通信原理第8章新型数字带通调制技术.ppt

1,通信原理,第八章 新型数字带通调制技术 (8.1-8.2),2,第8章 新型数字带通调制技术,8.1 正交振幅调制(QAM) 8.2 最小频移键控和高斯最小 频移键控 8.3 正交频分复用,主要内容,3,8.1 正交振幅调制(QAM),问题的提出： 多进制相移键控（MPSK）的频带利用率高，功率利用率较高； 随着M的增大，相邻相位的距离逐渐变小，噪声容限减小，可靠性降低； 需要改善在M取值较大时的噪声容限。,4,8.1 正交振幅调制(QAM),解决方法： 单独使用幅度或相位携带信息时，不能充分利用信号平面，上MASK 的信号点只能分布在一个轴上， MPSK的信号点只能分布在一个圆。振幅和相位联合调制（APK），以正交幅度调制（QAM）为主。,5,8.1 正交振幅调制(QAM),两个相互正交的振幅键控信号之和。,信号表达式：,正交幅度调制(QAM)的另一种理解,Xk,Yk,6,8.1 正交振幅调制(QAM),QAM调制解调系统组成：,7,8.1 正交振幅调制(QAM),矩形星座图 M为2的偶数次幂 十字形星座图 M为2的奇数次幂 QPSK与4QAM相同,MQAM星座图,8,8.1 正交振幅调制(QAM),16QAM信号的产生方法 正交调幅法：用两路独立的正交4ASK信号叠 加，形成16QAM信号。,9,8.1 正交振幅调制(QAM),复合相移法：它用两路独立的QPSK信号叠加，形成16QAM信号。,10,8.1 正交振幅调制(QAM),16QAM信号和16PSK信号的性能比较： 按最大振幅相等，画出这两种信号的星座图,11,8.1 正交振幅调制(QAM),设其最大振幅为A，则16PSK信号的相邻信号点的最小距离为 16QAM的相邻信号点最小欧式距离为 d2超过d1约1.57 dB。,12,8.1 正交振幅调制(QAM),这时是在最大功率（振幅）相等的条件下比较的，没有考虑这两种体制的平均功率差别。16PSK信号的平均功率（振幅）就等于其最大功率（振幅）。 16QAM信号，在等概率出现条件下，可以计算出其最大功率和平均功率之比等于1.8倍，即2.55 dB。 在平均功率相等条件下，16QAM的相邻信号距离超过16PSK约4.12 dB。,13,8.1 正交振幅调制(QAM),MQAM的频带利用率,理想情况下MQAM与MPSK最高频带利 用率均为： 基带传输系统为升余弦滚降时，频带利 用率为：,14,8.1 正交振幅调制(QAM),实例：一种用于调制解调器的传输速率为9600 b/s的16QAM方案，其载频为1650 Hz，滤波器带宽为2400 Hz，滚降系数为10。,15,8.1 正交振幅调制(QAM),16QAM方案的改进： QAM的星座形状并不是正方形最好，实际上以 边界越接近圆形越好。 实例：,16,第6章 新型数字带通调制技术,8.1 正交振幅调制(QAM) 8.2 最小频移键控和高斯最小 频移键控 8.3 正交频分复用,主要内容,17,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,OQPSK和/4QPSK虽然消除了QPSK信号中180的相位突变，改善了包络的起伏，但并没有从根本上解决包络起伏问题。 包络起伏是由相位的非连续变化引起的，很自然会想到使用相位连续变化的调制方式。 本节讨论的最小频移键控（MSK）和高斯最小频移键控（GMSK ）就是恒包络连续相位调制。,调制指数：,18,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,定义：最小频移键控（MSK）信号是一种包络 恒定、相位连续、带宽最小并且严格正 交的2FSK信号。波形图如下：,19,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,8.2.1 正交2FSK信号的最小频率间隔 假设2FSK信号码元的表示式为 为了满足正交条件，要求,20,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,假设1+0 1，上式左端第1和3项近似等于零，则它可以化简为,21,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,由于1和0是任意常数，故必须同时有 当m = 1时是最小频率间隔，最小频率间隔等于 1/Ts。,22,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,对于相干解调，则要求初始相位是确定的，在接收端是预知的，这时可以令1 - 0 = 0。 对于相干解调，保证正交的2FSK信号的最小频 率间隔等于1 / (2Ts)。,23,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK信号的时域表达式,表示未调载波频率；,Ts 表示码元宽度；,A 表示已调信号振幅；,ak 表示第k个码元中的信息，其取值为,表示直到 时刻的累积相位值。,8.2.2 最小频移键控的原理,24,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,令,MSK信号可以表示成在时间间隔 内具有两个频率之一的正弦波。,定义：,25,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,频率间隔：,MSK的调制指数 ：,满足正交条件的最小频移指数。,26,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK的相位分析,定义：,=,27,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,28,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK的相位网格图,QPSK信号的相位改变量,29,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK信号特点,（1）已调信号的振幅是恒定的； （2）信号的频率偏移严格地等于 相应的调制指数 ；,（3）以载波相位为基准的信号相位在一个码 元期间内准确地线性变化 ；,（4）在码元转换时刻信号的相位是连续的， 或者说，信号的波形没有突跳。,30,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK信号的调制,8.2.3 MSK信号的产生和解调,31,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,MSK信号的解调方法 延时判决相干解调法,32,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,设 ，MSK信号相位 的变化规律,在t 2T 时，k(t)的相位可能为0或。,33,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,在解调时，若用cos(ct + /2)作为相干载波与MSK信号相乘，则得到 上式右端第二项的频率为2c。将它用低通滤波器滤除，并省略掉常数(1/2)后，得到输出电压,34,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,按照输入码元ak的取值不同，输出电压v(t)的轨 迹图： 若输入的两个码元为“1, +1”或“1, -1”，则 k(t)的值在0 t 2Ts 期间始终为正。 若输入的一对码元为“1，+1”或“1，1”， 则k(t)的值始终为负。,35,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,若在此2Ts期间对上式积分，则积分结果为正值时，说明第一个接收码元为“1”； 若积分结果为负值，则说明第1个接收码元为“1”。 按照此法，在Ts t 3Ts期间积分，就能判断第2个接收码元的值，依此类推。 用这种方法解调，由于利用了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。,36,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,两个积分判决器的积分时间长度均为2Ts，但是错开时间Ts。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。,37,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,8.2.4 MSK信号的功率谱 MSK信号的归一化（平均功率1 W时）单边 功率谱密度,与频率f 4成反比,与频率f 2成反比,MSK能量集中在频率较低处,能量集中在频率较高处,38,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,讨论：,与BPSK信号相比，MSK信号的功率谱密度更为 集中，即其旁瓣下降得更快。故它对于相邻频道 的干扰较小。 计算表明，包含99信号功率的带宽近似值为： 对于 MSK： B 1.2/Ts Hz 对于 BPSK： B 9/Ts Hz 由此可见，MSK信号的带外功率下降非常快。,39,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,8.2.5 MSK信号的误码率性能 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。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。 若把它当作FSK信号用相干解调法在每个码元持续时间Ts内解调，则其性能将比2PSK信号的性能差3dB。,40,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,8.2.6 高斯最小频移键控 在进行MSK调制前将矩形信号脉冲 先通过一个高斯型的低通滤波器。这 样的体制称为高斯最小频移键控 (GMSK)。,41,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,高斯型低通滤波器的设计要求： （1）窄的带宽和尖锐的过渡带； （2）低峰突的冲激响应； （3）保持输出脉冲的面积不变，以保证/2 的相移。,高斯低通滤波器的归一化3dB带宽 与码元长度的乘积。,42,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控,用计算机仿真方法得到的功率谱,当BT乘积减小时，旁瓣电平衰减非常快,第二个旁瓣的峰值比主瓣低30dB还多,第二个旁瓣的峰值比主瓣低20dB,BT乘积愈小，所对应的GMSK信号