入爱护时

43、隙大于最大时延，假如在每一路符号中插入爱护时隙大于最大时延，可以进一步消退符号间干扰（可以进一步消退符号间干扰（ISI）。）。p可以接受动态比特安排技术，即优质信道多传输，可以接受动态比特安排技术，即优质信道多传输，较差信道少传输，劣质信道不传输的原则，可使较差信道少传输，劣质信道不传输的原则，可使系统达到最大比特率。系统达到最大比特率。2007年12月51多载波调制方式中子载波设置的方案p传统频分复用方案传统频分复用方案 p将整个频带划分为将整个频带划分为N个互不重叠的子信道。在接个互不重叠的子信道。在接收端可以通过滤波器组进行分别。收端可以通过滤波器组进行分别。p偏置偏置QAM方案方案 p

44、在在3dB处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的。处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的。p正交频分复用（正交频分复用（OFDM）方案，要求各子载波保持）方案，要求各子载波保持相互正交相互正交 p是一种高效的调制技术，适合在多径传播和多普是一种高效的调制技术，适合在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中传输高速数据。勒频移的无线移动信道中传输高速数据。p具有较强的抗多径传播和频率选择性衰落的实力，具有较强的抗多径传播和频率选择性衰落的实力，并有较高的频谱利用率并有较高的频谱利用率 2007年12月52p传统的频分复用方案和偏置传统的频分复用方案和偏置QAM方案示意图方案示意图 (a)为传统的频分复用方案，它

45、将整个频带划分为为传统的频分复用方案，它将整个频带划分为N个互个互不重叠的子信道。在接收端可以通过滤波器组进行分别。不重叠的子信道。在接收端可以通过滤波器组进行分别。(b)为偏置为偏置QAM方案，它在方案，它在3dB处载波频谱重叠，其符合谱处载波频谱重叠，其符合谱是平坦的。是平坦的。2007年12月538.6.2 正交频分复用技术正交频分复用技术p正交频分复用（正交频分复用（OFDM）作为一种多载波传输技术，要求各）作为一种多载波传输技术，要求各子载波保持相互正交。子载波保持相互正交。pN个待发送的串行数据经过串个待发送的串行数据经过串/并变换之后得到码元周期为并变换之后得到码元周期为的的N路

46、并行码，码型选用双极性非归零矩形脉冲路并行码，码型选用双极性非归零矩形脉冲。p然后用然后用N个子载波分别对个子载波分别对N路并行码进行路并行码进行2PSK调制，相加调制，相加后得到发送信号。后得到发送信号。2007年12月54分析发送信号波形可表示为发送信号波形可表示为 其中，其中，An为第为第n路并行码；路并行码；为第为第n路码的子载波角频率，路码的子载波角频率，且且 。为了保证为了保证N个子载波相互正交，也就是在信道传输符号的个子载波相互正交，也就是在信道传输符号的持续时间内它们乘积的积分值为持续时间内它们乘积的积分值为0。由三角函数系的正交性，随意由三角函数系的正交性，随意2个子载波应满

47、足的关系为个子载波应满足的关系为 因此，要求子载波频率间隔应满足因此，要求子载波频率间隔应满足2007年12月55OFDM信号的频谱结构 OFDM信号由信号由N个信号叠加而成，每个信号的频谱都是为以个信号叠加而成，每个信号的频谱都是为以子载波频率为中心频率的子载波频率为中心频率的sinc函数。函数。相邻信号频谱之间有相邻信号频谱之间有1/Ts宽度的重叠。宽度的重叠。2007年12月56忽视旁瓣的功率，忽视旁瓣的功率，OFDM信号的频谱宽度为信号的频谱宽度为由于信道中每由于信道中每Ts 内传内传N个并行的码元，所以码元速率个并行的码元，所以码元速率所以码元频带利用率为所以码元频带利用率为可见，当

48、可见，当N 1时，时，s 趋近于趋近于1。假如运用二进制符号传输，与用单个载波的串行体制相比，假如运用二进制符号传输，与用单个载波的串行体制相比，OFDM频带利用率提高近一倍。频带利用率提高近一倍。2007年12月57OFDM的解调原理 在接收端，对在接收端，对 用频率为用频率为 (n)的正弦波在的正弦波在 进行相关进行相关运算，可以得到各子载波上携带的信息运算，可以得到各子载波上携带的信息An(n)，然后通过，然后通过并并/串变换，复原动身送的二进制数据序列。串变换，复原动身送的二进制数据序列。图中的实现方法须要图中的实现方法须要N套正弦波发生器、调制器和相关解调器等设备，套正弦波发生器、调

49、制器和相关解调器等设备，当当N很大时，所需设备将会特别困难和昂贵，所以这种方法在实际中很大时，所需设备将会特别困难和昂贵，所以这种方法在实际中很难应用。很难应用。2007年12月58 用DFT实现OFDM的原理 p20世纪世纪80年头，人们发觉可以接受离散傅里叶反变换年头，人们发觉可以接受离散傅里叶反变换（IDFT）来实现多个载波的调制，接收端用离散傅里叶变换）来实现多个载波的调制，接收端用离散傅里叶变换（DFT）来实现解调，从而降低）来实现解调，从而降低OFDM系统的困难度和成本，系统的困难度和成本，使得使得OFDM技术更趋于好用化。技术更趋于好用化。将将改写为改写为 假如对假如对 sm(t

50、)以以N/Ts的抽样速率进行抽样，则在的抽样速率进行抽样，则在 内得到内得到N点离散点离散序列序列 。这时，抽样间隔这时，抽样间隔T=Ts/N，则抽样时刻的，则抽样时刻的ODFM信号为信号为 2007年12月59为简便起见，设为简便起见，设 ，则有，则有离散傅里叶反变换（离散傅里叶反变换（IDFT）形式为）形式为比较以上两式可以知道，比较以上两式可以知道，g(kT)的实部就是的实部就是sm(kT)。可见，可见，OFDM信号的产生可以用快速离散傅里叶变换实现。信号的产生可以用快速离散傅里叶变换实现。2007年12月60 在发送端对串在发送端对串/并变换的数据序列进行并变换的数据序列进行IDFT，