移动通信习题课课件.ppt
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1、第第2 2章章 调制解调调制解调2.1 概述概述 2.2 数字频率调制数字频率调制 2.3 数字相位调制数字相位调制 2.4 正交振幅调制正交振幅调制(QAM)2.5 扩展频谱调制扩展频谱调制 2.6 多载波调制多载波调制 调制的目的调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的高频信号。该信号称为道传输的高频信号。该信号称为已调信号已调信号。在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号,该过程称在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号,该过程称为为解调解调。2.1 概概 述述按照调制器输入信号按照调制器输入信号(该信号称为调制信号该信号
2、称为调制信号)的形式,调的形式,调制可分为制可分为模拟调制模拟调制(或连续调制或连续调制)和和数字调制数字调制。模拟调制模拟调制指利用输入的模拟信号直接调制指利用输入的模拟信号直接调制(或改变或改变)载波载波(正弦正弦波波)的振幅、的振幅、频率或相位,频率或相位,从而得到调幅从而得到调幅(AM)、调频调频(FM)或或调相调相(PM)信号。信号。数字调制数字调制指利用数字信号来控制载波的振幅、指利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。频率或相位。常用的数字调制有:常用的数字调制有:移频键控移频键控(FSK)和移相键控和移相键控(PSK)等。等。移动通信信道的基本特征是:移动通信信道的基本特征是
3、:第一,带宽有限第一,带宽有限第二,干扰和噪声影响大第二,干扰和噪声影响大第三,第三,存在着多径衰落存在着多径衰落图图 2-2 FM解调器的性能及解调器的性能及门限效应门限效应 使用模拟信号调制的通信中,调频和调使用模拟信号调制的通信中,调频和调相信号的幅度是不变的,通称为相信号的幅度是不变的,通称为恒包络调制恒包络调制。这种调制可用硬限幅的方法去除干扰引这种调制可用硬限幅的方法去除干扰引起的幅度变化,具有极高的抗干扰性能。起的幅度变化,具有极高的抗干扰性能。恒包络调制具有许多优点,但它们占用恒包络调制具有许多优点,但它们占用的带宽比线性调制大。的带宽比线性调制大。2.2 数字频率调制数字频率
4、调制 调频是使高频载波信号的瞬时频率随调制信调频是使高频载波信号的瞬时频率随调制信号的变化而变化号的变化而变化,其所占带宽为,其所占带宽为B FM2(FM1)fm,其中,其中 FM为调制指数。为调制指数。调频制在抗干扰和抗衰落性能方面优于调幅调频制在抗干扰和抗衰落性能方面优于调幅制,对非线性信道有较好的适应性制,对非线性信道有较好的适应性,世界上几乎,世界上几乎所有的模拟蜂窝系统都使用频率调制。所有的模拟蜂窝系统都使用频率调制。调幅与调频调幅与调频)cos()cos()(2211ttts11nnaa(2-23)即当输入为传号即当输入为传号“+1”+1”时,输出频率为时,输出频率为f f1 1的
5、正弦波;当输入的正弦波;当输入为空号为空号“-1”-1”时,输出时,输出频率为频率为f2的正弦波。的正弦波。2.2.1 移频键控移频键控(FSK)调制调制 设输入到调制器的比特流为设输入到调制器的比特流为an,an=1,n=-+。FSK的输出信号形式的输出信号形式(第第n个比特区间个比特区间)为为FSK可采用包络检波法、相干解调法和非相干解调法等可采用包络检波法、相干解调法和非相干解调法等方法解调。方法解调。FSK相位连续时,可采用鉴频器解调相位连续时,可采用鉴频器解调。包络检波法是指收端。包络检波法是指收端采用两个带通滤波器,其中心频率分别为采用两个带通滤波器,其中心频率分别为f1和和f2,
6、它们的输出,它们的输出经过包络检波。如果经过包络检波。如果f1支路的包络强于支路的包络强于f2支路,则判为支路,则判为“+1”;反之判为反之判为“-1”。非相干解调时输入信号分别经过对非相干解调时输入信号分别经过对cos1t和和cos2t匹配的两个匹配的两个匹配滤波器匹配滤波器,其输出再经过包络检波和比较判决。如果,其输出再经过包络检波和比较判决。如果f1支支路的包络强于路的包络强于f2支路的包络,则判为支路的包络,则判为“+1”;反之判为;反之判为“-1”。图图 2-4 FSK的相干解调框图的相干解调框图 2.2.2 最小移频键控最小移频键控(MSK)连续相位调制连续相位调制(Continu
7、ous Phase Modulation,CPM),),泛指载波相位以连续形式变化的一大类频率调制技术。泛指载波相位以连续形式变化的一大类频率调制技术。最小频移键控最小频移键控(Minimum Shift Keying,MSK):是一种特殊的连续相位的频移键控(是一种特殊的连续相位的频移键控(Continuous Phase Frequency Shift Keying,CPFSK),其最大频移),其最大频移为比特率的为比特率的1/4。MSK是一种特殊形式的是一种特殊形式的FSK,其频差是满足两个其频差是满足两个频率相互正交频率相互正交(即相关函数等于即相关函数等于0)的最小频差,的最小频差,
8、并要求并要求FSK信号的相位连续。信号的相位连续。其频差其频差f=f2-f1=1/2Tb,即调制指即调制指数为数为 5.0/1bTfh 式中,式中,Tb为输入数据流的比特宽度。为输入数据流的比特宽度。(2-33)图图 2-5 MSK的相位轨迹的相位轨迹 给定输入序列给定输入序列ak图 2-6 MSK的可能相位轨迹各种可能的输入序列各种可能的输入序列图图 2-7 MSK的输入数据与各支路数据及基带波形的关系的输入数据与各支路数据及基带波形的关系 MSK信号可以采用鉴频器解调,信号可以采用鉴频器解调,也可以采用相干也可以采用相干解调。解调。图中采用平方环来提取相干载波。从图中可以图中采用平方环来提
9、取相干载波。从图中可以看出经过低通滤波后,看出经过低通滤波后,I支路和支路和Q支路的输出分别为支路的输出分别为bkkbkTtxaTtx2sincos2coscos22(2-41)通过对通过对I支路和支路和Q支路交替采样就可以恢复支路交替采样就可以恢复bk,再经差分译码后再经差分译码后就可以恢复就可以恢复ak。图图 2-10 MSK相干解调框图相干解调框图MSK信号可以采用鉴频器解调,信号可以采用鉴频器解调,也可以采用相干解调。也可以采用相干解调。与与FSK性能相比,性能相比,由于各支路的实际码元宽度为由于各支路的实际码元宽度为2Tb,其对应的低通滤波器带宽减少为原带宽的,其对应的低通滤波器带宽
10、减少为原带宽的1/2,从而使从而使MSK的输出信噪比提高了一倍。的输出信噪比提高了一倍。2.2.3 高斯滤波的最小移频键控高斯滤波的最小移频键控(GMSK)调制调制 GMSK信号就是通过在信号就是通过在FM调制器前加入高斯低通滤波调制器前加入高斯低通滤波器器(称为预调制滤波器称为预调制滤波器)而产生的。而产生的。高斯滤波最小移频键控就是由高斯滤波最小移频键控就是由MSK演变来的一种简单的演变来的一种简单的二进制调制方法。二进制调制方法。在在GMSK中,将调制的不归零(中,将调制的不归零(NRZ)数据通过预调制)数据通过预调制高斯脉冲成型滤波器,使其频谱上的旁瓣水平进一步降低。高斯脉冲成型滤波器
11、,使其频谱上的旁瓣水平进一步降低。基带的高斯脉冲成型技术平滑了基带的高斯脉冲成型技术平滑了MSK信号的相位曲线,信号的相位曲线,因此使得发射频谱上的旁瓣水平大大降低。因此使得发射频谱上的旁瓣水平大大降低。图图 2-11 GMSK信号的产生原理信号的产生原理图图 2-13 GMSK的相位轨迹的相位轨迹 GMSK通过引入可控的码间干扰通过引入可控的码间干扰(即部分响应波形即部分响应波形)来达来达到平滑相位路径的目的,到平滑相位路径的目的,它消除了它消除了MSK相位路径在码元转换相位路径在码元转换时刻的相位转折点。时刻的相位转折点。从图中还可以看出,从图中还可以看出,GMSK信号在一码信号在一码元周
12、期内的相位增量,元周期内的相位增量,不像不像MSK那样固定为那样固定为/2,而是随而是随着输入序列的不同而不同。着输入序列的不同而不同。图 2-15 GMSK的功率谱密度 随着随着BbTb的减小,功的减小,功率谱衰减明显加快。率谱衰减明显加快。在在GSM系统中,要求系统中,要求在在(f-fc)Tb=1.5时功率时功率谱密度低于谱密度低于60dB,从,从图 中 可 以 看 出,图 中 可 以 看 出,BbTb=0.3时时GMSK的的功率谱即可满足功率谱即可满足GSM的要求。的要求。1.一比特延迟差分检测一比特延迟差分检测 一比特延迟差分检测器的框图如图一比特延迟差分检测器的框图如图 2-17 所
13、示。所示。设设中频滤波器的输出信号为中频滤波器的输出信号为 SIF(t)=R(t)cosct+(t)(2-50)式中,式中,R(t)是时变包络;是时变包络;c是中频载波角频是中频载波角频率;率;(t)是附加相位函数。是附加相位函数。GMSK通常采用差分解调和鉴频器解调等非相干解调,通常采用差分解调和鉴频器解调等非相干解调,原因?原因?图图 2-17 一比特延迟差分检测器的框图一比特延迟差分检测器的框图Y(t)0 判为判为“+1”Y(t)0 判为判为“-1”式中,式中,R(t)和和R(t-Tb)是信号的包络,是信号的包络,永远是正值。永远是正值。因而因而Y(t)的极性取决于相差信息的极性取决于相
14、差信息(Tb)。令判决门限为零,令判决门限为零,即判即判决规则为决规则为当输入当输入“+1”+1”时时(t t)增大,当输入增大,当输入“-1”-1”时时(t t)减小。用减小。用上述判决规则即可恢复出上述判决规则即可恢复出原来的数据,即原来的数据,即。kkaa)(sin)()(21)(bbTTtRtRtY2.二比特延迟差分检测二比特延迟差分检测 二比特延迟差分检测器的框图如图二比特延迟差分检测器的框图如图 2-18 所示。所示。图图 2-18 二比特延迟差分检测器的框图二比特延迟差分检测器的框图 内的第一项为偶函数,内的第一项为偶函数,在在(Tb)不超过不超过/2的范围时,的范围时,它不会为
15、负。它不会为负。它实际上反映的是直流分量的大小,它实际上反映的是直流分量的大小,对判决不对判决不起关键作用,起关键作用,但需要把判决门限增加一相应的直流分量但需要把判决门限增加一相应的直流分量;第二项第二项sin(t)-(t-Tb)sin(t-Tb)-(t-2Tb)(2-56)才是才是判决的依据判决的依据。)2()(sin)()(sin)()(cos)()()cos2()(21)(bbbbbbbTtTtTttTtTtTttTtRtRtY图 2-19 差分编码的GMSK调制器 而相应在发端,需对原始数据而相应在发端,需对原始数据ak进行差分编码进行差分编码 GMSK信号在衰落信道中传输时,信号在
16、衰落信道中传输时,检测的误码率和其检测的误码率和其它调制方式一样,与信噪比它调制方式一样,与信噪比(Eb/N0)、多普勒频移等多种多普勒频移等多种因素有关。因素有关。图图 2-20 GMSK相干检测的误码率特性相干检测的误码率特性 图图 2-21 GMSK二比特延迟差分检测的误码率特性二比特延迟差分检测的误码率特性2.2.4 高斯滤波的移频键控高斯滤波的移频键控(GFSK)调制调制 MSK和和GMSK两种调制方式对调制指数是有严格规定的,两种调制方式对调制指数是有严格规定的,即即h=0.5,从而对调制器也有严格的要求。,从而对调制器也有严格的要求。GFSK吸取了吸取了GMSK的优点,但放松了对
17、调制指数的要求,的优点,但放松了对调制指数的要求,通常调制指数通常调制指数在在0.40.7之间即可满足要求。之间即可满足要求。例如在第二代无绳电话系统例如在第二代无绳电话系统(CT-2)标准中规定,发射标准中规定,发射“+1”时对应的频率比时对应的频率比fc低低14.4 kHz到到25.2 kHz。因此,因此,GFSK 调制的原理框图如图调制的原理框图如图 2-22 所示。所示。GFSK与与GMSK类似,是连续相位的恒包络调制。类似,是连续相位的恒包络调制。图图 2-22 GFSK调制的原理框图调制的原理框图 2.3.1 移相键控移相键控(PSK)调制调制 设输入比特率为设输入比特率为an,a
18、n=1,n=-+,则则PSK的信号形式为的信号形式为)cos()cos()(tAtAtScc11nnaanTbt(n+1)Tb (2-57)2.3 数字相位调制数字相位调制 在相同误比特率的情况下,在相同误比特率的情况下,PSK所需要的信噪比所需要的信噪比r要比要比FSK小小3dB,即,即PSK性能优于性能优于FSK。若输入噪声为窄带高斯噪声若输入噪声为窄带高斯噪声(其均值为其均值为0,方差为方差为2n),则在输入序列则在输入序列“+1”和和“-1”等概出现的条件下等概出现的条件下图 2-23 PSK的解调框图(a)相干解调;(b)差分相干解调 四进制四进制PSK,也称为正交相移键控(,也称为
19、正交相移键控(Q Phase Shift Keying,QPSK)是)是MPSK调制中最常用的调制中最常用的一种调制方式。一种调制方式。由于在一个调制码元中传输两个比特,四相由于在一个调制码元中传输两个比特,四相相移键控(相移键控(QPSK)比)比BPSK的带宽效率高两倍。的带宽效率高两倍。2.3.2 四相移相键控四相移相键控(QPSK)调制和交错四相移相调制和交错四相移相键控键控(OQPSK)调制调制 QPSK和和OQPSK的产生原理如图的产生原理如图 2-24 所示。所示。图图 2-24 QPSK和和OQPSK信号的产生原理信号的产生原理(a)QPSK的产生;的产生;(b)OQPSK的产生
20、的产生 2.3.3/4-DQPSK调制调制 /4-DQPSK是对是对QPSK信号的特性进行改信号的特性进行改进的一种调制方式进的一种调制方式,改进之一是将改进之一是将QPSK的最大的最大相位跳变相位跳变,降为,降为3/4,从而改善了从而改善了/4-DQPSK的频谱特性。改进之二是解调方式的频谱特性。改进之二是解调方式,QPSK只能用相干解调,而只能用相干解调,而/4-DQPSK既可以既可以用相干解调也可以采用非相干解调。用相干解调也可以采用非相干解调。1.基带差分检测基带差分检测 基带差分检测的框图如图基带差分检测的框图如图 2-31 所示。所示。图中,图中,本本地正交载波地正交载波cos(c
21、t+)和和sin(ct+)只要求与信号的未只要求与信号的未调载波调载波c同频,并不要求相位相干,可以允许有一定同频,并不要求相位相干,可以允许有一定的相位差的相位差,这个相位差是可以在差分这个相位差是可以在差分检测过程中消去检测过程中消去的。的。图图 2-31 基带差分检测框图基带差分检测框图 2.中频差分检测中频差分检测 中频差分检测的原理框图如图中频差分检测的原理框图如图 2-32 所示。所示。输入输入信号信号Sk(t)=cos(ct+k)经两个支路相乘后的信号分别为经两个支路相乘后的信号分别为 cos(ct+k)cos(c(t-Ts)+k-1)sin(ct+k)cos(c(t-Ts)+k
22、-1)(2-79)经低通滤波后,经低通滤波后,所得低频分量为所得低频分量为(取取Ts=2n):kkkkkkkkYXsin21)sin(21cos21)cos(2111(2-80)(2-81)图 2-32 中频差分检测原理框图 3.鉴频器检测鉴频器检测 鉴频器检测的框图如图鉴频器检测的框图如图 2-33 所示。信号经过平方根升所示。信号经过平方根升余弦滚降的带通滤波器后进入硬限幅器,再经鉴频器和积余弦滚降的带通滤波器后进入硬限幅器,再经鉴频器和积分分采样采样清除电路之后,用模清除电路之后,用模2检测器检测出两采样瞬间的检测器检测出两采样瞬间的相位差,从而可判决出所传输的数据。相位差,从而可判决出
23、所传输的数据。图 2-33 鉴频器检测框图 (2)/4-DQPSK在多径衰落信道和有同道干扰及邻道干扰在多径衰落信道和有同道干扰及邻道干扰条件下的系统性能。条件下的系统性能。美国美国TIA标准委员会建议,在数字蜂窝系统中采用二条标准委员会建议,在数字蜂窝系统中采用二条路径的模型来评估系统对时延扩展的容忍程度。路径的模型来评估系统对时延扩展的容忍程度。因此,在这因此,在这里采用如图里采用如图2-35 所示的系统模型。所示的系统模型。图中,发射机图中,发射机TX1到接收到接收机机RX1是需要的信道,发射机是需要的信道,发射机TX2为同道干扰发射机。为同道干扰发射机。图图 2-35 频率选择性频率选
24、择性Rayleigh衰落信道模型衰落信道模型 正交振幅调制是二进制的正交振幅调制是二进制的PSK、四进制的四进制的QPSK调制的调制的进一步推广,进一步推广,通过相位和振幅的联合控制,通过相位和振幅的联合控制,可以得到更高频可以得到更高频谱效率的调制方式,谱效率的调制方式,从而可在限定的频带内传输更高速率的从而可在限定的频带内传输更高速率的数据。数据。正交振幅调制的一般表达式为正交振幅调制的一般表达式为 y(t)=Am cosct+Bm sinct 0tTs (2-89)2.4 正交振幅调制正交振幅调制(QAM)QAM中的振幅中的振幅Am和和Bm可以表示成:可以表示成:AeBAdAmmmm(2
25、-90)式中,式中,A是固定的振幅,是固定的振幅,(dm,em)由输入数据确定。由输入数据确定。(dm,em)决定了已调决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。信号在信号空间中的坐标点。2.5 扩展频谱调制扩展频谱调制 2.5.1 扩展频谱通信的基本概念扩展频谱通信的基本概念 扩展频谱扩展频谱(SS,Spread Spectrum)通信简称为扩频通通信简称为扩频通信。信。定义:定义:扩频通信技术是一种信息传输方式,扩频通信技术是一种信息传输方式,在发端采用在发端采用扩频码调制,扩频码调制,使信号所占的频带宽度远大于所传信息使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽,必需的带宽,在收端采用相
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