（通信与信息系统专业论文）无线信道中信号传输的自适应调制技术.pdf

摘要 群2 5 7 2 3 2 摘要 ( 自适应调制技术是近几年来移动通信领域的热点音本文针对移动通 信中的变速率q a m 调制进行了较为深入的研究。首先，闸述了移动通 信中信道的哀落特性，分别分析信道的阴影衰落、慢衰落、快衰落几种 模型；接着对q a m 的调制原理进行了分析，着重研究了这种调制方式 的参数设置以及星座图的设计，文中不出了8 q a m 和1 6 q a m 的框图和 波形情况。然后作者的精力转入信道的自适应方案的研究中，首先通过 研究发现n a k a g a m i 衰落因子的适当调整可以近似于常见的瑞利衰落和 莱斯衰落，接着研究在无线信道巾采用三种不同自适应方案时的信道容 量研究表明速率的调整是增加信道容量的关键，在此基础上，着重研 究了离散变速率q a m 的情况，表明这种调制方案无论在频带利用率还 是在系统甲均误码率比其它情况提高很多。在文章的最后一节通过仿真 研究了一基站和一移动终端通过上述调制方案的情况，进一步证明了这 利，方案的可行性。 火键词：频带利h j 率、门适应凋制技、n a k a g a mj 夜1 弭、变速率q m 、。 湛 。 a b s t r a c t a b s t r a c t p l d a p t iv em o d u l a t i o nh a sb e c o m et h es u b j e c t0 fir l t e l q s iv es t u d y int e c e i l t y e a r s t h isp a p e r f o c u so nt h ev a r ia b ler a t eo a mf o r m o b i ler a d i 0 f ir s t l y w ein t r o d u c em o b i let a d i0f a d in gc h a nr e 1 v a r i al i o n s ，s h a d o wf a d i n g 、s 1 0 wf a d i n g 、r a p idf a d ln ga n ds 0o n t h e l l w ei n t r o d u c et h eo a ms c h e r n e s0 fm o d u l a t io na b o u tt h ed e s ig n0 t p e t i c a l l l e t e f s a n dc o i l s t e l1 a t i o n s0 fq a ma n ds h o wt h er e s u lto f8 ( 3 a m a n d1 6 q a m a f t e r w a r dw es w i t c ht ot h es t u d yo fa d a p t i v ep r o j e c t ， a b o v ea 1 1 ，w ef in dt h a tw ec a ne t l t e t t h e p a a m e t , e ro f 、l a k a g a m i f a d i l a gc h a n n e l st o0 t h e rf a d i r i g s ，a n dt h e nw es t u d yt h f e ed i f f e f e t l t a d a p t i v ep r o j e c ts w et h er l p f e s ( j f i tf i u l l l e r ic a lr e s u l t ss h o w ir i g t h a t r a t e a d a p t a t j o r list h e k e y t oa c h i e v i n gh i g h l i n k s p e c t r a l e f f ic ie r i c y 1 3 a s e d or t h e s ea d v a n r a g e sw ea r i e l ly z ot h ep e r f o f l n a r l c e o f c o f i s t a n t p o w e r v s f i a b l e - r a t em q a ms c h e m e sf o r s p e c t f o 1 1y e f f ic ie n td a t at r a n s i l l is s io r lo v e rn m fc h a r t n e 】s b yin t r o d u c i n gl h e a d a p t i v em o d u l al io na p p r o a c h ，w eg a int w ot h in g s ：1 ) t h ec 1 1 f o r r a t cis k e p t a tac o n s t a n t1c v 0 1 2 ) t h oa c h ie v a b l ( j s p e c t r a l e f f ic ie r l c yc or r l o sw i t h in5d 1 3o fl h es h a n n o nc a p a c i t y1 i m i t a tt h e 】a s t c h a p t e r ，t h ep r e s e 3 t a t j o i l0 fas in 9 1eb a s es t a t i0 1 3a n da s in g lem o b i l es c e r l a f i0p i o v e dt h ef e a s jb i1i t y0 fa d a p t iv es c h e m e s k e y w o r d s ：l in ks i _ ) e c t r a le f f ic e n c y 、a d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n iq u es 、 n a k a g a m i f a d i n g 、v a r i a h l e r a t eq a m 、f i ) d 、t o o 而瓢丽丽r 日r 一一一_ f 1 绪论 在数字通信中数字信息交换和传输所遇到的主要问题是可靠性问题，也就是 数字信号在交换和传输中出现差错的问题。数字信号在传输过程中产生不同差错 率的主要原因是不同传输系统的性能及其在传输过程中受到的不同干扰。因此， 需要从多种途径来提高系统的可靠性，可靠性的提高。所以纠锚编码、译码、调 制和解调是数字通信系统的关键部分，它们的性能好坏直接影响到数字通信系统 的通信质量。 1 1 数字通信调制技术的发展 数字调制技术的研究，近年来主要是围绕着充分的节省频谱和高效率地利用 可用频带这一中心而展开的。前者指的是已调信号的频谱占有率，后者指的是信 道可用频谱的利用率。在带限和非线性同时存在的信道中，如何解决这两个问题， 引起国内外学者的广泛重视。为了适应这类信道的特点，必须设法寻找一些新的 调制方式，要求它所产生的已调信号，经发端部件输出信号只产生很小的频游扩 展。满足上述要求的各种调制方式，形成现代恒包络数字调制方式。 现代恒包络数字调制方式的发展过程就是已调波相位路径不断地彳碍到改善的 过程。由调制技术所产生的已调波应具有以下两个特点：第一，包络恒定或包络 起伏很小；第二，具有最小功牢谱占有率。个已调波的频谱特性与其相位路径 有着紧密地关系，因为w = d o ( f ) d z ，为了控制已调波地频谱特性，则必须控制 它的棚位路径。表1 1 1 列出了几种常见地恒包络调制方式地相位路径。 表111 几种常见地恒包络调制方式地相位路杼 名称相位路径地特点 b p s k0 ，7 r ( 突跳) o p s k o ，兀2 丌( 突跳) o q p s k 0 ，丌2 ( 突跳) 6 , t s k直线( 连续) s f s k川余弦( 连续) i f m1 ：线_ f q - ( 连续) i j f o q p s k1 l 线r ( 连续) g , , i s k1 r 线h ( 连续) 雨莉盯顶平研b 甄e f 一一_ t 绪论 上述几种调制方式，它们的路径各不相同，因此，对应的已调波频谱滚降的 速度也不相同，其中t f m 最快。 1 2 现代数字通信系统的计算机模拟 自1 9 4 6 年第一台电子计算机设计和运行以后，至今发展到微型计算机，计算 机技术已取得惊人的迅速发展，使得计算机广泛应用于国防、工业、农业、企业 管理，f 1 常生活等各个领域，其作用和成就正日益卓著，成为工业发展水平的标 志之一，是发展新技术，改造老技术的强有力武器。 计算机模拟作为一种科研手段，可以完成系统方案的论证和最佳设计工作， 相对于过去传统的先研制一批电路，再联机调试的方法，缩短了研制周期，大量 的节省了人力，物力和财力，使得一些在理论上还无法证明的实际系统性能的证 明工作得以顺利进行。 计算机模拟运用到现代数字通信系统中，大致有以下几个方面： 一、根据通信理论和有关技术资料，以及数字信号处理方法，按系统功能建立各 部分数学模型，并确定计算方法后，通过计算机模拟便可以证明有关数学模 型是否证确，计算方法是否有效。如果有误，便及时查找修改，从而得到n ： 确的数学模型和算式。兄一方面，通过计算机模拟，还可以证明所阐述的n i 确与否，为整体设计提供足够的依据。 二、在模拟系统各部分功能的同时，计算出某些参数引入的各种有关误差，并进 行误差统计分析，从而找出这些参数与系统性能的关系，为系统实现选择最 佳参数。 三、通过系统模拟，探讨某些信道因素对系统性能的影响，找出规律，为系统设 计提供重要的参考，如通信系统中信道模型的建立和对信道的了解，有了计 算机模拟为分析问题提供了许多方便条件。 四、应用计算机进行系统模拟，可开展某些系统的具体实现方案的最佳设计。 血、应用计算机进行系统模拟，为考虑某些系统功能用硬件实现还是用软件提供 必要的论据。 六、应用计算机进行、, t o d e m 系统模拟，在论据和设计方案地同时，完成了整个系 统数字化实现的流稃和程序设计，将其转化为实现该系统的程序就实现了系 雨磊匣f玎翔订r硒琵i一_r 绪论 统的全部功能，即计算机模拟既为硬件设计提供了一些必要的数据，如运算 量估计，存储器容量等，又为应用程序的编制及软机固化提供了可靠的方案。 总之，用计算机模拟技术对数字通信系统进行模拟研究已经成为一种重要地 分析方法。 1 3 自适应调制中的关键技术一变速率的q a m 所谓变速率q a m 调制，就是根据移动信道的衰落情况而自动的改变q a m 的调 制电平数，即改变其星座图的星象点数。当信道传输特性较好，信号受到的衰落 比较小的时候，增加调制电平数；而当信道的衰落比较严重，信号处于深衰落期 的时候，就减小调制电平数，使误比特率保持在可以接受的程度。这样在保持一 定的信号性能情况下，就可以尽量提高信息传输速率。当然，前提要求使码元速 率要远远大于传输信道的衰落变化，才能使调制电平数的调整符合信道特性。由 于其信息传输速率是变的，所以称这种方式为变速率q a m 调制。 方型q a m 在载波恢复和自动增益控制等方面存在很多问题，我们在变速率q a m 中采用的是星型q 心。这样可以减少假锁带来的长突发性错误，而且还可以采用 差分编码，简化了电路，提高了抗干扰性能。 星型o a m 又被称为a p s k 调制，它可以看作是a s k 和p s k 的综合。我们可以 将原始数据分成两部分，分别进行d a s k 和d p s k 调制。【王_ i 于信号的调制星座图小 是匣定的，所以必须在发送信号中包含这方面信息，以便接收机能够选择凋制方 案，正确地解调信号。 1 4 本论文的选题背景和主要内容 近年来移动通信的发展十分迅速，用户数急剧增加，传统通信系统的容量已 经越来越不能满足通信要求了。由于频谱资源有限，不可能靠无限增加频道数来 解决问题。而且未来个人通信是多种业务的综合，其数据传输速率要提高得多， 如果采用一般调制技术，信道带宽也将增加很多，会进一步加剧目自u 通信系统t p 频谱资源紧张的状况。 随着微蜂窝与微微蜂窝的出现，小区的半径越来越小，通信距离只有。、二、 阿米，甚至儿 。米。由于传输路径很短，收发信机之问的障碍较少，信道的衰落 雨磊可r 玎翔面t 孕砸西页_ 丁 状况就有了很好的改善。接收信号中就会存在较强的直达分量，多经衰落特性由 r a y l e i g h 衰落变为r i c l a n 衰落，对振幅的影响就相应减小了。这样，原来被认 为不适合传统移动通信信道的正交振幅调制q a m 也可以在r jc i a n 言道中使用。o a m 的频谱利用率很高，在相同的码元传输速率下，其基带信号带宽与2 d p s k 相同， 但是每码元所代表的信息比特却可以比2 d p s k 多。 本论文的研究内容是以波导公司南京通信研究所数字集群系统的研究作为 依托而选定的。目的是研究自适应调制技术以便提高数字集群系统的容量。作者 在论文中首先分析了无线信道的模型，认真研究了衰落的动态特性，接着研究q a m 这种调制方式，研究了m q a m 调制方式的主要参数和该调制信号星座图的设计， 并涉及了一些多分辨率的调制技术，然后研究了信道容量的问题，并以n a k a g a m i 信道改变衰落参数来近似瑞利信道和莱斯信道，而且该n a k a g a m i 信道与前两种信 道相比，它更具有一般性，作者在本章节中花费了很多精力来研究采用几种自适 应方案所带来的频带利用率，为下面的系统仿真提供了可靠的自适应方案，最后 作者着重研究了f d d 自适应的方案。 本论文的仿真工具为m a t l a b5 3 和s i s t e mv i e w4 1 。 而系礤t 万翔玎b 邗糯河一_ 下 2 无线信道 2 无线信道 2 1 概述 在无线通信信道中，有基站发射机到移动台的无线连接称为前向连接或下 行连接( d o w n l i n k ) ；而由移动台到基站接收机的无线连接则称为反向连接或上 行连接( u p l i n k ) 典型地，前向连接和反向连接被分成不同类型的信道无线电 信号无论是在前向连接，还是反向连接传播，都会以多种方式受到物理信道的影 i 晌 由于无线信道的复杂性，一个通过无线信道传播的信号往往会沿一些不同 的路径到达接收端，这一现象称为信道的多径传输，虽然电磁波传输的形式很复 杂，但一般可归结为反射，绕射和散射三种基本传播方式 移动通信中的信道是一种时变信道，无线电信号通过移动信道时会受到各 个方面的衰减损失，接收信号功率可表示为： p ( d ) = 1 d f “s ( d ) r ( d ) 式中d 表示距离向量，其绝对值矧表示移动用户与基站的距离上式表州i 信 道对无线电信号的影响可归纳为三类： ( 1 ) 自由空问的路径损失( 也称传输损失) 例： f 2 ) 阴影衰落s ( d ) ：由于传输环境中的地形起伏，建筑物和其它障碍物对电波的 阻塞或遮蔽而引起的衰落： ( 3 ) 多经衰落r ( d ) ：由于移动传播环境中的多径传输而引起的衰落 事实上，以上三种效应描述的是在三种不同的区问范围内信道对信号的作 用 f 1 1 自由空忙j 的路径损失是移动台与基站之间的函数，描述的是犬尺度区间( 数i i 米或数千米) 内接收信号强度随发射一接收距离而变化的特性： f 2 ) 阴影衰落描述的是中等尺度区间( 数百波长) 内信号电平中值的慢变化特性： f 3 ) 多径衰落描述的是小尺度区间( 数个或数十波长) 内接收信号强度的瞬时值的 雨厕和顶孚丽霸砸磁更_ ! 垄垡! j 望 一 快速变化特性 由于路径损失和衰落的影响，接收到的信号要比发射的信号弱的多路径损 失主要由平方律扩展，水气和叶群的吸收，地表发射等引起，它与距离有关对快 速移动的用户而言，平均路径损失变化主要表现为衰落，阴影衰落常称为慢衰落 也称长期衰落，主要来自建筑物和其它障碍物的阻塞效应多径衰落常称为快衰 落，又称短期衰落或r a y l e i g h 衰落，由移动用户附近的多径散射发生，图2 1 1 画出了一衰落信号的路径损失，慢衰落和快衰落图中，距离用对数表示 多径传输导致信号在不同维( 时间，频率，空间) 的扩展，它们对通信信号有 明显的影响路径损失，慢衰落，快衰落以及各种扩展构成了信道对信号的主要 影响，他们也是本章的主要讨论对象 2 2 阴影衰落 曲 斛 嚣 口扣 坦 距离( 对数) 幽211 衰落信号的路径损火、慢衰落与快衰落 当电磁波在传播路径中遇到起伏地形，建筑物和高人的树林等障碍物的阻 塞时，在这些障碍物的后面会产生电磁场的阴影移动台在移动中通过不同障碍 物的阴影区时，接收天线接收信号的场强中值会发生变化，从而引起衰落这种 衰落称为阴影衰落阴影衰落的特征可用对数正态分响，的随机变量刻画 甲均路径损失并没有考虑周围环境的杂波在两个具仃相同发射一接收f i 离 的不同位置上有可能是大有不同的这种差异往往会导致实测的信号与预测的 、1 i 均值大相径庭大量的测量统计表明，在与发射端相距j 距离处的路径损失 p i ( d ) 是一个服从对数正态分粕的随机变量所谓对数 i ：态分伽，是指一随机变 雨莉玎 浮硕再甄再日_ 一一1 = i 2 无线倍馗 量以d b 为单位时，其概率密度单位为正态分布具体说来，p l ( d ) 可以表示成 p l ( d ) 陋 = 瓦( d ) + 以= p l ( d 。) + l o l o g j o 【丢j + z 。 ( 2 2 1 ) 并且有 只p 枷】_ f 陋卜p l ( d ) 【d 8 】( 凡( d ) 中记入了天线增益) ( 2 2 2 ) 式中彳。是一个零均值的高斯分布的随机变量( 以d b 记) ，其标准离差为 a ( 也以d b 记) 。 对数正态分布描述了在相同发射一接收距离的大量测量位置上的随机阴影 效应。这一现象称为对数正态阴影。简而言之，对数正态阴影意味着在某特定 发射一接收位置上测量的信号电平( 用d b 作单位) 具有高斯( 正态) 分布，其均值 为平均路径损失p l ( d ) ，它与距离有关：而标准离差d ，如式( 2 2 2 ) 所示这里， 高斯分布的均值与标准离差都以d b 为单位 参考距离d 。，路径损失指数n 和标准离差。统计描述了个具有相同发射 一接收距离的任一位置上的路径损失模型，它可以用于计算机仿真，在通信系统 设计乖1 分析中提供随机位置上的接收信号功率电平 在实际中，n 和d 的数值可根据测量数据计算，常用的计算方法是使用线，e j ： 旧归，使在一个比较宽的测量位置和发射一接收距离范围内的路径损失测量值 与估算之差在均方意义下最小 l h 概率论知，一个正态分布的随机变星一n ( m ，盯) 超过x 。的概率p ( x x 。) 由式给出： p ( x 狐) 2 j ：去e h 神_ 。一k ( n2 3 ) 作变量代换 y 。尘兰( 2 2 4 ) 则式( 2 2 3 ) 可以写作 p 卜等) - k 。去e 。锄 z j ， 雨泵砸_ f 万孚丽t 擎西西百_ f 2 无线信道 定义q 函数 q ( z ) = 忑1 f e - y 2 1 2 咖 和误差函数 明z ) = 专p 2 出 p 矿( z ) = 【p 一出 玎 q 函数q ( z ) 可以由表2 2 1 查表获得 表22lp 函数表 q ( z )q ( z ) z q ( z )q ( z ) o 005 0 0 0 01 0o1 5 8 6 62 000 2 2 7 63o0 0 0 1 3 5 o10 4 6 0 1 7 1l01 3 5 6 72l0 0 17 8 63l0 0 0 0 9 7 o 20 4 2 0 7 4l201 1 5 0 72 200 1 3 9 03200 0 0 6 9 0 303 8 2 0 9 1300 9 6 8 02 300 1 0 7 2 3 2o0 0 0 4 8 0403 4 4 5 8l4o0 8 0 7 62400 0 8 2 ( )3 40 0 0 0 3 4 o 503 0 8 5 41500 6 6 8 l2 50 0 0 6 2 l： 500 0 0 2 3 0 602 7 4 2 5 1600 5 4 8 02 600 0 4 6 63600 0 0 1 6 o 702 4 1 9 61700 4 4 5 72 700 0 3 4 73 700 0 0 1 l o 802 1 1 8 61800 3 5 9 32 800 0 2 5 6 3 800 0 0 0 7 0 901 8 4 0 6 l900 2 8 7 22 900 0 1 8 7 3900 0 0 0 5 q 函数最重要的性质是 q ( z ) = 1 一q ( 一z ) 1 q ( o ) = 由式( 2 2 6 ) 和式( 2 2 7 ) 易知 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 a ) ( 2 28 b ) 2 无线信道 ，= l l l - - e r f 老2 2 弦。们 由于p l ( d ) 是一个以均值( 它与距离有关) 为中心的正态分布( 以d b 计) ，所 以p ( d ) 也是这样一种形态分布，这使得q 函数或误差函数e r i 、可以用来确定接 收信号电平超过( 或低于) 一特定电平的概率具体说来，t h 式( 2 2 5 ) 和式 ( 2 2 6 ) 知，接收信号超过y 值的概率可以利用累积密度函数计算如下： 枇圳= q ( 宰 类似地，接收信号电平低于y 的概率为： p k o ) ，】：q f 亚h 仃) 2 3 多径传输信道的冲激响应模型 2 3 1 影响多径衰落的因素 衰落足山阴影和多径效应造成的信号电、r 的扰动在j 阴影产生的衰落( 阴影衰落) ，本节中将重点讨论无线信道 衰落( 称多径衰落) 下面是三种最重要的多径衰落效应： ( 1 ) 信号强度在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变化： ( 2 ) 不同路径信号的多普勒频移的变化引起的随机频率调制： ( 2 ) 多径传播时延引起的扩展 无线信道中的许多物理因素都会影响衰落，主要有： ( 1 ) 多径传播 ( 2 2 1 0 ) ( 2 2 1 1 ) ，r f ，我们i 介绍了 多径效应产生的 信道中发射物体和散射体的存在会产生一个不断变化的环境，使得信号能 量在幅值，相位和时阳j 延迟方面发生弥散这些效应使得发射信号经过不同路释 到达接收天线时的形式各异，显示出不同的时l t 日j 和空间方位不同的多经分量的 随机幅值和相位引起信号强度的扰动，从而产生小尺度衰落，信号畸变或二者兼 有多径传播通常会使信号到达接收端需要的时间加长，它可能引起码问二r 扰， 从而导致信号污损 雨丽盯 浮硕下弱甄百t 一一万 ! 垂堡堕堂 ( 2 ) 移动台的速度 基站与移动台之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频移， 从而引起接收信号的随机频率调制多普勒频移有可能为正，也可能为负，取决 于移动接收机与基站之间的传播路径是缩短还是加长 ( 3 ) 周围物体的速度 如果信道中的物体处于运动中，它们就会对多径分量产生时间变化的多普 勒频移，若周围物体以明显快于移动台的速度运动，这种效应就会压倒小尺度衰 落，否则，周围物体的运动就可以忽略，只需要考虑移动台的速度 ( 4 ) 信号的发射带宽 如果发射的无线电信号带宽大于多径信道的”带宽”，即信号的自相关时 间小于多径信号的延时差，则接收信号会发生畸变，而小尺度衰落则不明显正 如后面将证明的那样，信道的带宽可以用刻画信道特殊多径结构的相干带宽进 行量化相关带宽是信号在幅值上仍然保持强相关的最大频率差的测度若发射 信号相对于信道有一个窄的带宽，则信号的幅值将快速变化，但信号在时间上将 没有畸变的可能性在很大程度上与多径信道的幅值特性，时延以及发射信号的 带宽有关 2 3 2 冲激响应模型 冲激响应是一种宽带信道特征，它包含了仿真和分析任何一种通过信道进 行无线电发射所需要的所有信息移动通信中的信道是时变的，这种时间变化是 由接收机在空间的相对运动引起的，时变信道可以用具有时变冲激响应的线性 滤波器描述信道的滤波特性是在任意时刻瞬间多个到达波的幅值和相位的叠 加产生的冲激响应是一种非常有用的信道特征，因为可以用来预测和比较许多 不同移动通信系统的性能，以及对一个特定的移动信道条件预测和比较发射带 宽 移动无线信道为什么可以用一个具有时变冲激响应的线性滤波器来建模呢? 为了回答这个问题，让我们来考虑图( 2 3 2 1 ) 所示最简单的一移动无线信道， 它是时间和空间的函数图中，接收台以固定速度v 沿地面运动 若发射台发射信号x ( f ) ，经时延r 后，空问信号为x ( 1 一r ) ( 未考虑强度变化) ， 而在距离发射台为d 的地面上，接收的信号是复杂的，它不但有直射波，还同时存 在许多从不同路径到大的多径信号，实际上收到的是卜述信号的叠加 2 无线信道 d空i 训应置 图2 3 21 作为时间和空间函数的移动无线信道 如果接收台在地面作少许移动，虽然各多径信号的强度变化不大，但由于多 径信号的来向是不同的，移动对不同的方向带来不同的波程差，即各信号分量附 加了不同的相移，导致合成信号有大的变化 如上所述，收发信号之间的关系是线性的，即是说，若将发射台作为输入，接 收台作为输出，并将传输过程( 含多径) 看作一线性系统，则用线性系统的冲激响 应来描述传输特性是合适的前面提到，接收台空间的位置的变化会使接收信号 改变，因而冲激响应是空间变化的，可用h ( t ，d ) 表示之对一定的位置d ，接收到 的信号y ( t ，d ) 为 y ( t ，d ) = x ( o + h ( t ，d ) ：i x ( r ) h ( t1 ，d ) d r = f 。x ( t ) 矗( ，r ，d ) d r 其中第三个等式的积分上限改为t ， 对不同的位置d ，会有不同的h ( t ，d ) 是考虑系统是因果的 可以想象存在一空变场，它随距离d 变 化当接收台移动时，由于移动速度远小于电波传播速度，因而可以认为是无惰 性的，即在某一瞬间接收台移到d ，均可用式( 2 3 21 ) 直接计算该瞬间的接收信 号 在实际应用中，不必注意接收台的空间位置及其变化在较短的时间( 信号 分析与处理时间) ，可认为接收台以恒定的速度v 移动，即d = d 。+ v 其中时问 注意， 与f 是有区别的： 代表接收台的机械运动时间变化，而t 代表电波传播 时、日j 变化以2 g h z 的发射信号为例，其周期为0 5 n s ，即使变化成成千卜万个周 期，接收台的移动也可忽略不计鉴于此，我们把t 和 分别称为快变和慢变时帆 应当指出， 只与v 和d 。相联系j 有意义，因此在通信信号的分析与处理中，用慢 时f n j 比空问位置d 来方便为此，可将考虑慢时i n j 影响的冲激响应写成 雨鬲西亍万翔矿日邵碾曩可= ( f ， ) ，并把接收信号写成y ( ， ) ，即式( 2 3 2 1 ) 可以改写为 y ( t ， ) = x ( r ) ( 卜t ，亭) 如= 工( ，) + h ( t ， ) 对于固定的位置d ，发射台和接收台之间的信道可以用一个时不变系统作其 数学模型然而，由于不同多径波的传播时延随接收台空间位置的不同而改变， 所以信道的冲激响应应该是接收台位置的函数就是说，对于移动台，信道是时 变的，其冲激响应是时变的，可以表示为 ( f ， ) 若用r 表示时延，f 表示滞后( 1 a g ) ，则时变冲激响应 ( f ， ) 的相关函数定义 为 r 。( f ，r ) = e h ( t ， ) + o t ， 一r ) ( 2 3 2 3 ) 式中e 代表数学期望 如果当 i s 0 与或7 2 t 0 时 ( f ， ) 和h ( t r ，一r ) 互不相关，则称这样的信 道为非相关散射信道 若多径信道是带限的带通信道( 此假设往往是合理的) ，则带通信道冲激日向 i 蓝h ( t ， ) 可以用复基带冲激响应h b ( f ， ) 等效描述令移动无线信道输入( 即发射 信号) 的包络为c ( t ) ，输出( 即接收信号) 为( ，) 的包络为r ( f ，) ，则式( 2 3 2 2 ) 也可以用这些包络来描述具体说来，若令 x ( t ) = r e c ( t ) e ”一。】 ( 2 3 2 4 ) y ( t ，) = r e i r ( t ， ) e7 2 矾】 ( 2 3 2 5 ) ( f ，) = r e h 口( f ， ) e 2 矾 【2 3 2 6 ) 式中f 为载频，则式( 2 3 2 2 ) 可改写为 ，( ， ) = c ( f ) + h 口( ， ) = rc ( “) 。o 一“，) 小i ( 2 3 2 7 ) 式( 2 3 2 2 ) 习惯称为带通信道冲激响应模型，而式( 23 2 7 ) 则做基带等效冲 激响应模型 图( 2 3 2 2 ) 示出了多径无线信道的时变离散时间冲激响应 ( f ， ) 的一个例 子 丽面积珊骊两f 一一一丽 2 无线信遁 f ) 图( 2 322 ) 时娈离散时问基带冲激响应 第i 个多径分量与第一个到达分量之i l 廿j 的相对时延定义为额外时延，计作t 。 由于多径信道中的接收信号由发射信号的一系列具有衰减的，时问延迟的和相 位漂移的多径分量组成，所以多径信道的基带冲激响应可以表示为 1 h b ( f ， ) = n ，( 咖舭如小川6 ( 一r ，( ，) ) b 0 式中，a i ( f ) 和r 。( f ) 分别是第i 个多径分量在时间 延：2 矾r ，( t ) + 中，( f ， ) 是第i 个分量的相移 t 的实幅值和额外时 若假设信道响应足时不变的，或最少在小尺度时问或距离i n j 隔内足广义、 j 稳的，则信道冲激响应可以简化为 一l 。( ) = 口，p - i o , a ( g t i ) ( 2 3 2 9 ) l = 0 式中 当需要测量或预测时不变信道的冲激响应时 脉冲p ( ，) 近似冲击函数，即用 p ( t ) z 6 ( t t ) 激励信道来确定h 。( f ) 2 4 衰落信道的动态特性 通常是在发射端使用一探测 在移动通信中，由于移动台的运动，尢线信道为时变信道因此，其动态特。 ， = 显得格外重要2 3 节只讨论了信道的时变冲激响应模型，而未涉及信道的动态 特性函数和特征参数，本节就来讨论信道的这些动态特性函数和特征参数 雨百面i 天j 甄r 弓霭：西页一_ 西 ! 垄垡! 亘望 2 4 1 衰落信道的动态特性 我们知道，相关函数和功率谱在平稳信号的动态特性分析中起着关键性的 作用同样，信道的相关函数和功率谱也决定信道动态特性的描述 根据2 + 3 节的讨论，我们用l 表示电波传播时问( 快变时间) ，r 代表电波经 过不同路径的传播时间延迟( 一下简称时延) ，并用 表示移动接收台的移动时间 ( 慢变时间) ， 代表移动接收台接收两个不同路径信号的观测时间的延迟( 为 了与延迟f 相区别，一下简称时阳j 差) 令c ( z ；t ) 为信道在时阳jf 的等效低通冲激响应，并假定c ( r ；t ) 是广义平稳的 于是，我们可以定义c ( r ；t ) 的自相关函数为 、t 尺。( r l ，r 2 ；引= 妄e c 0 ，；f + p + 0 2 ；f ) ( 2 4 1 1 ) 在大多数的无线电波传播媒介中，信道与路径时延f 对应的衰减和相移i j 该信道与路径时延r ，对应的衰减和相移是互不相关的这样的信道就是2 3 节定 义过的非相关散射信道在非相关散射信道的假设下，式( 2 4 1 ) 可以写作 妻e c ( f ，；f + ) c o ，；r ) ) = 尺，0 ，； 声0 ，r ，) 若令r 。= t ：= r ，则式( 2 4 2 ) 直接给出以下结果： 1 r c ( r ；a o = = 1e c ( z ；t + a o c + ( r ；，) 我们将r ，0 ； ) 称为信道的时延一时间差相关函数 类似地，可以定义信道的频率差一时间差相关函数为 1 r c ( a f ；a o = 妻e c ( 厂4 - a f ；t + a q ) c ( 厂；，) 式中c u ；f ) 是等效低通冲激响应c ( r ；t ) 关于变量f 的f o u r i e r 变换 在实际应用中，频率差一时间差相关函数可以用以下方法测量：发送对频 率相差厂的正弦波信号，然后计算它们通过信道后具有相对观测时间延迟 的两个接收信号之间的互相关函数 利用上述两种相关函数的f o r e 、ie r 变换，i ，r 以引出以下两种不同的功率谱 定义： ( 1 ) 时延一多普勒频率谱 雨鬲酉f 辱颞订本_ 砸西广一_ 而 2 无线信道 疋( r ；v ) = l r ，( r ；弦2 “d ( a o 这一新函数习惯称为散射函数式中，v 为多普勒频率，它是由接收台的移 动所引起的接收信号频率的变化注意，时延f 和频率厂构成一f o u r i e r 变换的 变量对，即f h 4 厂：而观测时间差( 即慢变时间的差) 和多普勒频率v 构成另 一f o u r ie r 变换的变量对，即 付v ，其中寸表示f o u r ie r 变换，七- 表示 f o u r i e r 逆变换 ( 2 ) 频率差一多普勒功率谱 s ，( 可；v ) = r ，( 厂；一2 “d ( ) 至此，我们定义了衰落信道的四种动态特性：时延一时问差相关函数 r ，( f ； ) ，频率差一时间差相关函数r 。( a f ；纠，散射函数( 时延一多普勒功率 谱) s ，r ；v ) 及频率差一多普勒频率谱s ，( a f ；v ) 重要的是，它们之间存在着 f o u r je r 变换关系除了式( 2 4 1 5 ) 和式( 2 4 1 6 ) 定义的f o u r ie r 变换 外，r e ( 厂； ) 是月，g ；必) 关于变量r 的f o u r i o f 变换，通过推导可以得出信道的 散射函数也可以定义为频率差一时间差相关函数r ，( 可； ) 的二维f o u r i e r 变 换 图( 2 4 1 1 ) 画i j ；了式几个函数之间的f o u r i e r 变换火系 差相关函数 r ，( l 厂，f ) j ： 鐾籍要譬塞尺，( r ，f )if墨( ，v ) 莩嘉荔i 喜 lj 墨_ ，v ) 时延一多普塾频 率谱：散射函数 以l 主要讨论了衰落信道的四种二维动态特性函数在实际应用中，更多地 采用一维动态特性刻l 咖衰落信道的性能这些一维动态特性可看作是j ：维动态 雨雨飘灭羽面1碍面琵夏一一而 2 无线信道 特性在a f = 0 或，= 0 的一维切片这些一维动态特性是： ( 1 ) 信道的时间差相关函数 r c ( ) = 吉e i c w ；，f + ( 厂；f + ) ) = r c ( 厂； ) f 。= 0 ( 2 ) 信道的频率差相关函数 尺，( 厂) = e i c w ；，) c 杪+ 厂；，) = r c ( ；世) i 。= o ( 3 ) 信道的功率时延剖面 r c ( t ) = c ( r ；f f ( r ；f ) = r c ( r ； ) j 。= 0 ( 4 ) 信道的多普勒功率谱 s c ( v ) = e ，凡。( a o e - j 2 w ( a 4 ) d ( ) = s c ( 可；v ) i ：。 f 面说明这些特性对信道性能的刻画： l r c ( 4 厂) l 取非零值的频率差范围称为信道的相关带宽，用b 。表示：而 r c ( r ) 保持非零的r 值范围称为信道的多径扩展也称均方根时延扩展，用符号 o 。的侧数近似等于信道的相关带宽曰。即有 曰。上( 2 4 1 1 1 ) 0 1 山以前的分析可知，r ，( 可) 足c ( 厂；f ) 的频率变量的自相关函数，所以它为 我们提供了信道相关性测度的数学工具信道的相关带宽相干带宽本质上就 ；毡f d - 道处于较强相关状态f 的频率差范围因此，两个频率差，大于相关带宽 口。的正弦波信号受信道的影响是不相同的 特别地，当一载有信息的信号通过信道发射时，若信道相关带宽b 。比发送 信号的带宽小，则称信道是频率选择性的在这种情况下，信号将被信道严重畸 变反之，若b 。比发送信号的带宽大，信道就叫做频率非选择性的 叫f l i j 差棚关函数i r ，( ) l 取非零值的时问差 范围称为信道的相t 1 0 、f n 】j 作c 。，而多普勒功率谱& ( v ) 去非零值的多普勒频率v 的耿值范围则称为彳古 道 2 无线信道 的多普勒扩展，用仃。表示，由于s 。( v ) 与r 。( ) 为 倒数近似给出信道相干时间的测度，即 t 。上 盯d f o u r i e r 变换对，所以o d 的 相干时间本质上就是信道处于较强相干状态下的时间差范围，显然，一个缓 慢变化的信道具有大的相干时问，或等价地具有小地多普勒扩展 2 4 2 信道特征参数 下面给出这几个信道特征参数严格的数学定义公式： ( 1 ) 信道的相干时间t 。 ( 2 ) 信道相干带宽b 。 ( 3 ) 信道多径扩展( 均方根时延扩展) 盯， ( 4 ) 信道多普勒频移厂n ( 5 ) 信道多普勒扩展o 。 ( 6 ) 信道最大时延扩展 f x2 f 一l 一 f o 这里假定信道共有j v 条路径，并按照时延从小到大的顺序排列各路径，即r 。 和r 分别是最小和最大的路径时延 ( 7 ) 信道扩展因子s c = o ，盯。 上述特征参数的涵义及作用小结如下： ( 1 ) 信道相干时问乙。和相干带宽b 。分别表示一信道处于相关状态的时问和频 率范围 ( 2 ) 多径扩展( 均方根时延扩展) d 。与相干带宽口。之间有关系盯。z 1 b 。多径 扩展的典型取值为微秒级( 室外移动通信信道) 和纳秒级( 室内移动通信信道) 不过，在接收机设计中，最大时延扩展r 。= r 。一f 。比多径扩展仃。往往更有用 ( 3 ) 多普勒频移厂。( h z ) 是有物理信道本身( 而不是有振荡器偏移) 产生的频率偏 移：多普勒扩展o - 。( h z ) 则是多普勒频率谱的( 单边) 均方根带宽多普勒扩展与 相干时间有近似关系o 。1 7 。 ( 4 ) 多径扩展o ，与多普勒扩展j 。也也可分别定义为散射函数s ，( z - , v ) 不能忽略 时的r 和v 取正值的范围 ( 5 ) 信道扩展因子s ，= d 。盯。是整个衰落信道质量的测度：若信道是欠扩展的，即 雨丽f f 7 巧预t 弱面日_ _ 再 ! 丕堡! i 望 只 r o ， ，一站 r p o 二 ，。l l r p 3 q a m 调制解调技术 3q a m 调制解调技术 3 1 概述 随着移动用户数量的不断增加，传统通信系统的容量已经越来越不能满足 通信的要求，而可用频谱资源有限，也不能靠无限增加频道数目来解决系统容 量问题。另外，人们亦不能满足移动通信单一的语音服务，希望能利用移动电 话进行图像等多媒体信息的通信。在i m t 一2 0 0 0 国际标准中定义的未来个人通 信，是多种业务的综合，它不仅有传统的语音服务( 9 6 k b p s ) ，还需提供更高 速率的( 3 8 4 k b p s ，2 m b p s ) 的多媒体业务。对于这些高速数据的传输，如果采 用一般的调制技术，信道带宽将会急剧增加，从而进一步加剧频率资源紧张的 状况。 因此，如何在有限的频谱资源提供高容量，高速率的多媒体综合业务，是 移动通信领域中一个令人关注的课题。而确定一种高频谱利用率的调制方案能 在很大程度上解决上述问题。 3 2 移动通信技术对传输调制方式的要求 移动通信系统的无线信道传输环境，通常被认为是一种较为恶劣的传输环 境。它不象有线信道那样具有固定的和可预见的特性，而是有较强的随机性， 还存在同频道干扰和邻频带干扰等。因此，与有线通信相比，移动通信系统对 调制技术的性能还需要有更高的要求，包括以下几点： 1 ：高的频带利用率( 单位为b i t s h z ) ： 2 ： 信号功率与同频道的干扰功率比( c i ) 要高于某一”安全”门限值； 3 ： 已调信号的频带窄，带外辐射功率小，对邻近信道的干扰小： 4 ： 抗多径衰落能力强； 5 ：恒定或近似恒定的已调信号包络，具有较高的功放效率； 6 ：调制解调设备简单。 不过，在某一确定的应用环境下，一种调制方式不可能同时满足上述要求， 雨雨酉亍万雾万r 酊r