移动通信第二章

1、第2章 调制解调第第2 2章章 调制解调调制解调2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 数字频率调制数字频率调制 2.3 2.3 数字相位调制数字相位调制 2.4 2.4 正交振幅调制正交振幅调制(QAM) (QAM) 2.5 2.5 扩展频谱调制扩展频谱调制 2.6 2.6 多载波调制多载波调制 第2章 调制解调第一，带宽有限第一，带宽有限 它取决于使用的频率资源和信道的传播特性；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移动通信信道的基本特征高的频谱利用率高的频谱利用率第二，干扰和噪声影响大第二，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；这主要是移动通

2、信工作的电磁环境所决定的； 强的抗干扰能力强的抗干扰能力强的抗衰落能力强的抗衰落能力第三，第三， 存在着多径衰落存在着多径衰落第2章 调制解调2、恒定包络（连续相位）调制技术、恒定包络（连续相位）调制技术1、线性调制技术、线性调制技术 “ “线性线性”是要求通信设备从频率变换到放大和发射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。高的线性功率放大器件。两类主要的数字调制方式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优点：已调信号具有相对窄的功率谱和对放大设备没

3、有线性要求，可采用限幅器、低成本的非线性高效功没有线性要求，可采用限幅器、低成本的非线性高效功率放大器件。率放大器件。 缺点：其频谱利用率通常低于线性调制技术。缺点：其频谱利用率通常低于线性调制技术。 第2章 调制解调恒定包络调制技术恒定包络调制技术 MSK GMSK GFSK TFM优点：优点：1 1）已调信号具有相对窄的功率谱，极低的旁瓣能量）已调信号具有相对窄的功率谱，极低的旁瓣能量 ；缺点：缺点：频谱利用率通常低于线性调制技术。频谱利用率通常低于线性调制技术。2 2）功率利用率高：对放大设备没有线性要求，即，可）功率利用率高：对放大设备没有线性要求，即，可使用高效率的使用高效率的C类高

4、频功率放大器。类高频功率放大器。第2章 调制解调线性调制技术线性调制技术 PSK QPSK DQPSK OK-QPSK /4DQPSK 多电平多电平PSK优点：优点：高的频谱利用率！高的频谱利用率！缺点：缺点：低的功率利用率！低的功率利用率！第2章 调制解调MSK（最小移频键控调制）（最小移频键控调制） MSK是一种特殊形式的是一种特殊形式的 FSK。 频差是满足两个频率相互正交频差是满足两个频率相互正交(即相关函数等于即相关函数等于0)的的最小频差，则调制系数最小频差，则调制系数 要求相位连续。要求相位连续。5 .0/1bTfh MSK调制是一种调制是一种恒包络调制恒包络调制，这是因为，这是

5、因为MSK是属于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。相位跃变点，因此在限带系统中，能保持恒包络特性。第2章 调制解调MSK的相位轨迹的相位轨迹在一个比特区间内，在一个比特区间内， 相位线性地增加或减少相位线性地增加或减少/2。第2章 调制解调MSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度与与QPSKQPSK相比，相比，MSKMSK具有较宽的主瓣，旁瓣下降速率较快。具有较宽的主瓣，旁瓣下降速率较快。第2章 调制解调GMSK （高斯滤波的最小移频键控调制高斯滤波的最小移频键控调制） 尽管尽管M

6、SKMSK信号已具有较好的频谱和误比特率性能，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但仍不能满足功率谱在相邻频道取值( (即邻道辐射即邻道辐射) )低于低于主瓣峰值主瓣峰值60dB60dB以上的要求。以上的要求。GMSK信号的产生原理框图信号的产生原理框图第2章 调制解调GMSK的相位轨迹的相位轨迹 GMSK相位路径平滑，相位路径平滑， 它消除了它消除了MSK相位路径在相位路径在码元转换时刻的相位转折点。码元转换时刻的相位转折点。第2章 调制解调GMSKGMSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度B B：高斯滤波器：高斯滤波器3dB3dB带宽。带宽。 GSM系统中，

7、要求在归一化频差系统中，要求在归一化频差(f-fc)T=1.5时功率谱密度时功率谱密度低于低于60dB，在高斯滤波器的归一化，在高斯滤波器的归一化3dB带宽带宽BTb =0.3时时GMSK的功率谱即可满足要求。的功率谱即可满足要求。bT：比特周期。：比特周期。第2章 调制解调1、GMSK信号频谱随着归一化信号频谱随着归一化3dB带宽带宽BT b值的减小，所值的减小，所对应的对应的GMSK信号的功率谱愈紧凑，即谱利用率愈好，但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。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，、从谱利用率和误码率双方考虑，BT b值应

8、该折中选择。值应该折中选择。GMSKGMSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度由图可见：由图可见：在在GSM系统中系统中归一化归一化3dB带宽带宽BT b =0.3 ！第2章 调制解调QPSK 和和 OQPSK(a) QPSK(b) OQPSK1、QPSK和和OQPSK的产生原理的产生原理第2章 调制解调2、QPSK和和OQPSK的星座图的星座图(a) QPSK(b) OQPSK 从相位跳变上可判断，从相位跳变上可判断， OQPSK信号信号频谱旁瓣频谱旁瓣要低于要低于 QPSK 信号的旁瓣。信号的旁瓣。第2章 调制解调/4 - DQPSK/4 - DQPSK调制调制 /4-DQPSK /4-DQ

9、PSK是对是对QPSKQPSK信号的特性进行改进的一种调制方式。信号的特性进行改进的一种调制方式。改进一：改进一：相位跳变的改变。相位跳变的改变。 改进二：解调方式的改变。改进二：解调方式的改变。 美国的美国的IS-136数字蜂窝系统、日本的数字蜂窝系统数字蜂窝系统、日本的数字蜂窝系统(PDC)和美和美国的个人接入通信系统国的个人接入通信系统(PACS)。应用：应用：/4-DQPSK的最大相位跳变值介于的最大相位跳变值介于OQPSK和和QPSK之间。之间。/4-DQPSK可采用非相干解调，从而大大简化接收机的可采用非相干解调，从而大大简化接收机的结构。结构。第2章 调制解调1 1、/4-DQP

10、SK/4-DQPSK信号的产生原理框图信号的产生原理框图 相位跳变规则相位跳变规则第2章 调制解调2 2、/4-DQPSK/4-DQPSK相位的星座图相位的星座图 第2章 调制解调不同调制方式的功率谱密度不同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。0.5bfT 1bfT 0.75bfT OQPSKBPSKGMSK第2章 调制解调1）由上述功率谱密度图形可见）由上述功率谱密度图形可见MSK、GMSK的

11、的频频谱效率介于谱效率介于BPSK与与QPSK之间，即比之间，即比BPSK好，但好，但不如不如QPSK。结论：结论：2）从抗干扰性即）从抗干扰性即功率效率看，功率效率看，GMSK最好最好，MSK次之，次之，QPSK与与BPSK性能最差。性能最差。第2章 调制解调2.4 正交振幅调制正交振幅调制(QAM) QAM 通过相位和振幅的联合控制，可以得到更高频谱效率，通过相位和振幅的联合控制，可以得到更高频谱效率， 从从而可在限定的频带内传输更高速率的数据。而可在限定的频带内传输更高速率的数据。 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

12、制的一般表达式正交振幅调制的一般表达式:( )cossinmcmcy tAtBt0stT 振幅振幅Am和和Bm可以表示成：可以表示成：AeBAdAmmmm 式中，式中，A是固定的振幅，是固定的振幅， (dm, em)由输入数据确定。由输入数据确定。 (dm, em) 决定了已调决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。信号在信号空间中的坐标点。 第2章 调制解调 (a) QAM调制框图调制框图 (b) QAM解调框图解调框图 第2章 调制解调QAM信号的结构设计准则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

13、解调及其性能。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点之间距离最大的信号结构，同时还要考虑解调的复杂性。杂性。设计准则：设计准则：第2章 调制解调M进制方型进制方型QAM星座图星座图(b) 16QAM (a) 4QAM(c) 64QAM第2章 调制解调M进制星型进制星型QAM星座图星座图(b) 16QAM (a) 4QAM(c) 64QAM第2章 调制解调例：下图是在限定信号点数目例：下图是在限定信号点数目M=8, 要求这些信号点仅取要求这些信号点仅取两种振幅值，且信号点

14、之间的最小距离为两种振幅值，且信号点之间的最小距离为2A的条件下，的条件下， 得到的几种信号空间结构。得到的几种信号空间结构。第2章 调制解调（1 1）星型）星型QAMQAM的的振幅环振幅环由方型的由方型的3 3个减少为个减少为2 2个。个。 星型星型QAMQAM有利于接收端的自动增益控制和载波相位跟踪。有利于接收端的自动增益控制和载波相位跟踪。（2 2）星型）星型QAMQAM的的相位相位由方型的由方型的1212种减少为种减少为8 8种。种。结论：结论：方型方型16QAM与星型与星型16QAM星座比较星座比较第2章 调制解调2.5 2.5 扩展频谱调制扩展频谱调制1.1.扩展频谱通信的基本概念

15、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；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；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以恢复所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。传信息数据。1）信号的频谱被展宽了；）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；）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。）在接收端用相关解扩来解调。解释：解释：第2章 调制解调 在给定的传输速率在给定的传输速率C不变的条件

16、下，频带宽度不变的条件下，频带宽度W和信噪比和信噪比SN是是可以互换的。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。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）。2log (1)CWS N扩频通信的理论依据扩频通信的理论依据仙农仙农(Shannon)公式：公式： 扩展频谱换取对信噪比要求的降低，正是扩频通信的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。重要特点，为扩频通信的应用奠定了基础。第2章 调

17、制解调 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与信息带宽与信息带宽Bm之比成正比。之比成正比。mpBBGlg10扩频通信的主要性能指标扩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。：表示了扩频系统信噪比改善的程度。 1、扩频增益、扩频增益2、抗干扰容限、抗干扰容限jpsSMGNO（L）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。有用信号高出的分贝数。 可见，抗干扰容限可见，抗干扰容限M j与扩频处理增

18、益与扩频处理增益G P成正比，成正比，G P提高后，提高后，M j大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。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！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！第2章 调制解调例：一个扩频系统的处理增益为例：一个扩频系统的处理增益为35dB，要求误码率小于，要求误码率小于 10-5 信息数据解调的最小的输出信噪比信息数据解调的最小的输出信噪比(S/N)0 信道冲激响应时延扩展信道冲激响应时延扩展 保护间隔保护间隔 能对抗频率选择性衰落能对抗频率选择性衰落 每个子信道均可看成是平坦衰落

19、每个子信道均可看成是平坦衰落 均衡简单均衡简单 每个子信道均平坦衰落，用很简单的均衡结构即每个子信道均平坦衰落，用很简单的均衡结构即可克服信道影响可克服信道影响. 频带利用率高频带利用率高 子信道相互交叠且正交子信道相互交叠且正交第2章 调制解调 同步问题同步问题 符号同步符号同步 频率同步频率同步 发射机、接收机需要发射机、接收机需要FFT处理处理 复杂度较高复杂度较高OFDM技术优缺点技术优缺点 缺点：缺点： 对载波频率偏差敏感对载波频率偏差敏感 峰均比峰均比PAPR高高第2章 调制解调OFDM系统具有高峰均比的现象系统具有高峰均比的现象 1,1 虽然四个子载波的幅度范围恒为虽然四个子载波

20、的幅度范围恒为 ，但叠加之后，但叠加之后的的OFDMOFDM符号的幅度范围却变化很大，符号的幅度范围却变化很大，这也就是这也就是OFDM系统系统具有高峰均比的现象。具有高峰均比的现象。第2章 调制解调OFDM系统的关键技术系统的关键技术1. 1. 时域和频域同步时域和频域同步2. 2. 信道估计信道估计3. 3. 信道编码和交织信道编码和交织4. 4. 降低峰值平均功率比降低峰值平均功率比5. 5. 均衡均衡第2章 调制解调 1 1、子载波的数目、子载波的数目 2 2、保护时间、保护时间 3 3、符号周期、符号周期 4 4、载波间隔、载波间隔 5 5、载波的调制方式、载波的调制方式 6 6、前向纠错编码的选择、前向纠错编码的选择 OFDM系统设计关键参数系统设计关键参数 这些参数的选择要依据系统的应用与传播环境要求，如这些参数的选择要依据系统的应用与传播环境要求，如有效系统带宽、所支持的业