《调制解调》PPT课件

1,第二章调制解调,2,概述,调制在通信系统中占有十分重要的地位。只有经过调制才能将基带信号转换成适合于信道传输的已调信号调制对系统的传输有效性和可靠性都有很大的影响。,3,概述（续）,调制：把要传输的信号变换成适合信道传输的信号的过程调制信号：调制器的输入信号（调制前）已调信号：调制器的输出信号（调制后）载波信号：高频正弦波信号已调信号=调制信号*载波解调：接收端将已调信号还原成要传输的原始信号的过程,4,概述（续）,按照调制器输入信号(调制信号)的形式，调制可分为模拟调制(或连续调制)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、频率或相位调幅(AM)调频(FM)调相(PM)数字调制是利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位振幅键控(ASK)频移键控(FSK)相移键控(PSK),5,概述（续）,数字调制与模拟调制相同点：本质上并无什么不同，它们同属正弦载波调制不同点：模拟调制的调制信号为连续性正弦调制数字调制的调制信号为数字型正弦调制模拟信号传输的质量标准是信噪比（S/N）数字信号传输的质量标准是误码率（Pe）,6,概述（续）,移动通信信道的基本特征带宽受限干扰和噪声影响存在衰落现象对已调信号的要求已调信号的频谱窄和带外衰减快频率利用率高衡量指标：单位频带内能传输的比特率（b/s/Hz)较强的抗干扰和抗衰落能力模拟调制：输出信噪比（S/N）大数字调制：误码率（Pe）低解调的可实现性,7,概述（续）,调制解调技术研究的主要内容调制的原理及其实现方法已调信号的频谱特性解调的原理和实现方法解调后的信噪比或误码率性能,8,概述（续）,第一代蜂窝移动通信系统采用模拟调频（FM）传输模拟语音，其信令系统采用2FSK数字调制。第二代数字蜂窝移动通信系统传送的语音都是经过语音编码和信道编码后的数字信号。GSM系统采用GMSK调制；IS-54系统和PDC系统采用/4DQPSK调制；IS-95CDMA系统的下行信道采用QPSK调制，其上行信道采用OQPSK调制。第三代蜂窝移动通信系统采用MQAM、QPSK或8PSK调制由于带宽资源受限，目前所有调制技术的主要设计思路就是最小化传输带宽。相反，扩频技术使用的传输带宽比要求的最小信号带宽大几个数量级，扩展频谱调制能获得很高的频谱利用率。第四代蜂窝移动通信系统将采用多载波调制方式,9,主要内容,模拟调制解调FM数字频率调制FSK、MSK、GMSK、GFSK数字相位调制PSK、QPSK、OQPSK、/4DQPSK正交振幅调制QAM扩展频谱调制多载波调制,10,主要内容,模拟调制解调数字频率调制数字相位调制正交振幅调制扩展频谱调制多载波调制,11,模拟调制解调,以模拟调频为例说明调制解调的过程及其信号特征和性能设载波信号为Uc载波信号的振幅c载波信号的角频率0载波信号的初始相位调幅：由于信道快衰落会使模拟调幅产生附加调幅而造成失真，已很少采用。调频和调相：已调信号可以写成如下形式,式中，(t)为载波的瞬时相位,12,模拟调制解调（续）,设调制信号为um(t),则调频信号的瞬时角频率与输入信号的关系为或调频信号的形式为,式中，kf为调制灵敏度,13,模拟调制解调（续）,为调制指数。,将式(2-7)展开成级数得,14,式中，Jk(mf)为k阶第一类贝塞尔函数：,FM信号的频谱（mf=2),模拟调制解调（续）,15,FM信号的频谱特性已调信号包括载频分量c和无穷多个边频分量(c+k)，边频分量的谱线间隔为调制角频率，且对称分布在载波分量的两侧。边频分量的能量主要集中在载波附近。载波分量和边频分量的大小有相应的各阶贝塞尔函数所确定。适当选择mf值是，载频或某个边频分量可以为零。,模拟调制解调（续）,16,若以90%能量所包括的谱线宽度(以载频为中心)作为调频信号的带宽，则可以证明调频信号的带宽为,式中，Fm=/2为调制频率，fm=mfFm为调制频偏。若以99%能量计算，则调频信号的带宽为,FM信号的产生可以用压控振荡器(VCO)直接调频，也可以将调制信号积分后送入调相器进行“间接调频”。FM信号解调可采用鉴频器或锁相环鉴频。,模拟调制解调（续）,17,积分器,调相器,um(t),uFM(t),f0,间接调频,直接调频,信号的调制框图,模拟调制解调（续）,18,调频信号的解调框图：前置放大器：带宽为B=2(mf+1)Fm限幅器：防止有效带宽随调制信号的振幅的增加而变宽，因信道的宽度是给定的。（消除接收信号在幅度上可能出现的畸变）低通滤波器：为了保证调频信号带宽在给定范围之内。,模拟调制解调（续）,19,在限幅器前，信号加噪声可表示为,式中，经限幅器限幅后将为一常量，,(2-14),模拟调制解调（续）,20,在大信噪比情况下，即UcV(t),有,鉴频器的输出为,式中，第一项为信号项，第二项为噪声项。,模拟调制解调（续）,21,经过低通滤波后，信号的功率为,噪声的功率为,从而得输出信噪比为,模拟调制解调（续）,22,因为输入信噪比为,所以经过鉴频器解调后，信噪比的增益为,当调制信号um(t)及调制灵敏度给定的条件下，调频接收机输出的信噪比的改善取决于有效带宽。而带宽是由调频指数mf决定的。因此增大调频指数可以改善系统的抗干扰能力。这一结论再一次证明了抗干扰的基本概念：用带宽来换取抗干扰能力。,模拟调制解调（续）,23,但在小信噪比情况下，即UcB，p(t)的带宽也远远大于B,192,二进制调制DS-SS发射机和接收机,数据输出,SI(t),数据序列,193,SI(t)具有PSK的性质，通过解调得到m(t)。信号及干扰的频谱,发射机中BPF输出,接收机中乘法器输出,194,处理增益为排除干扰能力与处理增益有关PG，PG越大，压制带内干扰的能力越强。,195,2.4.3跳频扩频技术(FH-SS）,跳频扩频技术：通过看似随机的载波跳频达到传输数据的目的。在每一个信道上，发射机再一次跳频前的一小串的传输数据在窄带内按传统的调制技术（通常为FSK）进行传输。跳跃发生在信道上，并跨越一系列信道。跳跃集：一串可能的跳跃序列。瞬间带宽：跳跃集所在的信道带宽。跳频总带宽：跳跃中所跨越的频谱。,196,单信道调制：跳跃中每一个信道采用一个基本载波频率调制。跳变持续时间：跳变之间的时间，用Th表示。信号冲突（碰撞）：在相同时刻、相同信道上，一个非预测信号占据了跳频信道，传输信与非预测信号发生冲突。跳频技术分快、慢跳频两种：快跳频：在发送序列每一位时发生多次跳频。慢跳频：在发送序列一位或多位后的时间间隔内进行跳频。,197,单信道调制(FH)系统,数据,跳频信号,198,2.4.4直扩的性能,K个用户接入的直扩系统，Ts/Tc=N，第k个用户的传输信号表达式为,PNk(t)cos(ct+k),CDMA扩频系统k个用户模型,199,单个用户接收机接收过程是通过对信号序列进行参量估计得出结果。对第一个用户的第i位进行的变量估计为,判决,r(t),PN1(t)2cos(ct+1),m(t),200,若m1,i=-1，Zi(1)0，则错误概率为PZi(1)0|m1,i=-1由于接收信号r(t)是信号的线性集成，则Zi(1)可以表示为I1：是第一个用户接收到的信号响应。,201,：是除第一个用户外，其余K-1个用户造成的总接入干扰。：是反映其它噪声影响的高斯随机变量。的均值为零，方差为E2=N0Ts/4。Ik表示来自第k个用户的干扰,202,假设Ik是由第k个干扰在某一整位N个时间的随机组成，则是随机过程。采用高斯表达式得到平均误比特率为,203,若Eb/N0趋向于无穷大，则上式为Pe是错误率的低线，是假设个各接入干扰强度大小相同的情况，没有考虑“远近效应”和系统的热噪声等。,204,2.4.5跳频扩频的性能在FH-SS系统中，几个用户独立地采用2FSK调制在它们的频带上跳跃。假设任何两个用户不会在同一个信道中发生冲突，则2FSK系统的误比特率为,205,若两个信号发生冲突，则按0.5的概率进行分配，总的错误概率为Ph：碰撞概率（可预先得到）。若有M个信道，那么在用户的接收信道时间片上有1/M的发生碰撞的可能性。,206,若有(K-1)个用户干扰，那么在接收信道上，至少有发生一个冲突的可能性，此时，Ph为,207,若M很大，则当K=1特殊情况下，错误概率如式(2-81)所示，是一个标准的2FSK错误概率。假设Eb/N0趋向于无穷大，式(2-84)表示为给出了对多重干扰来说，不可避免的错误概率,208,以上的分析是假设用户的跳频会同步发生的，称为时隙跳频。多数FH-SS系统并非如此，即使两个独立用户的时钟能够同步，不同的传输路径会造成不同的时延，因此异步情况下，发生冲突的可能性为Nb：每次跳变的传输数据数。,209,将式(2-86)与（2-83）比较，异步情况下发生冲突的概率增大，在异步情况下，错误概率为,210,与DS-SS系统相比，FH-SS系统的优点能抗“远近效应”，但不能完全避免。信号一般不使用同一频率，接收机的功率不像DS-SS那样要求的严格。改进在传输中加入纠错码，不仅可以改善“远近效应”的影响，而且可以在偶尔发生冲突时，提高系统的性能。,211,2.5多址方式,用于多信道共用。多信道共用是指在网内的大量用户共享若干无限信道。多址技术：主要解决多用户如何高效共享给定频谱资源问题。常规的多址方式有三种：频分多址(FDMA)时分多址(TDMA)码分多址(CDMA),212,频分多址：是将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道（或称信道），供不同的用户使用。,2.5.1频分多址(FDMA),213,信道带宽：在模拟移动通信系统，它通常等于传输一路模拟话音所需的带宽。如25kH或30kHz.收发间隔：|f-F|，f为接受频率，F为发射频率。在频分双工(FDD)通信中，fF。为了避免同一部电台间的干扰，|f-F|必须大于一定的数值。如800MHz频段，收发间隔常为45MHz。,214,2.5.2时分多址,时分多址：是把时间分割成周期性的贞，每一个贞在分割成若干个时隙。贞和时隙都是不重叠的。在频分双工(FDD)方式中，上行链路（移动台到基站）和下行链路（基站到移动台）的幀分别在不同的频率上。在时分双工(TDD)方式中，上下行贞在相同的频率上，各移动台在上下行贞内只能按指定的时隙向基站发送信号。,215,TDMA示意图,216,基站按顺序在预定的时隙中向各移动台发送信息。保护间隔：由于传输移动信号有时延，为保证各移动台到达基站处的信号不重叠，通常在上行时隙内有保护间隔，在该间隔内不传输信号。贞长和贞结构贞长：GSM系统：4.6ms(每贞8时隙）DECT系统：10ms(每贞24时隙）PACS系统：2.5ms(每贞8时隙）,217,贞结构：在FDD方式中，上下行链路的幀结构可以相同，也可以不同。在TDD方式中，通常将某一频率上的一贞中一半的时隙用于移动台发，另一半的时隙用于移动台收，收发工作在同一频率上进行。,218,一幀,219,时隙结构的设计三个主要问题：控制和信令的传输信道的多径的影响系统的同步解决措施：每个时隙中，专门划出部分比特用于控制和信令信息的传输。为便于接收端利用均衡器来克服多径引起的码间干扰，在时隙中插入自适应均衡器所需的训练序列。,220,3.在上行链路的每一个时隙中留出一定的保护间隔，即每个时隙中传输信号的时间小于时隙的长度。为了便于接收端的同步，在每个时隙中要传输同步序列。同步序列和训练序列可以合二为一。,221,2.5.3码分多址(CDMA),码分多址：以扩频信号为基础，利用不同的码型实现不同用户的信息传输。采用直接序列扩频技术所对应的多址方式为直扩码分多址(DS-CDMA);采用跳频扩频技术所对应的多址方式为跳频码分多址(FH-CDMA).下行链路采用的正交序列为Walsh序列，来区分不同信道。Walsh序列的长度为64时，可以有64个正交序列，可以产生64个逻辑信道。,222,使用正交序列的要求：各序列之间完全同步。因此用于基站到移动台的下行链路。移动台到基站的上行链路，通常采用准正交的PN序列如m序列、gold序列，来区分不同用户（或信道）。如采用周期为242-1长的m序列形成接入信道和业务信道。,223,(a)基站到移动台的下行链路,接入信道,接入信道,业务信道,业务信道,业务信道,用户地址,1n1255,(b)移动台到基站的上行链路,224,导频信道：用于传送导频信息。同步信道：用于传送同步信息。寻呼信道：供基站在呼叫建立阶段传输控制信息。接入信道：与正向传输(基站到移动台）的寻户信道相对应，提供移动台到基站的传输通路。供移动台发起呼叫、对基站的寻呼进行响应及向基站发送登记注册信息等。,225,DS-CDMA系统的两个重要特点：存在自身多址干扰。必须采取功率控制方法克服“远近效应”。,226,227,内容回顾,移动通信的主要特点移动通信系统的分类常用移动通信系统移动通信的基本技术移动通信的发展历程和发展方向,228,目的和要求：理解移动通信的主要特点了解移动通信的分类了解常用移动通信系统及应用，掌握蜂窝移动通信系统原理掌握移动通信调制技术、信道传播特性、抗干扰措施、多址方式、组网技术的基本概念了解移动通信发展历史及现状，把握未来移动通信发展趋势重点：移动通信的特点蜂窝移动通信系统原理移动通信调制技术