无线接入的基本技术课件.pptx
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- 无线 接入 基本 技术 课件
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1、2.1 无线信道的接入方式1. 常用的3种接入方式图2-1 FDMA、TDMA、CDMA的说明2. 三种无线接入方式的收发信机的构成3. 蜂窝通信的概念2.2 数字调制与解调2.2.1 数字调制 1. GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying) (1) FSK(Frequency Shift Keying) 传输“1”码时,输出载频 传输“0”码时,输出载频1f2f1122cos() code 1( )cos() code 0FSKAtStAtFSK的简单表示法12( )() cos() cos0 p(p1 (1-p)(1 pFSKnSnSnnnnnSta g tn
2、Tta g tnTtaaa以概率 出现)是 的反码, 以概率 - 出现)FSK的更专业表示法FSK的相位:设f1对应码“1”,f2对应码“0”12CC, 21 0ffff令中心频率 以 为基准,码“”的频率低相位滞后码“ ”的频率高相位超前Cf2f 的相位1f的相位例:码流“0110100”的FSK发送信号相位迁移图定义调制指数FSK信号的功率谱密度图形为121, SSSmff TTR功率谱密度特点:m增大,频谱展宽。M=0.5时,频谱的主要成份集中在载波附近(即使 采用随机码调制)(2)MSK(Minimum Shift Keying) m=0.5的FSK称为最小频移健控 例:求MSK信号一
3、个时隙前后的相位变化(超前或滞后)。1C2C211FSK212, 2cos(22) cos(22)0 2 211 242 242CCSSSSSSfffffffffAf tftSAf tftttTfTmff Tf TmTfffTf 设 从到的相位变化量为当时,对于MSK,每隔一个时隙,有 的相位变化。2问题:12Smff Tm 频谱展宽,频谱利用率低m 频谱窄,频谱利用率高。m是否可以小于0.5?不可以原因:当m很小时(f1和f2之差很小),接收机难以分辨出 和( )su t( )Mut传号空号结论:m=1/2的FSK是频移最小的数字调频方式(3)GMSK 问题:MSK的频谱利用率高(所需带宽小
4、于2PSK),但频谱特性不好。3dBBbf高斯LPFMSKST(t)( )a t( )()1; 01; 11; 0( )0; OtherwisekSkkkkSa tb u tkTabatTu t 22 2( )( )( )22( )expln2ln2bbbbb ta tc tc tBB t( )b t0( )cos 2( )( )( )2TCtSStAf tttbdT: 高斯滤波器的3dB带宽与码长的乘积bB T2. 调制方式 QPSK4(1)QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) QPSK 的数学表达式( )cos 0,1,2,32ciiS ttkk0相2相
5、相32相(0,0)(0,1)(1,1)(1,0)信号空间图为了用正交载波传输QPSK信号:同相信道:正交信道:QPSK信号:( )cos 0,1( )sin() 0,1IciiQciiS ttbbSttaa ( )( )( ) =cossin()IQciciS tS tSttbta QPSK信号的构成0ib 1ib 0ia 1ia ( ,)iia b0ib 1ib 0ia 1ia (0,0)(0,1)(1,1)(1,0)特征:由于正交载波传输,两个信道的信号互 不影响。 串并联转换与QPSK信号的频谱( )cossin()ciciS ttbta设传输的数字信号序列为 ,需要将 进行串并转换为
6、和 两个序列。iCiC ib ia延迟T秒QPSK 调制( )S t ia ib脉冲周期变为2TiCiC ia ib 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 PSKQPSK因为 、 的重复频率是PSK的一半,所以,QPSK占用的带宽是PSK的一半 ia ib QPSK的电路框图2PSK调相0 ib2移相cosct2PSK调相0 iaQPSKsinct原理:( )cossin() =cossin1 (0)1 (0) , 1 (1)1 (1)ciciiciciiiiiiS ttbtattbaba , , 0,0 1,1 0,1 1,-1 1,1 1,0-
7、1,-1-1,1ia ibii( )cossinicicS ttt( )cossinccS ttt ( )cossinccS ttt ( )cossinccS ttt( )cossinccS ttt(0,1)(1,0)(0,0)(1,1)1,11,-1-1,-1-1,1cosctsinct(2) QPSK4 QPSK的另一种电路S/P基带信号生成器LPFLPF2移相cosct 0,0 0,1 1,1 1.0datan34341414cosnsinn(0,1)(1,0)(1,1)(0,0)I_ChQ_ChQPSK 星座图和相位迁移图相邻两个符号间的相位差: 0, , 2 QPSK4Gray码 Q
8、PSK的电路框图与前面QPSK的框图相同,只是基带信号生成器的内部结构不同4 0,0 0,1 1,1 1.0datan34341414Gray码编码器2stmT4jecosnsinn(21)stmT时钟12CLKsfT Gray码 QPSK基带信号生成器4当2stmT时,Gray编码器输出的n直接送给两个信道 当(21)stmT时,Gray编码器输出的n移相4,使4nn,然后送到两个信道。信号空间图是 两个图形的组合。2stmT(21)stmT(0,0)(0,1)(1,1)(1,0)(0,0)(0,1)(1,1)(1,0)2mStT(2m1)StT(0,0)(0,1)(1,1)(1,0)(0,
9、0)(0,1)(1,1)(1,0)的星座图和相位迁移图QPSK4(0,0)(0,0)(0,0)(0,1)(0,0)(1,1)(0,0)(1,0)QPSKQPSK4和 的相位迁移比较QPSKQPSK40, , 23, 44绝对值最小的相位迁移为0绝对值最小的相位迁移为4为什么采用 ? 相位迁移会停留在同一个相位点上(例如00000110000)QPSK4 相位迁移不会停留在同一个相位电点上,至少有 的相位差。QPSK44即使连续出现相同的码,相位也发生变化,便于时钟恢复。 相位迁移通过原点 QPSKQPSK4相位迁移不通过原点因为离开原点的距离表示了调制包络线的振幅,所以 包络线的振幅变化比 小
10、QPSK4QPSK基于上述原因:(a) 能够减小由于发送放大器的非线性而引起 的频谱扩展(b) 能够提高发送放大器的功率效率QPSK4QPSK43. 16 QAM调制方式(1) 基本概念:同时利用振幅变化和相位变化的调制方式称为振幅相位 调制方式(Amplitude and Phase Shift Keying ,ASPK) 16值APSK:发送的载波采用正交载波 和 ,用包含 负振幅的4个值分别对两个正交载波进行振幅调制,然后 相加得到16值APSK信号。因为是采用正交载波进行振幅 调制,所以称为16 QAM(Quadrature Amolitude Modulation)cos2cf ts
11、in2cf t(2)16 QAM调制方式的基本传输信号的产生方法cos2cf tsin2cf t2a1a3a4a1b2b3b4b11c12c21c22ccos2cf tsin2cf t1a1b11c2a1b21c1a2b12c2a2b22ccos2cf tsin2cf t(00) (01) (11) (10)(00)(01)(11)(10)(0010) (0110) (1110) (1010)(0011) (0111) (1111) (1011)(0001) (0101) (1101) (1001)(0000) (0100) (1100) (1000)16 QAM的星座图2.2.2 采用导频码
12、进行信道估计1.移动无线电波的传输特性 (1)多经传输导致多经衰落 (2)时延扩展和相干带宽 (3)多普勒频移 (4)平坦衰落和频率选择性衰落散射波反射波直射波折射波移动通信的电波传播多经信号的幅度和 相位随机变化 接收信号快速 衰落(20dB) 用波长归一化的距离 (波长)由延迟波引起的衰落波型变化 多经传播 时延扩展 码间干扰多经传播引起接收信号时延扩展信道的相干带宽 BcBc是一个与时延扩展相联系的参数,其值与时延扩展 成反比1CBCWBB频率选择性衰落WB: 信号带宽cos21cos22coscosvtftvltvdld终端移动频率偏移(多普勒频移)多普勒频移效应)(ts)(ts),(
13、th)(tr),(th)(tr)( fS)( fH)( fRCfCfCf平坦衰落:CSSBBT ,tttfff000STSTtttfffCfCfCf)(ts)(ts0ST00ST),(th)(tr)(tr),(th)( fS)( fH)( fR 频率选择性衰落:SCSTBB 2. 信道估计 因为多经传输问题的存在,接收机的接收信号受到不同的衰落变化。为了进行同步检波,在接收机需要对接收信号的相位和幅度进行估计(对衰落复包络线进行估计)。这种处理成为信道估计。3. 利用导频码(导频信道)进行信道估计 (1) 导频信道的构成 码频率时间导频信道(c)码分复用型(b)频分复用型导频信道导频信道(a)
14、时分复用型(2)相位变化补偿原理 因为导频码的发送数据调制相位在接收端时事先已知的,所以导频码的接收相位/振幅可以作为参考相位/振幅。利用导频码可以在每个时隙内计算信道的估计值W-CDMA方式,在上行专用物理信道(dedicated physical channel,DPCH)中,导频码作为专用物理控制信道(dedicated physical control channel,DPCCH)中的一部分被映射在Q信道上,而由编码数据序列构成的专用物理数据信道(dedicated physical data channel,DPDCH)则被映射在I信道上,并且,对DPCCH和DPDCH都要进行2相P
15、SK(binary phase shift keying,BPSK)调制。另一方面,在下行链路的DPCH中,对DPCCH和DPDCH都进行时间复用,数据调制采用QPSK调制方式。设 表示在第l条路径( ,L是Rake合成的路径数)的第k个时隙中由于衰落引起的信道变化(是具有振幅和相位分量的复数量),如果用 表示 的估计值,则如图2-10所示,可利用导频码的接收相位 求出 。如果用 表示第k个时隙中DPDCH的第n个符号通过第l条路径的解扩后的信号,将 与 的共轭复数相乘,可补偿衰落引起的相位变化。 ( )lk0lL ( )lk( )lk( )lk),(knrl( , )lr n k( )lk)
16、(),(*kknrll)()(kkllQ 信道发送的导频符号相位变化补偿后的编码数据符号接收的编码数据符号I 信道接收的导频符号(3) 的估计方法( )lk10),(1PNnlpknrN011J1J10)(kl) 1(kl)(Jkl)1( Jkl)(kl解扩后的信号编码数据符号#时隙k导频信号#DDDDD1100( )()()JJiillliikkiki 加权系数选择:衰落相关大的时隙用大的加权系数 衰落相关小的时隙用小的加权系数2.3 DS-CDMA方式2.3.1 DS-CDMA原理发送数据信道编码扩频码扩频频率合成(MAI)滤波扩频码解扩数据解调信道解码接收数据fWWWffffB(5MHz
17、)B(5MHz)多址干扰数据调制扩频解扩的过程用户1用户2发送数据序列发送数据序列扩频扩频符号序列扩频符号序列复合信号接收机端用户1扩频码复制品积分存储恢复出用户1的发送信息数据序列1111-11111-1111-1-11111-11 11 1-1-1-1-11111-1-1-1-1-1-1-12220 000 00222W-CDMA收发信机的构成MUXInter-leavingRatematchingChannelencodingCode blocksegmentationCRCattachmentPilot bitsTPC bitsTransmitteddataQuadraturemodu
18、latorD/ASquare-rootraised cosineNyquist filterSpreadingData mapping(QPSK)UpconverterPathsearcherTxamplifierTo antennaQuadraturedetectorA/DSquare-rootraised cosineNyquist filterDe-multiplexingLow noiseamplifier(OA-RA)DespreaderbankCoherent RakecombinerRecovereddataDownconverterAGCamplifierFromantenna
19、SIRmeasurementTPCcommandgeneratorInter-leavingChanneldecodingCode blockmultiplexingBlock errordetection Transport Channel ATransport Channel B数据调制波形:ss( )( )exp( )kkkiittdtb iuijiuiTT扩频码波形:c( )( )kkitctpiuiT: 符号长度; : 码片长度STCT1 01( ) 0 othertu t ( ) kp i是( ) 1kp i的双极性码( )kb i是编码信息数据序列( )/ 2/ 4; 0,1,2
20、,3kijj对于QPSK调制设上行链路中有K个通信用户,第k(0,1,1)kk个用户的发送信号通过多经传输,接收端接收的信号 为:( )r t11,00( )2( )()()( )kLKkk lkk lkk lklr tSt c td tn t高斯噪声分量延迟时间复数信道增益用户k的发送功率约束条件12,0( )1kLk llEt解扩后的信号:利用第k个用户在路经l上扩频码的副本,通过码匹配滤波器对接收信号 解扩s,s,(1)*,s,1,111( )( )()d 2 2( )()() +2( )()()( )k lk ljTk lkk ljTkkLkkkk lkk lk lk llllKLkl
21、k lk lkkkkk llkkkztr t c ttTS dSc t c tdtSc t ctdtN t发送数据信息序列, 是 的估计值,k lkS多经干扰其他用户的干扰(MAI)背景噪声( )r t1、接收信号是一个延迟时间不同的多个信号 的叠加2、解扩信号中包括 小结:多经干扰其他用户的干扰背景噪声3、系统允许的最大干扰功率和可容纳的通信 用户数由能够满足接收质量的SIR决定。2.3.2 扩频码 作为扩频码的条件: 要求在同步时间内(无时差)的自相关峰尖锐,而在其他的时间偏移内自相关的绝对值很小。并且,在所有的时间内,要求不同扩频码之间互相关的绝对值很小。 满足上述条件的码有Gold码W
22、alsh码SF个sCTSFT问题:正交Gold码或Walsh码只有SF个,如何增加系统容量?方法:重复利用SF个码。如何重复利用?重复利用SF个正交码的方法:将正交码乘以一个每个小区固有的,重复周期远大于信息码长的扰频码,即采用两阶段扩频码分配方案。 信道化码信道化码信道化码(标识用户)扰频码(标识小区)用户1用户N用户2数据数据数据 因为依靠时间同步系统可使各个小区之间具有相同的绝对时间信息,所以,可以用系统事先规定的某个时间对重复周期很长的扰频码进行偏移而重复使用 小区间非同步方式: 因为各个小区间不存在相同的绝对时间信息,所以,每个小区需要采用特定的扰频码。 特定扰频码的分配方法及数量:
23、小区间同步方式:信道化码(短码,short code) :重复周期等于符号的长度、码片长度等于扩频因子的正交码。正交Gold码或Walsh码可以作为信道化码使用问题:SF不同,即符号速率不同的信道之间 采用什么码?采用正交可变扩频因子(orthogonal variable spreading factor,OVSF )编码方案。OVSF编码方案:Cch,1,0(1)SF1SF2SF4SF8Cch, 2, 0(1, 1)Cch, 2, 1(1, 1)Cch, 4, 0(1, 1, 1, 1)Cch, 4, 1(1, 1, 1, 1)Cch, 4, 2(1, 1, 1, 1)Cch, 4, 3(
24、1, 1, 1, 1)Cch, 8, 0(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1)Cch, 8, 1(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1)Cch, 8, 2(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1)Cch, 8, 3(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1)Cch, 8, 4(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1)Cch, 8, 5(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1)Cch, 8, 6(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1)Cch, 8, 7(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1) OVSF码的生成方法是从(1)(SF=1)开始,
25、按照式(2-6)所示的规则逐次生成下一层的OVSF码: (1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)ch,2,0ch,2 ,0ch,2 ,0ch,2,1ch,2 ,0ch,2 ,0ch,2,2ch,2 ,1ch,2 ,1ch,2,3ch,2 ,1ch,2,22ch,2,21 nnnnnnnnnnnnnnnCCCCCCCCCCCCCch,2 ,1ch,2 ,21ch,2 ,21ch,2 ,21ch,2 ,21 nnnnnnnnnCCCCC(2-6)2.3.3 扩频调制IIIQQQIQQISD CD CSD CD CDPDCH : dedicated physical data channel
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