西電現代數字調制解調技術第一頁，共58頁?，F代數字調制解調技術

主要研究內容

(1)減小信號帶寬提高頻譜利用率；(2)提高功率利用率增強抗干擾性能；適應各種隨參信道增強抗多徑抗衰落能力；數字信號處理實現技術。第二頁，共58頁。現代數字調制技術

正交振幅調制(QAM)；正交頻分復用(OFDM)；最小移頻鍵控(MSK)；高斯最小移頻鍵控(GMSK)；

DQPSK；擴頻調制。第三頁，共58頁。一、正交振幅調制(QAM)

在現代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關注的焦點之一。近年來，隨著通信業(yè)務需求的迅速增長，尋找頻譜利用率高的數字調制方式已成為數字通信系統(tǒng)設計、研究的主要目標之一。其中正交振幅調制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)就是一種頻譜利用率很高的調制方式。在中、大容量數字微波通信系統(tǒng)、有線電視網絡高速數據傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領域得到廣泛應用。

第四頁，共58頁。信號星座圖

信號矢量端點的分布圖稱為星座圖。通常，可以用星座圖來描述QAM信號的信號空間分布狀態(tài)。對于的16QAM來說，有多種分布形式的信號星座圖。兩種具有代表意義的信號星座圖如下圖所示。

第五頁，共58頁。2.QAM信號調制其中QAM中的振幅可以表示為

第六頁，共58頁。

QAM信號調制原理圖如下圖所示。圖中，輸入的二進制序列經過串/并變換器輸出速率減半的兩路并行序列，再分別經過2電平到L電平的變換，形成L電平的基帶信號。為了抑制已調信號的帶外輻射，該電平的基帶信號還要經過預調制低通濾波器，再分別對同相載波和正交載波相乘。最后將兩路信號相加即可得到QAM信號。

第七頁，共58頁。

以主瓣寬度作為MQAM信號帶寬，則MQAM調制方式的頻譜利用率為第八頁，共58頁。二、最小移頻鍵控(MSK)

由于一般移頻鍵控信號相位不連續(xù)、頻偏較大等原因，使其頻譜利用率較低。

MSK(MinimumFrequency–shift-keying)是二進制連續(xù)相位FSK的一種特殊形式。MSK稱為最小移頻鍵控，有時也稱為快速移頻鍵控(FFSK)。所謂“最小”是指這種調制方式能以最小的調制指數(0.5)獲得正交信號；而“快速”是指在給定同樣的頻帶內，MSK能比2PSK傳輸更高的數據速率，且在帶外的頻譜分量要比2PSK衰減的快。

第九頁，共58頁。1.MSK的基本原理

MSK是恒定包絡連續(xù)相位頻率調制，其信號的表示式為：稱為附加相位函數；為輸入第個碼元，取值為；為第個碼元的相位常數。

第十頁，共58頁。中心頻率為：兩個頻率可表示為：第十一頁，共58頁。由此可得頻率間隔為MSK信號的調制指數為第十二頁，共58頁。附加相位函數是一直線方程，其斜率為第十三頁，共58頁。MSK的相位網格圖

第十四頁，共58頁。MSK信號具有以下特點

MSK信號是恒定包絡信號；在碼元轉換時刻信號的相位是連續(xù)的，以載波相位為基準的信號相位在一個碼元期間內線性地變化；在一個碼元期間內，信號應包括四分之一載波周期的整數倍，信號的頻率偏移等于，相應的調制指數。第十五頁，共58頁。MSK信號的功率譜

第十六頁，共58頁。2.MSK調制解調原理

MSK信號的一般表示式為

第十七頁，共58頁。調制器原理圖

第十八頁，共58頁。鑒頻器解調原理圖

第十九頁，共58頁。相干解調器原理圖

第二十頁，共58頁。3.MSK的誤比特率性能

各支路的誤碼率為

式中為信噪比系統(tǒng)的總誤比特率為第二十一頁，共58頁。MSK系統(tǒng)誤比特率曲線

第二十二頁，共58頁。三、高斯最小移頻鍵控(GMSK)

在移動通信中，對信號帶外輻射功率的限制十分嚴格，一般要求必須衰減70dB以上。從MSK信號的功率譜可以看出，MSK信號仍不能滿足這樣的要求。高斯最小移頻鍵控(GMSK)就是針對上述要求提出來的。GMSK調制方式能滿足移動通信環(huán)境下對鄰道干擾的嚴格要求，它以其良好的性能而被泛歐數字蜂窩移動通信系統(tǒng)(GSM)所采用。第二十三頁，共58頁。1.GMSK的基本原理

為了壓縮MSK信號的功率譜，可在MSK調制前加入預調制濾波器，對矩形波形進行濾波，得到一種新型的基帶波形，使其本身和盡可能高階的導數都連續(xù)，從而得到較好的頻譜特性。第二十四頁，共58頁。GMSK調制原理

第二十五頁，共58頁。預調制濾波器主要特性

(1)

帶寬窄并且具有陡峭的截止特性；

(2)

脈沖響應的過沖較?。?/p>

(3)

濾波器輸出脈沖響應曲線下的面積對應于的相移。其中條件(1)是為了抑制高頻分量；條件(2)是為了防止過大的瞬時頻偏；條件(3)是為了使調制指數為0.5。第二十六頁，共58頁。高斯低通濾波器特性

單位沖擊響應

傳輸函數

第二十七頁，共58頁。高斯預調制濾波器的脈沖響應

第二十八頁，共58頁。GMSK信號的相位路徑

第二十九頁，共58頁。GMSK信號的功率譜

第三十頁，共58頁。GMSK信號

的眼圖

第三十一頁，共58頁。2.GMSK的調制與解調

鎖相環(huán)(PLL)法

第三十二頁，共58頁。波形存儲正交調制器

第三十三頁，共58頁。1比特差分解調器第三十四頁，共58頁。2比特差分解調器第三十五頁，共58頁。3.GMSK系統(tǒng)的性能

GMSK信號相干解調的誤比特率下界為式中為發(fā)送數據“1”和“0”之間的最小距離

第三十六頁，共58頁。歸一化最小信號距離

第三十七頁，共58頁。GMSK信號誤比特性能

第三十八頁，共58頁。四、正交頻分復用(OFDM)

OFDM是一種并行體制，它是將高速率的串行信息數據流經串/并變換，分割為若干路低速率并行數據流，然后每路低速率數據采用一個獨立的載波調制并疊加在一起構成發(fā)送信號。第三十九頁，共58頁。

OFDM方式作為一種高效調制技術，具有較強的抗多徑傳播和頻率選擇性衰落的能力以及較高的頻譜利用率。

OFDM系統(tǒng)已成功地應用于接入網中的高速數字環(huán)路HDSL、非對稱數字環(huán)路ADSL，高清晰度電視HDTV的地面廣播系統(tǒng)。在移動通信領域，OFDM是第三代移動通信系統(tǒng)采用的技術之一。第四十頁，共58頁。1.OFDM基本原理

第四十一頁，共58頁。

OFDM是把高速串行的數據流通過串并變換，變成低速的并行數據流，再根據調制方式把并行的數據流進行映射為各路并行的調制符號流，對一組正交載波進行調制，各路已調信號相加后，形成OFDM信號。第四十二頁，共58頁。

在接收端根據OFDM信號中各載波之間正交的特點，采用相關接收的方法，分離各路已調信號，并恢復出基帶調制符號流，再根據系統(tǒng)調制的方式，恢復出并行數據流，通過并串變換恢復出發(fā)送的高速串行數據流。第四十三頁，共58頁。OFDM信號數學表示形式

式中為第m個子載波角頻率為第m個子載波上的復數信號,在一個符號期間為常數，則有第四十四頁，共58頁。子載波已調信號功率譜密度

第四十五頁，共58頁。OFDM合成信號功率譜密度

第四十六頁，共58頁。OFDM信號調制與解調

OFDM信號產生原理

第四十七頁，共58頁。

OFDM信號的產生是基于快速離散傅立葉變換實現的，輸入的二進制數據序列先進行串/并變換。根據OFDM符號間隔，將其分成個比特一組。這個比特被分配到N個子信道上，經過編碼后映射為N個復數子符號。采用2N點快速離散傅立葉反變換(IFFT)將頻域內的N個復數子符號變換成時域中的2N個實數樣值，加上循環(huán)前綴之后就構成了實際的OFDM發(fā)送符號。D/A轉換器和低通濾波器輸出基帶信號。最后經過上變頻輸出OFDM信號。

第四十八頁，共58頁。OFDM信號接收端原理

第四十九頁，共58頁。

OFDM信號接收端的處理過程與發(fā)送端相反。接收端輸入OFDM信號首先經過下變頻變換到基帶，A/D轉換、串/并變換后的信號去除循環(huán)前綴，再進行2N點快速離散傅立葉變換(FFT)得到一幀數據。為了對信道失真進行校正，需要對數據進行單抽頭或雙抽頭時域均衡。最后經過譯碼判決和并/串變換，恢復出發(fā)送的二進制數據序列。第五十頁，共58頁。

為了使信號在IFFT、FFT前后功率保持不變，DFT和IDFT應滿足以下關系第五十一頁，共58頁。

在OFDM系統(tǒng)中，子載波的數量應根據信道帶寬、數據速率以及符號周期來確定。OFDM系統(tǒng)采用的調制方式應根據功率及頻譜利用率的要求來選擇。常用的調制方式有QPSK和16QAM方式。另外，不同的子信道還可以采用不同的調制方式，特性較好的子信道可以采用頻譜利用率較高的調制方式，而衰落較大的子信道應選用功率利用率較高的調制方式，這是OFDM系統(tǒng)的優(yōu)點之一。第五十二頁，共58頁。3.OFDM系統(tǒng)性能

抗脈沖干擾

OFDM系統(tǒng)抗脈沖干擾的能力比單載波系統(tǒng)強很多。這是因為對OFDM信號的解調是在一個很長的符號周期內積分，從而使脈沖噪聲的影響得以分散。事實上，對脈沖干擾有效的抑制作用是最初研究多載波系統(tǒng)的動機之一。提交給CCITT的測試報告表明，能夠引起多載波系統(tǒng)發(fā)生錯誤的脈沖噪聲的門限電平比單載波系統(tǒng)高lldB。第五十三頁，共58頁?？苟鄰絺鞑ヅc衰落

OFDM系統(tǒng)把信息分散到許多個載波上，大大降低了各子載波的信號速率，使符號周期比多徑遲延長，從而能夠減弱多徑傳播的影響。若再