樊昌信通信原理第8章 新型數(shù)字調(diào)制(7版)

1、 課 件 新型數(shù)字調(diào)制 通信原理（第7版）第8章樊昌信 曹麗娜 編著正交振幅調(diào)制 （QAM）最小移頻鍵控（MSK）高斯最小移頻鍵控（GMSK）正交頻分復(fù)用（OFDM） 本章內(nèi)容: 第7章 數(shù)字調(diào)制 第8章 新型數(shù)字調(diào)制 正交振幅調(diào)制 （QAM）8.1 （Quadrature Amplitude Modulation，QAM）一種振幅振幅和相位相位聯(lián)合鍵控的數(shù)字調(diào)制技術(shù) 所有信號(hào)點(diǎn)所有信號(hào)點(diǎn)（）平均分布在同平均分布在同一個(gè)圓周上。圓周半徑等于信號(hào)幅度。一個(gè)圓周上。圓周半徑等于信號(hào)幅度。l 觀察觀察MPSK的星座圖：的星座圖：l 在信號(hào)幅度相同（即功率相等）條件下：在信號(hào)幅度相同（即功率相等）條件

2、下： 進(jìn)制數(shù)進(jìn)制數(shù) M 增加增加，星座圖上相鄰信號(hào)點(diǎn)的，星座圖上相鄰信號(hào)點(diǎn)的距離距離越小越小 這這意味著在相同噪聲條件下，系統(tǒng)的意味著在相同噪聲條件下，系統(tǒng)的誤碼率誤碼率增大增大n 需求背景需求背景問題引出 如何增大距離，以減小誤碼率呢 ？Q&A針對(duì)問題解決途徑 M 增加，距離越來越小 增大相鄰信號(hào)點(diǎn)間的距離增大圓周半徑半徑（信號(hào)功率功率 ）來增大相鄰信號(hào)點(diǎn)的距離距離，l 容易想到的一種辦法：-往往會(huì)受發(fā)射功率的限制。解決途徑在不增大圓半徑基礎(chǔ)上（即不增加信號(hào)功率）， 重新安排信號(hào)點(diǎn)的位置，以增大相鄰信號(hào)點(diǎn)的距離。正交振幅調(diào)制 QAM : 一種把 ASK 和 PSK 結(jié)合起來的調(diào)制方式

3、。 l 一種更好的設(shè)計(jì)思想：l 這種思想的可行性方案：振幅 和 相位 聯(lián)合鍵控的調(diào)制方式。(星座結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)思想 QAM是一種是一種振幅振幅和和相位相位聯(lián)合鍵控的調(diào)制方式，其頻聯(lián)合鍵控的調(diào)制方式，其頻譜利用率高，抗噪聲性能優(yōu)于譜利用率高，抗噪聲性能優(yōu)于MPSK，在中大容量數(shù)字在中大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。信等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。M1M20.473AdA2MM2sin0.3916dAA 16QAM信號(hào) 16PSK信號(hào)最大振幅同為AM最小距離此此最小距離最小距離代表代表噪聲容限噪聲容限的大小。的大小。n

4、舉例舉例 對(duì)比對(duì)比最小距離 噪聲容限噪聲容限越越大大，抗噪聲性能就越，抗噪聲性能就越強(qiáng)強(qiáng)。21dd l d2超過超過d1約約1.57 dB（最大功率（最大功率(振幅振幅)相等條件下）相等條件下）l d2超過超過d1約約4.12 dB（平均功率相等條件下）（平均功率相等條件下） 16QAM是最具有代表性的是最具有代表性的MQAM信號(hào)，此外：信號(hào)，此外： 表明表明：16QAM 比16PSK 的的噪聲容限噪聲容限大，大，抗噪能力抗噪能力強(qiáng)強(qiáng)。 比較：比較：M=4時(shí)，時(shí)，QPSK信號(hào)就是一種最簡單的信號(hào)就是一種最簡單的QAM信號(hào)信號(hào) 64QAM信號(hào)矢量圖信號(hào)矢量圖256QAM信號(hào)矢量圖信號(hào)矢量圖 注：

5、注： QAM星座圖除星座圖除方型方型結(jié)構(gòu)外，還有結(jié)構(gòu)外，還有星型星型或其他結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)M=64、256時(shí)，時(shí)，QAM信號(hào)的星座圖：信號(hào)的星座圖： 若信號(hào)功率相同，選擇信號(hào)點(diǎn)間若信號(hào)功率相同，選擇信號(hào)點(diǎn)間距離最大距離最大的結(jié)構(gòu)，的結(jié)構(gòu)， 若最小距離相同，選擇平均若最小距離相同，選擇平均功率最小功率最小的星座結(jié)構(gòu)。的星座結(jié)構(gòu)。 振幅環(huán)個(gè)數(shù)：應(yīng)振幅環(huán)個(gè)數(shù)：應(yīng)少少，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制；，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制； 相位的個(gè)數(shù)：應(yīng)相位的個(gè)數(shù)：應(yīng)少少，有利于實(shí)現(xiàn)載波相位跟蹤。，有利于實(shí)現(xiàn)載波相位跟蹤。n 星座結(jié)構(gòu)不僅影響到已調(diào)信號(hào)的功率譜特性，不僅影響到已調(diào)信號(hào)的功率譜特性， 而且影響已調(diào)信號(hào)的解調(diào)及

6、其性能。而且影響已調(diào)信號(hào)的解調(diào)及其性能。n 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則星座結(jié)構(gòu)影響系統(tǒng)性能！2種振幅值種振幅值8種相位值種相位值3種振幅值種振幅值12種相位種相位方型方型16QAM 星型星型16QAMl在多徑衰落信道中，信號(hào)振幅和相位取值越多，受到的在多徑衰落信道中，信號(hào)振幅和相位取值越多，受到的影響越大，因而影響越大，因而星型星型 比比方型方型更具有吸引力。更具有吸引力。l但但方型方型星座的星座的QAM信號(hào)的產(chǎn)生與接收更易實(shí)現(xiàn)。信號(hào)的產(chǎn)生與接收更易實(shí)現(xiàn)。 在 QAM 中，載波 的振幅和相位同時(shí)受基帶信號(hào)控制，因此， 它的一個(gè)碼元可表示為：展開為： MQAM信號(hào)可由兩路載波正交的信號(hào)可由兩路載波正交的 ASK信

7、號(hào)疊加而成信號(hào)疊加而成式中： Xk = Akcosk，Yk = -Aksink Ak、k、 Xk和Yk分別可以取多個(gè)離散值n 16QAM信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的產(chǎn)生表明：M( )cos()kkcke tAt(1)BBkTtkT ( )cossinkkckce tXtYtAMu正交調(diào)幅法： 用兩路正交的用兩路正交的4ASK信號(hào)疊加，即可形成信號(hào)疊加，即可形成 16QAM信號(hào)。信號(hào)。 方形方形 MQAM 利用兩個(gè)利用兩個(gè)同頻正交同頻正交載波載波 在在同一帶寬內(nèi)同一帶寬內(nèi) 實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了 兩路并行兩路并行的的 L ASK信號(hào)的傳輸。信號(hào)的傳輸。 LM X (t) 和和Y (t)分別與相互正交的兩路載波相乘（調(diào)

8、制），形成兩路分別與相互正交的兩路載波相乘（調(diào)制），形成兩路互為互為正交正交的的4ASK信號(hào)，最后將兩路信號(hào)信號(hào)，最后將兩路信號(hào)相加相加即可得到即可得到16QAM信號(hào)。信號(hào)。 輸入的二進(jìn)制序列（每輸入的二進(jìn)制序列（每4個(gè)個(gè)“abcd”比特為一組）經(jīng)過比特為一組）經(jīng)過串串/并并變換器變換器輸出輸出速率減半速率減半的兩路的兩路并行并行序列（上支路序列（上支路ac和下支路和下支路bd）；然后分別經(jīng)）；然后分別經(jīng)過過2- 4電平變換，形成電平變換，形成4電平電平基帶信號(hào)基帶信號(hào)X (t) 和和Y (t)。u復(fù)合相移法： 用兩路獨(dú)立的用兩路獨(dú)立的QPSK信號(hào)疊加，即可形成信號(hào)疊加，即可形成 16QAM信

9、號(hào)。信號(hào)。AMAM 大大圓上的圓上的4個(gè)個(gè)紅紅點(diǎn)點(diǎn)表示表示第一個(gè)第一個(gè)QPSK信號(hào)矢量的信號(hào)矢量的位置。位置。 在這在這4個(gè)位置上可以疊個(gè)位置上可以疊加上第二個(gè)加上第二個(gè)QPSK矢量，矢量，后者的位置用虛線后者的位置用虛線小小圓圓上的上的4個(gè)小黑點(diǎn)表示。個(gè)小黑點(diǎn)表示。 由于由于16QAM信號(hào)的信號(hào)的16個(gè)信號(hào)點(diǎn)在水平軸和垂直軸上個(gè)信號(hào)點(diǎn)在水平軸和垂直軸上投影的電平數(shù)均有投影的電平數(shù)均有4個(gè)（個(gè)（+3、+1、-1、-3），對(duì)應(yīng)低通濾），對(duì)應(yīng)低通濾波器輸出的波器輸出的4電平基帶信號(hào)，因而電平基帶信號(hào)，因而4電平判決器應(yīng)有電平判決器應(yīng)有3個(gè)判個(gè)判決電平：決電平：+2、0、-2。 n 16QAM信號(hào)的

10、解調(diào)信號(hào)的解調(diào)正交相干解調(diào)正交相干解調(diào) 4 電平判決器對(duì)電平判決器對(duì) 4 電平基帶信號(hào)進(jìn)行判決和檢測(cè)，再電平基帶信號(hào)進(jìn)行判決和檢測(cè)，再經(jīng)經(jīng) 4-2 電平轉(zhuǎn)換和電平轉(zhuǎn)換和 并并/串串 變換器最終輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù)。變換器最終輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù)。以上兩式適用于其他線性數(shù)字調(diào)制信號(hào)。以上兩式適用于其他線性數(shù)字調(diào)制信號(hào)。MQAM222logbBRBRM MQAM22112loglog(bps/Hz)22bRLMB MQAM利用兩個(gè)利用兩個(gè)同頻正交同頻正交載波在載波在同一帶寬同一帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)實(shí)現(xiàn)了兩兩路并行路并行的的LASK信號(hào)的傳輸，信號(hào)的傳輸， MQAM的的頻帶利用率頻帶利用率:n MQAM信號(hào)的信號(hào)的譜

11、零點(diǎn)帶寬譜零點(diǎn)帶寬2(1)(1)logbBRBRM頻帶利用率： 2blog(1)M（bps/Hz） 以上兩式也適用于其他線性數(shù)字調(diào)制信號(hào)。以上兩式也適用于其他線性數(shù)字調(diào)制信號(hào)。 l在實(shí)際中，往往需要對(duì)2-L電平轉(zhuǎn)換后的L電平基帶信號(hào) 進(jìn)行脈沖成形濾波，以抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射。l脈沖成形濾波器通常是滾降系數(shù)為的升余弦濾波器。這時(shí)，MQAM信號(hào)的帶寬:最小頻移鍵控（MSK）8.2 2FSK的改進(jìn)型n 問題引出問題引出：l鍵控鍵控2FSK缺點(diǎn)：相位不連續(xù)、占用頻帶寬和功率譜缺點(diǎn)：相位不連續(xù)、占用頻帶寬和功率譜旁瓣衰減慢等。旁瓣衰減慢等。l OQPSK和和/4-QPSK雖然不會(huì)像雖然不會(huì)像QPSK那

12、樣發(fā)生那樣發(fā)生180相位突變，但未根本解決相位突變，但未根本解決包絡(luò)起伏包絡(luò)起伏問題。問題。 相位不連續(xù)引起相位不連續(xù)引起l MPSK（ 如QPSK）缺點(diǎn)：載波相位突變（）缺點(diǎn)：載波相位突變（ 180 ） 旁瓣大（頻譜擴(kuò)展）旁瓣大（頻譜擴(kuò)展）干擾鄰道干擾鄰道 ；包絡(luò)起伏包絡(luò)起伏大大 。n 究其原因究其原因：需求背景23n 解決途徑解決途徑：改善已調(diào)波的相位路徑改善已調(diào)波的相位路徑 已調(diào)波的頻譜特性與相位路徑密切相關(guān)?。ê惆j(luò)調(diào)制技術(shù) 的發(fā)展思路 ）采用相位連續(xù)變化的調(diào)制方式采用相位連續(xù)變化的調(diào)制方式CPMMSK就是一種就是一種包絡(luò)恒定包絡(luò)恒定、相位連續(xù)相位連續(xù)、頻差頻差最小，最小，并且嚴(yán)格正交

13、正交的2FSK（CPFSK）信號(hào)。正交正交兩個(gè)頻率的信號(hào)不相關(guān)，即兩個(gè)頻率的信號(hào)不相關(guān)，即10cos2cos2f ttf和的互相關(guān)系數(shù)的互相關(guān)系數(shù) 0 0 因此，因此，MSK 稱為最小頻移鍵控，稱為最小頻移鍵控， 又稱快速頻移鍵控（FFSK，F(xiàn)ast FSK）。頻差最小意味占用帶寬最小、 調(diào)制指數(shù)最?。篽=0.5 它相比它相比OQPSK 和和QPSK ，功率譜更為集中，即，功率譜更為集中，即 旁旁瓣衰減更快，對(duì)鄰道干擾小，適用于移動(dòng)通信適用于移動(dòng)通信。25”時(shí)發(fā)送“”時(shí)發(fā)送“010011)cos()cos()(tAtAteB)cos()cos(Tdttt000110B)cos()cos(Tdt

14、tt0010101010218.2.1 正交2FSK信號(hào)的最小頻率間隔 設(shè)設(shè) 2FSK信號(hào)碼元的表示式為信號(hào)碼元的表示式為 欲滿足欲滿足正交正交條件，則要求互相關(guān)系數(shù)條件，則要求互相關(guān)系數(shù)即要求即要求001010101010101010101)()sin()()sin()sin()sin(BBTT上式積分結(jié)果為上式積分結(jié)果為若設(shè)若設(shè) 1+ 0 1，則上式左端第，則上式左端第1和和3項(xiàng)項(xiàng)0，故有，故有0101010101)cos(sin()sin()cos(BBTT由于由于 1和和 0是任意常數(shù)，故必須同時(shí)有是任意常數(shù)，故必須同時(shí)有001BT)sin(101BT)cos(上式才等于零上式才等于零

15、mTB201)(BTmff/01應(yīng)當(dāng)令應(yīng)當(dāng)令即要求即要求當(dāng)取當(dāng)取m = 1時(shí)，滿足時(shí)，滿足正交正交條件的條件的最小頻率間隔：最小頻率間隔：BTff/min101 上面討論中，假設(shè)上面討論中，假設(shè)初始相位初始相位1 1和和0 0是任意的，它是任意的，它在接收端無法預(yù)知，因此只能采用在接收端無法預(yù)知，因此只能采用非非相干相干接收方法。接收方法。 注意注意：對(duì)于對(duì)于相干接收相干接收，則要求初始相位是確定的，在接收端，則要求初始相位是確定的，在接收端是預(yù)知的，這時(shí)可令是預(yù)知的，這時(shí)可令1 - 0 = 0。 于是，下式于是，下式001BT)sin(BTnff201/可化簡為可化簡為0101010101)

16、cos(sin()sin()cos(BBTT即僅要求即僅要求相干接收相干接收時(shí)，保證時(shí)，保證正交正交的的2FSK信號(hào)的信號(hào)的最小頻率間隔：最小頻率間隔：BTff2101/min8.2.2 MSK信號(hào)的基本原理BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(121 MSK信號(hào)的頻率間隔信號(hào)的頻率間隔MSK信號(hào)第信號(hào)第k個(gè)碼元表示：個(gè)碼元表示：k- -保證在保證在t=kTB時(shí)刻信號(hào)相位連續(xù)而加入的時(shí)刻信號(hào)相位連續(xù)而加入的相位常數(shù)。相位常數(shù)。 頻偏；-BkTa2這里這里TB=Tbc -載頻；載頻； TB - -碼元寬度；碼元寬度；ak = 1（對(duì)應(yīng)輸入碼元（對(duì)應(yīng)輸入碼元“1”和和 “0”）；）

17、；BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(12當(dāng)輸入碼元“1”時(shí) (ak = +1) ，碼元頻率 f1= fc + 1/(4TB)當(dāng)輸入碼元“0”時(shí) (ak = - 1) ，碼元頻率 f0= fc - 1/(4TB)BTfff2101/最小頻差最小頻差:調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù):0.51/BfhT121201kkkkkatfatfte當(dāng)當(dāng)),cos(),cos()()/()/(BBTffTffcc4141012 MSK碼元中波形的周期數(shù)碼元中波形的周期數(shù)可改寫為可改寫為式中式中BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(12B)cos()cos(Tkkdttftf001022M

18、SK信號(hào)應(yīng)滿足信號(hào)應(yīng)滿足正交正交條件：條件：N 正整數(shù)正整數(shù)由此推出由此推出 表明表明：MSK信號(hào)在每個(gè)碼元周期內(nèi)必須包含信號(hào)在每個(gè)碼元周期內(nèi)必須包含四分之一四分之一 載波周期的整數(shù)倍。載波周期的整數(shù)倍。B1, 2, 3, .4cnfnTB1()1, 2, 3, .44cBnmfNmTTB4cnTT 還可寫成還可寫成 或或1BB0BB1114411144ccmffNTTmffNTT并有并有 014141TmNTmNTBT1 = 1 / f1T0 = 1 / f0含義：一個(gè)碼元時(shí)間含義：一個(gè)碼元時(shí)間TB內(nèi)包含的正弦波周期數(shù)。內(nèi)包含的正弦波周期數(shù)。兩種碼元包含的正弦波數(shù)均相差兩種碼元包含的正弦波數(shù)

19、均相差1/2個(gè)周期。個(gè)周期。 當(dāng)當(dāng) N =1，m = 3 時(shí)時(shí) “1”的一個(gè)碼元內(nèi)有的一個(gè)碼元內(nèi)有 2 個(gè)正弦波周期。個(gè)正弦波周期。 “0”的一個(gè)碼元內(nèi)有的一個(gè)碼元內(nèi)有1.5個(gè)正弦波周期。個(gè)正弦波周期。014141TmNTmNTB例如3 MSK信號(hào)的信號(hào)的相位連續(xù)性相位連續(xù)性 前前一碼元一碼元末尾末尾的相位的相位 = 后后一碼元一碼元起始起始的相位的相位n 相位連續(xù)條件相位連續(xù)條件: :即在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻即在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻 t=kTB，滿足：，滿足：111112kkkkkkkkkaakaaaak,)(1 -k相位約束條件相位約束條件。據(jù)此確定初相。據(jù)此確定初相 k，使相位連續(xù)。，使相位連續(xù)。)(m

20、od,20或kl 若設(shè)若設(shè)k-1的初始參考值等于的初始參考值等于0，則，則( )cos(2)kkkcBe ttatT-11BB22kkkkaaTT=B BB Bk kT Tk kT TB BB Bk kT T t t ( (k k + +1 1) )T Tn MSK信號(hào)的相位信號(hào)的相位路徑路徑: :l第第k個(gè)碼元的附加相位：個(gè)碼元的附加相位： BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(12 斜率斜率 截距截距 直線方程直線方程B(1)( )2kkBBkatkTkTTtt 若若ak =+1，則，則k(t) 線性線性增增加加 /2l 任一任一TB內(nèi)內(nèi)下圖若若ak = -1，則，則 k(

21、t) 線性線性減減小小 /237l 附加相位附加相位k(t)的路徑示例：的路徑示例：-1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 +10 0 1 0 1 1 0 1 在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，MSK信號(hào)的附加相位信號(hào)的附加相位是是連續(xù)連續(xù)的！的！可見：可見：TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)l 附加相位附加相位k(t)的全部可能路徑：的全部可能路徑：上例上例 0 0 1 0 1 1 0 1TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)l 模模2 運(yùn)算后的附加相位路徑：運(yùn)算后的附加相位路徑： 設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)序列為設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)序列為 0010110101，采用，采用MSK方式傳輸，方式傳輸

22、，碼元速率為碼元速率為 1200Baud，載波頻率為，載波頻率為2400Hz。 （1）試求）試求“0”符號(hào)和符號(hào)和“1”符號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率；符號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率； （2）畫出）畫出 MSK信號(hào)時(shí)間波形；信號(hào)時(shí)間波形； （3）畫出）畫出 MSK信號(hào)附加相位路徑圖（初始相位為信號(hào)附加相位路徑圖（初始相位為0）。）。（1）設(shè)）設(shè)“0”對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) f0 ，“1” 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) f1，則有，則有解解例例0cs112002 4002100Hz44ffT1cs112002 4002 700Hz44ffT4TB4TB（2）MSK信號(hào)時(shí)間波形如圖所示：信號(hào)時(shí)間波形如圖所示：TBTB正弦波）正弦波）（3）MSK信號(hào)附加相位路徑圖

23、：信號(hào)附加相位路徑圖：可見：在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，可見：在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，MSK信號(hào)的相位信號(hào)的相位是是連續(xù)連續(xù)的。的。4 MSK信號(hào)的信號(hào)的正交表示法正交表示法）（BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(12進(jìn)行展開，表示成頻率為進(jìn)行展開，表示成頻率為fc的兩個(gè)正交分量：的兩個(gè)正交分量： 將將MSK信號(hào)信號(hào)( )cos()cossin()sin22kkkkckcBBaae tttttTTcoscossinsincos22sincoscossinsin22kkkkcBBkkkkcBBatattTTatattTT( )cos()cossin()sin22cocosskccBkBkktte

24、tttTxTa)(mod,20或k10kkcos,sin1kaBkBkBBkTtatTaTttTa2222sinsin,coscos及以及以及cos()cossin()sin22cBBkcktttTqTptcos1kkp cos1kkkkkapaq 正交分量(Q)同相分量( I )則則由式由式可知可知( )cos()cossin()sin22kccBkBktte tttTTpqcos1kkp cos1kkkkkapaq l 僅當(dāng)僅當(dāng) ak ak-1，且，且k為奇數(shù)為奇數(shù) 時(shí)，時(shí)，pk才改變：才改變：pk = - pk-1l 僅當(dāng)僅當(dāng) ak ak-1，且，且k為偶數(shù)為偶數(shù) 時(shí)，時(shí)，qk才改變：才

25、改變：qk = -qk-1111112kkkkkkkkkaakaaaak,)(1 -kl pk和和qk不可能同時(shí)改變不可能同時(shí)改變l pk和和ak同時(shí)改變時(shí)，同時(shí)改變時(shí)， qk =ak pk不改變不改變46l 同相同相支路支路( (I ) )數(shù)據(jù)和正交支路（數(shù)據(jù)和正交支路（Q）數(shù)據(jù)每隔）數(shù)據(jù)每隔2TB秒秒 才才有可能改變符號(hào)，有可能改變符號(hào)， 且且I 支路與支路與Q支路的碼元在時(shí)間上錯(cuò)開支路的碼元在時(shí)間上錯(cuò)開TB。l pk在在cos( t/2Ts)的過零點(diǎn)處才可能改變；的過零點(diǎn)處才可能改變；l qk在在sin ( t/2TB)的過零點(diǎn)處才可能改變；的過零點(diǎn)處才可能改變；l 因此，加權(quán)函數(shù)因此，

26、加權(quán)函數(shù)cos( t/2TB)和和sin ( t/2TB)都是正負(fù)符都是正負(fù)符號(hào)不同的半個(gè)正弦波周期。這樣就保證了波形的連續(xù)性號(hào)不同的半個(gè)正弦波周期。這樣就保證了波形的連續(xù)性。 設(shè)設(shè)k = 0時(shí)為初始狀態(tài)，輸入序列時(shí)為初始狀態(tài)，輸入序列 ak： +1， -1，+1，-1， -1， +1， +1， -1，+1 由此例可見，由此例可見，pk和和qk不可能同時(shí)改變符號(hào)。不可能同時(shí)改變符號(hào)。n MSK信號(hào)舉例信號(hào)舉例u取值表取值表這里這里TB=Tb 可見：可見：MSK信號(hào)波信號(hào)波形相當(dāng)于一種特殊形相當(dāng)于一種特殊的的OQPSK信號(hào)波形，信號(hào)波形，其正交的兩路碼元其正交的兩路碼元也是偏置的，特殊也是偏置的

27、，特殊之處主要在于其包之處主要在于其包絡(luò)是正弦形，而不絡(luò)是正弦形，而不是矩形。是矩形。a0a1a2a3a4a5a6a7a8a9akTB0t+1-1 TB 2TB 3TB 4TB 5TB 6TB 7TB 8TB 9TB 10TBt(mod 2)0+1tqk-10+1-1pkt00MSK信號(hào)t0qksin(t/2TB)sinctt0pkcos(t/2TB)cosctt2 TB0qksin(t/2TB)t0pkcos(t/2TB)u波形圖波形圖8.2.3 MSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)1 MSK信號(hào)的產(chǎn)生方法信號(hào)的產(chǎn)生方法( )cos()cossin()sin(1)22kccBBBBkktte tttkTt

28、pqkTTT （）差分差分編碼編碼串串/并并變換變換振蕩振蕩f=1/4TB振蕩振蕩f=fc移相移相/2移相移相/2cos(t/2TB)qkpkqksin(t/2TB)sin(t/2TB)cosctsinctakbk帶通帶通濾波濾波MSK信號(hào)信號(hào)-pkcos(t/2TB)cosctqksin(t/2TB)sinctpkcos(t/2TB)2 MSK信號(hào)的解調(diào)方法信號(hào)的解調(diào)方法多種。多種。如同如同2FSK,可以采用相干或非相干解調(diào)；可以采用相干或非相干解調(diào)；鑒頻器解調(diào)法，鑒頻器解調(diào)法，相關(guān)接收法等。相關(guān)接收法等。n 延時(shí)判決相干解調(diào)法延時(shí)判決相干解調(diào)法 考察考察k = 1和和k = 2的兩個(gè)碼元。

29、設(shè)的兩個(gè)碼元。設(shè)1(t) = 0，則，則在在t 2TB時(shí)，時(shí)，k(t)的相位可能為的相位可能為0或或，見，見圖圖 A。將這部分放大為將這部分放大為圖圖 B：u原理原理圖圖Bk(t)TB2TBTB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)圖圖Al在解調(diào)時(shí)，若用在解調(diào)時(shí)，若用cos(ct + /2)作為相干載波與作為相干載波與MSK信號(hào)相乘，則得到信號(hào)相乘，則得到:)(costtkc)/cos(2tc)(cos)(cos2221221tttkck)(sin2)(cos0ttvkkl低通濾波，并去掉常數(shù)低通濾波，并去掉常數(shù)(1/2)后，得到輸出電壓：后，得到輸出電壓：l 按照輸入碼元按照輸入碼元ak

30、的取值不同，的取值不同， v0的軌跡圖如下：的軌跡圖如下：v0(t)TB2TB若輸入的兩個(gè)碼元若輸入的兩個(gè)碼元:則則 k(t)在在(0 t 2TB)的值：的值：“+1, +1” 或或“+1, -1”“-1，+1”或或“-1，-1”為為正正為為負(fù)負(fù)按照此法，在按照此法，在TB t 3TB期間積分，期間積分， 就能判斷就能判斷 第第 2 個(gè)個(gè) 接收碼元的值，依此類推。接收碼元的值，依此類推。若在若在(0 t 2TB)期間對(duì)期間對(duì) 積分，則積分，則)(sintvk0積分結(jié)果為積分結(jié)果為正值正值，說明第，說明第1個(gè)接收碼元為個(gè)接收碼元為“+1”積分結(jié)果為積分結(jié)果為負(fù)值負(fù)值，說明第，說明第1個(gè)接收碼元為

31、個(gè)接收碼元為“-1” 圖中兩個(gè)積分判決器的積分時(shí)間長度均為圖中兩個(gè)積分判決器的積分時(shí)間長度均為2TB，但是錯(cuò)開時(shí)間但是錯(cuò)開時(shí)間TB。上上支路的積分判決器先給出支路的積分判決器先給出第第2i個(gè)個(gè)碼元碼元輸出，然后輸出，然后下下支路給出支路給出第第(2i+1)個(gè)個(gè)碼元輸出。碼元輸出。載波提取載波提取積分判決積分判決解調(diào)輸出解調(diào)輸出MSK信號(hào)信號(hào)(2i-1)TB， (2i+1)TB積分判決積分判決2iTB， 2 (i+1)TB此法利用前后兩個(gè)碼元的信息對(duì)于前一個(gè)碼元作判決，故此法利用前后兩個(gè)碼元的信息對(duì)于前一個(gè)碼元作判決，故可以提高數(shù)據(jù)接收的可靠性?？梢蕴岣邤?shù)據(jù)接收的可靠性。u方框圖方框圖8.2.4

32、 MSK信號(hào)的功率譜2222161232BccsTffTffTfP)()(cos)(BB注意注意: 圖中橫坐標(biāo)是以載頻為中心畫的，即橫坐標(biāo)代表圖中橫坐標(biāo)是以載頻為中心畫的，即橫坐標(biāo)代表(f fc) 可見可見：與：與QPSK 和和OQPSK相比相比，MSK的的譜密度更為集中，即旁譜密度更為集中，即旁瓣下降得更快，故對(duì)相瓣下降得更快，故對(duì)相鄰頻道的干擾較小。鄰頻道的干擾較小。歸一化歸一化 單邊功率譜密度單邊功率譜密度Ps(f)：（平均功率 1 W時(shí)） l包含包含90信號(hào)功率的帶寬近似值為：信號(hào)功率的帶寬近似值為： 對(duì)于對(duì)于QPSK、OQPSK、MSK： B 1/TB Hz對(duì)于對(duì)于BPSK： B 2

33、/TB Hzl包含包含99信號(hào)功率的帶寬近似值為：信號(hào)功率的帶寬近似值為：對(duì)于對(duì)于 MSK： B 1.2/TB Hz對(duì)于對(duì)于 QPSK及及OQPSK： B 6/TB Hz對(duì)于對(duì)于 BPSK： B 9/TB Hz 由此可見，由此可見，MSK信號(hào)的帶外功率下降非常快。信號(hào)的帶外功率下降非常快。計(jì)算表明計(jì)算表明8.2.5 MSK信號(hào)的誤碼性能l MSK信號(hào)是用極性相反的半個(gè)正（余）弦波形去調(diào)制兩個(gè)正交的載波。l 因此，當(dāng)用匹配濾波器分別接收每個(gè)正交分量時(shí)，MSK信號(hào)的誤比特率性能和2PSK、QPSK及及OQPSK等的性能一樣。l 但是，若把它當(dāng)作FSK信號(hào)用相干解調(diào)法在每個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間TB內(nèi)解調(diào)，則

34、其性能將比2PSK信號(hào)的性能差3dB。 l信號(hào)的包絡(luò)恒定；信號(hào)的包絡(luò)恒定；l在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，信號(hào)的相位連續(xù)；在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，信號(hào)的相位連續(xù)；l信號(hào)的頻偏等于信號(hào)的頻偏等于1/4TB，調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù)h=0.5；l在一個(gè)碼元期間，附加相位線性變化在一個(gè)碼元期間，附加相位線性變化/2；l 在每個(gè)碼元周期內(nèi)必須包含在每個(gè)碼元周期內(nèi)必須包含1/4 載波周期的整數(shù)倍；載波周期的整數(shù)倍；l 兩種碼元包含的正弦波數(shù)均相差兩種碼元包含的正弦波數(shù)均相差1/2個(gè)周期；個(gè)周期；l功率譜密度的主瓣較功率譜密度的主瓣較QPSK寬，但滾降速率較快。寬，但滾降速率較快。 MSK信號(hào)的主要特點(diǎn)；信號(hào)的主要特點(diǎn)；歸納歸納l移動(dòng)

35、通信移動(dòng)通信系統(tǒng)系統(tǒng)要求要求：信號(hào)譜的：信號(hào)譜的旁瓣旁瓣相對(duì)于相對(duì)于主瓣峰值主瓣峰值應(yīng)應(yīng)低于低于60 70dB。l盡管盡管MSK信號(hào)具有較好的頻譜特性和誤碼性能，信號(hào)具有較好的頻譜特性和誤碼性能， 但但仍不能滿足此要求。仍不能滿足此要求。l因此，需要對(duì)因此，需要對(duì)MSK的帶外頻譜特性進(jìn)行改進(jìn)，的帶外頻譜特性進(jìn)行改進(jìn)， 使其使其衰減速度加快。衰減速度加快。進(jìn)一步改進(jìn)GMSKGMSK的功率譜密度比MSK的更加集中，旁瓣進(jìn)一步降低，能滿足蜂窩移動(dòng)通信環(huán)境下對(duì)帶外輻射的嚴(yán)格要求。在MSK調(diào)制之前，用一個(gè)高斯型低通濾波器對(duì)矩形的輸入基帶信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，這種體制稱為GMSK。8.2.6 高斯最小頻移鍵控(

36、GMSK)（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）n 高斯型低通濾波器高斯型低通濾波器22( )exp()H ff2( )exph ttln2 10.5887=2BBB濾波器的濾波器的3dB帶寬帶寬BTb歸一化歸一化3dB帶寬帶寬l 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)l 沖激響應(yīng)沖激響應(yīng)62BTb越小，輸出脈沖的寬度越大，越小，輸出脈沖的寬度越大，ISI越嚴(yán)重。越嚴(yán)重。讓一個(gè)高為讓一個(gè)高為1，持續(xù)時(shí)間為，持續(xù)時(shí)間為(-Tb/2 +Tb/2)的的矩形方波矩形方波通過該濾波器，則其輸出通過該濾波器，則其輸出脈沖脈沖g(t)在在Tb/2變得圓滑。變得圓滑。l高斯濾波器

37、的矩形脈沖響應(yīng)高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)n GMSK信號(hào)的相位路徑信號(hào)的相位路徑可見：消除了可見：消除了MSK相位路徑在相位路徑在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位轉(zhuǎn)折點(diǎn)的相位轉(zhuǎn)折點(diǎn) 沒有沒有相位相位轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該時(shí)刻的該時(shí)刻的導(dǎo)數(shù)導(dǎo)數(shù)也是連續(xù)的，即信號(hào)也是連續(xù)的，即信號(hào)的的頻率頻率不會(huì)突變，這將使信號(hào)譜的旁瓣衰減更快。不會(huì)突變，這將使信號(hào)譜的旁瓣衰減更快。64n GMSK信號(hào)信號(hào)的的功率譜密度的的功率譜密度BTb越小，越小，功率譜的衰降越快功率譜的衰降越快BTb越小，越小，輸出脈沖寬度越大，輸出脈沖寬度越大，ISI越嚴(yán)重。越嚴(yán)重。 GMSK的的缺點(diǎn)缺點(diǎn) GMSK的的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)在第二代 移動(dòng)通信系

38、統(tǒng)（GSM）中，采用BTb = 0.3的GMSK調(diào)制。65 正交頻分復(fù)用（OFDM）8.3 一種多載波調(diào)制技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ） 具有較強(qiáng)的抗多徑傳播和抗頻率選擇性衰落的能力以及較 高的頻譜利用率，在高速無線通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。多載波調(diào)制 它是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流調(diào)制到單個(gè)載波上進(jìn)行傳送，前面介紹的各種數(shù)字調(diào)制方式都屬于單載波體制。 問題引出n單載波調(diào)制單載波調(diào)制8.3.1 概述存在問題存在問題單個(gè)載波上 它是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流調(diào)制到單個(gè)單個(gè)載波上進(jìn)行傳送，前面介紹的各種數(shù)字調(diào)制方式都屬于單載波體制。 問題引出n單載波

39、調(diào)制單載波調(diào)制8.3.1 概述|C(f)|tffBTB 高速數(shù)據(jù)信號(hào)的碼元持續(xù)時(shí)間TB 短，但占用帶寬B大 信道特性|C(f)|不理想，將產(chǎn)生碼間串?dāng)_ ISI。 存在問題存在問題|C(f)|信道最大多徑遲延差 TB max ，產(chǎn)生頻率選擇性衰落。 需復(fù)雜的均衡68NTBtfB/N 解決途徑 信道信道 N個(gè)個(gè)子信道子信道，高速，高速 N 路路 低速低速子子數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流， 分別調(diào)制到各子載波上分別調(diào)制到各子載波上并行并行傳輸。傳輸。n多載波調(diào)制多載波調(diào)制串/并分成 帶寬: Bi = B/N 碼元持續(xù)時(shí)間: Ti = NTB 數(shù)據(jù)傳輸速率: Ri = RB/N信道最大多徑遲延max 子信道子信道|

40、C(f)|tffBTBBTBn 正交頻分復(fù)用（正交頻分復(fù)用（OFDM） 一類多載波并行調(diào)制體制 將高速數(shù)據(jù)流分散調(diào)制到多個(gè)子載波上并行傳輸，從而使各子 載波的信號(hào)速率大為降低； 子信道上的信號(hào)帶寬信道的相關(guān)帶寬， 每個(gè)子信道上可看成是平坦性衰落，從而可消除ISI 、提高抗多徑和抗衰落的能力。 各路子載波的已調(diào)信號(hào)頻譜有1/2重疊 提高了頻率利用率和總傳輸速率； 特點(diǎn)設(shè)計(jì)思想子信道的均衡也相對(duì)容易 各路已調(diào)信號(hào)是嚴(yán)格正交的 便于接收端分離各路信號(hào)，減少子信道之間的相互干擾（ICI）； 每路子載波的調(diào)制制度可以不同根據(jù)每個(gè)子載波處信道特性的優(yōu)劣不同采用不同的體制。 對(duì)信道產(chǎn)生的頻率偏移和相位噪聲很

41、敏感； 信號(hào)峰值功率和平均功率的比值較大，這將會(huì)降低射頻功率放大器的效率； 對(duì)同步要求嚴(yán)格。 缺點(diǎn)：8.3.2 OFDM的基本原理n 表 示 式l 設(shè)OFDM系統(tǒng)中有N個(gè)子信道，每個(gè)子信道采用的子載波為：12102-)cos()(NktfBtxkkkk，式中，Bk 、fk、k 分別為 第k路子載波的振幅、頻率、初始相位； Bk 受基帶碼元的調(diào)制。則此系統(tǒng)中的 N 路子信號(hào)之和為：10102NkkkkNkktfBtxte)cos()()(l 可改寫成：102BNktfjkkkete)()(式中，Bk是一個(gè)復(fù)數(shù)，為第k路子信道中的復(fù)輸入數(shù)據(jù)。022210dttfftffikikTikikB)(co

42、s()(cos(即n 正交條件l 為了使這 N 路子信道信號(hào)在接收時(shí)能夠完全分離，要求它們滿足正交條件。在TB內(nèi)，任意兩個(gè)子載波都正交的條件是：0)(2sin)(2sin)(2)(2sin)(2)(2sinikikikikikiksikikiksikffffffTffffTffl 積分結(jié)果為B0cos(2)cos(2)0Tkkiif tf tdtnTffmTffsiksik)()(和其中，m = 整數(shù)和n = 整數(shù)；并且k和i可以取任意值。BB/ )(,/ )(TnmfTnmfik22l上式等于0的條件：這就是子載頻正交的條件。 l 即要求子載頻滿足 fk = k/2TB ，式中 k = 整數(shù)；且要求子載頻間隔 f = fk fi = n/TB，故要求的最小子載頻間隔為：minB1/fTn OFDM的頻域特性TBtfk+1/TBfkfl