移动通信第2章.ppt
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1、第2章学习要点 1 理解数字调制器的性能指标要求 多载波调制原理及性能 2 理解码序列正交性能及应用 小m序列的特性与Walsh函数的特性 3 了解扩频通信系统的基本概念 4 掌握扩频通信的原理 第2章调制解调2 1概述 1 调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号 该信号称为已调信号 调制过程用于通信系统的发端 在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号 该过程称为解调 按照调制器输入信号 也称为调制信号 的形式 调制可分为模拟调制和数字调制 模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制 或改变 载波正弦波的振幅 频率或相位 从而得到调幅 AM 调频 FM 或调相 PM 信号
2、 数字调制是利用数字信号来控制载波的振幅 频率或相位 常用的数字调制有幅移键控 ASK 频移键控 FSK 和相移键控 PSK 等 移动通信信道的基本特征是 第一带宽有限 第二干扰和噪声影响大 第三存在着多径衰落 对移动通信数字调制的要求 1 必须采用抗干扰能力较强的调制方式 如采用恒包络调制方式 经过调制解调后的信噪比 S N 较大 2 尽可能提高频谱利用率 常用单位频带 1Hz 内能传输的比特率 b s 来表征 占用频带要窄 带外辐射要小 采用FDMA TDMA调制方式 占用频带尽可能宽 但单位频谱所容纳的用户数多 采用CDMA调制方式 3 具有良好的误码性能 2 1概述 2 数字调制的性能
3、指标通常通过功率有效性 p和带宽有效性 B来反映 功率有效性 p是反映调制技术在低功率电平情况下保证系统误码性能的能力 可表述成每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比 带宽有效性 p是反映调制技术在一定的频带内数字有效性的能力 可表述成在给定带宽条件下每赫兹的数据通过率 2 1概述 3 移动通信的数字调制要求其带宽有效性 p和带宽有效性 B值大好 但也要综合兼顾调制器设计制作的技术难度与成本 2 3 1移相键控 PSK 调制 1 设输入比特为 an an 1 n 则PSK的信号形式为 即当输入为 1 时 对应的信号S t 附加相位为 0 当输入为 1 时 对应的信号S t 附加相位为 其信号波形
4、如下图示 a 2PSK产生原理框图 b 2PSK信号波形图 图2 12PSK产生原理及信号波形图 PSK可采用相干与非相干两种解调方式 相干与非相干解调框图分别如下图 a 和 b 所示 2 3 1移相键控 PSK 调制 2 图2 23PSK的解调框图 QPSK也称四相绝对相移调制 QPSK是利用载波的四种不同相位来表征数字信息 由于每一种载波相位代表两个比特信息 故每个四进制码元又被称为双比特码元 在电路结构上是由两个正交的BPSK组成 在速率上较BPSK提高一倍 主要缺点是当出现四种数字信号 如 00 向 11 跳变时产生1800相位 解调时出现相位模糊 造成误码 QPSK与OQPSK在第三
5、代移动通信系统与第二代移动通信CDMA系统中作为数字调制用 2 3 2四相相移键控调制 QPSK 和交错四相相移键控调制 OQPSK 1 QPSK两种调制方式的信号矢量图 2 3 2四相相移键控调制 QPSK 和交错四相相移键控调制 OQPSK 2 假定输入二进制序列为 an an 1 或 1 则在kTs t k 1 Ts Ts 2Tb 的区间内 QPSK的产生器的输出为 令n 2k 1 2 62 四相相移键控调制 QPSK 原理框图及相位关系 ak QPSK串 并转换波形图 图中 输入数字信号序列ak经串 并转换后 按奇偶位分别分配到并支路的I t 与Q t 中 在码元宽度上I t 支路与Q
6、 t 支路将分配来数字信号延长了一个比特 图中可以观察到I t 与Q t 支路会出现数字信号 00 到 11 或 11 到 00 的跳变 图2 24OQPSK原理框图 OQPSK又叫偏移四相相移键控 它同QPSK的不同之处是在正交支路引入了一个码元的Tb延时 这使得两个支路的数据错开了一个码元时间 不会同时发生变化 而不象QPSK那样产生 的相位跳变 而仅能产生 2的相位跳变 避免接收解调时可能出现的相位模糊现象 2 3 2四相相移键控调制 QPSK 和交错四相相移键控调制 OQPSK 3 QPSK与OQPSK调制器串 并转换波形比较 图中 OQPSK调制的Q支路信号比I支路的比特滞后一个信息
7、比特 1 2个Ts 发生变化 避免了IQ支路信息比特的同时跳变 即不会出现1800的相位变化 QPSK和OQPSK的星座图和相位转移图 OQPSK星座图 QPSK星座图 星座图中 调制后的模拟信号以四个不同的的相位 4 3 4 3 4和 4 分别对应调制二位数字信号的 11 01 00 和 10 QPSK出现1800跳变现象而OQPSK未出现1800跳变 4 DQPSK是对QPSK信号特性的进行改进的一种调制方式 改进之一是将QPSK的最大相位跳变 降为 3 4 旁辨较QPSK小 改善了频谱特性 改进之二是解调方式 QPSK只能用相干解调 而 4 DQPSK既可以用相干解调也可以采用非相干解调
8、 4 DQPSK已应用于美国的IS 136数字蜂窝系统 个人接入通信系统 PACS 和日本的 个人 数字蜂窝系统 PDC 中 2 3 3 4 DQPSK调制 1 图4 26 4 DQPSK原理框图 设已调信号 式中 k为kTs t k 1 Ts之间的附加相位 上式可展开成 当前码元的附加相位 k是前一码元附加相位 k 1与当前码元相位跳变量 k之和 即 2 3 3 4 DQPSK调制 3 2 63 2 64 2 65 2 66 2 67 其中 sin k 1 Vk 1 cos k 1 Uk 1 上面两式可改写为 它表明了前一码元两正交信号Uk 1 Vk 1与当前码元两正交信号Uk Vk之间的关
9、系 它取于当前码元的相位跳变量 k 而 k则又取决于差分相位编码器的的输入码组SI SQ 2 68 表2 2 4 DQPSK的相位跳变规则 4 DQPSK的相位关系图 图中 在码元转换时刻相邻码元仅会出现 0 组和 组 或 组 到 0 组 之间跳变 而不会在同组内跳变 相位变化只有 4和 3 4四种取值 最大相位变化限制在 135 1 基带差分检测 图2 31基带差分检测原理框图 2 3 3 4 DQPSK调制 7 图中本地正交载波只要求与信号的未调载波同频 不要求相位相干 可允许有一定相位差 2 中频差分检测 图2 32中频差分检测原理框图 2 3 3 4 DQPSK调制 7 该方案优点是不
10、用本地产生载波 其设计难点在低通滤波器特性不理想时 将引起码间干扰 噪声带宽超过Nquist带宽 使得系统恶化 3 鉴频器检测 图2 32鉴频器检测原理框图 2 3 3 4 DQPSK调制 8 在差分相位解码前要加入一个模2 的校正电路 防止直接根据进行判决时产生误判 第2章调制解调2 4正交振幅调制 QAM 1 正交振幅调制 QAM 是一种可以得到更高频谱效率的调制方式 是在不减小距离的情况下 通过两个正交载波的相位和振幅联合键控来增加信号矢量端点数目 通过相位和振幅的联合控制 QAM可在限定的频带范围内能传输更高速率的数据 是QPSK调制的进一步推广 QAM是宽带移动系统常采用的数字调制技
11、术 在数字集群 数字通信卫星 数字电视等通信系统中得到使用 也是第4代移动通信系统将要采用的数字调制技术之一 QAM中的振幅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 决定已调QAM信号在信号空间中的坐标点 上式由两个相互正交的载波构成 每个载波被一组离散的振幅 Am Bm 所调制 故称这种调制方式为正交振幅调制 式中 Ts为码元宽度 m 1 2 M M为Am和Bm的电平数 正交振幅调制的一般表达式为 2 89 2 90 QAM的调制和相干解调框图如后图所示 在所有信号点等概出现的情况下 平均发射信号功率为 2 91 QAM的调制框图 图中预调制低通滤波
12、器是为抑制已调信号的带外幅射 QAM的信号空间常用星座分别用后述的星形QAM星座图与方型QAM星座图表示 8QAM的信号空间 星座 图 比较上图为M 8 信号点取两种振幅值时的四种信号空间分布图 在相等信号功率条件下 图 d 中的最小信号距离最大 其次为图 a 和 b 图 c 中的最小信号距离最小 a 4QAM b 16QAM c 64QAM 方型结构QAM星座图 星型结构QAM星座图 星型结构QAM星座图可改善方型QAM的接收性能 比较两种十六进制结构星座图 星型QAM的振幅环由方型的3个减少为2个 相位由12种减少为8种 这将有利于接收端的自动增益控制和载波相位跟踪 对QAM的调制解调设计
13、准则 是在信号功率相同条件下 选择信号空间中信号之间距离最大的信号结构及考虑解调的复杂性 如前所示8QAM的信号空间图可选择 d 星座图结构 QAM的解调制框图 对于方型QAM来说 它可以看成是两个脉冲振幅调制信号之和 因此利用脉冲振幅调制的分析结果 可以得到M进制QAM的误码率为 式中 k为每个码元内的比特数 k lbM lbX log2X b为每比特的平均信噪比 2 29 M进制方型QAM的误码率曲线 比较图中误码率PM相同 M 16时 QAM较PSK的信噪比的电平要求相对低 说明QAM抗干扰能力要优于PSK 扩展频谱 SS 通信 简称扩频通信 在发端先采用扩频码调制 将需要传输的窄带信号
14、 变成频带宽度远大于所传信息必需的宽带信号 以提高信号的抗干扰能力 在收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据 扩频通信的优点 经过发端扩频 收端解扩处理 接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善 从而提高了系统的抗干扰能力 可以用系统输出信噪比与输入信噪比二者之比来表征扩频系统的抗干扰能力 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 称为扩频增益Gp 成正比 工程上常以分贝 dB 表示 即 2 5 1扩展频谱通信的基本概念 2 93 扩展频谱通信的基本概念扩频调制 是利用两个信号之间的正交特性 在发送端先对低速率的输入信息码元与高速率的伪随
15、机序列 进行 异或 操作 实现扩频调制 在接收端 利用相同的伪随机序列对接收的信息码元进行 异或 操作 实现解扩 调制 2 5 2扩频调制 1 1 目前扩频通信系统可分为下述四种类型 直接序列 DS DirectSequency 扩频 是直接用具有高码率的扩频码序列在发端扩展信号的频谱 而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 跳频 FH FrequencyHopping 用一定码序列进行选择的多频率频移键控 即用扩频码序列去进行频移键控调制 使载波频率不断地跳变 因此称为跳频 简单的频移键控如2FSK 只有两个频率 分别代表传号和空号 跳时 TH TimeHop
16、ping 与跳频相似 跳时是指使发射信号在时间轴上跳变 先把时间轴分成许多时片 在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制 各种混合方式 将上述三种扩频类型进行组合 可构成各种混合方式 例如FH DS DS TH DS FH TH等 2 5 2扩频调制 2 图2 46直接序列扩频系统原理框图 2 5 2扩频调制 3 1 直接序列 DS 扩频 是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱 而在收端 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 直接序列扩频系统主要波形与相位图 根据傅氏变换理论 周期性脉冲的频谱分布为一系列离散谱线 由基波频率f0 f0 1 及2f0
17、3f0 等高次谐波所组成 随着谐波频率的升高 而幅度逐渐减小 对于棱角分明的矩形波形 在理论上可包含有无限多的频谱成分 信号的能量主要集中在频谱主瓣内 常称为信号的频带宽度 脉冲序列的重复周期决定信号的频谱线间隔 与周期成反比 频带宽度与脉冲宽度成反比关系 矩形脉冲序列g t 的波形及其频谱函数A f 如下图示 a 矩形脉冲 b 频带宽度 周期矩形脉冲与频带宽度频谱图 直接序列 DS 扩频原理 1 从前图可以得出两个重要结论 1 为了扩展信号频谱 可以采用窄的脉冲去进行调制某一载波 采用的脉冲越窄 扩展的频谱就越宽 直接序列扩展频谱正是应用这一原理 直接采用重复频率很高的窄脉冲序列来展宽信号的
18、频谱 2 如果信号的总能量不变 则频谱的展宽 势必使各频谱成分的幅度下降 使信号的功率谱密度降低 此特点造就了扩频信号具有较低的被截获率 所以扩频信号能进行隐蔽通信 直接序列 DS 扩频原理 2 2 跳频 FH 跳频系统通常有几个 几十个甚至上千个频率 由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制 不断跳变 图2 48跳频 FS 系统原理示意图 a 原理示意 b 频率跳变图案 3 跳时 TH 可以把跳时理解为用一定码序列进行选择的多时片的时移键控 由于采用了窄很多的时片去发送信号 相对来说 信号的频谱也就展宽了 图2 49跳时系统 a 跳时系统组成框图 b 跳时图例 4 各种混合方式 图2 50DS
19、 FH混合扩频示意图 在上述几种基本扩频方式的基础上 可以将其组合起来 构成各种混合方式 例如FH DS DS TH DS FH TH等等 2 5 3伪随机 PN 序列 1 1 码序列的相关性1 相关性概念若选用随机信号来传输信息 理想传输信息的信号应是类似白噪声的随机信号 因为取任何时间上不同的两段噪声进行比较都不会完全相似 若用它们代表两种信号 其差别性最大 可以实现选址通信 这种信号间的较大差别称为信号间正交或准正交 也称为互相关性为零或很小 因真正的随机信号不能再现与产生 只能用一种周期性的脉冲信号 即码序列 来逼近它的性能 故将这种码序列称之为伪随机 PN 码 伪随机 PN 码的特性
20、因具有近似于随机信号 白噪声 的性能 在扩频系统或码分多址系统中起着十分重要的作用 正交的概念 码序列的相关性是用于在码分通信系统中 对不同与相似码序列相互 区别 隔离与选择 通过 的一种度量 相关性包括自相关与互相关两种性质 几何 两条直线垂直称为正交 又如同一个载频相位差为90 的两个波形也为正交 用数学公式可表示为 一般情况下 在数学上是用自相关函数来表示信号与其自身时延以后的信号之间的相似性的 随机信号的自相关函数定义为 2 96 2 97 自相关函数 图2 52随机噪声的自相关函数 a 随机噪声的自相关函数波形 b 自相关函数 互相关函数 自相关函数只用于表征一个信号与延迟 后自身信
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