第6章-數(shù)字調(diào)制技術(shù)

1、無線通信原理與應(yīng)用無線通信原理與應(yīng)用主要內(nèi)容主要內(nèi)容n調(diào)制技術(shù)概述調(diào)制技術(shù)概述n無線移動(dòng)通信對(duì)數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求無線移動(dòng)通信對(duì)數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求n線路碼及其頻譜線路碼及其頻譜n脈沖成形脈沖成形n信號(hào)空間概念信號(hào)空間概念n線性調(diào)制技術(shù)線性調(diào)制技術(shù) n恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)n擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)概述n調(diào)制的定義調(diào)制的定義n調(diào)制的分類調(diào)制的分類n數(shù)字調(diào)制的優(yōu)越性數(shù)字調(diào)制的優(yōu)越性n數(shù)字調(diào)制解調(diào)的研究?jī)?nèi)容數(shù)字調(diào)制解調(diào)的研究?jī)?nèi)容n兩類數(shù)字調(diào)制技術(shù)兩類數(shù)字調(diào)制技術(shù)調(diào)制的定義n將要傳輸?shù)男盘?hào)變換為適合信道特性的形式過程。要傳輸?shù)男盘?hào)調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)已調(diào)信號(hào)。 在接收端需將已

2、調(diào)信號(hào)還原成原始信號(hào)，該過程稱為解調(diào)。調(diào)制的分類n調(diào)制信號(hào)的類型：模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制n已調(diào)信號(hào)是否是調(diào)制信號(hào)的線性搬移：線性調(diào)制和非線性調(diào)制n已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)：恒包絡(luò)調(diào)制、非恒包絡(luò)調(diào)制n已調(diào)信號(hào)的相位：連續(xù)相位調(diào)制、非連續(xù)相位調(diào)制數(shù)字調(diào)制的優(yōu)越性n更強(qiáng)的抗干擾和抗噪聲能力；n便于進(jìn)行差錯(cuò)控制；n易于復(fù)用各種不同形式的信息；n更好的安全保密性能；n可采用復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)；n便于實(shí)現(xiàn)軟件無線電。數(shù)字調(diào)制解調(diào)的研究?jī)?nèi)容（1）n正交基的設(shè)計(jì)和選擇（傳統(tǒng)上是正弦波）：此設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)已調(diào)信號(hào)與信道特性的最大相容。n在正交基上的最佳已調(diào)信號(hào)集或信號(hào)星座的設(shè)計(jì)：n星座的外形或說星座的最小閉包特性的研究

3、，目標(biāo)是使星座的平均能量最小（BER一定情況下）；n星座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性研究，它決定了在接收空間中對(duì)信號(hào)點(diǎn)的判決區(qū)的劃分，而最佳的判決區(qū)劃分會(huì)使得信號(hào)檢測(cè)的差錯(cuò)概率最小，這在某種程度上確定了解調(diào)器的結(jié)構(gòu)；n星座的維數(shù)設(shè)計(jì)，它在一定意義上決定了信道的帶寬利用率。數(shù)字調(diào)制解調(diào)的研究?jī)?nèi)容（2）n信息比特空間到已調(diào)信號(hào)集的映射關(guān)系：現(xiàn)代調(diào)制映射規(guī)則是按某種規(guī)則將信息符號(hào)映射到比信息符號(hào)集更大的調(diào)制信號(hào)集，即調(diào)制本身將引入調(diào)制信息序列之間的一定約束關(guān)系。這種映射的目標(biāo)有兩個(gè)：n在統(tǒng)計(jì)特性上將盡可能多的信息符號(hào)映射為能量較小的信號(hào)點(diǎn)。n使不同調(diào)制信號(hào)序列之間的歐氏距離盡可能大。n解調(diào)設(shè)計(jì)：可劃分為相干解調(diào)與

4、非相干解調(diào)；一般情況下相干解調(diào)比非相干解調(diào)有 3dB 的能量增益。解調(diào)設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)只有一個(gè)，就是使信息符號(hào)接收的差錯(cuò)概率最小。數(shù)字調(diào)制解調(diào)的研究?jī)?nèi)容（3）n調(diào)制解調(diào)器的復(fù)雜性研究：即使一個(gè)非常良好的調(diào)制方式和相應(yīng)的解調(diào)方式 ，如果其時(shí)間開銷（即時(shí)延和速度）和空間的開銷（即設(shè)備量）是通信要求或者技術(shù)水平難以達(dá)到的，那么這一調(diào)制解調(diào)方式仍然不可取。 兩大類適用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)兩大類適用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)：特點(diǎn)是調(diào)制過程表現(xiàn)為對(duì)基帶信號(hào)譜的簡(jiǎn)單搬移，因此具有較窄的主瓣，但不能保證已調(diào)信號(hào)的相位連續(xù)變化。：特點(diǎn)為已調(diào)信號(hào)相位連續(xù)變化，已調(diào)信號(hào)包絡(luò)恒定（恒包絡(luò)調(diào)制恒包絡(luò)調(diào)制）。但屬于非線性調(diào)制，即射頻譜并不

5、是基帶譜的簡(jiǎn)單搬移，因此往往具有較寬的主瓣。 n例例：美國(guó)的蜂窩系統(tǒng)DAMPS和日本的蜂窩系統(tǒng)PDC以及日本的無繩系統(tǒng)PHS（“小靈通”）均采用/4DQPSK 調(diào)制，屬線性調(diào)制。n又例又例：GSM系統(tǒng)采用GMSK調(diào)制，屬恒包絡(luò)調(diào)制。n/4DQPSK 即 nGMSK 即 無線移動(dòng)通信對(duì)調(diào)制技術(shù)的要求無線移動(dòng)通信對(duì)調(diào)制技術(shù)的要求n基本要求基本要求功率效率和帶寬效率功率效率和帶寬效率n一句話描述一句話描述：一個(gè)令人滿意的調(diào)制方案：一個(gè)令人滿意的調(diào)制方案要能在低接收信噪比的條件下提供小的要能在低接收信噪比的條件下提供小的誤比特率（誤比特率（BER），對(duì)抗多徑和衰落情），對(duì)抗多徑和衰落情況性能良好。占用

6、最小的帶寬，況性能良好。占用最小的帶寬， 并且容并且容易實(shí)現(xiàn)，價(jià)格低廉。易實(shí)現(xiàn)，價(jià)格低廉。功率效率（功率效率（1）：以達(dá)到一定的以達(dá)到一定的（如（如105）所需要的）所需要的來度量。用來度量。用加性高斯白噪加性高斯白噪聲信道中的聲信道中的誤比特性能來體現(xiàn)。誤比特性能來體現(xiàn)。：即EbN0 ，每比特能量與噪聲功率譜密度之比。功率效率（功率效率（2）0/bbbbES TS RRSNBNN BN B。設(shè)已調(diào)信號(hào)平均功率為設(shè)已調(diào)信號(hào)平均功率為S(W)，總的噪聲，總的噪聲功率為功率為N(W)，信號(hào)帶寬為，信號(hào)帶寬為B(Hz)。則，。則，相比較于模擬信號(hào)的信噪比相比較于模擬信號(hào)的信噪比S/N，將，將Eb/N

7、0稱作數(shù)字信號(hào)的信噪比。后者是稱作數(shù)字信號(hào)的信噪比。后者是前者的歸一化值，用比特率和帶寬的比前者的歸一化值，用比特率和帶寬的比值值。 Eb/N0也沒有量綱。也沒有量綱。功率效率（功率效率（3）如右圖，最下面的“瀑瀑布布”曲線曲線是的誤碼率曲線，稍往上是的誤碼率曲線。由于達(dá)到同一誤碼率水平，后者需要更大的Eb/N0，所以，2PSK相干解調(diào)相干解調(diào)相對(duì)于2DPSK差分相干解差分相干解調(diào)調(diào)具有更高的功率效率更高的功率效率。注意注意：大的：大的Eb/N0可以通可以通過增加信號(hào)發(fā)射功率來過增加信號(hào)發(fā)射功率來獲得。獲得。帶寬效率（帶寬效率（1） ：設(shè)已調(diào)信號(hào)占據(jù)的帶寬為BHz（常對(duì)應(yīng)為頻譜主瓣寬度），所傳

8、輸?shù)幕鶐盘?hào)的數(shù)據(jù)速率為Rbit/s，則該調(diào)制方式的帶寬效率為：n帶寬效率有一個(gè)基本的上限，香農(nóng)的信道編碼理論指出，在一個(gè)任意小的差錯(cuò)概率下，最大的帶寬效率受限于信道內(nèi)的噪聲，即信道容量公式：n其中，C是信道容量，B是RF帶寬，S/N信噪比。(/)BRbit s HzBmax2log1BCSBN帶寬效率（帶寬效率（2）n在基帶數(shù)據(jù)速率相同的情況下，四進(jìn)制基帶數(shù)據(jù)比二進(jìn)制基帶數(shù)據(jù)的（ ymbol）寬度大一倍（RS,40.5RS,2），即： TS,42TS,2 。n在采用雙極性不歸零碼雙極性不歸零碼時(shí)，第一零點(diǎn)帶寬為： B 1TS 。所以，就未調(diào)制的基帶信號(hào)而言，所以，就未調(diào)制的基帶信號(hào)而言， B

9、40.5B2 。n因此，四進(jìn)制調(diào)制帶寬效率是二進(jìn)制調(diào)制的二因此，四進(jìn)制調(diào)制帶寬效率是二進(jìn)制調(diào)制的二倍，也就是說，相同基帶傳輸速率（比特率）倍，也就是說，相同基帶傳輸速率（比特率）情況下，多進(jìn)制調(diào)制具有更高的帶寬效率。情況下，多進(jìn)制調(diào)制具有更高的帶寬效率。帶通信號(hào)和等效復(fù)基帶信號(hào)（帶通信號(hào)和等效復(fù)基帶信號(hào)（1）n已調(diào)信號(hào)一般具有如圖所示的頻譜（功率譜密度，PSD）。由于信號(hào)功率相對(duì)集中于載頻fc附近的一定范圍內(nèi)（圖中紅色陰影部分），所以已調(diào)信號(hào)又稱作帶通信號(hào)帶通信號(hào)。 帶通信號(hào)和等效復(fù)基帶信號(hào)（帶通信號(hào)和等效復(fù)基帶信號(hào)（2）n帶通信號(hào)一般可以表示為： 其中，g(t)稱作帶通信號(hào)s(t)的，它代表

10、著s(t)的包絡(luò)和相位，即有 如果g(t)的功率譜功率譜為Pg(f)，則s(t)的功率譜PS(f)為： ( )Re ( )exp( 2)cs tg tjf t1( )()()4SgcgcPfPffPff。( )( ) |( )|jtg tg te帶通信號(hào)和等效復(fù)基帶信號(hào)（帶通信號(hào)和等效復(fù)基帶信號(hào)（3） 復(fù)基帶信號(hào)的復(fù)基帶信號(hào)的PSD 帶通（已調(diào)）帶通（已調(diào)）信號(hào)的信號(hào)的PSD常用的帶寬定義n絕對(duì)帶寬：信號(hào)的非零值功率譜密度在頻率上占用的范圍。n零點(diǎn)零點(diǎn)帶寬：頻譜主瓣寬度。n3dB帶寬（半功率帶寬）：功率譜密度下降到峰值功率的一半，即低于峰值功率3dB時(shí)的頻率范圍。功率效率和帶寬效率的折中（功率

11、效率和帶寬效率的折中（1）n在數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)在數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要在帶寬效率和功率效常需要在帶寬效率和功率效率之間進(jìn)行折中。例如對(duì)信率之間進(jìn)行折中。例如對(duì)信息信號(hào)增加差錯(cuò)控制編碼會(huì)息信號(hào)增加差錯(cuò)控制編碼會(huì)提高已調(diào)信號(hào)占用的帶寬，提高已調(diào)信號(hào)占用的帶寬，也就是降低了帶寬效率，但也就是降低了帶寬效率，但同時(shí)對(duì)于給定的誤比特率所同時(shí)對(duì)于給定的誤比特率所需的接收功率降低了，于是需的接收功率降低了，于是以帶寬效率換取了功率效率。以帶寬效率換取了功率效率。無編碼無編碼有編碼有編碼n另一方面，更多進(jìn)制的相位調(diào)制方案降低另一方面，更多進(jìn)制的相位調(diào)制方案降低了調(diào)制信號(hào)占用的帶寬，但是同時(shí)增加了了

12、調(diào)制信號(hào)占用的帶寬，但是同時(shí)增加了達(dá)到同樣的誤比特率所需的信噪比。下表達(dá)到同樣的誤比特率所需的信噪比。下表是不同是不同M值的值的MPSK的比較，這一點(diǎn)我們?cè)诘谋容^，這一點(diǎn)我們?cè)诤竺孢€會(huì)有進(jìn)一步的分析。后面還會(huì)有進(jìn)一步的分析。/BbRB60/10bENBER 幾個(gè)方面的約束和進(jìn)一步的要求幾個(gè)方面的約束和進(jìn)一步的要求n信道中存在衰落衰落，因此幅度上調(diào)制有信息的調(diào)制方式不適用。希望采用恒包絡(luò)調(diào)制恒包絡(luò)調(diào)制。n對(duì)于蜂窩系統(tǒng)，可能同時(shí)使用相鄰信道相鄰信道，為減小鄰道干擾，對(duì)已調(diào)信號(hào)的帶外能量限制得比較嚴(yán)苛，一般要求頻譜旁瓣比主瓣低旁瓣比主瓣低60dB以上。n由于移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)臺(tái)使用電池以及批量生產(chǎn)的成本限制

13、，要求采用具有較高功率轉(zhuǎn)換效率高功率轉(zhuǎn)換效率的功率放大器和使用簡(jiǎn)便易行的解調(diào)簡(jiǎn)便易行的解調(diào)方案。線路碼及其功率譜（線路碼及其功率譜（PSD）1.什么是線路碼什么是線路碼2.線路碼型線路碼型3.功率譜功率譜什么是線路碼（什么是線路碼（Line Code）n基帶信號(hào)的波形，稱作線路碼。生成波形的過程稱作線路編碼（Line Coding）。n一般對(duì)線路編碼的要求有：所得到的線路碼應(yīng)包含有足夠的位定時(shí)信息應(yīng)包含有足夠的位定時(shí)信息、應(yīng)占應(yīng)占用盡可能小的帶寬用盡可能小的帶寬等等。線路碼型線路碼型n可分為兩大類，即（Return to Zero，）碼和（Non- Return to Zero，）碼。就二進(jìn)制

14、基帶數(shù)據(jù)而言，又分為（Unipolar）和（Bipolar）的。 RZ意味著每比特周期脈沖要回到零值，這會(huì)使頻譜展寬，但便于同步定時(shí)。而NRZ碼在每個(gè)比特周期不回到零值，即信號(hào)在每個(gè)比特周期內(nèi)保持定值，NRZ碼比RZ碼頻譜效率高，但是同步能力差。n曼徹斯特（曼徹斯特（Manchester）碼）碼：又稱做雙相碼。是一種不歸零碼，用兩個(gè)相位的波形來分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”，每個(gè)波形在一個(gè)比特周期的中點(diǎn)處都會(huì)發(fā)生電平的突跳（“0”或“1”對(duì)應(yīng)的突跳方向恰好相反，因此時(shí)鐘恢復(fù)很容易。并且曼徹斯特碼沒有直流成分，適用于直流耦合電路。相同比特率相同比特率R下的線路碼的頻譜效率下的線路碼的頻譜效率 碼

15、型碼型第一零點(diǎn)帶寬第一零點(diǎn)帶寬 （Hz） 基帶頻譜效率基帶頻譜效率R/B(b/s)/Hz 單極性單極性NRZ R 1 雙極性雙極性NRZ R 1單極性單極性RZ (50) 2R 1/2雙極性雙極性RZ (50) R 1曼徹斯特曼徹斯特NRZ 2R 1/22l進(jìn)制極性進(jìn)制極性NRZ(l1) R/l l脈沖成形脈沖成形1. 為什么要進(jìn)行脈沖成形？為什么要進(jìn)行脈沖成形？2. 脈沖成形還會(huì)帶來什么影響？脈沖成形還會(huì)帶來什么影響？ 3. 兩種常用的脈沖成形濾波器兩種常用的脈沖成形濾波器為什么要進(jìn)行脈沖成形？為什么要進(jìn)行脈沖成形？n前面介紹的線路碼都采用矩形脈沖進(jìn)行前面介紹的線路碼都采用矩形脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)的

16、脈沖成形，如雙極性數(shù)據(jù)的脈沖成形，如雙極性NRZ碼中，碼中，用用代表二進(jìn)制的代表二進(jìn)制的“ ”，用，用代表二進(jìn)制的代表二進(jìn)制的“ ”。直接將。直接將這種脈沖用于調(diào)制會(huì)使這種脈沖用于調(diào)制會(huì)使，無法滿足無線移動(dòng)通信，無法滿足無線移動(dòng)通信的要求。的要求。n例如例如：2PSK調(diào)制調(diào)制是線性調(diào)制，調(diào)制過程可以表達(dá)為二進(jìn)制雙極性雙極性NRZ碼與本地載波直接相乘。所以其射頻頻譜就是基帶譜的簡(jiǎn)單搬移，射頻帶寬（正頻率方向的零點(diǎn)對(duì)零點(diǎn)帶寬）是基帶帶寬（正頻率方向的第一零點(diǎn)帶寬）的兩倍。 13dBn對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行低通濾波（稱作對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行低通濾波（稱作）可以降低射頻旁瓣）可以降低射頻旁瓣。n常用的濾波器有兩種。

17、一種是，一般用于線性調(diào)制；另一種是，常用于恒包絡(luò)調(diào)制。脈沖成形還會(huì)帶來什么影響？脈沖成形還會(huì)帶來什么影響？n脈沖成形濾波器都是低通濾脈沖成形濾波器都是低通濾波器，因此這些濾波器的沖波器，因此這些濾波器的沖激響應(yīng)不可能是時(shí)間有限的。激響應(yīng)不可能是時(shí)間有限的。理想低通濾波器的沖激響應(yīng)理想低通濾波器的沖激響應(yīng)波形如右上圖所示。信號(hào)經(jīng)波形如右上圖所示。信號(hào)經(jīng)過這樣的一個(gè)低通濾波器之過這樣的一個(gè)低通濾波器之后，會(huì)造成信號(hào)在時(shí)域上的后，會(huì)造成信號(hào)在時(shí)域上的擴(kuò)展，一個(gè)符號(hào)的脈沖將會(huì)擴(kuò)展，一個(gè)符號(hào)的脈沖將會(huì)延伸到相鄰的其他符號(hào)中，延伸到相鄰的其他符號(hào)中，因此，進(jìn)行脈沖成形就意味因此，進(jìn)行脈沖成形就意味著著“人

18、為地人為地”引入碼間干擾。引入碼間干擾。n所以，要么我們選擇可以消除碼間干擾影響的濾波器作為脈沖成形濾波器，要么就應(yīng)該將人為引入的碼間干擾控制在對(duì)系統(tǒng)性能影響較小的程度以內(nèi)。升余弦濾波器屬于前一種情形；高斯濾波器則屬于后一種情形。n奈奎斯特準(zhǔn)則解決了既能克服碼間干擾又能保持小的傳輸帶寬的問題。該準(zhǔn)則為：要使要使ISI的影響完全的影響完全被抵消，需要整個(gè)通信系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)在接收機(jī)端被抵消，需要整個(gè)通信系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)在接收機(jī)端每個(gè)抽樣時(shí)刻只對(duì)當(dāng)前符號(hào)有響應(yīng)，而對(duì)其他符號(hào)每個(gè)抽樣時(shí)刻只對(duì)當(dāng)前符號(hào)有響應(yīng)，而對(duì)其他符號(hào)的響應(yīng)全等于零的響應(yīng)全等于零。奈奎斯特準(zhǔn)則可表示為：其中Ts是符號(hào)周期，n是整數(shù)，K是

19、非零常數(shù)消除碼間干擾的奈奎斯特準(zhǔn)則0()00effsKnhnTn選擇濾波器的考慮n濾波器的沖擊響應(yīng) 在接近n0的取樣點(diǎn)處要迅速衰減。n在發(fā)射端和接收端必須便于實(shí)現(xiàn)成形濾波器，以產(chǎn)生期望的 。( )effht( )effHf滿足奈奎斯特準(zhǔn)則的濾波器n一個(gè)滿足奈奎斯特準(zhǔn)則的濾波器的沖擊響應(yīng)可以表示為：n對(duì)應(yīng)的濾波器頻率響應(yīng)：f0 或 sI=0，如果xk0 或 sQ=0，如果yk1，或4fcTb=n (Tb=n/4fc)，即：每個(gè)碼元期間包含四分之一載波周期的整數(shù)倍。 0sin2 ()sin4cos2cos22 ()4bTmsbcbmsmsbcbff Tf Tf tf tdtff Tf TMSK信號(hào)

20、的正交性1n由前面的結(jié)論，對(duì)于MSK有：故相關(guān)系數(shù)的的第一項(xiàng)等于零，這里取n1。n可見：MSK為頻差（帶寬）最小的正交FSK調(diào)制，故稱為“最小頻移鍵控調(diào)制”，或“快速頻移鍵控調(diào)制(FFSK)”14dbfTMSK信號(hào)的正交性2n要使相關(guān)系數(shù)的的第二項(xiàng)等于零，需有4fcTb=n ，即：n即有：n此時(shí)，每個(gè)碼元期間包含的fm、fs和fc的周期數(shù)都是四分之一的整數(shù)倍1/4()4cbbmfnTNTs111 1()()444111 1()()444mcdbbbcdbbbmmfffNNTTTmmfffNNTTTn我們約定我們約定：k=0,1,2, (k-1)Tb (k+1)Tb t第第k個(gè)比特個(gè)比特ak-1

21、第第k1個(gè)比特個(gè)比特ak 0：與載波有關(guān)的相位之外的附加相位，記作(t)，即： 顯然，這是一個(gè)的表達(dá)式，其，。n為得到“”的已調(diào)波形，就要求。具體地，在第k比特和第k+1比特的分界點(diǎn)t=kTb時(shí)刻，(t)應(yīng)當(dāng)連續(xù)。bbkbkT)k(tkT,xtTa)t (12 n由由(t)在t=kTb時(shí)連續(xù)變化及(t)的表達(dá)式可以得到： 從而得到：kkTtbkkkTtbkxtTaxtTabb 2211 第第k比特表達(dá)式比特表達(dá)式 第第k1比特表達(dá)式比特表達(dá)式。)aa(kxxkkkk 112n觀察相位常數(shù)觀察相位常數(shù)xk的上述表達(dá)式，我們知道，第的上述表達(dá)式，我們知道，第k+1比特期間的相位常數(shù)比特期間的相位常

22、數(shù)xk不僅與當(dāng)前比特基不僅與當(dāng)前比特基帶信號(hào)的取值帶信號(hào)的取值ak有關(guān)，而且跟第有關(guān)，而且跟第k比特的取值比特的取值ak-1和第和第k比特期間的相位常數(shù)比特期間的相位常數(shù)xk-1有關(guān)。因此連有關(guān)。因此連續(xù)相位調(diào)制屬于續(xù)相位調(diào)制屬于。 由于由于ak-1和和ak的取值為的取值為1或或1，所以，所以(ak-1ak)的取值可能為：的取值可能為：0，2或或2。所以，。所以， 。kkkkkkkaa,kxaa,xx1111n如果初始相位常數(shù)如果初始相位常數(shù)x00，則，則xk的可能取值（的可能取值（）就是）就是 或或 。故而。故而sinxk=0 。 由此，由此，MSK信號(hào)的表達(dá)式變?yōu)椋盒盘?hào)的表達(dá)式變?yōu)椋?。

23、其中，其中， ， 。 tfsinTtsinQtfcosTtcosIxcosTtsinatfsinxcosTtcostfcos)t ( scbkcbkkbkckbc 22222222 kkkkkIcosxQa cosx 后面，我們令后面，我們令cos( )=，令，令sin( )=。n由此，我們知道，由此，我們知道， 當(dāng)當(dāng)ak=1時(shí)，時(shí)，Ik=Qk ； 當(dāng)當(dāng)ak=1時(shí)，時(shí)，Ik=Qk 。 此外，根據(jù)相位連續(xù)條件，我們還可以證明，此外，根據(jù)相位連續(xù)條件，我們還可以證明，Ik只只可能可能在在cost/(2Tb)的過零點(diǎn)處發(fā)生變化，的過零點(diǎn)處發(fā)生變化， Qk只只可能可能在在sint/(2Tb)的過零點(diǎn)處

24、發(fā)生變化。的過零點(diǎn)處發(fā)生變化。這就是說，這就是說， Ik和和Qk每每2Tb才可能變化一次，并才可能變化一次，并且，變化時(shí)刻剛好錯(cuò)開了且，變化時(shí)刻剛好錯(cuò)開了Tb。MSK調(diào)制器調(diào)制器(n-1)Tbt(n+1)Tb nTbt(n+2)Tb：n=0,2,4,.kcos xkka cosxMSK信號(hào)的相位路徑圖信號(hào)的相位路徑圖n相位路徑圖：附加相位函數(shù)的圖示。相位路徑圖：附加相位函數(shù)的圖示。n設(shè)基帶數(shù)據(jù)速率為設(shè)基帶數(shù)據(jù)速率為Rb (bps)。MSK解調(diào)器解調(diào)器（2n+1）Tb（2n+2）Tb小結(jié)小結(jié)nMSK信號(hào)包絡(luò)恒定n頻偏嚴(yán)格地等于1/4Tb,調(diào)制指數(shù)h=0.5，每個(gè)碼元周期的相位變化為/2。不斷變化

25、，滿足相位連續(xù)。 一定是的整數(shù)倍；n在一個(gè)碼元期間，包含的fm、fs和fc的周期數(shù)都是四分之一的整數(shù)倍；1/(4 fm ) 、 1/(4 fs ) 、 1/(4 fc ) n其功率譜密度的主瓣較QPSK寬，但滾降速率較快。MSK調(diào)制的缺點(diǎn)與改進(jìn)n盡管MSK信號(hào)已具有較好的頻譜和誤比特率性能，但仍不能滿足功率譜在相鄰頻道取值(即鄰道輻射)低于主瓣峰值60 dB以上的要求。這就要求在保持MSK基本特性的基礎(chǔ)上，對(duì)MSK的帶外頻譜特性進(jìn)行改進(jìn)，使其衰減速度加快。n可以看出，MSK信號(hào)可由FM調(diào)制器來產(chǎn)生。由于輸入的二進(jìn)制非歸零脈沖序列具有較寬的頻譜，從而導(dǎo)致已調(diào)信號(hào)的帶外衰減較慢。如果將輸入信號(hào)經(jīng)過

26、濾波以后再送入FM調(diào)制，必然會(huì)改善已調(diào)信號(hào)的帶外特性。GMSK調(diào)制nGMSK信號(hào)就是通過在FM調(diào)制器前加入高斯低通濾波器(稱為預(yù)調(diào)制濾波器)而產(chǎn)生的。高斯濾波高斯濾波MSK調(diào)制調(diào)制 GMSK調(diào)制調(diào)制GMSK的相位軌跡1GMSK的相位軌跡2n從圖中可以看出， GMSK通過引入可控的碼間干擾(即部分響應(yīng)波形)來達(dá)到平滑相位路徑的目的，它消除了MSK相位路徑在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 從圖中還可以看出， GMSK信號(hào)在一碼元周期內(nèi)的相位增量， 不像MSK那樣固定為/2， 而是隨著輸入序列的不同而不同。GMSK的頻譜特性n隨著BbTb的減小，功率譜的衰降明顯加快。Bb濾波器3dB帶寬。0204060

27、8010012000.51.01.52.02.5歸一化頻率：( f fc)Tb0.40.30.20.250.161.00.70.5BbTb(MSK)功率譜密度 / dB小結(jié)nGMSK信號(hào)的相位不但連續(xù)，而且平滑，因此其帶外滾降更加快速；n在GMSK調(diào)制中，其預(yù)調(diào)濾波器不服從奈奎斯特準(zhǔn)則，因此存在著ISI。但這種ISI是受控的。擴(kuò)展頻譜技術(shù)擴(kuò)展頻譜技術(shù)n什么是擴(kuò)展頻譜（什么是擴(kuò)展頻譜（ pread pectrum）系）系統(tǒng)？為什么要擴(kuò)頻？統(tǒng)？為什么要擴(kuò)頻？n有哪些主要的擴(kuò)展頻譜技術(shù)？有哪些主要的擴(kuò)展頻譜技術(shù)？n直接序列（直接序列（ irect equence）擴(kuò)頻技術(shù)）擴(kuò)頻技術(shù)簡(jiǎn)介。簡(jiǎn)介。什么是

28、擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)？什么是擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)？n發(fā)射信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于所傳輸?shù)幕鶐盘?hào)帶寬發(fā)射信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于所傳輸?shù)幕鶐盘?hào)帶寬的系統(tǒng)，稱作的系統(tǒng)，稱作。n擴(kuò)頻通信概念的產(chǎn)生源于二戰(zhàn)期間軍事應(yīng)用擴(kuò)頻通信概念的產(chǎn)生源于二戰(zhàn)期間軍事應(yīng)用的需要，最初是為了在存在敵方干擾情況下的需要，最初是為了在存在敵方干擾情況下實(shí)現(xiàn)保密通信。最早提出的擴(kuò)頻方式并不是實(shí)現(xiàn)保密通信。最早提出的擴(kuò)頻方式并不是直接序列擴(kuò)頻（直接序列擴(kuò)頻（DSSS），而是跳頻擴(kuò)頻），而是跳頻擴(kuò)頻（FHSS）。）。n我們知道，傳統(tǒng)的我們知道，傳統(tǒng)的，已調(diào)信號(hào)，已調(diào)信號(hào)帶寬等于基帶信號(hào)帶寬的帶寬等于基帶信號(hào)帶寬的。如，。如，MPSK(M2)調(diào)制調(diào)制的已調(diào)信號(hào)帶

29、寬是基帶帶寬的已調(diào)信號(hào)帶寬是基帶帶寬的的2倍；倍；MSK調(diào)制調(diào)制的已調(diào)信號(hào)帶寬是基帶帶寬的已調(diào)信號(hào)帶寬是基帶帶寬的的1.5倍。倍。n而而的射頻帶寬是遠(yuǎn)大于基帶帶寬的，這的射頻帶寬是遠(yuǎn)大于基帶帶寬的，這里里“”指的是射頻帶寬是基帶信號(hào)帶寬的指的是射頻帶寬是基帶信號(hào)帶寬的。例如，。例如，IS95 CDMA系統(tǒng)系統(tǒng)采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，其射頻信道帶寬為采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，其射頻信道帶寬為1.25MHz，而在其，而在其中，編碼后基帶符中，編碼后基帶符號(hào)速率為號(hào)速率為19.2ksps。二者之間約。二者之間約65倍的關(guān)系。倍的關(guān)系。為什么要擴(kuò)頻為什么要擴(kuò)頻1n能獲得一定程度的抗干擾能力和抗阻塞能獲得一定

30、程度的抗干擾能力和抗阻塞能力；能力；n是一種在背景噪聲中隱蔽傳送信號(hào)的方是一種在背景噪聲中隱蔽傳送信號(hào)的方法；法；n使竊聽者的截獲概率非常低；使竊聽者的截獲概率非常低；為什么要擴(kuò)頻為什么要擴(kuò)頻2n能夠抵御來自多條傳輸路徑（即多徑）能夠抵御來自多條傳輸路徑（即多徑）的干擾；的干擾；n能實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶共享一個(gè)公共信道（即能實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶共享一個(gè)公共信道（即實(shí)現(xiàn)多址）；實(shí)現(xiàn)多址）； n能提供一種測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間范圍和距離的方能提供一種測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間范圍和距離的方法。法。 主要的擴(kuò)展頻譜技術(shù)主要的擴(kuò)展頻譜技術(shù)1n直接序列擴(kuò)頻技術(shù)n頻率跳變（簡(jiǎn)稱跳頻， requency opping）擴(kuò)頻技術(shù)n時(shí)間跳變（簡(jiǎn)稱跳時(shí)，

31、ime opping ）擴(kuò)頻技術(shù) 主要的擴(kuò)展頻譜技術(shù)主要的擴(kuò)展頻譜技術(shù)2n混合方式 ：在上述幾種基本擴(kuò)頻方式的基礎(chǔ)上，可以將其組合起來，構(gòu)成各種混合方式。例如：FH/DS、DS/TH、DS/FH/TH等等。一般來說， 采用混合方式在技術(shù)上要復(fù)雜一些，實(shí)現(xiàn)起來也要困難一些。但是，不同方式結(jié)合起來的優(yōu)點(diǎn)是有時(shí)能得到只用其中一種方式得不到的特性。跳頻（跳頻（FH）擴(kuò)頻擴(kuò)頻技術(shù)簡(jiǎn)介技術(shù)簡(jiǎn)介1nFHSS系統(tǒng)在軍事通信領(lǐng)域應(yīng)用較多。它通過系統(tǒng)在軍事通信領(lǐng)域應(yīng)用較多。它通過不斷地更替載波頻率來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，載波頻率更不斷地更替載波頻率來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，載波頻率更替的規(guī)律常稱為跳頻圖案，為了保證跳頻的有替的規(guī)律常稱為跳

32、頻圖案，為了保證跳頻的有效性效性抗敵方干擾和截獲，跳變規(guī)律應(yīng)呈現(xiàn)抗敵方干擾和截獲，跳變規(guī)律應(yīng)呈現(xiàn)出偽隨機(jī)變化的特點(diǎn)，跳頻圖案一般由偽隨機(jī)出偽隨機(jī)變化的特點(diǎn)，跳頻圖案一般由偽隨機(jī)碼（碼（PN碼）所決定。碼）所決定。n目前其應(yīng)用已經(jīng)不僅僅限于軍事通信領(lǐng)域，象目前其應(yīng)用已經(jīng)不僅僅限于軍事通信領(lǐng)域，象GSM和藍(lán)牙（和藍(lán)牙（Blue tooth）系統(tǒng)中都應(yīng)用了跳）系統(tǒng)中都應(yīng)用了跳頻。頻。跳頻（跳頻（FH）擴(kuò)頻擴(kuò)頻技術(shù)簡(jiǎn)介技術(shù)簡(jiǎn)介2n值得指出的是，值得指出的是，GSM中使用跳頻的目的主要在中使用跳頻的目的主要在于實(shí)現(xiàn)于實(shí)現(xiàn)和和，通過應(yīng)用跳頻技，通過應(yīng)用跳頻技術(shù)來提升術(shù)來提升GSM蜂窩系統(tǒng)的容量（信干比可以

33、得蜂窩系統(tǒng)的容量（信干比可以得到改善）。到改善）。nGSM采用采用TDMA方式，用戶發(fā)射機(jī)的發(fā)射是方式，用戶發(fā)射機(jī)的發(fā)射是的（而不是持續(xù)式的，用戶發(fā)射只占用的（而不是持續(xù)式的，用戶發(fā)射只占用特定的時(shí)隙），這就為跳頻的引入創(chuàng)造了條件，特定的時(shí)隙），這就為跳頻的引入創(chuàng)造了條件，每次發(fā)射（每個(gè)時(shí)隙）可以采用不同的載頻。每次發(fā)射（每個(gè)時(shí)隙）可以采用不同的載頻。跳頻跳頻技術(shù)重的重要參數(shù)技術(shù)重的重要參數(shù)n跳頻周期跳頻周期：在每個(gè)：在每個(gè)載頻上持續(xù)發(fā)射的載頻上持續(xù)發(fā)射的時(shí)間，記作時(shí)間，記作Thop 。n跳變速率（跳速）跳變速率（跳速）：每秒鐘載頻跳變：每秒鐘載頻跳變的次數(shù)。記作的次數(shù)。記作vhop，單位為：

34、單位為：hops/s。顯。顯然，一般有，然，一般有， vhop1 Thop 。tf跳頻接收機(jī)跳頻接收機(jī)直接序列擴(kuò)頻技術(shù)簡(jiǎn)介直接序列擴(kuò)頻技術(shù)簡(jiǎn)介 通過將已調(diào)載波與寬帶擴(kuò)頻序通過將已調(diào)載波與寬帶擴(kuò)頻序列列來實(shí)現(xiàn)帶寬的擴(kuò)展。來實(shí)現(xiàn)帶寬的擴(kuò)展。n由于CDMA移動(dòng)通信采用直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)(可簡(jiǎn)稱直擴(kuò)系統(tǒng))， 因此有必要進(jìn)一步說明直擴(kuò)通信系統(tǒng)的組成、 工作原理及其主要特點(diǎn)。直接序列擴(kuò)頻（直接序列擴(kuò)頻（DSSS）原理）原理：解擴(kuò)條件解擴(kuò)條件n解擴(kuò)條件：接收機(jī)要解擴(kuò)條件：接收機(jī)要正確解調(diào)，必須先進(jìn)正確解調(diào)，必須先進(jìn)行解擴(kuò)處理行解擴(kuò)處理用接用接收機(jī)本地?cái)U(kuò)頻序列與收機(jī)本地?cái)U(kuò)頻序列與收到的擴(kuò)頻信號(hào)相乘。收到的擴(kuò)頻信

35、號(hào)相乘。解擴(kuò)處理可表達(dá)為：解擴(kuò)處理可表達(dá)為：n 其中，其中，Td為傳輸時(shí)延，為傳輸時(shí)延， 是接收端對(duì)傳輸時(shí)延是接收端對(duì)傳輸時(shí)延的估計(jì)，正確解調(diào)的的估計(jì)，正確解調(diào)的前提就是使前提就是使得得 ，從而保，從而保證：證： 。)Tt (tcos)Tt ( c)Tt ( c)Tt ( c)Tt (tcos)Tt ( c)Tt ( c)t (sdddddddddr 00dTddTT 1 )Tt (c)Tt (cdd擴(kuò)頻與解擴(kuò)示意圖擴(kuò)頻與解擴(kuò)示意圖正常解擴(kuò)的條件有：正常解擴(kuò)的條件有：1）收、發(fā)使用相同的擴(kuò)頻序列；）收、發(fā)使用相同的擴(kuò)頻序列；2）收、收、發(fā)要實(shí)現(xiàn)同步，即要求發(fā)要實(shí)現(xiàn)同步，即要求 。ddTT 擴(kuò)頻

36、信號(hào)的頻譜擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜T=3Tc碼片（碼片（Chip）的概念）的概念n擴(kuò)頻序列的一個(gè)擴(kuò)頻序列的一個(gè)“1”或者一個(gè)或者一個(gè)“0”被稱作一個(gè)被稱作一個(gè)碼片碼片，以便與原始數(shù)據(jù)中的，以便與原始數(shù)據(jù)中的“1”或者或者“0”區(qū)分區(qū)分開來（在那里，我們一般稱之為開來（在那里，我們一般稱之為比特比特或或碼元碼元）。擴(kuò)頻序列中一個(gè)碼片的持續(xù)時(shí)間稱作。擴(kuò)頻序列中一個(gè)碼片的持續(xù)時(shí)間稱作碼片周碼片周期期，記作，記作Tc；擴(kuò)頻序列的數(shù)據(jù)速率稱作；擴(kuò)頻序列的數(shù)據(jù)速率稱作碼片速碼片速率率，記作，記作Rc，單位是，單位是chips/s（而不用而不用bits/s?。?。）。 就就DSSS系統(tǒng)而言，一般有，系統(tǒng)而言，一般有，

37、TcRS 。擴(kuò)頻增益n我們定義：我們定義：TSTc為為DSSS的擴(kuò)頻增益。記作：的擴(kuò)頻增益。記作： GSSTSTc (1Tc)(1TS)。 剛才，我們看到，擴(kuò)頻之前已調(diào)帶寬為：剛才，我們看到，擴(kuò)頻之前已調(diào)帶寬為： 2TS，擴(kuò)頻之后的信號(hào)帶寬為：，擴(kuò)頻之后的信號(hào)帶寬為：2Tc。 因此，就有擴(kuò)頻增益因此，就有擴(kuò)頻增益GSS為：為： GSSB擴(kuò)頻后擴(kuò)頻后B擴(kuò)頻前擴(kuò)頻前 。nDSSS可以對(duì)抗窄帶干擾可以對(duì)抗窄帶干擾f PSD接收機(jī)解擴(kuò)前接收機(jī)解擴(kuò)前A點(diǎn)點(diǎn)f0有用信號(hào)有用信號(hào)窄帶干擾窄帶干擾f PSD接收機(jī)解擴(kuò)后接收機(jī)解擴(kuò)后B點(diǎn)點(diǎn)f0擴(kuò)展后的擴(kuò)展后的窄帶干擾窄帶干擾還原后的還原后的有用信號(hào)有用信號(hào)GSS

38、有用信號(hào)被還有用信號(hào)被還原為窄帶信號(hào)原為窄帶信號(hào)窄帶干擾被擴(kuò)窄帶干擾被擴(kuò)展為寬帶干擾展為寬帶干擾擴(kuò)頻碼應(yīng)具備的特點(diǎn)擴(kuò)頻碼應(yīng)具備的特點(diǎn)n擴(kuò)頻碼應(yīng)該是擴(kuò)頻碼應(yīng)該是（， seudo- oise），偽噪聲碼在擴(kuò)頻系統(tǒng)或碼分多址系統(tǒng)中起著十偽噪聲碼在擴(kuò)頻系統(tǒng)或碼分多址系統(tǒng)中起著十分重要的作用。分重要的作用。 這是由于這類碼序列最重要這是由于這類碼序列最重要的特性是它具有近似于隨機(jī)信號(hào)的性能，也可的特性是它具有近似于隨機(jī)信號(hào)的性能，也可以說具有近似于白噪聲的性能。以說具有近似于白噪聲的性能。n在單用戶工作時(shí)擴(kuò)頻碼在單用戶工作時(shí)擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻碼m序列n二進(jìn)制的m序列是一種重要的偽隨機(jī)序列， 有優(yōu)良的自相關(guān)特性。nm序列在擴(kuò)展頻譜及碼分多址技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，并且在m序列基礎(chǔ)上還能構(gòu)成其它的碼序列，因此無論從m序列直接應(yīng)用還是從掌握偽隨機(jī)序列基本理論而言，必須熟悉m序列的產(chǎn)生及其主要特性。m序列的含義序列的含義nm序列是最長(zhǎng)