无线通信课件chapter

1、无线通信基础无线通信基础无线通信基础学科组学科组内容第第1章章 无线通信概论无线通信概论 （1，2）第第2章章 无线信道传播机制无线信道传播机制 （3，4）第第3章章 无线信道的统计描述无线信道的统计描述（5）第第4章章 宽带和方向性信道的特性宽带和方向性信道的特性 （6）第第5章章 信道模型信道模型（7）第第6章章 数字调制解调数字调制解调（10，11，12）第第7章章 信道编码信道编码 （14）第第8章章 分集分集（13）第第9章章 均衡均衡 （16）第第10章章 扩展频谱系统扩展频谱系统 （18）第第11章章 正交频分复用正交频分复用 （19）第第12章章 多天线系统多天线系统（20）注

2、：括号中为原书章数字调制解调数字调制解调1.无线通信链路结构2.调制3.解调无线通信的链路结构无线通信的链路结构Block diagram a typical Digital Communication systemMultipleaccessSourceencodeChannelencodemodulateSourcedecodeSourceMultipleaccessChanneldecodedemodulatesinkEncryptXMTRCVDecryptSynchronizationChannel11DiversityEqualization收发信机结构简化模型数字调制解调数字调制解

3、调1.无线通信链路结构2.调制概述基本概念几种重要的调制3.解调概述p选择调制方式时应遵循的准则n调制方案的频谱效率尽可能高n相邻信道的干扰要尽可能小n对噪声的灵敏度要低n对时延和多普勒扩展的鲁棒性要尽可能大n波形应便于硬件实现，易于产生，且要具有较高的功率效率带宽效率功率效率2log (1)CSBN数字调制解调数字调制解调1.无线通信链路结构2.调制概述基本概念几种重要的调制3.解调带通信号的表示( )Re( )exp 2( )( )cos(2)sin(2)BPLPcLPBPccststjf tstIjQstIf tQf tn线性调制：传输信号的幅度s(t)随调制数字信号m(t)的变化而变化

4、n优点：频谱效率高n缺点：需要效率低的线性功放脉冲幅度调制( )()LPiSistc g tiTp矩形基带脉冲2-( )g tT定义：基带脉冲具有单位平均功率10( )0sRtTgt 其它( )sin ()exp()RsssGfTcfTj T脉冲幅度调制p奈奎斯特脉冲-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1012345678910-0.500.51secondsamplitude-5-4-3-2-10123450510frequencymagnitudeNyquist pulse瑞典科学家1928年 sin(/)/1( )sssst Tg tt TfG fff脉冲幅度调制p升余弦滚降-1-0

5、.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-0.200.20.40.60.81fh(f)升 余 弦 频 域 a=1a=0.5a=0.3a=0-5-4-3-2-1012345-0.4-0.200.20.40.60.81th(t)升 余 弦 时 域 a=1a=0.5a=0.3a=0 2sin(/)cos(/)14/2ssNst Tt TgtttT 10(1)/211 sin(2(1)/20(1)/2220(1)/2ssNssssfTTGffTffTTfT (1)(1)22ssRBT(1)(1)ssBRT 基带：频带：脉冲幅度调制p根升余弦滚降-1-0.8-0.6-0.4-0.200.

6、20.40.60.81-0.4-0.200.20.40.60.81fH(f)根升余弦频域 a=1a=0.5a=0.3a=0-5-4-3-2-1012345-0.4-0.200.20.40.60.811.21.4th(t)根 升 余 弦 时 域 a=1a=0.5a=0.30多脉冲调制和连续相位调制p高斯脉冲-10-9-8-7-6-5-4-3-2-101234567891000.20.40.60.81secondsamplitude -5-4-3-2-101234502468frequencymagnitudeGauss pulse BT=0.3BT=0.6BT=0.3BT=0.6222221(

7、)exp(/2)2Gh ttTT2 /(2)GInBT2222( )exp()2GfTG f:3BdB带宽功率谱p占用带宽n3dB带宽:|H(f)|2下降到比峰值低3dB时的带宽n过零点带宽:主瓣宽度n90%能量带宽:包含有整个发送能量90%的带宽.p频带利用率：n数据比特速率/所占带宽6420246 00.0010.010.11g()ff -1/T fc 1/T线性调制的功率谱p功率谱( )LPiistc gtnT Reexp212BPLPcBPLPcLPcststjf tSfSffSff线性调制的功率谱p平稳随机过程的功率谱n自相关函数的平均 2211;TTccggmRR tt dtRm

8、RmTTTn其付氏变换是功率密度谱 221LPGsSfSfT谱的特性与 g(t) 有关, 与信息序列 ci有关 12BPLPcLPcSfSffSff *1;212LPLPnmnmnR ttEst stEc cgtnTgtmT n平稳随机过程的自相关函数 信号空间图p若有一组正交扩展函数集:1( )( )1,.,1,.,NmmnnnststmM nN任何有限信号的波形集 可由这N个正交函数的线性组合表示。,1,2,s ( )(,.,)(1,.)mmmm NtsssmM 02000,1,.,11ssTnmsTnmntt dttTm nNmnEt dt ,01,.,1,.,Tm nmnsstt dt

9、mMnN,1,2,s ( )(,.,)(1,.)mmmm NtsssmM例:pBPSK带通信号p基带信号 ,12cos(2)BPcstf tT 11stT ,1,22cos(2)2sin(2)BPcsBPcstf tTtf tTpQPSK带通信号p基带信号 1211sstTtjT数字调制解调数字调制解调p无线通信链路结构p调制n概述n基本概念n几种重要的调制p解调二进制相移键控0S01S1pBPSK星座与波形bbb( )()2( )cos(2)DitBDcBptb g tiTEptf tT二进制相移键控pBPSK星座与波形方波成形050100150200250300350-1010501001

10、50200250300350-101050100150200250300350-101-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-101050100150200250300350-202050100150200250300350-101050100150200250300350-202-1.5-1-0.500.511.5-101 能量带宽 频谱利用率 90% 0.59/b/s/Hz 99% 0.05/b/s/Hz0.5升余弦脉冲n问题：包络不再恒定，不能采用高效的功率放大器二进制相移键控01234567x 10-3-0.500.511.5secondsamplitude-

11、5-4-3-2-1012345x 10410-5100105frequencymagnitude00.050.10.150.20.250.30.35-2-1012secondsamplitude-5-4-3-2-1012345x 10410-5100105frequencymagnitude 能量带宽 频谱利用率 90% 1.02/b/s/Hz 99% 0.79/b/s/Hz 100% 1/(1+0.5)0.5p 升余弦脉冲波形四相相移键控(QPSK)pQPSK星座与波形BEBE221121 ( )1 ()2 ( )2()1 ( )cos(2)2 ( )sin(2)iiiiDiStDiStBD

12、cDcBbbbbptb g tiTptbg tiTEptf tptf tT四相相移键控p方波成形050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-202-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81 能量带宽 频谱利用率 90% 1.1/b/s/Hz 99% 0.1/b/s/Hz四相相移键控p 升余弦脉冲成形-1.5-1-

13、0.500.511.5-1.5-1-0.500.511.5050100150200250300350-202050100150200250300350-202050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-2020.5n当采用高效的非线性放大器时，幅度瞬时过零的失真将带来已被滤除的旁瓣再生。四相相移键控01234567x 10-3-0.500.511.5secondsamplitude-5-4-3-2-1012345x 10410-5100105frequencymagnitude00.050.10

14、.150.20.250.30.35-2024secondsamplitude-5-4-3-2-1012345x 104100frequencymagnitude 能量带宽 频谱利用率 90% 2.04/b/s/Hz 99% 1.58/b/s/Hz100% 2/(1+0.5)0.5奈奎斯特脉冲p频谱偏移四相相移键控(O-QPSK)pO-QPSK050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-202-1-

15、0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81方波成形TbIQQ1 ( )1 ()12 ( )22DiStDiStptb g tiTptbg tiT偏移四相相移键控pO-QPSK 奈奎斯特脉冲成形050100150200250300350-202050100150200250300350-202050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-202-1.5-1-0.500.511.5-1.5-1-0.500.511.50.5

16、n当采用高效的非线性放大器时，幅度失真的影响比QPSK小。n带宽等同于QPSK/4-DQPSKp/4-DQPSK 星座/4-DQPSKpS(k)由差分编码获得，即S(k)由其前一个调制符号S(k-1)相位转变 获得，其表达式如下： ( )Dk( )(1)exp( )S kS kjDk/4-DQPSK050100150200250300350-202050100150200250300350-202050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-202050100150200250300350-101

17、050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-202-1.5-1-0.500.511.5-1.5-1-0.500.511.5-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81n当采用高效的非线性放大器时，幅度失真的影响比OQPSK大，比QPSK小。n带宽等同于QPSK高阶调制p16QAM050100150200250300350-101050100150200250300

18、350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-202-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81方波成形高阶调制p16QAM050100150200250300350-202050100150200250300350-202050100150200250300350-101050100150200250300350-101050100150200250300350-202-1.5-1-0.500.51

19、1.5-1.5-1-0.500.511.5奈奎斯特脉冲成形0.5二进制相移键控(FSK)pFSK波形p连续相位FSK（CPFSK）( )cos2 ()mcmmgtfb ftVCO码序列发生器mod( )cos22( )tmcgtf tkgd二进制相移键控(FSK)pFSK频谱2222112221( )( )( )11( )( )( )2211( )( )()22contdistcontmmmmdistmmnS fSfSfSfGfGfTnSfGffTT22BfB 基带当f1-f20,判1 0,判0对双极性信号错误概率220(0,)/2NN1002()sEP ssQN2jisssdEEEp发s1判

20、为s0的概率,与d10有关d10二进制正交信号p正交FSK比较取大值0101,( ) ( )0s ss t s t dt二进制正交信号错误概率2220(0,)(0,)/2NjNN2220(0,)(0,)/2NjNN0()sjiEP ssQN222jisssdEEEp发sj判为si的概率,与dij有关错误概率联合限p符号很多时计算准确的错误概率比较困难p可以任意两个比较算出错误概率，求得所有成对错误概率之和p由于有重叠区域，所有成对错误概率之和是错误概率的上边界错误概率联合限p例（12.2）：用联合边界法确定格雷编码的BER的上限QPSK的错误概率成对错误概率联合界误码率误比特码率02bEQN0

21、22bESERQN02bEBERQNQPSK的错误概率p误码率的精确解00221212bbEESERQQNN2( )cos 2(1)222cos (1)cos 2sin (1)sin 222scsssccssEs tf tiTEEif tif tTT,02,21 (1)bb QPSKb BPSKs QPSKb BPSKEPPQNPP BPSK解调050100150200250300350400450-202050100150200250300350400450-505050100150200250300350400450-202-1.5-1-0.500.511.52-1010123456789

22、1010-610-510-410-310-210-1Eb/N0BERBPSKQPSK解调-2-1.5-1-0.500.511.52-2-1.5-1-0.500.511.52050100150200250300350400450-202050100150200250300350400450-202050100150200250300350400450-505050100150200250300350400450-505050100150200250300350400450-202050100150200250300350400450-20201234567891010-610-510-410-3

23、10-210-1Eb/N0BERQPSK16QAM解调050100150200250300350400450-202050100150200250300350400450-202050100150200250300350400450-505050100150200250300350400450-505050100150200250300350400450-202050100150200250300350400450-202-1.5-1-0.500.511.5-1.5-1-0.500.511.501234567891010-310-210-1100Eb/N0BER16QAMOQPSKpOQPSK

24、误码率123456789101110-610-510-410-310-210-1100OQPSKn与QPSK一样最佳接收机的误码率比较比特/符号能量/符号相干解调误比特率最佳接收机的误码率比较p误比特率差分编码相干解调p问题nBPSK“倒”nQPSK“/2”旋转p差分编码 DPSK，DQPSKp相干解调+差分译码，误比特率2差分检测p载波恢复困难p信道引起的相位旋转是缓慢变化的p对由靠连续符号相位变化表达的信息就可以比较连个连续符号的相位不同解调方案误码率比较比特/符号能量/符号相干解调误比特率01exp()2bEN差分解调误比特率2/11 22/11 2)(21exp)(21),(2201b

25、bbbabaabIbaQP/4-DQPSK误码率p差分检测2468101214161810-610-510-410-310-210-1100eb/n0BERpi/4-DQPSK误 码 率n与QPSK一样MSK和GMSKpMSK匹配滤波相干检测pMSK差分检测p采用FSK相干检测p采用FSK非相干检测（包络）123456789101110-510-410-310-210-1100Eb/N0BERGMSK2bQrpGMSK差分检测误码率020.250.68bEQNBT1234567891010-510-410-310-210-1MSKbQr1exp()2br1exp(/2)2br数字调制解调数字调

26、制解调1. 无线通信链路结构2. 调制3. 解调AWGN信道下的最佳接收机及不同调制方式的差错概率平坦慢速衰落信道的差错概率时延及频率色散衰落信道的差错概率平坦慢速衰落信道的差错概率p在平坦慢速衰落信道下，接收信号功率随信道衰落变化而变化n确定在任意SNR时的BERn确定此信道某一SNR出现的概率，即确定能量衰减的概率密度函数n利用SNR的分布，求平均BER幅度服从瑞利分布p幅度r=|r(t)|服从瑞利分布p基于SNR概率分布的平均BER222( )exp()02rrrpdfrr1()exp()0INSTinstPinstinstmmPpdfPPPP瞬时接收功率平均接收功率2instPr22mP001()exp()BinstmBBBBBBPPpdfNN()()BBBBBREBREpdfd幅