第6章數(shù)字調(diào)制與檢測現(xiàn)代無線通信技術(shù)ModernWirelessCommunicationTechnologies

福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院鄭紹華20091引言1、數(shù)字調(diào)制？更廉價、速度更快、效率更高；高頻率效率、強糾錯能力、抗那個信道失真、高效的多址接入、更好的安全保密性等；2、調(diào)制方式的選擇？高傳輸速率高頻帶利用率（最小帶寬占用）高功率效率（最小發(fā)送功率）對信道影響的抵抗能力（最小誤碼比特率）低功耗、低成本2引言3、數(shù)字調(diào)制分類幅度/相位調(diào)制——線性調(diào)制；頻率調(diào)制——非線性調(diào)制/恒包絡(luò)調(diào)制；線性調(diào)制一般比非線性調(diào)制具有更好的頻譜特性，因為非線性處理會導(dǎo)致頻譜的擴展，不過線性調(diào)制把信息包含在幅度或相位中，易受衰落和干擾的影響；36.1信號空間分析數(shù)字調(diào)制是將若干個比特映射為幾種可能的發(fā)送信號之一，接收機將收到的信號同各個可能的發(fā)送信號做比較，找到“最接近”的作為檢測結(jié)果，使得出錯的概率最?。恍枰粋€“度量”來反映信號之間的距離；通過將信號投影到一組基函數(shù)上，就能將信號波形和向量表示一一對應(yīng)起來，這樣，問題就從無限維的函數(shù)空間轉(zhuǎn)到了有限維的向量空間，就可利用向量空間中現(xiàn)成的距離概念。41、信號與系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型51、信號與系統(tǒng)模型61、信號與系統(tǒng)模型消息序列對應(yīng)的發(fā)送信號71、信號與系統(tǒng)模型82、信號的幾何表示把信號{si(t):i=1,2,…,M}用幾何方式表示，就可以利用最小距離準則得到AWGN信道下的最佳接收機設(shè)計。將信號進行幾何表示的基礎(chǔ)是“基”的概念，可以把任意M個定義在[0,T）上的有限能量實信號S={s1(t),s2(t),…,sM(t)}表示為N≤M個實正交基函數(shù){φ1(t),φ2(t),…,φN(t)}的線性組合。稱這組基函數(shù)張成了集合S。92、信號的幾何表示102、信號的幾何表示線性帶通調(diào)制的基函數(shù)由正弦和余弦函數(shù)組成：112、信號的幾何表示122、信號的幾何表示132、信號的幾何表示142、信號的幾何表示二維信號空間。借助信號空間表示，來分析無窮維數(shù)的函數(shù)，大大簡化系統(tǒng)性能的分析和最佳接收機設(shè)計推導(dǎo)。15向量空間163、接收機結(jié)構(gòu)和充分統(tǒng)計量173、接收機結(jié)構(gòu)和充分統(tǒng)計量AWGN信道下信號檢測的接收機結(jié)構(gòu)183、接收機結(jié)構(gòu)和充分統(tǒng)計量193、接收機結(jié)構(gòu)和充分統(tǒng)計量203、接收機結(jié)構(gòu)和充分統(tǒng)計量213、接收機結(jié)構(gòu)和充分統(tǒng)計量223、接收機結(jié)構(gòu)和充分統(tǒng)計量236.2帶通調(diào)制原理數(shù)字帶通調(diào)制的基本原理是用載波信號攜帶信息比特在信道中傳輸，在接收端解調(diào)器從接收到的信號中提取出這些信息比特流。信道對發(fā)送信號的損傷可能會導(dǎo)致出現(xiàn)比特錯誤，調(diào)制的目標就是以最小的數(shù)據(jù)損傷概率實現(xiàn)高速傳輸數(shù)據(jù)；246.2帶通調(diào)制原理256.2帶通調(diào)制原理266.3幅度/相位調(diào)制276.3幅度/相位調(diào)制幅度相位調(diào)制器286.3幅度/相位調(diào)制幅度/相位相干解調(diào)器接收機一般設(shè)有一個載波相位恢復(fù)電路，使得接收機的相位與發(fā)送端相位一致，稱相干檢測。296.3幅度/相位調(diào)制幅度/相位調(diào)制主要分三種：脈沖幅度調(diào)制（MPAM）相移鍵控（MPSK）正交幅度調(diào)制（MQAM）：幅度和相位都攜帶信息301、脈沖幅度調(diào)制一維的脈沖幅度調(diào)制(MPAM)是最簡單的線性調(diào)制，它沒有正交分量。311、脈沖幅度調(diào)制321、脈沖幅度調(diào)制MPAM的星座圖映射通常采用格雷碼映射，相鄰星座點只有一個比特不同；M=4,K=22d000111100000010110101101111011002d星座的格雷碼331、脈沖幅度調(diào)制M=4和8時的MPAM的判決域Zi以及脈幅Ai的數(shù)學(xué)表達式及圖示：34MPAM相干解調(diào)MPAM只有一個基函數(shù)352、相移鍵控MPSK362、相移鍵控MPSKMPSK也常采用格雷映射，信號相位隨比特的變化而作相應(yīng)的變化；MPSK的格雷映射372、相移鍵控MPSKMPSK的判決域383、正交幅度調(diào)制393、正交幅度調(diào)制星座判決域404、差分調(diào)制MPSK和QPSK都在相位中攜帶了消息，需要相干解調(diào)，即發(fā)送載波的相位和接收機的相位必須一致。增加了接收機的復(fù)雜度和成本，且在快衰落信道提取相干載波更為困難；所以考慮不要求接收機有相干相位參考的技術(shù),如差分調(diào)制。差分調(diào)制基本原理：以前一個符號作為當(dāng)前符號的參考相位，從而使得接收機無需建立相干相位參考。414、差分調(diào)制424、差分調(diào)制對于任意M的差分MPSK，都可以對相位變化做格雷編碼，接收端錯譯為相鄰的相位變化時只發(fā)生一個比特的錯誤；D-QPSK的格雷碼映射434、差分調(diào)制例：444、差分調(diào)制注意： 差分調(diào)制對載波相位的隨機漂移并不敏感。但若信道存在顯著的多普勒頻移，那么相鄰碼元間隔內(nèi)的相位可能會不相關(guān)，使得前一個符號成為一個很差的相位參考。多普勒頻移會使差分調(diào)制出現(xiàn)較高的背景誤差。455、正交偏移偏移正交相移鍵控(OffsetQPSK,OQPSK)是基于QPSK的調(diào)制方法。輸入信號變化時，QPSK信號相位會在4個星座之間跳變，符號值的變化有可能引起180度的相位變化，這將使信號幅度的變化過零點，經(jīng)過非線性放大器或濾波器時，相位和幅度的突變會引起失真。將正交分量g(t)偏移半個碼元時間，可以消除或減弱這種突變——正交偏移，目的是降低非線性失真的敏感度。465、正交偏移帶正交偏移的調(diào)制器475、正交偏移a）常規(guī)QPSK波形；b）偏移OQPSK波形；c）移位π/4的QPSK波形48π/4-QPSKπ/4-QPSK是在QPSK和OQPSK基礎(chǔ)上經(jīng)過改進的一種恒包絡(luò)調(diào)制方式，優(yōu)點：1）相位跳變時的相位差只能是±π/4或±3π/4；2）允許使用非相干解調(diào)，以避免相干檢測中載波的相位模糊問題；帶限的π/4-QPSK信號的恒包絡(luò)特性比QPSK好，比OQPSK要差，但可以采用非相干解調(diào)，有利于簡化接收機設(shè)計，同時對于存在多徑干擾的信道，工作性能要比OQPSK要好。496.4頻率調(diào)制頻率調(diào)制通過信號的頻率來攜帶信息。基函數(shù)對應(yīng)不同的頻率載波，在每個碼元間隔內(nèi)發(fā)送一個基函數(shù)。最簡單的：二進制頻移鍵控BFSK是以不同的頻率w0和w1來表示符號0、1。可以有兩種方法來得到BFSK信號：1）利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個不同的獨立載波頻率進行選通；2）利用矩形脈沖序列通過調(diào)頻器對一個載波進行調(diào)頻；506.4頻率調(diào)制對于BPSK，第一種方法：511、MFSK522、連續(xù)相位頻移鍵控CPFSK533、FSK的非相干檢測FSK的相干解調(diào)器需要對每個載波進行相干載波恢復(fù)，實現(xiàn)上比較困難而且昂貴；另一種方法：檢測每個頻率上的信號能量，若第i個頻率能量最大，接收機就輸出消息mi；543、FSK的非相干檢測553、FSK的非相干檢測563、FSK的非相干檢測非相干FSK解調(diào)576.5脈沖成形幅度/相位調(diào)制的帶寬取決于脈沖g(t)的帶寬，矩形脈沖不是我們所希望的：1、矩形脈沖的頻譜（傅里葉變換）是無限的；相應(yīng)地，使用矩形脈脈沖的數(shù)字調(diào)制信號的頻譜基于載波頻率而移位，其頻譜也是無限的。然而無線信道是帶限的；2、由于多址的存在，無線信道是有記憶的信道，會產(chǎn)生符號間干擾ISI；在無線通信的目標是在給定的信道帶寬內(nèi)容納最大可能的用戶數(shù)，為了滿足這個要求，必須使用預(yù)調(diào)制濾波器，其任務(wù)就是脈沖成形；586.5脈沖成