第三章 非线性系统调制 无线通信调制和 与编码(石明卫)

第三章 非线性系统调制 § §3.1 非线性系统的影响 § §3.2 用于非线性信道的线性调制方案 § §3.3 非线性调制 《 返回 〈 〈 上页 下页〉 〉 § §3.0 引言● ● 主要介绍非线性调制方案 ● ● 为何是非线性系统的重要方案 ● ● 非线性系统对线性调制的影响及改善方法● ● 线性与非线性调制比较 § §3.1 非线性系统的影响 1. 无线系统中优化HPA 效率的重要性● ● 使功率消耗最小，延长电池寿命● 充分利用HPA 的投资 2. 功率放大器分类● ● 分类方法依输出器件在一个载波周期内的导通时间 《 返回 〈 〈 上页 下页〉 〉 ★ 决定了功率效率和线性 ● 常见 类别 A 类 整个周期均导通 线性最好 效率最低 B 类 导通半个周期引入非线性 效率较高 AB两器件交替导通，各略高于半个周期 C 类 导通不足半个周期D 类 用作开关 E 类 用作开关效率接近100 ％ ★ 由上至下，效率提高，但非线性加重，即使 在A 类，大信号时也存在饱和失真 图 图3.1 HPA 类别 (a) 结构 (b) 工作点★ 即使对线性放大器，输入幅度的任何变化都将导致输出产生不希望的幅度和相位调制AM-AM conversion调幅- 调幅转换AM-PM conversion调幅- 调相转换 4. 非线性影响的数学表述HPA 传输函数（多项式形式） 2 3y xx x             1Re2c c cjt jt jtx bte bte bte             由于其输入已调信号为 故其输出为                                                 2 2 2 23 3 23 2 32+ 24+ 38+ 3+c cc cc cc cj t j tj t j tj t j tj t j ty t b t e b t eb t e b t b t b t eb t e b t b t eb t b t e b t e                                 ★ 第一项为无失真项 ★ ★ 偶次幂对应的各项均在带外，将被紧跟的带通滤除，不会有干扰产物产生 ★ ★ 奇次幂对应的项中包含落入已调信号载波带内的项，无法分离，将有干扰产物产生无线通信调制与编码无线通信调制与编码。

大多数情形下，三次项对应的干扰产物，起主导作用                                               2 2223 + 383+ 831 + 4 23 4c cc cc cj t j tj t j tj t j tb t b t e b t b t eb t b tb t e b t eb tb t e b t eA t a t                       ＝＝＝● ● 三阶干扰产物 ★ ★ 上式表明，若输入信号幅度恒定，则没有失真 ● ● 三阶互调截点                        32 322cos cos3 3 3 3 cos cos4 2 2 43 3 cos 2 cos4 43 3 cos 3 co4 4c c dc c dc d c dc dx t t a ty x xa a at a ta at ta at                                                    考 虑仅 考 虑 传 输 函 数 中 一 次 和 三 次 项 ， 即＝－＋       3s 3 2 cos 3 34c dc dtat         ＋＋+ +2 c cd d   绘 绘 出 和（ （三 三阶 阶交 交调 调项 项之 之一 一） ）项 项随 随 着相 相对 对输 输入 入幅 幅度 度的 的曲 曲 线图 图3.4 三阶互调截点信号幅度较大时，不再线性增长，将线性部分 延伸，交点即为三阶互调截点（ TOI ） ★ TOI 用以度量非线性 23443令 ＝得 ＝aaTOI a    5. 非线性系统对信号频谱的影响 ★ ★ 使具有时变幅度信号的频谱产生失真－谱再生● ● 数学分析        2 3= 4at Atat  由 由前 前述 述三 三阶 阶失 失真 真 项其复基带表示为         23Re 4cj tat At bte       其复基带信号为（不计常数项）        2 ct Atbt             2 2CFAtbtFAt B          而基带谱为（不计常数项） 从而三阶失真项可表示为               1 2c cA C C      从而三阶失真项的频谱为（见式2.9 ）       Re cj tat cte     即输出失真项基带谱为等效基带信号谱与信号 幅度平方的频谱之卷积 ★ ★ 若信号幅度恒定不变，就没有失真，谱也不会再生 ★ ★ 信号幅度变化越小，谱再生也越小 ● 非线性系统中信号设计准则 若无法实现恒定幅度，使幅度的变化最小也是 很有价值的§ §3.2 用于非线性信道的线性调制方案 应用于线性调制的技术，以改善其在非线性信 道中的性能 基本原理前已提及：使幅度变化最小 3.2.1 线性调制在非线性信道中的性能 1. 非线性信道对线性调制的三方面影响● 产生自干扰 由于带内交调产物无 无 ISI 的脉冲重新出现 ISI星座图信号点扩展 即使无噪声● ● 引起 AM-AM AM-PM 转换任何输入幅度的变化导致输出幅度和相位的非线性变化，尤其当星座自身包含幅度变化，象QAM● ● 引起频谱再生 2 . 仿真 图 图3.5 线性调制通过非线性信道的仿真 ● ● 模型 ● ● HPA 特性 图 图3.6 HPA 相对于输入幅度的输出特性 (a) 幅度 (b) 相位 HPA 工作 于饱和区 附近 ● ● 结果－ 眼图 ISI 重现图 图3.7 (a) 图3.5 仿真中接收信号的眼图 图 图3.7 (b) 图3.5 仿真中接收信号扩散的星座图 ● ● 结果－ 星座图信号点散布信号点的扩散完全由非线性产生的自干扰引起 图 图3.7 (b) 图3.5 仿真中接收信号相移后的星座图 ● ● 结果－ 星座图AM-PM 转换信号点的位移由HPA与 与幅度相关的相移特性所致 ● 结果－频谱频谱（旁瓣）再生 图 图3.8 传输信号频谱图 (a) HPA 前 (b) HPA 后 ● 对结果的理论解释 图 图3.9 3.5 中HPA 输入端信号 (a) 信号包络 (b) 包络信号频谱 ★ (b) 图为包络信号的谱，并非输入信号谱，包络谱 与基带谱卷积得到HPA 非线性引起的输出谱 3 . 16-QAM 仿真 ● ● 结果－ 星座图严重失真 图 图3.10图3.5 仿真中16-QAM 接收信号扩散的星座图 图 图3.11 HPA 输出频谱再生: 16-QAM （－）与QPSK （ ） 比较 ● 结果－频谱频谱（旁瓣）再生 3.2.2 线性调制在用于非线性信道时的优化 1. 概述 ● 幅度变化是使线性调制性能变坏的本质原因 ● 优化目标使幅度变化最小 2. 原理 ● 避免过零转换如果 一个符号到下一个符号的转换通过星座图中心，则信号滤波后在转换过程中包络会降到零 ● 两种 实现方法OQPSK4DQPSK - -3. QPSK ● ● 两路 独立传输，两个通道可同时变化 ● ● 相位转移（跳变）图 ★ QPSK 码元转换时的最大相位跳变量达 发生在同相数据和正交数据同时跳变的时刻 过零 4. OQPSK● 改进思路I 、 Q 两路数据时间交错 ，不能同时变化，达到转换不过零 ● ● 相位转移( 跳变 ) 图 不过零 OQPSK QPSK ● OQPSK 重要特性 ★ ★ 由于码元 转换时同相数据和正交数据不能同 同时跳变，最大相位跳变量被限制为 ★ OQPSK 由于码元 转换时不过零，幅度波动大大降低 ★ 星座点转换频度两倍于QPSK ，使符号定时难度增加 ★ 两路正交信号波特率与QPSK 相同 ， 故带宽并未增加2 5. 4DQPSK - - 1 ） ） 改进思路增大星座图★ ★ 由相对移位 的两 QPSK 星座图交织构成星座图 ★ 每个星座图的点交替传输， 达到转换不过零 4 2 ）实现 4QPSK   的相位编码规则 ● ● 《 返回 〈 〈 上页 下页〉 〉输入码组 载波相位 1 1 1 1 - -1 1 1 1 - -1 1 - -1 1 1 1 - -1 1 ISQSk 4  3 4  3 4    4    ● ● 《 返回 〈 〈 上页 下页〉 〉 4DQPSK  是一种差分相位调制系统，信息寄托在 相邻码元载波相位变化中，其相位编码 规则可由的相位编码规则得出 4QPSK  概念输入码组 载波相位增量 1 1 1 1 - -1 1 1 1 - -1 1 - -1 1 1 1 - -1 1 ISQSk 4  3 4  3 4    4    4DQPSK   的相位编码规则 ● ● 4DQPSK - -★ ★3 4   最大相位跳 变量为 ● ● 调制原理      4cos1c k S sDQPSKS t t kTtkT      =coscos sinsink c k ct t  cosk kU   sinK kV   《 返回 〈 〈 上页 下页〉 〉 基带数据 1:kk kDPSK    1 cos cosk k k kU   －故＝ ＝ ＋   1 sin sink k k kV   －＝ ＋1 1 cos-sin k k kk kUU V   1 1 cos+sin k k kk kVV U   《 返回 〈 〈 上页 下页〉 〉 1 1 = coscos- sinsink k k k－ －1 1= sincos+ cossink k k k－ －输入码组 载波相位变化 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 ISQSk 4 34 4  34  cosk sink1212121212－12－12－12－0 0 00cos 1 U     设 设 ＝ ＝ 则4 DQPSK依 依－ － 相 相位 位编 编码 码规 规则 则 知0 0 sin 0 V   《 返回 〈 〈 上页 下页〉 〉 《 返回 〈 〈 上页 下页〉 〉 1 1 cos-sin k k kk kUU V   1 1 cos+sin k k kk kVV U   kaISQSk kUkV0U0Vkk UV 低 通 滤 波 器 用 来 对 对、 、 进 行 平 滑 ， 从 而 使 相 位 平 滑● ●    4DQPSKS t  ka串 串/ 并 ISQSsinc t 信号变换  cosc t kUkV  LPF LPF123456 7 8 1,1 -1,1 1,-1 -1,1 1,1 -1,-1 1,1 -1,-11-1 1 -1 1 -1 1 -111 -1 1 1 -1 1 -1-10-100-101ISQSk kUkVk kak4  34 4  4  34 34 2  4 4 4  34      34  34  2 例 例00   设 设 ＝《 返回 〈 〈 上页 下页〉 〉 12－121212－121212－12－kUkV 五电平信号 1 1 02  、 和 、 、 《 返回 〈 〈 上页 下页〉 〉 6. 优化的效果 ● 实际上 ， 无论OQPSK 还是都不能完全消除非线性信道的影响，特别是如果HPA 的线性不是很好，则频谱再现依然是一个十分严重的问题 ● ● 仿真结果见图3-15 4DQPSK  ★ 实际上改善微乎其微（HPA 非线性不是很好） ★ 若保证不了较好的线性，必须采用非线性调制 § §3.3 非线性调制● 非线性调制实际指频移键控 ● ● 仅调制相位，若调制后不进行滤波，本质上为恒包络方案 ● ● 主要问题在没有后滤波的情况下，使带宽或带外信号最小● ● FSKMSKCPM ( GMSK 、 GFSK )§ §3.3.1 FSK 1. 复基带信号 2. 信号与数据符号间为指数关系－指数调制 3.2. 调制指数 4. ★ ★ FSK 最重要的参数 5. ★ 表明频移与符号率的关系 6. ★ 既决定了解调的难易程度，又决定了频谱特性       expi dbt jdt  22d ddsf Th fTr  3. 相位连续性 ● ● 信号时域跃变或不连续导致频域大的旁瓣 ● ● FSK 在符号转换时刻可能发生 ● 连续相位FSK ( CP-FSK ) 图 图3.16 (a) 不连续 (b) 连续相位FSK 4. CP-FSK 复基带信号       1exp i d ii i i dbt jd td T     § §3.3.2 FSK 的最佳接收 1. 结构 2. 图 图3.17 FSK 最佳接收机 ★ 此结构中并未考虑相位连续与否，故可能有性能更好的接收机 2. 分析                         21010 10101 0 1 00c o s ,'1 'c o s c o s ,'0 '11 c o s 2 ,'1 '2 1c o s c o s '0 '2'1 '2 s in2TTTTt d tyt t d tt d tt t d tTT                                             1 01 0'0 'TT                    希望此项为0    1 020.50.5ddT k kT kTkh k        为 任 意 正 整 数★为0.5 的整数倍时，可得到最佳性能 h0.5 h  是满足该项条件的最小值，从而 发展出了最小频移键控（MSK ） § §3.3.3 MSK 1. 概念MSK ： 调制指数的2FSK 2. 相位变化量 3. 星座图0.5 h 2dT h     图 图3.18 MSK 星座图 观测点在符号周期末了 了 看上去与 QPSK 一 样 样 4. 状态转移图 ● ● 在符号间，信号绕圆周均匀地移动在信号点之间，相位随时间线性变化，幅度恒定 ● 信号点不会在本身间转换信号总是移动到其相邻的点5. 相位轨迹 ● ● 数学表示   i dt d t    一个符号周期内变化量为 1 22di d i iiTd T d d hMSK hd                   expi dbt jdt  分段直线 ● MSK 信号的相位网格图 6. MSK－线性调制● MSK 信号I 、Q 可分解为时移半正炫脉冲之和，幅度为取决于数据● MSK 实际上是一种线性调制方案，基带脉冲波形为持续时间为两个比特间隔的半正炫波－ 赋形的OQPSK● ● MSK 可看作基带成形脉冲为半正炫波的交错四相相位调制。

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