现代移动通信 第2版 教学课件 ppt 作者 蔡跃明 04章 数字调制技术-1
第4章 数字调制技术-1,数字移动通信,本节讲述的主要内容,4.1 数字调制技术基础 4.2 线性调制技术 4.3 恒包络调制技术 4.4 线性和恒包络相结合的调制技术,4.1 数字调制技术基础,调制的概念：对信号源的信息进行处理，使其变为适合传输形式的过程。 调制的目的：使所传送的信息能更好地适应于信道特性，以达到最有效和最可靠的传输。 移动通信系统的调制技术包括用于第一代移动通信系统的模拟调制技术和用于现今及未来系统的数字调制技术。,一、移动通信对数字调制的要求,移动通信对数字调制技术的要求： 抗干扰性能要强，如采用恒包络角调制方式以抗严重的多径衰落影响； 要尽可能地提高频谱利用率； 占用频带要窄，带外辐射要小； 在占用频带宽的情况下，单位频谱所容纳的用户数要尽可能多； 同频复用的距离小； 具有良好的误码性能； 能提供较高的传输速率，使用方便，成本低。,二、数字调制的性能指标,数字调制的性能常用功率效率 （Power Efficiency）和带宽效率 （Spectral Efficiency）来衡量。功率效率 反映调制技术在低功率情况下保持数字信号正确传送的能力，可表述成在接收机端特定的误码概率下，每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比： (4-1) 带宽效率 描述了调制方案在有限的带宽内容纳数据的能力，它反映了对分配的带宽是如何有效利用的，可表述成在给定带宽内每赫兹数据速率的值： (4-2),二、数字调制的性能指标,带宽效率有一个基本的上限，由香农定理： 可见在一个任意小的错误概率下，最大的带宽效率受限于信道内的噪声，从而可推导出最大可能的 为：,三、目前所使用的主要调制方式,目前所使用的主要调制方式有 线性调制技术：QPSK调制 恒包络调制技术：GMSK调制 “线性”和“恒包络”相结合的调制技术：QAM调制 扩频调制技术：直接序列扩频、跳频 编码调制相结合技术：TCM调制 多载波技术：OFDM调制,4.2 线性调制技术,数字调制技术通常可以分为线性和非线性调制两类。在线性调制技术当中，传输信号s(t)的幅度随调制信号m(t) 的变化呈线性变化。线性调制技术带宽效率高，所以非常适用于在有限频带要求下，容纳尽可能多用户的无线通信系统。 在线性调制技术中，传输信号s(t)可表示为：,一、正交四相移相键控（QPSK）,4PSK（QPSK）在一个调制符号中发送2 bit，因此QPSK的频带利用率是BPSK的频带利用率的两倍。载波相位取四个空间相位0、/2、 和3/2中的一个，每个空间相位代表一对唯一的信息比特。处于这个符号状态集的QPSK信号定义如下：,QPSK的相位每隔2Tb 跳变一次，其相位星座图为：,一、正交四相移相键控（QPSK）,典型的QPSK发射机结构如图所示,一、正交四相移相键控（QPSK）,相干QPSK接收机结构如图所示,一、正交四相移相键控（QPSK）,在加性高斯白噪声情况下，QPSK的平均误码率为： 由于在相同的带宽情况下，QPSK发送的数据是BPSK的二倍。所以，QPSK信号的功率谱密度为：,一、正交四相移相键控（QPSK）,二、交错正交四相移相键控,实际信道总是带限的，因此在发送QPSK信号时常常经过带通滤波。带限后的QPSK已不能保持恒包络。相邻符号之间发生1800相移时，经带限后会出现包络过零的现象。反映在频谱方面，出现旁瓣和频谱加宽现象。 为防止出现这种情况，QPSK使用效率低的线性放大器进行信号放大是必要的。 QPSK的一种改进型是交错QPSK（Offset QPSK）。OQPSK对出现边瓣和频带加宽等有害现象不敏感。,QPSK信号调制器框图,OQPSK信号调制器框图,二、交错正交四相移相键控,OQPSK的I、Q信道波形及相位路径,OQPSK的相位关系图,二、交错正交四相移相键控,由图可见，I信道和Q信道的两个数据流，每次只有其中一个可能发生极性转换。所以每当一个新的输入比特进入调制器的I和Q信道时，输出的OQPSK信号的相位只有 跳变，而没有±/2的相位跳变，同时，经滤波及硬限幅后的功率谱旁瓣较小，这是OQPSK信号在实际信道中的频谱特性优于QPSK信号的主要原因。 但是，OQPSK信号不能接受差分检测,这是因为OQPSK在差分检测中会引入码间干扰。,二、交错正交四相移相键控,4.3 恒包络调制技术,许多实际的移动无线通信系统都使用非线性调制方法，这时不管调制信号到底怎样的变化，必须保证载波的振幅是恒定的。这就是恒包络调制。 恒包络调制是为了消除由于相位跃变带来的峰均功率比增加和频带扩展，它具有以下优点：极低的旁瓣能量；可使用高效率的C类高功率放大器；容易恢复用于相干解调的载波；已调信号峰平比低。恒包络调制具有上面的多个优点，但是最大的问题是它们占用的带宽比线性调制大，且实现相对复杂。,一、最小频移键控MSK,1. 问题的引入 虽然OQPSK和/4QPSK信号消除了QPSK信号中1800的相位突变，但也没能从根本上解决消除信号包络起伏变化的问题。 为了克服上面所述的缺点，需要控制相位的连续性，为此，人们提出了最小频移键控(MSK)。最小频移键控是一种特殊的连续相位的频移键控(CPFSK)。事实上MSK是2FSK的一种特殊情况，它是调制系数为0.5的连续相位的FSK。它具有正交信号的最小频差，在相邻符号的交界处保持连续。这类连续相位FSK（CPFSK）可表示为,2. MSK信号 MSK信号可以表示为 3. MSK信号的相位 附加相位函数 在码元期间的增量为,一、最小频移键控MSK,附加相位路径图,一、最小频移键控MSK,4. MSK信号的产生 MSK信号的产生可以用正交调幅合成方式来实现,MSK调制器,一、最小频移键控MSK,5. MSK信号的调制解调,MSK调制器原理框图,一、最小频移键控MSK,5. MSK信号的调制解调,MSK解调器原理框图,一、最小频移键控MSK,6. MSK信号的性能,MSK信号功率谱密度,一、最小频移键控MSK,二、高斯滤波最小频移键控GMSK,1.GMSK信号的产生,简单的GMSK发射机的原理框图,1.GMSK信号的产生 GMSK信号的产生也可采用正交调制和锁相环调制两种方法,正交调制方法,二、高斯滤波最小频移键控GMSK,1.GMSK信号的产生,锁相环调制方法,二、高斯滤波最小频移键控GMSK,2.GMSK信号的相位路径 GMSK信号在码元转换时刻其信号和相位不仅是连续的，而且是平滑的。,MSK和GMSK信号的相位路径,二、高斯滤波最小频移键控GMSK,3.GMSK信号的解调,GMSK接收机方框图,二、高斯滤波最小频移键控GMSK,4.GMSK信号的性能,GMSK信号的功率谱密度,二、高斯滤波最小频移键控GMSK,4.4 “线性”和“恒包络”相结合的调制技术,多进制调制，具有比单独地使用幅度或相位调制表示更高的频谱效率。 我们根据改变的是幅度、相位还是频率，将调制技术分别分为多维相移键控MPSK、多维正交振幅调制QAM、多维频移键控MFSK。 多进制信号特别适合于带宽受限的信道，但是由于定时抖动的影响限制了它的应用。星座图上由于相邻信号的偏差而使信号的误码率增加。多进制调制技术牺牲了功率效率，获得了较高的带宽效率。,一、M维相移键控MPSK,1MPSK调制方式 调制后的波形如下所示：,8维 MPSK星座图,2MPSK的功率谱分布,MPSK功率谱密度(M=8,M=16),一、M维相移键控MPSK,二、M维正交振幅调制,在MPSK中，传输信号的振幅是恒定的，因此其形成的星座图是圆形的。如果同时改变相位和幅度，就获得了一种新的调制方式，称为 维正交幅度调制（QAM）。 QAM信号的一般形式如下式所示：,图中给出了16进制QAM的星座图。星座图中的信号为格状分布。,16维QAM星座图,二、M维正交振幅调制,QAM调制信号的功率谱和带宽效率与MPSK调制是相同的。而在功率效率方面，QAM优于MPSK。下表列出了不同 值QAM信号的带宽和功率效率，其中假设在加性高斯白噪声信道中使用了最优升余弦滚降滤波器。,二、M维正交振幅调制,小结,数字调制技术基础 调制的概念、目的 线性调制技术 QPSK、OQPSK调制的原理，性能 恒包络调制技术 GMSK调制的原理，性能 线性和恒包络相结合的调制技术 MPSK、MQAM调制的原理，性能,谢谢！,数字移动通信,
