第4章-正交振幅調(diào)制

1、1第第8章章 新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)n8.1 正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制 n8.2 最小頻移鍵控最小頻移鍵控n8.3 高斯最小頻移鍵控高斯最小頻移鍵控n8.4 正交頻分復(fù)用正交頻分復(fù)用主要內(nèi)容主要內(nèi)容22logbBMPSKMPSKRRMBB理想低通理想低通1 / 2NsfT 基帶信號(hào)帶寬基帶信號(hào)帶寬2NfMPSK信號(hào)帶寬信號(hào)帶寬1 /sT碼元速率碼元速率2log M頻帶利用率頻帶利用率1 /ssfT 2sf1 /sT21log2M方波方波余弦滾降余弦滾降(1)Nf 2(1)Nf 1 /sT2log1M 信息速率信息速率2log/sM T2log/sM T2log/sM T8.1

2、 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制3 MPSK誤碼率公式可以近似為寫為：誤碼率公式可以近似為寫為：MrerfcPesin8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制1( )MeMPfd MPSK誤碼率誤碼率48.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制 問題的提出：?jiǎn)栴}的提出： A. 多進(jìn)制相移鍵控（多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）的）的頻帶利用率高頻帶利用率高，隨著，隨著M的增大，的增大，相鄰相位的距離逐漸變小，噪聲容限減小，可靠性降低，相鄰相位的距離逐漸變小，噪聲容限減小，可靠性降低，誤誤碼率增大碼率增大；B. 需要改善在需要改善在M取值較大時(shí)的取值較大時(shí)的噪聲容限噪聲容限。解決方法：解決方法： 單獨(dú)使用幅度單獨(dú)使用幅度(MA

3、SK)或相位或相位(MPSK)攜帶信息時(shí)，不能充分?jǐn)y帶信息時(shí)，不能充分利用信號(hào)平面，利用信號(hào)平面，MPSK的信號(hào)點(diǎn)只能分布在一個(gè)圓上，的信號(hào)點(diǎn)只能分布在一個(gè)圓上，MASK 的信的信號(hào)點(diǎn)只能分布在一個(gè)軸上。號(hào)點(diǎn)只能分布在一個(gè)軸上。 APKAPK調(diào)制調(diào)制：就是用一個(gè)信號(hào)符號(hào)：就是用一個(gè)信號(hào)符號(hào)同時(shí)同時(shí)控制載波的控制載波的幅度與幅度與相位相位2 2個(gè)參量的調(diào)制方式個(gè)參量的調(diào)制方式58.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制0( )cos()kkks tAt00cossinkkXtYt同相分量同相分量 正交分量正交分量1 QAM1 QAM信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式00coscossinsinkkkkAtA

4、tcoskkkXAsinkkkYA 是兩個(gè)正交的是兩個(gè)正交的振振幅鍵控幅鍵控信號(hào)之和信號(hào)之和 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制(QAM) ：用兩路獨(dú)立的基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)兩個(gè)用兩路獨(dú)立的基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正相互正交交的的同頻載波同頻載波進(jìn)行進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用已調(diào)信號(hào)在同一帶寬，利用已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。 正交振幅調(diào)制（正交振幅調(diào)制（QAM）是一種）是一種幅度和相位幅度和相位聯(lián)合鍵控（聯(lián)合鍵控（APK）的調(diào)）的調(diào)制方式制方式.調(diào)制相位調(diào)制相位調(diào)制幅度調(diào)制幅度62 矢量圖矢量圖8.1 正

5、交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制 矢量端點(diǎn)矢量端點(diǎn)的分布圖稱為的分布圖稱為星座圖星座圖，可以用星座圖來描述，可以用星座圖來描述QAMQAM信信號(hào)的信號(hào)空間分布狀態(tài)。號(hào)的信號(hào)空間分布狀態(tài)。 如果如果QAMQAM信號(hào)的在信號(hào)空間中的信號(hào)的在信號(hào)空間中的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)目是坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)目是4 4個(gè)個(gè)（狀態(tài)（狀態(tài)數(shù)），記為數(shù)），記為4QAM4QAM，它的，它的同相和正交支路都采用二進(jìn)制信號(hào)同相和正交支路都采用二進(jìn)制信號(hào)；如；如果同相和正交支路都采用果同相和正交支路都采用四進(jìn)制信號(hào)四進(jìn)制信號(hào)將得到將得到16QAM16QAM信號(hào)。以此類信號(hào)。以此類推，如果兩條支路都采用推，如果兩條支路都采用L L進(jìn)制進(jìn)制信號(hào)將得到信號(hào)將得到M

6、QAMMQAM信號(hào)信號(hào)，其中，其中M=LM=L2 2。7A.矩形星座圖矩形星座圖M為為2的偶數(shù)次冪的偶數(shù)次冪B.十字形星座圖十字形星座圖M為為2的奇數(shù)次冪的奇數(shù)次冪C.QPSK與與4QAM相同相同4,16,64,256M 128,32 M16M32M64M128M256 MMQAM星座圖星座圖8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制8 輸入的二進(jìn)制序列經(jīng)過串輸入的二進(jìn)制序列經(jīng)過串/并變換器輸出速率減半的兩路并并變換器輸出速率減半的兩路并行序列，再分別經(jīng)過行序列，再分別經(jīng)過2電平到電平到L電平的變換，形成電平的變換，形成L電平的基帶信電平的基帶信號(hào)。為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射，該號(hào)。為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶

7、外輻射，該L電平的基帶信號(hào)還要經(jīng)電平的基帶信號(hào)還要經(jīng)過預(yù)調(diào)制低通濾波器，形成過預(yù)調(diào)制低通濾波器，形成Xk和和Yk，再分別對(duì)同相載波和正交，再分別對(duì)同相載波和正交載波相乘。最后將兩路信號(hào)相加即可得到載波相乘。最后將兩路信號(hào)相加即可得到QAM信號(hào)。信號(hào)。 8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制3 QAM信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)(正交）正交）98.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制10 解調(diào)器輸入信號(hào)與本地恢復(fù)的兩個(gè)正交載波相乘后，經(jīng)過低通解調(diào)器輸入信號(hào)與本地恢復(fù)的兩個(gè)正交載波相乘后，經(jīng)過低通濾波輸出兩路多電平基帶信號(hào)濾波輸出兩路多電平基帶信號(hào)Xk和和Yk。多電平判決器對(duì)多電平基帶。多電平判決器對(duì)多電平

8、基帶信號(hào)進(jìn)行判決和檢測(cè)，再經(jīng)信號(hào)進(jìn)行判決和檢測(cè)，再經(jīng)L電平到電平到2電平轉(zhuǎn)換和并電平轉(zhuǎn)換和并/串變換器最終輸串變換器最終輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù)。出二進(jìn)制數(shù)據(jù)。 8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制1100( )cossinQAMkketXtYt12kkXX 12kkYY 8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制12 （1）正交調(diào)幅法）正交調(diào)幅法：用兩路獨(dú)立的正交：用兩路獨(dú)立的正交4ASK信號(hào)疊加，形成信號(hào)疊加，形成16QAM信號(hào)信號(hào)。 8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制4 16QAM信號(hào)信號(hào) 輸入的二進(jìn)制序列經(jīng)過串輸入的二進(jìn)制序列經(jīng)過串/并變換器輸出速率減半的兩路并并變換器輸出速率減半的兩路并行序列，再分別經(jīng)過行序

9、列，再分別經(jīng)過2電平到電平到4電平的變換，形成電平的變換，形成4電平的基帶信電平的基帶信號(hào)。為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射，該號(hào)。為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射，該4電平的基帶信號(hào)還要經(jīng)電平的基帶信號(hào)還要經(jīng)過預(yù)調(diào)制低通濾波器，形成過預(yù)調(diào)制低通濾波器，形成Xk和和Yk，再分別對(duì)同相載波和正交，再分別對(duì)同相載波和正交載波相乘。最后將兩路信號(hào)相加即可得到載波相乘。最后將兩路信號(hào)相加即可得到QAM信號(hào)。信號(hào)。 13I路路Q路路( 1, 1)(-1, 1)(-1,-1)( 1,-1)( 3, 3)( 3, 1)( 3,-1)( 3,-3)( 1, 3)( 1,-3)(-1, 3)(-1,-3)(-3, 1)(-

10、3,-1)(-3, 3)(-3,-3)Q路路 3 1 -1 -3I路路-3 -1 1 38.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制（2）星座圖星座圖 14I路路Q路路0101011010101001000001001000110000011101001010110111101100111111Q路路 3 1 -1 -3I路路-3 -1 1 38.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制（3）編碼方案編碼方案 11 10 01 000000 01 01 1010 1115I路路Q路路0000001010101000010100011001110101001100011011100011101101111111Q路路

11、3 1 -1 -3I路路-3 -1 1 38.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制格雷碼（方法很多）格雷碼（方法很多）11 10 00 010101 00 00 1010 1116 解調(diào)器輸入信號(hào)與本地恢復(fù)的兩個(gè)正交載波相乘后，經(jīng)過低通解調(diào)器輸入信號(hào)與本地恢復(fù)的兩個(gè)正交載波相乘后，經(jīng)過低通濾波輸出兩路多電平基帶信號(hào)濾波輸出兩路多電平基帶信號(hào)Xk和和Yk。多電平判決器對(duì)多電平基帶。多電平判決器對(duì)多電平基帶信號(hào)進(jìn)行判決和檢測(cè)，再經(jīng)信號(hào)進(jìn)行判決和檢測(cè)，再經(jīng)4電平到電平到2電平轉(zhuǎn)換和并電平轉(zhuǎn)換和并/串變換器最終輸串變換器最終輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù)。出二進(jìn)制數(shù)據(jù)。 8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制（4）解調(diào)解調(diào) 17

12、（5）復(fù)合相移法：）復(fù)合相移法：它用兩路獨(dú)立的它用兩路獨(dú)立的QPSK信號(hào)疊加，形信號(hào)疊加，形成成16QAM信號(hào)。信號(hào)。8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制編碼方法編碼方法1001001111001001011011001101001019對(duì)于對(duì)于M=16的的16QAM來說，有多種分布形式的信號(hào)星座來說，有多種分布形式的信號(hào)星座圖。圖。 兩種具有代表意義：兩種具有代表意義：矩形矩形16QAM星座星座（也稱為標(biāo)準(zhǔn)型（也稱為標(biāo)準(zhǔn)型16QAM）和）和星型星型16QAM星座星座。(-3,3)(-3,1)(-3,-3)(3,-3)(3,1)(3,3)(-1,

13、-1)(-1,1)8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制20 若信號(hào)點(diǎn)之間的最小距離為若信號(hào)點(diǎn)之間的最小距離為2A2A，且所有信號(hào)點(diǎn)等概率出，且所有信號(hào)點(diǎn)等概率出現(xiàn)，則平均發(fā)射信號(hào)功率為現(xiàn)，則平均發(fā)射信號(hào)功率為)()(2122nMnndcMAsp8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制對(duì)于方型對(duì)于方型16QAM16QAM，信號(hào)平均功率為，信號(hào)平均功率為22212210)18410824(16)()(AAdcMAspnMnn對(duì)于星型對(duì)于星型16QAM16QAM，信號(hào)平均功率為，信號(hào)平均功率為 22222221( )()(8 2.618 4.61 )14.0316MnnnAAp scdAM 5 MQAM的功率的

14、功率21 兩者功率相差兩者功率相差1.4dB1.4dB。一是星型一是星型16QAM16QAM只有兩個(gè)振幅值，只有兩個(gè)振幅值，而方型而方型16QAM16QAM有三種振幅值；二是星型有三種振幅值；二是星型16QAM16QAM只有只有8 8種相位值，種相位值，而方型而方型16QAM16QAM有有1212種相位值。種相位值。這兩點(diǎn)使得在衰落信道中，星型這兩點(diǎn)使得在衰落信道中，星型16QAM16QAM比方型比方型16QAM16QAM更具有吸引力。更具有吸引力。 但但方型星座方型星座QAMQAM信號(hào)所需的平均發(fā)送功率比信號(hào)所需的平均發(fā)送功率比QAMQAM星座結(jié)構(gòu)星座結(jié)構(gòu)的信號(hào)平均功率小，的信號(hào)平均功率小，

15、而方型星座的而方型星座的MQAMMQAM信號(hào)的產(chǎn)生及解調(diào)比信號(hào)的產(chǎn)生及解調(diào)比較容易實(shí)現(xiàn)較容易實(shí)現(xiàn)，所以方型星座的所以方型星座的MQAMMQAM信號(hào)在實(shí)際通信中得到了信號(hào)在實(shí)際通信中得到了廣泛的應(yīng)用。廣泛的應(yīng)用。8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制2216QAM信號(hào)和信號(hào)和16PSK信號(hào)的性能比較信號(hào)的性能比較 按最大振幅相等，畫出這兩種信號(hào)的星座圖按最大振幅相等，畫出這兩種信號(hào)的星座圖16QAMAM d2AM d116PSK8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制23 設(shè)其最大振幅為設(shè)其最大振幅為AM，則，則16PSK信號(hào)的相鄰信號(hào)點(diǎn)的信號(hào)的相鄰信號(hào)點(diǎn)的歐氏距離歐氏距離為為 16QAM的相鄰信號(hào)點(diǎn)的相鄰信

16、號(hào)點(diǎn)歐氏距離（歐氏距離（最小距離）為最小距離）為 d2超過超過d1約約1.57 dB。120.393168MMMAdAA 220.4713MMAdA 8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制16QAMAM d2AM d116PSKd2和和d1的比值就代的比值就代表這兩種體制的噪表這兩種體制的噪聲容限之比聲容限之比248.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制 設(shè)其最大振幅為設(shè)其最大振幅為AM，則，則MPSK信號(hào)的相鄰信號(hào)點(diǎn)的歐氏距離為信號(hào)的相鄰信號(hào)點(diǎn)的歐氏距離為 MQAM的相鄰信號(hào)點(diǎn)歐氏距離（方形星座圖）為的相鄰信號(hào)點(diǎn)歐氏距離（方形星座圖）為12MAdM 22211MMAAdLM L L是星座圖上信號(hào)點(diǎn)在水平軸

17、和垂直軸上投影的電平數(shù)，是星座圖上信號(hào)點(diǎn)在水平軸和垂直軸上投影的電平數(shù)，M=L2 這是在這是在最大功率（振幅）相等最大功率（振幅）相等的條件下比較的，沒有考的條件下比較的，沒有考慮這兩種體制的慮這兩種體制的平均功率平均功率差別。差別。25當(dāng)平均功率受限時(shí)：當(dāng)平均功率受限時(shí)： MPSK信號(hào)的平均功率（振幅）就等于其最大功率（振幅）。信號(hào)的平均功率（振幅）就等于其最大功率（振幅）。 MQAM信號(hào)，其最大功率和平均功率之比：信號(hào)，其最大功率和平均功率之比： 即此時(shí)即此時(shí)d2又可增加又可增加 倍倍 16QAM信號(hào)，在信號(hào)，在等概率等概率出現(xiàn)條件下，可以計(jì)算出其最大功率和出現(xiàn)條件下，可以計(jì)算出其最大功率

18、和平均功率之比等于平均功率之比等于1.8倍，即倍，即2.55 dB。 在平均功率相等條件下，在平均功率相等條件下，16QAM的噪聲容限超過的噪聲容限超過16PSK約約4.12 dB。8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制2/221(1)2(21)LiL Lki 最最大大功功率率平平均均功功率率k266 MQAM6 MQAM抗噪聲性能抗噪聲性能 對(duì)于方型對(duì)于方型QAMQAM，可以看成是由兩個(gè)相互正交且獨(dú)立的，可以看成是由兩個(gè)相互正交且獨(dú)立的多電平多電平ASKASK信號(hào)疊加而成。因此，利用多電平信號(hào)疊加而成。因此，利用多電平ASKASK信號(hào)誤碼信號(hào)誤碼率的分析方法，可得到率的分析方法，可得到M M進(jìn)制進(jìn)

19、制QAMQAM的誤碼率為的誤碼率為203log(1)()1beELpL erfcLn M=L2，Eb為每比特碼元能量，為每比特碼元能量，n0為噪聲單邊功率譜密度。為噪聲單邊功率譜密度。8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制27M M進(jìn)制方型進(jìn)制方型QAMQAM的誤碼率曲線的誤碼率曲線 8.1 正交幅度調(diào)制正交幅度調(diào)制 隨著進(jìn)制數(shù)隨著進(jìn)制數(shù)M的的增加，在信號(hào)空間中增加，在信號(hào)空間中各信號(hào)點(diǎn)間的最小距各信號(hào)點(diǎn)間的最小距離減小，相應(yīng)的信號(hào)離減小，相應(yīng)的信號(hào)判決區(qū)域隨之減小，判決區(qū)域隨之減小，因此，當(dāng)信號(hào)受到噪因此，當(dāng)信號(hào)受到噪聲和干擾的損害時(shí)，聲和干擾的損害時(shí)，接收信號(hào)錯(cuò)誤概率將接收信號(hào)錯(cuò)誤概率將隨之增大。隨之增大。287 MQAM的頻帶利用率的頻帶利用率 調(diào)制過程表明，調(diào)制過程表明，MQAM信號(hào)可以看成信號(hào)可以看成兩個(gè)正交的抑制載兩個(gè)正交的抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號(hào)的相加波雙邊帶調(diào)幅信號(hào)的相加，所以其功率譜，所以其功率譜都取決于同相和正都取決于同相和正交路基帶信號(hào)的功率譜交路基帶信號(hào)的功率譜。MQAM與與MPSK信號(hào)在相同信號(hào)點(diǎn)信號(hào)在相同信號(hào)點(diǎn)數(shù)時(shí)，功率譜相同，帶寬均為基帶信號(hào)帶寬的數(shù)