移动通信关键技术 (2)

1、广州大学华软软件学院移动通信技术移动通信技术第3章 关键技术l语音编解码技术 lOFDM技术l软件无线电技术l智能天线lMIMO技术l联合检测l认知无线电技术（RC） 什么是调制与解调? 基带信号往往不能直接作为传输信号，必须将基带信号转换成适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换。这个变换和反变换分别称为调制和解调。 2.QPSK调制的工作原理？频谱效率？ QPSK: 复习12)1(sbbQPSKffBf复习 GMSK调制的工作原理？ 4.MQAM调制的平均功率？星座图上信号点间的最小距离？ 2221()MsnnnAPcdM1212MLdMQAM扩频通信（扩频通信（Spread Spectr

2、um CommunicationSpread Spectrum Communication）包含的意）包含的意义：义：信号的频谱被大大地展宽采用互不相关的扩频码序列进行调制来展宽信号频谱在接收端用同样的码序列利用相关性解调来解扩 3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术3.3.1 扩频通信的理论基础 扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度(W)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(DF)，其比值称为处理增益：DFWG/3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论中的相关公式中引伸而来的。信息论中关于信息容量的香农(Shannon)公式为： )1 (lo

3、g2NSWCC为信道容量(用传输速率度量)，W 为信号频带宽度， S为信号功率，N为白噪声功率。 香农公式表明，在给定信号功率和白噪声功率的情况下，只要采用某种编码系统，就能以任意小的差错概率，以接近于信道容量C的传输速率来传送信息。 在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比SN是可以互换的。 3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术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。 若减少带宽，则必须发送较大的信号功率（较大的信噪比来传送）；若有较大的传输带宽，则同样的信道容量能够由较小的信号功率（较小的信噪比来传送）。l 甚至在信号被噪声湮没的情况下，即S/N1，只

4、要相应地增加信号带宽，也能进行可靠的通信。 3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 扩频通信可行性的另一理论基础，是柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式： )(0nEfPe 式中：Pe为差错概率，E为信号能量，n。为噪声功率谱密度，f为某一函数。 信号功率SET (T为信息持续时间)，而噪声功率NWn。(W为信号频带宽度)，信息带宽BlT，则上式可化为：)()(BWNSfWNSTfPe3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术说明，差错概率Pe是输入信号与噪声功率之比（S/N）和信号带宽与信息带宽比（W/B）二者乘积的函数。与香农公式一样，说明信噪比和带宽是可以互换的，它同样指示了用增加带宽的方法可以换

5、取信噪比上的降低。 例：用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术3.3.2 扩频通信的基本原理 1直接序列扩频通信系统 第一种码分直扩系统发端的用户信息数据ai首先与其对应的地址码Wi相乘(或模2加)，进行地址码调制；再与高速伪随机码(PN码)相乘(或模2加)，进行扩频调制。在收端，扩频信号经过由本地产生的与发端伪随机码“完全相同（包括码型和相位相同）”的PN码解扩后，再与相应的地址码(WkWi)进行相关检测，得到所需的用户信息(rk=ai)。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频

6、技术 系统中的地址码是采用一组正交码，而伪随机码系统中只有一个，用于加扩和解扩，以增强系统的抗干扰能力。这种系统由于采用了完全正交的地址码组，各用户之间的相互影响可以完全除掉，提高了系统的性能，但是整个系统更为复杂，尤其是同步系统。系统框图如下所示。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 第二种码分直扩系统发端的用户信息数据ai直接与之对应的高速伪随机码(PNi码)相乘(或模2加)，进行地址调制同时又进行了扩频调制。在收端，扩频信号经过与发端伪随机码完全相同的本地产生的伪随机码(PNk=PNi)解扩，相关检测得到所需的用户信息(rkai)。系统框图如下所示。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 在这

7、种系统中，系统中的伪随机码不是一个，而是采用一组正交性良好的伪随机码组，其两两之间的互相关值接近于0。该组伪随机码既用做用户的地址码，又用于加扩和解扩，增强了系统的抗干扰能力。 这种系统与第一种系统相比，由于去掉了单独的地址码组，用不同的伪随机码来代替，整个系统相对简单一些（优点）。但是，由于伪随机码组不是完全正交的，而是准正交的，也就是码组内任意两个伪随机码的互相关值不为0，各用户之间的相互影响不可能完全除掉，整个系统的性能将受到一定的影响（缺点）。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 由上可见，扩频通信系统与普通数字通信系统相比，就是多了扩频调制和解扩部分。 信息数据（速率Ri）经过信息调制

8、器后输出的是窄带信号（a），经过扩频调制（加扩）后频谱展宽（b），在接收机的输入信号中如果加有干扰信号，其功率谱如图（c），经过扩频解调（解扩）后有用信号变成窄带信号，而干扰信号变成宽带信号（d），再经过窄带滤波器，滤掉有用信号带外的干扰信号（e），从而降低了干扰信号的强度，改善了信噪比。这就是扩频通信系统抗干扰的基本原理。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 直接序列扩频通信系统是以直接扩频方式构成的扩展频谱通信系统，通常简称直扩（DS）系统，又称伪噪声（PN：Pseudo-Noise）扩频系统。2.直接序列扩频信号的波形3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 跳频、扩频调制技术跳频、扩频调制技术

9、- -几个概念几个概念定频通信：定频通信：载波频率固定，都是在指定的频率上进行通信，易受干扰。跳频系统：跳频系统：载波频率不固定，在给定的一个频率范围内伪随机地跳变，跳变模式由一个伪随机码（PN码）控制。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术跳频集（跳频集（hopsethopset）：）：系统所有可能的载波频率的集合。瞬时带宽：瞬时带宽：跳变集中某一频率单独工作所占用的带宽。总跳频带宽：总跳频带宽：在跳频中可能跨越的最大频谱宽度。跳变的速率：跳变的速率：快跳频（F-FH）和慢跳频（S-FH）3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术快跳频：快跳频：一位符号在多个跳频载波上传输，具有频率分集和时间分集。慢跳

10、频：慢跳频：在一跳驻留时间内传输多个符号，慢跳频技术与交织编码技术相结合，构成具有时间分集和频率分集作用的隐分集。跳频在跳频在GSMGSM系统中的应用系统中的应用GSM系统采用的是慢跳频，每秒217跳，每跳约1.2kbit。一个MS在一个时隙内用固定频率发送或接收信号，在必要时，在一个时隙后跳到另一个频道的下一个TDMA帧中，即。为了保证系统的正常工作，要求跳频在1ms之内完成。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 3跳频扩频通信系统 跳频(FH)通信是指用一定码序列进行选择的多频率频移键控，也是一种扩频技术， 即通信使用的载波频率受一组快速变化的伪随机码控制而随机的跳变。这种载波变化的规律，通

11、常叫做“跳频图案”。 跳频实际上是一种复杂的频移键控，是一种用伪随机码进行多频频移键控的通信方式。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术最简单的频移键控只有两个频率f1和f2，分别代表空号和传号，称之为二元频移键控（2FSK），其波形如下图所示。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 而在跳频扩频通信系统中，载波频率有几个、几十个、甚至上千万个，必须用复杂的伪随机码来控制频率的变化。这是跳频系统与频移键控的不同之处。跳频系统的组成方框图如图所示。 由图跳频信号的时一域矩阵图可见，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上随机跳变的不等间隔的

12、频率信道。图中载波频率跳变次序是：f5f4f7f0f6f3f1。如果从时间-频率域来看，跳频信号为一个时-频矩阵，每个频率持续时间为Tc秒。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术跳频分慢跳频和快跳频。慢跳频:跳频速率低于信息比特速率，即连续几个信息比特跳频一次；快跳频:跳频速率高于信息比特速率，即每个信息比特跳频一次以上。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 跳频速率应根据使用要求来决定。一般来说，跳频速率越高，跳频系统的抗干扰性能就越好，但相应的设备复杂性与成本也越高。跳频的频率间隔应选择1Tc(Tc为频率停留时间，即跳频时间间隔)，使一载波频率的峰值处于其他频率的零点，这就构成了频率正交关系，避

13、免了相互干扰，便于信号分离。若取频率数K，则占用总的频率带宽为W=K/Tc。 4跳时扩频通信系统 与跳频相似，跳时（TH：Time Hopping）是使发射信号在时间轴上跳变。 可以把时间轴分成许多时隙。在一帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列进行控制。 因此，可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时隙的时移键控。由于采用了窄得多的时隙去发送信号，相对来说，信号的频谱也就展宽了。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 如下图，在发端输入的数据先存储起来，由扩频码发送器产生的扩频码序列去控制通-断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在收端，由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩

14、频码序列控制通-断开关，再经二相或四相解调器，送到数据存储器经再定时后输出数据。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 只要收发两端在时间上严格同步进行，就能正确的恢复原始数据。跳时也可以看成是一种时分系统，所不同的是它不是在一帧中固定分配一定位置的时隙，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时隙。 跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时隙数。由于简单的跳时抗干扰性不强，故很少单独使用。跳时通常都与其他方式结合后使用，组成各种混合方式。 3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术 扩频通信系统的主要性能指标包括处理增益和抗干扰容限。 处理增益表示了扩频通信系统信噪比改善的程度。 抗干扰容限是在保证系统正

15、常工作的条件下，接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝(dB)数，它表示系统在干扰环境下的工作性能，它直接反映了扩频通信系统接收机允许的极限干扰强度，它往往能比处理增益更确切地表达系统的抗干扰能力。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术扩频通信的主要特点：(1)抗干扰能力强；(2)保密性好；(3)可以实现码分多址；(4)抗衰落、抗多径干扰；(5)能精确地定时和测距，等等。3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术直扩系统是依靠频谱的直扩系统是依靠频谱的扩展和解扩处理扩展和解扩处理提高提高信噪比的，跳频则是依靠信噪比的，跳频则是依靠躲避干扰躲避干扰来达到提高信噪来达到提高信噪比的。比的。思考：跳频

16、如何提高信噪比，改善系统性能？与一般思考：跳频如何提高信噪比，改善系统性能？与一般的扩频通信的改善又有什么区别？的扩频通信的改善又有什么区别？3.3扩频、跳频技术扩频、跳频技术3.4 分集接收分集接收l分集技术的分类 l几种常用的显分集技术 l几种常用的隐分集技术 l分集合并技术 3.4分集技术分集技术 分集接收技术是一项主要的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性。 本质：是采用两种或两种以上的不同方法接收同一信号以克服衰落。 作用：在不增加发射机功率或信道带宽的情况下充分利用传输中的多径信号能量，以提高系统的接收性能。 基本思路：将接收到的多径信号分离成不相关的（独立的）多路

17、信号，即选取了一个信号的两个或多个独立的采样，这些样本的衰落是互不相关的，这意味着所有样本同时低于一个给定电平的概率比任何一个样本低于该值的概率要小得多；然后将这些信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大。对数字系统而言，使接收端的误码率最小，对模拟系统而言，提高接收端的信噪比。3.4分集技术分集技术 3.4.1 分集技术的分类 “分”与“集”是一对矛盾。为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可以通过空域、频域和时域的不同角度、不向方法来加以实现。因此分集技术研究是利用信号的基本参量在时域、频域和空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。3.4分集技术分集技术 从信号传输的方式来

18、看，分集技术分为显分集和隐分集两大类。u显分集指利用多副天线接收信号的分集，构成明显的分集信号的传输方式。 它又分为宏分集和微分集（包括空间分集、频率分集、时间分集、极化分集、路径分集、场分量分集、角度分集等）。u隐分集只需一副天线来接收信号的分集，分集隐含在传输信号之中，在接收端利用信号处理技术来实现分集接收。 它又分为交织编码技术、跳频技术、直接扩频技术等。3.4分集技术分集技术分集技术分集技术 显分集显分集隐分集隐分集交织编码技术交织编码技术跳频技术跳频技术直接扩频技术直接扩频技术宏分集宏分集微分集微分集空间分集空间分集频率分集频率分集时间分集时间分集极化分集极化分集路径分集路径分集场分

19、量分集场分量分集角度分集角度分集3.4分集技术分集技术3.4.2 几种常用的显分集技术 宏分集（也称为“多基站”分集）以减少由于阴影效应而引起的大范围慢衰落为目的，它的做法是，也可以选用其中信号最好的一个基站与移动台进行通信。 3.4分集技术分集技术 微分集是以抗快衰落为目的，。理论和实践都表明，在空间、频率、极化、场分量、角度及时间等方面分离的无线信号，都呈现互相独立的衰落特性，因此可采用空间分集、时间分集、频率分集、极化分集、角度分集和多径分集等多种分集技术。1空间分集 空间分集在发送端采用一副天线发射，而在接收端采用多副间隔距离d/2（为工作波长）的天线接收，以保证接收天线输出信号的衰落

20、特性是相互独立的。经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号，从而降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。该技术在FDMA、TDMA及CDMA移动通信系统中都有应用。2时间分集 快衰落除了具有空间和频率独立性之外，还具有时间独立性，即同一信号以大于相干时间的时间间隔重复传输M次，即得到M条独立的分集支路。接收机将重复收到的同一信号进行合并，以减小衰落的影响。 3频率分集 频率分集就是，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信号。在移动通信系统中，可采用信号载波频率跳变扩展频谱技术来达到频率分集的目的。和空间分集相比，频率分集的优点是减少了天线数目，缺点是

21、要占用更多的频谱资源，在发端需要多部发射机。 4角度分集 当工作频率高于10GHz时，从发射机到接收机的散射信号产生从不同方向来的互不相关的信号。这样接收端，在同一位置设置指向不同方向的两个或更多的有向天线，向合成器提供信号，以达到克服衰落的目的。采用这种方案，移动台比基站的电路更有效。5极化分集 极化分集实际上是空间分集的特殊情况。利用这一特点，在发端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线，在收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量。这种方法的优点是结构紧凑，节省空间，缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，将有3dB的信号功率损失。6场分量

22、分集 由电磁场理论可知，电磁波的E场和H场载有相同的消息，而反射机理是不同的，例如一个散射体反射E波和H波的驻波图形相位差90，即当E波为最大时，H波最小。因此利用场分量的这个特点也可以实现分集。7多径分集 移动台接收到的信号是一个多径衰落信号。，对于窄带系统（如模拟TACS、数字GSM系统），在同一地点，到达的各路信号是相关的，无法分离。只有特定设计的扩频信号才可以进行分离，分离的手段是相关接收。 通常这一多径衰落信号的时延差很小且是随机的1交织编码技术 交织编码的目的。交织深度越大，则离散度越大，抗突发差错能力也就越强，但处理时间也越长，从而造成数据传输时延增大。也就是说，交织编码是以时间

23、为代价的。因此，交织编码属于时间隐分集。3.4.3 几种常用的隐分集技术交织编码技术举例如下： 假设原始为11101101100101010110D101011共计28位，按47矩阵排列，依次按行写入发送矩阵，如图（a）所示。 将图（a）中的数据用“横写竖读”法写入块交织器，这时交织器的输出就是按图（b）中的左面第一列1010，然后第二列1101。 2跳频技术 跳频有慢跳频（SFH）和快跳频（FFH）两种。慢跳频的跳频速率低于信息比特率，即连续几个信息比特跳频一次。GSM系统中，传输频率在一个完整的突发脉冲传输期间保持不变，属于慢跳频。快跳频的跳频速率高于或等于信息比特率，即每个信息比特跳频一次以上。 3.4.4分集合并技术 在分集接收中，在接收端从不同的N个独立信号支路所获得的信号，可以通过不同形式的合并技术来获得分集增益。如果从合并所处的位置来看：合并可以在检测器以前，即中频和射频上进行合并，且多半是在中频上合并；也可以在检测器以后，即在基带上进行合并。合并时采用的准则与方式主要可以分为三种：最大比值