第8章新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)1

第8章新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)主要內(nèi)容：正交振幅調(diào)制最小頻移鍵控和高斯最小頻移鍵控正交頻分復(fù)用8.1正交振幅調(diào)制QAM在系統(tǒng)帶寬一定的情況下，多進(jìn)制調(diào)制的信息傳輸速率比二進(jìn)制高，即多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的頻帶利用率高，提高了有效性。多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)頻帶利用率的提高是通過犧牲功率利用率來換取的，降低了可靠性。解決方法：振幅相位聯(lián)合鍵控(APK)幅相鍵控信號(hào)的一般表示式為基帶信號(hào)幅度

寬度為Ts的單個(gè)基帶信號(hào)波形APK信號(hào)可看作兩個(gè)正交調(diào)制信號(hào)之和信號(hào)矢量圖 在信號(hào)表示式中，若k值僅可以取/4和-/4，Ak值僅可以取+A和-A，則此QAM信號(hào)就成為QPSK信號(hào)，如下圖所示：所以，QPSK信號(hào)就是一種最簡單的QAM信號(hào)。有代表性的QAM信號(hào)是16進(jìn)制的，記為16QAM，它的矢量圖示于下圖中：Ak 類似地，有64QAM和256QAM等QAM信號(hào)，如下圖所示： 它們總稱為MQAM調(diào)制。由于從其矢量圖看像是星座，故又稱星座調(diào)制。64QAM信號(hào)矢量圖256QAM信號(hào)矢量圖16QAM信號(hào)產(chǎn)生方法正交調(diào)幅法：用兩路獨(dú)立的正交4ASK信號(hào)疊加，形成16QAM信號(hào)，如下圖所示。

AM復(fù)合相移法：它用兩路獨(dú)立的QPSK信號(hào)疊加，形成16QAM信號(hào)，如下圖所示。

AMAM圖中虛線大圓上的4個(gè)大黑點(diǎn)表示第一個(gè)QPSK信號(hào)矢量的位置。在這4個(gè)位置上可以疊加上第二個(gè)QPSK矢量，后者的位置用虛線小圓上的4個(gè)小黑點(diǎn)表示。16QAM和16PSK的信號(hào)星座圖16QAM信號(hào)表達(dá)式最大功率（或振幅）相等16PSK相鄰信號(hào)點(diǎn)的距離

16QAM相鄰信號(hào)點(diǎn)的距離

L是在兩個(gè)正交方向（x或y）上信號(hào)的電平數(shù)，M為進(jìn)制數(shù)d2超過d11.62dB即在最大功率（峰值功率）相等的情況下，16QAM信號(hào)比16PSK信號(hào)性能好1.62dB在最大功率相等情況下比較是不實(shí)際的，應(yīng)該以信號(hào)的平均功率相等為條件來比較上述信號(hào)的距離才是合理的QAM信號(hào)的峰值功率與平均功率之比

L=4PSK信號(hào)的峰值功率與平均功率之比

16QAM比16PSK約大2.55dB

在平均功率相等的情況下，16QAM的相鄰信號(hào)最小距離超過16PSK約4.19dB，也就是抗干擾的能力更強(qiáng)。當(dāng)M大于4時(shí)，MQAM的抗噪聲性能優(yōu)于MPSK，且隨著M的增加，這種優(yōu)勢(shì)越明顯只有兩個(gè)振幅值有三種振幅值

8種相位

12種相位

在衰落信道中星型16QAM比方型16QAM星座更具有吸引力實(shí)例：在下圖中示出一種用于調(diào)制解調(diào)器的傳輸速率為9600b/s的16QAM方案，其載頻為1650Hz，濾波器帶寬為2400Hz，滾降系數(shù)為10％。(a)傳輸頻帶(b)16QAM星座1011100111101111101010001100110100010000010001100011001001010111A24008.2最小頻移鍵控和高斯最小頻移鍵控MSK(MinimumFrequencyShiftKeying)是二進(jìn)制連續(xù)相位FSK的一種特殊形式，MSK稱為最小移頻鍵控，有時(shí)也稱為快速移頻鍵控(FFSK)。所謂“最小”是指這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)(0.5)獲得正交信號(hào)；而“快速”是指在給定同樣的頻帶內(nèi)，MSK能比2PSK的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，且在帶外的頻譜分量要比2PSK衰減的快。

最小頻移鍵控（MSK）定義：是一種包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、帶寬最小并且嚴(yán)格正交的2FSK信號(hào)，其波形圖如下：正交2FSK信號(hào)的最小頻率間隔假設(shè)2FSK信號(hào)碼元的表示式為為了滿足正交條件，要求即要求上式積分結(jié)果為 假設(shè)1+0>>1，上式左端第1和3項(xiàng)近似等于零，則它可化簡為 由于1和0是任意常數(shù)，故必須同時(shí)有 上式才等于零。 為了同時(shí)滿足這兩個(gè)要求，應(yīng)當(dāng)令 即要求 所以，當(dāng)取m=1時(shí)是最小頻率間隔。故最小頻率間隔等于1/Ts。 上面討論中，假設(shè)初始相位1和0是任意的，它在接收端無法預(yù)知，所以只能采用非相干檢波法接收。對(duì)于相干接收，則要求初始相位是確定的，在接收端是預(yù)知的，這時(shí)可以令1-0=0。于是，下式 可以化簡為 因此，僅要求滿足

所以，對(duì)于相干接收，保證正交的2FSK信號(hào)的最小頻率間隔等于1/2Ts。MSK信號(hào)的基本原理

MSK信號(hào)的第k個(gè)碼元可以表示為式中，c

－載波角載頻；

ak=1（當(dāng)輸入碼元為“1”時(shí)，ak=+1； 當(dāng)輸入碼元為“0”時(shí)，ak=-1）；

Ts

－碼元寬度；

k

－第k個(gè)碼元的初始相位，它在一個(gè)碼元寬度 中是不變的。ak=1，分別表示二進(jìn)制信息1和0相應(yīng)地MSK信號(hào)的兩個(gè)頻率可表示為第k個(gè)碼元的初始相位第k個(gè)碼元的附加相位由上式可以得知：式中，T1=1/f1；T2=1/f2 上式給出一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)包含的正弦波周期數(shù)。由此式看出，無論兩個(gè)信號(hào)頻率f1和f0等于何值，這兩種碼元包含的正弦波數(shù)均相差1/2個(gè)周期。MSK信號(hào)的歸一化雙邊功率頻譜密度為式中，fc為載頻，Ts為碼元寬度。與QPSK和OQPSK信號(hào)相比，MSK信號(hào)功率譜更為集中，即其旁瓣下降得更快。故它對(duì)相鄰頻道的干擾較小。計(jì)算表明，包含99%信號(hào)功率的帶寬近似值中，約為1.2/Ts；QPSK及OQPSK其次，為6/Ts；BPSK最大，為9/Ts。由此可見，MSK信號(hào)的帶外功率下降非常快。橫坐標(biāo)是以載頻為中心畫的，即橫坐標(biāo)代表頻率Ts碼元間隔（2）GMSK（高斯最小頻移鍵控）目的：改善MSK頻譜利用率方法：在頻率調(diào)制之前用一個(gè)高斯低通濾波器對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波。低通濾波可以除去s(t)中的高頻分量，得到比較緊湊的功率譜。高斯低通濾波器的沖激響應(yīng)H(f)是對(duì)稱于f=0的鐘形高斯濾波器GMSK：先用高斯濾波器將基帶信號(hào)成形為高斯形脈沖，然后再進(jìn)行MSK調(diào)制，稱為高斯最小頻移鍵控。習(xí)慣上使用BT來作為GMSK的重要指標(biāo)。其中，B為3dB帶寬，T為碼元間隔。BT表明濾波器的3dB帶寬與碼元速率的關(guān)系，例如，BT=0.5就表示濾波器的3dB帶寬是碼元速率的0.5倍。3dB基帶帶寬GMSK優(yōu)點(diǎn)（1）既可以像MSK那樣相干檢測(cè)，也可以像FSK那樣非相干檢測(cè)。（2）GMSK最吸引人的性能是它既具有出色的功率利用率（GMSK信號(hào)是恒包絡(luò)的），又具有很好的譜利用率。GMSK缺點(diǎn)：存在碼間串?dāng)_，降低了可靠性。

8.3正交頻分復(fù)用概述單載波體制：碼元持續(xù)時(shí)間Ts短，但占用帶寬B大；由于信道特性|C(f)|不理想，產(chǎn)生碼間串?dāng)_。多載波體制：將信道分成許多子信道。假設(shè)有10個(gè)子信道，則每個(gè)載波的調(diào)制碼元速率將降低至1/10，每個(gè)子信道的帶寬也隨之減小為1/10。若子信道的帶寬足夠小，則可以認(rèn)為信道特性接近理想信道特性，碼間串?dāng)_可以得到有效的克服。fttBBTsNTs單載波調(diào)制多載波調(diào)制f|C(f)||C(f)|ffc(t)t多載波調(diào)制原理正交頻分復(fù)用(OFDM)：一類多載波并行調(diào)制體制OFDM的特點(diǎn)：為了提高頻率利用率和增大傳輸速率，各路子載波的已調(diào)信號(hào)頻譜有部分重疊；各路已調(diào)信號(hào)是嚴(yán)格正交的，以便接收端能完全地分離各路信號(hào)；每路子載波的調(diào)制是多進(jìn)制調(diào)制；每路子載波的調(diào)制制度可以不同，根據(jù)各個(gè)子載波處信道特性的優(yōu)劣不同采用不同的體制。并且可以自適應(yīng)地改變調(diào)制體制以適應(yīng)信道特性的變化。OFDM的缺點(diǎn)：對(duì)信道產(chǎn)生的頻率偏移和相位噪聲很敏感；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。OFDM的基本原理 設(shè)在一個(gè)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

式中，Bk

－第k路子載波的振幅，它受基帶碼元的調(diào)制

fk

－第k路子載波的頻率

k

－第k路子載波的初始相位 則在此系統(tǒng)中的N路子信號(hào)之和可以表示為 上式可以改寫成實(shí)函數(shù)第k路子信道中的復(fù)輸入數(shù)據(jù),是復(fù)數(shù)Bk應(yīng)該使上式右端的虛部等于零正交條件為了使這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。在碼元持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)任意兩個(gè)子載波都正交的條件是：

三角公式展開得到積分結(jié)果為 令上式等于0的條件是： 其中m=整數(shù)和n=整數(shù)；并且k和i可以取任意值。 由上式解出，要求

fk=(m+n)/2Ts，fi=(m–n)/2Ts 即要求子載頻滿足fk=k/2Ts，式中k=整數(shù)；且要求子載頻間隔f=fk–fi=n/Ts，故要求的最小子載頻間隔為

fmin=1/Ts

這就是子載頻正交的條件。 OFDM的頻域特性 設(shè)在一個(gè)子信道中，子載波的頻率為fk、碼元持續(xù)時(shí)間為Ts，則此碼元的波形和其頻譜密度畫出如下圖：

ffkfk+1/TsTst在OFDM中，各相鄰子載波的頻率間隔等于最小容許間隔故各子載波合成后的頻譜密度曲線如下圖

圖中各路子載波的頻譜重疊，但是實(shí)際上在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)它們是正交的。故在接收端很容易利用此正交特性將各路子載波分離開。采用這樣密集的子載頻，并且在子信道間不需要保護(hù)頻帶間隔，因此能夠充分利用頻帶。這是OFDM的一大優(yōu)點(diǎn)。fk＋2/Tsfk＋1/Tsfkff各路子載波的調(diào)制制度可以不同，按照各個(gè)子載波所處頻段的信道特性采用不同的調(diào)制制度，并且可以隨信道特性的變化而改變，具有很大的靈活性。這是OFDM