第7章数字调制

1、数字调制数字调制 南京邮电大学信息工程系南京邮电大学信息工程系 余兆明余兆明 一、为什么要进行数字调制一、为什么要进行数字调制 nDTV n2.美Trans Pacific Networks公司将3.2Mbps提高到 n 12Mbps; n3.Photron公司由576kbps提高到6Mbps; 15bps/Hz-32768-QAM 6bps/Hz-64QAM (3). 东大的超窄带方案东大的超窄带方案 n原始VMSK信号基于矩形波或三角波调宽，再滤波成形 n若直接产生“最像”正弦波的调制信号，理论带宽应最 窄 n关键思路关键思路 n使已调信号和与正弦信号之间的波形差异最小 n得到“最小波形差

2、键控最小波形差键控”（VWDK）调制 nT为信号波形的周期，也是信息的符号宽度和码元宽度 nf=1/T为信号波形的频率，在数值上也等于码元的传输速率 Tt T t T A t tA tg pp p sin 0sin 0 tTgtg 01 n其波形可以用如下的公式来表示其波形可以用如下的公式来表示 na=0.95时VWDK时域波形（去除了二次谐波） 012345678910 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 Nomalized Frequency Nomalized Power Density (dB) 012345678910 -140 -1

3、20 -100 -80 -60 -40 -20 0 Nomalized Frequency Nomalized Power Density (dB) na=0.95时VWDK功率谱的理论值与FFT计算值 012345678910 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 原 始 信 号 滤 波 后 的 功 率 谱 dB relative frequency 波形样本 数字滤波 DAC 信息序列 VWDK调制信号 时钟发生器 VWDK 调制系统调制系统 数字逆滤波 积分器 积分器 判 决 器 信息序列 带有噪声和失真的 VWDK 调制信号 ADC g(

4、t,) g(t,T-) VWDK 解调系统解调系统 LDPC编码的编码的VWDK（a=0.95）在）在 AWGN信道的信道的BER性能性能 na=0.95时VWDK时域波形（去除了所有的高次谐波） VWDK调制波形调制波形/频谱的优化频谱的优化 a=0.95 a=0.90 012345678910 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 Normalized Frequency Normalized Power Density (dB) 012345678910 -150 -125 -100 -75 -50 -25 0 Normalized Fre

5、quency Normalized Power Density (dB) 波形优化后的波形优化后的VWDK在在 AWGN信道的信道的BER性能性能 5101520253035 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Eb/N0 (dB) Bit Error Probability (10 power) a = 0.95 a = 0.9 (4)超窄带与超宽带的比较超窄带与超宽带的比较 nUWB与UNB是通信的两个极端特例 nUWB：能量受限型信道扩频通信体制 nUNB：带宽受限型信道“缩频”通信体制 n在理论上 nUWB：具有信息论的坚实支撑 nUNB： n尚未形成共识，需对仙侬公式重

6、新认识与拓展 n由基带调制又“回归”到载波调制 n在应用领域上 nUWB：适于中短距高速接入，尤其近距离最佳 nUNB：可以各种距离高速通信，有线也行(7类线) n在技术实现和硬件制作上 n与低通型UWB相比：UNB无需特殊器件 n与带通型UWB相比：UNB更容易，IC芯片已出现 n至少天线/馈线简单 n在多用户方面 nUWB：CDMA/SDMA nUNB：TDMA/FDMA/SDMA，容量可能/可以更大？ n在复杂信道的传输性能上 nUWB：远距离？ nUNB：理论上只面对平坦衰落，实际上待研究 n在兼容现有通信系统与设备方面 nUWB：一般需要另起炉灶 nUNB：通常更具“亲和力”，只要有

7、载频即可RF/IF接 入 n在研究态势的把握上 nUWB：美军方“解冻”的技术，已形成较大的“采掘 面” nUNB：“矿苗”刚刚露头，“淘金者”还不多，容易原 创 (5)超窄带的信息论解释超窄带的信息论解释 n带宽的定义 n发射机、接收机、信道、噪声 n关键是空中辐射信号的频谱宽度 n国家无线电管理局、美国FCC的规定 n要综合考虑频段、功率、带外衰减等 nUNB均呈现出“旗杆+茅草”式的频谱 n不难满足美国FCC的-60dB带外衰减要求 n仍需从载频两旁的频谱“茅草”中恢复有用信息 n超窄带的辩证法或“诡辩” n回顾仙侬信道容量公式的推导过程回顾仙侬信道容量公式的推导过程 前提：带宽为0,W

8、、时宽为T、AWGN信道 求解下列极限 WT n n T s N xE T PC 2 1 0 2 2 2 1log 2 11 lim)( 假定：各子信道功率分配相等且受到信号总能量限制时 W P WT TP xE ss n 22 2 仙侬得到该信道的容量公式 WN P WPC s s 0 2 1log W r N E WC bb 0 2 1log n深究仙侬推导过程中两个深究仙侬推导过程中两个“W”的含义的含义 n第一个由并联子信道的个数而来 n第二个出自对信号总能量的划分 n为避免混淆，我们用“B”代替第二个“W” 0 2 0 2 1log1log N E W B r N E WC bbb

9、12 0 W C b N E 或 B rb 为单位带宽所传输的信息速率，即频带利用率 在理想情况下在理想情况下BW， rb C ，所以，所以UNB需要极高的功率！需要极高的功率！ n对于仙侬公式的拓展对于仙侬公式的拓展 n注意到 n理想低通在物理上不可实现 n工程带宽为W的滤波器，其实际利用带宽为rW nr可粗略看成所考虑信道/滤波器带宽的矩形系数 n 则可将仙侬的信道容量公式拓展为 C N E rW N E WC bb 0 2 0 2 1log1log )( 0 dBNEb Hzbps /50 Hzbps/100 r=1r=2r=3r=4r=5 133.558.333.220.613.1 2

10、81.0130.980.355.340.2 并非并非超窄带的高效超窄带的高效调制调制“突破突破”了了 信息论的信道容量限，而是物理上可实信息论的信道容量限，而是物理上可实 现的带宽现的带宽“突破突破”了导出信道容量公式了导出信道容量公式 时所用的理想的矩形带宽！时所用的理想的矩形带宽！ n得到高效调制是有代价的： g sbb PWN P rW N E W r rWC 0 2 0 2 1log1log ng b PPN E rW 1 1 1log 0 2 n滤波器/信道带宽的非理想会造成信号采样时频谱混叠，引入额外干扰 n使得理论上的信道容量和实际中的解调性能降低 n降低的程度取决于混叠功率Pg

11、与噪声功率Pn之比 n我们已证明 2 2 )( 4 W ag djXP p n解调器往往需要按rW来确定采样频率，结果表现为过采样得到了增益 n否则，超过W的信号频谱分量在采样后就会混叠为频带W内的干扰 n用Pg表示其平均功率，则考虑实际采样后 (6) UNB对传统观念的反思对传统观念的反思 n基带调制的得与失 n便于分析 n线性变频时带通与低通的等效 n易于处理 n频率低，容易数字实现 n码率和频带利用率难以提高 n表面上 nMQAM等的调制效率可随M加大而提高 n可以达到2Baud/Hz的理论极限（包括利用OFDM） n但是上变频不增加码率 n抑制载频的得与失 n节约发射功率 n能量利用率

12、高 n便于隐蔽 n增加系统复杂度 n接收机需要重新恢复载波，影响快速同步 n对码型有限制，有时仍需插入“导频” n发端要扰码，收端要解扰 n可能要增加一次上/下变频（也有损耗） n扰码导致频谱能量扩散 n信源编码后码流中或多或少仍有残余的相关性 n信道编码本身就是引入相关性或冗余度 n影响解调性能的进一步提高（不便于利用条件概率） (7) 可能的应用可能的应用 n带宽受限型信道的通信提速 n高速/超高速短波高速数据传输（传图像等） n短波/超短波电台的提速 n微波通信、卫星通信扩容（美国已有应用） n水下通信 n长波电台 n超声波传输 n高速电力线传输 n美国正开发针对亚洲电力市场的UNB遥测

13、设备 n高速接入 n超高速DSL n超高速上网MODEM n红外鼠标、键盘、遥控器等 n数字电视系统增容 nCATV电缆增容（美国增加一倍） n新一代DVB-C机顶盒 nDVB-S调制器/机顶盒 n目前北美卫星为20个转发器*10个频道=200个频道 n美国正试验扩容到10*10+10*100=1100个频道 n模-数混合广-电复合的新体制设想 n广播/电视载频/副载波上调制高速附加信息 n构成多模式、多功能的全新产品 n以目前MW/SW波段的模拟AM广播为例 n大功率的载波本身不含任何信息 n音频范围约为：50-5000Hz n双边带调幅后在载频处有50Hz的空闲带宽 n对载波先UNB数字调

14、制再DSB模拟调幅 n控制载频50Hz的带外衰减在-60dB以下 n若按目前中国标准的465kHz中频可有465kbps码率 n普通收音机包络检波收听正常的模拟广播节目 n高档收音机解调465kbps码流可看H.264/AVS电视 n新一代移动通信(B3G/4FG)标准设想 n多媒体时代的正反向非对称要求 n新一代手机与固定终端的要求相似 n下行需要高速下载视频流 n上行只是话音、短信和低速控制信息 n下行用UNB体制的TDMA/FDMA n基站增加功率要比手机更容易 n手机采用UNB解调要比增加天线更容易 nFDMA采用多信道或OFDM n上行仍可延用CDMA n美国公司希望政府支持，专利多

15、国覆盖 n突发通信（瞬时、高速、抗截获） n根据对国外HF频段侦察、干扰技术的分析 n窄带信号长度小于50ms就不易被截获 n小于110ms就不易被定向/定位 n对VHF/UHF频段，信号长度还应更短 n抗干扰、抗截获要求在毫秒级完成信息的突发传输 n希望在通信信号的持续瞬间有尽可能高效的调制/传输效率 nVWDK的类似正弦波与突发通信的窄脉冲包络天然绝配 n设采用VWDK调制，码率为载波频率 n即使在HF频段且脉冲宽度只有1ms，则采用10MHz载频，一个 “突发”内也能传送1250字节的数据或625个汉字！ n足以满足大多数紧急通信或最低限度通信的要求 n远远超过目前国内约100-200m

16、s只能传十几个汉字的最好水平 n通信与雷达的结合 n把突发通信利用已相参化的脉冲雷达系统来实现 n即使由于技术原因只能在30MHz的雷达中频上实现 n在10s脉冲宽度内有300bit也能传几十个汉字 n足以利用“高速短信”的方式在单脉冲内完成通信 n而且不影响雷达的其它基本功能 n雷达脉冲功率高，用于通信可保证足够的信噪比 n把这些信息位用来传输对雷达脉冲压缩而言的“好码” n雷达的作用距离和测量精度都可望进一步提高 n而且不影响其它脉间压缩方法的同时使用 n敌我识别 n把“雷达”方式与按应答机方式工作的敌我识别器相结合 n信息位用来传输敌我识别码，开辟“第二应答通道” n信息隐藏（与扩频扩频

17、相对应的“缩频缩频” ） n有用信息的隐藏： n有条件拿出更多的“码率资源” n传输信息的隐藏： n信息谱边带可能为背景噪声所掩盖 n利用超强纠错能力 n对有用信息保护得更深 n降低发射能量，实现最低限度通信 n可带内扩频 n伪装、示假和乱真 n点频的示假和乱真：把水搅混 n借助民用广播电台/电视台所用载波/副载波 n伪装和抗摧毁 (8)若干有待研究的问题若干有待研究的问题 n超窄带高效调制的理论与方法超窄带高效调制的理论与方法 n与经典信息论的框架结构相协调 n各种UNB调制方式的分析比较 n信道特性对UNB传输的影响，如 n恶劣短波信道 n高速移动信道 nUNB的多载波传输(如VWDK与OFDM的结合) nVWDK调制波形的优化等 nVWDK高效传输的关键技术高效传输的关键技术 n调制器的全数字化实现及发射机模拟上变频的影响 n基于带通采样解调对于性能影响的评估 n解调性能最佳的接收滤波器的设计 n新的VWDK解调方法 nVWDK结合各种信道编码的性能分析与评估 n同步及其误差的影响等 n关键问题：尽量降低解调器的输入信噪比要求 (8)若干有待研究的问题若干有待研究的问题 n超窄带高速传输的系统实现超窄带高速传输的系统实现 nVWDK高速MODEM的DSP和/或ASIC实现 n带宽、码率和信噪比均可程控的SOC设