1、第二章 数字调制及解调仿真实验第二章第二章 数字调制及解调仿真实验数字调制及解调仿真实验实验一实验一 四四相相移键控相相移键控(QPSK)调制及调制及解调解调实验实验二二 MSK、GMSK调制及相干调制及相干解调解调实验三实验三 正交正交振幅调制振幅调制(QAM)及及解调解调实验四实验四 OFDM调制及解调调制及解调第二章 数字调制及解调仿真实验实验一实验一 四相移相键控四相移相键控(QPSK)调制及解调实验调制及解调实验一、实验目的一、实验目的(1)掌握QPSK调制解调原理及特性。(2)熟悉MATLAB仿真软件的使用。二、实验内容二、实验内容(1)编写MATLAB程序仿真QPSK调制及相干解
2、调。(2)观察I、Q两路基带信号的特征及与输入NRZ码的关系。(3)观察I、Q调制解调过程中各信号的变化。(4)观察功率谱的变化。(5)分析仿真中观察的数据，撰写实验报告。第二章 数字调制及解调仿真实验三、三、实验原理实验原理1.QPSK 调制原理调制原理QPSK 是一种正交相移键控,又叫四相绝对相移调制。QPSK 利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息,因此,对于输入的二进制数字序列应该先进行分组,将每两个比特编为一组,然后用四种不同的载波相位来表征。我们把组成双比特码元的前一信息比特用 a 表示,后一信息比特用 b 表示。双比特码元中的两个信息比特 a、b
3、 通常是按格雷码排列的,它们与载波相位的关系如表 1-1 所示,矢量关系如图 1-1 所示。图 1-1(a)表示 A 方式(/4 系统)时 QPSK 信号的矢量图,图 1-1(b)表示 B 方式(/2 系统)时 QPSK 信号的矢量图。第二章 数字调制及解调仿真实验第二章 数字调制及解调仿真实验 由于正弦和余弦的互补特性,对于载波相位的四种取值,在 A 方式中,为 45、135、225、315,数据 I k、Q k 通过处理后输出的成形波形幅度有两种取值,为 2/2;在 B 方式中,为 0、90、180、270,数据 I k、Q k 通过处理后输出的成形波形幅度有三种取值,为+1、-1、0。第
4、二章 数字调制及解调仿真实验图 11 QPSK 信号的矢量图第二章 数字调制及解调仿真实验第二章 数字调制及解调仿真实验图-2 矢量图第二章 数字调制及解调仿真实验表表-2 QPSK信号相位编码逻辑关系信号相位编码逻辑关系第二章 数字调制及解调仿真实验用调相法产生QPSK调制器框图如图-3所示。图-3 QPSK调制器框图第二章 数字调制及解调仿真实验由图1-3可以看到，QPSK的调制器可以看做是由两个BPSK调制器构成的，输入的串行二进制信息序列经过串/并变换，变成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性的二电平信号I(t)和Q(t)，然后对和进行调制，相加后即可得到QPSK信号。经过串/
5、并变换后形成的两个支路如图2-4所示，一路为单数码元，另外一路为偶数码元，这两个支路互为正交，一个称为同相支路，即I支路；另外一路称为正交支路，即Q支路。第二章 数字调制及解调仿真实验图1-4 二进制码经串/并变换后的码型第二章 数字调制及解调仿真实验2QPSK相干解调原理相干解调原理由于QPSK可以看做是两个正交2PSK信号的合成，故它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，即由两个2PSK信号相干解调器构成，其原理框图如图1-5所示。图1-5 QPSK解调原理框图第二章 数字调制及解调仿真实验3星座图星座图星座显示是示波器显示的数字等价形式，将正交基带信号的I和Q两路分别接入示波器的
6、两个输入通道，通过示波器的“X-Y”的功能即可以很清晰地看到调制信号的星座图。我们知道QPSK信号可以用正交调制方法产生。在它的星座图中，四个信号点之间任何过渡都是可能的，如图1-6(a)所示。OQPSK信号将正交路信号偏移T/2(T为一个周期)，结果是消除了已调信号中突然相移180的现象，每隔T/2信号相位只可能发生90的变化。因而星座图中信号点只能沿正方形四边移动，如图1-6(b)所示。MSK信号配置图如图1-6(c)所示，1比特区间仅使用圆周的1/4，信号点必是轴上4个点中任何一个，因此，相位必然连续。第二章 数字调制及解调仿真实验图1-6 相位转移图第二章 数字调制及解调仿真实验四、实
7、验步骤四、实验步骤(1)预习QPSK调制及相干解调原理，独立画出系统方框图。(2)根据系统方框图，画出仿真流程图。(3)编写MATLAB程序并上机调试。(4)观察并分析各阶段波形、数据。(5)修改相关参数，观察波形变化。(6)撰写实验报告。五、思考题五、思考题 3G 移动通信系统普遍采用 QPSK 调制,试简要说明其技术优势。第二章 数字调制及解调仿真实验 实验二实验二 MSK、GMSK调制及相干解调实验调制及相干解调实验一、实验目的一、实验目的(1)掌握MSK调制、相干解调原理及特性。(2)了解MSK调制与GMSK调制的差别。二、实验内容二、实验内容(1)编写MATLAB程序仿真MSK调制及
8、相干解调。(2)观察I、Q两路基带信号的特征及与输入NRZ码的关系。(3)观察I、Q调制解调过程中各信号变化。(4)对程序做修改，进行GMSK调制及解调仿真。(5)分析仿真中观察的数据，撰写实验报告。第二章 数字调制及解调仿真实验三、实验原理三、实验原理1MSK调制原理调制原理MSK称为最小移频键控调制，是一种恒包络调制。因为MSK属于二进制连续相位移频键控(CPFSK)的一种特殊情况，它不存在相位跃变点，因此在带限系统中，MSK能保持恒包络特性。恒包络调制有以下优点:极低的旁瓣能量;可使用高效率的 C 类功率放大器;容易恢复用于相干解调的载波;已调信号峰平比低。第二章 数字调制及解调仿真实验
9、MSK是CPFSK满足移频系数h=0.5时的特例：当h=0.5时，满足在码元交替点相位连续的条件，是移频键控为保证良好的误码性能所允许的最小调制指数；且此时波形的相关性为0，待传送的两个信号是正交的。它能比PSK传送更高的比特速率。二进制MSK信号的表达式可写为sskksckTtTktaTtts)1(2cos)(MSK(2-1)(cos)(MSKtttsc或者(2-2)第二章 数字调制及解调仿真实验这里c为载波角频率；Ts为码元宽度；ak为第k个码元中的信息，其取值为1；为第k个码元的相位常数，它在时间中保持不变。由式(2-1)可见，当ak=+1时，信号的频率为(2-4)sskkskTtTkt
10、aTt)1(2)(scTf2212(2-3)第二章 数字调制及解调仿真实验当ak=+1时，信号的频率为由此可得频率间隔f为相应地，调制指数h为(2-6)scTf22112112sfffT 110.522ssshfTTT(2-5)第二章 数字调制及解调仿真实验MSK信号的频率间隔如图2-1(a)所示。由图2-1(b)中的波形可以看出，“+”信号与“”信号在一个码元期间恰好相差1/2周，即相差。下面我们说明MSK信号的频率间隔是如何确定的。第二章 数字调制及解调仿真实验图2-1 MSK信号的频率间隔与波形第二章 数字调制及解调仿真实验对于一般移频键控(2FSK)，两个信号波形具有以下的相关系数：式
11、中，12/2cfff，是载波频率。MSK 是一种正交调制，其信号波形的相关系数等于零。因此，对 MSK 信号来说，式(2-7)应为零，也就是式(2-7)右边 两 项 均 应 为 零。第 一 项 等 于 零 的 条 件 是)(212kTffs(k=1，2，3，)，令 k 等于其最小值 1，则 scscssTfTfTffTff24sin)(2)(2sin12122112sffT(2-7)第二章 数字调制及解调仿真实验这正是 MSK 信号所要求的频率间隔。第二项等于零的条件是4nTfsc(n=1,2,3,)，即(2-8)这说明，MSK信号在每一个码元周期内，必须包含1/4载波周期的整数倍。由此可得1
12、144cssmfnNTT114scTnfN为正整数；m=0，1，2，3(2-9)第二章 数字调制及解调仿真实验相应地图2-1(b)中的信号波形是N=1，m=3的特殊情况。相位常数k的选择应保持信号相位在码元转换时刻是连续的。根据这一要求，由式(2-3)可以导出以下的相位递归条件，或者称为相位约束条件：(2-10)211114411144csscssmffNTTmffNTT11111112 ,1,kkkkkkkkkkaakaakaa11111112 ,1,kkkkkkkkkkaakaakaa(2-11)第二章 数字调制及解调仿真实验上式表明，MSK信号在第k个码元的相位常数不仅与当前的ak有关，
13、而且与前面ak1及相位常数k1有关。或者说，前后码元之间存在着相关性。对于相干解调来说，k的起始参考值可以假定为零，因此，从式(2-11)可以得到)2(0模或k(2-12)第二章 数字调制及解调仿真实验第二章 数字调制及解调仿真实验图2-2(a)是针对一特定数据序列画出的附加相位轨迹；图2-2(b)表示的是附加相位路径的网格图，它是附加相位函数由零开始可能经历的全部路径。k与ak之间的关系举例给出，如表2-1所示。图2-2 附加相位函数(t)及附加相位路径网格第二章 数字调制及解调仿真实验表表2-1 相位常数相位常数k与与ak的关系的关系第二章 数字调制及解调仿真实验由以上讨论可知，MSK 信
14、号具有如下特点：(1)已调信号的振幅是恒定的；(2)信号的频率偏移严格地等于sT41，相应的调制指数21)(12sTffh；(3)以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确地线性化变化/2；(4)在一个码元期间内，信号应包括 1/4 载波周期的整数倍；(5)在码元转换时刻，信号的相位是连续的，或者说，信号的波形没有突跳。第二章 数字调制及解调仿真实验下面讨论MSK信号的调制与解调方法。MSK信号表达式可正交展开为kkbctaTtts2cos)(MSKtTtatTtcskkcsksin 2sin cos cos 2cos cos(2-13)第二章 数字调制及解调仿真实验式中，第二等式等号后面
15、的第一项是同相分量，也称 I 分量；第二项是正交分量，也称 Q 分量。tTs2cos和tTs2sin称为加权函数(或称调制函数)。cosk是同相分量的等效数据，coskka是正交分量的等效数据，它们都与原始输入数据有确定的关系。令coskkI，coskkkaQ，代入式(2-13)，可得(2-14)tTtQtTtItscskcsksin 2sin cos 2cos)(MSK第二章 数字调制及解调仿真实验根据上面描述可构成一种MSK调制器，其方框图如图2-3所示。图2-3 MSK调制原理框图 第二章 数字调制及解调仿真实验MSK基带波形只有两种波形组成，如图2-4所示。图2-4 MSK成形信号第二
16、章 数字调制及解调仿真实验在MSK调制中，成形信号取出原理如下：由于成形信号只有两种波形选择，因此当前数据取出的成形信号只与它的前一位数据有关。当当前数据与前一数据相同，数据第一次保持时，输出的成形信号不变(如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1)；从第二次保持开始，输出的成形信号与前一信号相反(如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2)。当当前数据与前一位数据相反，数据第一次跳变时，输出的成形信号与前一信号相反(如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2)；从数据第二次跳变开始，输出的成形信号不变(如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1)。MSK的基带成形信号波
17、形如图2-5所示。第二章 数字调制及解调仿真实验图2-5 MSK的基带信号波形第二章 数字调制及解调仿真实验2MSK解调原理解调原理MSK信号的解调与FSK信号的相似，可以采用相干解调方式，也可以采用非相干解调方式。本实验模块中采用一种相干解调的方式。已知tTtQtTtItscskcsksin 2sin cos 2cos)(把该信号进行正交解调，可得到：第二章 数字调制及解调仿真实验Ik路：tTQtTQtTItTITtItTtQtTtIscksckscksckskcskcsk22cos 4122cos 41 22cos 4122cos 412cos 21cos 2sin cos 2cos 第二
18、章 数字调制及解调仿真实验Qk路：tTQtTQtTItTITtQtTtQtTtIscksckscksckskcskcsk22sin 4122sin 41 22sin 4122sin 412sin 21sin 2sin cos 2cos 第二章 数字调制及解调仿真实验第二章 数字调制及解调仿真实验图2-6 MSK解调原理框图第二章 数字调制及解调仿真实验将得到的MSK调制信号正交解调，通过低通滤波器得到基带成形信号，并对由此得到的基带信号的波形进行电平比较得到数据，再将此数据经过CPLD的数字处理，就可解调得到NRZ码。在实际系统中，相干载波是通过载波同步获取的，相干载波的频率和相位只有和调制端
19、载波相同时，才能完成相干解调。由于载波同步不是本实验的内容，因此在本模块中的相干载波是直接从调制端引入的，因此解调器中的载波与调制器中的载波同频同相。第二章 数字调制及解调仿真实验3.GMSK调制及相干解调原理调制及相干解调原理GMSK调制方式是在MSK调制器之前加入一个基带信号预处理滤波器，即高斯低通滤波器。由于这种滤波器能将基带信号变换成高斯脉冲信号，其包络无陡峭边沿和拐点，因而可达到改善MSK信号频谱特性的目的。基带的高斯低通滤波平滑了MSK信号的相位曲线，因此稳定了信号的频率变化，这使得发射频谱上的旁瓣水平大大降低。实现GMSK信号的调制，关键是设计一个性能良好的高斯低通滤波器，它必须
20、具有如下特性：(1)有良好的窄带和尖锐的截止特性，以滤除基带信号中多余的高频成分。第二章 数字调制及解调仿真实验(2)脉冲响应过冲量应尽量小，防止已调波瞬时频偏过大。(3)输出脉冲响应曲线的面积对应的相位为/2，使调制系数为1/2。以上要求是为了抑制高频分量、防止过量的瞬时频率偏移以及满足相干检测所需要的。高斯低通滤波器的冲激响应为)exp()(222tth(2-15)式中2ln2bB第二章 数字调制及解调仿真实验该滤波器对单个宽度为Tb的矩形脉冲的响应为式中当Bb、Tb取不同值时，g(t)的波形如图2-13所示。(2-16)22ln222ln2)(bbbbTtBQTtBQtg 2d 2exp
21、 21)(ttQ(2-17)第二章 数字调制及解调仿真实验图2-7 高斯滤波器的矩形脉冲响应第二章 数字调制及解调仿真实验GMSK的信号表达式为GMSK的相位路径如图2-14所示。(2-18)tssnscTnTgaTtts d22cos)(第二章 数字调制及解调仿真实验图2-8 GMSK的相位路径第二章 数字调制及解调仿真实验从图2-7和2-8可以看出，GMSK是通过引入可控的码间干扰(即部分响应波形)来达到平滑相位路径的目的的，它消除了MSK相位路径在码元转换时刻的相位转折点。从图中还可以看出，GMSK信号在一码元周期内的相位增量，不像MSK那样固定为/2，而是随着输入序列的不同而不同。由式
22、(2-18)可得 coscoscossinsincccS ttttttt(2-19)第二章 数字调制及解调仿真实验式中尽管g(t)的理论是在t+范围取值，但实际中需要对g(t)进行截短，仅取(2N+1)Ts区间，这样可以证明(t)在码元变换时刻的取值(kTs)是有限的。(2-20)ssstssnsTktkTtkTTnTgaTt)1()()(d22)(第二章 数字调制及解调仿真实验图2-9描述出了GMSK信号的功率谱密度。图中，横坐标为归一化频率(ffc)Ts)，纵坐标为谱密度，参变量BsTs为高斯低通滤波器的归一化3 dB带宽Bs与码元长度Ts的乘积。BsTs=的曲线是MSK信号的功率谱密度。
23、由图2-15可见，GMSK信号的频谱随着BsTs值的减小变得紧凑起来。需要说明的是，GMSK信号频谱特性的改善是通过降低误比特率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，误比特率性能变得越差。不过，当BsTs=0.25时，误比特率性能下降的并不严重。第二章 数字调制及解调仿真实验图2-9 GMSK的功率谱密度第二章 数字调制及解调仿真实验四、实验步骤四、实验步骤(1)预习MSK、GMSK调制及相干解调原理，独立画出系统方框图。(2)根据系统方框图，画出仿真流程图。(3)编写MATLAB程序并上机调试。(4)观察并分析各阶段波形、数据。(5)修改相关参数，观察波形变化。(6)比较分析
24、MSK、GMSK之间的异同。(7)撰写实验报告。第二章 数字调制及解调仿真实验五、思考题五、思考题(1)GMSK与MSK中的相位轨迹各有什么特点？有什么异同？原因是什么？(2)GSM系统中采用GMSK而不是MSK，试说明GMSK得到应用的原因。第二章 数字调制及解调仿真实验实验三实验三 正交幅度调制正交幅度调制(QAM)及解调实验及解调实验一、实验目的一、实验目的(1)掌握QAM及解调原理与特性。(2)了解星座图的原理及用途。二、实验内容二、实验内容(1)编写MATLAB程序仿真QAM及相干解调。(2)观察I、Q两路基带信号的特征及与输入NRZ码的关系。(3)观察I、Q调制解调过程中各信号的变
25、化。(4)观察星座图在不同噪声环境下的变化。(5)分析仿真中观察的数据，撰写实验报告。第二章 数字调制及解调仿真实验三、实验原理三、实验原理在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。近年来，随着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一。正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化。过去在传统
26、蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视。第二章 数字调制及解调仿真实验1.QAM原理原理单独使用振幅或相位携带信息时，不能充分地利用信号平面，这可以由矢量图中信号矢量端点的分布直接观察到。多进制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布；多进制相位调制时，矢量端点在一个圆上分布。随着进制数M的增大，这些矢量端点之间的最小距离也随之减小。但如果我们可以充分利用整个平面，将矢量端点重新合理的分布，则有可能在不减小最小距离的情况下，增加信号矢量的端点数量。基于上述概念，我们可以引出振幅与相位结合的方式，这种方式常称为数字复合调制方式。一般的复合调制称为幅相键控(APK)，两个正交载波幅相键控称为正
27、交振幅调制(QAM)。第二章 数字调制及解调仿真实验正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。正交振幅调制信号的一般表示式为式中，MQAM中的M表示调制进制数；An是基带信号幅度；g(tnTs)是宽度为Ts的单个基带信号波形。式(3-1)还可以变换为正交表示形式：)cos()()(QAMncnsnMtnTtgAts(3-1)第二章 数字调制及解调仿真实验令(3-2)nncsnMtnTtgAts)cos()()(QAMtnTtgAtnTtgAcnnsncnnsnsinsin)(c
28、oscos)(cossinnnnnnnXAYA第二章 数字调制及解调仿真实验则式(2-22)变为其中(3-3)tnTtgYtnTtgXtscnsncnsnMsin)(cos)()(QAMttYttXccsin)(cos)(nsnX tX g tnT nsnY tY g tnT第二章 数字调制及解调仿真实验QAM中的振幅Xn和Yn可以表示为其中，A是固定振幅；cn和dn由输入数据决定，同时它们也决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。QAM信号调制原理图如图3-1所示。nnnnXc AYd A(3-4)第二章 数字调制及解调仿真实验图3-1 QAM信号调制原理图第二章 数字调制及解调仿真实验2
29、.QAM的星座图的星座图信号矢量端点的分布图称为星座图。通常，可以用星座图来描述QAM信号的信号空间分布状态。对于M=16的16QAM来说，有多种分布形式的信号星座图。两种具有代表意义的信号星座图如图3-2所示。第二章 数字调制及解调仿真实验图3-2 16QAM的星座图第二章 数字调制及解调仿真实验在图3-2(a)中，信号点的分布呈方形，故称为方型16QAM星座，也称为标准型16QAM。在图3-2(b)中，信号点的分布呈星形，故称为星型16QAM星座。若信号点之间的最小距离为2A，且所有信号点等概率出现，则平均发射信号功率为对于方型16QAM，信号平均功率为2221MsnnnAPcdM2222
30、214 28 104 81016MsnnnAAPcdAM (3-5)第二章 数字调制及解调仿真实验对于星型16QAM，信号平均功率为两者功率相差1.4 dB。另外，两者的星座结构也有重要的差别。一是星型16QAM只有两个振幅值，而方型16QAM有3种振幅值；二是星型16QAM只有8种相位值，而方型16QAM有12种相位值。这两点使得在衰落信道中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。M=4，16，32，256时，MQAM信号的星座图如图3-3所示。222222218 2.618 4.6114.0316MsnnnAAPcdAM 第二章 数字调制及解调仿真实验图3-3 MQAM信号的星座图第
31、二章 数字调制及解调仿真实验图2-18中，M=4，16，64，256时，星座图为矩形，而M=32，128时，星座图为十字形。前者M为2的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息；后者M为2的奇次方，每个符号携带奇数个比特信息。若已调信号的最大幅度为1，则MPSK信号星座图上信号点间的最小距离为而MQAM信号矩形星座图上信号点间的最小距离为(3-6)(3-7)MdMsin 2PSK1212QAMMLdM第二章 数字调制及解调仿真实验式中，L为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数，M=L2。由式(3-6)和(3-7)可以看出，当M=4时，d4PSK=d4QAM，实际上，4PSK的星座图与4QA
32、M的星座图相同。当M=16时，d16QAM=0.47，而d16PSK=0.39，d16PSKd16QAM。这表明，16QAM系统的抗干扰能力优于16PSK系统的。第二章 数字调制及解调仿真实验3.MQAM解调原理解调原理MQAM信号可以采用正交相干解调方法，其解调器原理图如图3-4所示。解调器输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波输出两路多电平基带信号X(t)和Y(t)。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测，再经L电平到2电平转换和并/串变换器，最终输出二进制数据。第二章 数字调制及解调仿真实验图3-4 MQAM解调原理第二章 数字调制及解调仿真实验MQAM信号可以表示为(
33、3-8)tnTtgYtnTtgXtscsnncsnnMsin)(cos)()(QAMttYttXccsin)(cos)(式中，Xn和 Yn取值为1，3，(L-1)。解调判决时，采用判决电平m，此判决电平取在信号电平间隔的中间值，即 m=0，2，4，(L-2)，为判决电平时：若nXm，则 0nXm；若nXm，则 1nXm。若nYm，则 0nYm；若nYm，则 1nYm。第二章 数字调制及解调仿真实验第二章 数字调制及解调仿真实验表表3-1 四电平码判决结果四电平码判决结果第二章 数字调制及解调仿真实验根据表2-4的判决结果，再按下式进行逻辑运算，即可恢复出调制解调器输入的二进制数据：同理，根据上
34、述原理，由上支路也可以恢复出原二进制数据。01nYa 22200nnnnYYYYa第二章 数字调制及解调仿真实验四、实验步骤四、实验步骤(1)预习QAM调制及解调原理，独立画出系统方框图。(2)根据系统方框图，画出仿真流程图。(3)编写MATLAB程序并上机调试。(4)观察并分析各阶段波形、数据。(5)修改相关参数，观察波形变化。(6)撰写实验报告。五五、思考题、思考题QAM的星座图有什么特点？体现了哪些调制特性？第二章 数字调制及解调仿真实验实验四实验四 OFDM调制解调调制解调仿真仿真一、实验目的一、实验目的(1)了解OFDM调制解调的原理。(2)学会用星座图分析系统性能。二、实验内容二、
35、实验内容(1)编写MATLAB程序，实现OFDM系统调制解调。(2)绘出各步骤图形并分析系统特性。第二章 数字调制及解调仿真实验三、实验原理三、实验原理正交频分多路复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)被认为是下一代宽带无线通信的关键技术。它具有以下几种优势：(1)频谱效率高；(2)能有效抵抗多径信道；(3)传输数据速率高；(4)信道均衡简单；(5)实现简单。第二章 数字调制及解调仿真实验OFDM技术可以看成是由传统的频分复用技术(FDM)发展而来的。在FDM系统中，不同用户占用不同频率的信道，在接收端用带通滤波器分离各个用户的信
36、号，各信道间必须有一定的保护间隔。OFDM系统的子载波间隔已达最小，所选的子载波间隔使得不同子载波上的波形在时域上相互正交且在频域上相互重叠。不同子载波间不需要保护间隔，使系统频谱效率最大化。FDM与OFDM带宽利用率的比较如图4-1所示。第二章 数字调制及解调仿真实验图4-1 FDM与OFDM带宽利用率的比较第二章 数字调制及解调仿真实验OFDM最核心的思想是采用并行传输技术降低子路上的传输速率，使得OFDM符号长度比系统采样间隔长得多，从而极大地降低了时间弥散信道引入的符号间干扰(ISI)对信号的影响。不仅如此，OFDM系统还引入循环前缀(CP)来消除时间弥散信道的影响，只要CP的长度大于
37、多径信道的最大时延，就可以完全消除符号间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)。OFDM系统可以采用IFFT/FFT进行相应的调制和解调操作，使得系统的实现变得非常简单，且具有较低的成本。OFDM系统的原理如图4-2所示。第二章 数字调制及解调仿真实验图2-21 OFDM系统的原理框图第二章 数字调制及解调仿真实验在发射端，首先对信源符号进行串/并转换，然后对每一支路上的信号进行QAM或QPSK调制。接着对每路信号进行IFFT变换，即OFDM调制。然后进行并/串转换，再在串行数据前加入循环前缀，就形成OFDM码元。经过成型滤波，D/A转换后由射频单元发送出去。信号经无线信道传播后，在接收端首先
38、进行下变频、A/D转换、低通滤波和去除循环前缀等操作。在完成时间和频率同步后，再用FFT变换分解出频域信号。然后进行QAM或QPSK解调和并/串转换，得到原始信息。OFDM系统最主要的缺点是对频偏比较敏感，而且具有较大的峰值平均功率比(PARP)。第二章 数字调制及解调仿真实验本实验只仿真OFDM系统的一条载波，即一个子信道，而实际系统可能有多个子信道。使用MATLAB产生随机数作为信源，转化为0/1比特流。然后对比特流每4个为一组，转化为十进制数。经过QAM映射为复信号，对复信号进行IFFT(反傅立叶变换)，即OFDM调制，然后对每个OFDM码元加循环前缀。再进行并/串、D/A变换，调制到射频上发送出去(仿真对这部分略去)。在调制后的信号中加入高斯噪声，接收端收到后依次进行去循环前缀、FFT、QAM逆映射，再转化为0/1比特流，即得到原信号。第二章 数字调制及解调仿真实验四、实验步骤四、实验步骤(1)画出仿真程序流程图。(2)运行MATLAB开发环境，编写程序。(3)运行程序，观察实验结果。(4)分别修改输入码元数，信噪比等参数，观察并记录图形变化。五、思考题五、思考题(1)OFDM的循环前缀的长度应如何选取？(2)QAM调制的星座图与QPSK调制的星座图有什么异同？
