第3章 无线通信基本技术-2

第3章无线通信基本技术13.3.1调制技术概述3.3.3QPSK(正交相移键控)3.3.2最小频移键控MSK3.3调制技术3.3.4正交振幅调制技术QAM3.3.5正交频分复用调制OFDM第3章无线通信基本技术23.3调制技术3.3.1调制技术概述调制的目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配，从而有效地利用信道传输。调制是通过改变高频载波的幅度、频率和相位，使其随着基带信号的变化而变化来实现的；解调则是将基带信号从载波中提取出来，便于接收者(信宿)处理和理解的过程。第3章无线通信基本技术3无线信道的基本特征是：第一，带宽有限，它取决于可使用的频率资源和信道的传播特性；第二，干扰和噪声影响大，这主要是移动通信工作的电磁环境所决定的；第三，存在着多径衰落和多普勒频率扩展。针对无线信道的特点，要求已调信号应具有高的频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰落的能力。下面对常用的几种调制方式进行介绍。第3章无线通信基本技术43.3.2最小频移键控(MSK)最小频移键控(MSK)是2FSK的改进。1.2FSK信号设输入到调制器的数据序列中传号(1)表示为+1，空号(0)表示为－1(ak=±1)，输入数据比特的宽度为Tb。2FSK输出信号为式中，kTb≤t≤(k+1)Tb，ω1=2πf1，ω2=2πf2。(3-3-1)1)cos()(1)cos()(2211kFSKkFSKattsatts第3章无线通信基本技术5定义载波角频率为ω1、ω2对ωc的角频偏为其中，就是对载波频率fc的频率偏移。定义调制指数为(3-3-2)(3-3-3)(3-3-4)2π221ccf12dd2π2||f2||21dfffbdbdb2122||RfTfTffh第3章无线通信基本技术6根据ak、h、Tb可以重写一个码元内2FSK信号表达式：(3-3-5)FSKcdcbc()cos()πcos=cos[()]kkkkksttathtatTtt式中：称做附加相位，它是t的线性函数，斜率为。(3-3-6)bbbπ()(1)kkkhtatTkTtkTbπkhaT第3章无线通信基本技术72.相位连续的2FSK从原理上讲,2FSK信号的产生可以用两种不同的方法：开关切换方法和调频方法，如图3-5所示。图3-52FSK的开关切换方法和调频方法开关切换所得的2FSK信号是一种相位不连续的FSK信号,调频方法所产生的是相位连续的2FSK信号(CPFSK)。第3章无线通信基本技术8将式(3-3-6)代入式(3-3-7)，有这样就要求满足关系式：φk=(ak－1－ak)πhk+φk－1(3-3-9)即要求当前码元的初相位φk由前一码元的初相位φk－1、前一码元ak－1和当前码元ak来决定。这种关系就是相位约束条件。满足这种相位约束条件的FSK就是相位连续的FSK。这两种相位特性不同的FSK信号波形如图3-6所示。(3-3-8)b1b1bbππkkkkhhakTakTTT所谓相位连续,是指不仅在一个码元持续期间相位连续，而且在从码元ak－1到ak转换的时刻kTb，两个码元的相位也连续，即θk(kTb)=θk－1(kTb)(3-3-7)第3章无线通信基本技术9图3-62FSK信号的波形波形是不连续的波形是连续的第3章无线通信基本技术10另外，随着调制指数的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数不宜太大；但过小又会因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测，所以，应当根据它们的相关系数以及信号的带宽综合考虑。在相同的调制指数情况下，CPFSK的带宽比一般的带宽要窄。这意味着CPFSK的频带效率比2FSK高，所以，在移动通信系统中2FSK调制常常采用相位连续的调制方式。(3-3-4)bdbdb2122||RfTfTffh第3章无线通信基本技术113.最小频移键控(MSK，MinimumShiftKeying)为方便讨论，令它们的初始相位为0，可以求得2FSK信号归一化互相关函数ρ如下：(3-3-10)bcbdb120bcbdbsin(2)sin(2)2coscosd22TTTtttTTT通常总是满足ωcTb=nπ,因此式(3-3-10)中可以略去第一项，得：(3-3-11)db12bdb12bsin(2)sin2π()sin2π22π()2πTffThTffTh从式(3-3-11)中可以看出，当调制指数h=0.5,1,1.5,…时,ρ=0，即两个信号是正交的。信号的正交有利于信号的检测。第3章无线通信基本技术12这些使ρ=0的参数h的最小值为0.5，此时在Tb给定的情况下，对应的两个信号的频率差|f1－f2|存在最小值，从而使FSK信号有最小的带宽。最小频移键控（MSK）：调制指数为0.5的连续相位2FSK。h=0.5的CPFSK就称做最小频移键控(MSK)。MSK的信号表达式为2MSKckkbS(t)costatTbb(1)kTtkT(3-3-12)第3章无线通信基本技术13相邻码元的相位变化量为由于ak=±1，因此，每经过Tb时间，相位增加或减少π/2，由该码元ak的取值而定。随着时间的推移，附加相位的函数曲线是一条折线，称为MSK信号的相位路径。(3-3-13)bbπ[(1)]()2kkkkkTkTa4.MSK信号的相位路径及功率谱1)相位路径由于h=0.5，因此，MSK信号的表达式为(3-3-12)bbMSKcb(1)()cos()π()2kkkkkTtkTstttatT第3章无线通信基本技术14图3-7附加相位的相位路径从图中可以看到φk的取值:0，－π/2，0，π/2，π，…(k=0，1，2，3，4，…)。相位约束条件是：(3-3-14)11π()2kkkkaak第3章无线通信基本技术153)MSK的功率谱MSK的功率谱为式中,A为信号的幅度。(3-3-18)22bcbMSK22cb16cos[2π()]()π1[4()]ATffTWfffT图3-8MSK的功率谱由图3-8可见，MSK信号比一般2FSK信号有更高的带宽效率。第3章无线通信基本技术16MSK的谱特性已比2FSK有很大的改进，但旁瓣的辐射功率仍然很大，从而造成较大的邻道干扰。旁瓣的功率之所以比较大,是因为数字基带信号含有丰富的高频分量，若用低通滤波器滤掉其高频分量，则可以减少已调信号的带外辐射。移动通信的邻道干扰要求低于60dB，故MSK的频谱仍不能满足要求。第3章无线通信基本技术175.高斯滤波最小频移键控(GMSK)问题提出：MSK由于基带信号含有丰富的高频分量，使得已调信号带外辐射较大，不能满足功率谱在邻道取值低于主瓣峰值的60dB。解决方法：将矩形脉冲信号先通过高斯低通滤波器，形成高斯形脉冲，再进行MSK调制，即在MSK调制器前加入一高斯低通滤波器来实现，如图3-9所示。图3-9GSMK调制的原理方框图第3章无线通信基本技术18为了抑制高频成分，图中的高斯低通滤波器要满足下列要求：(1)带宽窄，且是锐截止的，(脉冲包络无陡峭点和拐点)(2)具有较低的过脉冲响应。(3)能保持输出脉冲的面积不变。GMSK调制原理：通过将调制的不归零数据通过高斯脉冲成形滤波器，进一步平滑了MSK信号的相位曲线，使其频谱上的旁瓣水平大大降低。预调制滤波器MSK调制器输入数据调制指数为0.5不归零(NRZ)第3章无线通信基本技术19预调制滤波器的冲激响应：(3-3-20))/(22e)(affH幅频特性为该滤波器对单个宽度为Tb的矩形脉冲的响应为22122212)(bbbbTtnBQTtnBQtg式中dtQt)2/exp(21)(2B为滤波器带宽22221712h(t)exp(at)B.Bn(3-3-19)其中：第3章无线通信基本技术20GMSK滤波器习惯上使用BTb乘积来定义。结论：BTb趋于无穷大，GMSK即为MSK的情况。BTb越小，脉冲持续时间越长，同时引入的码间串扰越严重。图高斯滤波器的矩形脉冲响应B为滤波器的3dB带宽；Tb为基带信号持续时间。第3章无线通信基本技术21图3-10GMSK信号的功率谱密度结论:与MSK相比，GMSK的主瓣能量更集中，旁瓣更低；BTb越大，旁瓣越大，带外辐射越大。BTb趋于无穷大时，GMSK信号的功率谱与MSK的功率谱一致。BTb越小，低通滤波器带宽越窄，GMSK的主瓣越窄；但码间串扰越严重；通常取BTb=0.2~0.3。第3章无线通信基本技术22例3-2为了产生0.25GMSK信号，当信道数据速率Rb=270kb/s时，找到高斯低通滤波器的3dB带宽。射频信道中，90%的功率集中在多大的带宽中？试确定高斯滤波器的3dB带宽B。解：由题目可得因为BTb=0.25，解出B：μs7.310270113bRTkHz568.67107.325.025.06bTB所以3dB带宽是67.568kHz。为了确定90%功率带宽，在表3-2中查出相当的值为0.57Rb。因此，发射频谱上90%功率带宽为BW=0.57Rb=0.57×270×103=153.9kHz第3章无线通信基本技术233.3.3π/4QPSK(π/4正交相移键控调制)1.二进制相移键控调制(BPSK)BPSK随输入的数据序列的不同利用幅度恒定、相位不同的两个载波信号进行表示,通常两个载波信号的相位相差180°。设输入数据序列为｛ak｝，ak=±1，k=－∞～+∞，则BPSK的信号形式为式中，kTb≤t(k+1)Tb。(3-3-21)cccos()1()cos()1kkAtastAta第3章无线通信基本技术24s(t)还可以表示为即当输入为“+1”时，对应的信号附加相位为“0”,当输入为“－1”时，对应的信号附加相位为“π”。PSK可采用相干解调和差分相干解调(PSK采用相干解调，DPSK采用差分相干解调)，如图3-11所示。(3-3-22)bbcc(1)1()coscosπ2kkkTtkTastaAtAt第3章无线通信基本技术25图3-11PSK的解调框图第3章无线通信基本技术26在输入噪声为窄带高斯噪声(其均值为0，方差为)时，在输入序列“+1”和“－1”等概出现的条件下，相干解调后的误比特率为式中，，a为接收信号幅度。在相同的条件下，BPSK差分相干解调的误比特率为式中，。2n(3-3-23)(3-3-24)2n22/ar2n22/ar)(erfc21erPrPe21e第3章无线通信基本技术272.四相调制1)QPSK信号QPSK(正交相移键控)比BPSK的带宽效率高两倍，因为在QPSK调制中，一个调制符号传输两比特信息。即发送的序列，每两个相连的比特分为一组，构成一个四进制的码元，即双比特码元。如图3-14所示。图3-14双比特码元第3章无线通信基本技术28双比特码元的4种状态用载波的4个不同相位φk表示，可用有四个点的二维星座图描述。双比特码元和相位的对应关系可以有许多种，图3-15是其中的一种。这种对应关系叫做相位逻辑。图3-15QPSK的一种相位逻辑第3章无线通信基本技术29sQPSK(t)=Acos(ωct+φk)k=1，2，3，4；kTs≤t≤(k+1)Ts其中，A为信号的幅度；ωc为载波频率。(3-3-26)114311451147114ckkckkckkckkAcostabAcostabS(t)AcostabAcostabQPSK信号可以表示为也可以表示为第3章无线通信基本技术302