第4章-调制技术...ppt
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1、第五章 调制技术主讲人:刘劲联系方式:主要内容 5.1 数字调制技术介绍 5.2 信号成形 5.3 蜂窝无线系统中的调制 5.4 正交频分复用概述问题一:为什么要采用调制技术?问题二:根据上学期通信原理中已经学过的知识,分析何种调制方式更适合移动信道?调制调制在通信系统中占有十分重要的地位,只有经过在通信系统中占有十分重要的地位,只有经过调制才能将基带信号转换成适合于信道传输的已调信号,调制才能将基带信号转换成适合于信道传输的已调信号,而且它对系统的而且它对系统的传输有效性传输有效性和和可靠性可靠性都有很大的影响。都有很大的影响。基带信号带通信号调制调制信号已调信号载波幅度相位频率概述 在无线
2、移动信道中,当衰落和多径条件很恶劣时,在无线移动信道中,当衰落和多径条件很恶劣时,设计一个能抵抗移动信道损耗的调制方案,是一项具设计一个能抵抗移动信道损耗的调制方案,是一项具有挑战性的工作,研究的有挑战性的工作,研究的最终目的最终目的就是在无线信道中就是在无线信道中以以尽可能好的质量尽可能好的质量同时同时占用最少的带宽占用最少的带宽来传输信号。来传输信号。概述概述第一代蜂窝系统第一代蜂窝系统 AMPSAMPS:模拟模拟FMFM第二代蜂窝系统第二代蜂窝系统 D-AMPSD-AMPS:824-849MHz824-849MHz(上行)(上行)869-894MHz869-894MHz(下行)(下行)/
3、4/4正交相移正交相移键键控控(/4QPSK/4QPSK)IS-95(CDMA)IS-95(CDMA):QPSKQPSK(上行上行),OQPSKOQPSK(下行下行)GSM GSM:890-915MHz(890-915MHz(上行上行)935-960MHz(935-960MHz(下行下行)高斯最小移频键控高斯最小移频键控(0.3 GMSK)(0.3 GMSK)一、数字调制的性能指标 功率有效性功率有效性 P P (Power EfficiencyPower Efficiency):反映调制技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,术在低功率电平情况下保证系统误码性能的能力,可表述
4、成每比特的信号能量与噪声功率谱密度之可表述成每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比:比:带宽有效性带宽有效性 B B (Spectral Efficiency)(Spectral Efficiency):反映调制技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:在给定带宽条件下每赫兹的数据通过率:5.1 数字调制技术介绍 由由香农香农(Shannon)(Shannon)定理定理:因此,最大可能的因此,最大可能的 BMAXBMAX为为 对于对于GSMGSM,B B=200kHz=200kHz,SNRSNR=10dB=
5、10dB,则有:,则有:对于对于GSMGSM目前实际数据速率为目前实际数据速率为270.833kb/s270.833kb/s,只达到,只达到信道容量的信道容量的40%40%。一、数字调制的性能指标 数字调制的目的在于使传输的数字信号与信道特性数字调制的目的在于使传输的数字信号与信道特性相匹配,必须具有优良的频谱特性和抗干扰、抗衰相匹配,必须具有优良的频谱特性和抗干扰、抗衰落性能;落性能;移动通信要求采用移动通信要求采用恒定包络恒定包络数字调制技术数字调制技术;应尽量避免应尽量避免幅幅-相转换相转换(AM/PM)(AM/PM)效应效应;要求调制方式具有最小的功率谱占用率。要求调制方式具有最小的功
6、率谱占用率。二、蜂窝系统对数字调制技术的要求 三、几种基本的数字调制方式 调制信号为二进制数字信号时的调制方式统称为调制信号为二进制数字信号时的调制方式统称为二进制数字调制。在这类调制中,载波的某个参数二进制数字调制。在这类调制中,载波的某个参数(如幅度、频率或相位)只有两种变化的状态。由于(如幅度、频率或相位)只有两种变化的状态。由于两种状态的切换与通断键控相当,所以二进制调制分两种状态的切换与通断键控相当,所以二进制调制分为为幅度键控幅度键控、频移键控频移键控和和相移键控相移键控三种。三种。1.二进制幅度键控BASK 又称为开关键控又称为开关键控OOKOOK,已调信号的幅度有两种状态,已调
7、信号的幅度有两种状态变化。变化。数学表达式:数学表达式:已调信号波形:已调信号波形:BASKBASK的的功率谱密度功率谱密度:BASKBASK的的带宽带宽:2B2Bf/fcPA(f)(a)功率谱密度功率谱密度PA(f)的曲线的曲线(b)功率谱密度功率谱密度Ps(f)的曲线的曲线1.二进制幅度键控BASK 1.二进制幅度键控BASK 特点:信号突然消失和再次信号突然消失和再次出现需要无限的带宽出现需要无限的带宽已调信号的已调信号的幅度有变化幅度有变化信号成形 已调信号的频率有两种状态变化。已调信号的频率有两种状态变化。数学表达式:数学表达式:已调信号波形:已调信号波形:“1”“1”“0”T2.二
8、进制频率键控BFSK恒包络变换 2FSK的功率谱:2FSK的带宽:f1fsff0fs=(f0+f1)/2fcf1+fcf0-fc2.二进制频率键控BFSK 已调信号的相位有两种状态变化。已调信号的相位有两种状态变化。数学表达式:数学表达式:已调信号波形:已调信号波形:3.二进制相移键控BPSKT“1”“1”“0”TT恒包络变换 BPSK BPSK在接收端必须使用在接收端必须使用相干参考信号相干参考信号,才能确定,才能确定BPSKBPSK信号的相位变化,所以信号的相位变化,所以BPSKBPSK信号只有与作为信号只有与作为基准的相干参考信号比较相位才有意义。基准的相干参考信号比较相位才有意义。产生
9、产生相位模糊相位模糊 3.二进制相移键控BPSK BPSK BPSK的的功率谱密度:功率谱密度:BPSKBPSK的带宽:的带宽:2B2B3.二进制相移键控BPSK4.性能比较-6 -3 0 3 6 9 12 15 18-6 -3 0 3 6 9 12 15 18信噪比信噪比r r(dB)(dB)1 11010-1-11010-2-21010-3-31010-4-41010-5-51010-6-61010-7-7Pe2PSK2ASK2ASK2FSK2FSK2DPSK2DPSK 误码率曲线误码率曲线 5.2 信号成形一、概述 1.1.信号成形的信号成形的目的目的 如:如:2ASK2ASK:幅度的突
10、变:幅度的突变无限带宽无限带宽 2PSK 2PSK:相位的突变:相位的突变无限带宽无限带宽 实际中不可能出现陡峭的突变,但是相位的变实际中不可能出现陡峭的突变,但是相位的变化一定会导致不需要的信号传输带宽的增加和相应化一定会导致不需要的信号传输带宽的增加和相应的由于有限的传输带宽而导致的传输信号幅度的变的由于有限的传输带宽而导致的传输信号幅度的变化。化。必须采取一定的措施保证已调信号的带宽在系必须采取一定的措施保证已调信号的带宽在系统指定的带宽内。统指定的带宽内。一、概述h(t)t2.2.基本形式基本形式码元的时间中点特点:在从1到0的转换期间保持平滑;中心有最大值,两边平缓下降;成形可以在基
11、带实行,也可以直接在载频上实行,结果是一样的。一、概述2.2.基本形式基本形式h(t)t码元的时间中点1101t 脉冲的宽度和它的带宽彼此互为反相关关系。h(t)的宽度减小,则基带信号序列的带宽增加;h(t)的宽度增加,则基带信号序列的带宽减小;一、概述2.2.基本形式基本形式h(t)t码元的时间中点1101t符号间干扰 脉冲的宽度和它的带宽彼此互为反相关关系。h(t)的宽度减小,则基带信号序列的带宽增加;h(t)的宽度增加,则基带信号序列的带宽减小;符号间干扰与带宽之间要权衡折中。100.51.1.正弦滚降成形的特例正弦滚降成形的特例升余弦成形升余弦成形 二、正弦滚降成形 1.1.正弦滚降成
12、形的特例正弦滚降成形的特例升余弦成形升余弦成形 二、正弦滚降成形0T-T2T-2Th(t)t 带宽:B=c/传输速率:Rb=1/T =c/速率带宽比:Rb/B=1(bit/s/Hz)2.2.正弦滚降成形的一般形式正弦滚降成形的一般形式 对于对于 令令 则上式变为则上式变为 稍加修改:稍加修改:二、正弦滚降成形2.正弦滚降成形的一般形式10.5速率带宽比:R/B=2/(1+r)1(bit/s/Hz)衰落速度有所变化 滚降因子r=fx/fc 1 带宽B=fc+fx =(R/2)(1+fx/fc)=(R/2)(1+r)2.正弦滚降成形的一般形式1速率带宽比:R/B=2/(1+r)1(bit/s/Hz
13、)衰落速度有所变化 滚降因子r=fx/fc 1 基带带宽B=fc+fx =(R/2)(1+fx/fc)=(R/2)(1+r)2.2.正弦滚降成形的一般形式正弦滚降成形的一般形式 对于OOK或PSK传输的无线带宽,有 2B=R(1+r)令传输带宽为BT,则有 BT=R(1+r)3.正弦滚降成形在移动通信中的应用1 D-AMPS D-AMPS:r r=0.35=0.35的正弦滚降成形的正弦滚降成形 带宽带宽30kHz30kHz,若使用,若使用PSKPSK的调制方式,则最大的二进制的调制方式,则最大的二进制传输率是传输率是R=30000/1.35=22.2kbpsR=30000/1.35=22.2k
14、bps。日本日本PDCPDC系统:系统:r r=0.5=0.5的正弦滚降成形的正弦滚降成形 带宽带宽25kHz25kHz,若使用,若使用PSKPSK的调制方式,则最大的二进制传的调制方式,则最大的二进制传输率是输率是R=16.7kbpsR=16.7kbps。5.3 蜂窝无线系统中的调制 一、QPSK四相相移键控 四进制四进制PSKPSK,正交相移键控正交相移键控,是,是MPSKMPSK调制中最常用的一种调调制中最常用的一种调制方式。制方式。QPSKQPSK中,载波的相位为中,载波的相位为4 4个间隔相等的值,如,个间隔相等的值,如,0 0、/2/2、和和3 3/2/2,每个相位值都与唯一的信息
15、比特组相对应,因此也称每个相位值都与唯一的信息比特组相对应,因此也称为四相相移键控。为四相相移键控。由于一个调制码元中传输两个比特,由于一个调制码元中传输两个比特,QPSKQPSK比比BPSKBPSK的带宽效率高两倍。的带宽效率高两倍。一、QPSK正交相移键控 1.1.1.1.多进制相移键控多进制相移键控多进制相移键控多进制相移键控(MMPSKPSK)基本原理:基本原理:基本原理:基本原理:MMPSKPSK信号码元可以表示为信号码元可以表示为信号码元可以表示为信号码元可以表示为 式中,式中,式中,式中,k k受调制的相位,其值决定于基带码元的取值;受调制的相位,其值决定于基带码元的取值;受调制
16、的相位,其值决定于基带码元的取值;受调制的相位,其值决定于基带码元的取值;A A 信号振幅,为常数;信号振幅,为常数;信号振幅,为常数;信号振幅,为常数;k k=1,2,=1,2,MM。令令令令A A=1=1,然后将其展开写成,然后将其展开写成,然后将其展开写成,然后将其展开写成 式中,式中,式中,式中,由上式看出,由上式看出,由上式看出,由上式看出,MM-PSK-PSK信号码元可以看作是两个正交的信号码元可以看作是两个正交的信号码元可以看作是两个正交的信号码元可以看作是两个正交的MMASKASK信号码元之和。因此,其带宽和后者的带宽相同。信号码元之和。因此,其带宽和后者的带宽相同。信号码元之
17、和。因此,其带宽和后者的带宽相同。信号码元之和。因此,其带宽和后者的带宽相同。一、QPSK正交相移键控 2.QPSK 2.QPSK的生成的生成 同时传输两个相同频率的载波,一个载波与另一个同时传输两个相同频率的载波,一个载波与另一个正交:正交:和和 令二者的可能幅度为令二者的可能幅度为 若两个载波经成形函数若两个载波经成形函数h h(t t)成形,则成形,则 根据根据a ai i和和b bi i的不同,可以得到的不同,可以得到4 4个可能的信号。个可能的信号。2.QPSK的生成cos(0t+/2)=-sin 0t载波产生载波产生/2/2移相移相存储存储2 2个个bitbitcos 0tA(t)
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