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1、1,通信原理,2,通信原理,第8章 新型数字带通调制技术,3,第8章 新型数字带通调制技术,前面我们讨论了数字调制的三种基本方式：数字幅度调制、数字频率调制和数字相位调制。这三种数字调制方式是数字调制的基础。然而，这三种数字调制方式都存在某些不足，如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，近几十年来人们陆续提出一些新的数字调制技术，以适应各种新的通信系统的要求。这些调制技术的研究，主要是围绕着寻找频带利用率高，同时抗干扰能力强的调制方式而展开的。本节介绍几种具有代表性的现代数字调制技术。,4,第8章 新型数字带通调制技术,在2ASK系统中，其频带利用率是
2、1/2 b/s/Hz。若利用正交载波技术传输ASK信号，可使频带利用率提高一倍。如果再把多进制与正交载波技术结合起来，还可进一步提高频带利用率。能够完成这种任务的技术称为正交振幅调制QAM。,5,第8章 新型数字带通调制技术,QAM是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。该调制方式通常有二进制QAM（4QAM）、四进制QAM（l6QAM）、八进制QAM（64QAM）、 ，对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图。可以看出，电平数 m和信号状态M 之间的关系是M=m2 。,6,第8章 新型数字带
3、通调制技术,8.1 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。,7,第8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。,8,第8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，
4、它的矢量图示于下图中：,9,第8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。,10,第8章 新型数字带通调制技术,正交调幅法QAM信号的同相和正交分量可以独立地分别以ASK方式传输数字信号。如果两通道的基带信号分别为 x(t)和y(t) ，则QAM信号可表示为,其中,上式Tb为多进制码元间隔。为了传输和检测方便，xk和yk一般为双极性二进制码元，例如取为1，3，（m -l）等。,11,第8章 新型数字带通调制技术,正交调幅法 通常，原始数字数据都是二进制的。为了得到多进制的QAM信号，
5、首先应将二进制信号转换成 进制信号，然后进行正交调制，最后再相加。下图示出了产生多进制QAM信号的数学模型。,(a)QAM信号产生 (b)QAM信号解调,12,第8章 新型数字带通调制技术,相干解调 解调器首先对收到的QAM信号进行正交相干解调。低通滤波器LPF滤除乘法器产生的高频分量。LPF输出经抽样判决可恢复出 电平信号x(t) 和y(t)。 因为xk和yk取值一般为1，3，（m -l），所以判决电平应设在信号电平间隔的中点，即 0，2，4，（m-2）。根据多进制码元与二进制码元之间的关系，经m /2转换，可将m 电平信号转换为二进制基带信号 。 由于QAM信号采用正交相干解调，所以它的噪
6、声性能分析与ASK系统相干解调分析类似。,13,第8章 新型数字带通调制技术,16QAM信号正交调幅法：用两路独立的正交4ASK信号叠加，形成16QAM信号，如下图所示。,14,第8章 新型数字带通调制技术,复合相移法：它用两路独立的QPSK信号叠加，形成16QAM信号，如下图所示。图中虚线大圆上的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。,15,第8章 新型数字带通调制技术,16QAM信号和16PSK信号的性能比较：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
7、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。,16,第8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信号的噪声容限大4.12 dB。,17,第8章 新型数字带通调制技术,16QAM方案的改进：QAM的星座形状并不是
8、正方形最好，实际上以边界越接近圆形越好。例如，在下图中给出了一种改进的16QAM方案，其中星座各点的振幅分别等于1、3和5。将其和上图相比较，不难看出，其星座中各信号点的最小相位差比后者大，因此容许较大的相位抖动。,18,第8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。,QAM系统的性能尚比不上QPSK系统，但频带利用率高于QPSK。因此，在频带受限系统中，它是一种很有发展前途的调制方式。,19,第8章 新型数字带通调制技术,8.2 最小频移键控和高斯最小频移键控
9、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：,20,第8章 新型数字带通调制技术,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现在，为了满足正交条件，要求即要求上式积分结果为,21,第8章 新型数字带通调制技术,假设1+0 1，上式左端第1和3项近似等于零，则它可以化简为由于1和0是任意常数，故必须同时有上式才等于零。为了同时满足这两个要求，应当令即要求所以，当取m = 1时是最小频率间隔。故最小频率间隔等于1 / Ts。,22,第8章 新型数字带通调制技术,上面讨论中，假设初始相位1和0是任意的，它在
10、接收端无法预知，所以只能采用非相干检波法接收。对于相干接收，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。 于是，下式可以化简为因此，仅要求满足所以，对于相干接收，保证正交的2FSK信号的最小频率间隔等于1 / 2Ts。,23,第8章 新型数字带通调制技术,8.2.2 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。,24,第8章 新型数字
11、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)。所以， f1 和f0的差等于1 / (2Ts)。在8.2.1节已经证明，这是2FSK信号的最小频率间隔。,25,第8章 新型数字带通调制技术,MSK码元中波形的周期数 可以改写为式中由于MSK信号是一个正交2FSK信号，它应该满足正交条件，即,26,第8章 新型数字带通调制技术,上式左端4项应分别等于零，所以将第3项sin(2k) = 0的条件代入第1项，得到要求即要求或上式表示，MSK信号每个
12、码元持续时间Ts内包含的波形周期数必须是1 / 4周期的整数倍，即上式可以改写为式中，N 正整数；m = 0, 1, 2, 3,27,第8章 新型数字带通调制技术,并有由上式可以得知：式中，T1 = 1 / f1；T0 = 1 / f0上式给出一个码元持续时间Ts内包含的正弦波周期数。由此式看出，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，当N =1，m = 3时，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）,28,第8章 新型数字带通调制技术,29,第8章 新型数字带通调制技术,MSK信号的相位连续性波形（相位
13、）连续的一般条件是前一码元末尾的总相位等于后一码元开始时的总相位，即这就是要求由上式可以容易地写出下列递归条件由上式可以看出，第k个码元的相位不仅和当前的输入有关，而且和前一码元的相位有关。这就是说，要求MSK信号的前后码元之间存在相关性。,30,第8章 新型数字带通调制技术,在用相干法接收时，可以假设k-1的初始参考值等于0。这时，由上式可知下式可以改写为式中k(t)称作第k个码元的附加相位。,31,第8章 新型数字带通调制技术,由上式可见，在此码元持续时间内它是t的直线方程。并且，在一个码元持续时间Ts内，它变化ak/2，即变化/2。按照相位连续性的要求，在第k-1个码元的末尾，即当t =
14、 (k-1)Ts时，其附加相位k-1(kTs)就应该是第k个码元的初始附加相位k(kTs) 。所以，每经过一个码元的持续时间，MSK码元的附加相位就改变/2 ；若ak =+1，则第k个码元的附加相位增加/2；若ak = -1 ，则第k个码元的附加相位减小/2。按照这一规律，可以画出MSK信号附加相位k(t)的轨迹图如下：,32,第8章 新型数字带通调制技术,图中给出的曲线所对应的输入数据序列是：ak =1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,33,第8章 新型数字带通调制技术,附加相位的全部可能路径图：,34,第8章 新型数字带通调制技术,模2运算后的附加相位路径：,35,第8章
15、新型数字带通调制技术,MSK信号的正交表示法下面将证明可以用频率为fs的两个正交分量表示。 将用三角公式展开：,36,第8章 新型数字带通调制技术,考虑到有 以及上式变成式中上式表示，此信号可以分解为同相（I）和正交（Q）分量两部分。I分量的载波为cosst，pk中包含输入码元信息，cos(t/2Ts)是其正弦形加权函数；Q分量的载波为sin st ，qs中包含输入码元信息， sin(t/2Ts)是其正弦形加权函数。,37,第8章 新型数字带通调制技术,虽然每个码元的持续时间为Ts，似乎pk和qk每Ts秒可以改变一次，但是pk和qk不可能同时改变。因为仅当ak ak-1，且k为奇数时，pk才可能改变。但是当pk和ak同时改变时，qk不改变；另外，仅当，且k为偶数时，pk不改变，qk才改变。换句话说，当k为奇数时，qk不会改变。所以两者不能同时改变。此外，对于第k个码元，它处于(k-1)Ts t kTs范围内，其起点是(k - 1)Ts。由于k为奇数时pk才可能改变，所以只有在起点为2nTs (n为整数)处，即cos(t/2Ts)的过零点处pk才可能改变。 同理，qk只能在sin (t/2Ts)的过零点改变。 因此，加权函数cos(t/2Ts)和sin (t/2Ts)都是正负符号不同的半个正弦波周期。这样就保证了波形的连续性。,
