MQAM(M进制正交幅度调制)课件.ppt

1、多进制数字调制多进制数字调制MASK MFSK MPSKMASK MFSK MPSK通信原理第二十六讲通信原理第二十六讲第九章第九章 多进制数字调制多进制数字调制 多进制数字调制系统概述多进制数字调制系统概述 多进制数字振幅调制多进制数字振幅调制MASK原理及抗噪声性能原理及抗噪声性能 多进制数字频率调制多进制数字频率调制MFSK原理及抗噪声性能原理及抗噪声性能 多进制数字相位调制多进制数字相位调制MPSK原理及抗噪声性能原理及抗噪声性能 振幅相位联合调制系统振幅相位联合调制系统MAPK(MQAM、MQPR)恒包络调制问题恒包络调制问题*偏移四相相移键控偏移四相相移键控OQPSK*最小移频键控

2、最小移频键控MSK*高斯最小移频键控高斯最小移频键控GMSK*SFSK、TFM、时频调制、时频调制*多进制数字调制系统概述多进制数字调制系统概述 在每个符号间隔在每个符号间隔0 tTS内可发送的状态有内可发送的状态有M种种S1(t)SM(t)，称，称M进制。实际应用中取进制。实际应用中取M=2n(n1的的正整数正整数)，可有，可有MASK、MFSK、MPSK，及其组合起，及其组合起来的来的MAPK、MQAM（M进制正交幅度调制）进制正交幅度调制）M M进制中每个符号携带的信息量进制中每个符号携带的信息量I IS S=log=log2 2M M，可提高信息，可提高信息传输速率传输速率（注意多进制

3、系统的（注意多进制系统的码元速率与比特速率码元速率与比特速率的的关系）。如四进制系统，信息传输速率是二进制系统关系）。如四进制系统，信息传输速率是二进制系统的二倍，等效于提高频带利用率。其代价是增加信号的二倍，等效于提高频带利用率。其代价是增加信号功率和实现上的复杂性功率和实现上的复杂性 相同信息速率下，多进制传输速率比二进制低，即相同信息速率下，多进制传输速率比二进制低，即T TS S加大，码元能量增加加大，码元能量增加，能减小由于信道特性引起的码，能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响。间干扰的影响。目前多进制数字调制系统应用更为广泛目前多进制数字调制系统应用更为广泛多进制数字振幅调制多进

4、制数字振幅调制MASKMASK 时域表达式时域表达式 g(t)为基带信号波形，为基带信号波形，Ts为符号时间间隔，为符号时间间隔，bn为幅为幅度值。度值。bn共有共有M种取值，通常可选择为种取值，通常可选择为bn0,1,M-1tnTtgbtSCnSnMASK cos)()(110110,MMPPPbbb110 MnnPOTBtA2A3A2301多进制数字振幅调制多进制数字振幅调制MASKMASK 带宽带宽其功率谱密度为其功率谱密度为 PMASK(f)=1/4G(f+ff)=1/4G(f+fC)+G(f-f)+G(f-fC)调制解调调制解调 MASK与与2ASK相同，不同的是基带信号由二电平相同

5、，不同的是基带信号由二电平多电平，如多电平，如d、3 3d、(L-1)(L-1)d。由于不同。由于不同的幅度代表不同信息，只能用线性调制的幅度代表不同信息，只能用线性调制可用可用DSB、SSB调制方式调制方式可用相干解调或包络捡波可用相干解调或包络捡波基带波形可用矩形、升余弦形或部分响应基带波形可用矩形、升余弦形或部分响应与与2ASK一样，带宽一样，带宽为基带信号的二倍为基带信号的二倍，但可传送，但可传送log2M信信息量。如要求传送息量。如要求传送信息量相同，则可信息量相同，则可加大加大TS，减小带宽，减小带宽AWGNAWGN下的误码率计算下的误码率计算 信号点间的距离信号点间的距离 等效方

6、差等效方差 等概率时的误码率：等概率时的误码率：BTn0221 DGxf0(x)f1(x)pe1pe0dQ(a)2/(dQPe 21020101)()(dttgtgssdT 多进制数字振幅调制多进制数字振幅调制MASKMASK 抗噪声性能抗噪声性能设发送端设发送端L L电平的基电平的基带码元的振幅位于带码元的振幅位于A A、3A3A、(L-(L-1)A1)A，相邻电平，相邻电平振幅振幅的距离为的距离为2A2A。相邻信号点的距离为：相邻信号点的距离为：DGxf0(x)f1(x)dQ(a)ATdttAssdTmm2)cos2(21021 多进制数字振幅调制多进制数字振幅调制MASKMASK 抗噪声

7、性能抗噪声性能等效噪声方差为：等效噪声方差为：图中星号部分的面积为：图中星号部分的面积为：误码率为：误码率为：DGxf0(x)f1(x)dQ(a)NTBTn212102 N N为噪为噪声功率声功率 )()2(1,NAQdQPmme ATssdmm21 )()11(22221,1,NAQLPLPLLPmmemmee 最外侧的两最外侧的两个信号点个信号点多进制数字振幅调制多进制数字振幅调制MASKMASK 抗噪声性能抗噪声性能信号功率：假定信号等概出现信号功率：假定信号等概出现误码率与信噪比的关系误码率与信噪比的关系612/)12(22222/1 LAmALSLm1622 LSA)16()11(2

8、)16()11(222 LQLNSLQLPe多进制数字振幅调制多进制数字振幅调制MASKMASK 讨论：讨论：若若L=2L=2，上述信号为，上述信号为2PSK2PSK信号信号在同样误码率在同样误码率PePe下，下，4 4电平系统与电平系统与2 2电平系统相比电平系统相比需增加约需增加约5 5倍功率倍功率ASK(ASK(多电平调制多电平调制)方式虽然提高传输效率，但它的方式虽然提高传输效率，但它的抗噪声能抗噪声能力，尤其抗衰落能力不强，因此它只能力，尤其抗衰落能力不强，因此它只能在恒参数信道中采用在恒参数信道中采用)16()11(22 LQLPe多进制数字振幅调制多进制数字振幅调制MASKMAS

9、K M进制数字振幅调制系统的误码率进制数字振幅调制系统的误码率Pe性能曲线性能曲线6102105104103101110Pe50101520253024816(db)第九章第九章 多进制数字调制多进制数字调制 多进制数字调制系统概述多进制数字调制系统概述 多进制数字振幅调制多进制数字振幅调制MASK原理及抗噪声性能原理及抗噪声性能 多进制数字频率调制多进制数字频率调制MFSK原理及抗噪声性能原理及抗噪声性能 多进制数字相位调制多进制数字相位调制MPSK原理及抗噪声性能原理及抗噪声性能 振幅相位联合调制系统振幅相位联合调制系统MAPK(MQAM、MQPR)恒包络调制问题恒包络调制问题*偏移四相相

10、移键控偏移四相相移键控OQPSK*最小移频键控最小移频键控MSK*高斯最小移频键控高斯最小移频键控GMSK*SFSK、TFM、时频调制、时频调制*多进制数字频率调制多进制数字频率调制MFSKMFSK 多进制数字频率调制是多进制数字频率调制是2FSK的直接推广，用多个频的直接推广，用多个频率的正弦波分别代表不同率的正弦波分别代表不同的多进制信号，每一码元内的多进制信号，每一码元内只发送其中一个频率，每个频率可代表一个多进制码只发送其中一个频率，每个频率可代表一个多进制码输出f2逻辑电路f1fM门电路相加器门电路门电路12M信道接收滤波器带通f1带通f2带通fM检波器检波器检波器抽样判决逻辑电路输

11、入 串/并变换M12多进制数字频率调制多进制数字频率调制MFSKMFSK 一般一般MFSKMFSK信号的相位不连续，它可看成是信号的相位不连续，它可看成是M M个振幅相个振幅相同、载频不同、时间上互不相容的同、载频不同、时间上互不相容的2ASK2ASK信号的叠加信号的叠加 MFSKMFSK的信号带宽的信号带宽 一般定义为一般定义为 B BMKSKMKSK=f=fM Mf fL L+f+f f fM M为最高选用载频；为最高选用载频；f fL L为最低选用载频；为最低选用载频；f f为单个码元信号为单个码元信号的带宽。的带宽。MFSKMFSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能MFSKMFSK系统性

12、能分析方法可参照系统性能分析方法可参照2FSK2FSK的方法的方法多进制数字频率调制多进制数字频率调制MFSKMFSK MFSKMFSK非相干解调的抗噪声性能非相干解调的抗噪声性能 除包含发送信号的那条通道的抽样值服从广除包含发送信号的那条通道的抽样值服从广义瑞义瑞利分布，其它各条通道的抽样值服从瑞利分布利分布，其它各条通道的抽样值服从瑞利分布若若M个信号互相正交，接收模块中各通道的随机个信号互相正交，接收模块中各通道的随机电压互不相关，发送信号等概时：电压互不相关，发送信号等概时：非相干接收中非相干接收中发生错误判决的概率：发生错误判决的概率：P Pe e=1-P=1-P（k ki i）k

13、k包含发送信号的那条通道的抽样值；包含发送信号的那条通道的抽样值；i i其余（其余（M-1M-1）条通道所得的抽样值；）条通道所得的抽样值；i=1,2,i=1,2,M(ik),M(ik)。多进制数字频率调制多进制数字频率调制MFSKMFSK MFSKMFSK非相干解调的抗噪声性能非相干解调的抗噪声性能 MFSKMFSK相干解调的抗噪声性能相干解调的抗噪声性能 11 MikePP 212/02/)(21)1(1)(2222 eMdxexaIxePMxnOaxen相互独立相互独立)()1()21(12112/)(2122 QMdxdueePMxuaxen 多进制数字频率调制多进制数字频率调制MFS

14、KMFSK M M一定时一定时 越大，越大，PePe越小越小 一定一定 下，下，M M越大，越大，PePe越大越大 相干和非相干的相干和非相干的差距差距M M增大而减小增大而减小 同一同一M M下的每一对下的每一对相干和非相干曲相干和非相干曲线随线随 增加而趋于增加而趋于同一极限值同一极限值 6102105104103101110Pe450101520(db)710810-51024322多 频 调 制 误 码 率第九章第九章 多进制数字调制多进制数字调制 多进制数字调制系统概述多进制数字调制系统概述 多进制数字振幅调制多进制数字振幅调制MASK原理及抗噪声性能原理及抗噪声性能 多进制数字频率

15、调制多进制数字频率调制MFSK原理及抗噪声性能原理及抗噪声性能 多进制数字相位调制多进制数字相位调制MPSK原理及抗噪声性能原理及抗噪声性能 振幅相位联合调制系统振幅相位联合调制系统MAPK(MQAM、MQPR)恒包络调制问题恒包络调制问题*偏移四相相移键控偏移四相相移键控OQPSK*最小移频键控最小移频键控MSK*高斯最小移频键控高斯最小移频键控GMSK*SFSK、TFM、时频调制、时频调制*多进制数字相位调制多进制数字相位调制MPSKMPSK 表达式表达式式中式中 k受调相位，有受调相位，有M种取值；种取值；a k=cos k；b k=sin k 多相调制的波形可以看作对多相调制的波形可以

16、看作对两个正交载波进行多两个正交载波进行多电平双边带调制所得信号之和电平双边带调制所得信号之和 tTtgbtkTtgatkTtgtSCSkkCSkkCkSMPSK sin)(cos)()(cos)()(-k 两路正交信两路正交信号表示式号表示式多进制数字相位调制多进制数字相位调制MPSKMPSK 多相调制的信号矢量示意图多相调制的信号矢量示意图M=20 01M=40 01111000M=4401111000M=481111100100110010000010102PSK4PSK4PSK8PSKQPSK中中 k在（在（0,2）内等间隔取内等间隔取4个相位值，个相位值，若初始相位若初始相位 0=0

17、，称，称A方式；若初始相位方式；若初始相位 0=45 称称B方式。由于方式。由于正弦和余弦的互补性，正弦和余弦的互补性，其幅度其幅度a k、bk只有二只有二种取值，即种取值，即 22QPSK A方式方式QPSK B方式方式多进制数字相位调制多进制数字相位调制MPSKMPSK MPSK的信号带宽的信号带宽 由于由于MPSK可以分解成两个正交的双边带可以分解成两个正交的双边带MASK，其带宽也与其带宽也与MASK相同相同08PSK4PSK2PSK功 率 谱 密 度/dB 60 40 20f fc12Ts1Ts32Ts2Ts图中给出了信图中给出了信息速率相同时，息速率相同时，2PSK、4PSK和和8

18、PSK信号的信号的单边功率谱。单边功率谱。M越大，功率越大，功率谱主瓣越窄，谱主瓣越窄，从而频带利用从而频带利用率越高。率越高。MPSKMPSK的调制的调制 QPSK的正交调相法的正交调相法串/并变换电平变换电平变换载波振荡移相2相加输入输出abtCcostCsincd 输入输入二进制信号经串二进制信号经串/并变换后分成两路速率减半的序并变换后分成两路速率减半的序列列a a和和b b，再经电平变换成双极性二电平信号，然后进行正，再经电平变换成双极性二电平信号，然后进行正交调制，相加后得交调制，相加后得QPSKQPSK信号信号 MPSKMPSK的调制的调制 QPSK的正交调相法的正交调相法经串并

19、转换后的经串并转换后的同相同相/正交支路正交支路双比特码元双比特码元载波下相位载波下相位(n)abA方式方式(c,d)B方式方式(c,d)011000110(1,0)90(0,1)180(-1,0)270(0,-1)225(-)315(+-)45(+)135(-+)tdtctSCCMPSK sincos)(MPSKMPSK的调制的调制 8PSK的正交调相法的正交调相法串/并变换电平变换电平变换载波振荡移相2相加输入输出b1b2tCcostCsin倒相b33bcd8PSK 串串/并变换每次产生三位码组并变换每次产生三位码组b1b2b3。在。在b1b2b3控制下同相与控制下同相与正交路分别产生两个

20、四电平基带信号正交路分别产生两个四电平基带信号c、d。决定。决定b1决定同相路决定同相路极性，极性，b2决定正交路极性，决定正交路极性，b3用于决定两路信号幅度用于决定两路信号幅度 MPSKMPSK的调制的调制 8PSK的正交调相法的正交调相法 如果如果8PSK信号幅度为信号幅度为1：b3=1时，时，c路基带信号幅度为路基带信号幅度为0.924 d路基带信号幅度为路基带信号幅度为0.383 b3=0时，时，c路基带信号幅度为路基带信号幅度为0.383 d路基带信号幅度为路基带信号幅度为0.924同相同相和正交路的和正交路的基带信号幅度互基带信号幅度互相关联，不能独相关联，不能独立选取立选取32

21、bb1-131bb-111110000111100001111110010001011000100101MPSKMPSK的调制的调制 相位选择法与四相信号的产生相位选择法与四相信号的产生晶振1cp1Q1Q3cp3Q3Q2cp2Q2Q四相位载波选择器(4选1 数 据选择器)0232串/并变换带通形成滤波器二进制序列ba(fc,BQPSK)QPSK4fo1cp1Q1Q2cp3cp2Q2Q3Q3Q2230MPSKMPSK的调制的调制 QDPSK的调制的调制 DPSK在串在串/并变换后进行并变换后进行码型变换码型变换后变成多进制后变成多进制差分码差分码然后再作绝对调相，可以避免多相调制相然后再作绝对调

22、相，可以避免多相调制相位模糊问题位模糊问题 电平变换电平变换载波振荡移相2相加输出ab串/并变换输入码变换cd移相2QDPSKMPSKMPSK的调制的调制 DQPSK的码变换的码变换 用相位变化而不用绝对相位表示传送的码元用相位变化而不用绝对相位表示传送的码元双比特码元载波相位变化(Dn)ab 0101 MPSKMPSK的调制的调制 DQPSK的码变换的码变换现 a,b 及 所 要 求的 相 对 相 位 变 化前 一 码 元 状 态现 应 出 现 的码 元 状 态anbn0100cn-1dn-1nD1n000110101 8 02 7 09 0cndnn100011011011019 01 8

23、 02 7 010001101101101001011010001 8 02 7 09 001 8 02 7 09 001 8 02 7 09 010101000000101011111110001 8 02 7 09 02 7 02 7 02 7 01 8 01 801 8 09 09 09 0000MPSKMPSK的解调的解调 QPSK的相干解调的相干解调MPSKMPSK的解调的解调 QDPSK的相干解调的相干解调低通滤波器载波恢复输出并/串变换输入cdQDPSK移相4低通滤波器抽样判决抽样判决码元形成码元形成定时恢复定时脉冲定时脉冲码变换二进码元abQDPSK相干解调(极性比较 法)移相

24、4MPSKMPSK的解调的解调 QDPSK的相干解调的相干解调 上下两支路的相干载波为上下两支路的相干载波为 上支路解调上支路解调 上、下两支路经低通滤波输出在上、下两支路经低通滤波输出在t=T时刻抽样后时刻抽样后 4/cos4/cos ttCC)4cos()(21)4(2cos)(21 )4cos()cos()()4cos()(kkCCkCCtgttgttgtts)4cos(kcU)4cos(kdUMPSKMPSK的解调的解调 QDPSK的相干解调的相干解调k 载波相位的的极极性性值值上上支支路路抽抽样样cU的的极极性性值值下下支支路路抽抽样样dU判决器输出cd900180270+-0001

25、1110)4cos(kcU)4cos(kdUMPSKMPSK的解调的解调 QDPSK的相干解调相对码到绝对码的变换的相干解调相对码到绝对码的变换前一输入双比特aibi010ci-1di-1000110110101100011011011010010110100cidi现输入00011110000111100001111010001111010011110输出数据延迟TS延迟TS比较电路交叉直通电路cididi-1ci-11iicc1iiddaibic ci-1i-1ddi-1i-1=1交叉交叉 c ci-1i-1ddi-1i-1=0直通直通 MPSKMPSK的解调的解调 QDPSK的差分解调的

26、差分解调低通滤波器延迟TS输出并/串变换输入QDPSK低通滤波器抽样判决抽样判决码元形成码元形成定时脉冲定时脉冲二进码元QDPSK差分相干解调(相位比较法)移相4移相4MPSKMPSK的解调的解调 QDPSK的差分解调与相干解调的差分解调与相干解调 差分解调与相干解调差分解调与相干解调，主要区别在于：，主要区别在于：它利用延迟一码元电路，再分别移相它利用延迟一码元电路，再分别移相/4和和/4，作为上下支路相干载波与输入信号相乘。作为上下支路相干载波与输入信号相乘。此外它不需要采用码变换器，因为此外它不需要采用码变换器，因为QDPSK信号的信号的信息包含在前后码元的相位差中，而相位比较法信息包含

27、在前后码元的相位差中，而相位比较法解调原理是直接比较前后码元解调原理是直接比较前后码元性能比相干解调略差性能比相干解调略差，但实现较为简单，但实现较为简单MPSKMPSK的抗噪声性能的抗噪声性能 由于信道噪声干扰，接收的由于信道噪声干扰，接收的MPSK信号幅度信号幅度会有随机起伏，相位也会随机抖动会有随机起伏，相位也会随机抖动 M=8时，每一信号时，每一信号间隔为间隔为/4/4，如合，如合成波的相位成波的相位在在-/8/8/8/8范围范围内变化时（右图阴内变化时（右图阴影区），不产生错影区），不产生错误判决；如果在这误判决；如果在这个范围之外，将造个范围之外，将造成错误判决成错误判决 MPSK

28、MPSK的抗噪声性能的抗噪声性能 误码率为：误码率为：M=2时：时：2PSK M=4时：时：dfPMMe )(1假设发送每一信假设发送每一信号的概率密度号的概率密度f()f()，但，但f()f()很难给出很难给出 2QPe QQPe2112 MPSKMPSK的抗噪声性能的抗噪声性能 MPSK的抗噪声性能的抗噪声性能 第第i点与第点与第i+1点的距离点的距离 等效噪声能量等效噪声能量ii+12/M MTAdtMtMAdtMtAtAdssdTiTiiiiiiii 220222021,211,sin2sinsin4)2cos()cos(BTn0221 MPSKMPSK的抗噪声性能的抗噪声性能 MPS

29、K的抗噪声性能的抗噪声性能 每一区域可以向两个方向误码每一区域可以向两个方向误码ii+12/M 21,)1,(iiiiedQP)1,()1,()1,()1,()1,()1,()1,(22)1(:2 iieiieiieiieiieiieiieePPPPPPPPM MnEQdQPSiie sin222201,MPSKMPSK实例实例 对最高频率为对最高频率为6MHz的模拟信号进行的模拟信号进行PCM编码，量化编码，量化电平数电平数L=8，编码信号先通过，编码信号先通过a a=0.2的升余弦滚降滤波的升余弦滚降滤波器，再对载波进行调制，求：器，再对载波进行调制，求：调制方式为调制方式为2PSK时信号

30、的传输带宽及频带利用率时信号的传输带宽及频带利用率 调制方式为调制方式为8PSK时信号的传输带宽及频带利用率时信号的传输带宽及频带利用率 解：解：模拟信号的最高频率为模拟信号的最高频率为fH，取样速率，取样速率fs=2fH，量化，量化电平为电平为8时，编码位数为时，编码位数为3，PCM的码元速率为：的码元速率为：)(106.331062log2762baudLfnfRHss )/(36sMbitRRsb MPSKMPSK实例实例 采用升余弦滚降信号，其基带带宽为：采用升余弦滚降信号，其基带带宽为：2PSK、8PSK分别带宽为：分别带宽为：频带利用率为：频带利用率为：MHzRRBssB6.2122.0121 a aMHzBBMHzBBPSKPSKBPSK4.148log12.4322282 )/(5.2)/(83.08822HzsbitBRHzsbitBRPSKbPSKPSKbPSK 小结小结 MASK、MFSK、MPSK 调制、解调、带宽、误码性能的一般性问题调制、解调、带宽、误码性能的一般性问题 QPSK、DQPSK 利用信号空间的概念，分析和比较系统性能利用信号空间的概念，分析和比较系统性能 本章作业：本章作业：清华：清华：10-18 10-19 10-21 10-25 10-26 10-27 10-30