北郵通信原理(第8章)

會(huì)計(jì)學(xué)1北郵通信原理課件(第8章)8.1引言

在第6章中已經(jīng)討論了幾種基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)的調(diào)制和解調(diào)原理。隨著數(shù)字通信的迅速發(fā)展，各種數(shù)字調(diào)制方式也在不斷地改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)代通信系統(tǒng)中出現(xiàn)了很多性能良好的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。本章我們主要介紹目前實(shí)際通信系統(tǒng)中常使用的幾種現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)。首先介紹幾種恒包絡(luò)調(diào)制，包括偏移四相相移鍵控（OQPSK）、π/4四相相移鍵控（π/4

-QPSK）、最小頻移鍵控（MSK）和高斯型最小頻移鍵控（GMSK）；然后介紹正交幅度調(diào)制（QAM），它是一種不恒定包絡(luò)調(diào)制。在介紹了這幾種單載波調(diào)制后，再引入多載波調(diào)制，著重介紹其中的正交頻分復(fù)用（OFDM）。第1頁(yè)/共52頁(yè)8.2偏移四相相移鍵控（OQPSK）在數(shù)字調(diào)制中，假設(shè)QPSK信號(hào)的每個(gè)碼元的包絡(luò)為矩形方波，則高頻信號(hào)也具有恒包絡(luò)特性，但這時(shí)已調(diào)信號(hào)的頻譜將為無(wú)窮大，而實(shí)際上信道帶寬總是有限的，為了對(duì)QPSK信號(hào)的帶寬進(jìn)行限制，先將基帶雙極性矩形不歸零脈沖序列先經(jīng)過(guò)基帶成形濾波器進(jìn)行限帶，然后再進(jìn)行QPSK調(diào)制。問(wèn)題是：通過(guò)帶限處理后的QPSK信號(hào)將不再是恒包絡(luò)了。而且當(dāng)碼組，或時(shí)，會(huì)產(chǎn)生的載波相位跳變，這種相位跳變會(huì)引起帶限處理后的QPSK信號(hào)包絡(luò)起伏，甚至出現(xiàn)包絡(luò)為0的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象必須避免，這是因?yàn)楫?dāng)通過(guò)非線性器件后，包絡(luò)起伏很大的限帶QPSK信號(hào)的功率譜旁瓣增生，導(dǎo)致頻譜擴(kuò)散，增加對(duì)相鄰信道的干擾。為了消除的相位跳變，在QPSK的基礎(chǔ)上提出了OQPSK。第2頁(yè)/共52頁(yè)第3頁(yè)/共52頁(yè)（a）QPSK信號(hào)的相位關(guān)系（b）OQPSK信號(hào)的相位關(guān)系

圖8-1QPSK和OQPSK信號(hào)的相位關(guān)系第4頁(yè)/共52頁(yè)由于OQPSK信號(hào)也可以看作是由同相支路和正交支路的2PSK信號(hào)的疊加，所以O(shè)QPSK信號(hào)的功率譜與QPSK信號(hào)的功率譜形狀相同。如果采用相干解調(diào)方式，理論上OQPSK信號(hào)的誤碼性能與相干解調(diào)的QPSK相同。但是，頻帶受限的OQPSK信號(hào)包絡(luò)起伏比頻帶受限的QPSK信號(hào)小，經(jīng)限幅放大后頻譜展寬的少，所以O(shè)QPSK的性能優(yōu)于QPSK。在實(shí)際中，OQPSK比QPSK應(yīng)用更廣泛。第5頁(yè)/共52頁(yè)8.3π/4四相相移鍵控第6頁(yè)/共52頁(yè)圖8-3π/4-QPSK信號(hào)的星座圖第7頁(yè)/共52頁(yè)第8頁(yè)/共52頁(yè)8.4最小頻移鍵控（MSK）第9頁(yè)/共52頁(yè)第10頁(yè)/共52頁(yè)8.4.1MSK信號(hào)的正交性第11頁(yè)/共52頁(yè)第12頁(yè)/共52頁(yè)8.4.2MSK信號(hào)的相位連續(xù)性第13頁(yè)/共52頁(yè)8.4.3MSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)第14頁(yè)/共52頁(yè)圖8-7MSK信號(hào)的產(chǎn)生方框圖第15頁(yè)/共52頁(yè)圖8-8MSK解調(diào)器原理框圖第16頁(yè)/共52頁(yè)8.4.4MSK信號(hào)的頻譜特性第17頁(yè)/共52頁(yè)圖8-9MSK、GMSK和OQPSK等信號(hào)的功率譜密度第18頁(yè)/共52頁(yè)8.5高斯最小頻移鍵控（GMSK）第19頁(yè)/共52頁(yè)第20頁(yè)/共52頁(yè)第21頁(yè)/共52頁(yè)8.6正交幅度調(diào)制（QAM）正交振幅調(diào)制（QAM）是一種幅度和相位聯(lián)合鍵控（APK）的調(diào)制方式。它可以提高系統(tǒng)可靠性，且能獲得較高的信息頻帶利用率，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種數(shù)字調(diào)制方式。第22頁(yè)/共52頁(yè)8.6.1正交振幅調(diào)制的信號(hào)表示正交振幅調(diào)制是用兩路獨(dú)立的基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。第23頁(yè)/共52頁(yè)一、時(shí)域表示第24頁(yè)/共52頁(yè)第25頁(yè)/共52頁(yè)二、矢量圖第26頁(yè)/共52頁(yè)圖8-1016QAM的星座圖對(duì)于M=16的16QAM來(lái)說(shuō)，有多種分布形式的信號(hào)星座圖。兩種具有代表意義的信號(hào)星座圖如圖8-10所示。在圖8-10（a）中，信號(hào)點(diǎn)的分布成方型，故稱(chēng)為矩形16QAM星座，也稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)型16QAM。在圖8-10（b）中，信號(hào)點(diǎn)的分布成星型，故稱(chēng)為星型16QAM星座。第27頁(yè)/共52頁(yè)第28頁(yè)/共52頁(yè)由此可見(jiàn)，方型和星型16QAM兩者功率相差1.4dB。另外，兩者的星座結(jié)構(gòu)也有重要的差別，一是星型16QAM只有兩個(gè)振幅值，而方型16QAM有三種振幅值；二是星型16QAM只有8種相位值，而方型16QAM有12種相位值。這兩點(diǎn)使得在衰落信道中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。但是由于方型星座QAM信號(hào)所需的平均發(fā)送功率僅比最優(yōu)的QAM星座結(jié)構(gòu)的信號(hào)平均功率稍大，而方型星座的MQAM信號(hào)的產(chǎn)生及解調(diào)比較容易實(shí)現(xiàn)，所以方型星座的MQAM信號(hào)在實(shí)際通信中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)M=4,16,32,64時(shí)MQAM信號(hào)的星座圖如圖8-11所示。第29頁(yè)/共52頁(yè)圖8-11MQAM信號(hào)的星座圖第30頁(yè)/共52頁(yè)8.6.2MQAM信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào)第31頁(yè)/共52頁(yè)圖8-12QAM信號(hào)調(diào)制原理圖第32頁(yè)/共52頁(yè)圖8-13MQAM信號(hào)相干解調(diào)原理圖MQAM信號(hào)可以采用正交相干解調(diào)方法，其解調(diào)器原理圖8-13所示。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)。第33頁(yè)/共52頁(yè)8.6.3MQAM信號(hào)的頻帶利用率第34頁(yè)/共52頁(yè)8.6.4MQAM信號(hào)的抗噪性能分析在矢量圖中可以看出各信號(hào)點(diǎn)之間的距離，相鄰點(diǎn)的最小距離直接代表噪聲容限的大小。比如，隨著進(jìn)制數(shù)M的增加，在信號(hào)空間中各信號(hào)點(diǎn)間的最小距離減小，相應(yīng)的信號(hào)判決區(qū)域隨之減小，因此，當(dāng)信號(hào)受到噪聲和干擾的損害時(shí)，接收信號(hào)錯(cuò)誤概率將隨之增大。下面我們從這個(gè)角度出發(fā)，來(lái)比較一下相同進(jìn)制數(shù)時(shí)PSK和QAM的抗噪性能。第35頁(yè)/共52頁(yè)第36頁(yè)/共52頁(yè)第37頁(yè)/共52頁(yè)8.7 正交頻分復(fù)用（OFDM）第38頁(yè)/共52頁(yè)8.7.1多載波調(diào)制技術(shù)多載波調(diào)制技術(shù)是一種并行體制，它將高速率的數(shù)據(jù)序列經(jīng)串/并變換后分割為若干路低速數(shù)據(jù)流，每路低速數(shù)據(jù)采用一個(gè)獨(dú)立的載波調(diào)制，疊加在一起構(gòu)成發(fā)送信號(hào)，在接收端用同樣數(shù)量的載波對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相干接收，獲得低速率信息數(shù)據(jù)后，再通過(guò)并/串變換得到原來(lái)的高速信號(hào)。多載波傳輸系統(tǒng)原理框圖如圖8-14所示。第39頁(yè)/共52頁(yè)圖8-14多載波傳輸系統(tǒng)原理框圖第40頁(yè)/共52頁(yè)在多載波調(diào)制方式中，子載波設(shè)置主要有3種方案。圖8-15（a）為傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方案，它將整個(gè)頻帶劃分為N個(gè)互不重疊的子信道。在接收端可以通過(guò)濾波器組進(jìn)行分離。圖8-15（b）為偏置QAM方案，它在3dB處載波頻譜重疊，其復(fù)合譜是平坦的。第三種方案為正交頻分復(fù)用（OFDM）方案，要求各子載波保持相互正交。第41頁(yè)/共52頁(yè)圖8-15子載波的兩種設(shè)置方案第42頁(yè)/共52頁(yè)8.7.2正交頻分復(fù)用技術(shù)第43頁(yè)/共52頁(yè)圖8-16OFDM調(diào)