chapter3_The_fundamental_of_Mobile_Communications

1、第三章第三章 移動通信中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)移動通信中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)p最小頻移鍵控（MSK）p高斯濾波的最小頻移鍵控（GMSK）p/4四相相移鍵控（ /4-QPSK）p多進(jìn)制正交振幅調(diào)制（MQAM）p多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）p自適應(yīng)調(diào)制(Adaptive modulation)p正交頻分復(fù)用OFDMp擴(kuò)頻調(diào)制調(diào)制的目的1）將信息變換成便于傳輸?shù)男问?基帶信號頻率較高的帶通信號2）在無線傳輸環(huán)境中提供盡可能好的傳輸性能 具有較強(qiáng)的抗衰落抗干擾能力，較低的誤碼率。3）占用最小的帶寬來傳輸信號 提高頻譜利用率, 頻率復(fù)用Small antenna size Antenna size is inverse

2、ly proportional to frequencye.g., 3 kHz 50 km antenna 3 GHz 5 cm antenna移動通信對數(shù)字調(diào)制和解調(diào)的基本要求v在衰落信道下，誤碼率要盡可能低；v已調(diào)信號頻譜的主瓣要窄，副瓣的幅度要低，帶外輻射、鄰道功率與載波功率之比小于-70dB;v高效率解調(diào)（如非相干解調(diào)），以降低移動臺功耗，進(jìn)一步縮小體積和成本；v能提供較高的傳輸速率；v易于集成。移動無線通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)移動無線通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)1、模擬調(diào)制：AM FM PM2、數(shù)字調(diào)制1）線性調(diào)制技術(shù) 二進(jìn)制幅度鍵控 BASK 二進(jìn)制相移鍵控 BPSK 差分相移鍵控 DPSK

3、四相相移鍵控 QPSK 交錯QPSK OQPSK /4四相相移鍵控 /4-QPSK 2）恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù) 二進(jìn)制頻移鍵控 BFSK 最小頻移鍵控 MSK 高斯最小頻移鍵控 GMSK 平滑調(diào)頻 TFM3）線性和恒包絡(luò)組合調(diào)制技術(shù) 多進(jìn)制幅度鍵控 MASK 多進(jìn)制相移鍵控 MPSK 多進(jìn)制頻移鍵控 MFSK 多進(jìn)制正交幅度調(diào)制 MQAM4）擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù) 直接序列擴(kuò)頻 DS-SS 跳頻與跳時擴(kuò)頻5）自適應(yīng)調(diào)制 （可變速率調(diào)制）6）正交頻分復(fù)用OFDM現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)都采用數(shù)字調(diào)制，其具有：更好的抗噪聲性能更強(qiáng)的抗信道損耗更容易復(fù)用不同形式的信息更好的安全性選擇一種數(shù)字調(diào)制方案要考慮的因素選擇一種數(shù)字調(diào)

4、制方案要考慮的因素在低接收信噪比的條件下提供小的誤比特率；對抗多徑和衰落情況性能良好；占用最小帶寬；容易實現(xiàn)，價格低廉。從以上幾種因素根據(jù)不同應(yīng)用要求，進(jìn)行折中考慮。1、功率效率（能量效率）p 在接收機(jī)輸入端特定的誤碼率下，每比特信號能量和噪聲功率譜密度的比值。 Eb/No描述了在低功率情況下，一種調(diào)制技術(shù)保持?jǐn)?shù)字信息信號正確傳送的能力。衡量數(shù)字調(diào)制方案的性能參數(shù)衡量數(shù)字調(diào)制方案的性能參數(shù)2、 帶寬效率B 定義為給定帶寬內(nèi)每赫茲數(shù)據(jù)率吞吐量的值。描述了調(diào)制方案在有限的帶寬內(nèi)容納數(shù)據(jù)的能力。BRBbps/HzR:每秒數(shù)據(jù)率 bpsB:已調(diào)RF信號占用的帶寬 Hz 帶寬效率B的理論上限： Shan

5、non的信道編碼理論指出：在一個任意小的錯誤概率下，最大帶寬效率受限于信道內(nèi)的噪聲。)1(log2NSBCB例：帶寬為200kHz, SNR為10dB的信道的理論最大數(shù)據(jù)率為：kbpsNSBC886.691)101 (log10200)1 (log232GSM的數(shù)據(jù)率為270.833kbps，是在10dB SNR條件下理論值的40%。幾種基本的數(shù)字調(diào)制技術(shù)幾種基本的數(shù)字調(diào)制技術(shù)幾種基本的數(shù)字調(diào)制技術(shù)恒包絡(luò)調(diào)制具有以下優(yōu)點(diǎn):v不管調(diào)制信號的變化, 保證載波振幅恒定。v功率放大器工作在C類, 不會引起發(fā)射信號占用頻譜增大。 v帶外輻射低: -60-70 dB。v使用簡單限幅器-鑒頻器檢測，便可抗隨

6、機(jī)噪聲和由于瑞利(Rayleigh)衰落造成的影響， 且簡化了接收機(jī)電路。v但是占用的帶寬比線性調(diào)制大,在優(yōu)先考慮頻帶利用率時,橫包絡(luò)調(diào)制就不太適用.最?。ㄕ{(diào)制指數(shù)）頻移鍵控MSKMinimum Shift Keying一、MSK工作原理 MSK 滿足兩個條件：調(diào)制指數(shù)為0.5在碼元交替點(diǎn)相位連續(xù)bbkbkcMSKTktkTtTatS) 1()2cos(載頻第k個碼元中的相位常數(shù))2(211bcmkTfa時，信號頻率)2(211bcskTfa時，信號頻率第k個碼元中的數(shù)據(jù)頻偏1、MSK信號表示221bbsmRTfff最小頻差：即：最小頻差等于碼元速率的一半。5 . 0/1bbTfRfh調(diào)制指數(shù)

7、：當(dāng)碼元為1時，則信號為： ttsttstsssmmcoscos)(）（）（ak=1 ak=-1 傳號角頻率 bcmT2空號角頻率 bcsT2為什么是h=0.5是最小調(diào)制指數(shù)？定義兩個信號sm(t)與ss(t)的波形相關(guān)系數(shù)為 dttstsEsTmbb)()(10dttsdttsEbbTmTsb0202)()(信號能量的表示式為 可求得相關(guān)系數(shù)bsmbsmbsmbsmTTTT)()sin()()sin(0 為便于控制，希望兩個信號正交， 而兩個信號正交條件是相關(guān)系數(shù)為零。首先令 ()msbTn n=1, 2, 3, 1144bccTnnTf此式說明，每個碼元寬度是1/4個載波周期的整數(shù)倍。cc

8、f22cms此條件滿足后，相關(guān)系數(shù)可寫為 bsmbsmbsmbsmTffTffTT)(2)(2sin)()sin(nTbsm)(=0，sm(t)和ss(t)兩信號正交。nTbsm)(當(dāng)n=1時，(m-s)Tb=為最小頻差。調(diào)制系數(shù)為 bsmbbdTffTfrfh)(2對于hh22sin相關(guān)系數(shù)為0時所對應(yīng)的h（頻差）并非單一值。只有在h=0.5時為最小頻差的正交狀態(tài)。所以：MSK是一種滿足兩個信號正交的條件，且頻差最小的 FSK。2、MSK信號波形設(shè)每個碼元周期Tb有N個載波整周期再加上m個1/4載波周期來表示，則：bbbdcsbbbdcmcbTmNTTmNfffTmNTTmNfffmNfmN

9、T1)41(411)4(1)41(411)4(3 , 2 , 11)4(為整數(shù)，說明在一個碼元周期Tb內(nèi)，包含fm或fs的周期數(shù)都是1/4的整數(shù)倍，兩者之差(fm-fs)固定為半個周期。例：Rb=5Mb/s=1/Tb, fd=Rb/4=1.25MHz 虛載波fc=15fd=18.75MHz 則 fc=(3+3/4)*1/Tb N=3,m=3 得：fm=4Rb=20MHz fs=3.5Rb=17.5MHz即在一個碼元期間有4個fm的整周期或3.5個fs的整周期。4*1/fm3.5*1/fsMSK信號的包絡(luò)是恒定的,相位是連續(xù)的.3、MSK信號的相位2, 1,2, 12,222)(負(fù)斜率正斜率的增

10、量為在一個截距斜率kkbkbbkkbkaaTTTatTat3、MSK信號的相位-相位網(wǎng)格圖 (t)相位是連續(xù)的，每一段直線方程的截距k一定是0或|的整數(shù)倍。 k = k-1 +(ak-1 - ak )k/2t/Tb123456/2-/2+1 +1 -1 +1 -1 -1 -1-3、MSK信號的相位-相位網(wǎng)格圖 4、MSK信號正交展開通過正交展開，可得：正交分量同相分量:sin)2sin(cos)2cos(sin)2sin(coscos)2cos(cos)(kkcbkcbkcbkkcbkMSKQIttTQttTIttTattTtS從上可知，s(t)由兩個正交的調(diào)幅信號合成4、MSK調(diào)制和解調(diào)差分

11、編碼串/并Tb)2cos(tTb)2sin(tTbtccostcsinMSK信號調(diào)制4、MSK調(diào)制和解調(diào)差分譯碼并/串ttTcbcos)2cos(ttTcbsin)2sin(MSK信號解調(diào)載波提取LPFLPF抽樣判決抽樣判決5、MSK信號的功率譜和誤碼性能單邊功率譜2228cos 2()()14()bcbcbTffTP fffT誤碼率MSK正交相干解調(diào)，對I、Q支路都可視為2PSK相干解調(diào)。 PeI=PeQobeQeIeNEerfcPPP2121210.511.522.5 50 40 30 20 10MSKQPSK歸 一 化 頻 率 ( f fc)Tb歸 一 化 功 率 譜 密 度 W(f)

12、/ dBMSK信號的功率譜6、MSK信號的基本特性14bT恒包絡(luò)，頻偏為 ，調(diào)制指數(shù)h=1/2。附加相位在一個碼元時間的線性變化 ，相鄰碼元轉(zhuǎn)換時刻的相位連續(xù)。一個碼元時間是1/4個載波周期的整數(shù)倍。2高斯濾波的最小頻移鍵控（GMSK）一、GMSK信號的產(chǎn)生原理 高斯濾波器FM調(diào)制器調(diào)制指數(shù)0.5NRZGMSK信號預(yù)調(diào)制濾波器 實現(xiàn)GMSK信號的調(diào)制, 關(guān)鍵是設(shè)計性能良好的高斯低通濾波器, 它必須具有如下特性: (1） 有良好的窄帶和尖銳的截止特性, 以濾除基帶信號中的高頻成分。 (2） 脈沖響應(yīng)過沖量應(yīng)盡可能小, 防止已調(diào)波瞬時頻偏過大。 (3） 輸出脈沖響應(yīng)曲線的面積對應(yīng)的相位為/2, 使

13、調(diào)制系數(shù)為1/2。 滿足這些特性的高斯低通濾波器的頻率傳輸函數(shù)H(f)為)exp()(22fafH式中,是與濾波器3 dB帶寬Bb有關(guān)的一個系數(shù)，選擇不同的，濾波器的特性隨之而改變。通常將高斯低通濾波器的傳輸函數(shù)值為 時的濾波器帶寬，定義為濾波器的3 dB帶寬， 即： 2/15887. 0221nBb由上式可見，改變時，帶寬Bb也隨之改變。反之，已知濾波器的3 dB帶寬，得出參數(shù)，進(jìn)行濾波器設(shè)計。 根據(jù)傳輸函數(shù)可求出濾波器的沖激響應(yīng)h(t)為 222222exp)(2exp)()(tdfftjfdfefHthftj 當(dāng)3 dB帶寬增大時，濾波器的傳輸函數(shù)隨之變寬， 而沖激響應(yīng)函數(shù)卻隨之變窄。

14、高斯低通濾波器傳輸特性 01234f Tb0.51H (f )0.20.8BbTb 1.6高斯低通濾波器沖激響應(yīng) 0Tb2Tb3Tbt1.0h(t)BbTb 1.4BbTb增加，傳輸函數(shù)變寬，沖激響應(yīng)變窄BbTb增加，傳輸函數(shù)變寬，沖激響應(yīng)變窄高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)的波形隨BbTb的減小而越來越寬。可見，濾波器的帶寬越窄，輸出響應(yīng)被展得越寬。當(dāng)BbTb=0.25時，脈沖寬度為3Tb的輸出脈沖脈沖寬度為Tb的脈沖TbTbTb控制BbTb=0.20.5，使碼間串?dāng)_只影響前后兩個相鄰碼元，考慮前后碼元極性不同，相位增量為：0, /4, /2.t/Tb123456

15、/2-/2/2 /2 / 4 0 0 - /4 - /2 -+1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -17GMSK信號的相位路徑不但連續(xù)，并在碼元轉(zhuǎn)換時刻是平滑的。GMSK信號的相位路徑二、GMSK信號的調(diào)制與解調(diào) 1、調(diào)制高斯濾波器FM調(diào)制器調(diào)制指數(shù)0.5NRZGMSK信號缺點(diǎn)：由基帶高斯脈沖直接調(diào)頻，在保證調(diào)制靈敏度和線性的同時，中心頻率和穩(wěn)定度較差。二、GMSK信號的調(diào)制與解調(diào) 1、調(diào)制-PLL型GMSK調(diào)制器/2相移BPSKLPFGMSK信號VCO/2相移BPSK：保證每個碼元期間的相位變化/2；PLL： 對碼元轉(zhuǎn)換時刻的相位突變進(jìn)行平滑處理。要求：使PLL的傳輸特性滿足高斯濾波的要

16、求， 才能獲得良好的信號頻譜特性2、解調(diào)可以用MSK一樣的正交相干解調(diào)電路，在相干解調(diào)中，最為重要的是相干載波的提取，在移動通信環(huán)境中比較困難，因而通常采用差分解調(diào)和鑒頻器解調(diào)等非相干解調(diào)。一比特差分延遲檢測二比特差分延遲檢測一比特延遲差分檢測 GMSK信號BPFTb / 2sI(t)x(t)LPFy(t)門 限判 決判 決 時 鐘ka二比特延遲差分檢測電路 GMSK信號BPF2TbsI(t)x(t)LPFy(t)門 限判 決判決時鐘ka三、GMSK信號的頻譜特性 BbTb越小，GMSK功率譜的高頻滾降就越快，主瓣越窄。BbT(MSK)1.00.7 00

17、.51.01.52.02.5120100806040200歸一化頻率(f fc)T歸一化功率譜密度 / dB四、GMSK信號的誤碼性能 GMSK在衰落信道中傳輸時，誤碼率與Eb/No、多普勒頻移等多種因素有關(guān)。采用延遲差分檢測對改善瑞利衰落信道的誤碼性能有利。二比特的差分延遲檢測的誤碼性能優(yōu)于一比特延遲的差分檢測。036. 1NEQPbe相干檢測誤碼性能 0204060瑞利衰落106105104103102101Pe(Eb / No) / dBfD4 HzfD12 HzfD40 HzBbTb0.25二比特延遲差分檢測誤碼性能 0204060瑞利衰落106105104103102101Pe(Eb

18、 / No) / dBfD40 HzBbTb0.25二比特差分檢測相干檢測線性調(diào)制技術(shù)v已調(diào)信號的幅度s(t)隨數(shù)字調(diào)制信號m(t)的變化而呈線性變化。vs(t)可表示為v載波幅度隨調(diào)制信號呈線性變化。v線性調(diào)制方案一般來說都不是恒包絡(luò)。cRcIc( )Re( )exp(j2)( )cos(2)( )sin(2)s tAm tf tA mtf tm tf t二進(jìn)制相移鍵控 (BPSK: Binary Phase Shift Keying )載波的相位隨調(diào)制信號1或0改變。 1 相位 00 0 相位 1800000cos()( )1( )( ) cos()cos()( )0cccAtm tS t

19、m t AtAtm t二進(jìn)制相移鍵控v二進(jìn)制相移鍵控也可表示為 v其復(fù)數(shù)形式為bBPSKc0b2( )( )cos(2)0bEstm tf ttTT BPSKBPSKcRe( )exp(j2)sgtf tjbBPSKb2( )( )eEgtm tT其中為信號的復(fù)包絡(luò)。2bbb212bEEA TAT每比特能量因為vBPSK信號的功率譜密度22bcbcbBPSKcbcbsin ()sin ()2()()Eff Tff TPff Tff T 矩形和升余弦滾降脈沖成型的BPSK信號的PSD主瓣寬度BW=2Rb=2/Tb經(jīng)=0.5的升余弦滾降濾波器后，幾乎所有的能量集中在1.5Rb的帶寬內(nèi)。v如果沒有信

20、道引入的多徑損耗，接收的BPSK信號可表示為vBPSK使用相干解調(diào)方法，接收機(jī)端知道載波的相位和頻率信息如果和BPSK信號同時傳輸一個載波導(dǎo)頻信號，在接收機(jī)端使用鎖相環(huán)（PLL）就能恢復(fù)出載波的相位和頻率。如果沒有傳輸載波導(dǎo)頻信號，可以用Costas環(huán)或者平方環(huán)從接收到的BPSK信號中，恢復(fù)同步載波的相位和頻率。 bbBPSKc0chcbb22( )( )cos(2)( )cos(2)EEstm tf tm tf tTT信道中時間延遲造成的相位0btT 帶載波恢復(fù)電路的BPSK接收機(jī)框圖BPSK的誤碼性能v對于AWGN信道，許多調(diào)制方案的比特差錯概率用信號點(diǎn)之間距離的Q(x)函數(shù)來得到。 Q(

21、z) is defined as the probability that a Gaussian random variable x with mean 0 and variance 1 is bigger than zwhereBPSK的誤碼性能vBPSK信號相鄰點(diǎn)的距離為vAWGN信道， BPSK信號比特差錯概率為 b2 Ebe,BPSK022bEPQQNIQbEbE差分相移鍵控DPSK v絕對調(diào)相:利用載波相位絕對數(shù)值傳送數(shù)字信息。 v相對調(diào)相:利用前后碼元之間相位的相對變化傳送數(shù)字信息。vDPSK：是一種常用的相對調(diào)相方式。DPSK不需要在接收機(jī)端有相干參考信號，而且非相干接收機(jī)容易實

22、現(xiàn)。 vDPSK調(diào)制器1kkkdmdv在接收機(jī)端，通過相應(yīng)的處理過程，從解調(diào)的差分編碼信號中恢復(fù)出原始信號。反映前后碼元反映前后碼元之間的相對相之間的相對相位關(guān)系位關(guān)系差分相移鍵控DPSKvDPSK信號差分解調(diào)不需要相干參考信號（即載波），在抗頻率漂移能力、抗多徑效應(yīng)以及抗相位慢抖動能力方面均優(yōu)于采用相干解調(diào)的絕對調(diào)相方法，可它的能量效率比相干DPSK低3dB。 b0e, PSK12ENDPe載波的相位有4種取值，每個相位代表一個符號，每個符號包含兩比特的信息。 )cos(11)43cos(11)43cos(11)4cos(11)4cos()(1111kcnncnncnncnnctAaatAa

23、atAaatAaatAtS四相相移鍵控四相相移鍵控QPSK Quadrature Phase Shift Keying IQ+1 +1-1 +1+1 -1-1 -1IQ+1 +1-1 +1+1 -1-1 -1每隔2Tb相位跳變一次，相位跳變量：/2 或 QPSK信號可以用有四個點(diǎn)的二維星座圖表示：四相相移鍵控四相相移鍵控QPSKQPSK Quadrature Phase Shift KeyingQuadrature Phase Shift Keying v在一個調(diào)制碼元中傳輸兩個比特，四相相移鍵控（QPSK）比BPSK的帶寬效率高兩倍。 sQPSKs2( )cos 2(1)2cEstf tiT

24、ssQPSKccss22( )cos (1)cos 2sin (1)sin 222EEstif tif tTT上式可看成兩個正交載波分量之和，其幅度分別為上式可看成兩個正交載波分量之和，其幅度分別為I Ik k和和Q Qk kIkQki=1,2,3,4 串/并電平轉(zhuǎn)換器tccostcsinQPSK:四相相移鍵控四相相移鍵控調(diào)制器：調(diào)制器：電平轉(zhuǎn)換器LPFLPFRb輸入比特流Rb/2Rb/2IQQPSK:四相相移鍵控四相相移鍵控相干解調(diào)器：相干解調(diào)器：QPSK符號定時恢復(fù)并/串載波恢復(fù)LPFLPF一比特A/D轉(zhuǎn)換一比特A/D轉(zhuǎn)換900恢復(fù)的比特流v在加性高斯白噪聲（AWGN）信道中QPSK信號的

25、平均比特差錯概率為 be,QPSK02EPQNvQPSK的比特差錯概率與BPSK相等，但在同樣的帶寬內(nèi)傳輸了兩倍的數(shù)據(jù)。這樣與BPSK相比，QPSK在同樣的能量效率情況下，提供了兩倍的頻譜效率。 QPSK信號的功率譜密度vQPSK信號在當(dāng)用矩形和升余弦濾波脈沖時的功率譜密度 交錯四相相移鍵控交錯四相相移鍵控 OQPSK（Offset QPSK)IQ+1 +1-1 +1+1 -1-1 -1每隔2Tb相位跳變一次，跳變量控制在/2內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)：可以顯著改善信號通過帶限、非線性信道所產(chǎn) 生的頻譜擴(kuò)散。 其頻譜和QPSK信號完全相同缺點(diǎn)：不能用鑒相器檢測，也不能用差分檢測。OQPSK:交錯四相相移鍵控交錯

26、四相相移鍵控 （Offset QPSK)調(diào)制器：調(diào)制器：解調(diào)：不能進(jìn)行差分檢測。QPSK和和OQPSK信號中的同相分量和正交分量信號中的同相分量和正交分量a1a1a2a2a2a3a3差分四相相移鍵控差分四相相移鍵控 DQPSK（Differential Encoded QPSK)通常載波恢復(fù)都存在相位模糊。若QPSK會發(fā)生4相模糊時，會引起相當(dāng)大的誤碼率。為了消除這一相位的模糊性，可在調(diào)制器內(nèi)加一差分編碼器，在解調(diào)器內(nèi)加一差分解碼器，這就是所謂的差分QPSK（DQPSK）。/4四相相移鍵控四相相移鍵控/4 QPSKIQ分8個相間/4的相位點(diǎn)分成兩組： 組和 組兩組之間可交替跳變跳變量：/4，3

27、/4優(yōu)點(diǎn)：可以用差分檢測。一、信號的產(chǎn)生串/并tccostcsin信號變換LPFLPF輸入比特流SISQUkVk放大/4-QPSK信號一、信號的產(chǎn)生(cont.)kkkkkktckVtckUtcktckktctS11sincossinsincoscos)cos()(量：當(dāng)前碼元的相位跳變：前一碼元的附加相位：當(dāng)前碼元的附加相位一、信號的產(chǎn)生(cont.)1sin11cos1sin1coscos1sin)1sin(sinsin1sincos1cos)1cos(coskkVkkUkkkkkkkkVkkkkkkkkU其中：一、信號的產(chǎn)生(cont.)kkUkkVkVkkVkkUkUsin1cos1s

28、in1cos1該式表明：前一碼元的兩個正交信號幅度與當(dāng)前碼元的兩個正交信號幅度之間的關(guān)系，取決于當(dāng)前碼元的相位跳變量。而相位跳變量又取決于信號變換電路輸入的碼組。一、信號的產(chǎn)生(cont.)/4-QPSK相位跳變規(guī)則1,21, 0取值為：的可能和kVkUkIQ一、信號的產(chǎn)生(cont.) /4-QPSK的相位關(guān)系21,2121,2121,2121,21(0,-1)(1,0)(0,1)(-1,0)一、信號的產(chǎn)生(cont.) 例：設(shè)初始相位為0。ak +1 +1 1 +1 +1 1 +1 +1 1 -1 SI +1 -1 +1 +1 -1 SQ +1 +1 -1 +1 -1 k /4 3/4 -

29、 /4 /4 -3/4 k /4 3/4 /4 Uk -1 -1 Vk 0 02/12/12/12/12/12/1二、信號的檢測 相干檢測 差分檢測 鑒頻器檢測1、基帶差分檢測 本地正交載波只要求與信號的未調(diào)載波 同頻，不要求相位相干。2、中頻差分檢測：優(yōu)點(diǎn)是不用本地載波。3、鑒頻器檢測三、三、 /4-QPSK信號的性能信號的性能 1) 頻譜特性 /4-QPSK信號的功率譜密度曲線（a） 經(jīng)無負(fù)反饋控制功放后的信號; （b）經(jīng)有負(fù)反饋控制的功放后的信號 60 40 20功 率 譜 密 度 損 耗 / dB20406080f / kHz 60 40 20功 率 譜 密 度 損 耗 / dB204

30、06080f / kHz(a)(b)025KHz所用數(shù)據(jù)速率為：32kb/sLPF 滾降系數(shù) =0.5當(dāng)發(fā)射機(jī)的功率放大器有負(fù)反饋控制時，其功率譜的主瓣寬度不大于25KHz，主瓣高出其余部分約60db。該頻譜特性優(yōu)于其它一些窄帶調(diào)制方法，如GMSK、TMF等。 2) 誤碼性能誤碼性能 誤碼性能與所采用的檢測方式有關(guān)。 采用基帶差分檢測方式的誤比特率與比特能量噪聲功率密度比（Eb/N0）之間的關(guān)系式為 002000022212) 12(NEbbkkkNEebbeNEINEIeP式中, 是參量為 的K階修正第一類貝塞爾函數(shù)。 0( 2/)kbIEN0/2NEb穩(wěn)態(tài)高斯信道中的誤碼性能曲線 QPSK

31、相干檢測/4-QPSK基帶差分檢測差分檢測實際值10710604812 1620 24 28 32105104103102101BERdB0bNE快衰落信道條件下的誤碼性能曲線 0204080理想信道BERfD80 HzfD40 Hz10410310210110510660100107dB0bNE對于非相干鑒頻器檢測，在快衰落信道條件下，以最大多普勒頻移作為參量，當(dāng)最大多普勒頻移為80Hz時，只要Eb/No=26db，即可獲得Pe10-3.最大多普勒頻移 實踐證明，/4-QPSK信號具有頻譜特性好，功率效率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。可以在26 kb帶寬內(nèi)傳輸3242 kb數(shù)字信息，從而有效地提高

32、頻譜利用率，增大了系統(tǒng)容量。因而在數(shù)字移動通信中， 特別是小功率系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)與線性和恒包絡(luò)組合的調(diào)制技術(shù)v現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)可通過同時改變發(fā)射載波的包絡(luò)和相位（或頻率）傳輸數(shù)字基帶數(shù)據(jù)。v因為包絡(luò)和相位提供了兩個自由度，這樣的調(diào)制技術(shù)將基帶數(shù)據(jù)映射到四種或更多的射頻載波信號。此種調(diào)制技術(shù)稱之為多進(jìn)制調(diào)制，它比單獨(dú)使用幅度或相位調(diào)制表示更多的信號。 v根據(jù)載波的變化是幅度、相位還是頻率，調(diào)制方法有：多進(jìn)制幅度鍵控（MASK）多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）多進(jìn)制頻移鍵控（MFSK） 多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)v在M進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，每個碼元可以攜帶log2M個比特信息，因此在信道頻帶受限時可以增加信息

33、的傳輸率（即比特率），提高頻帶的利用率提高頻帶的利用率。v由于碼元在星座圖位置距離變小引起定時誤差增加，這將會導(dǎo)致誤碼率升高誤碼率升高。v多進(jìn)制調(diào)制方法在獲得更好的帶寬特性的同時，犧牲了功率效率。 s2b(log)TM T多進(jìn)制幅度鍵控（MASK）與脈沖幅度調(diào)制（PAM）vMASK使用M種可能的取值對載波幅度進(jìn)行鍵控，在每個碼元間隔Ts內(nèi)發(fā)送一種幅度的載波信號。v與M 個可能的k比特碼元對應(yīng)的M個可能的離散幅值GrayGray編碼的編碼的MASKMASK星座星座M = 2 M = 4 M = 8(21)1,2, mAmM dmM-d d-3d -d d 3d-7d -5d -3d -d d 3

34、d 5d 7d多進(jìn)制幅度鍵控（MASK）與脈沖幅度調(diào)制（PAM）vMASK信號的一般表達(dá)式為 v被單個基帶碼元調(diào)制的脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號為 cj2MASKc( )Re() e() cos(2)f tnsnsnnsta g tnTa g tnTf tcj2c( )Re( )e( )cos(2)f tmmmstA g tA g tf tv波形g(t)為實值的脈沖，其波形影響被發(fā)射信號的譜。 vM個PAM信號具有能量 ss 2222 0 011( )d( )d22TTmmmmgEsttAgttA EMASK與PAMMASK與PAM(a) 基帶PAM信號 (b) 帶通PAM信號 v(a)表示出了

35、具有四種幅值的基帶PAM信號，v(b)則是載波調(diào)制形式的PAM信號，即帶通PAM信號。 多進(jìn)制相移鍵控MPSK v載波相位有M種取值vMPSK的星座圖：信號點(diǎn)均勻分布在以原點(diǎn)為中心、 為半徑的圓周上M=8 8PSKsEsEv相鄰碼元間的距離等于 s2sin()EMMPSK v調(diào)制后的波形表達(dá)式如下 0tTs i = 1,2, M scs22( )cos 2(1)iEs tf tiTMssccss2222( )cos(1) cos(2)sin(1) sin(2)1,2,iEEs tif tif tiMTMTMMPSK信號在沒有脈沖成型的情況下有著恒定包絡(luò)。MPSKv多進(jìn)制PSK系統(tǒng)的平均誤碼概率

36、 v加性高斯白噪聲信道中微分解調(diào)多進(jìn)制PSK系統(tǒng)（M4）的碼元差錯概率大約為 b202log2sineEMPQNMse042sin2EPQNMMPSKv矩形脈沖的MPSK信號的PSD：22scscsMPSKcc22b2cb2cb2cb2cb2sin ()sin ()2()()logsin ()logsin ()log2()log()log Eff Tff TPff Tff TEMff TMff TMff TMff TMMPSK功率譜密度vM=8，M=16（固定Rb的矩形脈沖和升余弦脈沖的PSD） MPSK信號的帶寬效率和功率效率v在Rb保持不變的情況下：MPSK信號的主瓣隨著M的增加而減小，所

37、以隨著M值的增加，帶寬效率增加。即Rb不變，M增加時， B減小、 B增加增大M意味著星座圖更加緊密，功率效率（抗噪聲性能）降低。v在實際無線通信信道中，MPSK信號需要使用導(dǎo)頻碼元或均衡。 多進(jìn)制正交幅度調(diào)制多進(jìn)制正交幅度調(diào)制MQAMMQAM (M-ary Quadrature Amplitude Modulation)(M-ary Quadrature Amplitude Modulation) 正交幅度調(diào)制通過同時改變相位和幅度獲得的正交幅度調(diào)制通過同時改變相位和幅度獲得的 一種調(diào)制方法一種調(diào)制方法16QAM信號的星座圖 （矩形） （圓形） 多進(jìn)制多進(jìn)制QAMQAM的碼元沒有恒定的包絡(luò)，碼

38、元間距也不完全相同的碼元沒有恒定的包絡(luò)，碼元間距也不完全相同-3 -1 1 331-1-3MQAMMQAM QAMQAM信號表達(dá)式為：信號表達(dá)式為：bcmcmQAMTttBtAtS0sincos)(Am和Bm：離散的振幅值 m=1,2,MM: Am和Bm的個數(shù)正交幅度調(diào)制（正交幅度調(diào)制（QAMQAM）可以視為脈沖幅度調(diào)制（）可以視為脈沖幅度調(diào)制（PAMPAM）和相移）和相移鍵控（鍵控（PSKPSK）的組合）的組合Quadrature Amplitude ModulationvQuadrature Amplitude Modulation (QAM): combines amplitude an

39、d phase modulationvit is possible to code n bits using one symbolv2n discrete levels, n=2 identical to QPSKvbit error rate increases with n, but less errors compared to comparable PSK schemesExample: 16-QAM (4 bits = 1 symbol) Symbols 0011 and 0001 have the same phase , but different amplitude a. 00

40、00 and 1000 have different phase, but same amplitude. used in standard 9600 bit/s modems0000000100111000QI0010aminminccss22( )cos(2)sin(2)0 1,2, iiisEEs taf tbf ttTiMTT The general form of MQAM signal is:There is no constant envelop in MQAM, the distance between symbols are not same fully.Some speci

41、al si(t) are more easily to be detected.QAM can be viewed as the combination of PAM and PSK1c s2( )cos(2)0stf ttTT 2cs2( )sin(2)0stf ttTT Any combination of M1 PAM and M2 PSK can construct a PAM-PSK signal (M = M1M2)QAM signal can be represented by two linear combinations of orthogonal signals.Assum

42、ing rectangle pulse shaping filter are used, signal si(t) extends to a pair of basic functions, that is minmin,iiaEbE 1,13,1(1,1)1,33,3(1,3),1,13,1(1,1)iiLLLLLLLLLLLLa bLLLLLL The coordinate of the ith signal point is:Where (ai,bi) is the matrix which is of LL elementsWhere ML MQAMv使用相干檢測，多進(jìn)制QAM信號在加

43、性高斯白噪聲信道中的平均誤碼率是 v使用平均信號能量Eav，公式可表示為 mine0214 1EPQNMave0314 1(1)EPQMNMMQAMvQAM調(diào)制信號的功率譜和帶寬效率與多進(jìn)制PSK調(diào)制信號相同。v在功率效率方面，QAM優(yōu)于多進(jìn)制PSK。表中列出了不同M值QAM信號的帶寬和功率效率，其中假設(shè)在高斯加性白噪聲信道中使用了最優(yōu)升余弦滾降濾波器。QAM的帶寬和功率效率 可變速率調(diào)制（自適應(yīng)調(diào)制）可變速率調(diào)制（自適應(yīng)調(diào)制）Adaptive modulation一、概述1、克服幅度衰落的措施： 增加發(fā)射功率，加大幅度余量。降低無線信道中的比特傳輸速率。理想方法：可變速率調(diào)制。 根據(jù)移動信道

44、隨機(jī)變化的情況自適應(yīng)地改 變無線傳輸速率。 信道條件好，用較高速率 信道條件不好，降低傳輸速率。2、可變速率調(diào)制要解決的關(guān)鍵問題： 如何判斷信道條件的好壞？如何改變比特傳輸率？二、可變速率QAM（Variable Rate QAMVR-QAM)由Steel 和Webb等人提出，以增加對衰落信道的適應(yīng)能力。 VR-QAM的碼元速率保持不變，根據(jù)信道條件的好壞改變每碼元的電平值數(shù)目，這相當(dāng)于改變比特傳輸速率。增加每碼元比特數(shù)目方法：是采用增加每碼元比特數(shù)目方法：是采用加倍幅度環(huán)加倍幅度環(huán)數(shù)和加倍相位點(diǎn)數(shù)目交替進(jìn)行。數(shù)和加倍相位點(diǎn)數(shù)目交替進(jìn)行。VR-QAM的信號星座圖 BPSK QPSK 1bit/

45、symbol 2bits/symbol加倍相位點(diǎn)數(shù) 星型16QAM 2電平QPSK 4bit/symbol 3bits/symbol加倍相位點(diǎn)數(shù)加倍幅度環(huán)數(shù)QPSK 星型32QAM 5bit/symbol加倍相位點(diǎn)數(shù)加倍幅度環(huán)數(shù)星型16QAM 星型64QAM 6bit/symbol自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制The use of adaptive modulation allows wireless technologies to optimize throughput, yielding higher throughputs while also covering long distance

46、s.自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制Both QAM and QPSK are modulation techniquesused in vIEEE 802.11 (Wi-Fi*),vIEEE 802.16(WiMAX*) v3G (WCDMA/HSDPA)自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)分組TURBO編碼變階MPSK/MQAM調(diào)制衰落信道解調(diào)譯碼解調(diào)譯碼編碼調(diào)制方式選擇編碼調(diào)制方式選擇 自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制信道信道SNR估計估計高斯噪聲分組輸出可變發(fā)射功率固定調(diào)制方式的誤碼率曲線固定調(diào)制方式的誤碼率曲線 SNR1234固定調(diào)制方式的吞吐率曲線固定調(diào)制方式的吞吐率曲線 正

47、交頻分復(fù)用OFDMOrthogonal Frequency Division MultiplexingvOFDM的基本含義的基本含義vOFDM的基本模型的基本模型vOFDM的傳輸技術(shù)的傳輸技術(shù)vOFDM對系統(tǒng)的要求對系統(tǒng)的要求vOFDMA無線信道環(huán)境時域上將造成信號波形展寬無線信道多徑傳播Symbols sentSymbols receivedSymbols receivedISITsTs Rs 1/ Ts1/ 數(shù)字信號v為了避免碼間串?dāng)_，應(yīng)使碼元周期大于多徑效應(yīng)引起的時延擴(kuò)展 ： v等效地說碼元速率Rs小于時延擴(kuò)展的倒數(shù)：Ts Rs1/ 例：市區(qū)： =1s , Bc1MHz則需Rs 1s相關(guān)

48、帶寬時時延延譜譜Tm如何提高數(shù)據(jù)傳輸速率又可避免如何提高數(shù)據(jù)傳輸速率又可避免ISI和頻率選和頻率選擇性衰落？擇性衰落？一種有效的方法：OFDM技術(shù)OFDM的基本含義subchannelfrequencymagnitudesub-carrierchannel系統(tǒng)帶寬B被分為N個正交的窄帶子信道利用離散傅里葉逆變換或快速傅里葉逆變換（IDFT/IFFT） 實現(xiàn)調(diào)制利用離散傅里葉變換或快速傅里葉變換（DFT/FFT） 實現(xiàn)解調(diào)把高數(shù)碼率信號變成低數(shù)碼率信號，分別調(diào)制在每個載波上子載波子信道v傳統(tǒng)的 FDM:vOFDM:fguard-bandff=1/TsfFrequency spectrum of

49、the subcarriersvEfficient use of spectrumOverlapping, yet orthogonal subcarriersOFDM基本模型12Njfte12jf te+12Njfte12jf te 并/串串/并d002jf te02jf ted1dN-1s(t)0d1d1NdOFDM符號符號寬度為Ts0/,0,1, .,1isffiTiN+頻域時域發(fā)送端接收端每個子載波頻率的最大值處,其它子載波的頻譜恰好為零,可以避免信道間干擾.12()0( )( )isNjft kTkisis td kf tkTe子載波之間的正交性:220110sjiTjf tjf t

50、sijeedtijT12()2()001( )( )sjsisNTjft kTjft kTjisisd ked kf tkTedtT12()()001( )( )( )sijsNTjfft kTjisjisdkd kf tkTedtdkT第k個OFDM符號:對第j個子載波進(jìn)行解調(diào): 100stTf tother 矩形脈沖成形IDFT/IFFT在 OFDM中的應(yīng)用=I-FFTIDFT12Njfte12jf te+串/并d002jf ted1dN-1串/并并/串210(/)ikNjNksiiss kTNd esk等效為對 di進(jìn)行IDFT/IFFTskIDFT/IFFT在 OFDM中的應(yīng)用=FFT

51、DFT串/并并/串210(01)ikNjNkiids eiN 恢復(fù)di等效為對sk進(jìn)行DFT/FFT12Njfte12jf te 并/串02jf te0d1d1Ndsi串/并v正交頻分復(fù)用（OFDM）最早起源于20世紀(jì)50年代中期. v采用正弦波發(fā)生器組和相干解調(diào)器組實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，復(fù)雜性太高，造價昂貴,主要用于軍用高頻通信 v數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)和超大規(guī)模集成電路(VLSI）技術(shù)的發(fā)展， 特別是1971年，Weinstein和Ebert將離散傅立葉變換（DFT）應(yīng)用到OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)中,促進(jìn)了OFDM的實用化vDFT的快速算法FFT/IFFT 使OFDM實用 真正成為可能OFD

52、M的發(fā)展OFDM的應(yīng)用v20世紀(jì)80年代以來，OFDM開始被廣泛用于廣播方式下的音頻和視頻領(lǐng)域Digital Audio Broadcasting (DAB)Digital Video Broadcasting (DVB)vAsymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)vWireless LAN IEEE 802.11a ,802.11g,802.16a,d等中都采用了OFDM技術(shù)。vOFDM被列為 4G 無線移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。OFDM的傳輸技術(shù) v一個OFDM信號由頻率間隔為f=1/Ts的N個子載波構(gòu)成。 v所有的子載波在一個間隔長度為Ts 的時間內(nèi)

53、相互正交。 對一個給定的系統(tǒng)帶寬，子載波個數(shù)的選取要滿足OFDM碼元持續(xù)時間Ts大于信道的最大延遲。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，每個子信道上是平坦的衰落，大大消除符號間干擾。MapQPSK/16QAMDemapQPSK/16QAMRR/kR/KNR/KNR(1+L/N)/NKdiOFDM的調(diào)制映射-3 -1 1 331-1-3IQ16QAM1 1 0 1di=dI+jdQ dI dQ COS(2 f0 t)SIN(2 f0 t)XXCOS(2 f1 t)SIN(2 f1 t)XXCOS(2 f2 t)SIN(2 f2 t)XX f0 f1 f2子載波di串串/并變換如何實施并變換

54、如何實施?保護(hù)間隔與循環(huán)前綴v為了最大限度地消除ISI,在每個OFDM符號之間插入保護(hù)間隔Tg,且Tg信道的最大時延擴(kuò)展Tm. symbol M-1 symbol M symbol M+1保護(hù)間隔保護(hù)間隔保護(hù)間隔保護(hù)間隔TgTsTtotal=Tg+Ts循環(huán)前綴一般Tg=Ts/4消除信道間的干擾ICI保護(hù)間隔的作用是避免多徑信道上產(chǎn)生的ISI多徑信道上發(fā)送的OFDM子載波信號第一子載波第二子載波兩個載波之間的周期個數(shù)之差不再是整數(shù)倍,將相互造成影響.保護(hù)間隔循環(huán)前綴Tg循環(huán)前綴Ttotal=Tg+Ts具有信道估計的OFDM系統(tǒng)OFDM的導(dǎo)頻網(wǎng)格圖示例 塊狀分布梳狀分布導(dǎo)頻間隔越小, 即導(dǎo)頻分布得

55、越密, 估計的效果越好, 但有效數(shù)據(jù)傳輸率也越低適合頻率選擇性信道和慢時變信道 適用于跟蹤信道的快速變化，受頻率選擇衰落影響較大。 OFDM的導(dǎo)頻網(wǎng)格圖示例OFDM對系統(tǒng)的要求對系統(tǒng)的要求 同步：OFDM要保證各個子信道之間的正交，因此對于定時和頻率偏移很敏感； 信道估計：應(yīng)用OFDM時，信道估計必須具有低復(fù)雜度和高導(dǎo)頻跟蹤能力； 放大器和A/D變換器：OFDM在時域上表現(xiàn)為N個正交子載波信號的疊加，若這N個信號剛好同時處于峰值，則此時OFDM的峰值功率是平均功率的N倍。為了不失真的傳輸該峰值信號，接收端對放大器以及A/D變換器的線性程度要求很高。 Advantages vs Disadvan

56、tagesvFrequency DiversityAvoid multipath fadingvFrequency Non-selective FadingNegligible ISIvOrthogonal Sub-carriersSimple receiver designvConstructive InterferenceSensitive to frequency offsets and phase noiseHigh peak-to-average power ratioAdvantagesDisadvantagesFDMA: Disadvantage Bad spectrum usa

57、ge TDMA:DisadvantageMultipath delay spread problemOFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access)f2f3tft1tt2 t3ff1FDMATDMAOFDMAOFDMAsubchannelfrequencymagnitudesub-carrierchannel子載波子信道用戶1用戶2不同用戶的多址接入是以不同用戶使用不同子載波的方式來實現(xiàn)的。OFDMA系統(tǒng)中的比特和子載波分配系統(tǒng)中的比特和子載波分配子載波在不同用戶間如何進(jìn)行分配？ 子載波分配子載波分配如何將用戶比特分配到各個子載波

58、上？ 比特分配比特分配OFDMA系統(tǒng)中的比特和子載波分配系統(tǒng)中的比特和子載波分配1. 1. 固定分配固定分配 子載波固定分配子載波固定分配 用戶比特平均分配用戶比特平均分配2. 2. 動態(tài)分配動態(tài)分配 根據(jù)信道情況自適應(yīng)根據(jù)信道情況自適應(yīng) 分配比特和子載波分配比特和子載波小結(jié)vOFDM把高數(shù)碼率信號變成低數(shù)碼率信號，分別調(diào)制在每個載波上。由于數(shù)碼率大大降低，符號周期大大加長，因此反射波的影響就大為減小。v由于OFDM各載波間是正交的，因此即使各載波間有重疊部分，解調(diào)時也能利用正交性把各載波信號分開。這樣就可 充分利用帶寬，安排盡量多的載波。vOFDM的頻譜中，各載波間的間隔為符號周期的倒數(shù)，任

59、一載波在其它載波位置上的值均為(sinxx)。v數(shù)百個甚至數(shù)千個載波產(chǎn)生的方法不能采用通常的鎖相頻率合成器，而要采用離散付立葉反變換(IDFT)來同時產(chǎn)生所需要數(shù)量的載波。采用這種方法的另一個好處是，要使某個位置有或沒有載波很簡單，只要令相應(yīng)的數(shù)據(jù)為“1”或“0”。擴(kuò) 頻 調(diào) 制v擴(kuò)頻技術(shù)具有以下幾種基本的類型： 直接序列擴(kuò)頻，簡稱直擴(kuò)（DS）。這種方法將要傳送的信息經(jīng)過偽隨機(jī)序列編碼后對載波進(jìn)行調(diào)制。跳頻（FH）是指荷載信息的信號頻率受偽隨機(jī)序列的控制，快速地在一個頻段中跳變。跳時（TH）是把每個信息碼元分為若干個時隙，此信息受偽隨機(jī)序列控制，以突發(fā)的方式隨機(jī)占用其中一個時隙進(jìn)行傳輸。幾種不

60、同的擴(kuò)頻方式混合使用。直接序列擴(kuò)頻（ DS-SS ）調(diào)制v組成與原理組成與原理直接序列擴(kuò)頻，就是直接用具有高速率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號的頻譜，而接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始信息。直接序列擴(kuò)頻例子(a) 需發(fā)送的信息序列 (b) 擴(kuò)頻（碼）序列 (c) 實際發(fā)送的信號 PN波形的一個脈沖或碼元稱為碼片（chip）TcTb二進(jìn)制相移調(diào)制的DS-SS系統(tǒng)(a) 發(fā)射機(jī) (b) 接收機(jī)模2加PN調(diào)相功放載波前端調(diào)相相關(guān)中頻濾波PN本振解調(diào)信碼m(t)p(t)c(t)s1(t)s1(t)s2(t)p (t)(1)(2)(3)(5)(6)(7)(8)(9)信碼m(t)