移动通信第二章.ppt
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1、第2章 调制解调,2.1 概述 2.2 数字频率调制 2.3 数字相位调制 2.4 正交振幅调制(QAM)2.5 扩展频谱调制 2.6 多载波调制,第一,带宽有限 它取决于使用的频率资源和信道的传播特性;,移动通信信道的基本特征,第二,干扰和噪声影响大 这主要是移动通信工作的电磁环境所决定的;,强的抗干扰能力,强的抗衰落能力,第三,存在着多径衰落,2、恒定包络(连续相位)调制技术,1、线性调制技术,“线性”是要求通信设备从频率变换到放大和发射的过程中保持充分的线性。因此,需要采用成本相对较高的线性功率放大器件。,两类主要的数字调制方式,优点:已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没有线性要求,
2、可采用限幅器、低成本的非线性高效功率放大器件。,缺点:其频谱利用率通常低于线性调制技术。,恒定包络调制技术,MSK GMSK GFSK TFM,优点:1)已调信号具有相对窄的功率谱,极低的旁瓣能量;,缺点:频谱利用率通常低于线性调制技术。,2)功率利用率高:对放大设备没有线性要求,即,可使用高效率的C类高频功率放大器。,线性调制技术,PSK QPSK DQPSK OK-QPSK/4DQPSK 多电平PSK,优点:高的频谱利用率!,缺点:低的功率利用率!,MSK(最小移频键控调制),MSK是一种特殊形式的 FSK。频差是满足两个频率相互正交(即相关函数等于0)的最小频差,则调制系数 要求相位连续
3、。,MSK调制是一种恒包络调制,这是因为MSK是属于二进制连续相位移频键控的一种特殊的情况,它不存在相位跃变点,因此在限带系统中,能保持恒包络特性。,MSK的相位轨迹,在一个比特区间内,相位线性地增加或减少/2。,MSK信号的功率谱密度,与QPSK相比,MSK具有较宽的主瓣,旁瓣下降速率较快。,GMSK(高斯滤波的最小移频键控调制),尽管MSK信号已具有较好的频谱和误比特率性能,但仍不能满足功率谱在相邻频道取值(即邻道辐射)低于主瓣峰值60dB以上的要求。,GMSK信号的产生原理框图,GMSK的相位轨迹,GMSK相位路径平滑,它消除了MSK相位路径在码元转换时刻的相位转折点。,GMSK信号的功
4、率谱密度,B:高斯滤波器3dB带宽。,GSM系统中,要求在归一化频差(f-fc)T=1.5时功率谱密度低于60dB,在高斯滤波器的归一化3dB带宽BTb=0.3时GMSK的功率谱即可满足要求。,:比特周期。,1、GMSK信号频谱随着归一化3dB带宽BT b值的减小,所对应的GMSK信号的功率谱愈紧凑,即谱利用率愈好,但码元间干扰造成的性能下降加剧。,2、从谱利用率和误码率双方考虑,BT b值应该折中选择。,GMSK信号的功率谱密度,由图可见:,在GSM系统中归一化3dB带宽BT b=0.3!,QPSK 和 OQPSK,(a)QPSK,(b)OQPSK,1、QPSK和OQPSK的产生原理,2、Q
5、PSK和OQPSK的星座图,(a)QPSK,(b)OQPSK,从相位跳变上可判断,OQPSK信号频谱旁瓣要低于 QPSK 信号的旁瓣。,/4-DQPSK调制,/4-DQPSK是对QPSK信号的特性进行改进的一种调制方式。,改进一:相位跳变的改变。,改进二:解调方式的改变。,美国的IS-136数字蜂窝系统、日本的数字蜂窝系统(PDC)和美国的个人接入通信系统(PACS)。,应用:,/4-DQPSK的最大相位跳变值介于OQPSK和QPSK之间。,/4-DQPSK可采用非相干解调,从而大大简化接收机的结构。,1、/4-DQPSK信号的产生原理框图,相位跳变规则,2、/4-DQPSK相位的星座图,不同
6、调制方式的功率谱密度,由上述功率谱密度图形可见MSK、GMSK的频谱效率介于BPSK与QPSK之间,即比BPSK好,但不如QPSK,因为QPSK第一零点在归一化频率 处,而BPSK的第一零点在 的位置,MSK与GMSK的第一零点在 的位置。,OQPSK,BPSK,GMSK,1)由上述功率谱密度图形可见MSK、GMSK的频谱效率介于BPSK与QPSK之间,即比BPSK好,但不如QPSK。,结论:,2)从抗干扰性即功率效率看,GMSK最好,MSK次之,QPSK与BPSK性能最差。,2.4 正交振幅调制(QAM),QAM 通过相位和振幅的联合控制,可以得到更高频谱效率,从而可在限定的频带内传输更高速
7、率的数据。QAM在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。,正交振幅调制的一般表达式:,振幅Am和Bm可以表示成:,式中,A是固定的振幅,(dm,em)由输入数据确定。(dm,em)决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。,(a)QAM调制框图,(b)QAM解调框图,QAM信号的结构设计准则,QAM信号的结构不仅影响到已调信号的功率谱特性,而且影响已调信号的解调及其性能。,在信号功率相同的条件下,选择信号空间中信号点之间距离最大的信号结构,同时还要考虑解调的复杂性。,设计准则:,M进制方型QAM星座图,(b)16QAM,(a)4QAM,(c)6
8、4QAM,M进制星型QAM星座图,(b)16QAM,(a)4QAM,(c)64QAM,例:下图是在限定信号点数目M=8,要求这些信号点仅取两种振幅值,且信号点之间的最小距离为2A的条件下,得到的几种信号空间结构。,(1)星型QAM的振幅环由方型的3个减少为2个。,星型QAM有利于接收端的自动增益控制和载波相位跟踪。,(2)星型QAM的相位由方型的12种减少为8种。,结论:,方型16QAM与星型16QAM星座比较,2.5 扩展频谱调制,1.扩展频谱通信的基本概念,扩频通信技术是一种信息传输方式;在发端采用扩频码调制,使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽;在收端采用相同的扩频码进行相关解扩
9、以恢复所传信息数据。,1)信号的频谱被展宽了;,2)采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱;,3)在接收端用相关解扩来解调。,解释:,在给定的传输速率C不变的条件下,频带宽度W和信噪比SN是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法,在较低的信噪比SN情况下,传输可靠的信息。,C:信道容量(用传输速率度量);W:信号频带宽度;S/N:信道输出信噪比(即接收机输入信噪比)。,扩频通信的理论依据,仙农(Shannon)公式:,扩展频谱换取对信噪比要求的降低,正是扩频通信的重要特点,为扩频通信的应用奠定了基础。,理论分析表明,各种扩频系统的抗干扰能力大体上都与扩频信号带宽B与信息带宽Bm之比成正比。,扩
10、频通信的主要性能指标,:表示了扩频系统信噪比改善的程度。,1、扩频增益,2、抗干扰容限,定义:指在保证系统正常工作的条件下,接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数。,可见,抗干扰容限M j与扩频处理增益G P成正比,G P提高后,M j大大提高,甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。,体现了扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力!,例:一个扩频系统的处理增益为35dB,要求误码率小于 10-5 信息数据解调的最小的输出信噪比(S/N)0 10 dB,系统损耗Ls=3dB,则抗干扰容限?,这说明系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高 22dB 的范围内正常工作,也就是说该系
11、统能够在接收输入信噪比大于或等于-22dB 的环境下正常工作。,则,Mj=35(10+3)=22 dB,1)直接序列(DS)扩频,扩频:在发端直接用具有高码率的扩频码序列去扩展信号的频谱。,解扩:在收端,用相同的扩频码序列去进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始的信息。,直接序列扩展频谱示意图,载波,窄脉冲序列,直扩原理波形图,扩频通信中,频谱宽度与功率谱密度示意,直扩通信系统原理框图,各点波形:,直扩通信系统原理波形图,OC 4,OC 3,OC 2,OC 1,RF调制,RF解调,OC 3,数据信道1,数据信道 2,数据信道 3,数据信道 4,接收机,本例中接收机采用正交码 3与复合信号进行相关
12、操作;结果是可以完全无干扰地重建信道 3的数据;为了实现这个完全的正交性,各个正交码必须具有严格地时间同步。,线性相加,发射机,正交码多址技术,2)跳频(FH),用伪随机码控制发射机的载频,使载波频率随伪随机码的变化而跳变,从而扩展发射信号的频率变化范围,即扩展传输带宽。,频率跳变图案,跳频原理框图,发端信息码序列与扩频码序列组合后按照不同的码字去控制频率合成器。,在收端,为了解调跳频信号,需要用与发端完全相同的本地扩频码发生器去控制本地频率合成器。,地址码的功能,1)扩展频谱2)区分不同用户3)抗多径干扰、抗多径衰落4)信息数据的隐蔽和保密5)捕获和同步,理想地址/扩频码的特性,1)尖锐的自
13、相关特性2)处处为零的互相关特性3)足够多的地址码码组4)不同码元数平衡相等5)尽可能长的复杂度(使敌方不易破坏,对信息的保密有用)6)具有近似噪声的频谱,即近似连续谱且均匀分布,1、相关性的概念,2.5.3 伪随机(PN)序列,1)自相关函数的定义,表示信号与其自身时延以后的信号之间的相似性的。,(a)任一随机噪声波形的时间波形,(b)是(a)图的自相关函数,互相关函数表示为:,2)互相关函数的定义,互相关性的概念在码分多址通信中尤为重要。在码分多址系统中,不同的用户应选用互相关性小的信号作为地址码。,两个不同信号的相似性则需用互相关函数来表征。,如果上式为0,两波形是正交的!否则是非正交的
14、。,2、码序列的相关性,1)码序列的自相关函数,xi:周期长度为P的某一码序列;xi+:xi移位后的码序列。,自相关系数:,自相关系数值最大不超过 1。,2)分析 m 序列的自相关特性:,例:n=4 码序列产生器电路。,1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0,其周期为 P=24-1=15。,表 2-3 n=4码序列产生过程,设为A序列,A序列位移 4 比特(即=4Tc)的码序列为B:,可求得自相关系数:,1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0,AB,A序列,B序列,A序列位移 4 比特后自相关系数,码元宽度为Tc的A序列波形:,可求得自相关系数:,A序列
15、位移 1 比特后自相关系数,1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0,A序列,A序列位移 1 比特(即=Tc)的码序列为B:,AB,B序列,A序列与其自身的自相关系数,此时自相关系数达最大:,A序列,AA,A序列,其它的位移值时,A序列的自相关系数,当位移值为,时,自相关系数均为:,时自相关系数达最大:,只有,例:15 位码序列的自相关系数曲线,15 位码序列的自相关系数曲线,两者比较接近,尤其当码序列周期 P 越大,则 1/P 越小,两者接近程度也越好!,随机噪声的自相关函数,具有二值的尖锐特性,m序列与随机噪声 自相关系数曲线比较:,对于二进制序列,其自相关系数也可由下式
16、求得:,A:相对应码元相同的数目;D:相对应码元不同的数目;P:码序列周期长度。,二进制序列自相关系数表达式,2)码序列的互相关,对于二进制码序列,周期均为P 的两个码序列 x 和 y,其相关函数称为互相关函数,记作 R(x,y),即,其互相关系数为:,在码分多址中,希望采用互相关小的码序列,理想情况是希望x,y()=0,即两个码序列完全正交。,码长为 4 的 4 组正交码的波形,2、m 序列的产生,m 序列是最长线性移位寄存器序列的简称。,n 级移位寄存器能产生的最大长度的码序列为 2n-1 位。,)n=42 的长码 m 序列。,(1)m 序列的含义,应用:在 CDMA 蜂窝系统中,使用了两
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