无线通信原理与应用-61-数字调制概述课件

1无线通信原理与应用无线通信原理与应用第六章第六章 移动无线电中的移动无线电中的数字调制技术数字调制技术1无线通信原理与应用第六章 移动无线电中的2主要内容主要内容n调制技术概述调制技术概述n无线移动通信对数字调制技术的要求无线移动通信对数字调制技术的要求n线路码及其频谱线路码及其频谱n脉冲成形脉冲成形n信号空间概念信号空间概念n线性调制技术线性调制技术 n恒包络调制技术恒包络调制技术n扩频调制技术扩频调制技术2主要内容调制技术概述3调制技术概述n调制的定义调制的定义n调制的分类调制的分类n数字调制的优越性数字调制的优越性n数字调制解调的研究内容数字调制解调的研究内容n两类数字调制技术两类数字调制技术3调制技术概述调制的定义4调制的定义n将要传输的信号变换为适合信道特性的形式过程。要传输的信号调制信号（基带信号）。转换后的信号已调信号。在接收端需将已调信号还原成原始信号，该过程称为解调。4调制的定义将要传输的信号变换为适合信道特性的形式过程。5调制的分类n调制信号的类型：模拟调制、数字调制n已调信号是否是调制信号的线性搬移：线性调制和非线性调制n已调信号的包络：恒包络调制、非恒包络调制n已调信号的相位：连续相位调制、非连续相位调制5调制的分类调制信号的类型：模拟调制、数字调制6数字调制的优越性n更强的抗干扰和抗噪声能力；n便于进行差错控制；n易于复用各种不同形式的信息；n更好的安全保密性能；n可采用复杂的信号处理技术；n便于实现软件无线电。6数字调制的优越性更强的抗干扰和抗噪声能力；7数字调制解调的研究内容（1）n正交基的设计和选择（传统上是正弦波）：此设计的主要目标是实现已调信号与信道特性的最大相容。n在正交基上的最佳已调信号集或信号星座的设计：n星座的外形或说星座的最小闭包特性的研究，目标是使星座的平均能量最小（BER一定情况下）；n星座的内部结构特性研究，它决定了在接收空间中对信号点的判决区的划分，而最佳的判决区划分会使得信号检测的差错概率最小，这在某种程度上确定了解调器的结构；n星座的维数设计，它在一定意义上决定了信道的带宽利用率。7数字调制解调的研究内容（1）正交基的设计和选择（传统上是正8数字调制解调的研究内容（2）n信息比特空间到已调信号集的映射关系：现代调制映射规则是按某种规则将信息符号映射到比信息符号集更大的调制信号集，即调制本身将引入调制信息序列之间的一定约束关系。这种映射的目标有两个：n在统计特性上将尽可能多的信息符号映射为能量较小的信号点。n使不同调制信号序列之间的欧氏距离尽可能大。n解调设计：可划分为相干解调与非相干解调；一般情况下相干解调比非相干解调有 3dB 的能量增益。解调设计的基本目标只有一个，就是使信息符号接收的差错概率最小。8数字调制解调的研究内容（2）信息比特空间到已调信号集的映射9数字调制解调的研究内容（3）n调制解调器的复杂性研究：即使一个非常良好的调制方式和相应的解调方式，如果其时间开销（即时延和速度）和空间的开销（即设备量）是通信要求或者技术水平难以达到的，那么这一调制解调方式仍然不可取。9数字调制解调的研究内容（3）调制解调器的复杂性研究：即使一10两大类适用的数字调制技术两大类适用的数字调制技术n n线性调制线性调制线性调制线性调制：特点是调制过程表现为对基带信号谱的简单搬移，因此具有较窄的主瓣，但不能保证已调信号的相位连续变化。n n连续相位的频率调制连续相位的频率调制连续相位的频率调制连续相位的频率调制：特点为已调信号相位连续变化，已调信号包络恒定（恒包络调制恒包络调制）。但属于非线性调制，即射频谱并不是基带谱的简单搬移，因此往往具有较宽的主瓣。10两大类适用的数字调制技术线性调制：特点是调制过程表现为对11n例例：美国的蜂窝系统DAMPS和日本的蜂窝系统PDC以及日本的无绳系统PHS（“小灵通”）均采用/4DQPSK 调制，属线性调制。n又例又例：GSM系统采用GMSK调制，属恒包络调制。n/4DQPSK 即/4差分正交相位键控差分正交相位键控nGMSK 即 高斯最小频移键控高斯最小频移键控 11例：美国的蜂窝系统DAMPS和日本的蜂窝系统PDC以及日12无线移动通信对调制技术的要求无线移动通信对调制技术的要求n基本要求基本要求功率效率和带宽效率功率效率和带宽效率n一句话描述一句话描述：一个令人满意的调制方案：一个令人满意的调制方案要能在低接收信噪比的条件下提供小的要能在低接收信噪比的条件下提供小的误比特率（误比特率（BER），对抗多径和衰落情），对抗多径和衰落情况性能良好。占用最小的带宽，况性能良好。占用最小的带宽，并且容并且容易实现，价格低廉。易实现，价格低廉。12无线移动通信对调制技术的要求基本要求功率效率和带宽效13功率效率（功率效率（1）功率效率功率效率：以达到一定的以达到一定的解调输出误比特解调输出误比特率率（如（如105）所需要的）所需要的接收机输入端的数接收机输入端的数字信噪比字信噪比EbN0来度量。用来度量。用加性高斯白噪加性高斯白噪声信道中的声信道中的误比特性能来体现。误比特性能来体现。：即EbN0，每比特能量与噪声功率谱密度之比。13功率效率（1）功率效率：以达到一定的解调输出误比特14功率效率（功率效率（2）设已调信号平均功率为设已调信号平均功率为S(W)，总的噪声，总的噪声功率为功率为N(W)，信号带宽为，信号带宽为B(Hz)。则，。则，相比较于模拟信号的信噪比相比较于模拟信号的信噪比S/N，将，将Eb/N0称作数字信号的信噪比。后者是前称作数字信号的信噪比。后者是前者的归一化值，用比特率和带宽的比值者的归一化值，用比特率和带宽的比值进行归一化进行归一化。Eb/N0也没有量纲。也没有量纲。14功率效率（2）设已调信号平均功率为S(W)，总的噪声功率15功率效率（功率效率（3）如右图，最下面的“瀑瀑布布”曲线曲线是2PSK2PSK相干解相干解相干解相干解调调调调的误码率曲线，稍往上是2DPSK2DPSK差分相干解差分相干解差分相干解差分相干解调调调调的误码率曲线。由于达到同一误码率水平，后者需要更大的Eb/N0，所以，2PSK相干解调相干解调相对于2DPSK差分相干解差分相干解调调具有更高的功率效率更高的功率效率。注意注意：大的：大的Eb/N0可以通可以通过增加信号发射功率来过增加信号发射功率来获得。获得。15功率效率（3）如右图，最下面的“瀑布”曲线是2PSK相干16带宽效率（带宽效率（1）n n带宽效率带宽效率带宽效率带宽效率：设已调信号占据的带宽为BHz（常对应为频谱主瓣宽度），所传输的基带信号的数据速率为Rbit/s，则该调制方式的带宽效率为：n带宽效率有一个基本的上限，香农的信道编码理论指出，在一个任意小的差错概率下，最大的带宽效率受限于信道内的噪声，即信道容量公式：n其中，C是信道容量，B是RF带宽，S/N信噪比。16带宽效率（1）带宽效率：设已调信号占据的带宽为BH17带宽效率（带宽效率（2）n在基带数据速率相同的情况下，四进制基带数据比二进制基带数据的符号符号符号符号（S Symbol）宽度大一倍（RS,40.5RS,2），即：TS,42TS,2。n在采用双极性不归零码双极性不归零码时，第一零点带宽为：B 1TS 。所以，就未调制的基带信号而言，所以，就未调制的基带信号而言，B40.5B2 。n因此，四进制调制带宽效率是二进制调制的二因此，四进制调制带宽效率是二进制调制的二倍，也就是说，相同基带传输速率（比特率）倍，也就是说，相同基带传输速率（比特率）情况下，多进制调制具有更高的带宽效率。情况下，多进制调制具有更高的带宽效率。17带宽效率（2）在基带数据速率相同的情况下，四进制基带数据18带通信号和等效复基带信号（带通信号和等效复基带信号（1）n已调信号一般具有如图所示的频谱（功率谱密度，PSD）。由于信号功率相对集中于载频fc附近的一定范围内（图中红色阴影部分），所以已调信号又称作带通信号带通信号。18带通信号和等效复基带信号（1）已调信号一般具有如图所示的19带通信号和等效复基带信号（带通信号和等效复基带信号（2）n带通信号一般可以表示为：其中，g(t)称作带通信号s(t)的等效复基带信号等效复基带信号等效复基带信号等效复基带信号，它代表着s(t)的包络和相位，即有 如果g(t)的功率谱功率谱为Pg(f)，则s(t)的功率谱PS(f)为：19带通信号和等效复基带信号（2）带通信号一般可以表示为：20带通信号和等效复基带信号（带通信号和等效复基带信号（3）调制调制调制调制 复基带信号的复基带信号的PSD 带通（已调）带通（已调）信号的信号的PSD20带通信号和等效复基带信号（3）调制 复基带信21常用的带宽定义n绝对带宽：信号的非零值功率谱密度在频率上占用的范围。n零点零点带宽：频谱主瓣宽度。n3dB带宽（半功率带宽）：功率谱密度下降到峰值功率的一半，即低于峰值功率3dB时的频率范围。21常用的带宽定义绝对带宽：信号的非零值功率谱密度在频率上占22功率效率和带宽效率的折中（功率效率和带宽效率的折中（1）n在数字通信系统设计中，经在数字通信系统设计中，经常需要在带宽效率和功率效常需要在带宽效率和功率效率之间进行折中。例如对信率之间进行折中。例如对信息信号增加差错控制编码会息信号增加差错控制编码会提高已调信号占用的带宽，提高已调信号占用的带宽，也就是降低了带宽效率，但也就是降低了带宽效率，但同时对于给定的误比特率所同时对于给定的误比特率所需的接收功率降低了，于是需的接收功率降低了，于是以带宽效率换取了功率效率。以带宽效率换取了功率效率。无编码无编码有编码有编码22功率效率和带宽效率的折中（1）在数字通信系统设计中，经常23功率效率和带宽效率的折中（功率效率和带宽效率的折中（2）n另一方面，更多进制的相位调制方案降低了另一方面，更多进制的相位调制方案降低了调制信号占用的带宽，但是同时增加了达调制信号占用的带宽，但是同时增加了达到同样的误比特率所需的信噪比。下表是到同样的误比特率所需的信噪比。下表是不同不同M值的值的MPSK的比较，这一点我们在后的比较，这一点我们在后面还会有进一步的分析。面还会有进一步的分析。23功率效率和带宽效率的折中（2）24几个方面的约束和进一步的要求几个方面的约束和进一步的要求n信道中存在衰落衰落，因此幅度上调制有信息的调制方式不适用。希望采用恒包络调制恒包络调制。n对于蜂窝系统，可能同时使用相邻信道相邻信道，为减小邻道干扰，对已调信号的带外能量限制得比较严苛，一般要求频谱旁瓣比主瓣低旁瓣比主瓣低60dB以上。n由于移动台移动台使用电池以及批量生产的成本限制，要求采用具有较高功率转换效率高功率转换效率的功率放大器和使用简便易行的解调简便易行的解调方案。24几个方面的约束和进一步的要求信道中存在衰落，因此幅度上调