无线通信原理与应用-63-脉冲成形课件

1无线通信原理与应用第六章移动无线电中的数字调制技术2主要内容调制技术概述无线移动通信对数字调制技术的要求线路码及其频谱脉冲成形信号空间概念线性调制技术

恒包络调制技术扩频调制技术3脉冲成形1.为什么要进行脉冲成形？2.脉冲成形还会带来什么影响？3.两种常用的脉冲成形滤波器4为什么要进行脉冲成形？前面介绍的线路码都采用矩形脉冲进行数据的脉冲成形，如双极性NRZ码中，用正矩形脉冲代表二进制的“1”，用负的矩形脉冲代表二进制的“0”。直接将这种脉冲用于调制会使已调信号频谱具有较高的旁瓣，无法满足无线移动通信的要求。5例如：2PSK调制是线性调制，调制过程可以表达为二进制双极性NRZ码与本地载波直接相乘。所以其射频频谱就是基带谱的简单搬移，射频带宽（正频率方向的零点对零点带宽）是基带带宽（正频率方向的第一零点带宽）的两倍。13dB6对基带信号进行低通滤波（称作脉冲成形）可以降低射频旁瓣。常用的滤波器有两种。一种是升余弦滤波器，一般用于线性调制；另一种是高斯滤波器，常用于恒包络调制。7脉冲成形还会带来什么影响？脉冲成形滤波器都是低通滤波器，因此这些滤波器的冲激响应不可能是时间有限的。理想低通滤波器的冲激响应波形如右上图所示。信号经过这样的一个低通滤波器之后，会造成信号在时域上的扩展，一个符号的脉冲将会延伸到相邻的其他符号中，因此，进行脉冲成形就意味着“人为地”引入码间干扰。8所以，要么我们选择可以消除码间干扰影响的滤波器作为脉冲成形滤波器，要么就应该将人为引入的码间干扰控制在对系统性能影响较小的程度以内。升余弦滤波器属于前一种情形；高斯滤波器则属于后一种情形。9奈奎斯特准则解决了既能克服码间干扰又能保持小的传输带宽的问题。该准则为：要使ISI的影响完全被抵消，需要整个通信系统的冲击响应在接收机端每个抽样时刻只对当前符号有响应，而对其他符号的响应全等于零。奈奎斯特准则可表示为：

其中Ts是符号周期，n是整数，K是非零常数消除码间干扰的奈奎斯特准则10选择滤波器的考虑滤波器的冲击响应

在接近n≠0的取样点处要迅速衰减。在发射端和接收端必须便于实现成形滤波器，以产生期望的。11满足奈奎斯特准则的滤波器一个满足奈奎斯特准则的滤波器的冲击响应可以表示为：对应的滤波器频率响应：f<fs/2,非0。12理想的奈奎斯特滤波器这个滤波器虽然满足奈奎斯特准则，但是其实现比较困难，因为它对应于非因果系统并难以逼近。还有该滤波器的冲击响应在每个过零点的斜率都为1/t且仅在Ts的整数倍为零，这样过零点抽样时间的任何偏差都会造严重的ISI。13实际使用的奈奎斯特滤波器实际使用的满足奈奎斯特准则的滤波器大都具有如下的形式的冲击响应和频率响应：其中，14两种常用的脉冲成形滤波器升余弦滤波器高斯滤波器15升余弦滤波器升余弦滚降滤波器满足奈奎斯特准则，其频率响应函数为：其中α是滚将因子，取值范围为0到1。其冲激响应函数为：16升余弦滤波器的频率响应滤波器的频率响应函数如右图。α为滚降系数。

0≤α≤1。α

＝0时是滤波带宽为0.5R的理想低通滤波器；α

＝0.5时，滤波带宽为0.75R；α

＝1时，滤波带宽为R。17

频域

时域注意：α越大，滤波器带宽越宽，但冲激响应过零点时衰减得会越快——有利于减小对定时抖动的敏感度。18升余弦滤波器的滤波器带宽BRC：

BRC＝(1＋α)/2TS

。所以，能够通过该滤波器的符号速率为：

RS＝1/TS=2BRC/(1+α)。基带信号带宽19

数据为“1，0，1”

，进行α=0.5的升余弦脉冲成形，BPSK已调波形。已调信号包络会有起伏变化20脉冲成型频谱约束作用右图显示了，不进行脉冲成形的BPSK信号功率谱和升余弦(α=0.5)脉冲成形后的BPSK信号功率谱。就前者而言，信号能量的90％在大约1.6Rb带宽内；而对于后者，信号能量的90％在大约1.5Rb带宽内。21升余弦滤波器的实现（1）请注意，依照“消除码间干扰的奈奎斯特准则”，当我们使整个通信系统的等效冲激响应具有升余弦形式的频率响应函数时，理论上可以消除码间干扰的影响。所以我们往往按下图来实现升余弦滤波。Ht(f)Hc(f)Hr(f)HRC(f)

δ(t)22升余弦滤波器的实现（2）其中，Ht(f)为发送滤波器的频率响应函数，Hc(f)为信道的频率响应函数，Hr(f)为接收滤波器的频率响应函数。如果信道为理想信道，即Hc(f)=1或hc(t)=δ(t)（即使信道不是理想的，也可以通过均衡来消除信道的影响），我们使，。

这样，既保证了整个系统可以实现无码间干扰传输（设Hc(f)=1），又实现了匹配滤波——以获取最佳信噪比。此时我们称发送端的脉冲成形滤波器Ht(f)为平方根升余弦滤波器。23升余弦滤波器的实现（3）在实际使用时，升余弦脉冲成形滤波器可以在基带数据上实现，也可以在射频发射机的输出端实现。一般情况下，脉冲成形滤波器在基带上用DSP实现，这种实现方式要比在射频上实现容易的多，因为在基带的频率要比射频的频率低，更易于实现。并且因为该滤波器的冲击响应是非因果的，在实际使用时必须截短。24升余弦滤波器的缺点对于升余弦滤波器，非常重要的是要求载波能够完全保留脉冲的波形，此时对于升余弦滤波器才能够考虑其频谱效率。这就要求使用升余弦脉冲成形的系统必须使用线性RF功放。如果使用非线性RF功放，则基带脉冲波形的微小失真将会导致传输信号的带宽占用发生急剧的变化。如果不对这中变化加以适当的控制，将会造成移动通信系统的严重的邻道干扰。因此，使用奈奎斯特脉冲成形得到的带宽上的减少需要使用线性功放来达到。这个问题的一个解决方法是使用实时反馈的线性放大器来提高功率效率。这也正是当前移动通信中的研究热点。25高斯滤波器(GaussianFilter)不使用奈奎斯特技术实现脉冲成形也是可能的，其中一项重要的技术就是使用高斯脉冲成形技术，高斯滤波器的频率响应函数为：

滤波器的冲激响应函数为：

α与滤波器的3dB带宽B有关，且

26数学上，常将如exp(-αx2)的函数称为高斯函数（其中α为常数），所以这种滤波器称作高斯滤波器。将如exp(-αx2)的函数也称作钟形函数，波形如钟状，且没有过零点。其冲激响应波形如右图。27下页图中给出了k=BTs取不同值时，基带高斯滤波器的冲击响应。高