移動通信原理與應(yīng)用4課件

移動通信原理與應(yīng)用2023/7/241目錄第一章概述第二章蜂窩移動通信系統(tǒng)第三章無線移動通信信道第四章移動通信的調(diào)制技術(shù)第五章抗衰落技術(shù)第六章語音編碼技術(shù)第七章移動通信中的多址接入技術(shù)第八章移動通信網(wǎng)第九章GSM通信系統(tǒng)第十章IS-95CDMA移動通信及其標(biāo)準(zhǔn)介紹第十一章第三代移動通信及其標(biāo)準(zhǔn)介紹2第四章移動通信的調(diào)制技術(shù)4.1調(diào)制技術(shù)的基本概念4.1.1調(diào)制技術(shù)4.1.2調(diào)幅與調(diào)頻4.2數(shù)字調(diào)制技術(shù)4.2.1概述4.2.2窄帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)4.2.3線性調(diào)制方式4.2.4恒定包絡(luò)調(diào)制方式4.3擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)4.3.1概述4.3.2偽隨機(jī)序列4.3.3直接序列擴(kuò)頻4.3.4跳頻擴(kuò)頻34.1調(diào)制技術(shù)的基本概念4.1.1調(diào)制技術(shù)調(diào)制就是對信號源的編碼信息進(jìn)行處理，使其變?yōu)檫m合于信道傳輸形式的過程。信號源的編碼信息（信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘?，因此必須把基帶信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號以適合于信道傳輸。這個帶通信號叫做已調(diào)信號，而基帶信號叫做調(diào)制信號。4.1.2調(diào)幅與調(diào)頻(模擬調(diào)制技術(shù))

調(diào)頻是使高頻載波信號的瞬時頻率隨調(diào)制信號的變化而變化，其所占帶寬為：BFM=2(βFM+1)fm（其中,βFM為調(diào)制指數(shù)）。調(diào)頻制在抗干擾和抗衰落性能方面優(yōu)于調(diào)幅制，對非線性信道有較好的適應(yīng)性，世界上幾乎所有的模擬蜂窩系統(tǒng)都使用頻率調(diào)制。44.2數(shù)字調(diào)制技術(shù)4.2.1概述4.2.2窄帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)。由于數(shù)字通信具有建網(wǎng)靈活，容易采用數(shù)字差錯控制技術(shù)和數(shù)字加密，便于集成化，并能夠進(jìn)入ISDN，所以通信系統(tǒng)都在由模擬方式向數(shù)字方式過渡。1.對移動通信數(shù)字調(diào)制和解調(diào)器的要求對移動通信數(shù)字調(diào)制和解調(diào)器的要求如下：在瑞利衰落條件下，誤碼率要盡可能低。發(fā)射頻譜窄，帶外輻射，鄰道功率與載波功率之比小于-70dB。同頻復(fù)用的距離小。高效率解調(diào)（如非相干解調(diào)），以降低移動臺功耗，進(jìn)一步縮小體積和成本。能提供較高的傳輸速率。易于集成。54.2.2窄帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)2.分類(1)線性調(diào)制方式(2)恒定包絡(luò)調(diào)制方式PSK（PhaseShiftKeying）和QAM（QuadratureAmplitudeModulation）等。這類調(diào)制方式的頻帶利用率一般大于1bit/s·Hz-1，理論上可以得到大于2bit/s·Hz-1。MSK（minimumshiftkeying）、TFM（平滑調(diào)頻）（TamedFrequencyModulation）、GMSK（Gaussianminimumshiftkeying）等。已調(diào)信號具有包絡(luò)幅度不變的特性，這種調(diào)制方式的缺點(diǎn)是頻帶利用率較低，一般不超過1bit/s·Hz-1。64.2.2窄帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)3.應(yīng)用GSM系統(tǒng):GMSK（歸一化３dB帶寬BbTb=0.3）IS-95CDMA系統(tǒng):QPSK(前向),OQPSK（反向）DAMPS、PDC、PHS系統(tǒng)：π/4－QPSK74.2.3線性調(diào)制方式1.數(shù)字調(diào)相的基本概念(1)PSK調(diào)制以基帶數(shù)據(jù)信號控制載波的相位，稱為數(shù)字調(diào)相，又稱相移鍵控，簡寫為PSK。8圖4.1PSK信號相干解調(diào)原理框圖圖4.2PSK信號差分相干解調(diào)原理框圖4.2.3線性調(diào)制方式94.2.3線性調(diào)制方式相干解調(diào)后的誤碼比特率為在相同條件下，差分相干解調(diào)的誤碼比特率為設(shè)g(t)是寬度為Tb的矩形脈沖，其頻譜為G(f)，則PSK信號的功率譜為（假設(shè)“+1”和“-1”等概率出現(xiàn)）104.2.3線性調(diào)制方式(2)QPSK調(diào)制和OQPSK調(diào)制QPSK（正交相移鍵控）和OQPSK（交錯正交相移鍵控）的產(chǎn)生原理圖,如圖4.3和4.4所示。圖4.3QPSK信號的產(chǎn)生圖4.4OQPSK信號的產(chǎn)生114.2.3線性調(diào)制方式假定輸入二進(jìn)制序列為{an},an=+1或-1，以1/Tb速率進(jìn)入調(diào)制器的輸入端，通過串并變換分成正交兩路，即aI(t)、aQ(t)則經(jīng)QPSK調(diào)制的信號表示為圖4.5an(t)與aI(t),aQ(t)的波形示意圖124.2.3線性調(diào)制方式OQPSK調(diào)制與QPSK調(diào)制類似，只是在正交支路引入了一個比特（半個碼元）的延時，這使得兩個支路的數(shù)據(jù)不會同時發(fā)生變化，因而不可能像QPSK那樣產(chǎn)生±π的相位跳變，而僅能產(chǎn)生±π/2的相位跳變。OQPSK的交錯數(shù)據(jù)流及星座圖如圖4.7和4.8所示.4.7OQPSK的交錯數(shù)據(jù)流圖4.8OQPSK的星座圖和相位轉(zhuǎn)移圖134.2.3線性調(diào)制方式2.π/4QPSKπ/4相移QPSK調(diào)制是一種相移鍵控技術(shù)，從最大相位跳變來看，它是OQPSK和QPSK的折衷，可以相干解調(diào)，也可以非相干解調(diào)。π/4QPSK的最大相位變化是±135°，而QPSK是180°,OQPSK是90°。圖4.10π/4QPSK信號的星座圖144.2.3線性調(diào)制方式3.π/4QPSK調(diào)制原理圖4.11給出了一個一般的π/4QPSK發(fā)射機(jī)的框圖。圖4.11一般π/4QPSK信號的發(fā)射機(jī)154.2.3線性調(diào)制方式

11

00

01

10輸入的比特流通過一個串并（S/P）轉(zhuǎn)換器被分為兩個并行數(shù)據(jù)流mI,k和mQ,k，每一個的符號速率等于輸入比特率的一半.Ik和Qk表示一個符號持續(xù)時間內(nèi)的矩形脈沖，其幅度如下：信號比特相移信號比特相移表4.1不同輸入比特對時的載波相移164.2.3線性調(diào)制方式4.π/4QPSK解調(diào)原理π/4QPSK信號的解調(diào)，可供選擇的解調(diào)器有三種：基帶差分檢波、中頻差分檢波和調(diào)頻(FM)鑒頻器檢波。圖4.12基帶插分檢測器的框圖(1)基帶差分檢波174.2.3線性調(diào)制方式(2)IF差分檢波圖4.13所示的是IF差分檢波器框圖。接收的IF信號通過延遲線Ts和兩個混頻器差分解調(diào)，因此接收機(jī)中不需要本地振蕩器。圖4.13π/4QPSK的IF差分檢測器框圖184.2.3線性調(diào)制方式圖4.14給出了π/4QPSK的FM鑒頻器檢波框圖。輸入信號先通過帶通濾波器濾波來與發(fā)送信號匹配。濾波后的信號被限幅器去除包絡(luò)的波動。限幅器保留了輸入信號相位的變化，所以沒有丟失信息。FM鑒頻器提取出接收信號瞬時頻率的變化，并在每個符號周期內(nèi)積分，可得到兩個抽樣時刻間的相差。該相差在通過一個四電平門限比較器來檢測。圖4.14用FM鑒頻檢測器解調(diào)π/4QPSK(3)FM鑒頻器檢波194.2.3線性調(diào)制方式5.π/4QPSK的性能(1)信號的頻譜π/4QPSK信號，因其相位變化較小，所以它的頻譜特性優(yōu)于QPSK。但它的相位變化比OQPSK大，故其頻譜特性比OQPSK差。(2)誤碼率在移動通信環(huán)境中，影響誤比特率的因素有傳播瑞利衰落、多普勒頻移產(chǎn)生的隨機(jī)相位噪聲、時延擴(kuò)散造成的頻率選擇性衰落,以及主要由于頻率復(fù)用產(chǎn)生的同頻干擾（CCI）。當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率fb較低時（例如fb=50kbit/s），時延擴(kuò)散影響較小，隨機(jī)相位噪聲影響較大。圖4.15π/4QPSK誤碼性能204.2.3線性調(diào)制方式圖4.16和圖4.17中出現(xiàn)不能再減小的剩余誤碼（殘留誤碼）的原因是：①多普勒頻移造成寄生調(diào)頻噪聲；②同頻干擾與有用信號疊加，產(chǎn)生相位噪聲，決定了干擾和衰落條件下的性能。圖4.16π/4QPSK在瑞利衰落時的誤碼性能圖4.17π/4QPSK在不同C/I值時的誤碼性能214.2.4恒定包絡(luò)調(diào)制方式1.頻移鍵控調(diào)制用基帶數(shù)據(jù)信號控制載波的頻率，稱為數(shù)字調(diào)頻，又稱頻移鍵控(FSK)。二進(jìn)制頻移鍵控就是用二進(jìn)制數(shù)字信號控制載波頻率，當(dāng)傳“1”碼時，輸出頻率f1；當(dāng)傳“0”碼時，輸出頻率f2.圖4.182FSK信號波形224.2.4恒定包絡(luò)調(diào)制方式2FSK信號的帶寬大約為圖4.20相位不連續(xù)的2FSK信號的產(chǎn)生圖4.212FSK的相干解調(diào)2FSK信號的解調(diào)可采用包絡(luò)檢波法、相干解調(diào)法和非相干解調(diào)法等。圖4.21為2FSK信號的相干解調(diào)框圖。1010110f1f1001f2f200f1f2234.2.4恒定包絡(luò)調(diào)制方式2.最小頻移鍵控調(diào)制原理(1)問題的引入(2)MSK信號設(shè)則調(diào)制指數(shù)(3)第k個碼元期間內(nèi)相位變化244.2.4恒定包絡(luò)調(diào)制方式(4)MSK調(diào)制器MSK調(diào)制器原理框圖如圖4.23所示。其工作過程為：①對輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號進(jìn)行差分編碼。②經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換，分成相互交錯一個碼元寬度的兩路信號Ik和Qk。③用加權(quán)函數(shù)分別對兩路數(shù)據(jù)信號Ik和Qk進(jìn)行加權(quán)。④加權(quán)后的兩路信號再分別對正交載波進(jìn)行調(diào)制。⑤將所得到的兩路已調(diào)信號相加，通過帶通濾波器，就得到MSK信號。

MSK解調(diào)，可用相干、非相干兩種方式，具體過程從略。(5)MSK信號特點(diǎn)MSK信號特點(diǎn)如下：①已調(diào)信號振幅是恒定的。②信號頻率偏移嚴(yán)格符合±1/4Ts,相位調(diào)制指數(shù)254.2.4恒定包絡(luò)調(diào)制方式③以載波相位為基準(zhǔn)的信號相位，在一個碼元期間內(nèi)準(zhǔn)確地按線性變化±π/2④在一個碼元(Ts)期間內(nèi)，信號應(yīng)是四分之一載波周期的整倍數(shù)，即0、π/2、π、3π/2的n倍。⑤碼元轉(zhuǎn)換時刻，信號的相位是連續(xù)的，即信號波形無突變。圖4.23MSK調(diào)制器原理框圖--π/2264.2.4恒定包絡(luò)調(diào)制方式3.高斯濾波最小頻移鍵控 圖4.24為GMSK調(diào)制器的原理圖。GMSK信號的產(chǎn)生可用簡單的高斯低通濾波器及FM調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)。GMSK信號的解調(diào)可采用正交相干解調(diào)，也可采用鑒相器或差分檢測器。4.MSK類調(diào)制的性能比較

(1)已調(diào)信號的相位轉(zhuǎn)移軌跡 圖4.25給出了MSK類信號的相位轉(zhuǎn)移軌跡，它包括MSK、SFSK(正弦移頻鍵控)、TFM和GMSK。由圖可見，MSK信號在碼元轉(zhuǎn)換的時刻，雖然相位是連續(xù)的，但其相位轉(zhuǎn)移軌跡呈鋸齒狀；TFM信號的相位最為平滑，因此而得名平滑調(diào)頻；GMSK信號的相位轉(zhuǎn)移軌跡也比較平滑，所以，它的頻譜特性要比MSK好得多，也優(yōu)于SFSK。圖4.24GMSK調(diào)制器274.2.4恒定包絡(luò)調(diào)制方式圖4.25MSK類信號的相位轉(zhuǎn)移軌跡284.2.4恒定包絡(luò)調(diào)制方式(2)已調(diào)信號的頻譜對數(shù)字移動通信來說，調(diào)制方式的主要性能要求是節(jié)約頻帶和減少差錯概率。因此，要求調(diào)制信號的能量集中在頻譜主瓣內(nèi)，旁瓣的功率要小，且滾降要快。圖4.26示出了MSK、GMSK與QPSK和DQPSK的功率譜。圖4.26MSK類信號的功率譜密度294.2.4恒定包絡(luò)調(diào)制方式圖4.27MSK類信號的比特差錯概率①M(fèi)SK相干解調(diào)

(3)誤碼率②GMSK它有與QPSK相同的比特差錯概率。dmin是傳號信號與空號信號的最小距離。304.2.4恒定包絡(luò)調(diào)制方式圖4.28QPSK類信號的比特差錯概率314.3擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)4.3.1概述最基本的展寬頻譜的方法有兩種：①直接序列擴(kuò)頻（DirectSequenceSpreadSpectrum），簡稱直接擴(kuò)頻（DS），這種方法采用比特率非常高的隨機(jī)序列去調(diào)制載波，使信號帶寬遠(yuǎn)大于原始信號帶寬；②跳變頻率擴(kuò)頻（FrequencyHopping），簡稱跳頻（FH），這種方法則是用較低速率編碼序列的指令去控制載波的中心頻率，使其離散地在一個給定頻帶內(nèi)跳變，形成一個寬帶的離散頻率譜。擴(kuò)展頻譜（簡稱擴(kuò)頻）定義：“擴(kuò)頻(spreadspectrum)是指用來傳輸信息的信號帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息本身帶寬的一種傳輸方式。擴(kuò)頻通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)是仙農(nóng)定理。32偽碼有如下三個要求：偽碼的比特率應(yīng)能滿足擴(kuò)展帶寬的需要。(2)偽碼的自相關(guān)要大，且互相關(guān)要小。(3)偽碼應(yīng)具有近似噪聲的頻譜性質(zhì)，即近似連續(xù)譜，且均勻分布。4.3.2

偽隨機(jī)序列334.3.3直接序列擴(kuò)頻圖4.29直接擴(kuò)頻系統(tǒng)原理框圖直接序列調(diào)制系統(tǒng)亦稱直接擴(kuò)頻系統(tǒng)(DS-SS)，或稱偽噪音系統(tǒng)，記作DS系統(tǒng)。圖4.29示出了直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的原理框圖?；鶐盘柕男糯a是欲傳輸?shù)恼瓗盘枺ㄟ^速率很高的編碼程序（通常用偽隨機(jī)序列）進(jìn)行調(diào)制將其頻譜展寬，這個過程稱作擴(kuò)頻。344.3.3直接序列擴(kuò)頻擴(kuò)頻偽碼本振偽碼調(diào)相解調(diào)中頻濾波相關(guān)調(diào)相載波信碼m(t)c(t)(3)(1)(2)p(t)(4)(5)(6)(7)(8)(9)p(t)s2(t)s1(t)s1(t)35(1)信碼m(t)(2)偽碼p(t)(3)c(t)=m(t)⊙p(t)+(4)載波w(t)(5)s1(t)π0π0π

π

π00π0

ππ

π

π00π

π

0000π(6)s1(t)相位π0π0π

π

π00π0

π0

00

ππ00ππ

π

π0(7)s2(t)相位0000π

π

π

π(8)中頻相位00000000π

π

π

ππ

π

π

π(9)解調(diào)輸出TsTp364.3.3直接序列擴(kuò)頻在發(fā)送端，信號經(jīng)擴(kuò)頻處理后，頻譜被展寬；在接收端，利用偽碼的相關(guān)性作解擴(kuò)處理后，有用信號頻譜被恢復(fù)成窄帶譜。干擾信號仍是寬帶譜?？?/p>