数字通信技术054

InstituteofCommunicationsEngineeringInstituteofCommunicationsEngineeringInstituteofCommunicationsEngineering§5.6多载波调制和正交频分复用3一、多载波调制1、MCM的基本思想MCM：Multi-CarrierModulation，将待传输的数据流分解成M个子数据流，每个子数据流的传输速率降为原数据流的1/M，然后用这些子数据流去并行调制M个载波。4一、多载波调制串/并变换+cos2f1tcos2f2tcos2fMt{ak}SMCM(t)MCM基本思想的示意图52、MCM的意义时间弥散（时延扩展，timedelayspread）：移动信道中，由于存在多条不同距离的传播路径，使发送端发送的一个脉冲，到达接收端时却是多个不同时延脉冲在时间轴上的叠加。将最大时延与最小时延的差值称为时延扩展，记为。若发送的脉冲宽度为Ts，则接收脉冲的宽度为：Ts+。时延扩展将导致ISI，并且码间串扰的严重程度与/Ts成正比。多载波调制可以降低信道传输的符号速率，即增加Ts，因此可以有效地减小甚至消除码间串扰。一、多载波调制6一、多载波调制3、MCM的实现方式多音实现的MCM（MultitoneRealizationMCM）——主要用于有线电传输系统正交频分复用的MCM（OFDM）——主要用于无线电传输系统多载波码分复用MCM（MC-CDMA）——主要用于扩频通信系统本章只介绍OFDM方式7一、多载波调制图1.3MC-CDMA原理框图Σcos(2πfct)cos(2πfct+2πt/Ts)cos(2πfct+2πt(N-1)/Ts)Cm[0]Cm[1]Cm[N-1]bmsm(t)8二、OFDM1、OFDM的基本思想OFDM：OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用。将信道分成N个子信道，每个子信道上一个载波，称为子载波，各个子载波之间相互正交。实现时，将一路高速串行输入的数据信号流转换成N路并行的低速子数据流，调制到每个子载波上进行传输。9二、OFDMOFDM系统子载波正交特性在中心频率时振幅达到峰值，而在此频率的整数倍时振幅为零。10二、OFDM2、OFDM的特点正交信号可以通过在接收端采用相关技术分离，这样可以减少子信道之间的相互干扰；通过把信道分成多个带宽很窄的子信道，可以使OFDM系统比单载波系统具有更强的抗频率选择性衰落的能力，减少突发错；原因是，对于每一个子信道而言，遭受的是平坦衰落；与采用自适应均衡的单载波系统相比，OFDM系统的信道均衡更简单；由于每个子载波之间相互正交，所以每个子载波的频带之间互相重叠，可以获得很高的频带效率，这也是OFDM技术区别于FDM技术的本质。11二、OFDM由于OFDM信号是由多个不同频率，不同振幅，不同相位的信号相互叠加的结果，因此，具有很高的峰平功率比（PAPR），这就要求RF功率放大器要有较大的动态范围。与单载波系统相比，OFDM系统对频偏和频漂更敏感。12OFDM与FDM二、OFDM13二、OFDM3、OFDM的实现原理OFDM实现原理框图14二、OFDM发端：串/并变换后N路并行数据同时输出，分别调制在N个子载波上。N个子载波可以表示为则第m时刻的一个OFDM信号可以表示为收端：采用混频后积分清洗的方式对各子载波解调。)1(32100NnTnffNn，，，10],0[})2exp()(Re{)(NnnmTttfjndtsnmnmndTtTmnjndtfjtfjndmdNTNNnTNnmnNN0)(})(2exp[)()2exp(})2exp()({)(ˆ01001015二、OFDM4、OFDM的FFT实现如果不考虑保护时间，那么OFDM信号可以表示为X(t)为复等效基带信号。对X(t)进行抽样，抽样速率为1/Ts，则当t=kTs时，抽样值X(k)满足X(k)恰好是d(n)的N点反离散傅立叶变换（IDFT）的结果。因此可以用IDFT运算完成OFDM复等效基带信号的子载波调制过程，用离散傅立叶变换（DFT）完成其解调过程)2exp()()2exp()()(010tfjtXtfjndtsNnnm10)2exp()()(NnStNTnjndtX)1(0)2exp()()()(10NknkNjndkTXkXNns16二、OFDM4、OFDM的FFT实现一个实际的FFT算法的OFDM实现框图信息序列串并变换IFFT并串变换插入保护间隔组帧正交数字信号QAM调制信道估计序列(a)发射机工作原理同步序列并串变换FFT串并变换移去保护间隔解帧正交数字信号QAM解调信道估计捕获与同步(b)接收机工作原理信息序列InstituteofCommunicationsEngineering§5.7频带信号的传输特性18一、引言信号的传输特性包括传输的有效性和可靠性。有效性由功率谱特性决定，可靠性由误比特率特性决定。频带信号的功率谱特性不仅与调制方式有关，还与调制前的滤波器特性有关。19二、功率谱特性1、QPSK、OQPSK、/4-DQPSK信号功率谱计算式BPSK/DBPSK信号QPSK/DQPSK/OQPSK信号当比特速率相同时，四相调制信号功率谱的主瓣宽度是二相调制信号功率谱的主瓣宽度的一半。即四相调制信号的传输效率是二相调制信的两倍。22)(2)(2sin)()(sin)(bcbcQscscQQPSKTffTffCTffTffCfS22)()(sin)()(sin)(bcbcBscscBBPSKTffTffCTffTffCfS20二、功率谱特性2、MSK、QAM信号功率谱计算式MSK信号MQAM信号，令，则2222)(161)(2cos)(bcbcMMSKTffTffCfSMN2log22)()(sin)()(sin)(bcbcMQAMscscMQAMMQAMTffNTffNCTffTffCfS21二、功率谱特性fS(f)-40-30-20-10fcfc+3/4Tbfc-3/4Tbfc+1/2Tbfc-1/2Tbfc+1/Tbfc-1/2TbBPSK/DBPSK信号QPSK/DQPSK/OQPSK信号MSK信号3、非带限的PSK/DBPSK,QPSK/DQPSK,OQPSK,MSK信号功率谱密度图22二、功率谱特性4、MSK信号的功率谱与QPSK信号功率谱的比较MSK信号的功率谱较QPSK宽，但其旁瓣以1/f4速率迅速下降，而QPSK的旁瓣则以1/f2的速率下降。对于-50dB带宽和包含99%功率的带宽，MSK分别是8.18/Tb和1.17/Tb，而QPSK则分别是100/Tb和10.3/Tb，23二、功率谱特性5、GMSK信号功率谱24二、功率谱特性6、SQAM信号功率谱归一化功率谱密度(dB)A值减小时，SQAM功率谱的带外辐射减小。25二、功率谱特性7、OFDM信号功率谱OFDM信号的功率谱特性与已调信号的功率谱特性有关，还与复用的子信道数目N有关。BPSK调制时N=16的OFDM信号频谱图26二、功率谱特性7、OFDM信号功率谱（续）BPSK调制时N=4和32的OFDM信号频谱图27二、功率谱特性8、OFDM信号频带效率不仅与基带信号调制方式有关，还与子信道数目N有关N路复用、已调信号的符号间隔为Ts的OFDM信号频带利用率（M进制）当N很大时单载波的M进制调制，频带利用率为可见，OFDM的频带效率是比较高的HzsbMNNBTMNOFDMsOFDM/log11log22HzsbMOFDM/log2HzsbMOFDM/log21228三、抗噪声性能数字调制信号的抗噪声性能用误比特率Pb或误码率Pe（即误符号率）衡量。注意：对于某一种调制方式，当Ts=Tb时，误比特率与误码率相等，否则，可能不相等。即使是同一种调制方式，相干解调与非相干解调的误码率特性也不同。29三、抗噪声性能1、BPSK、QPSK、OQPSK、MSK的错误概率BPSK,QPSK,OQPSK,MSK采用相干解调时的误比特率相同，计算公式为021nEerfcPbb10-210-510-610-710-810-910-310-441012141668Eb/N0Pb30三、抗噪声性能2、/4-DQPSK的错误概率差分相位解调的性能劣于相干相位解调π/4-DQPSK的三种非相干检测方式是等价的，具有相同的误比特率计算公式π/4-DQPSK误比特率性能瑞利衰落时的误比特率性能31三、抗噪声性能3、GMSK的错误概率GMSK信号可以采用相干解调，也可以采用差分解调。相干解调用于非移动环境中，相应的误比特率称为静态误比特率；而非相干解调则用于移动环境中，相应的误比特率称为动态误比特率。随着BbTb减小，GMSK静态误比特率增加BbTb=0.2BbTb=0.25BbTb=理论的对称传输GMSK的静态误比特率Eb/N0(dB)误比特率检测前带通滤波器BiTb=0.6332三、抗噪声性能3、GMSK的错误概率在BbTb一定条件下，随着多谱勒频移的增加，GMSK信号的误比特率增加。在有多谱勒频移的情况下，GMSK信号的误比特率有界。平均Eb/N0(dB)误比特率无衰落瑞利衰落（估计）GMSK的动态误比特率33三、抗噪声性能4、QAM的错误概率MQAM与MPSK的比较MQAM误码率曲线M的改善量81.65164.20327.02649.950nEbMQAM相对于MPSK的的改善量0nEb34三、抗噪声性能5、MQAM信号的频带效率和功率效率MQAM信号的频带效率和功率效率(取=1)M4166425610244096QAM123456Eb/n0(PM=10e-6)dB10.515.018.524.028.033.535三、抗噪声性能7、OFDM的错误概率载波偏移和多普勒扩展导致OFDM各子信道之间的正交性被破坏，出现信道间干扰，误码率增加OFDM包络不恒定，即信道非线性将引起误码率的增加载波偏移对128-OFDM系统信噪比的影响（多普勒频移为0）子信道带宽的载波偏移36三、抗噪声性能7、OFDM的错误概率OFDM系统BER分析多普勒频移和载波偏移对128-OFDM系统的共同影响37四、滤波和限幅对传输性能的影响对信号进行带限滤波导致已调信号的包络波动，而后再经过信道非线性饱和区的限幅，进一步加剧了信号的畸变，结果使传输性能下降。主要表现在：导致被滤除的信号功率谱再生；导致抗噪声性能下降。性能恶化的程度与带限的已调信号的包络起伏程度以及滤波的程度有关包络起伏程度大，则性能恶化越明显；滤除的信号多，则恶化明显。38实测的带限QPSK及带限并硬限幅QPSK的频谱垂直：10dB/格水平：20kHz/格四、滤波和限幅对传输性能的影响39四、滤波和限幅对传输性能的影响抗信道的非线性性能滤波和限幅导致功率谱再生0-60-50-40-30-20-101/2Ts1/Ts3/2Ts2/Ts5/2Ts3/Ts0QPSKMSKOQPSKIJF-QPSKf-fc40四、滤波和限幅对传输性能的影响抗噪声性能下降OQPSK滤波和限幅对调制信号抗噪声性能的影响。（其中B是滤波器的双边3dB带宽，Tb是比特宽度）归一化带宽BTb411、正交调制器的一般结构QPSK、OQPSK、MSK、GMSK调制信号可以表示为：ttAttAttAtscccsin)](sin[cos)](cos[))(cos()(五、讨论(a)正交调制器的一般结构成形滤波器cosctS(t)90成形滤波器串／并U(t)BPF加权滤波器加权滤波器ikqkI(t)Q(t)bsTT2)](sin[)()](cos[)