《调制技术》PPT课件

移动通信,第三章 调制技术,Mobile Communication Theory,目录,Mobile Communication Theory,3.1 概述,调制就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配以及有效的利用信道。,多径衰落、多普勒频率扩展；日益增加的用户数目，无线信道频谱的拥挤这些因素对调制方式的选择都有重大的影响。,信源编码将信源中的冗余信息进行压缩，减少传递信息所需的带宽资源，这对于频谱有限的移动通信系统而言是至关重要的。,Mobile Communication Theory,影响调制方式的选择的主要因素,频带利用率：在数字调制中，常用带宽效率b 来表示它对频谱资源的利用效率，它定义为b Rb/B,其中Rb为比特速率，B为无线信号的带宽。 功率效率:指保持信息精确度的情况下所需的最小信号功率（或者说最小信噪比） 已调信号恒包络 易于解调 带外辐射：一般要求达到-60到-70dB,在移动通信系统中，采用何种调制方式，要综合考虑上述各种因素。,Mobile Communication Theory,要求,信源编码的原理和应用； 在蜂窝移动通信中对调制解调技术的要求； 频移键控信号的相位连续性对信号功率谱的影响； MSK和GMSK信号特点和功率谱特性； QPSK、OQPSK和 -QPSK信号特点和功率谱特性； 传输系统的非线性对各种QPSK信号的影响。,Mobile Communication Theory,.2 最小移频键控MSK,3.2.1 相位连续的2FSK 3.2.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱,Mobile Communication Theory,3.2.1 相位连续的2FSK,2FSK信号,设要发送的数据为ak=1,码元长度为Tb。在一个码元时间内，它们分别用两个不同频率f1, f2的正弦信号表示，例如:,Mobile Communication Theory,3.2.1 相位连续的2FSK,Mobile Communication Theory,3.2.1 相位连续的2FSK,附加相位是t的线性函数，其中斜率为 ,截距为 ，其特性如图3.2,产生2FSK信号两种不同的方法：开关切换方法（相位不连续）和调频（相位连续），如图3.3,Mobile Communication Theory,3.2.1 相位连续的2FSK,所谓相位连续是指不仅在一个码元持续期间相位连续，而且在从码元ak-1到ak转换的时刻kTb，两个码元的相位也相等，即,即,这样就要求满足关系式:,Mobile Communication Theory,3.2.1 相位连续的2FSK,即要求当前码元的初相位由前一码元的初相位、当前码元ak和前一码元ak-1来决定。 这关系就是相位约束条件。这两种相位特性不同的FSK信号波形如图3.4所示。,Mobile Communication Theory,3.2.1 相位连续的2FSK,由图3.4可以看出，相位不连续的2FSK信号在码元交替时刻，波形是不连续的，而CPFSK信号是连续的，这使得它们的功率谱特性很不同。图3.5分别是它们的功率谱特性例子。,Mobile Communication Theory,3.2.1 相位连续的2FSK,可以发现，在相同的调制指数h情况下，CPFSK的带宽要比一般的2FSK带宽要窄。这意味着前者的频带效率要高于后者。 随着调制指数h的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数h不宜太大。但过小又因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测。所以应当从它们的相关系数以及信号的带宽综合考虑。,Mobile Communication Theory,2FSK信号的归一化互相关系数可以求得如下（为方便讨论，令它们的初相为零）：,通常总是cTb =2fc/fb 1,或cTb=n，因此略去第一项，得到,-h关系曲线如图3.6。,3.2.1 相位连续的2FSK,Mobile Communication Theory,从图中可以看出，当调制指数h=0.5，1，1.5，.时，=0, 即两个信号是正交的。 h=0.5的CPFSK就称作最小移频键控MSK。它是在两个信号正交的条件下，对给定的Rb有最小的频差。,3.2.1 相位连续的2FSK,Mobile Communication Theory,3.2.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱,由于|ak-ak-1|总为偶数，所以初始相位为零时，其后各码元的初相位为的整数倍。相位路径的例子如图3.7所示，其中初始相位为零。图中可以看到的取值为0，-、-、-、3、.（k=0,1,2.）。,1.相位路径,Mobile Communication Theory,3.2.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱,在MSK信号中，码元速率Rb=1/ Tb、峰值频偏fd和两个频率f1、f2存在一定的关系。,当给定码元速率Rb时可以确定各个频率如下：,即载波频率应当是Rb/4的整数倍。,2.MSK的频率关系,Mobile Communication Theory,3.2.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱,3.MSK的功率谱,MSK的功率谱为,式中A为信号的幅度。功率谱特性如图3.8所示。为便于比较，图中也给出一般2FSK信号的功率谱特性。,由图可见，MSK 信号比一般2FSK信号 有更高的带宽效率。,Mobile Communication Theory,3.3 高斯最小移频键控GMSK,GMSK是一种恒包络调制方式，可以采用功率效率高而便宜的非线性功率放大器，这使用户单元（手机）的价格比较低，有利于当时移动电话的普及。,3.3.1 高斯滤波器的传输特性 3.3.2 GMSK信号的波形和相位路径 3.3.3 GMSK信号的调制与解调 3.3.4 GMSK功率谱,Mobile Communication Theory,3.3.1 高斯滤波器的传输特性,GMSK就是基带信号经过高斯低通滤波器的MSK，如图3.9,Mobile Communication Theory,3.3.1 高斯滤波器的传输特性,频率特性H(f)和冲激响应h(t),Mobile Communication Theory,3.3.1 高斯滤波器的传输特性,令=t/ Tb ，并把a=1.7 Bb代入（3.15）并设Tb =1,则有,Mobile Communication Theory,3.3.2 GMSK信号的波形和相位路径,设要发送的二进制数据序列bk( bk =1)所用线路码为NRZ码，码元起止时刻为Tb的整数倍,此基带信号经过高斯滤波器后输出为,信号对调频器调频，输出为,附加相位为,Mobile Communication Theory,3.3.2 GMSK信号的波形和相位路径,Mobile Communication Theory,3.3.2 GMSK信号的波形和相位路径,Mobile Communication Theory,3.3.2 GMSK信号的波形和相位路径,经过预滤波后的基带信号q(t),相位函数(t)和GMSK信号的例子如图3.15。,Mobile Communication Theory,3.3.3 GMSK信号的调制与解调,1.调制,Mobile Communication Theory,3.3.3 GMSK信号的调制与解调,Mobile Communication Theory,3.3.3 GMSK信号的调制与解调,GMSK可以用相干方法解调,也可以用非相干方法解调。这里介绍一比特延迟差分解调方法（非相干解调）,其原理如图3.18。,2. 解调,设接收到的信号为,则W(t)为,Mobile Communication Theory,3.3.3 GMSK信号的调制与解调,Mobile Communication Theory,3.3.3 GMSK信号的调制与解调,Mobile Communication Theory,3.3.3 GMSK信号的调制与解调,Mobile Communication Theory,3.3.4 GMSK功率谱,对GMSK信号功率谱的分析是比较复杂的，图3.20是计算机仿真得到xb =0.5、1和xb =（MSK）的功率谱。,从图中可见，随着xb 的减小频谱效率越高，但xb过小会使码间干扰（ISI）增加。,GMSK 最吸引人的地方是具有恒包络特性，功率效率高，可用非线性功率放大器和非相干检测。GMSK 的缺点是频谱效率还不够高。在北美，频率资源紧缺，系统采用具有更高频谱效率的调制方式，这就是/4-QPSK。,Mobile Communication Theory,3.4 QPSK调制,3.4.1 二相调制BPSK 3.4.2 四相调制QPSK 3.4.3 偏移QPSKOQPSK 3.4.4 /4-QPSK,Mobile Communication Theory,3.4.1 二相调制BPSK,Mobile Communication Theory,3.4.1 二相调制BPSK,设二进制的基带信号b(t)的波形为双极性NRZ码,BPSK信号的波形如图3.22所示。,Mobile Communication Theory,3.4.1 二相调制BPSK,功率谱,BPSK 信号是一种线性调制，当基带波形为NRZ码时，其功率谱如图3.23所示。,如图，基带波形为NRZ码时 BPSK信号有较大的副瓣，副瓣的总功率约占信号的总功率10%，带外辐射严重。 为了减小信号带宽，可考虑用M进制代替二进制。,Mobile Communication Theory,3.4.2 四相调制QPSK,QPSK信号,在QPSK调制中，在要发送的比特序列中,每两个相连的比特分为一组构成一个4进制的码元，即双比特码元。双比特码元的4种状态用载波的四个不同相位(k=1,2,3,4)表示。这种对应关系叫做相位逻辑。例如,Mobile Communication Theory,3.4.2 四相调制QPSK,QPSK信号产生,QPSK信号可以用正交调制方式产生。,把串行输入的（ak，bk）分开进入两个并联的支路I支路（同相支路）和Q支路（正交支路），分别对一对正交载波进行调制，然后相加便得到QPSK信号。,Mobile Communication Theory,3.4.2 四相调制QPSK,QPSK信号的功率谱和带宽,正交调制产生QPSK信号实际上是把两个BPSK信号相加。它们有相同的功率谱 ，带宽也为B=Rb。频带效率B/Rb则提高为1。 已调信号功率谱的副瓣仍然很大 ，在两个支路加入升余弦特性低通滤波器(如图3.29)，以减小已调信号的副瓣。,Mobile Communication Theory,3.4.2 四相调制QPSK,QPSK信号的包络特性和相位跳变,当基带信号为方波脉冲（NRZ）时，QPSK信号具有恒包络特性。由升余弦滤波器形成的基带信号是连续的波形,但 QPSK信号的包络也不再恒定。 QPSK是一种相位不连续的信号,在码元转换的时刻，信号的相位发生跳变。通过星座图可以看出跳变的幅度为180和90。,Mobile Communication Theory,3.4.3 偏移QPSK（OQPSK）,把QPSK两个正交支路的码元时间上错开Ts/2=Tb，这样每经过Tb时间，只有一个支路的符号发生变化，因此相位的跳变就被限制在90，减小了信号包络的波动幅度。功率谱和带宽效率不变。调制原理图和相位跳变路径为：,Mobile Communication Theory,3.4.4 /4-QPSK,/4-QPSK兼顾频带效率、包络波动幅度小和能采用差分检测.它的相位跳变最大幅度大于OQPSK而小于QPSK，只有45和135，因此信号包络波动幅度大于OQPSK而小于QPSK。 采用差分编码的, /4-QPSK就称作/4-DQPSK。,Mobile Communication Theory,3.4.4 /4-QPSK,/4-DQPSK信号产生,/4-DQPSK可采用正交调制方式产生。其原理图如图3.37所示,相位差分编码就是输入的双比特SI和SQ的4个状态用4个 值来表示。其相位逻辑如表3.2所示。所传输的信息包含在两个相邻的载波相位差之中。,Mobile Communication Theory,3.4.4 /4-QPSK,/4-DQPSK信号的相位跳变,可能的取值有个：，由两个彼此偏移的两个QPSK星座图构成，相位的跳变总是在这两个星座图之间交替进行，跳变的路径如图3.39的虚线所示。,Mobile Communication Theory,3.5 正交频分复用OFDM,3.5.1 概述 3.5.2正交频分复用的原理 3.5.3正交频分复用的DFT实现 3.5.4OFDM的应用,Mobile Communication Theory,3.5.1概述,系统把整个可用信道频带划分为N个带宽为的子信道。把N个串行码元变换为N个并行的码元，分别调制这N个子信道载波进行同步传输，这就是频分复用。,若子信道的码元速率1/Tsf ,避免严重的码间干扰。另外若频谱允许重叠，提高频带效率 ，如图3.49所示。扩展了码元的长度T，远远大于信道的时延，减小时延扩展对信号传输的影响。,Mobile Communication Theory,3.5.2 正交频分复用的原理,如果子载波的间隔等于并行码元长度的倒数1/Ts和使用相干检测，采用子载波的频谱重叠可以使并行系统获得更高的带宽效率。这就是正交频分复用。,Mobile Communication Theory,把N个并行支路的已调子载波信号相加，便得到OFDM实际发射的信号：,3.5.2 正交频分复用的原理,Mobile Communication Theory,3.5.2 正交频分复用的原理,在接收端，接收的信号同时进入N个并联支路，分别与N个子载波相乘和积分（相干解调）便可以恢复各并行支路的数据：,为了提高频谱的利用率，通常采用多进制的调制方式。一般地并行支路的输入的数据可以表示为d(n)= a(n)+j b(n)，其中a(n)、b(n)表示输入的同相分量和正交分量的实序列，它们在每个支路上调制一对正交载波，输出的OFDM信号便为,Mobile Communication Theory,3.5.2 正交频分复用的原理,式中A(t)为信号的复包络：,每个子信道的频谱在其它子载波频率上为零，这样子信道之间就不会发生干扰。当子信道的脉冲为矩形脉冲时，具有sinc函数形式的频谱可以准确满足这一要求，如N=4、N=32的OFDM功率谱如图3.51所示。,Mobile Communication Theory,3.5.3 正交频分复用的DFT实现,用DFT技术的OFDM系统如图3.52,复包络可以表为,若对A(t)以1/ts速率抽样得到,Mobile Communication Theory,3.5.3 正交频分复用的DFT实现,可见所得到的A(m)是dn的IDFT, 或者说直接对dn求离散傅氏反变换就得到A(t)的抽样A(m)。而A(m)经过低通滤波（D/A变换）后所得到的模拟信号对载波进行调制便得到所需的OFDM信号。在接收端则进行相反的过程，把解调得到的基带信号经过A/D变换后得到，在经过并串变换输出。,Mobile Communication Theory,3.5.4 OFDM的应用,OFDM有比较高的带宽效率 瑞利衰落对码元的损伤较单载波容易恢复 系统因时延所产生的码间干扰不那么严重 当信道在某个频率出现较大幅度衰减或较强的窄带干扰时，只是影响个别的子信道 由于可以采用DFT实现OFDM信号，极大简化了系统的硬件结构,采用OFDM有很多优点，例如：,Mobile Communication Theory,3.5.4 OFDM的应用,此外，在实际的应用中，OFDM系统可以自动测试子载波的传输质量，据此及时调整子信道的发射功率和发射比特数，使每个子信道的传输速率达到最佳的状态。 OFDM在有线信道或无线信道的高速数据传输得到广泛的应用 ，例如在数字用户环路上的ADSL,无线局域网的IEEE802.11a和HIPERLAN-2, 数字广播，高清晰度电视等。 OFDM存在发射信号的峰值功率和平均功率比值（PAR）过大的问题和由于多谱勒频谱扩展破坏子载波正交的问题。,Wireless Supports People Navigating,Thank You !,