第4章-調(diào)制技術(shù)...ppt

1、,第五章 調(diào)制技術(shù)主講人：劉勁聯(lián)系方式：,主要內(nèi)容,5.1 數(shù)字調(diào)制技術(shù)介紹 5.2 信號(hào)成形 5.3 蜂窩無(wú)線系統(tǒng)中的調(diào)制 5.4 正交頻分復(fù)用,概述,問(wèn)題一：為什么要采用調(diào)制技術(shù)？ 問(wèn)題二：根據(jù)上學(xué)期通信原理中已經(jīng)學(xué) 過(guò)的知識(shí)，分析何種調(diào)制方式更適合移動(dòng)信 道？,調(diào)制在通信系統(tǒng)中占有十分重要的地位，只有經(jīng)過(guò)調(diào)制才能將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號(hào)，而且它對(duì)系統(tǒng)的傳輸有效性和可靠性都有很大的影響。,調(diào)制信號(hào),已調(diào)信號(hào),載波,幅度,相位,頻率,概述,在無(wú)線移動(dòng)信道中，當(dāng)衰落和多徑條件很惡劣時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)能抵抗移動(dòng)信道損耗的調(diào)制方案，是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，研究的最終目的就是在無(wú)線信道中以

2、盡可能好的質(zhì)量同時(shí)占用最少的帶寬來(lái)傳輸信號(hào)。,概述,概述,第一代蜂窩系統(tǒng) AMPS：模擬FM 第二代蜂窩系統(tǒng) D-AMPS：824-849MHz（上行） 869-894MHz（下行） /4正交相移鍵控(/4QPSK) IS-95(CDMA)：QPSK(上行)，OQPSK(下行) GSM：890-915MHz(上行) 935-960MHz(下行) 高斯最小移頻鍵控(0.3 GMSK),一、數(shù)字調(diào)制的性能指標(biāo) 功率有效性P (Power Efficiency)：反映調(diào)制技術(shù)在低功率電平情況下保證系統(tǒng)誤碼性能的能力，可表述成每比特的信號(hào)能量與噪聲功率譜密度之比： 帶寬有效性B (Spectral E

3、fficiency)：反映調(diào)制技術(shù)在一定的頻帶內(nèi)數(shù)字有效性的能力，可表述成在給定帶寬條件下每赫茲的數(shù)據(jù)通過(guò)率：,5.1 數(shù)字調(diào)制技術(shù)介紹,由香農(nóng)(Shannon)定理： 因此，最大可能的BMAX為 對(duì)于GSM，B=200kHz，SNR=10dB，則有： 對(duì)于GSM目前實(shí)際數(shù)據(jù)速率為270.833kb/s，只達(dá)到信道容量的40%。,一、數(shù)字調(diào)制的性能指標(biāo),數(shù)字調(diào)制的目的在于使傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)與信道特性相匹配，必須具有優(yōu)良的頻譜特性和抗干擾、抗衰落性能； 移動(dòng)通信要求采用恒定包絡(luò)數(shù)字調(diào)制技術(shù); 應(yīng)盡量避免幅-相轉(zhuǎn)換(AM/PM)效應(yīng); 要求調(diào)制方式具有最小的功率譜占用率。,二、蜂窩系統(tǒng)對(duì)數(shù)字調(diào)制技術(shù)

4、的要求,三、幾種基本的數(shù)字調(diào)制方式,調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)時(shí)的調(diào)制方式統(tǒng)稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。在這類調(diào)制中，載波的某個(gè)參數(shù)（如幅度、頻率或相位）只有兩種變化的狀態(tài)。由于兩種狀態(tài)的切換與通斷鍵控相當(dāng)，所以二進(jìn)制調(diào)制分為幅度鍵控、頻移鍵控和相移鍵控三種。,1. 二進(jìn)制幅度鍵控BASK,又稱為開關(guān)鍵控OOK，已調(diào)信號(hào)的幅度有兩種狀態(tài)變化。 數(shù)學(xué)表達(dá)式： 已調(diào)信號(hào)波形：,BASK的功率譜密度： BASK的帶寬：2B,(b) 功率譜密度Ps(f)的曲線,1. 二進(jìn)制幅度鍵控BASK,1. 二進(jìn)制幅度鍵控BASK,特點(diǎn)：,信號(hào)突然消失和再次出現(xiàn)需要無(wú)限的帶寬,已調(diào)信號(hào)的幅度有變化,信號(hào)成形,不適合移動(dòng)通信

5、系統(tǒng)！,已調(diào)信號(hào)的頻率有兩種狀態(tài)變化。 數(shù)學(xué)表達(dá)式： 已調(diào)信號(hào)波形：,2. 二進(jìn)制頻率鍵控BFSK,恒包絡(luò)變換,2FSK的功率譜： 2FSK的帶寬：,2. 二進(jìn)制頻率鍵控BFSK,已調(diào)信號(hào)的相位有兩種狀態(tài)變化。 數(shù)學(xué)表達(dá)式： 已調(diào)信號(hào)波形：,3. 二進(jìn)制相移鍵控BPSK,恒包絡(luò)變換,BPSK在接收端必須使用相干參考信號(hào)，才能確定BPSK信號(hào)的相位變化，所以BPSK信號(hào)只有與作為基準(zhǔn)的相干參考信號(hào)比較相位才有意義。 產(chǎn)生相位模糊,3. 二進(jìn)制相移鍵控BPSK,BPSK的功率譜密度： BPSK的帶寬： 2B,3. 二進(jìn)制相移鍵控BPSK,4. 性能比較,-6 -3 0 3 6 9 12 15 18

6、 信噪比r (dB),1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7,Pe,誤碼率曲線,5.2 信號(hào)成形,一、概述 1. 信號(hào)成形的目的 如：2ASK：幅度的突變無(wú)限帶寬 2PSK：相位的突變無(wú)限帶寬 實(shí)際中不可能出現(xiàn)陡峭的突變，但是相位的變化一定會(huì)導(dǎo)致不需要的信號(hào)傳輸帶寬的增加和相應(yīng)的由于有限的傳輸帶寬而導(dǎo)致的傳輸信號(hào)幅度的變化。 必須采取一定的措施保證已調(diào)信號(hào)的帶寬在系統(tǒng)指定的帶寬內(nèi)。,一、概述,2. 基本形式,碼元的時(shí)間中點(diǎn),特點(diǎn)： 在從1到0的轉(zhuǎn)換期間 保持平滑； 中心有最大值，兩邊平緩下降； 成形可以在基帶實(shí)行， 也可以直接在載頻上實(shí) 行，結(jié)果是一樣的。,一

7、、概述,2. 基本形式,脈沖的寬度和它的帶寬 彼此互為反相關(guān)關(guān)系。 h(t)的寬度減小，則基帶 信號(hào)序列的帶寬增加； h(t)的寬度增加，則基帶 信號(hào)序列的帶寬減??；,一、概述,2. 基本形式,t,脈沖的寬度和它的帶寬 彼此互為反相關(guān)關(guān)系。 h(t)的寬度減小，則基帶 信號(hào)序列的帶寬增加； h(t)的寬度增加，則基帶 信號(hào)序列的帶寬減??； 符號(hào)間干擾與帶寬 之間要權(quán)衡折中。,0.5,1. 正弦滾降成形的特例升余弦成形,二、正弦滾降成形,1. 正弦滾降成形的特例升余弦成形,二、正弦滾降成形,帶寬：B = c/ 傳輸速率：Rb = 1/T =c/ 速率帶寬比： Rb / B = 1（bit/s/H

8、z）,2. 正弦滾降成形的一般形式 對(duì)于 令 則上式變?yōu)?稍加修改：,二、正弦滾降成形,2. 正弦滾降成形的一般形式,1,速率帶寬比： R / B =2/(1+r) 1(bit/s/Hz) 衰落速度有所變化,滾降因子r=fx/fc 1 帶寬B=fc+fx =(R/2)(1+fx/fc) =(R/2)(1+r),2. 正弦滾降成形的一般形式,1,速率帶寬比： R / B =2/(1+r) 1(bit/s/Hz) 衰落速度有所變化,滾降因子r=fx/fc 1 基帶帶寬B=fc+fx =(R/2)(1+fx/fc) =(R/2)(1+r),2. 正弦滾降成形的一般形式,對(duì)于OOK或PSK傳輸?shù)臒o(wú)線帶

9、寬，有 2B=R(1+r) 令傳輸帶寬為BT，則有 BT =R(1+r),3. 正弦滾降成形在移動(dòng)通信中的應(yīng)用,1,D-AMPS：r=0.35的正弦滾降成形 帶寬30kHz，若使用PSK的調(diào)制方式，則最大的二進(jìn)制傳輸率是R=30000/1.35=22.2kbps。 日本PDC系統(tǒng)：r=0.5的正弦滾降成形 帶寬25kHz，若使用PSK的調(diào)制方式，則最大的二進(jìn)制傳輸率是R=16.7kbps。,5.3 蜂窩無(wú)線系統(tǒng)中的調(diào)制,一、QPSK四相相移鍵控 四進(jìn)制PSK，正交相移鍵控，是MPSK調(diào)制中最常用的一種調(diào)制方式。QPSK中，載波的相位為4個(gè)間隔相等的值，如，0、/2、和3/2 ，每個(gè)相位值都與唯

10、一的信息比特組相對(duì)應(yīng)，因此也稱為四相相移鍵控。 由于一個(gè)調(diào)制碼元中傳輸兩個(gè)比特，QPSK比BPSK的帶寬效率高兩倍。,一、QPSK正交相移鍵控,1.多進(jìn)制相移鍵控(MPSK) 基本原理： MPSK信號(hào)碼元可以表示為 式中，k受調(diào)制的相位，其值決定于基帶碼元的取值； A 信號(hào)振幅，為常數(shù)； k = 1, 2, M。 令A(yù)=1，然后將其展開寫成 式中， 由上式看出，M-PSK信號(hào)碼元可以看作是兩個(gè)正交的MASK信號(hào)碼元之和。因此，其帶寬和后者的帶寬相同。,一、QPSK正交相移鍵控,2. QPSK的生成 同時(shí)傳輸兩個(gè)相同頻率的載波，一個(gè)載波與另一個(gè)正交： 和 令二者的可能幅度為 若兩個(gè)載波經(jīng)成形函數(shù)

11、h(t)成形，則 根據(jù)ai和bi的不同，可以得到4個(gè)可能的信號(hào)。,2. QPSK的生成,2. QPSK的生成,2PSK的矢量圖,3. QPSK的星座圖分析,QPSK信號(hào)的星座圖,3. QPSK的星座圖分析,8PSK信號(hào)的星座圖,3. QPSK的星座圖分析,QPSK調(diào)制信號(hào)具有恒包絡(luò)特性，但它偶爾會(huì)發(fā)生相移，導(dǎo)致信號(hào)的包絡(luò)在瞬時(shí)間通過(guò)零點(diǎn)。任何一種在過(guò)零點(diǎn)的硬限幅或非線性放大，都將由于信號(hào)在低電壓時(shí)的失真而在傳輸過(guò)程中帶來(lái)已被濾除的旁瓣。而為了防止旁瓣的再生和頻譜擴(kuò)展，必須使用效率較低的線性放大器。 OQPSK在任意時(shí)刻發(fā)送信號(hào)的最大相移都限制在/2和 -/2，消除了1800相位跳變，所以信號(hào)限

12、帶不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)包絡(luò)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)。,二、OQPSK交錯(cuò)正交相移鍵控,二、OQPSK交錯(cuò)正交相移鍵控,QPSK,OQPSK,OQPSK調(diào)制器中 同相和正交支路 時(shí)間交錯(cuò)的 波形圖,OQPSK調(diào)制器,三、/4QPSK四相相移鍵控,/4 QPSK相移調(diào)制是一種正交相移鍵控技術(shù)，從最大相位跳變來(lái)看，它是OQPSK和QPSK的折中。它可以相干解調(diào)，也可以非相干解調(diào)，以避免相干檢測(cè)中相干載波的相位模糊問(wèn)題。 /4 QPSK的相移都限制在45o、-45o、135o和-135o，因此，帶限/4 QPSK信號(hào)保持恒包絡(luò)的性能比帶限后的QPSK好，但比OQPSK更容易受包絡(luò)變化的影響。 /4 QPSK最吸引人的特性就是

13、能夠非相干解調(diào)（采用差分編碼），這將大大簡(jiǎn)化接收機(jī)設(shè)計(jì)。 另外，在多徑擴(kuò)展和衰落的情況下， /4 QPSK的工作性能要優(yōu)于OQPSK。,三、/4QPSK四相相移鍵控,MPSK調(diào)制方式中，信號(hào)的包絡(luò)是恒定的，也即只有相位的變化。 如果幅度與相位同時(shí)受到調(diào)制，則得到了振幅相位聯(lián)合鍵控(APK) ，也即正交幅度調(diào)制QAM。 QAM的表達(dá)式為,四、QAM正交幅度調(diào)制,MQAM 又稱星座調(diào)制,如果幅度與相位同時(shí)受到調(diào)制，則得到了振幅相位聯(lián)合鍵控(APK) ，也即正交幅度調(diào)制QAM。 QAM的表達(dá)示為 蜂窩網(wǎng)絡(luò)通常不使用該調(diào)制方式，但無(wú)線局域網(wǎng)中采用了。 QAM是28.8kbps的電話線調(diào)制解調(diào)器的基礎(chǔ)，

14、是56kbps的調(diào)制解調(diào)器之前所使用的技術(shù)。,四、QAM正交幅度調(diào)制,非恒包絡(luò)調(diào)制,舉例：設(shè)家用或商用的銅電話線可以傳輸頻率范圍從300-3000Hz的信號(hào)，采用16QAM調(diào)制方式。,四、QAM正交幅度調(diào)制,300Hz,3000Hz,1650Hz,1,0.5,r = 0.125，f0=1650Hz,試計(jì)算： RB=？ Rb=？ 若采用212QAM呢？,五、MSK最小頻移鍵控,1.基本原理 MSK是一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控，其最大頻移位比特率的1/4。更確切地說(shuō)，MSK是調(diào)制系數(shù)為0.5的連續(xù)相位的FSK。FSK信號(hào)的調(diào)制系數(shù)類似于FM調(diào)制系數(shù)，定義為 調(diào)制系數(shù)0.5對(duì)應(yīng)著能夠容納兩路正交F

15、SK信號(hào)的最小頻帶，最小頻移鍵控的由來(lái)就是指這種調(diào)制方法的頻率間隔是可以進(jìn)行正交檢測(cè)的最小帶寬。,2. 表達(dá)式,五、MSK最小頻移鍵控,3. MSK的優(yōu)點(diǎn) 不存在相位的急劇變化 帶寬較窄 頻帶受限時(shí)，包絡(luò)不會(huì)有過(guò)零的現(xiàn)象,五、MSK最小頻移鍵控,4. GMSK,五、MSK最小頻移鍵控,e-1/2=0.61,4. GMSK 帶寬比普通的MSK小 代價(jià)：符號(hào)間的干擾增大了,五、MSK最小頻移鍵控,現(xiàn)應(yīng)用在基于銅電話接入線的高速DSL調(diào)制解調(diào)中。 也作為IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.11g和802.11a的一部分被標(biāo)準(zhǔn)化，用在無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)中54Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸上。 也被建議用于先進(jìn)蜂窩系統(tǒng)中。

16、,5.4 正交頻分復(fù)用OFDM,一、基本原理 OFDM對(duì)無(wú)線系統(tǒng)的應(yīng)用是基于無(wú)線系統(tǒng)對(duì)更高比特率、更高數(shù)據(jù)傳輸帶寬的要求而來(lái)的。 但是，當(dāng)傳輸帶寬增大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落和隨之而來(lái)的信號(hào)失真（符號(hào)間干擾）。 OFDM通過(guò)把信號(hào)傳輸頻譜分成狹窄的片段，并在這些片段中平行地傳輸信號(hào)從而減弱了這個(gè)效應(yīng)。 如果這些頻率段足夠狹窄，平坦或非頻率選擇性衰落就會(huì)產(chǎn)生，每段上的傳輸信號(hào)將會(huì)被無(wú)失真接收。,5.4 正交頻分復(fù)用OFDM,5.4 正交頻分復(fù)用OFDM,傳輸速率：R 碼元寬度：T=1/R 帶寬：B=R(1+r),將其分成N個(gè)序列，平行傳輸： 傳輸速率：R/N 碼元傳輸間隔：Ts=N/R 帶寬：B=R(1+r),5.4 正交頻分復(fù)用OFDM,f (Hz),頻率間隔：f=1/Ts 傳輸帶寬：B=Nf,5.4 正交頻分復(fù)用OFDM,平坦衰落的發(fā)生需要傳輸帶寬B和時(shí)延擴(kuò)展av滿 足的條件： av1/2B 因此，必須有f1/2av，代入f=1/Ts，則 Ts=N/R av,5.4 正交頻分復(fù)用OFDM,例1：設(shè)傳輸帶寬為1MHz，傳輸比特率800kbps(奈奎斯特滾降因子為0.25)。時(shí)延擴(kuò)展為1s（1/2B=0.16 s ），會(huì)引起頻率選擇性衰落，同時(shí)產(chǎn)生符號(hào)間串?dāng)_。利用10個(gè)間隔為100kHz的載波的OFDM，符號(hào)間串?dāng)_就會(huì)減弱，在10個(gè)平行的100kHz寬的信道上干擾就是平坦衰