第6章-数字调制技术

1无线通信原理与应用第六章移动无线电中的调制技术2主要内容调制技术概述无线移动通信对数字调制技术的要求线路码及其频谱脉冲成形信号空间概念线性调制技术恒包络调制技术扩频调制技术3调制技术概述调制的定义调制的分类数字调制的优越性数字调制解调的研究内容两类数字调制技术4调制的定义将要传输的信号变换为适合信道特性的形式过程。要传输的信号——调制信号（基带信号）。转换后的信号——已调信号。在接收端需将已调信号还原成原始信号，该过程称为解调。5调制的分类调制信号的类型：模拟调制、数字调制已调信号是否是调制信号的线性搬移：线性调制和非线性调制已调信号的包络：恒包络调制、非恒包络调制已调信号的相位：连续相位调制、非连续相位调制6数字调制的优越性更强的抗干扰和抗噪声能力；便于进行差错控制；易于复用各种不同形式的信息；更好的安全保密性能；可采用复杂的信号处理技术；便于实现软件无线电。7数字调制解调的研究内容（1）正交基的设计和选择（传统上是正弦波）：此设计的主要目标是实现已调信号与信道特性的最大相容。在正交基上的最佳已调信号集或信号星座的设计：星座的外形或说星座的最小闭包特性的研究，目标是使星座的平均能量最小（BER一定情况下）；星座的内部结构特性研究，它决定了在接收空间中对信号点的判决区的划分，而最佳的判决区划分会使得信号检测的差错概率最小，这在某种程度上确定了解调器的结构；星座的维数设计，它在一定意义上决定了信道的带宽利用率。8数字调制解调的研究内容（2）信息比特空间到已调信号集的映射关系：现代调制映射规则是按某种规则将信息符号映射到比信息符号集更大的调制信号集，即调制本身将引入调制信息序列之间的一定约束关系。这种映射的目标有两个：在统计特性上将尽可能多的信息符号映射为能量较小的信号点。使不同调制信号序列之间的欧氏距离尽可能大。解调设计：可划分为相干解调与非相干解调；一般情况下相干解调比非相干解调有3dB的能量增益。解调设计的基本目标只有一个，就是使信息符号接收的差错概率最小。9数字调制解调的研究内容（3）调制解调器的复杂性研究：即使一个非常良好的调制方式和相应的解调方式，如果其时间开销（即时延和速度）和空间的开销（即设备量）是通信要求或者技术水平难以达到的，那么这一调制解调方式仍然不可取。10两大类适用的数字调制技术线性调制：特点是调制过程表现为对基带信号谱的简单搬移，因此具有较窄的主瓣，但不能保证已调信号的相位连续变化。连续相位的频率调制：特点为已调信号相位连续变化，已调信号包络恒定（恒包络调制）。但属于非线性调制，即射频谱并不是基带谱的简单搬移，因此往往具有较宽的主瓣。11例：美国的蜂窝系统DAMPS和日本的蜂窝系统PDC以及日本的无绳系统PHS（“小灵通”）均采用π/4DQPSK调制，属线性调制。又例：GSM系统采用GMSK调制，属恒包络调制。π/4DQPSK即π/4差分正交相位键控GMSK即高斯最小频移键控12无线移动通信对调制技术的要求基本要求——功率效率和带宽效率一句话描述：一个令人满意的调制方案要能在低接收信噪比的条件下提供小的误比特率（BER），对抗多径和衰落情况性能良好。占用最小的带宽，并且容易实现，价格低廉。13功率效率（1）功率效率：以达到一定的解调输出误比特率（如10－5）所需要的接收机输入端的数字信噪比Eb／N0来度量。用加性高斯白噪声信道中的误比特性能来体现。数字信噪比：即Eb／N0，每比特能量与噪声功率谱密度之比。14功率效率（2）0///bbbbESTSRRSNBNNBNB。设已调信号平均功率为S(W)，总的噪声功率为N(W)，信号带宽为B(Hz)。则，相比较于模拟信号的信噪比S/N，将Eb/N0称作数字信号的信噪比。后者是前者的归一化值，用比特率和带宽的比值进行归一化。Eb/N0也没有量纲。15功率效率（3）如右图，最下面的“瀑布”曲线是2PSK相干解调的误码率曲线，稍往上是2DPSK差分相干解调的误码率曲线。由于达到同一误码率水平，后者需要更大的Eb/N0，所以，2PSK相干解调相对于2DPSK差分相干解调具有更高的功率效率。注意：大的Eb/N0可以通过增加信号发射功率来获得。16带宽效率（1）带宽效率：设已调信号占据的带宽为BHz（常对应为频谱主瓣宽度），所传输的基带信号的数据速率为Rbit/s，则该调制方式的带宽效率为：带宽效率有一个基本的上限，香农的信道编码理论指出，在一个任意小的差错概率下，最大的带宽效率受限于信道内的噪声，即信道容量公式：其中，C是信道容量，B是RF带宽，S/N信噪比。(//)BRbitsHzBmax2log1BCSBN17带宽效率（2）在基带数据速率相同的情况下，四进制基带数据比二进制基带数据的符号（Symbol）宽度大一倍（RS,4＝0.5RS,2），即：TS,4＝2TS,2。在采用双极性不归零码时，第一零点带宽为：B＝1／TS。所以，就未调制的基带信号而言，B4＝0.5B2。因此，四进制调制带宽效率是二进制调制的二倍，也就是说，相同基带传输速率（比特率）情况下，多进制调制具有更高的带宽效率。18带通信号和等效复基带信号（1）已调信号一般具有如图所示的频谱（功率谱密度，PSD）。由于信号功率相对集中于载频fc附近的一定范围内（图中红色阴影部分），所以已调信号又称作带通信号。0fPS(f)fc-fc19带通信号和等效复基带信号（2）带通信号一般可以表示为：其中，g(t)称作带通信号s(t)的等效复基带信号，它代表着s(t)的包络和相位，即有如果g(t)的功率谱为Pg(f)，则s(t)的功率谱PS(f)为：()Re[()exp(2)]cstgtjft1()[()()]4SgcgcPfPffPff。()()|()|jtgtgte20带通信号和等效复基带信号（3）0fPS(f)f0-f00fPg(f)调制复基带信号的PSD带通（已调）信号的PSD21常用的带宽定义绝对带宽：信号的非零值功率谱密度在频率上占用的范围。零点－零点带宽：频谱主瓣宽度。3dB带宽（半功率带宽）：功率谱密度下降到峰值功率的一半，即低于峰值功率3dB时的频率范围。22功率效率和带宽效率的折中（1）在数字通信系统设计中，经常需要在带宽效率和功率效率之间进行折中。例如对信息信号增加差错控制编码会提高已调信号占用的带宽，也就是降低了带宽效率，但同时对于给定的误比特率所需的接收功率降低了，于是以带宽效率换取了功率效率。无编码有编码23功率效率和带宽效率的折中（2）另一方面，更多进制的相位调制方案降低了调制信号占用的带宽，但是同时增加了达到同样的误比特率所需的信噪比。下表是不同M值的MPSK的比较，这一点我们在后面还会有进一步的分析。/BbRB60/10bENBER24几个方面的约束和进一步的要求信道中存在衰落，因此幅度上调制有信息的调制方式不适用。希望采用恒包络调制。对于蜂窝系统，可能同时使用相邻信道，为减小邻道干扰，对已调信号的带外能量限制得比较严苛，一般要求频谱旁瓣比主瓣低60dB以上。由于移动台使用电池以及批量生产的成本限制，要求采用具有较高功率转换效率的功率放大器和使用简便易行的解调方案。25线路码及其功率谱（PSD）1.什么是线路码2.线路码型3.功率谱26什么是线路码（LineCode）基带信号的波形，称作线路码。生成波形的过程称作线路编码（LineCoding）。一般对线路编码的要求有：所得到的线路码应包含有足够的位定时信息、应占用尽可能小的带宽等等。27线路码型可分为两大类，即归零（ReturntoZero，RZ）码和不归零（Non-ReturntoZero，NRZ）码。就二进制基带数据而言，又分为单极性（Unipolar）和双极性（Bipolar）的。RZ意味着每比特周期脉冲要回到零值，这会使频谱展宽，但便于同步定时。而NRZ码在每个比特周期不回到零值，即信号在每个比特周期内保持定值，NRZ码比RZ码频谱效率高，但是同步能力差。2829曼彻斯特（Manchester）码：又称做双相码。是一种不归零码，用两个相位的波形来分别代表二进制的“0”和“1”，每个波形在一个比特周期的中点处都会发生电平的突跳（“0”或“1”对应的突跳方向恰好相反，因此时钟恢复很容易。并且曼彻斯特码没有直流成分，适用于直流耦合电路。30相同比特率R下的线路码的频谱效率码型第一零点带宽（Hz）基带频谱效率η＝R/B[(b/s)/Hz]单极性NRZR1双极性NRZR1单极性RZ(50％)2R1/2双极性RZ(50％)R1曼彻斯特NRZ2R1/22l进制极性NRZ(l≥1)R/ll3132脉冲成形1.为什么要进行脉冲成形？2.脉冲成形还会带来什么影响？3.两种常用的脉冲成形滤波器33为什么要进行脉冲成形？前面介绍的线路码都采用矩形脉冲进行数据的脉冲成形，如双极性NRZ码中，用正矩形脉冲代表二进制的“1”，用负的矩形脉冲代表二进制的“0”。直接将这种脉冲用于调制会使已调信号频谱具有较高的旁瓣，无法满足无线移动通信的要求。34例如：2PSK调制是线性调制，调制过程可以表达为二进制双极性NRZ码与本地载波直接相乘。所以其射频频谱就是基带谱的简单搬移，射频带宽（正频率方向的零点对零点带宽）是基带带宽（正频率方向的第一零点带宽）的两倍。13dB35对基带信号进行低通滤波（称作脉冲成形）可以降低射频旁瓣。常用的滤波器有两种。一种是升余弦滤波器，一般用于线性调制；另一种是高斯滤波器，常用于恒包络调制。36脉冲成形还会带来什么影响？脉冲成形滤波器都是低通滤波器，因此这些滤波器的冲激响应不可能是时间有限的。理想低通滤波器的冲激响应波形如右上图所示。信号经过这样的一个低通滤波器之后，会造成信号在时域上的扩展，一个符号的脉冲将会延伸到相邻的其他符号中，因此，进行脉冲成形就意味着“人为地”引入码间干扰。37所以，要么我们选择可以消除码间干扰影响的滤波器作为脉冲成形滤波器，要么就应该将人为引入的码间干扰控制在对系统性能影响较小的程度以内。升余弦滤波器属于前一种情形；高斯滤波器则属于后一种情形。38奈奎斯特准则解决了既能克服码间干扰又能保持小的传输带宽的问题。该准则为：要使ISI的影响完全被抵消，需要整个通信系统的冲击响应在接收机端每个抽样时刻只对当前符号有响应，而对其他符号的响应全等于零。奈奎斯特准则可表示为：其中Ts是符号周期，n是整数，K是非零常数消除码间干扰的奈奎斯特准则0()00effsKnhnTn39选择滤波器的考虑滤波器的冲击响应在接近n≠0的取样点处要迅速衰减。在发射端和接收端必须便于实现成形滤波器，以产生期望的。()effht()effHf40满足奈奎斯特准则的滤波器一个满足奈奎斯特准则的滤波器的冲击响应可以表示为：对应的滤波器频率响应：ffs/2,非0。sin(/)()/seffstThttT1()recteffssfHfff41理想的奈奎斯特滤波器这个滤波器虽然满足奈奎斯特准则，但是其实现比较困难，因为它对应于非因果系统并难以逼近。还有该滤波器的冲击响应在每个过零点的斜率都为1/t且仅在Ts的整数倍为零，这样过零点抽样时间的任何偏差都会造严重的ISI。42实际使用的奈奎斯特滤波器6.9实际使用的满足奈奎斯特准则的滤波器大都具有如下的形式的冲击响应和频率响应：其中，sin(/)()()sefftThtztt0()rect()efffHfZff0()(),1/2()0sZfZfffTZf当时，。43两种常用的脉冲成形滤波器升余弦滤波器高斯滤波器44升余弦滤波器升余弦滚降滤波器满足奈奎斯特准则，其频率响应函数为：其中α是滚将因子，取值范围为0到1。其冲激响应函数为：110221111()1cos2222102ssRCsssfTfTHffTT