移动通信第2章.

第2章学习要点：1.理解数字调制器的性能指标要求、多载波调制原理及性能。2.理解码序列正交性能及应用；小m序列的特性与Walsh函数的特性；3.了解扩频通信系统的基本概念、4.掌握扩频通信的原理。第2章调制解调2.1概述(1)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道传输的信号,该信号称为已调信号。调制过程用于通信系统的发端。在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，该过程称为解调。按照调制器输入信号(也称为调制信号)的形式，调制可分为模拟调制和数字调制。模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制(或改变)载波正弦波的振幅、频率或相位，从而得到调幅(AM)、调频(FM)或调相(PM)信号。数字调制是利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。常用的数字调制有幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)等。移动通信信道的基本特征是：第一带宽有限；第二干扰和噪声影响大；第三存在着多径衰落。对移动通信数字调制的要求:(1）必须采用抗干扰能力较强的调制方式(如采用恒包络调制方式)经过调制解调后的信噪比(S/N)较大；(2）尽可能提高频谱利用率,常用单位频带(1Hz)内能传输的比特率(b/s)来表征。＊占用频带要窄，带外辐射要小（采用FDMA、TDMA调制方式）；＊占用频带尽可能宽，但单位频谱所容纳的用户数多（采用CDMA调制方式）；(3）具有良好的误码性能。2.1概述(2)数字调制的性能指标通常通过功率有效性ηp和带宽有效性ηB来反映。功率有效性ηp是反映调制技术在低功率电平情况下保证系统误码性能的能力,可表述成每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比0NEbp带宽有效性ηp是反映调制技术在一定的频带内数字有效性的能力,可表述成在给定带宽条件下每赫兹的数据通过率：))/((HzsbBRB2.1概述(3)移动通信的数字调制要求其带宽有效性ηp和带宽有效性ηB值大好，但也要综合兼顾调制器设计制作的技术难度与成本2.3.1移相键控(PSK)调制(1)设输入比特为{an}，an=±1，n=－∞～＋∞，则PSK的信号形式为：即当输入为“+1”时，对应的信号S（t）附加相位为“0”；当输入为“－1”时，对应的信号S（t）附加相位为“π”。其信号波形如下图示。(a)2PSK产生原理框图(b)2PSK信号波形图图2-12PSK产生原理及信号波形图PSK可采用相干与非相干两种解调方式。相干与非相干解调框图分别如下图（a）和（b）所示。2.3.1移相键控(PSK)调制(2)图2-23PSK的解调框图QPSK也称四相绝对相移调制，QPSK是利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。在电路结构上是由两个正交的BPSK组成，在速率上较BPSK提高一倍。主要缺点是当出现四种数字信号（如“00”向“11”）跳变时产生1800相位，解调时出现相位模糊，造成误码。QPSK与OQPSK在第三代移动通信系统与第二代移动通信CDMA系统中作为数字调制用。2.3.2四相相移键控调制(QPSK)和交错四相相移键控调制(OQPSK)(1)QPSK两种调制方式的信号矢量图2.3.2四相相移键控调制(QPSK)和交错四相相移键控调制(OQPSK)(2)假定输入二进制序列为｛an｝,an=“+1”或“-1”，则在kTs≤t＜(k+1)Ts(Ts=2Tb)的区间内，QPSK的产生器的输出为(令n=2k+1)43cos43cos4cos4cos)(tAtAtAtAtScccc111111111111nnnnnnnnaaaaaaaa(2-62)四相相移键控调制(QPSK)原理框图及相位关系串/并变换单/双极性变换单/双极性变换移相π/2　COSωCt+I(t)Q(t)A同相１１BABAB1011Ｂ正交０１C(t)-1-1+1+10相相πA-π/2相π/2相ABAB+1+1AB-1+1AB-1+1AB-1-1+１+１-１-１　-sinωCt1011０0１1１1１1A方式调制akQPSK串/并转换波形图图中：输入数字信号序列ak经串/并转换后，按奇偶位分别分配到并支路的I（t）与Q（t）中，在码元宽度上I（t）支路与Q（t）支路将分配来数字信号延长了一个比特。图中可以观察到I（t）与Q（t）支路会出现数字信号“00”到“11”或“11”到“00”的跳变。图2-24OQPSK原理框图串/并变换移相π/2　COSωCt+I(t)Q(t)ABAB1011C(t)ABAB11AB00延迟Tb单/双极性变换单/双极性变换1001-sinωCt-1+10相相πAB-1+1-π/2相π/2相A方式QIOQPSK又叫偏移四相相移键控，它同QPSK的不同之处是在正交支路引入了一个码元的Tb延时，这使得两个支路的数据错开了一个码元时间，不会同时发生变化，而不象QPSK那样产生±π的相位跳变，而仅能产生±π/2的相位跳变，避免接收解调时可能出现的相位模糊现象。2.3.2四相相移键控调制(QPSK)和交错四相相移键控调制(OQPSK)(3)QPSK与OQPSK调制器串/并转换波形比较图中：OQPSK调制的Q支路信号比I支路的比特滞后一个信息比特（1/2个Ts）发生变化，避免了IQ支路信息比特的同时跳变（即不会出现1800的相位变化）。+1+10-1-1Q(a)(b)+1+10-1-1QII+1+10-1-1Q(a)(b)+1+10-1-1QIIQPSK和OQPSK的星座图和相位转移图OQPSK星座图QPSK星座图中：调制后的模拟信号以四个不同的的相位＋π/4、＋3π/4、－3π/4和－π/4、分别对应调制二位数字信号的“11”、“01”、“00”和“10”。QPSK出现1800跳变现象而OQPSK未出现1800跳变。π/4-DQPSK是对QPSK信号特性的进行改进的一种调制方式。改进之一是将QPSK的最大相位跳变±π，降为±3π/4，(旁辨较QPSK小）改善了频谱特性。改进之二是解调方式,QPSK只能用相干解调，而π/4-DQPSK既可以用相干解调也可以采用非相干解调。π/4-DQPSK已应用于美国的IS-136数字蜂窝系统、个人接入通信系统(PACS)和日本的(个人)数字蜂窝系统(PDC)中。2.3.3π/4-DQPSK调制(1)LPFLPF∑放大差分相位编码UkVk串/并变换输入数据π/4-DPSK信号2-26cosωctsinωctSISQ＋－图4-26π/4-DQPSK原理框图设已调信号]cos[)(kckttS式中θk为kTs≤t＜(k+1)Ts之间的附加相位。上式可展开成kckcktttSsinsincoscos)(当前码元的附加相位θk是前一码元附加相位θk-1与当前码元相位跳变量Δθk之和，即kkk1kkkkkkkkkkkkkkkkVUsincoscossin)sin(sinsinsincoscos)cos(cos1111112.3.3π/4-DQPSK调制(3)(2-63)(2-64)(2-65)(2-66)(2-67)其中，sinθk-1=Vk-1,cosθk-1=Uk-1，上面两式可改写为：kkkkkkkkkkUVVVUUsincossincos1111它表明了前一码元两正交信号Uk-1、Vk-1与当前码元两正交信号Uk、Vk之间的关系。它取于当前码元的相位跳变量Δθk，而Δθk则又取决于差分相位编码器的的输入码组SI、SQ。.(2-68)表2-2π/4-DQPSK的相位跳变规则π/4-DQPSK的相位关系图图中，在码元转换时刻相邻码元仅会出现“0”组和“*”组（或“*组”到“0”组）之间跳变。而不会在同组内跳变。相位变化只有±π/4和±3π/4四种取值，最大相位变化限制在±135°。1.基带差分检测cos（ωct+φ)sin(ωct+φ)LPFLPF解码电路并/串变换Sk（t）WkZkXkYk图2-31基带差分检测原理框图2.3.3π/4-DQPSK调制(7)图中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，可允许有一定相位差。)sin()cos(ttCC和c2.中频差分检测LPFLPF并/串变换迟延Ts相移π2带通滤液SkXkYk图2-32中频差分检测原理框图2.3.3π/4-DQPSK调制(7)该方案优点是不用本地产生载波。其设计难点在低通滤波器特性不理想时，将引起码间干扰，噪声带宽超过Nquist带宽，使得系统恶化。3.鉴频器检测带通滤波鉴频器积分清除模2π差分相位解码并/串变换v(t)Δθk'图2-32鉴频器检测原理框图2.3.3π/4-DQPSK调制(8)在差分相位解码前要加入一个模2π的校正电路，防止直接根据进行判决时产生误判。'k第2章调制解调2.4正交振幅调制(QAM)(1)正交振幅调制（QAM）是一种可以得到更高频谱效率的调制方式。是在不减小距离的情况下，通过两个正交载波的相位和振幅联合键控来增加信号矢量端点数目。通过相位和振幅的联合控制，QAM可在限定的频带范围内能传输更高速率的数据，是QPSK调制的进一步推广。QAM是宽带移动系统常采用的数字调制技术。在数字集群、数字通信卫星、数字电视等通信系统中得到使用，也是第4代移动通信系统将要采用的数字调制技术之一。QAM中的振幅Am和Bm可以表示成：AeBAdAmmmm式中，A是固定的振幅，(dm,em)由输入数据确定。(dm,em)决定已调QAM信号在信号空间中的坐标点。上式由两个相互正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅｛Am｝、｛Bm｝所调制，故称这种调制方式为正交振幅调制。式中，Ts为码元宽度。m=1,2,…,M;M为Am和Bm的电平数。正交振幅调制的一般表达式为tBtAtycmcmsincos)(sTt0(2-89)(2-90)QAM的调制和相干解调框图如后图所示.在所有信号点等概出现的情况下，平均发射信号功率为MmmmavedMAP1222)((2-91)预调制LPFΣsin(ωct)cos(ωct)y(t)已调信号输出预调制LPF2到L电平变换2到L电平变换串并变换AmBm++(a)L到2电平变换并串变换L到2电平变换多电平判决定时恢复多电平判决LPFLPF载波恢复(b)QAM的调制框图图中预调制低通滤波器是为抑制已调信号的带外幅射QAM的信号空间常用星座分别用后述的星形QAM星座图与方型QAM星座图表示。8QAM的信号空间（星座）图比较上图为M=8，信号点取两种振幅值时的四种信号空间分布图，在相等信号功率条件下，图(d)中的最小信号距离最大，其次为图(a)和(b)，图(c)中的最小信号距离最小。(a)4QAM(b)16QAM(c)64QAM方型结构QAM星座图星型结构QAM星座图星型结构QAM星座图可改善方型QAM的接收性能，比较两种十六进制结构星座图，星型QAM的振幅环由方型的3个减少为2个，相位由12种减少为8种，这将有利于接收端的自动增益控制和载波相位跟踪。预调制LPFΣsin(ωct)cos(ωct)y(t)已调信号输出预调制LPF2到L电平变换2到L电平变换串并变换AmBm++(a)L到2电平变换并串变换L到2电平变换多电平判决定时恢复多电平判决LPFLPF载波恢复(b)对QAM的调制解调设计准则：是在信号功率相同条件下，选择信号空间中信号之间距离最大的信号结构及考虑解调的复杂性。如前所示8QAM的信号空间图可选择（d）星座图结构。QAM的解调制框图对于方型QAM来说，它可以看成是两个脉冲振幅调制信号之和，因此利用脉冲振幅调制的分析结果，可以得到M进制QAM的误码率为