5.6 现代数字调制解调技术.ppt

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1、CCEE第五章第五章 数字调制与解调数字调制与解调数字通信原理数字通信原理主要内容主要内容5.1 引引 言言 5.2 二进制数字调制与解调原理二进制数字调制与解调原理5.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能二进制数字调制系统的抗噪声性能5.4 二进制数字调制系统的性能比较二进制数字调制系统的性能比较5.5 多多进制数字调制与解调原理进制数字调制与解调原理5.6 现代数字调制解调技术现代数字调制解调技术数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院5.6 5.6 现代数字调制解调技术现代数字调制解调技术数字调制三种基本方式数字调制三种基本方式(数字振幅调制、数字数字振幅调制、数字

2、频率调制和数字相位调制频率调制和数字相位调制)存在的不足：存在的不足：频谱频谱利用率低、抗多径抗衰落能力差、功率谱衰利用率低、抗多径抗衰落能力差、功率谱衰减慢带外辐射严重等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。种通信系统的要求。本节本节分别对几种具有代表性的数字调制系统分别对几种具有代表性的数字调制系统进行讨论。进行讨论。数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院5.6 5.6 现代数字调制解调技术现代数字调制解调技术正交振

3、幅调制正交振幅调制（QAM）1最小移频键控最小移频键控（MSK）2数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院正交振幅调制正交振幅调制(QAM)(QAM)随着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱利随着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一。设计、研究的主要目标之一。正交振幅调制正交振幅调制QAM(QuadratureQAM(Quadrature Amplitude Amplitude Modulation)Modulation)就是一种频谱利用率很高的调制就是一种频谱利用率很高的调制

4、方式方式。正交振幅调制正交振幅调制QAMQAM的应用领域：中、大容量数的应用领域：中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统、移动通信系统等领域。输、卫星通信系统、移动通信系统等领域。数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院正交振幅调制正交振幅调制(QAM)(QAM)MQAMMQAM调制原理调制原理MQAMMQAM的星座图的星座图MQAMMQAM解调原理解调原理MQAMMQAM抗噪声性能抗噪声性能数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MQAMMQAM调制原理调制原理正交振幅调制是用正

5、交振幅调制是用两个独立的基带数字信号两个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，利用这种已调信号在同一带宽双边带调制，利用这种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内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输息传输。正交振幅调制信号的一般表示式正交振幅调制信号的一般表示式数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院l A An n是基带信号幅度是基带信号幅度l g(t-nTg(t-nTs s)是宽度为的单个基带信号波形是宽度为的单个基带信号波形令令正交振幅调制信号的一般表示式正交振幅调制信号

6、的一般表示式数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院QAMQAM中的振幅中的振幅X Xn n和和Y Yn nX Xn n和和Y Yn n也也可可以表示为以表示为l A A是固定振幅是固定振幅l c cn n、d dn n由输入数据确定由输入数据确定l c cn n、d dn n决定了已调决定了已调QAMQAM信号在信号空间中的坐标点信号在信号空间中的坐标点正交振幅调制信号的一般表示式正交振幅调制信号的一般表示式数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MQAMMQAM调制原理调制原理串串/并变换并变换2/L2/L电平变换电平变换2/L2/L电平变换

7、电平变换预调制预调制LPFLPF预调制预调制LPFLPF输出输出y(ty(t)A Am mB Bm m输入输入输入的二进制序列经过串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变换器输出速率减半的两路并行序列，再分别经过并行序列，再分别经过2 2电平到电平到L L电平的变换，形成电平的变换，形成L L电平电平的基带信号的基带信号为了抑制已调信号的带外辐射，该为了抑制已调信号的带外辐射，该L L电平的基带信号还要电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，形成经过预调制低通滤波器，形成X(tX(t)和和Y(tY(t),),再分别对同相再分别对同相载波和正交载波相乘载波和正交载波相乘最后将两路

8、信号相加即可得到最后将两路信号相加即可得到QAMQAM信号信号数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院正交振幅调制正交振幅调制(QAM)(QAM)MQAMMQAM调制原理调制原理MQAMMQAM的星座图的星座图MQAMMQAM解调原理解调原理MQAMMQAM抗噪声性能抗噪声性能数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MQAMMQAM的星座图的星座图信号矢量端点的分布图称为星座图信号矢量端点的分布图称为星座图。通常，可以用星座图来描述通常，可以用星座图来描述QAMQAM信号的信号空信号的信号空间分布状态。间分布状态。M M1616的的16QAM16

9、QAM的两种具有代表意义信号星座图的两种具有代表意义信号星座图方型方型16QAM16QAM星座星座（标准型（标准型16QAM16QAM）星型星型16QAM16QAM星座星座(3,3)(3,3)(3,1)(3,1)(-(-3,3,3)3)(-(-3,3,1)1)(-3,-(-3,-3)3)(3,-(3,-3)3)(-1,-1)(-1,-1)(-1,1)(-1,1)(0,4.61)(0,4.61)(0,2.61(0,2.61)(4.61,0)(4.61,0)(0,-(0,-4.614.61)(0,-(0,-2.612.61)(2.61,0)(2.61,0)(-(-4.61,4.61,0)0)(-(

10、-2.61,2.61,0)0)数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院方型星座图与星型星座图的比较方型星座图与星型星座图的比较功率功率信号点之间的最小距离为信号点之间的最小距离为2A2A所有信号点等概率出现所有信号点等概率出现平均发射信号功率平均发射信号功率方形星座图方形星座图星形星座图星形星座图结论：星型星座图与方型星座图结论：星型星座图与方型星座图功率相差功率相差1.4dB1.4dB数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MQAMMQAM的星座图的星座图星座结构星座结构星型星型16QAM16QAM只有两个振幅值，而方型只有两个振幅值，而方型1

11、6QAM16QAM有三种振幅值有三种振幅值星型星型16QAM16QAM只有只有8 8种相位种相位值，而方型值，而方型16QAM16QAM有有1 12 2种种相位相位值值结论：结论：在衰落信道中，星型在衰落信道中，星型16QAM16QAM比方型比方型16QAM16QAM更更具有吸引力。具有吸引力。数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MQAMMQAM的星座图的星座图M=4M=4、1616、3232、256256时时MQAMMQAM信号的星座图信号的星座图M=4M=4、1616、6464、256256时时星座图为星座图为矩形矩形，而，而M=32M=32、128128时星座

12、图为时星座图为十字形十字形。前者前者M M为为2 2的偶次方，的偶次方，即每个符号携带偶数即每个符号携带偶数个比特信息个比特信息后者后者M M为为2 2的奇次方，的奇次方，每个符号携带奇数个每个符号携带奇数个比特信息。比特信息。数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MQAMMQAM与与MPSKMPSK星座图比较星座图比较若已调信号的最大幅度为若已调信号的最大幅度为1 1，则，则MPSKMPSK信号星座信号星座图上信号点间的最小距离为图上信号点间的最小距离为MQAMMQAM信号矩形星座图上信号点间的最小距离信号矩形星座图上信号点间的最小距离L L为星座图上信号点在水平轴

13、和为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数，垂直轴上投影的电平数，M=M=L L2 2结论：结论：结论：结论：l l 当当当当M=4M=4M=4M=4时，时，时，时，d d d d4PSK4PSK4PSK4PSKd d d d4QAM4QAM4QAM4QAM，实际上，实际上，实际上，实际上，4PSK4PSK4PSK4PSK和和和和4QAM4QAM4QAM4QAM的星座图相同的星座图相同的星座图相同的星座图相同l l 当当当当M M M M16161616时，时，时，时，d d d d16QAM16QAM16QAM16QAM0.470.470.470.47，而，而，而，而d d d d16

14、PSK16PSK16PSK16PSK0.390.390.390.39，d d d d16PSK16PSK16PSK16PSK d d d d16QAM16QAM16QAM16QAM这表明，这表明，这表明，这表明，16QAM16QAM16QAM16QAM系统的抗干扰能力优于系统的抗干扰能力优于系统的抗干扰能力优于系统的抗干扰能力优于16PSK16PSK16PSK16PSK。数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院正交振幅调制正交振幅调制(QAM)(QAM)MQAMMQAM调制原理调制原理MQAMMQAM的星座图的星座图MQAMMQAM解调原理解调原理MQAMMQAM抗噪声

15、性能抗噪声性能数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MQAMMQAM解调原理解调原理MQAMMQAM信号同样可以采用信号同样可以采用正交相干解调方法正交相干解调方法解解调调器器输输入入信信号号与与本本地地恢恢复复的的两两个个正正交交载载波波相相乘乘后后，经经过过低通滤波输出两路多电平基带信号低通滤波输出两路多电平基带信号X(tX(t)和和Y(tY(t)。多多电电平平判判决决器器对对多多电电平平基基带带信信号号进进行行判判决决和和检检测测，再再经经L L电电平到平到2 2电平转换和并电平转换和并/串变换器最终输出二进制数据。串变换器最终输出二进制数据。LPFLPF多电平

16、多电平判决判决L/2L/2电平变换电平变换LPFLPF多电平多电平判决判决L/2L/2电平变换电平变换定时恢复定时恢复并并/串变换串变换载波恢复载波恢复数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院正交振幅调制正交振幅调制(QAM)(QAM)MQAMMQAM调制原理调制原理MQAMMQAM的星座图的星座图MQAMMQAM解调原理解调原理MQAMMQAM抗噪声性能抗噪声性能数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MQAMMQAM抗噪声性能抗噪声性能对对方方型型QAMQAM，可可以以看看成成是是由由两两个个相相互互正正交交且且独独立的多电平立的多电平ASK

17、ASK信号叠加而成信号叠加而成。因因此此，利利用用多多电电平平信信号号误误码码率率的的分分析析方方法法，可得到可得到M M进制进制QAMQAM的误码率为的误码率为l M=M=L L2 2l E Eb b为每比特码元能量为每比特码元能量l n n0 0为噪声单边功率谱密度为噪声单边功率谱密度数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MQAMMQAM抗噪声性能抗噪声性能M M进制方型进制方型QAMQAM的误码率曲线的误码率曲线数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院5.6 5.6 现代数字调制解调技术现代数字调制解调技术最小移频键控（最小移频键控（MS

18、K）2正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）1数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院最小移频键控（最小移频键控（MSKMSK）由由于于一一般般移移频频键键控控信信号号相相位位不不连连续续、频频偏偏较较大等原因，使其频谱利用率较低大等原因，使其频谱利用率较低本本节节讨讨论论的的MSK MSK(Minimum(Minimum Frequencyshift-Frequencyshift-keying)keying)是二进制连续相位是二进制连续相位FSKFSK的一种特殊形式的一种特殊形式MSKMSK称称为为最最小小移移频频键键控控，有有时时也也称称为为快快速速移移频频键控键控(

19、FFSK)(FFSK)所所谓谓“最最小小”是是指指这这种种调调制制方方式式能能以以最最小小的的调调制制指数指数(0.5)(0.5)获得正交信号获得正交信号而而“快快速速”是是指指在在给给定定同同样样的的频频带带内内，MSKMSK能能比比2PSK2PSK传传输输更更高高的的数数据据速速率率，且且在在带带外外的的频频谱谱分分量量要比要比2PSK2PSK衰减的快衰减的快数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院最小移频键控（最小移频键控（MSKMSK）MSKMSK的基本原理的基本原理MSKMSK调制解调原理调制解调原理MSKMSK的性能的性能数字通信原理数字通信原理重庆大学通信

20、工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK的基本原理的基本原理MSKMSK是是恒恒定定包包络络连连续续相相位位频频率率调调制制，其其信信号号的的表示式为表示式为令令l k k(t(t)称为附加相位函数称为附加相位函数l c c为载波角频率为载波角频率l T Ts s为码元宽度为码元宽度l a ak k为输入第为输入第k k个码元，取值为个码元，取值为1 1l k k为第为第k k个码元的相位常数，在时间个码元的相位常数，在时间kTkTs st(k+1)Tt(k+1)Ts s中保持不变，中保持不变，其作用是保其作用是保证在证在t=t=kTkTs s时刻信号相位连续时刻信号相位连续数字通信原理数字通

21、信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK的基本原理的基本原理令令MSK信号信号的两个频的两个频率分别为率分别为中心中心频率频率MSK信号在每一码信号在每一码元周期内必须包元周期内必须包含四分之一载波含四分之一载波周期的整数倍周期的整数倍数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK的基本原理的基本原理f fc c还可以表示为还可以表示为相应的相应的MSK信信号的两个频率号的两个频率表示为表示为频率频率间隔间隔MSK信号的信号的调制指数调制指数数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK的基本原理的基本原理当取当取N

22、 N1 1，m m0 0时时，MSKMSK信号的时间波形信号的时间波形 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK的基本原理的基本原理附加相位函数附加相位函数k k(t)(t)的波形图的波形图1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1u uk k0 02 2-3-3-3-3-3-3 4 4-4-4x xk kt t0 0-2-2-5-5/2/2T Tb b2T2Tb b3T3Tb b4T4Tb b5T5Tb b6T6Tb b7T7Tb b8T8Tb b9T9Tb b(t)(t)3

23、 3/2/2/2/2-/2/2-3-3/2/2-3-3数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK的基本原理的基本原理对对于于各各种种可可能能的的输输入入信信号号序序列列k k(t)(t)的的所所有有可能路径是一个从可能路径是一个从22到到22的网格图的网格图。t t0 0-2-2T Tb b2T2Tb b3T3Tb b4T4Tb b5T5Tb b6T6Tb b7T7Tb b8T8Tb b9T9Tb b(t)(t)2 2-数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK的基本原理的基本原理结论结论：MSKMSK信号具有以下特点信号具有

24、以下特点:MSKMSK信号是恒定包络信号信号是恒定包络信号;在在码码元元转转换换时时刻刻信信号号的的相相位位是是连连续续的的，以以载载波波相相位位为为基基准准的的信信号号相相位位在在一一个个码码元元期期间间内内线线性性地地变变化化/2;/2;在在一一个个码码元元期期间间内内，信信号号应应包包括括四四分分之之一一载载波波周周期期的的整整数数倍倍，信信号号的的频频率率偏偏移移等等于于1/(4T1/(4Ts s)，相相应应的调制指数的调制指数h=0.5h=0.5。数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院最小移频键控（最小移频键控（MSKMSK）MSKMSK的基本原理的基本原理

25、MSKMSK调制解调原理调制解调原理MSKMSK的性能的性能数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK调制解调原理调制解调原理图图a ak k输入输入数据数据差分差分编码编码串串/并并变换变换c ck k振荡振荡f=1/4Tf=1/4Ts s振荡振荡f=f=f fc c相移相移9090MSKMSK信号信号带通带通滤波器滤波器延迟延迟T TS SI Ik kQ Qk k数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK调制解调原理调制解调原理MSKMSK信信号号属属于于数数字字频频率率调调制制信信号号，因因此此可可以以采采用一般鉴频器方

26、式进行解调用一般鉴频器方式进行解调鉴频器解调方式结构简单，容易实现鉴频器解调方式结构简单，容易实现。输入输入BPFBPF鉴频鉴频LPFLPF抽样抽样判决判决输出输出数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK调制解调原理调制解调原理由由于于MSKMSK信信号号调调制制指指数数较较小小，采采用用一一般般鉴鉴频频器器方方式式进进行行解解调调误误码码率率性性能能不不太太好好，因因此此在在对对误码率有较高要求时大多采用相干解调方式误码率有较高要求时大多采用相干解调方式输入输入BPFBPF载波载波恢复恢复LPFLPF判决判决电路电路LPFLPF判决判决电路电路并串并串变换

27、变换输出输出差分差分译码译码数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院最小移频键控（最小移频键控（MSKMSK）MSKMSK的基本原理的基本原理MSKMSK调制解调原理调制解调原理MSKMSK的性能的性能数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK的性能的性能设设信信道道特特性性为为恒恒参参信信道道，噪噪声声为为加加性性高高斯斯白白噪声，噪声，MSKMSK解调器输入信号与噪声的合成波为解调器输入信号与噪声的合成波为式中式中经过相乘、低通滤波和抽样后，在经过相乘、低通滤波和抽样后，在t=2Tt=2Ts s时刻时刻I I支路的样值为支路的样值为

28、在在t=(2k+1)Tt=(2k+1)Ts s时刻时刻Q Q支路的样值为支路的样值为n nc c和和n ns s分别为分别为n nc c(t(t)和和ns s(t)在取样时刻在取样时刻的样本值的样本值数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK的性能的性能在在I I支支路路和和Q Q支支路路数数据据等等概概率率的的情情况况下下，各各支支路的路的误码率误码率为为式中式中经经过过交交替替门门输输出出和和差差分分译译码码后后，系系统统的的总总误误比特率比特率为为数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院MSKMSK系统误比特率曲线系统误比特率曲线结论：结论：结论：结论：MSKMSKMSKMSK信号比信号比信号比信号比2PSK2PSK2PSK2PSK有更高的频谱利用率，并且有更高的频谱利用率，并且有更高的频谱利用率，并且有更高的频谱利用率，并且有更强的抗噪声性能，从而得到了广泛的应用。有更强的抗噪声性能，从而得到了广泛的应用。有更强的抗噪声性能，从而得到了广泛的应用。有更强的抗噪声性能，从而得到了广泛的应用。数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院