通信原理第8章.ppt

通信原理,(,第,6,版,),单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,通信原理,1,通信原理,第,8,章 新型数字带通调制技术,2,第,8,章 新型数字带通调制技术,8.1,正交振幅调制,(QAM),1,、原理：,QAM,是振幅和相位联合键控调制方式,3,第,8,章 新型数字带通调制技术,4,第,8,章 新型数字带通调制技术,信号表示式：,这种信号的一个码元可以表示为,式中，,k,=,整数；,A,k,和,k,分别可以取多个离散值。,X,k,=,A,k,cos,k,Y,k,=,A,k,sin,k,X,k,和,Y,k,也是可以取多个离散值的变量。从上式看出，,e,kt,),可以看作是两个正交的振幅键控信号之和。,5,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,，,A,k,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。,6,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,，它的矢量图示于下图中：,A,k,7,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。,64QAM,信号矢量图,256QAM,信号矢量图,8,第,8,章 新型数字带通调制技术,2,、产生方法（以,4QAM,信号为例）,正交调幅法：用两路独立的正交,2ASK,信号叠加，形成,4QAM,信号，如下图所示。,A,M,9,第,8,章 新型数字带通调制技术,电平转换,电平转换,串并变换,10,第,8,章 新型数字带通调制技术,11,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,个红色点表示第一个,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。,A,M,A,M,12,第,8,章 新型数字带通调制技术,3,、,QAM,的优势,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,A,M,，则,16PSK,信号的相邻矢量端点的欧氏距离,d,1,和,16QAM,信号的相邻点欧氏距离,d,2,分别为,d,2,和,d,1,代表这,两种体制,噪声容限,的大小,A,M,d,2,(a)16QAM,A,M,d,1,(b)16PSK,13,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。,14,(a),传输频带,(b)16QAM,星座,1011,1001,1110,1111,1010,1000,1100,1101,0001,0000,0100,0110,0011,0010,0101,0111,A,2400,第,8,章 新型数字带通调制技术,4,、,QAM,应用,实例,1,：,QAM,特别适用于频带资源有限的场合。例如，电话信道的带宽通常限制在,300,3400Hz,的范围内，若希望得到高的传输速率，可采用,QAM,。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,（,9600/4=2400,），滚降系数为,10,。,15,第,8,章 新型数字带通调制技术,实例,2,：,目前，我国的有线电视在有线电视信号传输时，一般采用,64QAM,调制方式。（每个码元传输,6bit,信息，信息速率是码元速率的,6,倍）,对于标清信号，如果符号率采用,6.875M,符号,/,秒，每个频道的最高信息传输速率为,6.875*6,41.25Mbps,，,信道编码采用,RS,编码（204,，,188,），每个频道的有效传输速率为,41.25*,（,188/204,）,38.01Mbps,，按每套节目的速率为,6Mbps,，故每个频道可以传输的节目数量为,38.01/6,6.33,个。,作为发展趋势的,HDTV,信号，未经压缩时的数据为,663.5Mbit/s,，压缩后为,31.8Mbit/s,（压缩比,20.81,）。如果采用,64QAM,调制，传输带宽为,31.8/6,5.3MHz,（码元速率即为带宽）,，频带利用率达到,6bit/s/Hz,。,也就是说，在现有的有线电视系统中，采用,64QAM,调制方式，每个频道可以传输一路,高清,或,6,路标清信号，提高了信道利用率。,16,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,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：,17,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,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,。,18,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，,c,载波角载频；,a,k,=,1,（当输入码元为“,1”,时，,a,k,=,+1,；,当输入码元为“,0”,时，,a,k,=,-1,）；,T,s,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。,19,第,8,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，,a,k,=,+1,，故码元频率,f,1,=,f,c,+1/(4,T,s,),；,当输入码元为“,0”,时，,a,k,=,-1,，故码元频率,f,0,=,f,c,-1/(4,T,s,),。,所以，,f,1,和,f,0,的差等于,1/(2,T,s,),。在,8.2.1,节已经证明，这是,2FSK,信号的最小频率间隔。,20,第,8,章 新型数字带通调制技术,MSK,信号的相位连续性,k,(,t,),称作第,k,个码元的附加相位。,波形（相位）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,21,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,T,s,内，它变化,a,k,/2,，即变化,/2,。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,a,k,=+1,，则第,k,个码元的附加相位增加,/2,；若,a,k,=-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：,22,第,8,章 新型数字带通调制技术,T,s,3,T,s,5,T,s,9,T,s,7T,s,11,T,s,0,a,k,=,1,1,1 -1,-1,1,1,1 -1,-1,-1,-1,23,第,8,章 新型数字带通调制技术,习题,8-1,设发送数字序列为,+1-1-1-1-1-1+1,，试画出用其调制后的,MSK,信号相位变化图。若码元速率为,1000B,，载波频率为,3000Hz,，试画出此,MSK,信号的波形。,24,+1,-1,-1,-1,-1,-1,+1,25,第,8,章 新型数字带通调制技术,习题,8-2,设有一个,MSK信号，码元速率为,1000B,，分别用频率,f1,和,f0,表示码元“,1”,和“,0”,，若,f1=1250Hz,，试求其,f0,应为多少？并画出“,101”,的波形。,26,第,8,章 新型数字带通调制技术,MSK,信号的正交表示法,27,第,8,章 新型数字带通调制技术,考虑到有,以及,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,cos,c,t,，,p,k,中包含输入码元信息，,cos(,t,/2,T,s,),是其正弦形加权函数；,Q,分量的载波为,sin,c,t,，,q,s,中包含输入码元信息，,sin(,t,/2,T,s,),是其正弦形加权函数。,28,第,8,章 新型数字带通调制技术,k,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,t,(-,T,s,0),(0,T,s,),(,T,s,2,T,s,),(2,T,s,3,T,s,),(3,T,s,4,T,s,),(4,T,s,5,T,s,),(5,T,s,6,T,s,),(6,T,s,7,T,s,),(7,T,s,8,T,s,),(8,T,s,9,T,s,),a,k,+1,+1,-1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,1,b,k,+1,+1,-1,-1,+1,-1,-1,-1,+1,+1,k,0,0,0,0,0,0,p,k,+1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,q,k,+1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,+1,29,第,8,章 新型数字带通调制技术,8.2.3 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：,差分,编码,串,/,并,变换,振荡,f,=1/4,T,振荡,f,=,f,s,移相,/2,移相,/2,cos(,t,/2,T,s,),q,k,p,k,q,k,sin(,t,/2,T,s,),sin(,t,/2,T,s,),cos,c,t,sin,c,t,a,k,b,k,带通,滤波,MSK,信号,p,k,cos(,t,/2,T,s,)cos,c,t,q,k,sin(,t,/2,T,s,)sin,c,t,p,k,cos(,t,/2,T,s,),30,第,8,章 新型数字带通调制技术,8.2.6,高斯最小频移键控,在进行,MSK,调制前将矩形信号脉冲先通过一个高斯型的低通滤波器。这样的体制称为,高斯最小频移键控,(GMSK),。,此高斯型低通滤波器的频率特性表示式为：,式中，,B,滤波器的,3 dB,带宽。,将上式作逆傅里叶变换，得到此滤波器的冲激响应,h,(,t,),：,式中,由于,h,(,t,),为高斯特性，故称为高斯型滤波器。,31,第,8,章 新型数字带通调制技术,GMSK,信号的功率谱密度很难分析计算，用计算机仿真方法得到的结果也示于上图中。仿真时采用的,BT,s,=03,，即滤波器的,3 dB,带宽,B,等于码元速率的,0.3,倍。在,GSM,制的蜂窝网中就是采用,BT,s,=0.3,的,GMSK,调制，这是为了得到更大的用户容量，因为在那里对带外辐射的要求非常严格。,GMSK,体制的缺点是有码间串扰。,BT,s,值越小，码间串扰越大。,32,第,8,章 新型数字带通调制技术,例题：设发送数据序列为,0010110101,，采用,MSK,方式传输，码元速率为,1200B,，载波频率为,2400Hz,试求“,0”,和“,1”,对应的频率,画出,MSK,信号时间波形,画出,MSK,信号附加相位路径图（初始相位为零）,33,第,8,章 新型数字带通调制技术,8.4,小结,QAM,MSK,34,