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1、通信原理课件通信原理课件第八章第八章 现代数字调制技术现代数字调制技术8.1 8.1 引言引言8.2 8.2 偏移四相相移键控偏移四相相移键控8.3 /48.3 /4四相相移键控四相相移键控8.4 8.4 最小频移键控最小频移键控8. 5 高斯最小频移键控高斯最小频移键控8.6 8.6 正交幅度调制正交幅度调制 8.7 8.7 正交频分复用正交频分复用 通信原理课件通信原理课件8.1 引言引言 在在第第6章章中中已已经经讨讨论论了了几几种种基基本本数数字字调调制制技技术术的的调调制制和和解解调调原原理理。随随着着数数字字通通信信的的迅迅速速发发展展，各各种种数数字字调调制制方方式式也也在在不不
2、断断地地改改进进和和发发展展，现现代代通通信信系系统统中中出出现现了了很很多多性性能能良良好好的数字调制技术。的数字调制技术。本本章章我我们们主主要要介介绍绍目目前前实实际际通通信信系系统统中中常常使使用用的的几几种种现现代代数数字字调调制制技技术术。首首先先介介绍绍几几种种恒恒包包络络调调制制，包包括括偏偏移移四四相相相相移移键键控控（OQPSK）、 /4四四相相相相移移键键控控（ /4 -QPSK）、最最小小频频移移键键控控（MSK）和和高高斯斯型型最最小小频频移移键键控控（GMSK）；然然后后介介绍绍正正交交幅幅度度调调制制（QAM），它它是是一一种种不不恒恒定定包包络络调调制制。在在介
3、介绍绍了了这这几几种种单单载载波波调调制制后后，再再引引入入多多载载波波调调制制，着重介绍其中的正交频分复用（着重介绍其中的正交频分复用（OFDM）。）。通信原理课件通信原理课件8.2 偏移四相相移键控（偏移四相相移键控（OQPSK）在数字调制中，假设在数字调制中，假设QPSK信号的每个码元的包络为矩信号的每个码元的包络为矩形方波，则高频信号也具有恒包络特性，但这时已调信号形方波，则高频信号也具有恒包络特性，但这时已调信号的频谱将为无穷大，而实际上信道带宽总是有限的，为了的频谱将为无穷大，而实际上信道带宽总是有限的，为了对对QPSK信号的带宽进行限制，先将基带双极性矩形不归信号的带宽进行限制，
4、先将基带双极性矩形不归零脉冲序列先经过基带成形滤波器进行限带，然后再进行零脉冲序列先经过基带成形滤波器进行限带，然后再进行QPSK调制。问题是：通过带限处理后的调制。问题是：通过带限处理后的QPSK信号将不信号将不再是恒包络了。而且当码组，或时，会产生的载波相位跳再是恒包络了。而且当码组，或时，会产生的载波相位跳变，这种相位跳变会引起带限处理后的变，这种相位跳变会引起带限处理后的QPSK信号包络起信号包络起伏，甚至出现包络为伏，甚至出现包络为0的现象。这种现象必须避免，这是的现象。这种现象必须避免，这是因为当通过非线性器件后，包络起伏很大的限带因为当通过非线性器件后，包络起伏很大的限带QPSK
5、信信号的功率谱旁瓣增生，导致频谱扩散，增加对相邻信道的号的功率谱旁瓣增生，导致频谱扩散，增加对相邻信道的干扰。为了消除的相位跳变，在干扰。为了消除的相位跳变，在QPSK的基础上提出了的基础上提出了OQPSK。 通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件（a）QPSK信号的相位关系信号的相位关系 （b）OQPSK信号的相位关系信号的相位关系图图8-1 QPSK和和OQPSK信号的相位关系信号的相位关系通信原理课件通信原理课件由于OQPSK信号也可以看作是由同相支路和正交支路的2PSK信号的叠加，所以OQPSK信号的功率谱与QPSK信号的功率谱形状相同。如果采用相干解调方式，理论上OQPSK
6、信号的误码性能与相干解调的QPSK相同。但是，频带受限的OQPSK信号包络起伏比频带受限的QPSK信号小，经限幅放大后频谱展宽的少，所以OQPSK的性能优于QPSK。在实际中，OQPSK比QPSK应用更广泛。通信原理课件通信原理课件8.3 /4/4四相相移键控四相相移键控 通信原理课件通信原理课件图图8-3 /4/4 -QPSK信号的星座图信号的星座图通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件8.4 最小频移键控（最小频移键控（MSK）通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件8.4.1 MSK信号的正交性信号的正交性通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件8.4.2 MS
7、K信号的相位连续性信号的相位连续性通信原理课件通信原理课件8.4.3 MSK信号的产生与解调信号的产生与解调通信原理课件通信原理课件图图8-7 MSK信号的产生方框图信号的产生方框图通信原理课件通信原理课件图图8-8 MSK解调器原理框图解调器原理框图通信原理课件通信原理课件8.4.4 MSK信号的频谱特性信号的频谱特性通信原理课件通信原理课件图图8-9 MSK、GMSK和和OQPSK等信号的功率谱密度等信号的功率谱密度通信原理课件通信原理课件高斯最小频移键控（高斯最小频移键控（GMSK）通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件正交幅度调制（正交幅度调制（QAM
8、）正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）是一种幅度和相）是一种幅度和相位联合键控（位联合键控（APK）的调制方式。它可以）的调制方式。它可以提高系统可靠性，且能获得较高的信息频提高系统可靠性，且能获得较高的信息频带利用率，是目前应用较为广泛的一种数带利用率，是目前应用较为广泛的一种数字调制方式。字调制方式。通信原理课件通信原理课件正交振幅调制的信号表示正交振幅调制的信号表示正交振幅调制是用两路独立的基带数字正交振幅调制是用两路独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用已调信号在同一载波的双边带调制，利用已调信号在同一带宽内频谱正交
9、的性质来实现两路并行的带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。数字信息传输。通信原理课件通信原理课件一、时域表示一、时域表示通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件二、矢量图二、矢量图通信原理课件通信原理课件图图8-10 16QAM的星座图的星座图对于对于M=16的的16QAM来说，有多种分布形式来说，有多种分布形式的信号星座图。的信号星座图。 两种具有代表意义的信号星座图两种具有代表意义的信号星座图如图如图8-10所示。在图所示。在图8-10（a）中，）中， 信号点的信号点的分布成方型，故称为矩形分布成方型，故称为矩形16QAM星座，也称为星座，也称为标准型标准型16QAM
10、。在图。在图8-10（b）中，信号点的）中，信号点的分布成星型，故称为星型分布成星型，故称为星型16QAM星座。星座。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件由此可见，方型和星型由此可见，方型和星型16QAM两者功率相差。两者功率相差。另外，两者的星座结构也有重要的差别，一是星另外，两者的星座结构也有重要的差别，一是星型型16QAM只有两个振幅值，而方型只有两个振幅值，而方型16QAM有三有三种振幅值；二是星型种振幅值；二是星型16QAM只有只有8种相位值，而种相位值，而方型方型16QAM有有12种相位值。这两点使得在衰落种相位值。这两点使得在衰落信道中，星型信道中，星型16QAM比方
11、型比方型16QAM更具有吸引更具有吸引力。力。但是由于方型星座但是由于方型星座QAM信号所需的平均发送功信号所需的平均发送功率仅比最优的率仅比最优的QAM星座结构的信号平均功率稍大，星座结构的信号平均功率稍大，而方型星座的而方型星座的MQAM信号的产生及解调比较容易信号的产生及解调比较容易实现，所以方型星座的实现，所以方型星座的MQAM信号在实际通信中信号在实际通信中得到了广泛的应用。当得到了广泛的应用。当M=4, 16, 32, 64时时MQAM信号的星座图如图信号的星座图如图8-11所示。所示。通信原理课件通信原理课件图图8-11 MQAM信号的星座图信号的星座图通信原理课件通信原理课件8
12、.6.2 MQAM信号的产生和解调信号的产生和解调通信原理课件通信原理课件图图8-12 QAM信号调制原理图信号调制原理图通信原理课件通信原理课件图图8-13 MQAM信号相干解调原理图信号相干解调原理图MQAM信号可以采用正交相干解调方法，其解信号可以采用正交相干解调方法，其解调器原理图调器原理图8-13所示。多电平判决器对多电平基所示。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测。带信号进行判决和检测。通信原理课件通信原理课件8.6.3 MQAM信号的频带利用率信号的频带利用率通信原理课件通信原理课件8.6.4 MQAM信号的抗噪性能分析信号的抗噪性能分析在矢量图中可以看出各信号点之间的距在
13、矢量图中可以看出各信号点之间的距离，相邻点的最小距离直接代表噪声容限离，相邻点的最小距离直接代表噪声容限的大小。比如，随着进制数的大小。比如，随着进制数M的增加，在的增加，在信号空间中各信号点间的最小距离减小，信号空间中各信号点间的最小距离减小，相应的信号判决区域随之减小，因此，当相应的信号判决区域随之减小，因此，当信号受到噪声和干扰的损害时，接收信号信号受到噪声和干扰的损害时，接收信号错误概率将随之增大。下面我们从这个角错误概率将随之增大。下面我们从这个角度出发，来比较一下相同进制数时度出发，来比较一下相同进制数时PSK和和QAM的抗噪性能。的抗噪性能。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通
14、信原理课件通信原理课件通信原理课件8.7 正交频分复用（正交频分复用（OFDM）通信原理课件通信原理课件8.7.1 多载波调制技术多载波调制技术多载波调制技术是一种并行体制，它将多载波调制技术是一种并行体制，它将高速率的数据序列经串高速率的数据序列经串/并变换后分割为若并变换后分割为若干路低速数据流，每路低速数据采用一个干路低速数据流，每路低速数据采用一个独立的载波调制，叠加在一起构成发送信独立的载波调制，叠加在一起构成发送信号，在接收端用同样数量的载波对发送信号，在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收，获得低速率信息数据后，号进行相干接收，获得低速率信息数据后，再通过并再通过并/串变
15、换得到原来的高速信号。多串变换得到原来的高速信号。多载波传输系统原理框图如图载波传输系统原理框图如图8-14所示。所示。通信原理课件通信原理课件图图8-14 多载波传输系统原理框图多载波传输系统原理框图通信原理课件通信原理课件在多载波调制方式中，子载波设置主要在多载波调制方式中，子载波设置主要有有3种方案。图种方案。图8-15（a）为传统的频分复）为传统的频分复用方案，它将整个频带划分为用方案，它将整个频带划分为N个互不重叠个互不重叠的子信道。在接收端可以通过滤波器组进的子信道。在接收端可以通过滤波器组进行分离。图行分离。图8-15（b）为偏置）为偏置QAM方案，方案，它在它在3dB处载波频谱
16、重叠，其复合谱是平处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的。坦的。第三种方案为正交频分复用（第三种方案为正交频分复用（OFDM）方案，要求各子载波保持相互正交。方案，要求各子载波保持相互正交。 通信原理课件通信原理课件图图8-15 子载波的两种设置方案子载波的两种设置方案通信原理课件通信原理课件8.7.2 正交频分复用技术正交频分复用技术通信原理课件通信原理课件图图8-16 OFDM调制原理框图调制原理框图通信原理课件通信原理课件图图8-17 OFDM信号的频谱结构示意图信号的频谱结构示意图通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件图图8-18 OFDM解调原理框图解调原理框图通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件图图8-19 用用DFT实现实现OFDM的原理框图的原理框图
