西電-現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)剖析講解學(xué)習(xí)

1、西電-現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)剖析現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù) 正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制(QAM)；正交頻分復(fù)用正交頻分復(fù)用(OFDM) ；最小移頻鍵控最小移頻鍵控(MSK) ；高斯最小移頻鍵控高斯最小移頻鍵控(GMSK) ； DQPSK ；擴頻調(diào)制。擴頻調(diào)制。4/4/4/一、一、正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制(QAM) 在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率一在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點之一。近年來，隨直是人們關(guān)注的焦點之一。近年來，隨著通信業(yè)務(wù)需求的迅速增長，尋找頻譜著通信業(yè)務(wù)需求的迅速增長，尋找頻譜利用率高的數(shù)字調(diào)制方式已成為數(shù)字通利用率高的數(shù)字調(diào)制方式已成為數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計、研究的

2、主要目標(biāo)之一。其信系統(tǒng)設(shè)計、研究的主要目標(biāo)之一。其中正交振幅調(diào)制中正交振幅調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一種頻譜利就是一種頻譜利用率很高的調(diào)制方式。在中、大容量數(shù)用率很高的調(diào)制方式。在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用。 信號信號星座圖星座圖 信號矢量端點的分布圖稱為星座圖。通信號矢量端點的分布圖稱為星座圖。通常，可以用星座圖來描述常，可以用星座圖來描述QAM信號的信號空信號的信號空間分布狀態(tài)。對于的間分布狀態(tài)。對于的16

3、16QAM來說，有多種分來說，有多種分布形式的信號星座圖。兩種具有代表意義的布形式的信號星座圖。兩種具有代表意義的信號星座圖如下圖所示。信號星座圖如下圖所示。 2. QAM信號調(diào)制信號調(diào)制其中其中QAMQAM中的振幅可以表示為中的振幅可以表示為 )cos()()(ncnsnMQAMtnTtgAtstnTtgYtnTtgXcnsncnsnsin )(cos )(ttYttXccsin)(cos)(AdYAcXnnnn QAM信號調(diào)制原理圖如下圖所示。圖中，信號調(diào)制原理圖如下圖所示。圖中，輸入的二進制序列經(jīng)過串輸入的二進制序列經(jīng)過串/并變換器輸出速率并變換器輸出速率減半的兩路并行序列，再分別經(jīng)過減

4、半的兩路并行序列，再分別經(jīng)過2 2電平到電平到L L電電平的變換，形成平的變換，形成L L電平的基帶信號。為了抑制電平的基帶信號。為了抑制已調(diào)信號的帶外輻射，該電平的基帶信號還要已調(diào)信號的帶外輻射，該電平的基帶信號還要經(jīng)過預(yù)調(diào)制低通濾波器，再分別對同相載波和經(jīng)過預(yù)調(diào)制低通濾波器，再分別對同相載波和正交載波相乘。最后將兩路信號相加即可得到正交載波相乘。最后將兩路信號相加即可得到QAM信號。信號。 以主瓣寬度作為以主瓣寬度作為MQAM 信號帶寬，信號帶寬，則則MQAM調(diào)制方式的頻譜利用率為調(diào)制方式的頻譜利用率為 )./(log212HzsbMBRMQAMbMQAM二、最小移頻鍵控二、最小移頻鍵控(

5、MSK) 由于一般移頻鍵控信號相位不連續(xù)、頻偏由于一般移頻鍵控信號相位不連續(xù)、頻偏較大等原因，使其頻譜利用率較低。較大等原因，使其頻譜利用率較低。 MSK(Minimum Frequencyshift-keying)是二進制連續(xù)相位是二進制連續(xù)相位FSK的一種特殊形式。的一種特殊形式。MSK稱為最小移頻鍵控，有時也稱為快速移頻鍵控稱為最小移頻鍵控，有時也稱為快速移頻鍵控(FFSK)。所謂。所謂“最小最小”是指這種調(diào)制方式能以是指這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)最小的調(diào)制指數(shù)(0.5)獲得正交信號；而獲得正交信號；而“快速快速”是指在給定同樣的頻帶內(nèi)，是指在給定同樣的頻帶內(nèi)，MSK能比能比2PSK

6、傳傳輸更高的數(shù)據(jù)速率，且在帶外的頻譜分量要比輸更高的數(shù)據(jù)速率，且在帶外的頻譜分量要比2PSK衰減的快。衰減的快。 1. MSK的基本原理的基本原理 MSK是恒定包絡(luò)連續(xù)相位頻率調(diào)制，其是恒定包絡(luò)連續(xù)相位頻率調(diào)制，其信號的表示式為：信號的表示式為： 稱為附加相位函數(shù)；稱為附加相位函數(shù)； 為輸入第為輸入第 個碼元，個碼元，取值為取值為 ； 為第為第 個碼元的相位常數(shù)。個碼元的相位常數(shù)。 )2cos()(kskcMSKtTattssskskkTktkTtTat) 1(,2)()(tkka1kkk中心頻率為：中心頻率為： 兩個頻率可表示為：兩個頻率可表示為： sscTmNTff141411sscTmN

7、Tff141412sscTmNTnf144)3 , 2 , 1 , 0(mN為正整數(shù)；由此可得頻率間隔為由此可得頻率間隔為MSK信號的調(diào)制指數(shù)為信號的調(diào)制指數(shù)為sTfff21125.02121sssTTfTh附加相位函數(shù)附加相位函數(shù) 是一直線方程，其斜率為是一直線方程，其斜率為 )(tkskTa2MSK的相位網(wǎng)格圖的相位網(wǎng)格圖 MSK信號具有以下特點信號具有以下特點 MSK信號是恒定包絡(luò)信號；信號是恒定包絡(luò)信號；在碼元轉(zhuǎn)換時刻信號的相位是連續(xù)在碼元轉(zhuǎn)換時刻信號的相位是連續(xù)的，以載波相位為基準(zhǔn)的信號相位的，以載波相位為基準(zhǔn)的信號相位在一個碼元期間內(nèi)線性地變化在一個碼元期間內(nèi)線性地變化 ； 在一個

8、碼元期間內(nèi)，信號應(yīng)包括四在一個碼元期間內(nèi)，信號應(yīng)包括四分之一載波周期的整數(shù)倍，信號的分之一載波周期的整數(shù)倍，信號的頻率偏移等于頻率偏移等于 ，相應(yīng)的調(diào)制指，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)數(shù) 。 2sT415 . 0hMSKMSK信號的功率譜信號的功率譜 2. MSK調(diào)制解調(diào)原理調(diào)制解調(diào)原理 MSK信號的一般表示式為信號的一般表示式為 )(cos)(tttskcMSKttttckcksin)(sincos)(costTtatTtcskkcsksin2sincoscos2coscos調(diào)制器原理圖調(diào)制器原理圖 鑒頻器解調(diào)原理圖鑒頻器解調(diào)原理圖 BPF鑒頻LPF抽樣判決輸入輸出相干解調(diào)器原理圖相干解調(diào)器原理圖 BPF

9、xxLPFLPF差分譯碼載波恢復(fù)判決電路判決電路并串變換輸出輸入tccostcsin3. MSK的誤比特率性能的誤比特率性能 各支路的誤碼率為各支路的誤碼率為 式中 為信噪比 系統(tǒng)的總誤比特率為rerfcPs21222ar )1(2ssePPPMSK系統(tǒng)誤比特率曲線系統(tǒng)誤比特率曲線 三、高斯最小移頻鍵控三、高斯最小移頻鍵控(GMSK) 在移動通信中，對信號帶外輻射功在移動通信中，對信號帶外輻射功率的限制十分嚴格，一般要求必須衰減率的限制十分嚴格，一般要求必須衰減70dB以上。從以上。從MSK信號的功率譜可以看信號的功率譜可以看出，出，MSK信號仍不能滿足這樣的要求。信號仍不能滿足這樣的要求。高

10、斯最小移頻鍵控高斯最小移頻鍵控(GMSK)就是針對上述就是針對上述要求提出來的。要求提出來的。GMSK調(diào)制方式能滿足調(diào)制方式能滿足移動通信環(huán)境下對鄰道干擾的嚴格要求，移動通信環(huán)境下對鄰道干擾的嚴格要求，它以其良好的性能而被泛歐數(shù)字蜂窩移它以其良好的性能而被泛歐數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)動通信系統(tǒng)(GSM)所采用。所采用。 1. . GMSK的基本原理的基本原理 為了壓縮為了壓縮MSK信號的功率譜，信號的功率譜，可在可在MSK調(diào)制前加入預(yù)調(diào)制濾波器，調(diào)制前加入預(yù)調(diào)制濾波器，對矩形波形進行濾波，得到一種新對矩形波形進行濾波，得到一種新型的基帶波形，使其本身和盡可能型的基帶波形，使其本身和盡可能高階的導(dǎo)數(shù)

11、都連續(xù)，從而得到較好高階的導(dǎo)數(shù)都連續(xù)，從而得到較好的頻譜特性。的頻譜特性。 GMSK調(diào)制原理調(diào)制原理 預(yù)調(diào)制濾波器MSK調(diào)制器輸入輸出預(yù)調(diào)制濾波器主要特性預(yù)調(diào)制濾波器主要特性 (1) 帶寬窄并且具有陡峭的截止特性；帶寬窄并且具有陡峭的截止特性； (2) 脈沖響應(yīng)的過沖較??；脈沖響應(yīng)的過沖較小； (3) 濾波器輸出脈沖響應(yīng)曲線下的面積濾波器輸出脈沖響應(yīng)曲線下的面積對應(yīng)于對應(yīng)于 的相移。的相移。 其中條件其中條件(1)是為了抑制高頻分量；條是為了抑制高頻分量；條件件(2)是為了防止過大的瞬時頻偏；條件是為了防止過大的瞬時頻偏；條件(3)是為了使調(diào)制指數(shù)為是為了使調(diào)制指數(shù)為0.5。2高斯低通濾波器特

12、性高斯低通濾波器特性 單位沖擊響應(yīng)單位沖擊響應(yīng) 傳輸函數(shù)傳輸函數(shù) 2exp)(tth22exp)(ffHbbTB高斯預(yù)調(diào)制濾波器的脈沖響應(yīng)高斯預(yù)調(diào)制濾波器的脈沖響應(yīng) GMSK信號的相位路徑信號的相位路徑 GMSK信號的功率譜信號的功率譜 GMSK信號信號的眼圖的眼圖 2. . GMSK的調(diào)制與解調(diào)的調(diào)制與解調(diào) 鎖相環(huán)鎖相環(huán)(PLL)法法 鎖相環(huán)輸入輸出BPSK移相2波形存儲正交調(diào)制器波形存儲正交調(diào)制器 BPFxxLPFLPFcos函數(shù)表sin函數(shù)表D/A變換D/A變換象限控制輸出輸入+tccostcsin1比特差分解調(diào)器比特差分解調(diào)器BPF時延Tb移相LPF抽樣判決信號輸入輸出x90o 2比特

13、差分解調(diào)器比特差分解調(diào)器BPF時延2Tb限幅器LPF抽樣判決信號輸入輸出x3. GMSK系統(tǒng)的性能系統(tǒng)的性能 GMSK信號相干解調(diào)的誤比特率下界為信號相干解調(diào)的誤比特率下界為 式中式中 為發(fā)送數(shù)據(jù)為發(fā)送數(shù)據(jù)“1”和和“0”之間的之間的最小距離最小距離 rnderfcPe0min221minddttutudtttutu201)(),(2min2110)()(min 歸一化最小信號距離歸一化最小信號距離 GMSK信號誤比特性能信號誤比特性能 四、正交頻分復(fù)用四、正交頻分復(fù)用 (OFDM) OFDM是一種并行體制，它是將是一種并行體制，它是將高速率的串行信息數(shù)據(jù)流經(jīng)串高速率的串行信息數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并變

14、并變換，分割為若干路低速率并行數(shù)據(jù)換，分割為若干路低速率并行數(shù)據(jù)流，然后每路低速率數(shù)據(jù)采用一個流，然后每路低速率數(shù)據(jù)采用一個獨立的載波調(diào)制并疊加在一起構(gòu)成獨立的載波調(diào)制并疊加在一起構(gòu)成發(fā)送信號。發(fā)送信號。 OFDM方式作為一種高效調(diào)制技方式作為一種高效調(diào)制技術(shù)，具有較強的抗多徑傳播和頻率術(shù)，具有較強的抗多徑傳播和頻率選擇性衰落的能力以及較高的頻譜選擇性衰落的能力以及較高的頻譜利用率。利用率。 OFDM系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于接系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于接入網(wǎng)中的高速數(shù)字環(huán)路入網(wǎng)中的高速數(shù)字環(huán)路HDSL、非對、非對稱數(shù)字環(huán)路稱數(shù)字環(huán)路ADSL，高清晰度電視，高清晰度電視HDTV的地面廣播系統(tǒng)。在移動通的地面廣

15、播系統(tǒng)。在移動通信領(lǐng)域，信領(lǐng)域，OFDM是第三代移動通信是第三代移動通信系統(tǒng)采用的技術(shù)之一。系統(tǒng)采用的技術(shù)之一。 1. . OFDM基本原理基本原理 串并變換調(diào)制符號映射相加信道匹配濾波器1并串變換調(diào)制1調(diào)制2調(diào)制N匹配濾波器2匹配濾波器NDINDOUTX(1)X(N)解調(diào)單元 OFDM是把高速串行的數(shù)據(jù)流通是把高速串行的數(shù)據(jù)流通過串并變換，變成低速的并行數(shù)據(jù)過串并變換，變成低速的并行數(shù)據(jù)流，再根據(jù)調(diào)制方式把并行的數(shù)據(jù)流，再根據(jù)調(diào)制方式把并行的數(shù)據(jù)流進行映射為各路并行的調(diào)制符號流進行映射為各路并行的調(diào)制符號流，對一組正交載波進行調(diào)制，各流，對一組正交載波進行調(diào)制，各路已調(diào)信號相加后，形成路已調(diào)

16、信號相加后，形成OFDM信信號。號。 在接收端根據(jù)在接收端根據(jù)OFDM信號中各信號中各載波之間正交的特點，采用相關(guān)接載波之間正交的特點，采用相關(guān)接收的方法，分離各路已調(diào)信號，并收的方法，分離各路已調(diào)信號，并恢復(fù)出基帶調(diào)制符號流，再根據(jù)系恢復(fù)出基帶調(diào)制符號流，再根據(jù)系統(tǒng)調(diào)制的方式，恢復(fù)出并行數(shù)據(jù)流，統(tǒng)調(diào)制的方式，恢復(fù)出并行數(shù)據(jù)流，通過并串變換恢復(fù)出發(fā)送的高速串通過并串變換恢復(fù)出發(fā)送的高速串行數(shù)據(jù)流。行數(shù)據(jù)流。 OFDM信號數(shù)學(xué)表示形式信號數(shù)學(xué)表示形式 式中式中 為第為第m個子載波角頻率個子載波角頻率 為第為第m個子載波上的復(fù)數(shù)信號個子載波上的復(fù)數(shù)信號, 在一個符號期間為常數(shù)，則有在一個符號期間為

17、常數(shù)，則有 10)()(MmtjmOFDMmetdtsmcm)(tdm)(tdmmmdtd)(子載波已調(diào)信號功率譜密度子載波已調(diào)信號功率譜密度 OFDM合成信號功率譜密度合成信號功率譜密度 OFDM信號調(diào)制與解調(diào)信號調(diào)制與解調(diào) OFDM信號產(chǎn)生原理信號產(chǎn)生原理 串/并變換編碼映射IFFT并/串變換D/A變換輸入輸出LPF上變頻 OFDM信號的產(chǎn)生是基于快速離散信號的產(chǎn)生是基于快速離散傅立葉變換實現(xiàn)的，輸入的二進制數(shù)據(jù)傅立葉變換實現(xiàn)的，輸入的二進制數(shù)據(jù)序列先進行串序列先進行串/并變換。根據(jù)并變換。根據(jù)OFDM符號符號間隔間隔 ，將其分成，將其分成 個比特一個比特一組。這組。這 個比特被分配到個比

18、特被分配到N個子信道上，個子信道上，經(jīng)過編碼后映射為經(jīng)過編碼后映射為N個復(fù)數(shù)子符號。采用個復(fù)數(shù)子符號。采用2N點快速離散傅立葉反變換點快速離散傅立葉反變換(IFFT)將頻將頻域內(nèi)的域內(nèi)的N個復(fù)數(shù)子符號變換成時域中的個復(fù)數(shù)子符號變換成時域中的2N個實數(shù)樣值，加上循環(huán)前綴之后就構(gòu)個實數(shù)樣值，加上循環(huán)前綴之后就構(gòu)成了實際的成了實際的OFDM發(fā)送符號。發(fā)送符號。 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器和低通濾波器輸出基帶信號。最后經(jīng)器和低通濾波器輸出基帶信號。最后經(jīng)過上變頻輸出過上變頻輸出OFDM信號。信號。 sTsbtTRc tcOFDM信號接收端原理信號接收端原理 下變頻LPFA/D變換串/并變換FFT輸入輸出均衡并/

19、串變換譯碼判決 OFDM信號接收端的處理過程與發(fā)送信號接收端的處理過程與發(fā)送端相反。接收端輸入端相反。接收端輸入OFDM信號首先經(jīng)信號首先經(jīng)過下變頻變換到基帶，過下變頻變換到基帶，A/D轉(zhuǎn)換、串轉(zhuǎn)換、串/并并變換后的信號去除循環(huán)前綴，再進行變換后的信號去除循環(huán)前綴，再進行2N點快速離散傅立葉變換點快速離散傅立葉變換(FFT)得到一幀數(shù)得到一幀數(shù)據(jù)。為了對信道失真進行校正，需要對據(jù)。為了對信道失真進行校正，需要對數(shù)據(jù)進行單抽頭或雙抽頭時域均衡。最數(shù)據(jù)進行單抽頭或雙抽頭時域均衡。最后經(jīng)過譯碼判決和并后經(jīng)過譯碼判決和并/串變換，恢復(fù)出發(fā)串變換，恢復(fù)出發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)序列。送的二進制數(shù)據(jù)序列。 為了使

20、信號在為了使信號在IFFT、FFT前后功率保持前后功率保持不變，不變，DFT和和IDFT應(yīng)滿足以下關(guān)系應(yīng)滿足以下關(guān)系 ) 10(,2exp1)(10NkkNnjnxNkXNn ) 10(,2exp1)(10NnnNkjkXNnxNk 在在OFDM系統(tǒng)中，子載波的數(shù)量應(yīng)系統(tǒng)中，子載波的數(shù)量應(yīng)根據(jù)信道帶寬、數(shù)據(jù)速率以及符號周期根據(jù)信道帶寬、數(shù)據(jù)速率以及符號周期來確定。來確定。OFDM系統(tǒng)采用的調(diào)制方式應(yīng)系統(tǒng)采用的調(diào)制方式應(yīng)根據(jù)功率及頻譜利用率的要求來選擇。根據(jù)功率及頻譜利用率的要求來選擇。常用的調(diào)制方式有常用的調(diào)制方式有QPSK和和16QAM方式。方式。另外，不同的子信道還可以采用不同的另外，不同

21、的子信道還可以采用不同的調(diào)制方式，特性較好的子信道可以采用調(diào)制方式，特性較好的子信道可以采用頻譜利用率較高的調(diào)制方式，而衰落較頻譜利用率較高的調(diào)制方式，而衰落較大的子信道應(yīng)選用功率利用率較高的調(diào)大的子信道應(yīng)選用功率利用率較高的調(diào)制方式，這是制方式，這是OFDM系統(tǒng)的優(yōu)點之一。系統(tǒng)的優(yōu)點之一。 3. . OFDM系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能 抗脈沖干擾抗脈沖干擾 OFDM系統(tǒng)抗脈沖干擾的能力比單系統(tǒng)抗脈沖干擾的能力比單載波系統(tǒng)強很多。這是因為對載波系統(tǒng)強很多。這是因為對OFDM信信號的解調(diào)是在一個很長的符號周期內(nèi)積號的解調(diào)是在一個很長的符號周期內(nèi)積分，從而使脈沖噪聲的影響得以分散。分，從而使脈沖噪聲的影響得以分散。事實上，對脈沖干擾有效的抑制作用是事實上，對脈沖干擾有效的抑制作用是最初研究多載波系統(tǒng)的動機之一。提交最初研究多載波