通信原理第8章 現(xiàn)代通信傳輸技術(shù)

1、2022-1-261/29通信原理第第8 8章章 現(xiàn)代通信傳輸技術(shù)現(xiàn)代通信傳輸技術(shù)8.1 MSK 8.2 OFDM 8.3 擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信2/352022-1-26本章主要講授幾種先進(jìn)的數(shù)字頻帶傳輸方法，包括本章主要講授幾種先進(jìn)的數(shù)字頻帶傳輸方法，包括MSK、正交頻分復(fù)用（正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)與擴(kuò)頻技術(shù)。）技術(shù)與擴(kuò)頻技術(shù)。同學(xué)們學(xué)習(xí)同學(xué)們學(xué)習(xí)時(shí)時(shí)應(yīng)該注重每一種技術(shù)所關(guān)注的問(wèn)題、系統(tǒng)思想與特點(diǎn)應(yīng)該注重每一種技術(shù)所關(guān)注的問(wèn)題、系統(tǒng)思想與特點(diǎn)，了解幾種重要的通信系統(tǒng)了解幾種重要的通信系統(tǒng)的應(yīng)用的應(yīng)用及發(fā)展方向及發(fā)展方向。掌握：掌握：掌握掌握MSK信號(hào)及其相位特點(diǎn)、信號(hào)帶寬。信號(hào)及其相位特點(diǎn)

2、、信號(hào)帶寬。理解：理解：CPFSK基本原理、基本原理、GMSK信號(hào)與頻譜特點(diǎn)；信號(hào)與頻譜特點(diǎn)；OFDM的基本原理、應(yīng)對(duì)信道的基本原理、應(yīng)對(duì)信道ISI的策略；擴(kuò)頻系統(tǒng)基礎(chǔ)、的策略；擴(kuò)頻系統(tǒng)基礎(chǔ)、CDMA。了解：了解：典型典型GMSK、OFDM與擴(kuò)頻系統(tǒng)實(shí)例，偽隨機(jī)序與擴(kuò)頻系統(tǒng)實(shí)例，偽隨機(jī)序列基礎(chǔ)、直接擴(kuò)頻與跳頻的抗截獲列基礎(chǔ)、直接擴(kuò)頻與跳頻的抗截獲/抗窄帶干擾的原理與抗窄帶干擾的原理與系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn)3/292022-1-268.1 最小頻移鍵控(MSKMSK)和高斯MSKMSK(GMSKGMSK)4/292022-1-26MSK信號(hào)具有如下特點(diǎn)：信號(hào)具有如下特點(diǎn)：(1)(1) MSK是恒包

3、絡(luò)信號(hào)；是恒包絡(luò)信號(hào)；(2)(2) MSK信號(hào)是連續(xù)相位的信號(hào)是連續(xù)相位的2FSK2FSK信號(hào)的特例；信號(hào)的特例；(3)(3)在任何碼元期間，兩個(gè)載波具有滿足正交的最小頻差。在任何碼元期間，兩個(gè)載波具有滿足正交的最小頻差。恒包絡(luò)且頻帶集中恒包絡(luò)且頻帶集中數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）采用）采用GMSK調(diào)制調(diào)制5/292022-1-268.1.1 連續(xù)相位連續(xù)相位FSK（CPFSK） 1.用模擬調(diào)頻的方式產(chǎn)生用模擬調(diào)頻的方式產(chǎn)生連續(xù)連續(xù)相位相位MFSK： 0( )cos 22( )tcFMs tAf tkmd其中，其中， 為為M進(jìn)制的進(jìn)制的PAM基帶信號(hào)基帶信號(hào)是信息符號(hào)是

4、信息符號(hào) 1, 3,., (1)naM ( )()nTnm ta gtnT m(t) 在在 t =nT 時(shí)刻是不連續(xù)的，時(shí)刻是不連續(xù)的，但是但是 m(t) 的的積分是連續(xù)函數(shù)積分是連續(xù)函數(shù)。T=Ts，M進(jìn)制碼元寬度進(jìn)制碼元寬度 12T TgttT6/292022-1-26M進(jìn)制調(diào)頻瞬時(shí)頻率為：進(jìn)制調(diào)頻瞬時(shí)頻率為： 1( )( )( )2iccFMdtf tffkm tdt為平均為平均載頻（載頻（虛擬載頻虛擬載頻）其中：其中： 為相鄰頻為相鄰頻差的差的一半一半2FMdkfTcfcfcdff3cdffcdff3cdfff4M 如如當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，,(1)tnTnT2( )icncMdnFf tfkf

5、faTa0( )cos 22( )tcFMs tAf tkmd12T TgttT7/292022-1-26000( )2( )2( )2()ttFMtkTktkmdhmdha gkT dCPFSK相位相位: :22/ddshTffR定義定義是是數(shù)字調(diào)制指數(shù)數(shù)字調(diào)制指數(shù)：歸一化頻差歸一化頻差2FMdkfTFMk12T Tgtt12tTT( )q t 00(0)( )/ 2(0)1/ 2()tTtq tgdtTtTtT T - M進(jìn)制進(jìn)制碼元寬度碼元寬度 8/292022-1-26是直到是直到 的累積相位的累積相位ntnT當(dāng)當(dāng)t在第在第n個(gè)個(gè)符號(hào)區(qū)間符號(hào)區(qū)間 nT ,(,(n+1) )T 中中，相

6、位，相位為為001010( )2()2(1/ 2)2()2()2()tkkntknnTknknnnktha gkTdhahagnT dhaha q tnTha q tnT( )2()nntha q tnT即即 0( )20tTtq tgdTtT ()/ 2tnTT( )cos 22()nncs tAftntha qT9/292022-1-26例例8.1 8.1 假定二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列為假定二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列為101101，試?yán)L出，試?yán)L出CPFSK信信號(hào)的相位軌跡。號(hào)的相位軌跡。00( )2()/ 2nnthatnTT1 0 1 1 0 1t(t)相位軌跡圖相位軌跡圖1na 1nnh10/292022-

7、1-262. CPFSK可視為連續(xù)調(diào)相信號(hào)可視為連續(xù)調(diào)相信號(hào) Continuous PM，或，或CPM 000( )2()2()2tnnnnPtha gnTdha q tnThmt0( )cos 22( )tcFMs tAf tkmd ( )cos 22cPs tAf thmt12T Tgtt12tTT( )q t11/292022-1-268.1.2 最小頻移鍵控（最小頻移鍵控（MSK） ( Minimum-Shift Keying )1. MSK 的定義的定義：是是2進(jìn)制進(jìn)制CPFSK，兩個(gè)載波信號(hào)在比兩個(gè)載波信號(hào)在比特間隔內(nèi)相互正交，具有最小調(diào)制指數(shù)：特間隔內(nèi)相互正交，具有最小調(diào)制指數(shù)：

8、20.5dhf T證明證明 : 是正交是正交2CPFSK所允許的最小調(diào)制指數(shù)所允許的最小調(diào)制指數(shù)20.5dhf T2CPFSK 的兩個(gè)的兩個(gè)載波：載波： 1100coscoss tAtstAt(1)nTtnT 12/292022-1-26 100210021010101010101010101011coscossin2sinsin 22sin2sinsin 2TTst st dtEAttdTTtETTAETTTTTTT波形相關(guān)系數(shù)波形相關(guān)系數(shù):10bbfRfR1010sinTT 時(shí)時(shí) , 稱稱 在在 0 , T 內(nèi)內(nèi)正交正交。010( ),( )s t s t13/292022-1-26101

9、02222dTffTfTh1010sinsin 202ThTh2:dhf T 數(shù)字其中調(diào)制指數(shù) ，即即h2sin22hh202,1, 2,.hkk minmi10n1 ,0,2.52M K22S/dTdskhfk RkfsBshtt時(shí) 即時(shí):、正交，可實(shí)現(xiàn)最佳接收最小頻移鍵控10122sRffT014/292022-1-26它它的相位的相位可以表示為：可以表示為： ( )2nnattTMSK帶通信號(hào)可表示為：帶通信號(hào)可表示為： ( )cos,2ncnas tAttT(1)nTtnT 20.5dbhf T( )2()nntha q tnTp MSK信號(hào)的表達(dá)式信號(hào)的表達(dá)式在時(shí)間間隔在時(shí)間間隔 內(nèi)

10、內(nèi)，2CPFSK的相位的相位為為 ,(1)nTnT()/ 2tnTT()( )2222nnnnnatnTnthataTT15/292022-1-26在在 時(shí)，碼元信號(hào)的頻率為時(shí)，碼元信號(hào)的頻率為 ( )coscos22nncncnaas tAttAtTT,(1)nTnT1,na 11/(4 )cffT1,na 01/(4 )cffT碼元頻差為：碼元頻差為： 1021/ (2 )0.5dbfffTR在任意區(qū)間在任意區(qū)間 中中與與0、1代碼對(duì)應(yīng)的兩個(gè)代碼對(duì)應(yīng)的兩個(gè)信號(hào)碼元可以表示為信號(hào)碼元可以表示為 ,(1)nTnT1100( )cos(2)( )cos(2)nns tAf ts tAf t峰峰頻

11、偏( )cos 22()nncs tAftntha qT16/292022-1-2600因此，在每個(gè)比特間隔因此，在每個(gè)比特間隔內(nèi)載波相位變化內(nèi)載波相位變化 或或+12碼-02碼1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1例例 輸入的數(shù)據(jù)輸入的數(shù)據(jù)請(qǐng)給出請(qǐng)給出MSK信號(hào)可能的相位信號(hào)可能的相位軌跡，令軌跡，令 an=+1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 +1 ,(1)nTnT( )22nntnTthaT(t)t1nnh0.5h 17/292022-1-26MSK信號(hào)具有如下特點(diǎn)：信號(hào)具有如下特點(diǎn)：(1)(1)MSK是恒包絡(luò)信號(hào)；是恒包

12、絡(luò)信號(hào)；(2(2) )兩個(gè)載波頻率為兩個(gè)載波頻率為 ，調(diào)制指數(shù)，調(diào)制指數(shù) ；(3)(3)在任何符號(hào)間隔區(qū)間中，兩個(gè)碼元信號(hào)正交；在任何符號(hào)間隔區(qū)間中，兩個(gè)碼元信號(hào)正交；(4)(4)附加相位附加相位 在在一個(gè)碼元時(shí)間中線性變化，變化量一個(gè)碼元時(shí)間中線性變化，變化量為為 ；(5)(5)MSK信號(hào)在符號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)刻相位是連續(xù)的信號(hào)在符號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)刻相位是連續(xù)的。1/ 4cbfT0.5h )(t/ 2min14dbfT03,1.52cbbBRT峰值頻偏18/292022-1-262. 帶預(yù)編碼的帶預(yù)編碼的MSK調(diào)制及其調(diào)制及其OQPSK形式形式1nnnabb發(fā)：1nnnbab收：相干解調(diào)與0.5FMkh圖圖8

13、.1.3 帶預(yù)編碼的帶預(yù)編碼的MSK調(diào)制調(diào)制 (等效于等效于2DPSK)p 用模擬調(diào)制的方法產(chǎn)生用模擬調(diào)制的方法產(chǎn)生MSK信號(hào)信號(hào)1,1nnba 19/292022-1-26串串/并并bR tx tytccoscos2tT tsMSK速率減半速率減半速率減半速率減半-90o-90onb ImtT圖圖8.1.4 MSK信號(hào)的信號(hào)的OQPSK生成框圖生成框圖 Qmt用用正交法產(chǎn)生正交法產(chǎn)生MSK信號(hào)信號(hào)，類似于，類似于OQPSK，只是其，只是其同相路同相路和正交路的基本脈沖波形都是余弦和正交路的基本脈沖波形都是余弦波。波。p 用正交法產(chǎn)生用正交法產(chǎn)生MSK信號(hào)信號(hào)1/bTRcoscos2cos42

14、22tttTTTT20/292022-1-26例例8.2 8.2 給定序列給定序列 bn說(shuō)明說(shuō)明MSK信號(hào)的正交合成過(guò)程信號(hào)的正交合成過(guò)程 bn= -1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 解：拆分序列解：拆分序列bn，而后才是各波形如圖，而后才是各波形如圖8.1.5所示。所示。 an= -1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 +1 -1 +1 -1 +1 它與圖中它與圖中MSK波形的兩種頻率正好一一對(duì)應(yīng)。波形的兩種頻率正好一一對(duì)應(yīng)。 bn= +1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 -1 -1

15、-1 +1 +1 -1 -1 1nnnabb計(jì)算計(jì)算bn預(yù)編碼后的輸出為預(yù)編碼后的輸出為21/292022-1-26圖圖8.1.5 MSK信號(hào)的正交合成示例、信號(hào)的正交合成示例、OQPSK與與QPSK波形波形+122/292022-1-263. 發(fā)送與接收方法發(fā)送與接收方法（1）發(fā)送）發(fā)送圖圖8.1.4 MSK信號(hào)的信號(hào)的OQPSK生成框圖生成框圖圖圖8.1.3 帶預(yù)編碼的帶預(yù)編碼的MSK調(diào)制調(diào)制 (2DPSK)（2）接收）接收MSK作為作為2FSK ，可以相干解調(diào)或，可以相干解調(diào)或非相干解調(diào)非相干解調(diào)。MSK作為作為OQPSK ，可以用正交相干解調(diào)。，可以用正交相干解調(diào)。用用OQPSK解調(diào)時(shí)

16、，解調(diào)時(shí)，02se MSKe QPSKEPPQNMSK作為作為2DPSK ，可以用差分檢測(cè)，也可以相干解，可以用差分檢測(cè)，也可以相干解調(diào)加差分譯碼。調(diào)加差分譯碼。23/292022-1-26 fPMSKf2cfRcfRcf旁瓣衰減比旁瓣衰減比QPSK快快 22222cos 2414bccbMSKbcTffA TPfTff01.5bBR4. MSK 信號(hào)信號(hào)的功率譜與帶寬的功率譜與帶寬正頻部分：正頻部分：24/292022-1-26圖圖8.1.6 MSK信號(hào)信號(hào)的的功率譜示意圖功率譜示意圖（1）MSK帶寬帶寬（2）MSK的功的功率譜旁瓣比率譜旁瓣比QPSK或或BPSK的的衰落得快得多衰落得快得多

17、（3）基本帶寬）基本帶寬作業(yè)：作業(yè)：1、 2（3）新（新（1）01.5bBR991.2MSKbBR997QPSKbBR2BPSKbBRQPSKbBR25/292022-1-268.1.3 GMSK ( 高斯最小頻移鍵控高斯最小頻移鍵控 MSK)在數(shù)據(jù)作在數(shù)據(jù)作MSKMSK調(diào)制之前，數(shù)據(jù)被濾波，濾波器具有高斯形狀的調(diào)制之前，數(shù)據(jù)被濾波，濾波器具有高斯形狀的頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性高斯低通濾波器高斯低通濾波器 的傳輸函數(shù)為：的傳輸函數(shù)為：在在 GMSK 信號(hào)譜中有低的譜旁瓣信號(hào)譜中有低的譜旁瓣22( )expH ff其中，其中， 與濾波器的與濾波器的3dB帶寬帶寬 的關(guān)系可表示為的關(guān)系可表示為 B

18、BB5887. 022ln高斯低通濾波器高斯低通濾波器MSK調(diào)制調(diào)制GMSK信號(hào)信號(hào) tm雙極性矩形信號(hào)雙極性矩形信號(hào)26/292022-1-26圖圖8.1.10 GMSK信號(hào)的信號(hào)的功率譜功率譜功率譜密度功率譜密度/dB歸一化頻率歸一化頻率/csffR0.160.200.250.300.50()sBTMSK 習(xí)慣上使用習(xí)慣上使用 BTs 來(lái)作來(lái)作為為GMSKGMSK重要指標(biāo)。其中，重要指標(biāo)。其中，B為為3dB帶寬帶寬，Ts 為碼為碼元間隔元間隔。 GMSK比比MSK信號(hào)的抗噪性能差信號(hào)的抗噪性能差 從譜利用率和誤碼率綜合從譜利用率和誤碼率綜合考慮，應(yīng)該折衷選擇。研考慮，應(yīng)該折衷選擇。研究表明

19、，究表明，BTs=0.25 對(duì)于對(duì)于無(wú)線蜂窩系統(tǒng)是一個(gè)很好無(wú)線蜂窩系統(tǒng)是一個(gè)很好的選擇。的選擇。 27/292022-1-26功率譜密度功率譜密度/dB05101520253035400.5bR0bR1.5bR2bR2.5bR3bRcffHzMSKGMSKQPSK圖圖 MSK、GMSK及及QPSK信號(hào)信號(hào)的功率譜比較的功率譜比較 0.75bR28/292022-1-261. MSK信號(hào)具有如下特點(diǎn)：信號(hào)具有如下特點(diǎn)：(1)(1)MSK是恒包絡(luò)信號(hào)；是恒包絡(luò)信號(hào)；(2(2) )兩個(gè)載波頻率為兩個(gè)載波頻率為 ，調(diào)制指數(shù)，調(diào)制指數(shù) ；(3)(3)在任何符號(hào)間隔區(qū)間中，兩個(gè)碼元信號(hào)正交；在任何符號(hào)間隔

20、區(qū)間中，兩個(gè)碼元信號(hào)正交；(4)(4)附加相位附加相位 在在一個(gè)碼元時(shí)間中線性變化，變化量一個(gè)碼元時(shí)間中線性變化，變化量為為 ；(5)(5)MSK信號(hào)在符號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)刻相位是連續(xù)的信號(hào)在符號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)刻相位是連續(xù)的。(6) (6) MSK信號(hào)的帶寬信號(hào)的帶寬1/ 4cbfT0.5h )(t/ 2min14dbfT031.52cbbBRT峰值頻偏本章要求：本章要求：2. 會(huì)畫會(huì)畫MSK信號(hào)的相位軌跡信號(hào)的相位軌跡圖。圖。29/352022-1-26 8.2 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交頻分復(fù)用30/352022-1-26 前面介紹的

21、前面介紹的ASK、PSK、FSK、MSK、QAM等調(diào)制方式在某一時(shí)刻都只用單一的頻率來(lái)發(fā)等調(diào)制方式在某一時(shí)刻都只用單一的頻率來(lái)發(fā)送信號(hào)，而多載波調(diào)制是同時(shí)發(fā)射多路不同載送信號(hào)，而多載波調(diào)制是同時(shí)發(fā)射多路不同載波的信號(hào)。波的信號(hào)。 FDM（頻分復(fù)用）（頻分復(fù)用）是一種多載波調(diào)制。是一種多載波調(diào)制。OFDM （正交頻分復(fù)用）（正交頻分復(fù)用）是一種特殊的多載波調(diào)制。是一種特殊的多載波調(diào)制。8.2.1 正交頻分復(fù)用正交頻分復(fù)用的由來(lái)的由來(lái)31/352022-1-26n 概述：概述：?jiǎn)屋d波調(diào)制和多載波調(diào)制單載波調(diào)制和多載波調(diào)制單載波體制單載波體制：當(dāng)：當(dāng) Rb 很大時(shí)，很大時(shí)，碼元持續(xù)時(shí)間碼元持續(xù)時(shí)間T

22、s 短，但占用短，但占用帶寬帶寬B大；由于信道特性大；由于信道特性|C( f )|不理想，產(chǎn)生碼間串?dāng)_。不理想，產(chǎn)生碼間串?dāng)_。 |C( f )|32/352022-1-26多載波體制多載波體制：面對(duì)信道特性的不平坦，解決碼間干擾的：面對(duì)信道特性的不平坦，解決碼間干擾的的一種有效方法是將信道頻分成許多窄信道，使每個(gè)子的一種有效方法是將信道頻分成許多窄信道，使每個(gè)子信道近視平坦。信道近視平坦。|C( f )|為了避免各個(gè)子信道間相互為了避免各個(gè)子信道間相互串?dāng)_，各子信道間要留有串?dāng)_，各子信道間要留有保護(hù)間隔，這樣就降低了保護(hù)間隔，這樣就降低了頻帶利用率。頻帶利用率。正交頻分復(fù)用（正交頻分復(fù)用（OF

23、DM）：）：作為一種多載波傳輸技術(shù)，作為一種多載波傳輸技術(shù)，要求各子載波保持相互正交。這樣各個(gè)子信道的頻帶要求各子載波保持相互正交。這樣各個(gè)子信道的頻帶可以交疊一部分，從而提高了頻帶利用率。可以交疊一部分，從而提高了頻帶利用率。33/352022-1-26f(b)節(jié)省的帶寬節(jié)省的帶寬OFDM節(jié)省的帶寬節(jié)省的帶寬ff(b) OFDM的譜的譜(a) FDM的譜的譜FDM和和OFDM帶寬的比較：帶寬的比較：34/352022-1-268.2.2 OFDM基本原理基本原理 正交頻分復(fù)用（正交頻分復(fù)用（OFDM）作為一種多載波傳輸技術(shù)，要求）作為一種多載波傳輸技術(shù)，要求各子載波保持相互正交。各子載波保持

24、相互正交。 多載波調(diào)制技術(shù)是一種并行體制，多載波調(diào)制技術(shù)是一種并行體制，它將高速率的數(shù)據(jù)序它將高速率的數(shù)據(jù)序列經(jīng)串列經(jīng)串/并變換后分割為并變換后分割為K路低速數(shù)據(jù)流，每路低速數(shù)據(jù)采用路低速數(shù)據(jù)流，每路低速數(shù)據(jù)采用一個(gè)獨(dú)立的載波調(diào)制，疊加在一起構(gòu)成發(fā)送信號(hào)一個(gè)獨(dú)立的載波調(diào)制，疊加在一起構(gòu)成發(fā)送信號(hào)。 在接收端用同樣數(shù)量的載波對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相關(guān)接收，在接收端用同樣數(shù)量的載波對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相關(guān)接收，獲得低速率信息數(shù)據(jù)后，再通過(guò)并獲得低速率信息數(shù)據(jù)后，再通過(guò)并/串變換得到原來(lái)的高速信串變換得到原來(lái)的高速信號(hào)。號(hào)。多載波傳輸系統(tǒng)原理框圖如下圖所示。多載波傳輸系統(tǒng)原理框圖如下圖所示。35/352022-1

25、-261. OFDM調(diào)制原理框圖調(diào)制原理框圖每路子信道帶寬：每路子信道帶寬：1/TsBTRK)(mts求求和和0f1f1Kf串并串并變換變換K12K211/ssRT1ssTKTR如如2PSK調(diào)制調(diào)制帶寬：帶寬：sBR串速率變?yōu)樗俾首優(yōu)?ssRRK0a1aka nb第第m個(gè)碼元間隔個(gè)碼元間隔 T36/352022-1-26第第m個(gè)碼元間隔個(gè)碼元間隔T內(nèi)內(nèi)發(fā)送信號(hào)波形為發(fā)送信號(hào)波形為1m0( )cosKnnnstat an-為第為第n路并行碼；路并行碼； -為第為第n路碼的子載波角頻率，且路碼的子載波角頻率，且 。nnnf 2其中其中: :37/352022-1-26由三角函數(shù)系的正交性，任意由三

26、角函數(shù)系的正交性，任意2 2個(gè)子載波應(yīng)滿足的關(guān)系為個(gè)子載波應(yīng)滿足的關(guān)系為0cos(2)cos(2)0,Tmmnnf tfdtmn因此，因此，要求相鄰子要求相鄰子載波頻率間隔應(yīng)滿足載波頻率間隔應(yīng)滿足11,1,2,1nnfffnNT 為了為了保證保證 K 個(gè)子個(gè)子載波相互正交，也就是在信道傳輸符號(hào)載波相互正交，也就是在信道傳輸符號(hào)的的持續(xù)時(shí)間持續(xù)時(shí)間 T 內(nèi)內(nèi)它們乘積的積分值為它們乘積的積分值為0 0。初相不同的兩個(gè)載波滿足正交的最小頻差初相不同的兩個(gè)載波滿足正交的最小頻差38/352022-1-26OFDM信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu):相鄰信號(hào)頻譜之相鄰信號(hào)頻譜之間有間有1/T 寬度寬度的的重疊

27、。重疊。忽略旁瓣的功率，忽略旁瓣的功率，OFDM信號(hào)的頻譜寬度為信號(hào)的頻譜寬度為121(1)KBKTTT(1)/KT1/T1/T39/352022-1-26每每 T 內(nèi)傳內(nèi)傳 K 個(gè)個(gè)并行的碼元，所以碼元速率并行的碼元，所以碼元速率ssRKRK T碼元頻帶利用率為碼元頻帶利用率為ss1RKBK可見(jiàn)，可見(jiàn)，當(dāng)當(dāng)K 1時(shí)，時(shí)，s 趨近于趨近于1。 如果不作串并變換，直接使用如果不作串并變換，直接使用二進(jìn)制符號(hào)傳輸，與用單個(gè)二進(jìn)制符號(hào)傳輸，與用單個(gè)載波的串行體制相比，載波的串行體制相比，OFDM頻帶利用率提高近一倍。頻帶利用率提高近一倍。1KBTssss122RRBR40/352022-1-262.

28、 OFDM的解調(diào)原理的解調(diào)原理 在在接收端，接收端，對(duì)對(duì) 在在 內(nèi)進(jìn)行內(nèi)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，可以得相關(guān)運(yùn)算，可以得到各子載波上攜帶的到各子載波上攜帶的信息信息 an ，然后通過(guò)并，然后通過(guò)并/串變換，恢復(fù)串變換，恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列。出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列。 m( )st0,T 圖圖中的實(shí)現(xiàn)方法中的實(shí)現(xiàn)方法需要需要K K套套正弦波發(fā)正弦波發(fā)生器、調(diào)制器和相關(guān)解調(diào)器等設(shè)備，生器、調(diào)制器和相關(guān)解調(diào)器等設(shè)備，當(dāng)當(dāng)K K很大很大時(shí)，所需設(shè)備將會(huì)十分復(fù)時(shí)，所需設(shè)備將會(huì)十分復(fù)雜和昂貴，所以這種方法在實(shí)際中雜和昂貴，所以這種方法在實(shí)際中很難應(yīng)用。很難應(yīng)用。 )(mts積分積分積分積分積分積分信道信道并并串串

29、變變換換12K0f1f1Kf1m0( )cosKnnnstat0a1aka41/352022-1-26 可降低可降低OFDMOFDM系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，使得系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，使得OFDMOFDM技術(shù)更趨于實(shí)技術(shù)更趨于實(shí)用化。用化。 8.2.3 利用利用FFT的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法圖圖: : 用用DFTDFT實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)OFDMOFDM的原理框圖的原理框圖數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)編碼編碼串并串并變換變換IDFTIDFTD/AD/A變換變換上變頻上變頻數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)解碼解碼并串并串變換變換 DFT DFTA/DA/D變換變換下變頻下變頻信信道道42/352022-1-26p在在OFDM系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，可以采用更加

30、方便快系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，可以采用更加方便快捷的快速傅里葉變換（捷的快速傅里葉變換（FFT/IFFT）來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和）來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)。解調(diào)。 p這樣能顯著降低運(yùn)算的復(fù)雜度，并且易于和這樣能顯著降低運(yùn)算的復(fù)雜度，并且易于和DSP技技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)使用軟件無(wú)線電手段實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的術(shù)相結(jié)合，通過(guò)使用軟件無(wú)線電手段實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。應(yīng)用。 實(shí)際應(yīng)用：實(shí)際應(yīng)用：43/352022-1-26p OFDM的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn) 1.1.抗抗多多徑時(shí)延引起的碼間干擾的徑時(shí)延引起的碼間干擾的能力強(qiáng)能力強(qiáng)。 （1 1）串）串/ /并變換降低了碼元速率，從而增大了碼元寬度，并變換降低了碼元速率，從而增大了碼元寬度，減少了多徑時(shí)延

31、在接收信息碼元中所占的相對(duì)百分比，以減少了多徑時(shí)延在接收信息碼元中所占的相對(duì)百分比，以削弱多徑干擾對(duì)傳輸系統(tǒng)性能的影響。削弱多徑干擾對(duì)傳輸系統(tǒng)性能的影響。（2 2）如果）如果在每一路符號(hào)中插入保護(hù)時(shí)隙大于最大時(shí)延，在每一路符號(hào)中插入保護(hù)時(shí)隙大于最大時(shí)延，可以進(jìn)一步消除符號(hào)間干擾（可以進(jìn)一步消除符號(hào)間干擾（ISIISI）。）。 2.2.抗頻率選擇性衰落抗頻率選擇性衰落采用采用動(dòng)態(tài)比特分配技術(shù)，即優(yōu)質(zhì)信道多傳輸，較差動(dòng)態(tài)比特分配技術(shù)，即優(yōu)質(zhì)信道多傳輸，較差信道少信道少傳傳輸，劣質(zhì)信道不傳輸?shù)脑瓌t，可使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。輸，劣質(zhì)信道不傳輸?shù)脑瓌t，可使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。 44/352022-1-2

32、6p OFDM的應(yīng)用舉例的應(yīng)用舉例1 .數(shù)字音頻廣播數(shù)字音頻廣播（DAB）2. 數(shù)字視頻廣播數(shù)字視頻廣播（DVB）3.ADSL接入接入4. 無(wú)線局域網(wǎng)無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)和和802.11協(xié)議群協(xié)議群5. 無(wú)線無(wú)線城城域網(wǎng)域網(wǎng)(WLAN)和和802.16協(xié)議群協(xié)議群6. B3G移動(dòng)通信移動(dòng)通信45/352022-1-268.3 擴(kuò)展頻譜技術(shù)與擴(kuò)展頻譜技術(shù)與CDMA還有還有跳變時(shí)間擴(kuò)頻和混合擴(kuò)頻跳變時(shí)間擴(kuò)頻和混合擴(kuò)頻 46/352022-1-26擴(kuò)頻通信有三個(gè)重要的屬性擴(kuò)頻通信有三個(gè)重要的屬性:（1）信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；帶

33、寬；（2）頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的偽隨機(jī)偽隨機(jī)碼序列碼序列來(lái)完成，來(lái)完成，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；（3）在接收端則用同樣的在接收端則用同樣的偽隨機(jī)偽隨機(jī)碼序列碼序列進(jìn)行相關(guān)同步接進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)是擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)是香農(nóng)香農(nóng)信道容量信道容量公式公式, 信道容量信道容量C與信道帶寬與信道帶寬W及其信噪比及其信噪比S/N的關(guān)系為：的關(guān)系為：NSWC1log2擴(kuò)頻因子，擴(kuò)頻因子， ，B為信息數(shù)據(jù)的帶寬為信息數(shù)據(jù)的帶寬/GWB47/352022-1-268.3.3 偽隨機(jī)序列偽隨機(jī)序列m

34、序列序列-最最常用的常用的PN序列序列偽隨機(jī)序列偽隨機(jī)序列(Pseudrandan Sequence)，又稱為偽噪聲又稱為偽噪聲(PN)序列或偽隨機(jī)碼序列或偽隨機(jī)碼，在信號(hào)同步、擾碼、擴(kuò)頻通信和多址，在信號(hào)同步、擾碼、擴(kuò)頻通信和多址通信中廣泛應(yīng)用。通信中廣泛應(yīng)用。圖圖8.3.7 m序列的生成單路（序列的生成單路（n=3，n為移位寄存器級(jí)數(shù)）為移位寄存器級(jí)數(shù)）m m序列序列是一個(gè)周期是一個(gè)周期序列序列21nL 周期內(nèi)碼片數(shù)m序列序列(m-sequence)-最長(zhǎng)線性最長(zhǎng)線性反饋反饋移位寄存器序列移位寄存器序列48/352022-1-26m m序列序列的特性的特性：（1）“0”和和“1”的出現(xiàn)概率

35、相同，各為的出現(xiàn)概率相同，各為0.5；（2）連續(xù)出現(xiàn)的連續(xù)出現(xiàn)的00或或11、000或或111、n個(gè)個(gè)0或或n個(gè)個(gè)1的次數(shù)幾乎相等，概率依次減半的次數(shù)幾乎相等，概率依次減半；（3）相關(guān)性好相關(guān)性好（既具有好的自相關(guān)特性，也有好的既具有好的自相關(guān)特性，也有好的互相關(guān)特性互相關(guān)特性）、長(zhǎng)的周期特性、長(zhǎng)的周期特性；（4）容易產(chǎn)生容易產(chǎn)生。在在m m序列序列的一個(gè)周期的一個(gè)周期L內(nèi)：內(nèi)：cLT49/352022-1-26m序列的自相關(guān)函數(shù)，碼片的間隔為序列的自相關(guān)函數(shù)，碼片的間隔為 , 周期為周期為cTcTLTcT01,01( )() ( )1/,(1)TccRc tc t dtLTLTT利用利用m

36、m序列的自相關(guān)特性可以抗多徑衰落，利用不同序列的自相關(guān)特性可以抗多徑衰落，利用不同m m序列的互相關(guān)特性小的特性可以抗多址干擾。序列的互相關(guān)特性小的特性可以抗多址干擾。50/352022-1-268.3.1 直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS) 1. 直接序列擴(kuò)頻原理直接序列擴(kuò)頻原理 擴(kuò)頻通信的主要特征是使用比發(fā)送的信息數(shù)擴(kuò)頻通信的主要特征是使用比發(fā)送的信息數(shù)據(jù)速率高得多的偽隨機(jī)編碼，擴(kuò)展信息數(shù)據(jù)據(jù)速率高得多的偽隨機(jī)編碼，擴(kuò)展信息數(shù)據(jù)信號(hào)信號(hào)頻譜，頻譜，使其使其成為極低功率譜密度的寬帶信號(hào)成為極低功率譜密度的寬帶信號(hào)，這，這稱為稱

37、為擴(kuò)頻擴(kuò)頻； 接受端使用相關(guān)處理方法，把要接收接受端使用相關(guān)處理方法，把要接收的寬帶擴(kuò)頻信號(hào)，恢復(fù)成基帶信號(hào)的寬帶擴(kuò)頻信號(hào)，恢復(fù)成基帶信號(hào)，這稱為，這稱為解擴(kuò)解擴(kuò)。擴(kuò)頻擴(kuò)頻后后通信信號(hào)不易受干擾，也不容易干擾他人，通信信號(hào)不易受干擾，也不容易干擾他人，信號(hào)隱蔽，有保密性。信號(hào)隱蔽，有保密性。51/352022-1-26直接直接序列擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻系統(tǒng)調(diào)制器、解調(diào)器原理：系統(tǒng)調(diào)制器、解調(diào)器原理：2( )c t利用利用m m序列的自相關(guān)特性可以抗多徑衰落，利用不同序列的自相關(guān)特性可以抗多徑衰落，利用不同m m序列的互相關(guān)特性小的特性可以抗多址干擾。序列的互相關(guān)特性小的特性可以抗多址干擾。( )c t( )( ) ( )coscr tm t c tt0( )( ) ( ) ( )bTm tm t c t c t dt( ) ( )m t c t( ) ( )m t c t52/352022-1