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VLSI DSP之带通调制与解调

本节主要介绍了数字带通调制中的高阶调制技术,以及OFDM调制与解调、CORDIC的硬件设计方法。

数字带通调制的基本概念

  • 载波的一般表达式

  • 波形振幅系数

  • 基本键控方式

    • 振幅键控(ASK):利用载波的幅度变化来传递数字信息,而其频率和初始相位保持不变
    • 频移键控(FSK):利用载波的频率变化来传递数字信息
    • 相移键控(PSK):利用载波的相位变化来传递数字信息,而振幅和频率保持不变

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  • 多进制数字调制

    • 定义:在码元间隔$0\leq t\leq T_s$内,可能发送的码元有M种,M通常为2的整数幂,则称为M进制数字调制

    • 误码率取决于信噪比$r$:

    • 设多进制码元的进制数为M,码元能量为E,一个码元中包含信息k比特,则有:

    • 若码元能量E平均分配给每个比特,则每比特的能量$E_b$等于$\frac Ek$:


高阶调制与解调技术

1.多进制调制

  • 原理:

  • 故在相同带宽内传输更多比特的信息,信道的频率效率提高至$log_2M$倍

  • 但噪声容限会降低

  • 暴露问题:随着M增加,距离减小,误码率增加

2.MQAM调制

  • 振幅和相位联合键控的调制方式

  • MQAM调制星座图(M=4,16,64,256)

    • 随着调制阶数M增加:传输速率提升,相邻信号点距离减小,误码率提升

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  • 16QAM信号的产生方法

    • 正交调幅法:用两路独立的正交4ASK信号叠加,形成16QAM信号

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    • 复合相移法:用两路独立的QPSK信号叠加,形成16QAM信号

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  • 16QAM与16PSK的对比

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  • MQAM解调系统仍是一种线性系统,解调后叠加的噪声仍为高斯白噪声

  • 同相和正交信号电平数为:

  • AWGN信道下的误比特率

    • MPSK与MQAM的误比特率随着M的增大而增大
    • M相同时,MQAM的误比特率比MPSK小

OFDM调制与解调的原理

  • OFDM系统把高速数据流通过串并转换,分解成若干低速的子数据流,用多个正交子载波去调制

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  • 信号的正交性:对于任意两个函数$S_1(t)$和$S_2(t)$,如果有$\int_0^TS_1(t)S_2(t)dt=0$,则函数$S_1(t)$和$S_2(t)$在区间$(0,T)$上正交

  • 对于OFDM:若相邻子载波的频率间隔$\Delta f=\frac 1T$,则子载波相互正交,有:

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  • OFDM系统频谱:每个载波在其自身取最大值时,其他载波都取0,降低了带宽

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OFDM调制与解调的实现

  • OFDM调制通过IFFT实现,解调通过FFT实现

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  • 系统设计需考虑的参数:

    • 明确系统参数:比特速率、带宽、误码率要求、根均方时延

    • 保护时隙长度:2-4倍信道的扩展时延

    • 符号长度:OFDM符号长度一般选择时保护时隙的5倍,以尽量减小SNR损失

    • 子载波个数:

      • 各子载波间距的大小也受到载波偏移及相位稳定度的影响
      • 子载波的数量根据信道带宽、数据速率以及符号周期来确定
    • 调制与信道编码:

      • 由误码率决定
      • 一个OFDM符号承载的比特数
    • 保护时间:在OFDM系统中,保护时间的引入会引起带宽利用率的下降

    • 符号周期:

      • 为了减小保护时间引起的信噪比性能损失,符号周期必须大于保护时间,但符号周期的增加意味着子载波数量的增加以及系统复杂度的上升

      • 实际系统设计时,符号周期至少时保护周期的4~5倍

    • 调制方式:

      • OFDM系统采用的调制方式应根据功率及频谱利用率的要求来确定,常用QPSK和16QAM
      • 不同子信道可采用不同调制方式。性能较好的子信道应采用频谱利用率高的方式,而衰落较大的子信道应采用功率利用率较高的方式
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