无线通信技术3.2-无线调制技术

1、无线通信技术无线通信技术 翟旭平翟旭平2012-5-2无线调制技术 无线调制技术是一种将信源产生的信号转换为适宜无线传输的形式的过程。一般说来，信源产生的信号包含直流信号和低频分量，称为基带信号。由于低频信号传输距离有限，并且多路信号在同一频段传输会产生互相干扰，因此，基带信号不适宜用作无线传输。通常将基带信号转变为一个相对于基带频率而言频率非常高的信号，以适于远距离的无线传输。基带信号称为调制信号，经过调制的高频信号称为已调信号。 在信号的发生端通过调制过程，利用发送天线把已调信号发送出去，在信号接收端通过解调过程，把已调信号还原为基带信号。通信与信息工程学院通信与信息工程学院无线调制技术

2、按照调制信号的形式，调制可以分为模拟调制和数字调制。模拟调制是指利用输入的模拟信号直接调制载波的振幅、频率或相位，从而得到已调信号；例如，AM，FM和PM。数字调制是指利用数字信号来控制载波的幅度、频率或相位，例如ASK，FSK和PSK，QAM等。 按照载波的形式，调制可以分为已正弦波作为载波的连续波调制和以脉冲序列作为载波的脉冲调制。 对信号进行调制传输主要达到以下目的： （1）将调制信号转换为适合于信道传输的已调信号 （2）实现信道的多路复用，提高信道利用率 （3）提高抗干扰能力通信与信息工程学院通信与信息工程学院正交调幅多载波调制通信与信息工程学院通信与信息工程学院数字调制和解调技术数字

3、调制和解调技术4.1 数字调制概述 数字调制的特点 抗损伤能力强 可以采用现代信号处理和控制技术 纠错编码、加密、均衡等 可编程调制解调（软件无线电）调制信号的数学表示数字调制的实质：调制信息 信号波形波形集合：对二元调制：M=2一个信号波形（符号）最多可携带 比特信息数字调制和解调技术通信与信息工程学院通信与信息工程学院12( ),( ),( )MSS t S tSt2log M数字调制和解调技术在矢量空间中的信号波形，可表示为N个正交波形的线性组合，这N个正交波形构成了该矢量空间的基底，即 正交： 单位能量：通信与信息工程学院通信与信息工程学院12( )( )( )( )0,( )1Nii

4、jjjijiStSttt dtijt dt数字调制和解调技术例如：二相相移键控BPSK信号，其中: 每比特的信号能量 每比特的持续时间122( )cos(2), 02( )cos(2), 0bcbbbcbbEStf ttTTEStf ttTT bEbT数字调制和解调技术对该信号集，只有一个基：这样，BPSK信号集可表示为星座图（信号集在矢量空间上的表示）： Q I 这种星座图为每一个可能的符号的复包络提供了一个直观的图形：x轴代表复包络的同相分量，y轴代表复包络的正交分量，这个概念可推广到M进制调制。 为了表示调制信号的完整集合需要的基底信号的数目称为矢量空间的维数。从星座图可以推断：（1）调

5、制信号占用带宽随矢量空间维数/点数的增加而减小；（2）比特错误率与星座图上最近的二点间的距离成反比。通信与信息工程学院通信与信息工程学院bEbE12( )cos(2), 0cbbtf ttTT 11( ),( )BPSKbbSEtEt数字调制和解调技术 通信与信息工程学院通信与信息工程学院数字调制和解调技术通信与信息工程学院通信与信息工程学院调制信号的最佳接收 最佳：误码率最小 条件：加性白噪声 接收端的有用表示： 例如：BPSK 接收到的信号： 最佳接收 判决准则： 10( ),1( )( )0s ts ts t发“”码，发“ ”码10()cos,()cosccccs tAt s tAt(

6、)( )( )y tS tn t2210001 ( )( ) ( )( )0TTy tS tdty tS tdt判为“”判为“ ”数字调制和解调技术通信与信息工程学院通信与信息工程学院最佳接收机结构 数字调制和解调技术通信与信息工程学院通信与信息工程学院o 数字调制和解调技术通信与信息工程学院通信与信息工程学院匹配滤波法 把相关接收法中的相关器换成匹配滤波器，就变成了匹配滤波器最佳接收机。 数字调制和解调技术正交幅度调制（QAM）是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。 正交振幅调制的一般表

7、达式为： Tb为码元宽度，Am和Bm为离散的振幅值， m=1,2,M, M为Am和Bm的个数。 4.2 4.2 正交振幅调制正交振幅调制 ( )cossin, 0mcmcby tAtBttT 数字调制和解调技术 可以看出，已调信号是由两路相互正交的载波叠加而成的，每路载波被一组离散的振幅Am、Bm所调制，故称这种调制方式为正交振幅调制。其振幅Am和Bm可以表示成 A是固定的振幅，与信号的平均功率有关。(dm,em)表示QAM调制信号矢量端点在信号空间的坐标， 由输入数据决定。AdAAeBmmmm数字调制和解调技术 提出MQAM的原因 为了高速传输大量数据，又要不占用过宽的频带必然要提高频带利用

8、率。 已知频带利用率： 式中， 为码元宽度， 为比特率，m为进制数，B为所需带宽。2log/bbsRmbit s HzBBTsTbR数字调制和解调技术 16PSK星座图： 在单独使用相位调制时，不能最充分地利用信号平面。IQ数字调制和解调技术（1）单独的幅度键控ASK，在矢量图上只利用了坐标轴上的点。（2）单独的相移键控PSK，在矢量图上只利用了圆周上的点。 当M增多，点会越来越密，这些矢量点之间的距离也随之减小，很容易产生码间的串扰，导致误码随之增加。 为了要充分利用平面，将矢量点合理分布，因此引出幅度和相位结合的多进制调制方式MQAM。数字调制和解调技术o 16QAM星座图：IQ数字调制和

9、解调技术MQAM星座图数字调制和解调技术 MQAM信号可表示成： 为了方便传输与检测，一般都取 、 为双极性码，并令它有相等的信号间距，如取 为 ，式中 为码元宽度。( )( )nsnnsnx tx g t nTy ty g t nTnxnynxny13, (1)m， ，sT数字调制和解调技术 通常，原始数字数据都是二进制的。为了得到多进制的QAM信号，首先应将二进制信号转换成M进制信号，然后进行正交调制，最后再相加。 具体调制框图如下：数字调制和解调技术MQAM调制方框及各点波形数字调制和解调技术MQAM解调方框图及各点波形数字调制和解调技术 假设已调信号的最大幅度为 1，不难算出MPSK时

10、星座图上信号点的最小距离为 而MQAM时，若星座为矩形，则最小距离为 MdMPSKsin21212MLdMQAM数字调制和解调技术因此，当M=4 时，d4PSK=d4QAM。事实上4PSK与4QAM的星座图相同。 但当M4 时，例如M=16，则可算出d16PSK=0.39, d16QAM=0.47。d16QAMd16PSK，这说明16QAM的抗干扰能力优于16PSK。 数字调制和解调技术M进制方型QAM的误码率曲线 数字调制和解调技术单载波调制和多载波调制比较单载波调制和多载波调制比较单载波体制：码元持续时间Ts短，但占用带宽B大；由于信道特性C(f)|不理想，产生码间串扰。多载波体制：将信道

11、分成许多子信道。假设有10个子信道，则每个载波的调制码元速率将降低至1/10，每个子信道的带宽也随之减小为1/10。若子信道的带宽足够小，则可以认为信道特性接近理想信道特性，码间串扰可以得到有效的克服。4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术多载波调制原理多载波调制原理4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术正交频分复用正交频分复用OFDMOFDM：是一种多载波调制是一种多载波调制特点：特点： 为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调信号频谱有部分重叠； 各路已调信号是严格正交的，以便接收端能完全地分离各路信号 每路子载波的调制可以是多进制调制

12、； 每路子载波的调制制度可以不同，根据各个子载波处信道特性的优劣不同采用不同的体制。并且可以自适应地改变调制体制以适应信道特性的变化。缺点： 对信道产生的频率偏移和相位噪声很敏感； 信号峰值功率和平均功率的比值较大，这将会降低射频功率放大器的效率。4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术 4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术 4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术 4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术 4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术 4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）

13、数字调制和解调技术 4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术OFDMOFDM系统的实现（系统的实现（以以MQAMMQAM为例来讨论）为例来讨论）DFTDFT回顾：回顾： 注意：注意：4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术 4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术OFDMOFDM信号的产生：信号的产生：1、码元分组 先将输入码元序列分成帧，每帧中有F个码元，即有F比特。然后将此F比特分成N组，每组中的比特数可以不同，如下图所示。4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术2、MQAM坐标映射 将每组中的bi个比特看作是

14、一个Mi进制码元Bi，其中bi log2 Mi，并且经过串/并变换将F个串行码元bi变为N个（路）并行码元Bi。各路并行码元Bi持续时间相同，均为一帧时间Tf = FTs，但是各路码元Bi包含的比特数不同。这样得到的N路并行码元Bi用来对于N个子载波进行不同的MQAM调制。这时的各个码元Bi可能属于不同的Mi进制，所以它们各自进行不同的MQAM调制。 MQAM调制中一个码元可以用平面上的一个点表示。而平面上的一个点可以用一个矢量或复数表示。下面用复数Bi表示此点。将Mi进制的码元Bi变成一一对应的复数Bi的过程称为映射过程。例如，若有一个码元Bi是16进制的，它由二进制的输入码元“1100”构成，则它应进行16QAM调制。4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术 4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）数字调制和解调技术3、IDFT计算 为了用IDFT实现OFDM，首先令OFDM的最低子载波频率等于0，以满足下式 右端第一项（即n = 0时）的指数因子等于1。为了得到所需的已调信号最终频率位置，可以用上变频的方法将所得OFDM信号的