教学PPT-移动通信(第五版)(章坚武)第4章.pptx
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第4章数字调制技术第4章数字调制技术1.引言2.线性调制技术3.恒包络调制技术4.“线性”和“恒包络”相结合的调制技术5.正交频分复用(OFDM)技术6.扩频调制技术7.在多径衰落信道中的调制性能分析第4章数字调制技术4.1引言移动通信的数字调制要求是:
(1)必须采用抗干扰能力较强的调制方式(采用恒包络角调制方式以抗严重的多径衰落影响);
(2)尽可能提高频谱利用率:
占用频带要窄,带外辐射要小(采用FDMA、TDMA调制方式);占用频带尽可能宽,但单位频谱所容纳的用户数多(采用CDMA调制方式);(3)具有良好的误码性能。
第4章数字调制技术4.1.1影响数字调制的因素数字调制方式应考虑如下因素:
抗扰性,抗多径衰落的能力,已调信号的带宽,以及使用、成本等因素。
好的调制方案应在低信噪比的情况下具有良好的误码性能,具有良好的抗多径衰落能力,占有较小的带宽,使用方便,成本低。
第4章数字调制技术4.1.2数字调制的性能指标数字调制的性能指标通常通过功率有效性p(PowerEfficiency)和带宽有效性B(SpectralEfficiency)来反映。
功率有效性p是反映调制技术在低功率电平情况下保证系统误码性能的能力,可表述成每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比:
(4-1)带宽有效性B是反映调制技术在一定的频带内数字有效性的能力,可表述成在给定带宽条件下每赫兹的数据通过率:
(4-2)第4章数字调制技术由香农(Shannon)定理:
(4-3)式中,C为信道容量;B为RF带宽;S/N为信噪比。
因此,最大可能的BMAX为(4-4)对于GSM,B=200kHz,SNR=10dB,则有第4章数字调制技术4.1.3当今蜂窝系统、PCS(个人通信系统)和无绳电话采用的主要调制方式当今蜂窝系统、PCS和无绳电话采用的主要调制方式见表4-1。
第4章数字调制技术表4-1蜂窝系统、PCS和无绳电话采用的主要调制方式第4章数字调制技术4.2线性调制技术数字调制技术可广义分为线性和非线性调制两类。
在线性调制中,发射信号s(t)的幅度随调制信号a(t)线性变化。
线性调制技术(LinearModulationTechniques)具有频道利用率高的优点。
因而对无线通信系统的应用有很大吸引力。
在线性调制方案中,发射信号s(t)可表示如下:
(4-5)(4-6)第4章数字调制技术1.二进制移相键控(BPSK)1.BPSK信号的表示式sBPSK(t)0tTb“1”0tTb“0”(4-7)第4章数字调制技术或写成:
式中,Tb为码元宽度,a(t)为调制信号。
因此,BPSK可采用平衡调制器产生。
(4-8)(4-9)式中,gBPSK为信号复包络。
信号复包络的功率谱密度为(4-10)(4-11)(4-12)第4章数字调制技术2.BPSK的功率谱密度PBPSKBPSK信号的基带表示为(4-13)(4-14)第4章数字调制技术BPSK的功率谱密度为因此得第4章数字调制技术3.BPSK接收机如果信道无多径传输出现,接收端的BPSK信号可表示为式中,ch是相对于信道时延有关的相位。
(4-15)(4-16)图4-1带载波恢复电路的BPSK接收机第4章数字调制技术BPSK可使用相干或同步解调。
但由于式(4-14)中不含fc离散谱,因此接收机载波恢复需采用非线性电路而获得(见图4-1中的载波恢复电路)。
第4章数字调制技术输入信号经平方电路后:
(4-17)经带通滤波,获得cos(4fct+2),再经二分频,获得载波cos(2fct+)。
在加性白噪声条件下,BPSK的误码率为(4-18)式中:
(4-19)由于BPSK接收机在载波恢复上存在相位模糊问题,因此BPSK无法得到实际应用。
第4章数字调制技术4.2.2差分移相键控(DPSK)DPSK避免了接收机需要相干参考信号。
这在非相干接收机中比较容易实现,且价格低廉,因而广泛应用于无线通信系统。
DPSK调制器框图如图4-2所示。
图中有第4章数字调制技术图4-2DPSK调制器框图第4章数字调制技术图4-3差分编码实现第4章数字调制技术图4-4DPSK接收机框图第4章数字调制技术在加性白噪声(AWGN,AdditiveWhiteGaussianNoise)情况下,DPSK的误码率Pe,DPSK为(4-20)第4章数字调制技术4.2.3正交移相键控QPSK(4PSK)由于在一个调制符号中发送2bit,QPSK较BPSK频带利用率提高了一倍。
载波相位取四个空间相位0、/2,和3/2中的一个,每个空间相位代表一对惟一的比特。
QPSK信号可写成:
0tTsTs是符号间隙,等于两个比特周期,上式可进一步写成:
i=1,2,3,4(4-21)(4-22)第4章数字调制技术假设:
0tTs0tTs则有i=1,2,3,4(4-23)(4-24)(4-25)第4章数字调制技术图4-5QPSK信号矢量图(a)/4系统;(b)/2系统第4章数字调制技术图4-6/2-QPSK系统调制器原理框图第4章数字调制技术图4-7/2-QPSK系统解调器原理框图第4章数字调制技术/4-QPSK系统的调制器和解调器原理框图也可以用类似方法实现,只要把两个载波cosct和sinct分别用cos(ct+45)和sin(ct+45)代替就可以了。
在加性白噪声性能下,QPSK的误码率Pe,QPSK为QPSK和BPSK的误码性能相同。
(4-26)第4章数字调制技术由于在相同的带宽情况下,QPSK较BPSK发送数据多一倍。
因此,QPSK频谱利用率高一倍。
QPSK信号的功率谱密度PQPSK为(4-27)由符号包络为矩形脉冲和余弦脉冲成型的QPSK信号的归一化功率谱密度如图4-8所示。
第4章数字调制技术图4-8QPSK信号的功率谱密度第4章数字调制技术4.2.4偏移四相相移键控(OQPSK)限带后的QPSK已不能保持恒包络。
相邻符号之间发生180相移时,经限带后会出现包络过零的现象。
反映在频谱方面,出现边瓣和频谱加宽的现象。
为防止出现这种情况,QPSK使用效率低的线性放大器进行信号放大是必要的。
QPSK的一种改进型是交错QPSK(OffsetQPSK)。
OQPSK对出现边瓣和频宽加宽等有害现象不敏感,可以得到效率高的放大。
第4章数字调制技术图4-9QPSK的相位关系图第4章数字调制技术图4-10OQPSK信号调制器框图第4章数字调制技术图4-11OQPSK的I、Q信道波形及相位路径第4章数字调制技术图4-12OQPSK相位关系图第4章数字调制技术4.2.5/4-QPSK/4-QPSK调制是对OQPSK和QPSK在实际最大相位变化进行折衷。
它可以用相干或非相干方法进行解调。
在/4-QPSK中,最大相位变化限制在135。
因此,带宽受限的QPSK信号在恒包络性能方面较好,但是在包络变化方面比OQPSK要敏感。
非常吸引人的一个特点是,/4-QPSK可以采用非相干检测解调,这将大大简化接收机的设计。
在采用差分编码后,/4-QPSK可成为/4-DQPSK。
设已调信号为(4-28)第4章数字调制技术式中,k为kTt(k+1)T间的附加相位。
上式展开为(4-29)式中,k是前一码元附加相位k1与当前码元相位跳变量k之和。
当前相位的表示如下:
(4-30)设当前码元两正交信号分别为:
(4-31)第4章数字调制技术(4-32)令前一码元两正交信号幅度为UQm=sink-1,UIm=cosk-1,则有:
(4-33)(4-34)第4章数字调制技术1./4-QPSK信号的产生表4-3给出了双比特信息Ik,Qk和相邻码元间相位跳变k之间的对应关系。
由表可见,码元转换时刻的相位跳变量只有/4和3/4四种取值,所以信号的相位也必定在如图4-13所示的“”组和“”组之间跳变,而不可能产生如QPSK信号以的相位跳变。
信号的频谱特性得到较大的改善。
同时也可以看到UQ和UI只可能有0,1/,1五种取值,且0,1和1/相隔出现。
第4章数字调制技术第4章数字调制技术图4-13/4-QPSK的相位关系图第4章数字调制技术图4-14/4-QPSK调制电路第4章数字调制技术2./4-QPSK信号的解调1)基带差分检测(BasebandDifferentialDetection)图4-15基带差分检测电路第4章数字调制技术设接收信号为kTt(k+1)T)、相乘器、低通滤波器(LPF)s(t)经高通滤波器(后的两路输出xk,yk分别为:
(4-35)(4-36)(4-37)式中,0是本地载波信号的固有相位差。
xk,yk取值为1,0,第4章数字调制技术令基带差分变换规则为:
由此可得:
(4-38)(4-39)第4章数字调制技术0对检测信息无影响。
接收机接收信号码元携带的双比特信息判断如下:
判为“1”(4-40)判为“0”判为“1”(4-41)判为“0”图4-16中频延迟差分检测电路第4章数字调制技术2)中频延迟差分检测(IFDifferentialDetection)中频延迟差分检测电路如图4-16所示。
kTt(k+1)TkTt(k+1)T第4章数字调制技术该检测电路的特点是在进行基带差分变换时无需使用本地相干载波。
kTt(k+1)T(4-42)经延时电路和/2相移电路后输出电压为:
(4-43)(4-44)第4章数字调制技术s(t)经分别与s1(t),s2(t)经相乘后的输出电压为:
(4-45)(4-46)x(t),y(t)经LPF滤波后输出电压为:
(4-47)(4-48)此后的基带差分及数据判决过程与基带差分检测相同。
第4章数字调制技术3)鉴频器检测(FMdiscriminator)图4-17给出了/4-QPSK信号的鉴频器检测工作原理框图。
输入信号先经过带通滤波器,而后经过限幅去掉包络起伏。
鉴频器取出接收相位的瞬时频率偏离量。
通过一个符号周期的积分和释放电路,得到两个样点的相位差。
该相位差通过四电平的门限比较得到原始信号。
相位差可以用模2检测器进行检测。
第4章数字调制技术图4-17/4-QPSK信号的鉴频器检测工作原理框图第4章数字调制技术3./4-QPSK信号的性能1)频谱特性图4-18/4-QPSK信号的功率谱密度曲线(a)无负反馈控制;(b)有负反馈控制第4章数字调制技术2)误码性能误码性能与所采用的检测方式有关。
采用基带差分检测方式的误比特率与比特能量噪声功率密度比(Eb/N0)之间的关系式为式中,是参量为的K阶修正第一类贝塞尔函数。
(4-49)第4章数字调制技术在稳态高斯信道中,根据式(449)可作出/4-QPSK基带差分检测误码性能曲线如图4-19所示。
它比实际的差分检测曲线好2dB功率增益,比QPSK相干检测曲线差3dB功率增益。
在快瑞利衰落信道条件下,误码性能曲线如图4-20所示。
它是以多普勒频移fD作为参量所作的一组曲线。
由图可见,当fD=80Hz时,只要Eb/N0=26dB,可得误码率BER10-3,其性能仍优于一般的恒包络窄带数字调制技术。
第4章数字调制技术实践证明,/4-QPSK信号具有频谱特性好,功率效率高,抗干扰能力强等特点。
可以在25kHz带宽内传输32kb/s的数字信息,从而有效地提高了频谱利用率,增大了系统容量。
对于大功率系统,易进入非线性,从而破坏线性调制的特征。
因而在数字移动通信中,特别是低功率系统(如PHS,即目前我国“小灵通”系统)中得到应用。
第4章数字调制技术图4-19稳态高斯信道中的误码性能曲线第4章数字调制技术图4-20快衰落信道条件下的误码性能曲线第4章数字调制技术4.3恒包络调制技术许多实际的移动无线通信系统都使用非线性调制方法。
不管调制信号的变化,保证载波振幅恒定,即所谓的恒包络调制(ConstantEnvelopeModulation)。
恒包络调制具有以下优点:
功率放大器工作在C类,不会引起
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