通信原理及System View仿真测试第8章 新型数字带通调制技术ppt课件

1、第8章 新型数字带通调制技术8.1 正交振幅调制及仿真8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控及仿真8.3 正交频分复用及仿真8.4 仿真实训第第8 8章章 新型数字带通调制技术新型数字带通调制技术第8章 新型数字带通调制技术1. QAM的调制和解调的调制和解调所谓正交幅度调制，是用两个独立的基带波形对两个所谓正交幅度调制，是用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进展调幅的双边带调制，然后将已调相互正交的同频载波进展调幅的双边带调制，然后将已调信号加在一同进展传输或发射。它是一种振幅和相位结合信号加在一同进展传输或发射。它是一种振幅和相位结合键控，其表达式为键控，其表达式为 (8-1)8.

2、1 8.1 正交振幅调制及仿真正交振幅调制及仿真)cos()(g)()(0kskkkktnTtAtsts第8章 新型数字带通调制技术式中： k为表示进制的整数； sk(t)为结合键控信号的一个码元； Ak、k为多个离散值。将式(8-1)展开整理，得 (8-2)令Xk=Ak cosk, Yk=Ak sink00( )g()coscosg()ssinkskkskkks tAtnTtAtnTint第8章 新型数字带通调制技术那么 (8-3)由式(8-3)可以看出， QAM信号可以看成是两个正交的振幅键控信号之和，mI(t)为同置信号，mQ(t)为正交信号。由于在其矢量图平面上分布如星座，故QAM调制

3、又称星座调制。其调制和解调原理框图分别如图8-1和8-2所示。为了抑制已调信号的带外辐射，该M电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器。 IQs0s0( )( )( )g()cosg()sinkkkkm tmts tXtnTtYtnTt 第8章 新型数字带通调制技术图8-1 QAM调制原理框图第8章 新型数字带通调制技术图8-2 QAM解调原理框图第8章 新型数字带通调制技术在式(8-1)中，当Ak取A，k取/4时，此时的QAM信号就是上一章讲的QPSK信号，它是一种最简单的QAM信号，如图8-3所示。目前研讨较多的是16QAM (十六进制的QAM信号)，其星座图如图8-3所示。类似地，还有64

4、QAM、256QAM。第8章 新型数字带通调制技术图8-3 QAM信号矢量图第8章 新型数字带通调制技术下面以16QAM为例阐明整个过程，其表达式为 (8-4) 用4个二进制符号a1a2b1b2就可以表示出16个数，其星座图的编码规那么为(1) 恣意相邻两点的编码的码距(不同位的个数)为1；16.21)cos()(0、ktAtskkk第8章 新型数字带通调制技术(2) 横坐标一样的点其a1a2编码必一样，纵坐标一样的点其b1b2编码必一样。利用上述规律进展相量分解，恣意一个矢量都可以分解成振幅为1 V或3 V同相分量和正交分量之和，如图8-4所示，且进制M与振幅个数L之间的关系为 (8-5)a

5、1a2(或b1b2)与同相或正交分量振幅之间的关系如表8-1所示。ML 第8章 新型数字带通调制技术表表8-1 a1a2与同相分量振幅之间的关系与同相分量振幅之间的关系第8章 新型数字带通调制技术16QAM的产生方法有两种。(1) 正交调幅法：用两路独立的正交4ASK信号叠加，构成16QAM信号，如图8-4所示。 (2) 复合相移法： 用两路独立的QPSK信号叠加，构成16QAM信号，如图8-5所示。图中虚线大圆内的4个大黑点表示第一个QPSK信号矢量的位置。在这4个位置上可以叠加第二个QPSK矢量，后者的位置用虚线小圆上的4个小黑点表示。第8章 新型数字带通调制技术图8-4 正交调幅法产生1

6、6QAM信号第8章 新型数字带通调制技术图8-5 复合相移法产生16QAM信号第8章 新型数字带通调制技术为了比较16QAM信号和16PSK信号的性能，我们将把它们的星座图画在一同。在最大振幅相等的情况下，16QAM和16PSK的星座图如图8-6所示。第8章 新型数字带通调制技术图8-6 16QAM和16PSK的星座图第8章 新型数字带通调制技术设最大振幅为A, 那么16QAM最小码距d1和16PSK中的相邻码距d2分别为 (8-6) 此间隔代表噪声容限的大小，由上式可知，在振幅(最大功率)相等的情况下，16QAM的噪声容限高于16PSK。1220.471A3cosA0.393A88AddA第

7、8章 新型数字带通调制技术2. QAM的仿真根据上面的原理，其SystemView仿真模型如图8-7所示图8-7 16QAM的SystemView调制解调图第8章 新型数字带通调制技术其输出结果如图8-8和图8-9所示图8-8 16QAM相关解调输出信号第8章 新型数字带通调制技术图8-9 16QAM的星座图第8章 新型数字带通调制技术8.2.1 最小频移键控最小频移键控由前面的由前面的QPSK信号调制知识可以得到，当相信号调制知识可以得到，当相位跳变所引起的角频率位跳变所引起的角频率(相位对时间的变化率相位对时间的变化率)大时，大时，会呵斥信号功率谱的分散，会呵斥信号功率谱的分散， 增大了旁

8、瓣分量，增大了旁瓣分量， 会会对临近频道信号产生干扰。为了使旁瓣的功率谱衰对临近频道信号产生干扰。为了使旁瓣的功率谱衰减加快，信号的相位就不能发生突变，即相位与时减加快，信号的相位就不能发生突变，即相位与时间之间是延续的，最小频移键控间之间是延续的，最小频移键控(MSK，Minimum-shift keying)的思想就是因此而产生的。的思想就是因此而产生的。8.2 8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控和高斯 最小频移键控及仿真最小频移键控及仿真第8章 新型数字带通调制技术1. MSK的调制和解调MSK是一种二进制相位延续的特殊的2FSK调制技术。MSK的包络恒定、误比特率低、频谱利用率高，

9、故它是一种高效的调制方法，特别适宜于无线挪动通讯系统。假定发“1对应的角频率为1，发“0对应的角频率为2，那么MSK信号可以表示为 (8-7)MSKccksss( )cos( )cos(),(1)2kaStttttkTtkTT 第8章 新型数字带通调制技术1) 调制指数下面我们分析一下f1、f2与fc、fs的关系。为了得到这个关系，需求对总的相角求导，即 (8-8)scc1scssc2d()2+2124dt22214kkkkkafttffaTafTffa 第8章 新型数字带通调制技术所以 (8-9)最小频差 (8-10)调制指数 (8-11)s1cs2c+44ffffffs122ffff 12

10、sfmf第8章 新型数字带通调制技术2) MSK是一种频差最小的正交调制方式 由前面的知识可知, 2FSK调制中两信号的相关系数为 (8-12)当调制指数为0.5时f1f2=0.5fs(8-13)此时sin2(f2f1)Ts=sin=0sin4fcTs=sin4fcTs=sink=0， |k|121scs21scsssin2()sin42()4ff Tf Tff Tf T第8章 新型数字带通调制技术即=04fcTs=k可得 (8-14)就是说，载波频率取四分之一码元速率的整数倍。由此可知，当调制指数为0.5时， 是最小满足正交条件的，所以MSK是一种频差最小的正交调制方式。css44kkffT

11、第8章 新型数字带通调制技术3) 相位常数和附加相位 为了使MSK信号的相位延续，需求保证第k个码元的起始相位是第k1个码元的末相位，即 (8-15)上式阐明，两相邻码元之间的相位是相关联的。假设用相关解调，普通令初相位为，那么 (8-16)1111()k2kkkkkkkaa100k或（模2 ）第8章 新型数字带通调制技术由前面的分析可知，附加相位是斜率为，截距为的直线方程。由于ak随机选+1或1，所以直线是以Ts为分段的线性函数。在一个码元周期内，当ak=+1时，线性添加/2；当ak=1时，线性减少/2。当输入信号为1, +1, +1, +1, 1, +1, 1时，信号的初相位和附加相位的变

12、化轨迹如图8-10所示。( ) ts2kaTk第8章 新型数字带通调制技术图8-10 信号的初相位和附加相位的变化轨迹第8章 新型数字带通调制技术4) MSK信号的调制和解调调制采用正交调制，解调采用抗干扰才干强的相关解调，此时，即。 对式(8-7)进展展开得 (8-17)0k或（模2 ）cos1,sin0kk MSKccc( )cos( )cos() cos ( )sin()sin ( )Sttttttt第8章 新型数字带通调制技术式中：sssssssscos ( )cos()cos(cos22 cos()coscos()sin ( )22 sin()sin(cossin()cos222 s

13、in()2kkkkkIkkkkkkQaatttTTtbttTTaattatTTTbT ）第8章 新型数字带通调制技术其中 (8-18)bI是同相分量基带信号，bQ是正交分量基带信号，它们由原始的信息经过差分编码方式得到。令，那么式(8-17)可变为 (8-19)cos,coskIkkQbabss( )cos(),( )sin()22IQI tbt Q tbTTMSKcc( )( )cos()( )sin()StI ttQ tt第8章 新型数字带通调制技术当模2时， 由式(8-18)得 (8-20)由式(8-19)构成的MSK的正交调制原理框图如图8-11所示。0k模2 时，或=kIQIQabb

14、bb 第8章 新型数字带通调制技术图8-11 MSK的正交调制原理框图第8章 新型数字带通调制技术采用相关解调的MSK原理框图如图8-12所示。图8-12 相关解调的MSK原理框图第8章 新型数字带通调制技术5) MSK信号的功率谱 由前面的功率谱知识可知，MSK信号的归一化双边功率谱密度为 (8-21)其图像如图8-13所示。222csc2ss)(161)(2cos16)(sTffTffTfP第8章 新型数字带通调制技术图8-13 MSK信号的归一化双边功率谱密度第8章 新型数字带通调制技术2. MSK的仿真根据前面的引见， MSK SystemView仿真模型如图8-14所示，输出结果如图

15、8-15所示。图8-14 MSK的SystemView仿真模型第8章 新型数字带通调制技术图8-15 原码和输出码波形第8章 新型数字带通调制技术8.2.2 高斯最小频移键控高斯最小频移键控MSK信号具有带宽较窄，信号具有带宽较窄， 包络恒定，带外功率包络恒定，带外功率下降快的优点，但对传输速率高的数字调制系统来讲下降快的优点，但对传输速率高的数字调制系统来讲还不能满足需求。比如，在挪动通讯中，对信号带外还不能满足需求。比如，在挪动通讯中，对信号带外辐射功率的限制非常严厉，普通要求必需衰减辐射功率的限制非常严厉，普通要求必需衰减70 dB以上。为了进一步减少旁瓣的功率分量和降低对临近以上。为了

16、进一步减少旁瓣的功率分量和降低对临近信道的干扰，需求对信道的干扰，需求对MSK方式进一步改良，高斯最方式进一步改良，高斯最小频移键控小频移键控(GMSK)就是针对上述要求提出来的。就是针对上述要求提出来的。 GMSK调制就是在调制就是在MSK调制之前加一个高斯型的调制之前加一个高斯型的低通滤波器。此高斯型的低通滤波器的频率特性表达低通滤波器。此高斯型的低通滤波器的频率特性表达式为式为 (8-22)22exp)(ffH第8章 新型数字带通调制技术其中是与高斯滤波器的3 dB带宽B有关的参数，它们之间的关系为 (8-23)对式(8-22)作傅里叶反变换，得其单位冲激呼应为 (8-24)5887.

17、02ln21B2exp)(tth第8章 新型数字带通调制技术1. GMSK的调制GMSK的调制原理框图如图8-16所示。GMSK的解调可以采用正交相关解调，或者差分解调(非相关解调)，但缺乏的是误比特率比MSK的高，所以GMSK的频谱改善要以误比特率的下降作代价。GMSK的功率谱密度用计算机仿真法得到，结果表示图如图8-17所示。第8章 新型数字带通调制技术图8-16 GMSK的调制原理框图第8章 新型数字带通调制技术图8-17 GMSK的功率谱密度第8章 新型数字带通调制技术2. GMSK的仿真根据上面的引见，其SystemView仿真模型如图8-18所示。图8-18 GMSK的System

18、View仿真模型第8章 新型数字带通调制技术正交频分复用(OFDM)属于多载波调制方式。多载波调制的根本思想如下：在发送端将高速率的数据流经串/并变换成假设干个低速率的数据流，再分别用独立的载波调制这些低速数据流，然后经相加组成发送信号，接纳端采用相关解调后，得到低速率的数据，最后经过串并转换获得高速率的数据流。多载波调制解调系统的方框图如图8-19所示。8.3 8.3 正交频分复用及仿真正交频分复用及仿真第8章 新型数字带通调制技术图8-19 多载波调制解调系统的方框图第8章 新型数字带通调制技术与单载波调制系统相比，多载波调制系统的抗多径衰落才干和抗频率选择性衰落才干强，频谱利用率高，但对

19、定时偏向和载波频率偏向敏感，对前端放大器的要求更苛刻。OFDM是多载波调制中的一种高效调制技术，其特点如下：(1) 抗多径传播和衰落才干强。由于OFDM系统把信息分散到许多个载波上，降低了各子载波的信号速率，使符号周期比多径迟延伸，因此可以减弱多径传播的影响。假设再采用时域平衡和维护间隔等措施，那么可以有效降低符号间干扰。 第8章 新型数字带通调制技术(2) 频谱利用率高。OFDM信号由N个信号叠加而成，每个信号频谱为Sa()函数并且与相邻信号频谱有1/2重叠，从实际上讲其频谱利用率可以接近奈圭斯特极限。(3) 适宜高速率数据传输。OFDM中的自顺应机制使不同的子载波可以根据信道的实践情况采用

20、不同的调制方式。信道特性好时采用频谱利用率高的高效率调制方式，而衰落很大的子信道那么采用抗干扰才干强的调制方式。因此，它适宜高速率的数据传输。第8章 新型数字带通调制技术(4) 抗干扰才干强。OFDM采用循环前缀和在相邻码元间添加维护间隔来提高抗码间干扰的才干。(5) 对定时和频率的偏移敏感。第8章 新型数字带通调制技术1. OFDM的根本原理为了提高频谱利用率， OFDM中各子载波频谱有1/2重叠，但满足相互正交。接纳端经过相关解调分别出各子载波，同时消除码间干扰的影响。 设在一个OFDM系统中有N个子信道，那么N路子信号之和可用复数表示为 (8-25)10)2( je)(NkfkkkBts

21、第8章 新型数字带通调制技术1) 最小载频间隔为了使N路子信号在接纳端可以完全分别，需求它们满足正交的条件，由此可以推出，子载波频率fk和子载波频率间隔分别满足 (8-26) (8-27)故要求的最小子载频间隔为 (8-28)s2kkfTskinfffT mins1fT第8章 新型数字带通调制技术2) OFDM的频谱利用率OFDM信号由N个信号叠加而成，每个信号频谱为1/Ts函数并且与相邻信号频谱有1/2重叠，从实际上讲，其频谱利用率可以接近奈奎斯特极限。 OFDM信号及其子载波信号的频谱密度构造如图8-20所示。设信号采样频率为1/Ts，那么每个子载波信号的采样速率为1/(NTs)，即载波间

22、距为1/(NTs)，假设忽略信号两侧的旁瓣， 那么频谱宽度为 (8-29)OFDMsss121(1)NBNNTNTNT第8章 新型数字带通调制技术图8-20 OFDM信号及其子载波信号的频谱密度构造第8章 新型数字带通调制技术OFDM的符号速率为 (8-30)比特率为 (8-31)因此， OFDM的频谱利用率为 (8-32)Bss11RNNTTbs1lbRMTMNNBRlb1OFDMbB/OFDM第8章 新型数字带通调制技术2. OFDM的调制和解调对OFDM信号进展间隔为T的采样，并令k=0，那么式(8-25)变为 (8-33)与离散傅里叶反变换(IDFT)类似, 所以OFDM信号可以经过IDFT变换得到，其产生与解调原理如图8-21所示。1j2OFDM0( )ekNf nTkkStB第8章 新型数字带通调制技术图8-21 OFDM信号调制与解调原理图第8章 新型数字带通调制技术图中，在发送端，输入信息速率为Rb的二进制数据序列先进展串/并变换。根据OFDM符号间隔Ts，将其分成RbTs个比特一组。然后把它们分配到N个子信道， 经过编码后映射为N个复数子符号Xk，其中子信道k对应的子符号Xk代表bk个比特，且 (8-34)10bsNKkbRT第8章 新型数字带通调制技术在利用上述的方法进展调制和解调时，为了使信号在IFFT、FFT前后功率坚持