移動通信第二章

1、第2章 調(diào)制解調(diào)第第2 2章章 調(diào)制解調(diào)調(diào)制解調(diào)2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 數(shù)字頻率調(diào)制數(shù)字頻率調(diào)制 2.3 2.3 數(shù)字相位調(diào)制數(shù)字相位調(diào)制 2.4 2.4 正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制(QAM) (QAM) 2.5 2.5 擴(kuò)展頻譜調(diào)制擴(kuò)展頻譜調(diào)制 2.6 2.6 多載波調(diào)制多載波調(diào)制 第2章 調(diào)制解調(diào)第一，帶寬有限第一，帶寬有限 它取決于使用的頻率資源和信道的傳播特性；它取決于使用的頻率資源和信道的傳播特性；移動通信信道的基本特征移動通信信道的基本特征高的頻譜利用率高的頻譜利用率第二，干擾和噪聲影響大第二，干擾和噪聲影響大 這主要是移動通信工作的電磁環(huán)境所決定的；這主要是移動通

2、信工作的電磁環(huán)境所決定的； 強(qiáng)的抗干擾能力強(qiáng)的抗干擾能力強(qiáng)的抗衰落能力強(qiáng)的抗衰落能力第三，第三， 存在著多徑衰落存在著多徑衰落第2章 調(diào)制解調(diào)2、恒定包絡(luò)（連續(xù)相位）調(diào)制技術(shù)、恒定包絡(luò)（連續(xù)相位）調(diào)制技術(shù)1、線性調(diào)制技術(shù)、線性調(diào)制技術(shù) “ “線性線性”是要求通信設(shè)備從頻率變換到放大和發(fā)射是要求通信設(shè)備從頻率變換到放大和發(fā)射的過程中保持充分的線性。因此，需要采用成本相對較的過程中保持充分的線性。因此，需要采用成本相對較高的線性功率放大器件。高的線性功率放大器件。兩類主要的數(shù)字調(diào)制方式兩類主要的數(shù)字調(diào)制方式 優(yōu)點(diǎn)：已調(diào)信號具有相對窄的功率譜和對放大設(shè)備優(yōu)點(diǎn)：已調(diào)信號具有相對窄的功率譜和對放大設(shè)備沒

3、有線性要求，可采用限幅器、低成本的非線性高效功沒有線性要求，可采用限幅器、低成本的非線性高效功率放大器件。率放大器件。 缺點(diǎn)：其頻譜利用率缺點(diǎn)：其頻譜利用率通常低于線性調(diào)制技術(shù)。通常低于線性調(diào)制技術(shù)。 第2章 調(diào)制解調(diào)恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù) MSK GMSK GFSK TFM優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 1）已調(diào)信號具有相對窄的功率譜，極低的旁瓣能量）已調(diào)信號具有相對窄的功率譜，極低的旁瓣能量 ；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：頻譜利用率通常低于線性調(diào)制技術(shù)。頻譜利用率通常低于線性調(diào)制技術(shù)。2 2）功率利用率高：對放大設(shè)備沒有線性要求，即，可）功率利用率高：對放大設(shè)備沒有線性要求，即，可使用高效率的使用高效率的C類高

4、頻功率放大器。類高頻功率放大器。第2章 調(diào)制解調(diào)線性調(diào)制技術(shù)線性調(diào)制技術(shù) PSK QPSK DQPSK OK-QPSK /4DQPSK 多電平多電平PSK優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：高的頻譜利用率！高的頻譜利用率！缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：低的功率利用率！低的功率利用率！第2章 調(diào)制解調(diào)MSK（最小移頻鍵控調(diào)制）（最小移頻鍵控調(diào)制） MSK是一種特殊形式的是一種特殊形式的 FSK。 頻差是滿足兩個(gè)頻率相互正交頻差是滿足兩個(gè)頻率相互正交(即相關(guān)函數(shù)等于即相關(guān)函數(shù)等于0)的的最小頻差，則調(diào)制系數(shù)最小頻差，則調(diào)制系數(shù) 要求相位連續(xù)。要求相位連續(xù)。5 .0/1bTfh MSK調(diào)制是一種調(diào)制是一種恒包絡(luò)調(diào)制恒包絡(luò)調(diào)制，這是因?yàn)?，這是

5、因?yàn)镸SK是屬于是屬于二進(jìn)制連續(xù)相位移頻鍵控的一種特殊的情況，它不存在二進(jìn)制連續(xù)相位移頻鍵控的一種特殊的情況，它不存在相位躍變點(diǎn)，因此在限帶系統(tǒng)中，能保持恒包絡(luò)特性。相位躍變點(diǎn)，因此在限帶系統(tǒng)中，能保持恒包絡(luò)特性。第2章 調(diào)制解調(diào)MSK的相位軌跡的相位軌跡在一個(gè)比特區(qū)間內(nèi)，在一個(gè)比特區(qū)間內(nèi)， 相位線性地增加或減少相位線性地增加或減少/2。第2章 調(diào)制解調(diào)MSK信號的功率譜密度信號的功率譜密度與與QPSKQPSK相比，相比，MSKMSK具有較寬的主瓣，旁瓣下降速率較快。具有較寬的主瓣，旁瓣下降速率較快。第2章 調(diào)制解調(diào)GMSK （高斯濾波的最小移頻鍵控調(diào)制高斯濾波的最小移頻鍵控調(diào)制） 盡管盡管M

6、SKMSK信號已具有較好的頻譜和誤比特率性能，信號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但仍不能滿足功率譜在相鄰頻道取值( (即鄰道輻射即鄰道輻射) )低于低于主瓣峰值主瓣峰值60dB60dB以上的要求。以上的要求。GMSK信號的產(chǎn)生原理框圖信號的產(chǎn)生原理框圖第2章 調(diào)制解調(diào)GMSK的相位軌跡的相位軌跡 GMSK相位路徑平滑，相位路徑平滑， 它消除了它消除了MSK相位路徑在相位路徑在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位轉(zhuǎn)折點(diǎn)。碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位轉(zhuǎn)折點(diǎn)。第2章 調(diào)制解調(diào)GMSKGMSK信號的功率譜密度信號的功率譜密度B B：高斯濾波器：高斯濾波器3dB3dB帶寬。帶寬。 GSM系統(tǒng)中，

7、要求在歸一化頻差系統(tǒng)中，要求在歸一化頻差(f-fc)T=1.5時(shí)功率譜密度時(shí)功率譜密度低于低于60dB，在高斯濾波器的歸一化，在高斯濾波器的歸一化3dB帶寬帶寬BTb =0.3時(shí)時(shí)GMSK的功率譜即可滿足要求。的功率譜即可滿足要求。bT：比特周期。：比特周期。第2章 調(diào)制解調(diào)1、GMSK信號頻譜隨著歸一化信號頻譜隨著歸一化3dB帶寬帶寬BT b值的減小，所值的減小，所對應(yīng)的對應(yīng)的GMSK信號的功率譜愈緊湊，即譜利用率愈好，但信號的功率譜愈緊湊，即譜利用率愈好，但碼元間干擾造成的性能下降加劇。碼元間干擾造成的性能下降加劇。2、從譜利用率和誤碼率雙方考慮，、從譜利用率和誤碼率雙方考慮，BT b值應(yīng)

8、該折中選擇。值應(yīng)該折中選擇。GMSKGMSK信號的功率譜密度信號的功率譜密度由圖可見：由圖可見：在在GSM系統(tǒng)中系統(tǒng)中歸一化歸一化3dB帶寬帶寬BT b =0.3 ！第2章 調(diào)制解調(diào)QPSK 和和 OQPSK(a) QPSK(b) OQPSK1、QPSK和和OQPSK的產(chǎn)生原理的產(chǎn)生原理第2章 調(diào)制解調(diào)2、QPSK和和OQPSK的星座圖的星座圖(a) QPSK(b) OQPSK 從相位跳變上可判斷，從相位跳變上可判斷， OQPSK信號信號頻譜旁瓣頻譜旁瓣要低于要低于 QPSK 信號的旁瓣。信號的旁瓣。第2章 調(diào)制解調(diào)/4 - DQPSK/4 - DQPSK調(diào)制調(diào)制 /4-DQPSK /4-DQ

9、PSK是對是對QPSKQPSK信號的特性進(jìn)行改進(jìn)的一種調(diào)制方式。信號的特性進(jìn)行改進(jìn)的一種調(diào)制方式。改進(jìn)一：改進(jìn)一：相位跳變的改變。相位跳變的改變。 改進(jìn)二：解調(diào)方式的改變。改進(jìn)二：解調(diào)方式的改變。 美國的美國的IS-136數(shù)字蜂窩系統(tǒng)、日本的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)數(shù)字蜂窩系統(tǒng)、日本的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)(PDC)和美和美國的個(gè)人接入通信系統(tǒng)國的個(gè)人接入通信系統(tǒng)(PACS)。應(yīng)用：應(yīng)用：/4-DQPSK的最大相位跳變值介于的最大相位跳變值介于OQPSK和和QPSK之間。之間。/4-DQPSK可采用非相干解調(diào)，從而大大簡化接收機(jī)的可采用非相干解調(diào)，從而大大簡化接收機(jī)的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。第2章 調(diào)制解調(diào)1 1、/4-DQP

10、SK/4-DQPSK信號的產(chǎn)生原理框圖信號的產(chǎn)生原理框圖 相位跳變規(guī)則相位跳變規(guī)則第2章 調(diào)制解調(diào)2 2、/4-DQPSK/4-DQPSK相位的星座圖相位的星座圖 第2章 調(diào)制解調(diào)不同調(diào)制方式的功率譜密度不同調(diào)制方式的功率譜密度由上述功率譜密度圖形可見MSK、GMSK的頻譜效率介于BPSK與QPSK之間，即比BPSK好，但不如QPSK，因?yàn)镼PSK第一零點(diǎn)在歸一化頻率 處，而BPSK的第一零點(diǎn)在 的位置，MSK與GMSK的第一零點(diǎn)在 的位置。0.5bfT 1bfT 0.75bfT OQPSKBPSKGMSK第2章 調(diào)制解調(diào)1）由上述功率譜密度圖形可見）由上述功率譜密度圖形可見MSK、GMSK的

11、的頻頻譜效率介于譜效率介于BPSK與與QPSK之間，即比之間，即比BPSK好，但好，但不如不如QPSK。結(jié)論：結(jié)論：2）從抗干擾性即）從抗干擾性即功率效率看，功率效率看，GMSK最好最好，MSK次之，次之，QPSK與與BPSK性能最差。性能最差。第2章 調(diào)制解調(diào)2.4 正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制(QAM) QAM 通過相位和振幅的聯(lián)合控制，可以得到更高頻譜效率，通過相位和振幅的聯(lián)合控制，可以得到更高頻譜效率， 從從而可在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。而可在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。 QAM在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。正交振幅調(diào)

12、制的一般表達(dá)式正交振幅調(diào)制的一般表達(dá)式:( )cossinmcmcy tAtBt0stT 振幅振幅Am和和Bm可以表示成：可以表示成：AeBAdAmmmm 式中，式中，A是固定的振幅，是固定的振幅， (dm, em)由輸入數(shù)據(jù)確定。由輸入數(shù)據(jù)確定。 (dm, em) 決定了已調(diào)決定了已調(diào)QAM信號在信號空間中的坐標(biāo)點(diǎn)。信號在信號空間中的坐標(biāo)點(diǎn)。 第2章 調(diào)制解調(diào) (a) QAM調(diào)制框圖調(diào)制框圖 (b) QAM解調(diào)框圖解調(diào)框圖 第2章 調(diào)制解調(diào)QAM信號的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則信號的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 QAM信號的結(jié)構(gòu)不僅影響到已調(diào)信號的功率譜特性，而信號的結(jié)構(gòu)不僅影響到已調(diào)信號的功率譜特性，而且影響已調(diào)信號的

13、解調(diào)及其性能。且影響已調(diào)信號的解調(diào)及其性能。 在信號功率相同的條件下，選擇信號空間中信號在信號功率相同的條件下，選擇信號空間中信號點(diǎn)之間距離最大的信號結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要考慮解調(diào)的復(fù)點(diǎn)之間距離最大的信號結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要考慮解調(diào)的復(fù)雜性。雜性。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：第2章 調(diào)制解調(diào)M進(jìn)制方型進(jìn)制方型QAM星座圖星座圖(b) 16QAM (a) 4QAM(c) 64QAM第2章 調(diào)制解調(diào)M進(jìn)制星型進(jìn)制星型QAM星座圖星座圖(b) 16QAM (a) 4QAM(c) 64QAM第2章 調(diào)制解調(diào)例：下圖是在限定信號點(diǎn)數(shù)目例：下圖是在限定信號點(diǎn)數(shù)目M=8, 要求這些信號點(diǎn)僅取要求這些信號點(diǎn)僅取兩種振幅值，且信號點(diǎn)

14、之間的最小距離為兩種振幅值，且信號點(diǎn)之間的最小距離為2A的條件下，的條件下， 得到的幾種信號空間結(jié)構(gòu)。得到的幾種信號空間結(jié)構(gòu)。第2章 調(diào)制解調(diào)（1 1）星型）星型QAMQAM的的振幅環(huán)振幅環(huán)由方型的由方型的3 3個(gè)減少為個(gè)減少為2 2個(gè)。個(gè)。 星型星型QAMQAM有利于接收端的自動增益控制和載波相位跟蹤。有利于接收端的自動增益控制和載波相位跟蹤。（2 2）星型）星型QAMQAM的的相位相位由方型的由方型的1212種減少為種減少為8 8種。種。結(jié)論：結(jié)論：方型方型16QAM與星型與星型16QAM星座比較星座比較第2章 調(diào)制解調(diào)2.5 2.5 擴(kuò)展頻譜調(diào)制擴(kuò)展頻譜調(diào)制1.1.擴(kuò)展頻譜通信的基本概念

15、擴(kuò)展頻譜通信的基本概念 擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式；擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式； 在發(fā)端采用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度在發(fā)端采用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的帶寬；遠(yuǎn)大于所傳信息必需的帶寬； 在收端采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)以恢復(fù)所在收端采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)以恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。傳信息數(shù)據(jù)。1）信號的頻譜被展寬了；）信號的頻譜被展寬了；2）采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號頻譜；）采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號頻譜；3）在接收端用相關(guān)解擴(kuò)來解調(diào)。）在接收端用相關(guān)解擴(kuò)來解調(diào)。解釋：解釋：第2章 調(diào)制解調(diào) 在給定的傳輸速率在給定的傳輸速率C不變的條件

16、下，頻帶寬度不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比和信噪比SN是是可以互換的。可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比SN情況下，傳輸可靠的信息。情況下，傳輸可靠的信息。 C：信道容量(用傳輸速率度量)；W：信號頻帶寬度； S/N：信道輸出信噪比（即接收機(jī)輸入信噪比）。2log (1)CWS N擴(kuò)頻通信的理論依據(jù)擴(kuò)頻通信的理論依據(jù)仙農(nóng)仙農(nóng)(Shannon)公式：公式： 擴(kuò)展頻譜換取對信噪比要求的降低，正是擴(kuò)頻通信的擴(kuò)展頻譜換取對信噪比要求的降低，正是擴(kuò)頻通信的重要特點(diǎn)，為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。重要特點(diǎn)，為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。第2章 調(diào)

17、制解調(diào) 理論分析表明，各種擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力大體上都與擴(kuò)頻信號帶寬理論分析表明，各種擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力大體上都與擴(kuò)頻信號帶寬B與信息帶寬與信息帶寬Bm之比成正比。之比成正比。mpBBGlg10擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)：表示了擴(kuò)頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。：表示了擴(kuò)頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。 1、擴(kuò)頻增益、擴(kuò)頻增益2、抗干擾容限、抗干擾容限jpsSMGNO（L）定義：指在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，接收機(jī)能夠承受的干擾信號比定義：指在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，接收機(jī)能夠承受的干擾信號比有用信號高出的分貝數(shù)。有用信號高出的分貝數(shù)。 可見，抗干擾容限可見，抗干擾容限M j與擴(kuò)頻處理增

18、益與擴(kuò)頻處理增益G P成正比，成正比，G P提高后，提高后，M j大大提高，甚至信號在一定的噪聲湮沒下也大大提高，甚至信號在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。能正常通信。 體現(xiàn)了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力！體現(xiàn)了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力！第2章 調(diào)制解調(diào)例：一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益為例：一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益為35dB，要求誤碼率小于，要求誤碼率小于 10-5 信息數(shù)據(jù)解調(diào)的最小的輸出信噪比信息數(shù)據(jù)解調(diào)的最小的輸出信噪比(S/N)0 信道沖激響應(yīng)時(shí)延擴(kuò)展信道沖激響應(yīng)時(shí)延擴(kuò)展 保護(hù)間隔保護(hù)間隔 能對抗頻率選擇性衰落能對抗頻率選擇性衰落 每個(gè)子信道均可看成是平坦衰落

19、每個(gè)子信道均可看成是平坦衰落 均衡簡單均衡簡單 每個(gè)子信道均平坦衰落，用很簡單的均衡結(jié)構(gòu)即每個(gè)子信道均平坦衰落，用很簡單的均衡結(jié)構(gòu)即可克服信道影響可克服信道影響. 頻帶利用率高頻帶利用率高 子信道相互交疊且正交子信道相互交疊且正交第2章 調(diào)制解調(diào) 同步問題同步問題 符號同步符號同步 頻率同步頻率同步 發(fā)射機(jī)、接收機(jī)需要發(fā)射機(jī)、接收機(jī)需要FFT處理處理 復(fù)雜度較高復(fù)雜度較高OFDM技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn) 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 對載波頻率偏差敏感對載波頻率偏差敏感 峰均比峰均比PAPR高高第2章 調(diào)制解調(diào)OFDM系統(tǒng)具有高峰均比的現(xiàn)象系統(tǒng)具有高峰均比的現(xiàn)象 1,1 雖然四個(gè)子載波的幅度范圍恒為雖然四個(gè)子載波

20、的幅度范圍恒為 ，但疊加之后，但疊加之后的的OFDMOFDM符號的幅度范圍卻變化很大，符號的幅度范圍卻變化很大，這也就是這也就是OFDM系統(tǒng)系統(tǒng)具有高峰均比的現(xiàn)象。具有高峰均比的現(xiàn)象。第2章 調(diào)制解調(diào)OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1. 1. 時(shí)域和頻域同步時(shí)域和頻域同步2. 2. 信道估計(jì)信道估計(jì)3. 3. 信道編碼和交織信道編碼和交織4. 4. 降低峰值平均功率比降低峰值平均功率比5. 5. 均衡均衡第2章 調(diào)制解調(diào) 1 1、子載波的數(shù)目、子載波的數(shù)目 2 2、保護(hù)時(shí)間、保護(hù)時(shí)間 3 3、符號周期、符號周期 4 4、載波間隔、載波間隔 5 5、載波的調(diào)制方式、載波的調(diào)制方式 6 6、前向糾錯(cuò)編碼的選擇、前向糾錯(cuò)編碼的選擇 OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù) 這些參數(shù)的選擇要依據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用與傳播環(huán)境要求，如這些參數(shù)的選擇要依據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用與傳播環(huán)境要求，如有效系統(tǒng)帶寬、所支持的業(yè)