《无线通信基本技术》PPT课件.ppt

信息与电气工程学院电子工程系 无线通信技术WirelessCommunicationTechnology 主讲 马道坤联系方式 madaokun 第二章无线通信基本技术 信源编码语音压缩编码数据压缩编码信道编码调制技术多址技术抗干扰技术 3 调制技术 脉冲成形技术调制技术概论频移键控调制相移键控调制正交幅度调制扩频调制OFDM 原因 波形传输问题 码间串扰 当矩形脉冲通过带限信道传输时 脉冲会在时间上延伸 每个符号的脉冲将延伸到相邻符号的时间间隔内 造成符号间干扰 码间串扰 并导致接收机在检测一个符号时发生错误的概率增大 3 1脉冲成形技术 奈奎斯特 Nyquist 第一准则 奈奎斯特发现只要把通信系统 包括发射机 信道和接收机 的整个响应设计成在接收机端每个抽样时刻只对当前的符号有响应 而对其他符号的响应全等于零 那么符号间干扰的影响就能完全被抵消 典型的满足奈奎斯特第一准则的信道传递函数 有理想低通滤波器和升余弦滤波器 理想低通滤波器 滤波器带宽为时 以间隔1 2秒传递脉冲 即码速率2 将不会产生码间串扰 根据奈奎斯特第一准则 在理想情况下 基带信号的无串扰传输的最高频带利用率为每赫兹每秒2bit 2B s Hz 是在信道为理想低通特性的情况下得出的结论 但是并不能应用于实际系统 原因 第一 理想低通滤波器物理不可实现 这样的信道也不存在 第二 理想低通特性有很大的缺陷 其冲击响应拖尾很长衰减很慢 要求有精确的定时系统 在无线通信中最普遍的脉冲成形滤波器是升余弦滚降滤波器 传递函数为升余弦函数 当滚降因子为1时 频带利用率为每赫兹每秒1波特 1B s Hz 升余弦滚降滤波器 高斯成形滤波器 另一种脉冲成形方法 不属于奈奎斯特技术没有过零点 截至尖锐 过冲低脉冲面积保持不变适合非线性RF放大器和不能精确保持形状的调制技术 GMSK 高斯成形滤波器 脉冲成型技术小结 3 2数字调制技术概论 调制解调技术 调制方案的性能 功率效率描述了在低功率情况下一种调制技术保持数字信息信号正确传送的能力 为提供抗噪声性能 有必要提高信号的功率 为得到可接受的误比特率所需要提高信号功率的数值 取决于使用的调制方法 功率效率 通常表示为在接收机输入端特定的误码概率下 每比特信号能量和噪声功率谱密度的比值 调制方案的性能 带宽效率 频带利用率 是调制方案在有限的带宽内容纳数据的能力 根据Shannon信道编码理论 频带利用率有一个基本的上限 对信息信号增加差错控制编码 提高了占用带宽 但同时对于给定的误比特率所必需的接收功率降低了 以带宽效率换取了功率效率 另一方面 多进制的调制方案 多进制键控 降低了占用带宽 但是增加了所必需的接收功率 以功率效率换取了带宽效率 调制解调的主要功能 调制解调的分类 基本的数字调制方式 幅移键控频移键控相移键控幅度相位联合键控 各类二进制调制原理图 移动通信中的调制技术 3 3频移键控调制 FSK MSK GFSK GMSK 二进制频移键控 BFSK 2FSK一般表达式载频 频偏 调制指数h是分析频移键控的重要参数 频带宽度 2FSK功率谱 可见 h决定了2FSK的频谱形状 h的数值也决定频移键控信号的相关特性 最小频移键控 MSK 最小频移键控是一种特殊的连续相位的FSK CPFSK 最小频移键控中的 最小 二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数h 0 5获得正交的调制信号 MSK基本概念在FSK中 两个频移信号的相关性与h的选取有关 相关系数为0的条件下 最小的h值为0 5 h 0 5时 CPFSK称为最小频移键控 记为MSK 表示两个频移调制信号正交时的最小频差 此时调制信号占用的带宽最小 MSK信号的表达式 将和 1代入 有 两个工作频率相对于中心参考频率的频移为信息比特速率的四分之一 由MSK信号相位 一码元周期载波相位的变化为 时 相位增加 时 相位减少 根据相位连续的要求可得k码元与k 1码元的相位常数应满足 令最初相位则可见第k码元的相位常数与 和有关 MSK相位路径是一直线方程 斜率为 截距为 是以码元宽度为段的分段线性函数 MSK的调制器和解调器 MSK信号的特征和功率谱密度 高斯滤波最小频移键控 GMSK 为了减小已调波的主瓣宽度和邻道中的带外辐射 让基带信号先进行高斯滤波 然后再进行最小频移键控调制 该方法称为高斯滤波最小频移键控 记为GMSK 基本原理GMSK的基本原理是基带信号先经过高斯滤波器滤波 使基带信号形成高斯脉冲 之后进行MSK调制 由于滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿 亦无拐点 所以经调制后的已调波相位路径在MSK的基础上进一步得到平滑 GMSK相位路径 GMSK 3 4移相键控 PSK 二相相移键控 BPSK BPSK信号的表达式 为载波频率 是基带数字序列作用下两个不同的相位取值 通常为0或 可以把BPSK信号的相位变化转变为幅度变化 式中 用g t 表示脉冲波形 用表示脉冲的正负 则脉冲序列可表示为 为脉冲持续时间 调制信号BPSK构成框图为 BPSK信号是由基带数字序列x t 调制载波得到的 BPF 容易得到BPSK信号的功率谱 式中 是基带数字信号x t 的功率谱 是双极性等概的随机序列 由基带信号功率谱的计算知道 G f 为g t 的频谱函数 假设g t 为宽度为 幅度为A的矩形脉冲则 已调信号单边功率谱为 BPSK信号一般采用相干解调 解调原理图 相乘器输出 经积分器滤去高频信号 得到基带信号 积分 取样判决 数字序列 BPSK相干解调 相当于最佳接收机 两个调制信号的互相关系数根据最佳接收理论可得到 为互补误差函数为Q函数 对于BPSK信号进行相干解调时 接收端的相干载波由锁相环提取 锁相环路在跟踪载波相位时 对0和 两个相位都存在稳定的锁定点 不能确定哪一点是所需相位 引起接收数据反向的问题 称之为二重相位模糊度 解决方法 以前一个码元的载波相位为基准 利用相邻码元的相对变化来传输信号 称为相对调相 用DPSK表示 四相相移键控QPSKQPSK信号的表示及产生原理QPSK信号表示 随着输入数字序列的变化 有四种不同的取值 2系列 相位取值 4系列 相位取值 I I Q Q 00 01 11 10 将调制信号的相位变化转变为幅度变化 式中 由调制信号表达式知 QPSK是由两路BPSK信号合成的 只是这两路信号的载波是正交的 QPSK正交调制法如下 2 串 并 电平产生 电平产生 QPSK I路 Q路 QPSKQPSK的最大相位跳变是OQPSK和QPSK的折中 QPSK可以相干解调 也可以非相干解调 QPSK通常采用差分编码 以便在恢复载波中存在相位模糊时 实现差分检测或相干解调 采用多进制相移键控 频带利用率可以提高 但是进制数增加 抗干扰能力会下降 误码率将增大 MPSK在相干解调时 误码率为 显然 M增大 增大较快 正交幅度调制技术QAM 扩频调制 概念 将发送的信息扩展到一个很宽的频带上 通常要比发送的信息带宽宽很多 在接收端 通过相关检测恢复出发送的信息 特点 单个用户频谱利用率低 允许很多用户在同一个频带中同时工作 而不会产生明显的干扰 扩频调制 方式分类 直接序列扩频 DirectSequenceSpreadSpectrum 跳变频率扩频 FrequencyHoppingSpreadSpectrum 跳变时间扩频 TimeHoppingSpreadSpectrum 直接序列扩频调制 DS 概念 将伪随机码 PN 序列直接与基带脉冲数据相乘来扩展基带信号 2PSK扩频调制 DS的波形分析 DS的抗干扰性能 DS的抗干扰性能 处理增益 Ta 信息码时间间隔Tc 伪随机码元时间间隔最优码速 产生干扰谱大小 热噪声谱大小 跳频扩频调制 FH 概念 载波频率不是一个常数 而是随扩频码变化的 在时间周期T中 载波频率不变 但每个周期后 载波频率跳到另一个 也可能相同 的频率上 跳频模式由扩展码决定 所有可能的载波频率的集合成为跳频集DS系统传输占整个频段 FH占一小部分 跳频扩频调制 FH 跳频扩频调