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1、1,第3章 无线调制技术 新型数字带通调制技术,i j；i, j1, 2, , M,信号间的正交性,若两个周期为T 的模拟信号s1(t) 和 s2(t) 互相正交，则有:,若M个周期为T 的模拟信号s1(t)，s2(t)，sM(t)构成一个 正交信号集合，则有:,码组间的正交性,可用互相关系数来描述。,3,第3章 新型数字带通调制技术,3.1 正交振幅调制(QAM) 对于多进制数字调制MPSK和MDPSK，带宽占用小，信噪比要求低，为人们所喜爱，但是，在MPSK体制中，随着M的增大，相邻相位的距离越来越小，噪声容限随之减小，误码率难以保证。为了改善在M大时的噪声容限，发展了QAM体制。 在QA
2、M调制体制中，信号的振幅和相位作为两个独立的参量同时受到调制,4,第3章 新型数字带通调制技术,3.1 正交振幅调制(QAM) 信号表示式： 这种信号的一个码元可以表示为 式中，k = 整数；Ak和k分别可以取多个离散值。 上式可以展开为 令 Xk = AkcoskYk = -Aksink 则信号表示式变为 Xk和Yk也是可以取多个离散值的变量。从上式看出，sk(t)可以看作是两个正交的振幅键控信号之和。,5,什么是正交信号 正交信号就是两个信号的互相关值为0，即两路信号不相关。（不会造成相互干扰）,6,第3章 新型数字带通调制技术,矢量图 在信号表示式中，若k值仅可以取/4和-/4，Ak值仅
3、可以取+A和-A，则此QAM信号就成为QPSK信号，如下图所示： 所以，QPSK信号就是一种最简单的QAM信号。,7,第3章 新型数字带通调制技术,有代表性的QAM信号是16进制的，记为16QAM，它的矢量图示于下图中：,8,第3章 新型数字带通调制技术,类似地，有64QAM和256QAM等QAM信号，如下图所示： 它们总称为MQAM调制。由于从其矢量图看像是星座，故又称星座调制。,9,第3章 新型数字带通调制技术,16QAM信号 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，如下图所示。,10,第3章 新型数字带通调制技术,16QAM信号和16PSK信号的性能比
4、较： 在下图中，按最大振幅相等，画出这两种信号的星座图。 设其最大振幅为AM，则16PSK信号的相邻矢量端点的欧氏距离等于 而16QAM信号的相邻点欧氏距离等于 d2和d1的比值就 代表这两种体制 的噪声容限之比。,11,第3章 新型数字带通调制技术,按上两式计算，d2超过d1约1.57 dB。但是，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）。而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。因此，在平均功率相等条件下，16QAM比16PSK信号的噪
5、声容限大4.12 dB。,12,第3章 新型数字带通调制技术,实例：在下图中示出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。,13,第3章 新型数字带通调制技术,3.2 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，其波形图如下：,14,第3章 新型数字带通调制技术,3.2.1 正交2FSK信号的最小频率间隔 假设2FSK信号码元的表示式为 现在，为了满足正交条件，要求 经推导，需满足： 即： 所以，对于相干接收，保证正交的2F
6、SK信号的最小频率间隔等于1 / 2Ts。,15,第3章 新型数字带通调制技术,3.2.2 MSK信号的基本原理 MSK信号的频率间隔 MSK信号的第k个码元可以表示为 式中，s 载波角载频； ak = 1（当输入码元为“1”时， ak = + 1 ； 当输入码元为“0”时， ak = - 1 ）； Ts 码元宽度； k 第k个码元的初始相位，它在一个码元宽度 中是不变的。,16,第3章 新型数字带通调制技术,由上式可以看出，当输入码元为“1”时， ak = +1 ，故码元频率f1等于fs + 1/(4Ts)；当输入码元为“0”时， ak = -1 ，故码元频率f0等于fs - 1/(4Ts)
7、。所以， f1 和f0的差等于1 / (2Ts)。这是2FSK信号的最小频率间隔。,17,第3章 新型数字带通调制技术,从载波周期上看： 无论两个信号频率f1和f0等于何值，这两种码元包含的正弦波数均相差1/2个周期。 例如:对于比特“1”和“0”，一个码元持续时间内分别有2个和1.5个正弦波周期。（见下图）,18,第3章 新型数字带通调制技术,19,第3章 新型数字带通调制技术,3.2.3 MSK信号的产生和解调 MSK信号的产生方法 MSK信号可以用两个正交的分量表示： 根据上式构成的方框图如下：,20,第3章 新型数字带通调制技术,方框图原理举例说明： 输入序列：ak = a1, a2,
8、 a3, a4, = +1, -1, +1, -1, -1, +1, +1, -1, +1 它经过差分编码器后得到输出序列： bk = b1, b2, b3, b4, = +1, -1, -1, +1, -1, -1, -1, +1, +1 序列bk经过串/并变换，分成pk支路和qk支路： b1, b2, b3, b4, b5, b6, p1, q2, p3, q4, p5, q6, 串/并变换输出的支路码元长度为输入码元长度的两倍，。 pk和qk再经过两次相乘，就能合成MSK信号了。,21,第3章 新型数字带通调制技术,3.2.4 MSK信号的功率谱 MSK信号的归一化（平均功率1 W时）单
9、边功率谱密度Ps(f)的计算结果如下 按照上式画出的曲线在下图中用实线示出。应当注意，图中横坐标是以载频为中心画的，即横坐标代表频率(f fs)。,22,第3章 新型数字带通调制技术,由此图可见，与QPSK和OQPSK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。,23,第3章 新型数字带通调制技术,3.3 正交频分复用 3.3.1 概述 单载波调制和多载波调制比较 单载波调制：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。 多载波调制：将信道分成许多子信道。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、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。,24,第3章 新型数字带通调制技术,多载波调制原理,25,传统频分复用(FDM)多载波调制技术,正交频分复用(OFDM)多载波调制技术,26,第3章 新型数字带通调制技术,正交频分复用(OFDM) ：一类多载波并行调制体制 OFDM的特点： 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； 每路子载波的调制是多进制调制； 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
11、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。 OFDM的缺点： 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。,27,第3章 新型数字带通调制技术,3.3.2 OFDM的基本原理 表示式 设在一个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 第k路子载波的振幅，它受基带码元的调制 fk 第k路子载波的频率 k 第k路子载波的初始相位 则在此系统中的N路子信号之和可以表示为,28,第3章 新型数字带通调制技术,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。在码元
12、持续时间Ts内任意两个子载波都正交的条件是：,29,第3章 新型数字带通调制技术,令上式等于0的条件是： 其中m = 整数和n = 整数；并且k和i可以取任意值。 由上式解出，要求 fk = (m + n)/2Ts， fi = (m n)/2Ts 即要求子载频满足 fk = k/2Ts ，式中 k = 整数；且要求子载频间隔f = fk fi = n/Ts，故要求的最小子载频间隔为 fmin = 1/Ts 这就是子载频正交的条件。,30,第3章 新型数字带通调制技术,OFDM的频域特性 设在一个子信道中，子载波的频率为fk、码元持续时间为Ts，则此码元的波形和其频谱密度画出如下图：,31,第3
13、章 新型数字带通调制技术,在OFDM中，各相邻子载波的频率间隔等于最小容许间隔 故各子载波合成后的频谱密度曲线如下图 虽然由图上看，各路子载波的频谱重叠，但是实际上在一个码元持续时间内它们是正交的。故在接收端很容易利用此正交特性将各路子载波分离开。采用这样密集的子载频，并且在子信道间不需要保护频带间隔，因此能够充分利用频带。这是OFDM的一大优点。,32,第3章 新型数字带通调制技术,在子载波受调制后，若采用的是BPSK、QPSK、4QAM、64QAM等类调制制度，则其各路频谱的位置和形状没有改变，仅幅度和相位有变化，故仍保持其正交性，因为k和i可以取任意值而不影响正交性。 各路子载波的调制制
14、度可以不同，按照各个子载波所处频段的信道特性采用不同的调制制度，并且可以随信道特性的变化而改变，具有很大的灵活性。这是OFDM体制的又一个重要优点。,33,第3章 新型数字带通调制技术,OFDM体制的频带利用率 设一OFDM系统中共有N路子载波，子信道码元持续时间为Ts，每路子载波均采用M 进制的调制，则它占用的频带宽度等于 频带利用率为单位带宽传输的比特率： 当N很大时， 若用单个载波的M 进制码元传输，为得到相同的传输速率，则码元持续时间应缩短为(Ts /N)，而占用带宽等于(2N/Ts)，故频带利用率为 OFDM和单载波体制相比，频带利用率大约增至两倍。,34,第3章 新型数字带通调制技
15、术,OFDM信号的产生 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。,35,第3章 新型数字带通调制技术,设第i组中包含的比特数为bi，则有 将每组中的bi个比特看作是一个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。 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调制。,36,在OFDM中采用4种调制方式，分别为： BPSK（二进制相移键控）、 QPSK（四进制相移键控）、 16QAM（16进制正交幅度调制）、 64QAM（64进制正交幅度调制
16、）。 调制的方式的选择根据信号中的速率来决定如下所示,37,第3章 新型数字带通调制技术,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。 设其星座图如下图所示，则此16进制码元调制后的相位应该为45，振幅为A/21/2。此映射过程就应当将输入码元“1100”映射为,38,第3章 新型数字带通调制技术,OFDM调制原理方框图,如果子载波的数目很大时，并行系统中正弦信号的产生以及解调就变得特别的复杂而昂贵，因此基于傅立叶变换的数字传输模型被提出来。,39,OFDM原理图,40,插入导频、信道估计,插入导频的目的：在发送端插入一些已知的数据，在接收端通过这些已知的数据恢复信道信息。 信道估计的目的：得到所有子载波的参考相位和幅度值,即根据对接收信号分析选用合适的算
