1、無線通信調(diào)制與編碼,next,本課程主要內(nèi)容,返回 上頁 下頁,第一章 調(diào)制和編碼介紹 第二章 線性調(diào)制原理 第三章 非線性系統(tǒng)調(diào)制 第四章 調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì) 第五章 前向糾錯(cuò)編碼原理 第六章 循環(huán)分組碼 第7章 卷積碼,第八章 編碼調(diào)制 策九章 在多徑信道上的調(diào)制與編碼 第十章 正交頻分復(fù)用（OFDM） 第十一 Turbo碼,返回 上頁 下頁,第二章 線性調(diào)制原理,2.1 調(diào)制原理和分析工具 2.2 線性和指數(shù)調(diào)制 2.3 數(shù)字傳輸基礎(chǔ) 2.4 基本線性調(diào)制方案 2.5 多電平調(diào)制方案 2.6 系統(tǒng)應(yīng)用,返回 上頁 下頁,2.0 引言 線性和非線性調(diào)制的區(qū)別 分析和圖示工具 已調(diào)信號(hào)的復(fù)基帶表

2、示 星座圖 通信信號(hào)的脈沖疊加模型 基本概念 奈奎斯特濾波器 匹配濾波器 線性調(diào)制 BPSK QPSK MPSK QAM 頻帶高效,2.1 調(diào)制原理和分析工具 1. 調(diào)制的目的 將信號(hào)變換為適于信道傳輸?shù)男问?（在無線通信中）頻率變換 2. 基本方法 用待傳信號(hào)以某種方式改變載波（如正弦）,可改變A 和/或,依改變哪個(gè)（或哪幾個(gè)）參數(shù)可得到不同的 調(diào)制類型,3. 調(diào)制分類,調(diào)制,調(diào)制A 和/或,調(diào)制,線性,非線性,2ASK,BPSK,多電平 MPSK QAM 1bit /symbol,二進(jìn)制,FSK,MSK,GMSK,etc,2.1.1 復(fù)基帶表示 1.基本概念 任何已調(diào)信號(hào)（實(shí)際上任何帶通信

3、號(hào)）均 可表示為復(fù)指數(shù)信號(hào)（表示載波）和復(fù)基 帶信號(hào)的乘積 基帶信號(hào)包含了已調(diào)信號(hào)中除載波外的所有 重要信息 給出了已調(diào)信號(hào)的簡(jiǎn)潔表示,2. BPSK 調(diào)制相位, 已調(diào)信號(hào)波形, 已調(diào)信號(hào)建模為載波和基帶信號(hào)的乘積,基帶信號(hào)給出了已調(diào)信號(hào)大多數(shù)的重要信息, 基于模型的實(shí)現(xiàn), BPSK模型不能產(chǎn)生除0 、 外的其它相 位，用 于一般已調(diào)信號(hào)的表示還需進(jìn)行 推廣,3. I/Q 調(diào)制器, 可用于產(chǎn)生任意給定相位和幅度的信號(hào), 在此，BPSK 中單個(gè)基帶信號(hào)被一對(duì)信號(hào) （分別稱作同相和正交基帶信號(hào)）所取代， 已調(diào)信號(hào)為, 這一對(duì)基帶信號(hào)可表示為一個(gè)復(fù)數(shù)信號(hào),從而有, 數(shù)學(xué)證明,2.1.2 星座圖 1.

4、 基本概念, 復(fù)基帶信號(hào)阿干特圖（兩垂直軸一為實(shí)數(shù)軸 一為虛數(shù)軸信號(hào) 表示幅度和相位可能狀態(tài)的點(diǎn)構(gòu)成,對(duì)于 曲線,2. BPSK及QPSK的星座圖, 等效于極坐標(biāo) 幅度A：到原點(diǎn)的距離 相位 ：與正實(shí)軸夾角,2.1.3 已調(diào)信號(hào)的頻譜 1. 已調(diào)信號(hào)頻譜與復(fù)基帶信號(hào)頻譜的關(guān)系 一般描述 頻譜搬移關(guān)系：上邊帶 下邊帶 實(shí)基帶信號(hào)： 頻譜對(duì)稱 上下邊帶鏡像對(duì)稱, 復(fù)基帶信號(hào) 頻譜并不一定鏡像對(duì)稱 上下邊帶也并非一定鏡像對(duì)稱, 數(shù)學(xué)表述, 復(fù)基帶信號(hào)包含了已調(diào)信號(hào)所有重要的信 息。 已調(diào)信號(hào)的頻譜，僅為基帶譜簡(jiǎn)單搬移到載 波處的結(jié)果,2. 已調(diào)信號(hào)功率與復(fù)基帶信號(hào)功率間的關(guān)系,2.1.4 噪聲的復(fù)基

5、帶表示 1. AWGN 平坦功率譜密度 單邊功率譜密度 高斯概率密度函數(shù),2. 帶限高斯白噪聲 帶限平坦功率譜密度 單邊功率譜密度, 可視為載波幅度和相位受隨機(jī)調(diào)制, 表示式, 若 服從高斯分布 和 必獨(dú)立也為高斯分布，且 方差相同, 幅度服從瑞利分布, 相位服從均勻分布, 、 特性,單邊功率譜密度 2,帶寬,2.1.5 脈沖疊加模型 1. 復(fù)基帶信號(hào)模型 數(shù)據(jù)加權(quán)的時(shí)移脈沖疊加 表示第 i 個(gè)符號(hào)的值，一般為復(fù)數(shù),BPSK 取 1 QPSK,脈沖成型函數(shù)，一般為實(shí)函數(shù),通常的形狀 時(shí)長(zhǎng)為一個(gè)符號(hào)周期的矩形脈沖 圖213 對(duì)其進(jìn)行低通濾波后的波形（可能導(dǎo) 致相鄰符號(hào)波形間的交疊） 圖214 該

6、模型適用范圍很寬，但并非對(duì)所有信號(hào) 均適用,2. 復(fù)基帶信號(hào)的頻譜,分別表示數(shù)據(jù)和信號(hào)波形的自相 關(guān)函數(shù), 通常，相繼符號(hào)是不相關(guān)的，基帶譜完全由 脈沖成型函數(shù)的譜決定 在通過線路編碼后，由數(shù)據(jù)和脈沖共同決定,2.2 線性和指數(shù)調(diào)制 1. 線性調(diào)制 適用于脈沖疊加模型的調(diào)制 已調(diào)信號(hào)和符號(hào)值間為線性關(guān)系 通過適當(dāng)選擇 可能的取值，線性調(diào)制可 產(chǎn)生所希望的任何幅度和相位組合，從而,任何幅度鍵控、相位鍵控以及兩者任意的組 合均為線性調(diào)制 2. 指數(shù)調(diào)制 定義 FSK 包含對(duì)相 位變化率的調(diào)制，即復(fù)基帶 信號(hào)的相位 , 而幅度恒定（不失 一般性，令其為1）, 從而, 已調(diào)信號(hào)和符號(hào)值間為指數(shù)關(guān)系,2

7、FSK, 例, 指數(shù)調(diào)制的復(fù)基帶信號(hào),2FSK, 已調(diào)信號(hào)的幅度恒定不變，線性調(diào)制可 能是變化的,2.3 數(shù)字傳輸基礎(chǔ) 奈奎斯特濾波器 匹配濾波器 獨(dú)立應(yīng)用于基帶信號(hào) 聯(lián)合應(yīng)用于無線系統(tǒng) 2.3.1 奈奎斯特濾波器 1. 基本概念 通信信號(hào)必須位于限定的帶寬之內(nèi)，這意 味著復(fù)基帶信號(hào)的帶寬也是受限的 限制信號(hào)帶寬會(huì)引起信號(hào)在時(shí)域的擴(kuò)展, 例 經(jīng)三階勃脫瓦茲濾波，截止頻率,引起 ISI, 時(shí)域擴(kuò)展是限制信號(hào)帶寬的必然結(jié)果。通過 仔細(xì)選擇濾波器，有可能消除 ISI 要求濾波后的脈沖在除當(dāng)前抽樣時(shí)刻外的所 有其它抽樣時(shí)刻均過零,2. 奈奎斯特時(shí)域準(zhǔn)則,3. 奈奎斯特頻域準(zhǔn)則, 意味著信號(hào)（雙邊帶）帶

8、寬決不能低于, 殘留對(duì)稱性,幅度譜關(guān)于 奇對(duì)稱,4. 升余弦濾波器 頻域數(shù)學(xué)式, 時(shí)域數(shù)學(xué)式, 頻譜圖, 不同 時(shí) 的時(shí)域波 形, 信號(hào)帶寬, 應(yīng)折衷考慮,2.3.2 匹配濾波器 1. 二進(jìn)制基帶接收機(jī)結(jié)構(gòu), 濾波器的目的是使其輸出端信噪比最大,2. 推導(dǎo),輸出信號(hào),輸出噪聲功率,從而，輸出信噪比,由柯西許瓦茲不等式,則,令,即,時(shí)，達(dá)到最大信噪比,也就是說，當(dāng)接收濾波器的響應(yīng)匹配于信號(hào) 脈沖的譜時(shí)，輸出信噪比最大,3. 時(shí)域形式,時(shí)間翻轉(zhuǎn)、延時(shí),4. 最大輸出信噪比, 最大輸出信噪比只與脈沖波形的能量有關(guān)， 而與其具體形狀無關(guān),5. 非白噪聲時(shí)的情形白化匹配濾波器 先將噪聲經(jīng)白化濾波器變?yōu)榘?/p>

9、噪聲，再對(duì)其 輸出端信號(hào)匹配,若噪聲功率譜為,則白化濾波器為,匹配濾波器幅度響應(yīng)為, 白化濾波器總幅度響應(yīng), 僅當(dāng)信號(hào)間隔大于白化濾波器帶寬的倒數(shù) 時(shí)，才是最優(yōu)的；否則，會(huì)引入額外失真,2.3.3 無線系統(tǒng)中的奈奎斯特和匹配濾波器 1. 基本概念 通常既希望將傳送信號(hào)限帶而不會(huì)引入ISI又 希望使接收的信噪比最大，故必須同時(shí)實(shí)現(xiàn) 奈奎斯特和匹配濾波 2. 對(duì)發(fā)送和接收濾波器的要求, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 在判決器輸入端無ISI，要求發(fā)送濾波器和 接收濾波器串聯(lián)后的整體必須遵守奈奎斯 特準(zhǔn)則，而不是單獨(dú)的發(fā)送濾波器 若出現(xiàn)在接收濾波器的噪聲為白噪聲，應(yīng) 使接收濾波器匹配于傳輸信號(hào)波形, 求解滿足要求的濾波

10、器, 發(fā)送濾波器和接收濾波器均應(yīng)為平方根 升余炫,3. 濾波器的等效噪聲帶寬 設(shè)濾波器輸入端為白噪 聲，單邊功率譜密度為 ，則輸出噪聲功率譜 密度,總輸出噪聲功率,4. I / Q 匹配濾波器, 結(jié)構(gòu), 分析,這里,匹配濾波器 輸出信噪比,I、Q組合后輸出信噪比,見 P21 式 (2.10),從而有,其中E為解調(diào)器輸入端 已調(diào)信號(hào)每符號(hào)能量, 上述結(jié)構(gòu)為對(duì)整個(gè)已調(diào)信號(hào)的匹配濾波器,5. 受噪聲污染后信號(hào)的星座圖, 每個(gè)信號(hào)點(diǎn)被擴(kuò)展為一個(gè)以其為中心的 圓（疑義區(qū)域），其擴(kuò)展程度近似由 表征,2.4基本線性調(diào)制方案 BPSK、QPSK 功率效率最高（某些多電平 FSK例外）帶寬效率最低的無編碼調(diào)制

11、方 案 帶寬效率 誤碼性能 2.4.1 BPSK 1. 基本原理,1）未經(jīng)濾波 時(shí)域波形 包絡(luò)恒定 頻譜圖 實(shí)際ACI 閾值 帶寬超寬 帶寬效率 超低,2） 經(jīng)濾波后, 濾波引 起包絡(luò) 起伏 帶寬, 帶寬效率, BPSK,2.誤碼性能, 星座圖, 同相分量的p.d.f,誤碼性能歸結(jié) 為高斯PDF 尾巴下的面積,標(biāo)準(zhǔn)高斯PDF尾巴下的面積,高斯PDF,標(biāo)準(zhǔn)高斯PDF, 誤碼計(jì)算中的幾個(gè)重要函數(shù),誤差函數(shù),互補(bǔ)誤差函數(shù),一般高斯PDF尾巴下的面積的計(jì)算,為尾巴起點(diǎn)到PDF中心處的距離, 誤碼率計(jì)算, 誤碼性能曲線,2.4.2 QPSK 基本原理 BPSK 的擴(kuò)展，允許傳送四個(gè)相位 2. 星座圖,3

12、. 產(chǎn)生 復(fù)基帶信號(hào)產(chǎn)生, I/Q調(diào)制器實(shí)現(xiàn),4. 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖, QPSK 碼元 轉(zhuǎn)換時(shí)的最大相位跳變量達(dá) 發(fā)生在同相數(shù)據(jù)和正交數(shù)據(jù)同時(shí)跳變的時(shí)刻,5. 傳輸帶寬 設(shè)采用奈奎斯特濾波, 符號(hào)速率相同，信號(hào)脈沖波形一樣時(shí)，與 BPSK一樣 比特速率一樣，信號(hào)波形一樣，為 BPSK 一半 6. 帶寬效率, QPSK,6. 誤碼性能,如果噪聲使接收符號(hào)偏移乃至穿越星座圖坐標(biāo)軸中的任何一個(gè)，將引起符號(hào)錯(cuò)誤，每個(gè)方向偏移的概率相同，因而沿著每個(gè)軸的錯(cuò)誤概率與BPSK相同,因?yàn)镼PSK 每符號(hào)攜帶2比特，故,誤符號(hào)率,因?yàn)镼PSK 每符號(hào)攜帶2比特，用圖示編碼，最可能發(fā)生的符號(hào)錯(cuò)誤僅破壞一個(gè)比特, 從而,

13、誤比特率 BER, BER 特性與 BPSK 相同，功率效率也相同,8. 與BPSK比較 帶寬效率 2 倍 功率效率 相同 在采用前述編碼時(shí)，實(shí)際上可將QPSK 看 作 兩個(gè)分別調(diào)制在sin和cos上的獨(dú)立的 BPSK信號(hào) 9. QPSK與BPSK 可能的功率最有效的無編碼線性調(diào)制方案,2.5 多電平調(diào)制方案 信號(hào)帶寬取決于符號(hào)速率，（雙邊帶帶寬） 不可能低于此值 為達(dá)到更高的頻譜效率，必須增加每符號(hào)攜 帶的比特?cái)?shù)，這可通過進(jìn)一步增加信號(hào)狀態(tài) 的數(shù)目來實(shí)現(xiàn) M個(gè)信號(hào)狀態(tài),2.5.1 M-PSK 基本原理 增大 M 最簡(jiǎn)單的方法擴(kuò)展QPSK信號(hào)點(diǎn)，使 其多于4個(gè)達(dá)到M個(gè) M-PSK，通常 M 8

14、 為2的冪次 2. 星座圖 （以8-PSK為例）,整個(gè)星座圖的任何旋轉(zhuǎn)都不會(huì)有實(shí)質(zhì)性的影響，通常增加幅角 以使信號(hào)點(diǎn)對(duì)稱于坐標(biāo)軸而不是落在其上,3. 信號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)據(jù) 4. 誤碼性能 1） 判決區(qū)域 噪聲使信號(hào)點(diǎn)偏移出 該區(qū)，將發(fā)生符號(hào)誤 判。其邊界為緊鄰信 號(hào)點(diǎn)連線的垂直平分線,2） 信號(hào)點(diǎn)間的最小歐氏距離,3）誤符號(hào)率,可應(yīng)用與BPSK同樣的公式計(jì)算信號(hào)點(diǎn)偏移越過判決區(qū)域邊界的概率，由于有兩條邊界，故近似為2倍,4）誤比特率 格雷編碼,因?yàn)镸-PSK 每符號(hào)攜帶k比特，用格雷編碼，最可能發(fā)生的符號(hào)錯(cuò)誤僅破壞一個(gè)比特,5）QPSK 8-PSK 16-PSK BER比較,QPSK,8-PSK

15、,16-PSK, 曲線, M 增大，帶寬效率增高，付出的代價(jià)功率 效率降低,2.5.2 QAM 問題的提出 錯(cuò)誤概率取決于信號(hào)點(diǎn)間的距離 M-PSK 所有信號(hào)點(diǎn)分布在一個(gè)圓周上，隨M 增大，信號(hào)點(diǎn)靠得更近 穿越星座中心散布信號(hào)點(diǎn)以得到更均勻的分布,2. 16-PSK 16-QAM 星座圖, 平均功率相同， 后者信號(hào)點(diǎn)間的最小距離近 似為16-PSK 的1.6倍 可分別對(duì)同相和正交載波進(jìn)行四電平幅度調(diào)制 而得到QAM,3. QAM 信號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)據(jù),信號(hào)點(diǎn)空間隔開2a,4. 誤碼性能 判決區(qū)域 四個(gè)邊界 d=2a 誤符號(hào)率 沿著一個(gè)方向偏移越過邊界的概率 非外圍信號(hào)點(diǎn) 緊鄰點(diǎn)4個(gè) 外圍信號(hào)點(diǎn) 緊鄰點(diǎn)少于4個(gè) 引入平均緊鄰點(diǎn)數(shù),信號(hào)點(diǎn)空間隔開2a, 平均緊鄰點(diǎn)數(shù),16-QAM,M-QAM,非邊緣信號(hào)點(diǎn)共有 個(gè)，每個(gè)有4個(gè)緊鄰信號(hào)點(diǎn),頂角4個(gè)點(diǎn) 每個(gè)只有2 個(gè)緊鄰信號(hào)點(diǎn)，共8個(gè),邊緣除頂點(diǎn)外還有4（K-2）個(gè)信號(hào)點(diǎn)，每個(gè)有3個(gè)緊鄰信號(hào)點(diǎn)，共 4（K-2）3，即12 （K-2）個(gè), 平均功率,16-