通信原理（第7版）-第8章新型数字调制

通信原理（第7版）-第8章新型数字调制第一页，共84页。新型数字调制

第8章樊昌信曹丽娜编著通信原理（第7版）第二页，共84页。正交振幅调制（QAM）最小移频键控（MSK）高斯最小移频键控（GMSK）正交频分复用（OFDM）

本章内容:

第8章新型数字调制

第三页，共84页。正交振幅调制（QAM）§8.1（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）一种振幅和相位联合键控的数字调制技术第四页，共84页。

观察MPSK的星座图：需求背景问题引出第五页，共84页。

容易想到的一种办法：-----往往会受发射功率的限制。解决途径第六页，共84页。

可行性方案：振幅

和相位

联合键控的调制方式。(星座结构)设计思想第七页，共84页。第八页，共84页。16QAM信号16PSK信号最大振幅同为AM最小距离——此最小距离代表噪声容限的大小。举例对比最小距离第九页，共84页。

噪声容限越大，抗噪声性能就越强。

d2超过d1约1.57dB（最大功率(振幅)相等条件下）

d2超过d1约4.12dB（平均功率相等条件下）16QAM是最具有代表性的MQAM信号，此外：比较：第十页，共84页。M=4时，QPSK信号就是一种最简单的QAM信号注：

QAM星座图除方型结构外，还有星型或其他结构M=64、256时，QAM信号的星座图：第十一页，共84页。

星座结构设计准则星座结构影响系统性能！第十二页，共84页。2种振幅值8种相位值3种振幅值12种相位方型16QAM

星型16QAM在多径衰落信道中，信号振幅和相位取值越多，受到的影响越大，因而星型比方型更具有吸引力。但方型星座的QAM信号的产生与接收更易实现。第十三页，共84页。在QAM中，载波的振幅和相位同时受基带信号控制，因此，

它的一个码元可表示为：展开为：式中：

Xk=Akcosk，Yk=-AksinkAk、k、Xk和Yk分别可以取多个离散值

16QAM信号的产生表明：第十四页，共84页。AM第十五页，共84页。第十六页，共84页。复合相移法：

用两路独立的QPSK信号叠加，即可形成16QAM信号。AMAM

大圆上的4个红点表示第一个QPSK信号矢量的位置。在这4个位置上可以叠加上第二个QPSK矢量，后者的位置用虚线小圆上的4个小黑点表示。第十七页，共84页。

16QAM信号的解调——正交相干解调第十八页，共84页。以上两式适用于其他线性数字调制信号。

MQAM信号的谱零点带宽第十九页，共84页。频带利用率：

（bps/Hz）

以上两式也适用于其他线性数字调制信号。

第二十页，共84页。最小频移键控（MSK）§8.2——2FSK的改进型第二十一页，共84页。问题引出：

——相位不连续引起究其原因：需求背景西安电子科技大学通信工程学院

第二十二页，共84页。

解决途径：——改善已调波的相位路径——采用相位连续变化的调制方式CPM——MSK就是一种包络恒定、相位连续、频差最小，并且严格正交的2FSK（CPFSK）信号。第二十三页，共84页。第二十四页，共84页。§8.2.1

正交2FSK信号的最小频率间隔设2FSK信号码元的表示式为欲满足正交条件，则要求互相关系数即要求第二十五页，共84页。上式积分结果为若设1+0>>1，则上式左端第1和3项0，故有由于1和0是任意常数，故必须同时有上式才等于零第二十六页，共84页。应当令即要求

上面讨论中，假设初始相位1和0是任意的，它在接收端无法预知，因此只能采用非相干接收方法。注意：第二十七页，共84页。可化简为即仅要求第二十八页，共84页。§8.2.2

MSK信号的基本原理1

MSK信号的频率间隔MSK信号第k个码元表示：这里TB=Tbc

-载频；TB

-码元宽度；ak=1（对应输入码元“1”和“0”）；第二十九页，共84页。最小频差:调制指数:第三十页，共84页。2

MSK码元中波形的周期数可改写为式中MSK信号应满足正交条件：第三十一页，共84页。N―正整数由此推出还可写成或第三十二页，共84页。并有T1=1/f1T0=1/f0含义：一个码元时间TB内包含的正弦波周期数。两种码元包含的正弦波数均相差1/2个周期。第三十三页，共84页。当N=1，m=3时“1”的一个码元内有2个正弦波周期。“0”的一个码元内有1.5个正弦波周期。例如第三十四页，共84页。3

MSK信号的相位连续性相位连续条件:即在码元转换时刻t=kTB，满足：——相位约束条件。据此确定初相k，使相位连续。若设k-1的初始参考值等于0，则第三十五页，共84页。

MSK信号的相位路径:第k个码元的附加相位：斜率截距直线方程若ak=+1，则

k(t)线性增加/2任一TB内下图若ak=-1，则k(t)线性减小/2第三十六页，共84页。附加相位k(t)的路径示例：-1-1+1-1+1+1-1+100101101在码元转换时刻，MSK信号的附加相位是连续的！可见：第三十七页，共84页。TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)附加相位k(t)的全部可能路径：上例00101101第三十八页，共84页。TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)

模2运算后的附加相位路径：第三十九页，共84页。（1）设“0”对应

f0，“1”

对应f1，则有解例4TB4TB第四十页，共84页。（2）MSK信号时间波形如图所示：TBTB正弦波）正弦波）第四十一页，共84页。（3）MSK信号附加相位路径图：可见：在码元转换时刻，MSK信号的相位是连续的。第四十二页，共84页。4

MSK信号的正交表示法进行展开，表示成频率为fc的两个正交分量：将MSK信号第四十三页，共84页。以及∵∴正交分量(Q)同相分量(I)则第四十四页，共84页。由式可知

pk和qk不可能同时改变

pk和ak同时改变时，

qk=akpk不改变第四十五页，共84页。第四十六页，共84页。设k=0时为初始状态，输入序列ak

：

+1，-1，+1，-1，-1，+1，+1，-1，+1

由此例可见，pk和qk

不可能同时改变符号。MSK信号举例取值表这里TB=Tb第四十七页，共84页。

可见：MSK信号波形相当于一种特殊的OQPSK信号波形，其正交的两路码元也是偏置的，特殊之处主要在于其包络是正弦形，而不是矩形。波形图第四十八页，共84页。§8.2.3

MSK信号的产生与解调1

MSK信号的产生方法第四十九页，共84页。2

MSK信号的解调方法多种。如同2FSK,可以采用相干或非相干解调；鉴频器解调法，相关接收法等。

延时判决相干解调法

考察k=1和k=2的两个码元。设1(t)=0，则在t＝2TB时，k(t)的相位可能为0或，见图A。

将这部分放大为图B：原理第五十页，共84页。图Bk(t)TB2TBTB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)图A第五十一页，共84页。在解调时，若用cos(ct+/2)作为相干载波与MSK信号相乘，则得到:低通滤波，并去掉常数(1/2)后，得到输出电压：按照输入码元ak的取值不同，v0的轨迹图如下：第五十二页，共84页。v0(t)TB2TB若输入的两个码元:“+1,+1”或“+1,-1”“-1，+1”或“-1，-1”为正为负第五十三页，共84页。按照此法，在TB<t

3TB期间积分，

就能判断第2个接收码元的值，依此类推。积分结果为正值，说明第1个接收码元为“+1”积分结果为负值，说明第1个接收码元为“-1”第五十四页，共84页。图中两个积分判决器的积分时间长度均为2TB，但是错开时间TB。上支路的积分判决器先给出第2i个码元输出，然后下支路给出第(2i+1)个码元输出。载波提取积分判决解调输出MSK信号[(2i-1)TB，(2i+1)TB]积分判决[2iTB，2(i+1)TB]此法利用前后两个码元的信息对于前一个码元作判决，故可以提高数据接收的可靠性。方框图第五十五页，共84页。§8.2.4

MSK信号的功率谱注意:图中横坐标是以载频为中心画的，即横坐标代表(f–fc)

可见：与QPSK和OQPSK相比，MSK的谱密度更为集中，即旁瓣下降得更快，故对相邻频道的干扰较小。归一化单边功率谱密度Ps(f)：（平均功率

＝1W时）第五十六页，共84页。

包含90％信号功率的带宽近似值为： 对于QPSK、OQPSK、MSK：B

1/TB

Hz 对于BPSK：

B

2/TB

Hz包含99％信号功率的带宽近似值为： 对于MSK： B

1.2/TB

Hz

对于QPSK及OQPSK：

B

6/TB

Hz

对于BPSK：

B

9/TB

Hz由此可见，MSK信号的带外功率下降非常快。计算表明第五十七页，共84页。§8.2.5

MSK信号的误码性能

MSK信号是用极性相反的半个正（余）弦波形去调制两个正交的载波。因此，当用匹配滤波器分别接收每个正交分量时，MSK信号的误比特率性能和2PSK、QPSK及OQPSK等的性能一样。但是，若把它当作FSK信号用相干解调法在每个码元持续时间TB内解调，则其性能将比2PSK信号的性能差3dB。第五十八页，共84页。

MSK信号的主要特点；归纳第五十九页，共84页。进一步改进——GMSK第六十页，共84页。§8.2.6高斯最小频移键控(GMSK)（GaussianFilteredMinimumShiftKeying，GMSK）高斯型低通滤波器B—滤波器的3dB带宽BTb—归一化3dB带宽传递函数冲激响应第六十一页，共84页。BTb越小，输出脉冲的宽度越大，ISI越严重。让一个高为1，持续时间为(-Tb/2~+Tb/2)的矩形方波通过该滤波器，则其输出脉冲g(t)在±Tb/2变得圆滑。高斯滤波器的矩形脉冲响应第六十二页，共84页。

GMSK信号的相位路径可见：消除了MSK相位路径在码元转换时刻的相位转折点∵没有相位转折点，∴该时刻的导数也是连续的，即信号的频率不会突变，这将使信号谱的旁瓣衰减更快。第六十三页，共84页。

GMSK信号的的功率谱密度——GMSK的缺点——GMSK的优点在第二代移动通信系统（GSM）中，采用BTb=0.3的GMSK调制。第六十四页，共84页。正交频分复用（OFDM）§8.3——一种多载波调制技术（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）多载波调制第六十五页，共84页。

问题引出单载波调制§8.3.1概述存在问题单个载波上西安电子科技大学通信工程学院

第六十六页，共84页。

问题引出单载波调制§8.3.1概述|C(f)|tffBTB存在问题|C(f)|信道最大多径迟延差——TB

<

τmax

，产生频率选择性衰落。

需复杂的均衡第六十七页，共84页。NTBtfB/N

解决途径多载波调制串/并分成带宽:Bi=B/N

码元持续时间:Ti=NTB数据传输速率:Ri

=RB/N<信道的相关带宽>信道最大多径迟延τmax子信道|C(f)|tffBTBBTB第六十八页，共84页。

正交频分复用（OFDM）——

多载波并行调制体制

各路子载波的已调信号频谱有1/2重叠

——提高了频率利用率和总传输速率；

特点设计思想子信道的均衡也相对容易第六十九页，共84页。

各路已调信号是严格正交的——便于接收端分离各路信号，减少子信道之间的相互干扰（ICI）；

每路子载波的调制制度可以不同——根据每个子载波处信道特性的优劣不同采用不同的体制。

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；

对同步要求严格。

缺点：第七十页，共84页。§8.3.2OFDM的基本原理表示式设OFDM系统中有N个子信道，每个子信道采用的子载波为：式中，Bk

、fk、k

－分别为第k路子载波的振幅、频率、初始相位；

Bk受基带码元的调制。则此系统中的N路子信号之和为：可改写成：式中，Bk是一个复数，为第k路子信道中的复输入数据。第七十一页，共84页。即正交条件为了使这N

路子信道信号在接收时能够完全分离，要求它们满足正交条件。在TB内，任意两个子载波都正交的条件是：积分结果为第七十二页，共84页。其中，m=整数和n=整数；并且k和i可以取任意值。上式等于0的条件：这就是子载频正交的条件。即要求子载频满足fk=k/2TB，式中k=整数；且要求子载频间隔f=fk–fi=n/TB，故要求的最小子载频间隔为：第七十三页，共84页。

OFDM的频域特性TBtfk+1/TBfkf

OFDM信号（各子载波合成后）频谱：

各相邻子载波的频率间隔等于最小容许