第六章数字频带通信系统(XXXX)

1第六章数字信号的频带传输2ITU通过对话音业务和非话音业务的分析，两次给出了3G频率划分方案。1992年世界无线电大会决定将3GHz以下频段主要用于移动业务，同时为IMT-2000，在2GHz频段划分出230Mhz的带宽（1885～2025、2110～2200，其中1980～2010和2170～2200作为移动卫星通信的上下行频带）。2000年世界无线电大会针对未来数据发展需求，对3G频带进行了扩展，新增频段：806～960、1710～1885、2500～2690，其中2500～2520/2670～2690为卫星业务候选频段（MHz）。36.1引言在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，典型例子：无线信道，数字基带信号不能直接在这种信道中传输。本章主要内容：数字基带信号经过正弦载波调制成频带信号以及带通型数字调制信号通过频带信道进行传输、解调的基本原理。围绕两个重要性能指标：频带利用率和误码率进行分析。因此，必须用数字基带信号对载波进行调制，产生已调数字信号。4考虑到国际3G频段划分存在的一些问题，以及结合我国实际情况，我国3G公众移动通信系统频率划分如下：主要工作频段：FDD：1920～1980MHz/2110～2170MHzTDD：1880～1920MHz/2010～2025MHz补充工作频段：FDD：1755～1785MHz/1850~1880MHzTDD：2300~2400MHz卫星移动通信工作频段：1980～2010MHz/2170～2200MHz175521702010198019201880185017852400MHz2300FDDGSM180017101805GSM1800FDDTDDFDDSTFDDST2025TDD21102200TDD175521702010198019201880185017852400MHz2300FDDGSM180017101805GSM1800FDDTDDFDDSTFDDST2025TDD21102200TDD5用数字基带信号去控制正弦载波的幅度，称为振幅键控(ASK);用数字基带信号去控制正弦载波的频率，称为频率键控(FSK);用数字基带信号去控制正弦载波的相位，称为相位键控(PSK)。数字信号的正弦型载波调制分类：用数字基带信号去联合控制正弦载波的幅度和相位，称为正交幅度调制键控(QAM)。6数字调制分成二进制和M进制数字调制二进制数字调制：每个二进制符号映射为相应的信号波形之一；M进制数字调制：每个M进制数字符号映射为M个信号波形之一。（MASK，MFSK，MPSK，MQAM等）120()1()stst222ASKFSKPSK7数字调制的分类有记忆调制：从数字序列映射为相应的信号波形有一定的约束条件，即在某码元间隔内发送的信号波形取决于前面的一个或多个码元间隔发送的波形。无记忆调制：如果从数字序列映射的相应的信号波形与前面码元间隔内的发送波形无任何约束关系，则称此调制为无记忆调制。MASK、MPSK、MQAM、MFSK属于无记忆的线性调制；连续相位2FSK、MSK、GMSK属于有记忆的非线性调制；线性调制：从数字序列映射为相应的信号波形符合叠加原理非线性调制：不符合叠加原理的调制8本章研究任务：二进制数字调制方式的信号表示式及其功率谱密度；在加性噪声干扰下的相干解调及非相干解调原理及其误比特率的计算；介绍QPSK、DQPSK的工作原理及其性能；简述OQPSK的工作原理；结合统计判决理论与信号的矢量表示相结合，阐明M进制数字调制信号的矢量表示及其在AWGN干扰下的最佳接收理论；介绍MASK、MPSK、MQAM、MFSK信号的产生、最佳解调结构及其误符率的计算；简述恒包络连续相位调制MSK和GMSK的工作原理。9内容6.1引言6.2二进制数字信号正弦型载波调制6.3四相移相键控6.4M进制数字调制6.5恒包络连续相位调制10业务信道信息位数据率为9.6和4.8kbit/s的帧质量标识编码器（CRC编译码器）增加8位编码器尾部8.6kbit/s4.0kbit/s2.0kbit/s0.8kbit/s(172/80/40或16位/帧)9.2kbit/s4.4kbit/s2.0kbit/s0.8kbit/s卷积码编码器r=1/2,K=99.6kbit/s4.8kbit/s2.4kbit/s1.2kbit/s符号重复19.2kbit/s:×19.6kbit/s:×24.8kbit/s:×42.4kbit/s:×819.2kbit/s9.6kbit/s4.8kbit/s2.4kbit/s码符号调制符号19.2kbit/s块交织器24×16＝384符号队列，时延为20ms（384符号/19.2kbit/s）抽样器：每64个符号抽样一次（1228.8/19.2）调制符号19.2kbit/s功率控制位800bit/s19.2ksps复用定时控制抽样+++42级长PN码产生器800HZ基带滤波器基带滤波器××tfc2costfc2sins(t)到发射机1.2288Mcps图前向业务信道调制MUX+jHMcpsnPNiQ2288.115),,1(McpsnPNiI2288.115),,1(11业务信道信息位数据率为9.6和4.8kbit/s的帧质量标识编码器（CRC编译码器）增加8位编码器尾部9.2kbit/s4.4kbit/s2.2kbit/s0.8kbit/s卷积码编码器r=1/3,K=99.6kbit/s4.8kbit/s2.4kbit/s1.2kbit/s符号重复28.8×114.4×27.2×43.6×828.8ksps14.4ksps7.2ksps3.6ksps码符号28.8ksps块交织器32×18＝578符号队列，时延为20ms（576符号/28.8ksps）W(64,6)正交调制的Walsh函数编码器码符号28.8ksps调制符号（Walsh码片）4.8ksps307.2kcps数据突发随机数发生器+++42级长PN码产生器控制位帧数据速率42位长码掩码1/2码片延迟基带滤波器基带滤波器××tfc2costfc2sins(t)到发射机1.2288Mcps图反向业务信道调制McpsnPNQ2288.115),0,1(McpsnPNI2288.115),0,1(126.2二进制数字信号的正弦载波调制6.2.1二进制启闭键控（OOK、2ASK）：以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭。优点：实现简单（广泛应用在光纤通信系统中）缺点：抗噪声性能差脉冲成形滤波器()nbnatnT10na或()Tgt×()()nTbnbtagtnT单极性不归零矩形脉冲序列cos2cAft()OOKst1、OOK信号的产生：13()():nTbnbtagtnT单极性不归零码序列()()cos2OOKnTbcnstAagtnTft11()cos2,1()()0,0cOOKstAftstst传号空号14载波2ASK信号b(t)1011Tb001ttt2ASK信号的时间波形随二进制基带信号b(t)通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）。152、OOK信号的功率谱()()()nTbbnbtagtnTPf()()cos2OOKnTbcnstAagtnTft22(,)[()()][()()]cos[2]cos[2()](,)[cos2cos2(2)]2sOOKOOKccbccRttEststAEbtbtftftARttfftOOK信号的均值：()()cos2OOKaTbcnEstAmgtnTft16平均自相关函数：22222222221()(,)1(,)[cos2cos2(2)]21()cos2(,)cos2(2)22()cos22bbbbbbTssTbTbccTbTbcbcTbbcRRttdTARttfftdTAARfRttftdTARf1722()()[()()]4jfssbcbcPfRedAPffPff数字基带信号b(t)的功率谱密度OOK信号的功率谱：():bPfOOK信号的功率谱是数字基带信号功率谱线性搬移的结果。18()sPfcfcbfRcbfRfObR2bR()bPf离散载频193、OOK信号的解调及其误比特率OOK信号的解调方案：①匹配滤波器②具有低通滤波器的相干解调③非相干解调20(1)匹配滤波器的接收12()(),1()()()()(),0WOOKWWstntrtstntstnt“”“”11()cos2,1()()0,0cOOKstAftstst1()()bhtsTt选择匹配滤波器与s1(t)相匹配：匹配滤波器判决输出＋()Wnt抽样()OOKst()yt()byT()()()OOKWrtstnt()htbtT0btT211()()()()()()()bytrthtrhtdrsTtd12()()cos2(),1()()()()()(),0WcWOOK“”“”抽样时刻t＝Tb：11()()()()WbytsnsTtd先考虑发“1”11211002110()()()()()()()()()2bbbbWTTWTbWyyTsnsdsdsndATsndEZ22抽样时刻t＝Tb：111()()()()bWyyTsnsdEZ噪声:高斯随机变量EZ=0121112120020021111212100()()()()()()()22bbbbTTWWTTDZEntntststdtdtNNttststdtdtE21111221200()()()()bbTTWWDZEZEstntstntdtdt信号:确定23发s1时，抽样值y的条件概率密度：21221(1)exp22yEpy1()()()WbytnsTtd1()()()bWyyTnsdZ发s2（即0）时，匹配滤波器的输出：0EyEZ2012NDZE2221(0)exp22ypy发s2（即0）时，抽样值y的条件概率密度：24错判概率及平均错判概率:发“1”的错判概率：011TVPpydy100TVPpydy发“0”的错判概率：0110(1)bPPPPP1210TTVbVPPspydyPspydy12TEV12PsPs的条件下：在上述条件下：0110bPPP25yP(0/1)P(1/0)1()pys2()pys01E12E21122011(01)exp2242TVbyEEPPdyerfcN26条件：单极性不归零码序列，0、1等概出现，AWGN，匹配滤波器接收！2212001()()2bbTTbEstdtstdt11211()cos20()00122cbbbbstAfttTsttTAEEET单极性不归零码序列:0122bbEPerfcN27匹配滤波器判决输出＋()Wnt抽样()OOKst()yt()byT()()()OOKWrtstnt()htbtT