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1、 课 件 新型数字调制 通信原理（第7版）第8章樊昌信 曹丽娜 编著正交振幅调制 （QAM）最小移频键控（MSK）高斯最小移频键控（GMSK）正交频分复用（OFDM） 本章内容: 第7章 数字调制 第8章 新型数字调制 正交振幅调制 （QAM）8.1 （Quadrature Amplitude Modulation，QAM）一种振幅振幅和相位相位联合键控的数字调制技术 所有信号点所有信号点（）平均分布在同平均分布在同一个圆周上。圆周半径等于信号幅度。一个圆周上。圆周半径等于信号幅度。l 观察观察MPSK的星座图：的星座图：l 在信号幅度相同（即功率相等）条件下：在信号幅度相同（即功率相等）条件
2、下： 进制数进制数 M 增加增加，星座图上相邻信号点的，星座图上相邻信号点的距离距离越小越小 这这意味着在相同噪声条件下，系统的意味着在相同噪声条件下，系统的误码率误码率增大增大n 需求背景需求背景问题引出 如何增大距离，以减小误码率呢 ？Q&A针对问题解决途径 M 增加，距离越来越小 增大相邻信号点间的距离增大圆周半径半径（信号功率功率 ）来增大相邻信号点的距离距离，l 容易想到的一种办法：-往往会受发射功率的限制。解决途径在不增大圆半径基础上（即不增加信号功率）， 重新安排信号点的位置，以增大相邻信号点的距离。正交振幅调制 QAM : 一种把 ASK 和 PSK 结合起来的调制方式。 l
3、一种更好的设计思想：l 这种思想的可行性方案：振幅 和 相位 联合键控的调制方式。(星座结构)设计思想 QAM是一种是一种振幅振幅和和相位相位联合键控的调制方式，其频联合键控的调制方式，其频谱利用率高，抗噪声性能优于谱利用率高，抗噪声性能优于MPSK，在中大容量数字在中大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信等领域获得广泛应用。信等领域获得广泛应用。M1M20.473AdA2MM2sin0.3916dAA 16QAM信号 16PSK信号最大振幅同为AM最小距离此此最小距离最小距离代表代表噪声容限噪声容限的大小。的大小。n 举例举例
4、 对比对比最小距离 噪声容限噪声容限越越大大，抗噪声性能就越，抗噪声性能就越强强。21dd l d2超过超过d1约约1.57 dB（最大功率（最大功率(振幅振幅)相等条件下）相等条件下）l d2超过超过d1约约4.12 dB（平均功率相等条件下）（平均功率相等条件下） 16QAM是最具有代表性的是最具有代表性的MQAM信号，此外：信号，此外： 表明表明：16QAM 比16PSK 的的噪声容限噪声容限大，大，抗噪能力抗噪能力强强。 比较：比较：M=4时，时，QPSK信号就是一种最简单的信号就是一种最简单的QAM信号信号 64QAM信号矢量图信号矢量图256QAM信号矢量图信号矢量图 注：注： Q
5、AM星座图除星座图除方型方型结构外，还有结构外，还有星型星型或其他结构或其他结构M=64、256时，时，QAM信号的星座图：信号的星座图： 若信号功率相同，选择信号点间若信号功率相同，选择信号点间距离最大距离最大的结构，的结构， 若最小距离相同，选择平均若最小距离相同，选择平均功率最小功率最小的星座结构。的星座结构。 振幅环个数：应振幅环个数：应少少，有利于实现自动增益控制；，有利于实现自动增益控制； 相位的个数：应相位的个数：应少少，有利于实现载波相位跟踪。，有利于实现载波相位跟踪。n 星座结构不仅影响到已调信号的功率谱特性，不仅影响到已调信号的功率谱特性， 而且影响已调信号的解调及其性能。
6、而且影响已调信号的解调及其性能。n 设计准则星座结构影响系统性能！2种振幅值种振幅值8种相位值种相位值3种振幅值种振幅值12种相位种相位方型方型16QAM 星型星型16QAMl在多径衰落信道中，信号振幅和相位取值越多，受到的在多径衰落信道中，信号振幅和相位取值越多，受到的影响越大，因而影响越大，因而星型星型 比比方型方型更具有吸引力。更具有吸引力。l但但方型方型星座的星座的QAM信号的产生与接收更易实现。信号的产生与接收更易实现。 在 QAM 中，载波 的振幅和相位同时受基带信号控制，因此， 它的一个码元可表示为：展开为： MQAM信号可由两路载波正交的信号可由两路载波正交的 ASK信号叠加而
7、成信号叠加而成式中： Xk = Akcosk，Yk = -Aksink Ak、k、 Xk和Yk分别可以取多个离散值n 16QAM信号的产生信号的产生表明：M( )cos()kkcke tAt(1)BBkTtkT ( )cossinkkckce tXtYtAMu正交调幅法： 用两路正交的用两路正交的4ASK信号叠加，即可形成信号叠加，即可形成 16QAM信号。信号。 方形方形 MQAM 利用两个利用两个同频正交同频正交载波载波 在在同一带宽内同一带宽内 实现了实现了 两路并行两路并行的的 L ASK信号的传输。信号的传输。 LM X (t) 和和Y (t)分别与相互正交的两路载波相乘（调制），形
8、成两路分别与相互正交的两路载波相乘（调制），形成两路互为互为正交正交的的4ASK信号，最后将两路信号信号，最后将两路信号相加相加即可得到即可得到16QAM信号。信号。 输入的二进制序列（每输入的二进制序列（每4个个“abcd”比特为一组）经过比特为一组）经过串串/并并变换器变换器输出输出速率减半速率减半的两路的两路并行并行序列（上支路序列（上支路ac和下支路和下支路bd）；然后分别经）；然后分别经过过2- 4电平变换，形成电平变换，形成4电平电平基带信号基带信号X (t) 和和Y (t)。u复合相移法： 用两路独立的用两路独立的QPSK信号叠加，即可形成信号叠加，即可形成 16QAM信号。信号
9、。AMAM 大大圆上的圆上的4个个红红点点表示表示第一个第一个QPSK信号矢量的信号矢量的位置。位置。 在这在这4个位置上可以叠个位置上可以叠加上第二个加上第二个QPSK矢量，矢量，后者的位置用虚线后者的位置用虚线小小圆圆上的上的4个小黑点表示。个小黑点表示。 由于由于16QAM信号的信号的16个信号点在水平轴和垂直轴上个信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数均有投影的电平数均有4个（个（+3、+1、-1、-3），对应低通滤），对应低通滤波器输出的波器输出的4电平基带信号，因而电平基带信号，因而4电平判决器应有电平判决器应有3个判个判决电平：决电平：+2、0、-2。 n 16QAM信号的解调信号
10、的解调正交相干解调正交相干解调 4 电平判决器对电平判决器对 4 电平基带信号进行判决和检测，再电平基带信号进行判决和检测，再经经 4-2 电平转换和电平转换和 并并/串串 变换器最终输出二进制数据。变换器最终输出二进制数据。以上两式适用于其他线性数字调制信号。以上两式适用于其他线性数字调制信号。MQAM222logbBRBRM MQAM22112loglog(bps/Hz)22bRLMB MQAM利用两个利用两个同频正交同频正交载波在载波在同一带宽同一带宽内实现了内实现了两两路并行路并行的的LASK信号的传输，信号的传输， MQAM的的频带利用率频带利用率:n MQAM信号的信号的谱零点带宽
11、谱零点带宽2(1)(1)logbBRBRM频带利用率： 2blog(1)M（bps/Hz） 以上两式也适用于其他线性数字调制信号。以上两式也适用于其他线性数字调制信号。 l在实际中，往往需要对2-L电平转换后的L电平基带信号 进行脉冲成形滤波，以抑制已调信号的带外辐射。l脉冲成形滤波器通常是滚降系数为的升余弦滤波器。这时，MQAM信号的带宽:最小频移键控（MSK）8.2 2FSK的改进型n 问题引出问题引出：l键控键控2FSK缺点：相位不连续、占用频带宽和功率谱缺点：相位不连续、占用频带宽和功率谱旁瓣衰减慢等。旁瓣衰减慢等。l OQPSK和和/4-QPSK虽然不会像虽然不会像QPSK那样发生那
12、样发生180相位突变，但未根本解决相位突变，但未根本解决包络起伏包络起伏问题。问题。 相位不连续引起相位不连续引起l MPSK（ 如QPSK）缺点：载波相位突变（）缺点：载波相位突变（ 180 ） 旁瓣大（频谱扩展）旁瓣大（频谱扩展）干扰邻道干扰邻道 ；包络起伏包络起伏大大 。n 究其原因究其原因：需求背景23n 解决途径解决途径：改善已调波的相位路径改善已调波的相位路径 已调波的频谱特性与相位路径密切相关！（恒包络调制技术 的发展思路 ）采用相位连续变化的调制方式采用相位连续变化的调制方式CPMMSK就是一种就是一种包络恒定包络恒定、相位连续相位连续、频差频差最小，最小，并且严格正交正交的2
13、FSK（CPFSK）信号。正交正交两个频率的信号不相关，即两个频率的信号不相关，即10cos2cos2f ttf和的互相关系数的互相关系数 0 0 因此，因此，MSK 称为最小频移键控，称为最小频移键控， 又称快速频移键控（FFSK，Fast FSK）。频差最小意味占用带宽最小、 调制指数最小：h=0.5 它相比它相比OQPSK 和和QPSK ，功率谱更为集中，即，功率谱更为集中，即 旁旁瓣衰减更快，对邻道干扰小，适用于移动通信适用于移动通信。25”时发送“”时发送“010011)cos()cos()(tAtAteB)cos()cos(Tdttt000110B)cos()cos(Tdttt00
14、10101010218.2.1 正交2FSK信号的最小频率间隔 设设 2FSK信号码元的表示式为信号码元的表示式为 欲满足欲满足正交正交条件，则要求互相关系数条件，则要求互相关系数即要求即要求001010101010101010101)()sin()()sin()sin()sin(BBTT上式积分结果为上式积分结果为若设若设 1+ 0 1，则上式左端第，则上式左端第1和和3项项0，故有，故有0101010101)cos(sin()sin()cos(BBTT由于由于 1和和 0是任意常数，故必须同时有是任意常数，故必须同时有001BT)sin(101BT)cos(上式才等于零上式才等于零mTB2
15、01)(BTmff/01应当令应当令即要求即要求当取当取m = 1时，满足时，满足正交正交条件的条件的最小频率间隔：最小频率间隔：BTff/min101 上面讨论中，假设上面讨论中，假设初始相位初始相位1 1和和0 0是任意的，它是任意的，它在接收端无法预知，因此只能采用在接收端无法预知，因此只能采用非非相干相干接收方法。接收方法。 注意注意：对于对于相干接收相干接收，则要求初始相位是确定的，在接收端，则要求初始相位是确定的，在接收端是预知的，这时可令是预知的，这时可令1 - 0 = 0。 于是，下式于是，下式001BT)sin(BTnff201/可化简为可化简为0101010101)cos(
16、sin()sin()cos(BBTT即仅要求即仅要求相干接收相干接收时，保证时，保证正交正交的的2FSK信号的信号的最小频率间隔：最小频率间隔：BTff2101/min8.2.2 MSK信号的基本原理BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(121 MSK信号的频率间隔信号的频率间隔MSK信号第信号第k个码元表示：个码元表示：k- -保证在保证在t=kTB时刻信号相位连续而加入的时刻信号相位连续而加入的相位常数。相位常数。 频偏；-BkTa2这里这里TB=Tbc -载频；载频； TB - -码元宽度；码元宽度；ak = 1（对应输入码元（对应输入码元“1”和和 “0”）；）；BBk
17、BkckTktkTtTatte)()cos()(12当输入码元“1”时 (ak = +1) ，码元频率 f1= fc + 1/(4TB)当输入码元“0”时 (ak = - 1) ，码元频率 f0= fc - 1/(4TB)BTfff2101/最小频差最小频差:调制指数调制指数:0.51/BfhT121201kkkkkatfatfte当当),cos(),cos()()/()/(BBTffTffcc4141012 MSK码元中波形的周期数码元中波形的周期数可改写为可改写为式中式中BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(12B)cos()cos(Tkkdttftf001022MSK信号
18、应满足信号应满足正交正交条件：条件：N 正整数正整数由此推出由此推出 表明表明：MSK信号在每个码元周期内必须包含信号在每个码元周期内必须包含四分之一四分之一 载波周期的整数倍。载波周期的整数倍。B1, 2, 3, .4cnfnTB1()1, 2, 3, .44cBnmfNmTTB4cnTT 还可写成还可写成 或或1BB0BB1114411144ccmffNTTmffNTT并有并有 014141TmNTmNTBT1 = 1 / f1T0 = 1 / f0含义：一个码元时间含义：一个码元时间TB内包含的正弦波周期数。内包含的正弦波周期数。两种码元包含的正弦波数均相差两种码元包含的正弦波数均相差1
19、/2个周期。个周期。 当当 N =1，m = 3 时时 “1”的一个码元内有的一个码元内有 2 个正弦波周期。个正弦波周期。 “0”的一个码元内有的一个码元内有1.5个正弦波周期。个正弦波周期。014141TmNTmNTB例如3 MSK信号的信号的相位连续性相位连续性 前前一码元一码元末尾末尾的相位的相位 = 后后一码元一码元起始起始的相位的相位n 相位连续条件相位连续条件: :即在码元转换时刻即在码元转换时刻 t=kTB，满足：，满足：111112kkkkkkkkkaakaaaak,)(1 -k相位约束条件相位约束条件。据此确定初相。据此确定初相 k，使相位连续。，使相位连续。)(mod,2
20、0 或kl 若设若设k-1的初始参考值等于的初始参考值等于0，则，则( )cos(2)kkkcBe ttatT-11BB22kkkkaaTT=B BB Bk kT Tk kT TB BB Bk kT T t t ( (k k + +1 1) )T Tn MSK信号的相位信号的相位路径路径: :l第第k个码元的附加相位：个码元的附加相位： BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(12 斜率斜率 截距截距 直线方程直线方程B(1)( )2kkBBkatkTkTTtt 若若ak =+1，则，则k(t) 线性线性增增加加 /2l 任一任一TB内内下图若若ak = -1，则，则 k(t)
21、线性线性减减小小 /237l 附加相位附加相位k(t)的路径示例：的路径示例：-1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 +10 0 1 0 1 1 0 1 在码元转换时刻，在码元转换时刻，MSK信号的附加相位信号的附加相位是是连续连续的！的！可见：可见：38TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)l 附加相位附加相位k(t)的全部可能路径：的全部可能路径：上例上例 0 0 1 0 1 1 0 139TB3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)l 模模2 运算后的附加相位路径：运算后的附加相位路径： 设发送数据序列为设发送数据序列为 0010110101，采用，采用MSK方式传输，方式传
22、输，码元速率为码元速率为 1200Baud，载波频率为，载波频率为2400Hz。 （1）试求）试求“0”符号和符号和“1”符号对应的频率；符号对应的频率； （2）画出）画出 MSK信号时间波形；信号时间波形； （3）画出）画出 MSK信号附加相位路径图（初始相位为信号附加相位路径图（初始相位为0）。）。（1）设）设“0”对应对应 f0 ，“1” 对应对应 f1，则有，则有解解例例0cs112002 4002100Hz44ffT1cs112002 4002700Hz44ffT4TB4TB（2）MSK信号时间波形如图所示：信号时间波形如图所示：TBTB正弦波）正弦波）（3）MSK信号附加相位路径图
23、：信号附加相位路径图：可见：在码元转换时刻，可见：在码元转换时刻，MSK信号的相位信号的相位是是连续连续的。的。4 MSK信号的信号的正交表示法正交表示法）（BBkBkckTktkTtTatte)()cos()(12进行展开，表示成频率为进行展开，表示成频率为fc的两个正交分量：的两个正交分量： 将将MSK信号信号( )cos()cossin()sin22kkkkckcBBaae tttttTTcoscossinsincos22sincoscossinsin22kkkkcBBkkkkcBBatattTTatattTT( )cos()cossin()sin22cocosskccBkBkktte
24、tttTxTa)(mod,20 或k10kkcos,sin1kaBkBkBBkTtatTaTttTa2222sinsin,coscos及以及以及cos()cossin()sin22cBBkcktttTqTptcos1kkp cos1kkkkkapaq 正交分量(Q)同相分量( I )则则由式由式可知可知( )cos()cossin()sin22kccBkBktte tttTTpqcos1kkp cos1kkkkkapaq l 仅当仅当 ak ak-1，且，且k为奇数为奇数 时，时，pk才改变：才改变：pk = - pk-1l 仅当仅当 ak ak-1，且，且k为偶数为偶数 时，时，qk才改变：
25、才改变：qk = -qk-1111112kkkkkkkkkaakaaaak,)(1 -kl pk和和qk不可能同时改变不可能同时改变l pk和和ak同时改变时，同时改变时， qk =ak pk不改变不改变46l 同相同相支路支路( (I ) )数据和正交支路（数据和正交支路（Q）数据每隔）数据每隔2TB秒秒 才才有可能改变符号，有可能改变符号， 且且I 支路与支路与Q支路的码元在时间上错开支路的码元在时间上错开TB。l pk在在cos( t/2Ts)的过零点处才可能改变；的过零点处才可能改变；l qk在在sin ( t/2TB)的过零点处才可能改变；的过零点处才可能改变；l 因此，加权函数因此
26、，加权函数cos( t/2TB)和和sin ( t/2TB)都是正负符都是正负符号不同的半个正弦波周期。这样就保证了波形的连续性号不同的半个正弦波周期。这样就保证了波形的连续性。 设设k = 0时为初始状态，输入序列时为初始状态，输入序列 ak： +1， -1，+1，-1， -1， +1， +1， -1，+1 k01 23456789t(0, TB)(TB, 2TB)(2TB, 3TB)(3TB, 4TB)(4TB, 5TB)(5TB, 6TB)(6TB, 7TB)(7TB, 8TB)(8TB, 9TB)(9TB,10TB)ak+1+1-1+1-1-1+1+1-1 1bk+1+1-1-1+1-
27、1-1-1+1+1k0000pk+1+1+1-1-1-1-1-1-1+1qk+1+1-1-1+1+1-1-1+1+1由此例可见，由此例可见，pk和和qk不可能同时改变符号。不可能同时改变符号。n MSK信号举例信号举例u取值表取值表这里这里TB=Tb 可见：可见：MSK信号波信号波形相当于一种特殊形相当于一种特殊的的OQPSK信号波形，信号波形，其正交的两路码元其正交的两路码元也是偏置的，特殊也是偏置的，特殊之处主要在于其包之处主要在于其包络是正弦形，而不络是正弦形，而不是矩形。是矩形。a0a1a2a3a4a5a6a7a8a9akTB0t+1-1 TB 2TB 3TB 4TB 5TB 6TB
28、7TB 8TB 9TB 10TBt(mod 2)0+1tqk-10+1-1pkt00MSK信号t0qksin(t/2TB)sinctt0pkcos(t/2TB)cosctt2 TB0qksin(t/2TB)t0pkcos(t/2TB)u波形图波形图8.2.3 MSK信号的产生与解调1 MSK信号的产生方法信号的产生方法( )cos()cossin()sin(1)22kccBBBBkktte tttkTtpqkTTT （）差分差分编码编码串串/并并变换变换振荡振荡f=1/4TB振荡振荡f=fc移相移相/2移相移相/2cos(t/2TB)qkpkqksin(t/2TB)sin(t/2TB)cosc
29、tsinctakbk带通带通滤波滤波MSK信号信号-pkcos(t/2TB)cosctqksin(t/2TB)sinctpkcos(t/2TB)2 MSK信号的解调方法信号的解调方法多种。多种。如同如同2FSK,可以采用相干或非相干解调；可以采用相干或非相干解调；鉴频器解调法，鉴频器解调法，相关接收法等。相关接收法等。n 延时判决相干解调法延时判决相干解调法 考察考察k = 1和和k = 2的两个码元。设的两个码元。设1(t) = 0，则，则在在t 2TB时，时，k(t)的相位可能为的相位可能为0或或，见，见图图 A。将这部分放大为将这部分放大为图图 B：u原理原理图图Bk(t)TB2TBTB
30、3TB5TB9TB7TB11TB0k(t)图图Al在解调时，若用在解调时，若用cos(ct + /2)作为相干载波与作为相干载波与MSK信号相乘，则得到信号相乘，则得到:)(costtkc)/cos(2tc)(cos)(cos2221221tttkck)(sin2)(cos0ttvkkl低通滤波，并去掉常数低通滤波，并去掉常数(1/2)后，得到输出电压：后，得到输出电压：l 按照输入码元按照输入码元ak的取值不同，的取值不同， v0的轨迹图如下：的轨迹图如下：v0(t)TB2TB若输入的两个码元若输入的两个码元:则则 k(t)在在(0 t 2TB)的值：的值：“+1, +1” 或或“+1, -
31、1”“-1，+1”或或“-1，-1”为为正正为为负负按照此法，在按照此法，在TB t 3TB期间积分，期间积分， 就能判断就能判断 第第 2 个个 接收码元的值，依此类推。接收码元的值，依此类推。若在若在(0 t 2TB)期间对期间对 积分，则积分，则)(sintvk0积分结果为积分结果为正值正值，说明第，说明第1个接收码元为个接收码元为“+1”积分结果为积分结果为负值负值，说明第，说明第1个接收码元为个接收码元为“-1”55 图中两个积分判决器的积分时间长度均为图中两个积分判决器的积分时间长度均为2TB，但是错开时间但是错开时间TB。上上支路的积分判决器先给出支路的积分判决器先给出第第2i个
32、个码元码元输出，然后输出，然后下下支路给出支路给出第第(2i+1)个个码元输出。码元输出。载波提取载波提取积分判决积分判决解调输出解调输出MSK信号信号(2i-1)TB， (2i+1)TB积分判决积分判决2iTB， 2 (i+1)TB此法利用前后两个码元的信息对于前一个码元作判决，故此法利用前后两个码元的信息对于前一个码元作判决，故可以提高数据接收的可靠性。可以提高数据接收的可靠性。u方框图方框图8.2.4 MSK信号的功率谱2222161232BccsTffTffTfP)()(cos)(BB注意注意: 图中横坐标是以载频为中心画的，即横坐标代表图中横坐标是以载频为中心画的，即横坐标代表(f
33、fc) 可见可见：与：与QPSK 和和OQPSK相比相比，MSK的的谱密度更为集中，即旁谱密度更为集中，即旁瓣下降得更快，故对相瓣下降得更快，故对相邻频道的干扰较小。邻频道的干扰较小。归一化归一化 单边功率谱密度单边功率谱密度Ps(f)：（平均功率 1 W时） l包含包含90信号功率的带宽近似值为：信号功率的带宽近似值为： 对于对于QPSK、OQPSK、MSK： B 1/TB Hz对于对于BPSK： B 2/TB Hzl包含包含99信号功率的带宽近似值为：信号功率的带宽近似值为：对于对于 MSK： B 1.2/TB Hz对于对于 QPSK及及OQPSK： B 6/TB Hz对于对于 BPSK：
34、 B 9/TB Hz 由此可见，由此可见，MSK信号的带外功率下降非常快。信号的带外功率下降非常快。计算表明计算表明8.2.5 MSK信号的误码性能l MSK信号是用极性相反的半个正（余）弦波形去调制两个正交的载波。l 因此，当用匹配滤波器分别接收每个正交分量时，MSK信号的误比特率性能和2PSK、QPSK及及OQPSK等的性能一样。l 但是，若把它当作FSK信号用相干解调法在每个码元持续时间TB内解调，则其性能将比2PSK信号的性能差3dB。 l信号的包络恒定；信号的包络恒定；l在码元转换时刻，信号的相位连续；在码元转换时刻，信号的相位连续；l信号的频偏等于信号的频偏等于1/4TB，调制指数
35、调制指数h=0.5；l在一个码元期间，附加相位线性变化在一个码元期间，附加相位线性变化/2；l 在每个码元周期内必须包含在每个码元周期内必须包含1/4 载波周期的整数倍；载波周期的整数倍；l 两种码元包含的正弦波数均相差两种码元包含的正弦波数均相差1/2个周期；个周期；l功率谱密度的主瓣较功率谱密度的主瓣较QPSK宽，但滚降速率较快。宽，但滚降速率较快。 MSK信号的主要特点；信号的主要特点；归纳归纳l移动通信移动通信系统系统要求要求：信号谱的：信号谱的旁瓣旁瓣相对于相对于主瓣峰值主瓣峰值应应低于低于60 70dB。l尽管尽管MSK信号具有较好的频谱特性和误码性能，信号具有较好的频谱特性和误码
36、性能， 但但仍不能满足此要求。仍不能满足此要求。l因此，需要对因此，需要对MSK的带外频谱特性进行改进，的带外频谱特性进行改进， 使其使其衰减速度加快。衰减速度加快。进一步改进GMSKGMSK的功率谱密度比MSK的更加集中，旁瓣进一步降低，能满足蜂窝移动通信环境下对带外辐射的严格要求。在MSK调制之前，用一个高斯型低通滤波器对矩形的输入基带信号进行预处理，这种体制称为GMSK。8.2.6 高斯最小频移键控(GMSK)（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）n 高斯型低通滤波器高斯型低通滤波器22( )exp()H ff2( )exph ttln
37、2 10.5887=2BBB滤波器的滤波器的3dB带宽带宽BTb归一化归一化3dB带宽带宽l 传递函数传递函数l 冲激响应冲激响应6262BTb越小，输出脉冲的宽度越大，越小，输出脉冲的宽度越大，ISI越严重。越严重。让一个高为让一个高为1，持续时间为，持续时间为(-Tb/2 +Tb/2)的的矩形方波矩形方波通过该滤波器，则其输出通过该滤波器，则其输出脉冲脉冲g(t)在在Tb/2变得圆滑。变得圆滑。l高斯滤波器的矩形脉冲响应高斯滤波器的矩形脉冲响应n GMSK信号的相位路径信号的相位路径可见：消除了可见：消除了MSK相位路径在相位路径在码元转换时刻码元转换时刻的相位转折点的相位转折点 没有没有
38、相位相位转折点，转折点，该时刻的该时刻的导数导数也是连续的，即信号也是连续的，即信号的的频率频率不会突变，这将使信号谱的旁瓣衰减更快。不会突变，这将使信号谱的旁瓣衰减更快。64n GMSK信号信号的的功率谱密度的的功率谱密度BTb越小，越小，功率谱的衰降越快功率谱的衰降越快BTb越小，越小，输出脉冲宽度越大，输出脉冲宽度越大，ISI越严重。越严重。 GMSK的的缺点缺点 GMSK的的优点优点在第二代 移动通信系统（GSM）中，采用BTb = 0.3的GMSK调制。65 正交频分复用（OFDM）8.3 一种多载波调制技术（Orthogonal Frequency Division Multipl
39、exing ） 具有较强的抗多径传播和抗频率选择性衰落的能力以及较 高的频谱利用率，在高速无线通信系统中得到了广泛应用。多载波调制 它是将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送，前面介绍的各种数字调制方式都属于单载波体制。 问题引出n单载波调制单载波调制8.3.1 概述存在问题存在问题单个载波上 它是将需要传输的数据流调制到单个单个载波上进行传送，前面介绍的各种数字调制方式都属于单载波体制。 问题引出n单载波调制单载波调制8.3.1 概述|C(f)|tffBTB 高速数据信号的码元持续时间TB 短，但占用带宽B大 信道特性|C(f)|不理想，将产生码间串扰 ISI。 存在问题存在问题|C(f
40、)|信道最大多径迟延差 TB max ，产生频率选择性衰落。 需复杂的均衡68NTBtfB/N 解决途径 信道信道 N个个子信道子信道，高速，高速 N 路路 低速低速子子数据流，数据流， 分别调制到各子载波上分别调制到各子载波上并行并行传输。传输。n多载波调制多载波调制串/并分成 带宽: Bi = B/N 码元持续时间: Ti = NTB 数据传输速率: Ri = RB/N信道最大多径迟延max 子信道子信道|C(f)|tffBTBBTBn 正交频分复用（正交频分复用（OFDM） 一类多载波并行调制体制 将高速数据流分散调制到多个子载波上并行传输，从而使各子 载波的信号速率大为降低； 子信道上
41、的信号带宽信道的相关带宽， 每个子信道上可看成是平坦性衰落，从而可消除ISI 、提高抗多径和抗衰落的能力。 各路子载波的已调信号频谱有1/2重叠 提高了频率利用率和总传输速率； 特点设计思想子信道的均衡也相对容易 各路已调信号是严格正交的 便于接收端分离各路信号，减少子信道之间的相互干扰（ICI）； 每路子载波的调制制度可以不同根据每个子载波处信道特性的优劣不同采用不同的体制。 对信道产生的频率偏移和相位噪声很敏感； 信号峰值功率和平均功率的比值较大，这将会降低射频功率放大器的效率； 对同步要求严格。 缺点：8.3.2 OFDM的基本原理n 表 示 式l 设OFDM系统中有N个子信道，每个子信
42、道采用的子载波为：12102-)cos()(NktfBtxkkkk，式中，Bk 、fk、k 分别为 第k路子载波的振幅、频率、初始相位； Bk 受基带码元的调制。则此系统中的 N 路子信号之和为：10102NkkkkNkktfBtxte)cos()()(l 可改写成：102BNktfjkkkete)()(式中，Bk是一个复数，为第k路子信道中的复输入数据。022210dttfftffikikTikikB)(cos()(cos(即n 正交条件l 为了使这 N 路子信道信号在接收时能够完全分离，要求它们满足正交条件。在TB内，任意两个子载波都正交的条件是：0)(2sin)(2sin)(2)(2si
43、n)(2)(2sinikikikikikiksikikiksikffffffTffffTffl 积分结果为B0cos(2)cos(2)0Tkkiif tf tdtnTffmTffsiksik)()(和其中，m = 整数和n = 整数；并且k和i可以取任意值。BB/ )(,/ )(TnmfTnmfik22l上式等于0的条件：这就是子载频正交的条件。 l 即要求子载频满足 fk = k/2TB ，式中 k = 整数；且要求子载频间隔 f = fk fi = n/TB，故要求的最小子载频间隔为：minB1/fTn OFDM的频域特性TBtfk+1/TBfkfl OFDM信号（各子载波合成后）频谱：
44、各相邻子载波的频率间隔等于最小容许间隔： fk2/TBfkfff k1/TBl 单个子载波频谱： 设一个子信道中，子载频 fk 、码长TB， 则此码元的波形和频谱密度：Bmin/Tf1 由图可见：各路子载波的频谱是相互重叠的，但在一个码元持续时间内它们是正交的。这样不但减小了子载波间的相互干扰（ICI )，同时又提高了频谱利用率OFDM的一大优点。 可按照各个子载波所处频段的信道特性采用不同的调制制度，因而具有很大的灵活性。OFDM的又一个重大优点。 n OFDM的频带利用率l 设OFDM系统中共有N路子载波，子信道码元间隔为TB，每路子载波均采用M 进制的调制，则它占用的频带宽度为OFDMB
45、1(Hz)NBTl 因为一路子信道的比特率为121logbBRMTl OFDM信号的比特率为1bNRl所以OFDM的频带利用率为B2OFDOFDM2OFDMM/=llog1(bps/Hz og)bNRNMBNTMBBb22B/log(bps/Hz)2/12logN TMMN T 并行的OFDM体制与串行的单载波体制相比，频带利用率大约提高一倍。OFDM2log(bps/Hz) Ml 当N很大时l 若用单个载波的M 进制码元传输，为得到相同的传输速率，则码元间隔应缩短为(TB /N)，而占用带宽等于(2N/TB)，故频带利用率为比较比较8.3.3 OFDM的实现n OFDM的历程的历程 多载波调
46、制技术始于1957年，主要用于军事无线通信中，但因结构复杂而限制了它的应用。 1971年，Weinstein和Ebert撰文提出了采用离散傅里叶变换（IDFT/DFT）实现多载波调制/解调的解决方案，以此取代复杂的硬件结构，使得以OFDM为代表的多载波调制技术开始走向实用。 由于快速傅里叶变换（FFT）是实现DFT计算的简化算法，所以采用FFT更能显著降低多载波传输系统的复杂度。但在当时，由于缺乏数字处理功能强大的元器件，因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展。 随着超大规模集成电路和数字信号处理器（DSP）芯片技术的迅猛发展，FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其他难以实现的困难也都得到
47、了解决，从而使OFDM系统的付诸应用成为现实。n OFDM信号的调制信号的调制l基于基于IDFT/DFT的的OFDM信号信号调调制制原理图：原理图：基于基于IFFT/FFT的的OFDM信号信号调制调制原理图：原理图：基于基于IFFT/FFT的的OFDM信号信号接收接收原理图：原理图：n OFDM的应用的应用 OFDM技术已广泛用于各种通信系统。例如，接入网中技术已广泛用于各种通信系统。例如，接入网中的高速数字环路（的高速数字环路（HDSL）、非对称数字环路（）、非对称数字环路（ADSL）、）、高清晰度数字电视（高清晰度数字电视（HDTV）的地面广播系统、无线局域）的地面广播系统、无线局域网（网（WLAN）等，并且开始应用于无线广域网（）等，并且开始应用于无线广域网（WWAN）。）。 在移动通信领域，在移动通信领域，OFDM是第是第3代、第代、第4代（代（4G）移动）移动通信系统准备采用的关键技术之一。通信系统准备采用的关键技术之一。配套辅导教材： 曹丽娜 樊昌信 编著 国防工业出版社 整理知识 归纳结论梳理关系 引导主线剖析难点 解惑疑点强化重点 点击考点 谢谢！