chapter3_The_fundamental_of_Mobile_Communications

1、第三章第三章 移动通信中的调制解调技术移动通信中的调制解调技术p最小频移键控（MSK）p高斯滤波的最小频移键控（GMSK）p/4四相相移键控（ /4-QPSK）p多进制正交振幅调制（MQAM）p多进制相移键控（MPSK）p自适应调制(Adaptive modulation)p正交频分复用OFDMp扩频调制调制的目的1）将信息变换成便于传输的形式 基带信号频率较高的带通信号2）在无线传输环境中提供尽可能好的传输性能 具有较强的抗衰落抗干扰能力，较低的误码率。3）占用最小的带宽来传输信号 提高频谱利用率, 频率复用Small antenna size Antenna size is inverse

2、ly proportional to frequencye.g., 3 kHz 50 km antenna 3 GHz 5 cm antenna移动通信对数字调制和解调的基本要求v在衰落信道下，误码率要尽可能低；v已调信号频谱的主瓣要窄，副瓣的幅度要低，带外辐射、邻道功率与载波功率之比小于-70dB;v高效率解调（如非相干解调），以降低移动台功耗，进一步缩小体积和成本；v能提供较高的传输速率；v易于集成。移动无线通信系统中的调制技术移动无线通信系统中的调制技术1、模拟调制：AM FM PM2、数字调制1）线性调制技术 二进制幅度键控 BASK 二进制相移键控 BPSK 差分相移键控 DPSK

3、四相相移键控 QPSK 交错QPSK OQPSK /4四相相移键控 /4-QPSK 2）恒包络调制技术 二进制频移键控 BFSK 最小频移键控 MSK 高斯最小频移键控 GMSK 平滑调频 TFM3）线性和恒包络组合调制技术 多进制幅度键控 MASK 多进制相移键控 MPSK 多进制频移键控 MFSK 多进制正交幅度调制 MQAM4）扩频调制技术 直接序列扩频 DS-SS 跳频与跳时扩频5）自适应调制 （可变速率调制）6）正交频分复用OFDM现代移动通信系统都采用数字调制，其具有：更好的抗噪声性能更强的抗信道损耗更容易复用不同形式的信息更好的安全性选择一种数字调制方案要考虑的因素选择一种数字调

4、制方案要考虑的因素在低接收信噪比的条件下提供小的误比特率；对抗多径和衰落情况性能良好；占用最小带宽；容易实现，价格低廉。从以上几种因素根据不同应用要求，进行折中考虑。1、功率效率（能量效率）p 在接收机输入端特定的误码率下，每比特信号能量和噪声功率谱密度的比值。 Eb/No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。衡量数字调制方案的性能参数衡量数字调制方案的性能参数2、 带宽效率B 定义为给定带宽内每赫兹数据率吞吐量的值。描述了调制方案在有限的带宽内容纳数据的能力。BRBbps/HzR:每秒数据率 bpsB:已调RF信号占用的带宽 Hz 带宽效率B的理论上限： Shan

5、non的信道编码理论指出：在一个任意小的错误概率下，最大带宽效率受限于信道内的噪声。)1(log2NSBCB例：带宽为200kHz, SNR为10dB的信道的理论最大数据率为：kbpsNSBC886.691)101 (log10200)1 (log232GSM的数据率为270.833kbps，是在10dB SNR条件下理论值的40%。几种基本的数字调制技术几种基本的数字调制技术几种基本的数字调制技术恒包络调制具有以下优点:v不管调制信号的变化, 保证载波振幅恒定。v功率放大器工作在C类, 不会引起发射信号占用频谱增大。 v带外辐射低: -60-70 dB。v使用简单限幅器-鉴频器检测，便可抗随

6、机噪声和由于瑞利(Rayleigh)衰落造成的影响， 且简化了接收机电路。v但是占用的带宽比线性调制大,在优先考虑频带利用率时,横包络调制就不太适用.最小（调制指数）频移键控MSKMinimum Shift Keying一、MSK工作原理 MSK 满足两个条件：调制指数为0.5在码元交替点相位连续bbkbkcMSKTktkTtTatS) 1()2cos(载频第k个码元中的相位常数)2(211bcmkTfa时，信号频率)2(211bcskTfa时，信号频率第k个码元中的数据频偏1、MSK信号表示221bbsmRTfff最小频差：即：最小频差等于码元速率的一半。5 . 0/1bbTfRfh调制指数

7、：当码元为1时，则信号为： ttsttstsssmmcoscos)(）（）（ak=1 ak=-1 传号角频率 bcmT2空号角频率 bcsT2为什么是h=0.5是最小调制指数？定义两个信号sm(t)与ss(t)的波形相关系数为 dttstsEsTmbb)()(10dttsdttsEbbTmTsb0202)()(信号能量的表示式为 可求得相关系数bsmbsmbsmbsmTTTT)()sin()()sin(0 为便于控制，希望两个信号正交， 而两个信号正交条件是相关系数为零。首先令 ()msbTn n=1, 2, 3, 1144bccTnnTf此式说明，每个码元宽度是1/4个载波周期的整数倍。cc

8、f22cms此条件满足后，相关系数可写为 bsmbsmbsmbsmTffTffTT)(2)(2sin)()sin(nTbsm)(=0，sm(t)和ss(t)两信号正交。nTbsm)(当n=1时，(m-s)Tb=为最小频差。调制系数为 bsmbbdTffTfrfh)(2对于hh22sin相关系数为0时所对应的h（频差）并非单一值。只有在h=0.5时为最小频差的正交状态。所以：MSK是一种满足两个信号正交的条件，且频差最小的 FSK。2、MSK信号波形设每个码元周期Tb有N个载波整周期再加上m个1/4载波周期来表示，则：bbbdcsbbbdcmcbTmNTTmNfffTmNTTmNfffmNfmN

9、T1)41(411)4(1)41(411)4(3 , 2 , 11)4(为整数，说明在一个码元周期Tb内，包含fm或fs的周期数都是1/4的整数倍，两者之差(fm-fs)固定为半个周期。例：Rb=5Mb/s=1/Tb, fd=Rb/4=1.25MHz 虚载波fc=15fd=18.75MHz 则 fc=(3+3/4)*1/Tb N=3,m=3 得：fm=4Rb=20MHz fs=3.5Rb=17.5MHz即在一个码元期间有4个fm的整周期或3.5个fs的整周期。4*1/fm3.5*1/fsMSK信号的包络是恒定的,相位是连续的.3、MSK信号的相位2, 1,2, 12,222)(负斜率正斜率的增

10、量为在一个截距斜率kkbkbbkkbkaaTTTatTat3、MSK信号的相位-相位网格图 (t)相位是连续的，每一段直线方程的截距k一定是0或|的整数倍。 k = k-1 +(ak-1 - ak )k/2t/Tb123456/2-/2+1 +1 -1 +1 -1 -1 -1-3、MSK信号的相位-相位网格图 4、MSK信号正交展开通过正交展开，可得：正交分量同相分量:sin)2sin(cos)2cos(sin)2sin(coscos)2cos(cos)(kkcbkcbkcbkkcbkMSKQIttTQttTIttTattTtS从上可知，s(t)由两个正交的调幅信号合成4、MSK调制和解调差分

11、编码串/并Tb)2cos(tTb)2sin(tTbtccostcsinMSK信号调制4、MSK调制和解调差分译码并/串ttTcbcos)2cos(ttTcbsin)2sin(MSK信号解调载波提取LPFLPF抽样判决抽样判决5、MSK信号的功率谱和误码性能单边功率谱2228cos 2()()14()bcbcbTffTP fffT误码率MSK正交相干解调，对I、Q支路都可视为2PSK相干解调。 PeI=PeQobeQeIeNEerfcPPP2121210.511.522.5 50 40 30 20 10MSKQPSK归 一 化 频 率 ( f fc)Tb归 一 化 功 率 谱 密 度 W(f)

12、/ dBMSK信号的功率谱6、MSK信号的基本特性14bT恒包络，频偏为 ，调制指数h=1/2。附加相位在一个码元时间的线性变化 ，相邻码元转换时刻的相位连续。一个码元时间是1/4个载波周期的整数倍。2高斯滤波的最小频移键控（GMSK）一、GMSK信号的产生原理 高斯滤波器FM调制器调制指数0.5NRZGMSK信号预调制滤波器 实现GMSK信号的调制, 关键是设计性能良好的高斯低通滤波器, 它必须具有如下特性: (1） 有良好的窄带和尖锐的截止特性, 以滤除基带信号中的高频成分。 (2） 脉冲响应过冲量应尽可能小, 防止已调波瞬时频偏过大。 (3） 输出脉冲响应曲线的面积对应的相位为/2, 使

13、调制系数为1/2。 满足这些特性的高斯低通滤波器的频率传输函数H(f)为)exp()(22fafH式中,是与滤波器3 dB带宽Bb有关的一个系数，选择不同的，滤波器的特性随之而改变。通常将高斯低通滤波器的传输函数值为 时的滤波器带宽，定义为滤波器的3 dB带宽， 即： 2/15887. 0221nBb由上式可见，改变时，带宽Bb也随之改变。反之，已知滤波器的3 dB带宽，得出参数，进行滤波器设计。 根据传输函数可求出滤波器的冲激响应h(t)为 222222exp)(2exp)()(tdfftjfdfefHthftj 当3 dB带宽增大时，滤波器的传输函数随之变宽， 而冲激响应函数却随之变窄。

14、高斯低通滤波器传输特性 01234f Tb0.51H (f )0.20.8BbTb 1.6高斯低通滤波器冲激响应 0Tb2Tb3Tbt1.0h(t)BbTb 1.4BbTb增加，传输函数变宽，冲激响应变窄BbTb增加，传输函数变宽，冲激响应变窄高斯滤波器的矩形脉冲响应的波形随BbTb的减小而越来越宽。可见，滤波器的带宽越窄，输出响应被展得越宽。当BbTb=0.25时，脉冲宽度为3Tb的输出脉冲脉冲宽度为Tb的脉冲TbTbTb控制BbTb=0.20.5，使码间串扰只影响前后两个相邻码元，考虑前后码元极性不同，相位增量为：0, /4, /2.t/Tb123456

15、/2-/2/2 /2 / 4 0 0 - /4 - /2 -+1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -17GMSK信号的相位路径不但连续，并在码元转换时刻是平滑的。GMSK信号的相位路径二、GMSK信号的调制与解调 1、调制高斯滤波器FM调制器调制指数0.5NRZGMSK信号缺点：由基带高斯脉冲直接调频，在保证调制灵敏度和线性的同时，中心频率和稳定度较差。二、GMSK信号的调制与解调 1、调制-PLL型GMSK调制器/2相移BPSKLPFGMSK信号VCO/2相移BPSK：保证每个码元期间的相位变化/2；PLL： 对码元转换时刻的相位突变进行平滑处理。要求：使PLL的传输特性满足高斯滤波的要

16、求， 才能获得良好的信号频谱特性2、解调可以用MSK一样的正交相干解调电路，在相干解调中，最为重要的是相干载波的提取，在移动通信环境中比较困难，因而通常采用差分解调和鉴频器解调等非相干解调。一比特差分延迟检测二比特差分延迟检测一比特延迟差分检测 GMSK信号BPFTb / 2sI(t)x(t)LPFy(t)门 限判 决判 决 时 钟ka二比特延迟差分检测电路 GMSK信号BPF2TbsI(t)x(t)LPFy(t)门 限判 决判决时钟ka三、GMSK信号的频谱特性 BbTb越小，GMSK功率谱的高频滚降就越快，主瓣越窄。BbT(MSK)1.00.7 00

17、.51.01.52.02.5120100806040200归一化频率(f fc)T归一化功率谱密度 / dB四、GMSK信号的误码性能 GMSK在衰落信道中传输时，误码率与Eb/No、多普勒频移等多种因素有关。采用延迟差分检测对改善瑞利衰落信道的误码性能有利。二比特的差分延迟检测的误码性能优于一比特延迟的差分检测。036. 1NEQPbe相干检测误码性能 0204060瑞利衰落106105104103102101Pe(Eb / No) / dBfD4 HzfD12 HzfD40 HzBbTb0.25二比特延迟差分检测误码性能 0204060瑞利衰落106105104103102101Pe(Eb

18、 / No) / dBfD40 HzBbTb0.25二比特差分检测相干检测线性调制技术v已调信号的幅度s(t)随数字调制信号m(t)的变化而呈线性变化。vs(t)可表示为v载波幅度随调制信号呈线性变化。v线性调制方案一般来说都不是恒包络。cRcIc( )Re( )exp(j2)( )cos(2)( )sin(2)s tAm tf tA mtf tm tf t二进制相移键控 (BPSK: Binary Phase Shift Keying )载波的相位随调制信号1或0改变。 1 相位 00 0 相位 1800000cos()( )1( )( ) cos()cos()( )0cccAtm tS t

19、m t AtAtm t二进制相移键控v二进制相移键控也可表示为 v其复数形式为bBPSKc0b2( )( )cos(2)0bEstm tf ttTT BPSKBPSKcRe( )exp(j2)sgtf tjbBPSKb2( )( )eEgtm tT其中为信号的复包络。2bbb212bEEA TAT每比特能量因为vBPSK信号的功率谱密度22bcbcbBPSKcbcbsin ()sin ()2()()Eff Tff TPff Tff T 矩形和升余弦滚降脉冲成型的BPSK信号的PSD主瓣宽度BW=2Rb=2/Tb经=0.5的升余弦滚降滤波器后，几乎所有的能量集中在1.5Rb的带宽内。v如果没有信

20、道引入的多径损耗，接收的BPSK信号可表示为vBPSK使用相干解调方法，接收机端知道载波的相位和频率信息如果和BPSK信号同时传输一个载波导频信号，在接收机端使用锁相环（PLL）就能恢复出载波的相位和频率。如果没有传输载波导频信号，可以用Costas环或者平方环从接收到的BPSK信号中，恢复同步载波的相位和频率。 bbBPSKc0chcbb22( )( )cos(2)( )cos(2)EEstm tf tm tf tTT信道中时间延迟造成的相位0btT 带载波恢复电路的BPSK接收机框图BPSK的误码性能v对于AWGN信道，许多调制方案的比特差错概率用信号点之间距离的Q(x)函数来得到。 Q(

21、z) is defined as the probability that a Gaussian random variable x with mean 0 and variance 1 is bigger than zwhereBPSK的误码性能vBPSK信号相邻点的距离为vAWGN信道， BPSK信号比特差错概率为 b2 Ebe,BPSK022bEPQQNIQbEbE差分相移键控DPSK v绝对调相:利用载波相位绝对数值传送数字信息。 v相对调相:利用前后码元之间相位的相对变化传送数字信息。vDPSK：是一种常用的相对调相方式。DPSK不需要在接收机端有相干参考信号，而且非相干接收机容易实

22、现。 vDPSK调制器1kkkdmdv在接收机端，通过相应的处理过程，从解调的差分编码信号中恢复出原始信号。反映前后码元反映前后码元之间的相对相之间的相对相位关系位关系差分相移键控DPSKvDPSK信号差分解调不需要相干参考信号（即载波），在抗频率漂移能力、抗多径效应以及抗相位慢抖动能力方面均优于采用相干解调的绝对调相方法，可它的能量效率比相干DPSK低3dB。 b0e, PSK12ENDPe载波的相位有4种取值，每个相位代表一个符号，每个符号包含两比特的信息。 )cos(11)43cos(11)43cos(11)4cos(11)4cos()(1111kcnncnncnncnnctAaatAa

23、atAaatAaatAtS四相相移键控四相相移键控QPSK Quadrature Phase Shift Keying IQ+1 +1-1 +1+1 -1-1 -1IQ+1 +1-1 +1+1 -1-1 -1每隔2Tb相位跳变一次，相位跳变量：/2 或 QPSK信号可以用有四个点的二维星座图表示：四相相移键控四相相移键控QPSKQPSK Quadrature Phase Shift KeyingQuadrature Phase Shift Keying v在一个调制码元中传输两个比特，四相相移键控（QPSK）比BPSK的带宽效率高两倍。 sQPSKs2( )cos 2(1)2cEstf tiT

24、ssQPSKccss22( )cos (1)cos 2sin (1)sin 222EEstif tif tTT上式可看成两个正交载波分量之和，其幅度分别为上式可看成两个正交载波分量之和，其幅度分别为I Ik k和和Q Qk kIkQki=1,2,3,4 串/并电平转换器tccostcsinQPSK:四相相移键控四相相移键控调制器：调制器：电平转换器LPFLPFRb输入比特流Rb/2Rb/2IQQPSK:四相相移键控四相相移键控相干解调器：相干解调器：QPSK符号定时恢复并/串载波恢复LPFLPF一比特A/D转换一比特A/D转换900恢复的比特流v在加性高斯白噪声（AWGN）信道中QPSK信号的

25、平均比特差错概率为 be,QPSK02EPQNvQPSK的比特差错概率与BPSK相等，但在同样的带宽内传输了两倍的数据。这样与BPSK相比，QPSK在同样的能量效率情况下，提供了两倍的频谱效率。 QPSK信号的功率谱密度vQPSK信号在当用矩形和升余弦滤波脉冲时的功率谱密度 交错四相相移键控交错四相相移键控 OQPSK（Offset QPSK)IQ+1 +1-1 +1+1 -1-1 -1每隔2Tb相位跳变一次，跳变量控制在/2内。优点：可以显著改善信号通过带限、非线性信道所产 生的频谱扩散。 其频谱和QPSK信号完全相同缺点：不能用鉴相器检测，也不能用差分检测。OQPSK:交错四相相移键控交错

26、四相相移键控 （Offset QPSK)调制器：调制器：解调：不能进行差分检测。QPSK和和OQPSK信号中的同相分量和正交分量信号中的同相分量和正交分量a1a1a2a2a2a3a3差分四相相移键控差分四相相移键控 DQPSK（Differential Encoded QPSK)通常载波恢复都存在相位模糊。若QPSK会发生4相模糊时，会引起相当大的误码率。为了消除这一相位的模糊性，可在调制器内加一差分编码器，在解调器内加一差分解码器，这就是所谓的差分QPSK（DQPSK）。/4四相相移键控四相相移键控/4 QPSKIQ分8个相间/4的相位点分成两组： 组和 组两组之间可交替跳变跳变量：/4，3

27、/4优点：可以用差分检测。一、信号的产生串/并tccostcsin信号变换LPFLPF输入比特流SISQUkVk放大/4-QPSK信号一、信号的产生(cont.)kkkkkktckVtckUtcktckktctS11sincossinsincoscos)cos()(量：当前码元的相位跳变：前一码元的附加相位：当前码元的附加相位一、信号的产生(cont.)1sin11cos1sin1coscos1sin)1sin(sinsin1sincos1cos)1cos(coskkVkkUkkkkkkkkVkkkkkkkkU其中：一、信号的产生(cont.)kkUkkVkVkkVkkUkUsin1cos1s

28、in1cos1该式表明：前一码元的两个正交信号幅度与当前码元的两个正交信号幅度之间的关系，取决于当前码元的相位跳变量。而相位跳变量又取决于信号变换电路输入的码组。一、信号的产生(cont.)/4-QPSK相位跳变规则1,21, 0取值为：的可能和kVkUkIQ一、信号的产生(cont.) /4-QPSK的相位关系21,2121,2121,2121,21(0,-1)(1,0)(0,1)(-1,0)一、信号的产生(cont.) 例：设初始相位为0。ak +1 +1 1 +1 +1 1 +1 +1 1 -1 SI +1 -1 +1 +1 -1 SQ +1 +1 -1 +1 -1 k /4 3/4 -

29、 /4 /4 -3/4 k /4 3/4 /4 Uk -1 -1 Vk 0 02/12/12/12/12/12/1二、信号的检测 相干检测 差分检测 鉴频器检测1、基带差分检测 本地正交载波只要求与信号的未调载波 同频，不要求相位相干。2、中频差分检测：优点是不用本地载波。3、鉴频器检测三、三、 /4-QPSK信号的性能信号的性能 1) 频谱特性 /4-QPSK信号的功率谱密度曲线（a） 经无负反馈控制功放后的信号; （b）经有负反馈控制的功放后的信号 60 40 20功 率 谱 密 度 损 耗 / dB20406080f / kHz 60 40 20功 率 谱 密 度 损 耗 / dB204

30、06080f / kHz(a)(b)025KHz所用数据速率为：32kb/sLPF 滚降系数 =0.5当发射机的功率放大器有负反馈控制时，其功率谱的主瓣宽度不大于25KHz，主瓣高出其余部分约60db。该频谱特性优于其它一些窄带调制方法，如GMSK、TMF等。 2) 误码性能误码性能 误码性能与所采用的检测方式有关。 采用基带差分检测方式的误比特率与比特能量噪声功率密度比（Eb/N0）之间的关系式为 002000022212) 12(NEbbkkkNEebbeNEINEIeP式中, 是参量为 的K阶修正第一类贝塞尔函数。 0( 2/)kbIEN0/2NEb稳态高斯信道中的误码性能曲线 QPSK

31、相干检测/4-QPSK基带差分检测差分检测实际值10710604812 1620 24 28 32105104103102101BERdB0bNE快衰落信道条件下的误码性能曲线 0204080理想信道BERfD80 HzfD40 Hz10410310210110510660100107dB0bNE对于非相干鉴频器检测，在快衰落信道条件下，以最大多普勒频移作为参量，当最大多普勒频移为80Hz时，只要Eb/No=26db，即可获得Pe10-3.最大多普勒频移 实践证明，/4-QPSK信号具有频谱特性好，功率效率高，抗干扰能力强等特点。可以在26 kb带宽内传输3242 kb数字信息，从而有效地提高

32、频谱利用率，增大了系统容量。因而在数字移动通信中， 特别是小功率系统中得到应用。 多进制调制技术与线性和恒包络组合的调制技术v现代调制技术可通过同时改变发射载波的包络和相位（或频率）传输数字基带数据。v因为包络和相位提供了两个自由度，这样的调制技术将基带数据映射到四种或更多的射频载波信号。此种调制技术称之为多进制调制，它比单独使用幅度或相位调制表示更多的信号。 v根据载波的变化是幅度、相位还是频率，调制方法有：多进制幅度键控（MASK）多进制相移键控（MPSK）多进制频移键控（MFSK） 多进制调制技术v在M进制数字调制中，每个码元可以携带log2M个比特信息，因此在信道频带受限时可以增加信息

33、的传输率（即比特率），提高频带的利用率提高频带的利用率。v由于码元在星座图位置距离变小引起定时误差增加，这将会导致误码率升高误码率升高。v多进制调制方法在获得更好的带宽特性的同时，牺牲了功率效率。 s2b(log)TM T多进制幅度键控（MASK）与脉冲幅度调制（PAM）vMASK使用M种可能的取值对载波幅度进行键控，在每个码元间隔Ts内发送一种幅度的载波信号。v与M 个可能的k比特码元对应的M个可能的离散幅值GrayGray编码的编码的MASKMASK星座星座M = 2 M = 4 M = 8(21)1,2, mAmM dmM-d d-3d -d d 3d-7d -5d -3d -d d 3

34、d 5d 7d多进制幅度键控（MASK）与脉冲幅度调制（PAM）vMASK信号的一般表达式为 v被单个基带码元调制的脉冲幅度调制（PAM）信号为 cj2MASKc( )Re() e() cos(2)f tnsnsnnsta g tnTa g tnTf tcj2c( )Re( )e( )cos(2)f tmmmstA g tA g tf tv波形g(t)为实值的脉冲，其波形影响被发射信号的谱。 vM个PAM信号具有能量 ss 2222 0 011( )d( )d22TTmmmmgEsttAgttA EMASK与PAMMASK与PAM(a) 基带PAM信号 (b) 带通PAM信号 v(a)表示出了

35、具有四种幅值的基带PAM信号，v(b)则是载波调制形式的PAM信号，即带通PAM信号。 多进制相移键控MPSK v载波相位有M种取值vMPSK的星座图：信号点均匀分布在以原点为中心、 为半径的圆周上M=8 8PSKsEsEv相邻码元间的距离等于 s2sin()EMMPSK v调制后的波形表达式如下 0tTs i = 1,2, M scs22( )cos 2(1)iEs tf tiTMssccss2222( )cos(1) cos(2)sin(1) sin(2)1,2,iEEs tif tif tiMTMTMMPSK信号在没有脉冲成型的情况下有着恒定包络。MPSKv多进制PSK系统的平均误码概率

36、 v加性高斯白噪声信道中微分解调多进制PSK系统（M4）的码元差错概率大约为 b202log2sineEMPQNMse042sin2EPQNMMPSKv矩形脉冲的MPSK信号的PSD：22scscsMPSKcc22b2cb2cb2cb2cb2sin ()sin ()2()()logsin ()logsin ()log2()log()log Eff Tff TPff Tff TEMff TMff TMff TMff TMMPSK功率谱密度vM=8，M=16（固定Rb的矩形脉冲和升余弦脉冲的PSD） MPSK信号的带宽效率和功率效率v在Rb保持不变的情况下：MPSK信号的主瓣随着M的增加而减小，所

37、以随着M值的增加，带宽效率增加。即Rb不变，M增加时， B减小、 B增加增大M意味着星座图更加紧密，功率效率（抗噪声性能）降低。v在实际无线通信信道中，MPSK信号需要使用导频码元或均衡。 多进制正交幅度调制多进制正交幅度调制MQAMMQAM (M-ary Quadrature Amplitude Modulation)(M-ary Quadrature Amplitude Modulation) 正交幅度调制通过同时改变相位和幅度获得的正交幅度调制通过同时改变相位和幅度获得的 一种调制方法一种调制方法16QAM信号的星座图 （矩形） （圆形） 多进制多进制QAMQAM的码元没有恒定的包络，码

38、元间距也不完全相同的码元没有恒定的包络，码元间距也不完全相同-3 -1 1 331-1-3MQAMMQAM QAMQAM信号表达式为：信号表达式为：bcmcmQAMTttBtAtS0sincos)(Am和Bm：离散的振幅值 m=1,2,MM: Am和Bm的个数正交幅度调制（正交幅度调制（QAMQAM）可以视为脉冲幅度调制（）可以视为脉冲幅度调制（PAMPAM）和相移）和相移键控（键控（PSKPSK）的组合）的组合Quadrature Amplitude ModulationvQuadrature Amplitude Modulation (QAM): combines amplitude an

39、d phase modulationvit is possible to code n bits using one symbolv2n discrete levels, n=2 identical to QPSKvbit error rate increases with n, but less errors compared to comparable PSK schemesExample: 16-QAM (4 bits = 1 symbol) Symbols 0011 and 0001 have the same phase , but different amplitude a. 00

40、00 and 1000 have different phase, but same amplitude. used in standard 9600 bit/s modems0000000100111000QI0010aminminccss22( )cos(2)sin(2)0 1,2, iiisEEs taf tbf ttTiMTT The general form of MQAM signal is:There is no constant envelop in MQAM, the distance between symbols are not same fully.Some speci

41、al si(t) are more easily to be detected.QAM can be viewed as the combination of PAM and PSK1c s2( )cos(2)0stf ttTT 2cs2( )sin(2)0stf ttTT Any combination of M1 PAM and M2 PSK can construct a PAM-PSK signal (M = M1M2)QAM signal can be represented by two linear combinations of orthogonal signals.Assum

42、ing rectangle pulse shaping filter are used, signal si(t) extends to a pair of basic functions, that is minmin,iiaEbE 1,13,1(1,1)1,33,3(1,3),1,13,1(1,1)iiLLLLLLLLLLLLa bLLLLLL The coordinate of the ith signal point is:Where (ai,bi) is the matrix which is of LL elementsWhere ML MQAMv使用相干检测，多进制QAM信号在加

43、性高斯白噪声信道中的平均误码率是 v使用平均信号能量Eav，公式可表示为 mine0214 1EPQNMave0314 1(1)EPQMNMMQAMvQAM调制信号的功率谱和带宽效率与多进制PSK调制信号相同。v在功率效率方面，QAM优于多进制PSK。表中列出了不同M值QAM信号的带宽和功率效率，其中假设在高斯加性白噪声信道中使用了最优升余弦滚降滤波器。QAM的带宽和功率效率 可变速率调制（自适应调制）可变速率调制（自适应调制）Adaptive modulation一、概述1、克服幅度衰落的措施： 增加发射功率，加大幅度余量。降低无线信道中的比特传输速率。理想方法：可变速率调制。 根据移动信道

44、随机变化的情况自适应地改 变无线传输速率。 信道条件好，用较高速率 信道条件不好，降低传输速率。2、可变速率调制要解决的关键问题： 如何判断信道条件的好坏？如何改变比特传输率？二、可变速率QAM（Variable Rate QAMVR-QAM)由Steel 和Webb等人提出，以增加对衰落信道的适应能力。 VR-QAM的码元速率保持不变，根据信道条件的好坏改变每码元的电平值数目，这相当于改变比特传输速率。增加每码元比特数目方法：是采用增加每码元比特数目方法：是采用加倍幅度环加倍幅度环数和加倍相位点数目交替进行。数和加倍相位点数目交替进行。VR-QAM的信号星座图 BPSK QPSK 1bit/

45、symbol 2bits/symbol加倍相位点数 星型16QAM 2电平QPSK 4bit/symbol 3bits/symbol加倍相位点数加倍幅度环数QPSK 星型32QAM 5bit/symbol加倍相位点数加倍幅度环数星型16QAM 星型64QAM 6bit/symbol自适应编码调制自适应编码调制The use of adaptive modulation allows wireless technologies to optimize throughput, yielding higher throughputs while also covering long distance

46、s.自适应编码调制自适应编码调制Both QAM and QPSK are modulation techniquesused in vIEEE 802.11 (Wi-Fi*),vIEEE 802.16(WiMAX*) v3G (WCDMA/HSDPA)自适应编码调制系统结构自适应编码调制系统结构 数据分组TURBO编码变阶MPSK/MQAM调制衰落信道解调译码解调译码编码调制方式选择编码调制方式选择 自适应编码调制自适应编码调制信道信道SNR估计估计高斯噪声分组输出可变发射功率固定调制方式的误码率曲线固定调制方式的误码率曲线 SNR1234固定调制方式的吞吐率曲线固定调制方式的吞吐率曲线 正

47、交频分复用OFDMOrthogonal Frequency Division MultiplexingvOFDM的基本含义的基本含义vOFDM的基本模型的基本模型vOFDM的传输技术的传输技术vOFDM对系统的要求对系统的要求vOFDMA无线信道环境时域上将造成信号波形展宽无线信道多径传播Symbols sentSymbols receivedSymbols receivedISITsTs Rs 1/ Ts1/ 数字信号v为了避免码间串扰，应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展 ： v等效地说码元速率Rs小于时延扩展的倒数：Ts Rs1/ 例：市区： =1s , Bc1MHz则需Rs 1s相关

48、带宽时时延延谱谱Tm如何提高数据传输速率又可避免如何提高数据传输速率又可避免ISI和频率选和频率选择性衰落？择性衰落？一种有效的方法：OFDM技术OFDM的基本含义subchannelfrequencymagnitudesub-carrierchannel系统带宽B被分为N个正交的窄带子信道利用离散傅里叶逆变换或快速傅里叶逆变换（IDFT/IFFT） 实现调制利用离散傅里叶变换或快速傅里叶变换（DFT/FFT） 实现解调把高数码率信号变成低数码率信号，分别调制在每个载波上子载波子信道v传统的 FDM:vOFDM:fguard-bandff=1/TsfFrequency spectrum of

49、the subcarriersvEfficient use of spectrumOverlapping, yet orthogonal subcarriersOFDM基本模型12Njfte12jf te+12Njfte12jf te 并/串串/并d002jf te02jf ted1dN-1s(t)0d1d1NdOFDM符号符号宽度为Ts0/,0,1, .,1isffiTiN+频域时域发送端接收端每个子载波频率的最大值处,其它子载波的频谱恰好为零,可以避免信道间干扰.12()0( )( )isNjft kTkisis td kf tkTe子载波之间的正交性:220110sjiTjf tjf t

50、sijeedtijT12()2()001( )( )sjsisNTjft kTjft kTjisisd ked kf tkTedtT12()()001( )( )( )sijsNTjfft kTjisjisdkd kf tkTedtdkT第k个OFDM符号:对第j个子载波进行解调: 100stTf tother 矩形脉冲成形IDFT/IFFT在 OFDM中的应用=I-FFTIDFT12Njfte12jf te+串/并d002jf ted1dN-1串/并并/串210(/)ikNjNksiiss kTNd esk等效为对 di进行IDFT/IFFTskIDFT/IFFT在 OFDM中的应用=FFT

51、DFT串/并并/串210(01)ikNjNkiids eiN 恢复di等效为对sk进行DFT/FFT12Njfte12jf te 并/串02jf te0d1d1Ndsi串/并v正交频分复用（OFDM）最早起源于20世纪50年代中期. v采用正弦波发生器组和相干解调器组实现调制和解调，复杂性太高，造价昂贵,主要用于军用高频通信 v数字信号处理（DSP）技术和超大规模集成电路(VLSI）技术的发展， 特别是1971年，Weinstein和Ebert将离散傅立叶变换（DFT）应用到OFDM系统的调制和解调中,促进了OFDM的实用化vDFT的快速算法FFT/IFFT 使OFDM实用 真正成为可能OFD

52、M的发展OFDM的应用v20世纪80年代以来，OFDM开始被广泛用于广播方式下的音频和视频领域Digital Audio Broadcasting (DAB)Digital Video Broadcasting (DVB)vAsymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)vWireless LAN IEEE 802.11a ,802.11g,802.16a,d等中都采用了OFDM技术。vOFDM被列为 4G 无线移动通信系统的核心技术。OFDM的传输技术 v一个OFDM信号由频率间隔为f=1/Ts的N个子载波构成。 v所有的子载波在一个间隔长度为Ts 的时间内

53、相互正交。 对一个给定的系统带宽，子载波个数的选取要满足OFDM码元持续时间Ts大于信道的最大延迟。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，每个子信道上是平坦的衰落，大大消除符号间干扰。MapQPSK/16QAMDemapQPSK/16QAMRR/kR/KNR/KNR(1+L/N)/NKdiOFDM的调制映射-3 -1 1 331-1-3IQ16QAM1 1 0 1di=dI+jdQ dI dQ COS(2 f0 t)SIN(2 f0 t)XXCOS(2 f1 t)SIN(2 f1 t)XXCOS(2 f2 t)SIN(2 f2 t)XX f0 f1 f2子载波di串串/并变换如何实施并变换

54、如何实施?保护间隔与循环前缀v为了最大限度地消除ISI,在每个OFDM符号之间插入保护间隔Tg,且Tg信道的最大时延扩展Tm. symbol M-1 symbol M symbol M+1保护间隔保护间隔保护间隔保护间隔TgTsTtotal=Tg+Ts循环前缀一般Tg=Ts/4消除信道间的干扰ICI保护间隔的作用是避免多径信道上产生的ISI多径信道上发送的OFDM子载波信号第一子载波第二子载波两个载波之间的周期个数之差不再是整数倍,将相互造成影响.保护间隔循环前缀Tg循环前缀Ttotal=Tg+Ts具有信道估计的OFDM系统OFDM的导频网格图示例 块状分布梳状分布导频间隔越小, 即导频分布得

55、越密, 估计的效果越好, 但有效数据传输率也越低适合频率选择性信道和慢时变信道 适用于跟踪信道的快速变化，受频率选择衰落影响较大。 OFDM的导频网格图示例OFDM对系统的要求对系统的要求 同步：OFDM要保证各个子信道之间的正交，因此对于定时和频率偏移很敏感； 信道估计：应用OFDM时，信道估计必须具有低复杂度和高导频跟踪能力； 放大器和A/D变换器：OFDM在时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，若这N个信号刚好同时处于峰值，则此时OFDM的峰值功率是平均功率的N倍。为了不失真的传输该峰值信号，接收端对放大器以及A/D变换器的线性程度要求很高。 Advantages vs Disadvan

56、tagesvFrequency DiversityAvoid multipath fadingvFrequency Non-selective FadingNegligible ISIvOrthogonal Sub-carriersSimple receiver designvConstructive InterferenceSensitive to frequency offsets and phase noiseHigh peak-to-average power ratioAdvantagesDisadvantagesFDMA: Disadvantage Bad spectrum usa

57、ge TDMA:DisadvantageMultipath delay spread problemOFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access)f2f3tft1tt2 t3ff1FDMATDMAOFDMAOFDMAsubchannelfrequencymagnitudesub-carrierchannel子载波子信道用户1用户2不同用户的多址接入是以不同用户使用不同子载波的方式来实现的。OFDMA系统中的比特和子载波分配系统中的比特和子载波分配子载波在不同用户间如何进行分配？ 子载波分配子载波分配如何将用户比特分配到各个子载波

58、上？ 比特分配比特分配OFDMA系统中的比特和子载波分配系统中的比特和子载波分配1. 1. 固定分配固定分配 子载波固定分配子载波固定分配 用户比特平均分配用户比特平均分配2. 2. 动态分配动态分配 根据信道情况自适应根据信道情况自适应 分配比特和子载波分配比特和子载波小结vOFDM把高数码率信号变成低数码率信号，分别调制在每个载波上。由于数码率大大降低，符号周期大大加长，因此反射波的影响就大为减小。v由于OFDM各载波间是正交的，因此即使各载波间有重叠部分，解调时也能利用正交性把各载波信号分开。这样就可 充分利用带宽，安排尽量多的载波。vOFDM的频谱中，各载波间的间隔为符号周期的倒数，任

59、一载波在其它载波位置上的值均为(sinxx)。v数百个甚至数千个载波产生的方法不能采用通常的锁相频率合成器，而要采用离散付立叶反变换(IDFT)来同时产生所需要数量的载波。采用这种方法的另一个好处是，要使某个位置有或没有载波很简单，只要令相应的数据为“1”或“0”。扩 频 调 制v扩频技术具有以下几种基本的类型： 直接序列扩频，简称直扩（DS）。这种方法将要传送的信息经过伪随机序列编码后对载波进行调制。跳频（FH）是指荷载信息的信号频率受伪随机序列的控制，快速地在一个频段中跳变。跳时（TH）是把每个信息码元分为若干个时隙，此信息受伪随机序列控制，以突发的方式随机占用其中一个时隙进行传输。几种不

60、同的扩频方式混合使用。直接序列扩频（ DS-SS ）调制v组成与原理组成与原理直接序列扩频，就是直接用具有高速率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱，而接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。直接序列扩频例子(a) 需发送的信息序列 (b) 扩频（码）序列 (c) 实际发送的信号 PN波形的一个脉冲或码元称为码片（chip）TcTb二进制相移调制的DS-SS系统(a) 发射机 (b) 接收机模2加PN调相功放载波前端调相相关中频滤波PN本振解调信码m(t)p(t)c(t)s1(t)s1(t)s2(t)p (t)(1)(2)(3)(5)(6)(7)(8)(9)信码m(t)