無線通信技術(shù)XXXX_41

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1、無線通信技術(shù)無線通信技術(shù) 武卓武卓2010-12-21數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) 數(shù)字基帶信號 數(shù)字基帶信號的頻譜 載波傳輸或者帶通傳輸 數(shù)字調(diào)制 無線移動通信的重要研究課題 抗信道損傷 高頻譜效率通信與信息工程學院通信與信息工程學院數(shù)字調(diào)制概述 線性調(diào)制正交調(diào)幅 恒包絡調(diào)制 多載波調(diào)制移動信道對數(shù)字調(diào)制性能的影響通信與信息工程學院通信與信息工程學院數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)3.1.1 數(shù)字調(diào)制概述 數(shù)字調(diào)制的特點 抗損傷能力強 可以采用現(xiàn)代信號處理和控制技術(shù) 糾錯編碼、加密、均衡等 可編程調(diào)制解調(diào)（軟件無線電）調(diào)制信號的數(shù)學表示數(shù)字調(diào)制的實質(zhì)：調(diào)制信息 信號波形波形集合：對二元調(diào)制：M=2

2、一個信號波形（符號）最多可攜帶 比特信息數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)通信與信息工程學院通信與信息工程學院12(),(),()MSS t S tSt2log M數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)在矢量空間中的信號波形，可表示為N個正交波形的線性組合，這N個正交波形構(gòu)成了該矢量空間的基：正交：單位能量：通信與信息工程學院通信與信息工程學院12()()()()0,()1NiijjjijiStSttt dtijt dt數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)例如：二相相移鍵控BPSK信號，其中:每比特的信號能量 每比特的持續(xù)時間122()cos(2),02()cos(2),0bcbbbcbbEStf ttTTEStf ttTT bEbT數(shù)字調(diào)制和解

3、調(diào)技術(shù)對該信號集，只有一個基這樣，BPSK信號集可表示為星座圖（信號集在幾何上的表示）：Q I通信與信息工程學院通信與信息工程學院bEbE12()cos(2),0cbbtf ttTT 11(),()BPSKbbSEtEt數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)通信與信息工程學院通信與信息工程學院調(diào)制信號的最佳接收 最佳：誤碼率最小 條件：加性白噪聲 接收端的有用表示：例如：BPSK 接收到的信號：最佳接收 判決準則：10(),1()()0s ts ts t發(fā)“”碼，發(fā)“”碼10()cos,()cosccccs tAt s tAt()()()y tS tn t2210001()()()()0TTy tS tdty t

4、S tdt判為“”判為“”數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)3.1.2 線性調(diào)制特點：線性調(diào)制中，發(fā)射信號S(t)的幅度隨數(shù)字調(diào)制信號線性變化 其中，是已調(diào)信號的復包絡表示 通常為復數(shù)形式。線性調(diào)制一般沒有恒定的包絡 頻帶利用率高通信與信息工程學院通信與信息工程學院2()Re()()cos 2()sin 2cjf tmRcIcS tAt eA mtf tmtf t()()()RIm tmtjmt數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) BPSK 調(diào)制 通信與信息工程學院通信與信息工程學院101b(t)a(t)c(t)+1-1b(t)c(t)a(t)數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) BPSK波形（濾波后）未濾波時的頻譜:帶寬（奈奎斯特濾波后）：W

5、 rs1 rb1-3-2-1123-30-25-20-15-10-5數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) BPSK性能指標-誤碼率（BER）：dpdq10dnp(t)nq(t)dpp(dp)10dP(01)P(10)Pe P 0 P 01 P 1 P 1012Qd 212Qd 2 Qd2 Q2EbN0A22d2422EN02EbN0其中QPSK調(diào)制數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)Baseband dataIn-phase carrier+1-1010+1-1100Quadrature carrier數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) QPSK即4PSK，是四進制數(shù)字相位調(diào)制。它是將信息序列中一對相鄰碼元的四個狀態(tài)(00、01、10、11)，

6、用四個相位不同的載波信號進行相位調(diào)制。QPSK信號可以表示為 kkktkcos2,0,1,2,34SQPSKTscgtTtmm數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)4,4M344參考相位參考相位00011110B方式方式系系統(tǒng)統(tǒng)4 5474系統(tǒng)系統(tǒng)2 參考相位參考相位00011110A方式方式4,0M0232A方式雙信息符號與方式雙信息符號與 k的關(guān)系的關(guān)系00011110090 180 270B方式方式雙信息符號與雙信息符號與 k的關(guān)系的關(guān)系0001111045135 225 315 數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) 在一個符號間隔(0,T)內(nèi)，碼元信號為 ()(cos)()cos(2)(sin)()sin(2)2 cos(

7、2)sin(2)()211mmTcmTcccTStgtf tgtf tIf tQf tgtIQ 其中：，串串/并變換并變換9090移相移相tcosctsinc 二進制雙極性二進制雙極性不歸零碼不歸零碼QPSK 輸出輸出IQ載波載波發(fā)生發(fā)生數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) 在QPSK中兩正交支路數(shù)據(jù)在時間上是完全對準，當兩路數(shù)據(jù)同時改變相位是，會發(fā)生180的相位躍變。7/4 5/43/4/40t +1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 +1QI+1-1+1+1-1-1-1+1-1+1IQ-1 +1+1-17443454數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)QPSK相干解調(diào)框圖數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出輸出90接收信接收信號號QP

8、SKQPSK低通低通并并/串串變換器變換器相移相移載波恢載波恢復電路復電路帶通帶通濾波濾波低通低通抽樣抽樣判決判決抽樣抽樣判決判決定時定時定時定時數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) OQPSK(交錯正交相移調(diào)制)是QPSK的改進。它與QPSK有相同的相位關(guān)系，不同在于將同相和正交兩支路的碼流在時間上錯開了半個碼元周期。串串/并變換并變換LPF-90BPF延遲延遲Tb/2LPFcos()ct輸入輸入()OQPSKStIQOQPSKOQPSK數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) OQPSK的功率譜主瓣包含功率的92.5%，頻帶受限OQPSK比頻帶受限的QPSK的包絡起伏小，經(jīng)限幅放大后頻譜展寬也少，故OQPSK性能優(yōu)于QPSK。輸

9、輸 出出并并/串變換串變換LPF-90抽樣抽樣判決判決延遲延遲Tb/2LPF()OQPSKStIQ抽樣抽樣判決判決定時抽樣載波恢復載波恢復BPFOQPSK相干解調(diào)框圖數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)/4QPSK 是對QPSK的一種改進，它把QPSK調(diào)制的A、B兩種方式的矢量圖合二為一，并且使載波相位只能從一種模式(A或B)向另一種模式(B或A)跳變。矢量圖中的箭頭表示載波相位的跳變路徑，顯然，相位變化只有土45。和土135。4種狀態(tài)，不存在180相位跳變，因此較QPSK調(diào)制具有更好的頻譜特性。數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)映射邏輯電路的功能為映射邏輯電路的功能為1111cossin(1)sincos(2)kkkkkkk

10、kkkIIQQIQ/4QPSK調(diào)制系統(tǒng)框圖調(diào)制系統(tǒng)框圖1 10 10 01 0IkaQkak /4 3/43/4/4串串/并并LPF映射映射邏輯邏輯LPF2cosct/4QPSKS(t)信號輸出信號輸出IkQkak，Iak，QajSI(t)SQ(t)數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) ak,I，與ak,Q 有(0，0)，(0，1)，(1，0)，(1，1)4種組合，經(jīng)映射邏輯變換后，輸出有8種取值組合：在映射邏輯輸出的數(shù)據(jù)流中，第k個同相正交雙bit符號Ik、Qk 的合成相位值用k表示；第k-1個同相正交雙bit符號lk-1、Qk-1的合成相位值用 k-1表示。為了求得Ik、Qk 的合成相位，將Ik-1、Qk-

11、1的8種取值組合帶入公式(1)(2)得到：11111111(1,0)(,)(0,1)(,)(1,0)(,)(0,1)(,)2222222211cos()sin()kkkkkkIQ 1kkk cossinkkkkIQ數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) /4QPSK調(diào)制系統(tǒng)輸出信號數(shù)學表達式為()coscos()sinsinIkQkSttStt()()()coscossinsinIQkckcS tS tSttt/4QPSK 調(diào)制系統(tǒng)輸出信號相位由 k 決定，根據(jù)對k的定義，很容易求出輸入數(shù)據(jù)流變化時，/4QPSK 調(diào)制系統(tǒng)輸出信號的相位變化關(guān)系。數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)例題：輸入數(shù)據(jù)流aj=00101100110111

12、，/4QPSK調(diào)制系統(tǒng)輸出信號相位變化規(guī)律。解：aj經(jīng)串/并變換后得到ak,I,ak,Q=00；10；11；00；11；01；11。設初相0=0，依據(jù)表1給出的方式可求出k、k及k跳變的度數(shù)數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)/4QPSK的解調(diào)可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)?？晒┻x擇的解調(diào)器有三種：基帶差分檢波，中頻差分檢波和調(diào)頻鑒頻器檢波?；鶐Р罘謾z測基帶差分檢測中頻差分檢測中頻差分檢測FM鑒頻器檢測鑒頻器檢測關(guān)鍵：求出相差的余弦和正弦函數(shù)關(guān)鍵：求出相差的余弦和正弦函數(shù)用非相干方式直接檢測相差用非相干方式直接檢測相差數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)基帶差分檢波框圖接收信號接收信號/4 QPSK數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出輸出2co

13、sct2sinct11kkkkw wz z11kkk kz wwzISQS帶通帶通并并/串串變換變換低通低通低通低通抽樣抽樣判決判決抽樣抽樣判決判決cos 2cosckktcoskkw1coskkkxsin 2sinckktsinkkz1sinkkkycoscktarctankkkQI是第k個數(shù)據(jù)比特的載波相位0,10,00,10,0IIQQxSxSySySkkkk若則若則若則若則數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)o 因此誤碼率為：o 頻譜利用率與BPSK相同o 使用在nSatcomsnTerrestrial radionUMTS11100001dW rs1rb21Pe 2Qd2A22d2222EN04EbN

14、0PbPe2 Q2EbN0QPSK誤符號率為QPSK調(diào)制系統(tǒng)性能數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) BPSK與QPSK有同樣的功率要求 帶寬效率為：BPSK:QPSK:怎樣增加帶寬效率？-增加每個符號包含的比特數(shù)rbW1121brWkrsWlog2M1數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)Bit energy to noise density ratio,dBBit error rateQPSK8PSK16PSKPSK調(diào)制的誤碼率性能數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) 例題：一個數(shù)據(jù)的速率為64 kbit/s 的信息將在帶寬為25 kHz的頻帶上傳輸.試求M 和的值。例題：如果要求系統(tǒng)的BER性能達到10-8同時采用M-PSK調(diào)制，那么此時的比

15、特能量與噪聲功率比值(Eb/N0)為多少？數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)正交幅度調(diào)制（QAM）是用兩路獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波雙邊帶調(diào)幅，利用這種已調(diào)信號的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性，實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。正交振幅調(diào)制的一般表達式為：Tb為碼元寬度，Am和Bm為離散的振幅值，m=1,2,M,M為Am和Bm的個數(shù)。QAM QAM()cossin,0mcmcby tAtBttT 數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) 可以看出，已調(diào)信號是由兩路相互正交的載波疊加而成的，每路載波被一組離散的振幅Am、Bm所調(diào)制，故稱這種調(diào)制方式為正交振幅調(diào)制。其振幅Am和Bm可以表示成 A是固定的振幅，與信號的平均

16、功率有關(guān)。(dm,em)表示QAM調(diào)制信號矢量端點在信號空間的坐標，由輸入數(shù)據(jù)決定。AdAAeBmmmm數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) 提出MQAM的原因 為了高速傳輸大量數(shù)據(jù)，又要不占用過寬的頻帶必然要提高頻帶利用率。已知頻帶利用率：式中，為碼元寬度，為比特率，m為進制數(shù)，B為所需帶寬。2log/bbsRmbit s HzBBTsTbR數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) 16PSK星座圖：在單獨使用相位調(diào)制時，不能最充分地利用信號平面。IQ數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)（1）單獨的幅度鍵控ASK，在矢量圖上只利用了坐標軸上的點。（2）單獨的相移鍵控PSK，在矢量圖上只利用了圓周上的點。o 當M增多，點會越來越密，這些矢量點之間的距

17、離也隨之減小，很容易產(chǎn)生碼間的串擾，導致誤碼隨之增加。o 為了要充分利用平面，將矢量點合理分布，因此引出幅度和相位結(jié)合的多進制調(diào)制方式MQAM。數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)o 16QAM星座圖：IQ數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)MQAM星座圖數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) MQAM信號可表示成：為了方便傳輸與檢測，一般都取 、為雙極性碼，并令它有相等的信號間距，如取 為 ，式中 為碼元寬度。()()nsnnsnx tx g t nTy ty g t nTnxnynxny13,(1)m，sT數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) 通常，原始數(shù)字數(shù)據(jù)都是二進制的。為了得到多進制的QAM信號，首先應將二進制信號轉(zhuǎn)換成M進制信號，然后進行正交調(diào)制，最后再

18、相加。具體調(diào)制框圖如下：數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)MQAM調(diào)制方框圖及各點波形串/并變換/2電平變換y(t)0cost0sint電平變換預調(diào)制LPF預調(diào)制LPF載頻振蕩123Bm4567Am數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)并/串變換/2電平變換y(t)0cost0sint電平變換LPF載頻提取128910LPF多電平判決多電平判決定時恢復11MQAM解調(diào)方框圖及各點波形數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) 假設已調(diào)信號的最大幅度為 1，不難算出MPSK時星座圖上信號點的最小距離為 而MQAM時，若星座為矩形，則最小距離為 MdMPSKsin21212MLdMQAM數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) 當信號的平均功率受限時，MQAM的優(yōu)點更為顯著，因

19、為MQAM信號的峰值功率與平均功率之比為 2/122)12(2)1(LiiLLk因此，當M=4 時，d4PSK=d4QAM。事實上4PSK與4QAM的星座圖相同。但當M4 時，例如M=16，則可算出d16PSK=0.39,d16QAM=0.47。d16QAMd16PSK，這說明16QAM的抗干擾能力優(yōu)于16PSK。數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)對16QAM來說,L=4,所以k16QAM=1.8。至于16PSK信號的平均功率就等于它的最大功率(恒定包絡)，因而k16PSK=1,這說明k16QAM大于k16PSK約2.55dB。這樣，以平均功率相等為條件，16QAM的相鄰信號距離超過16PSK約4.19dB。數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù)M進制方型QAM的誤碼率曲線 數(shù)字調(diào)制和解調(diào)技術(shù) 作業(yè)題：一種調(diào)制方式其星座圖上共有四種可能的相位，如圖所示。若發(fā)送信 息為“1101100100”，試畫出采 用如圖所示的調(diào)制方式調(diào)制后的 信號（在圖中按調(diào)制的先后順序標出）。