移动通信第2章

第2章调制解调第2章调制解调2.1概述2.2数字频率调制2.3数字相位调制2.4正交振幅调制(QAM)2.5扩展频谱调制2.6多载波调制第2章调制解调2.1概述目的：使传输的数字信号与信道特性相匹配，便于有效的进行信息传输。分类调制信号：模拟调制和数字调制相位连续：相位不连续调制和相位连续调制信号恒定：恒包络调制和非恒包络调制第2章调制解调移动通信调制解调技术特点•移动通信面临的无线信道问题–多径衰落、干扰(自然人为ISI)、频率资源有限•移动通信对调制解调技术的要求–频谱资源有限→高的带宽效率–用户终端小→高的功率效率，抗非线性失真能力强–邻道干扰→低的带外辐射–多径信道传播→对多径衰落不敏感，抗衰落能力强–干扰受限的信道，抗干扰能力强–解调一般采用非相干方式或插入导频的相干解调–产业化问题→成本低易于实现•调制方案的性能评估：功率效率和带宽效率(bit/s/Hz)第2章调制解调调制解调的主要功能•频谱搬移，实现基带信号搬移到相应的频段–实现可以分为两步：首先进行基带信号调制，然后上变频到所需的频段•抗干扰性–主要体现通信系统的质量指标，即可靠性–调制信号具有较小的功率谱占有率–要求功率谱主瓣占有尽可能多的信号能量，具有快速滚降特性，带外衰减大、旁瓣小•频谱有效性–主要体现通信系统的数量指标，即有效性–频带利用率：bit/s/Hz第2章调制解调数字调制方法的分类第2章调制解调各类二进制调制原理图第2章调制解调脉冲成型技术•矩形脉冲经过限带信道后，脉冲在时间上扩展，造成严重的符间串扰(ISI)•脉冲成型可以减小ISI和调制信号的带宽•Nyquist准则–第一准则：抽样点无失真，升余弦滚降滤波–第二准则：转换点无失真–第三准则：脉冲波形面积保持不变•移动通信中的脉冲成型技术–升余弦滚降滤波器–高斯脉冲成型滤波器第2章调制解调升余弦滚降滤波器•第2章调制解调WCDMA/FDD中的成型滤波器第2章调制解调高斯成型滤波器第2章调制解调恒包络调制---FSK,MSK,GFSK,GMSK•恒包络调制的特点:–恒包络调制对线性要求低，可使用C类放大器功率效率高–带外辐射低可达-60～-70dB–可使用限幅器---鉴频器检测系统结构简单，实现容易–限幅器可克服随机噪声和瑞利衰落导致的信号幅度的变化，抗干扰和衰落能力强–具有较好的解调门限第2章调制解调FSK和CPFSK第2章调制解调最小移频键控(MSK)•MSK是一种特殊的CPFSK，调制指数为0.5–h=0.5时，满足在码元交替点相位连续的条件–h=0.5是移频键控为保证良好误码性能所允许的最小调制指数–h=0.5时，波形相关系数为0，信号是正交的•MSK也是一类特殊形式的OQPSK，用半正弦脉冲取代OQPSK的基带矩形脉冲•信号表达式第2章调制解调MSK的调制解调器第2章调制解调MSK信号的特征和功率谱密度•特征–已调制信号幅度是恒定的–在一个码元周期内，信号包含1/4载波周期整数倍–码元转换时，相位连续无突变–信号频偏严格等于±1/4Tb，调制指数为0.5–信号相位在一个码元周期内变化±π/2•功率谱密度第2章调制解调2.2.3高斯滤波的最小移频键控(GMSK)预调制滤波器FM调制器输入数据调制指数为0.5不归零(NRZ)图2-11GMSK信号的产生原理第2章调制解调当BbTb取不同值时，g(t)的波形如图2-12所示。图2-12高斯滤波器的矩形脉冲响应第2章调制解调图2-15GMSK的功率谱密度第2章调制解调MSK和GMSK的BER性能第2章调制解调移相键控(PSK)•1986年前，线性高功率放大器成本较高，因此采用恒包络的CPM调制实现高功率效率。之后，线性功率放大器已取得实质性进展。•PSK是一种线性调制技术，具有带宽效率高、频谱利用率高等特点•移动通信中，一般采用性能优良的绝对移相体制而不采用相对移相体制，虽然相对移相体制可以解决相位模糊度问题。而CDMA中，常采用导频信道传送载波信息进行相干解调。第2章调制解调BPSK和QPSK第2章调制解调偏移QPSK(OQPSK)•QPSK波形成型后，将失去恒包络性质，180°相移导致信号包络过零点。对放大器线性度敏感•与QPSK的区别为：调制器输入的信号其正交支路比特流比同相支路比特流延迟了1个码元•好处是载波相位只有±90°变化，而无±180°变化，在非线性放大后仍保持带限性质。+1+10-1-1Q(a)(b)+1+10-1-1QII图2-25QPSK和OQPSK的星座图和相位转移图(a)QPSK;(b)OQPSK串并变换Σcos(ωct)sin(ωct)+-(a)串并变换Σcos(ωct)+-Tbsin(ωct)(b)图2-24QPSK和OQPSK信号的产生(a)QPSK的产生；(b)OQPSK的产生第2章调制解调2.3.3π/4-DQPSK调制π/4-DQPSK已应用于美国的IS-136数字蜂窝系统、日本的(个人)数字蜂窝系统(PDC)和美国的个人接入通信系统(PACS)中。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，从而改善了π/4-DQPSK的频谱特性。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。第2章调制解调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2-26π/4-DQPSK信号的产生第2章调制解调（0,1）（1/√,1/√）22（1,0）I（1/√,－1/√）22（0,－1）（－1/√,－1/√）22（－1,0）（－1/√,1/√）22Qo图2-27π/4-DQPSK的相位关系第2章调制解调LPFLPFΣ--90~调制信号产生++功率放大Δφ图2-29具有笛卡尔坐标负反馈控制的发射机框图第2章调制解调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基带差分检测电路第2章调制解调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中频差分检测框图第2章调制解调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2-33鉴频器检测框图dttdt)()(理想的鉴频器特性为第2章调制解调(1)π/4-DQPSK在理想高斯信道条件下系统的抗噪声性能。基带差分检测的误比特率为bbeIIePbbkkkbe2002)2(21)2()12()(式中，γb=Eb/N0,Ik是第一类第k阶修正Bessel函数。误比特率曲线如图2-34中的实线所示。第2章调制解调图2-34π/4-DQPSK的误比特率性能及频差Δf引起的相位漂移Δθ=ΔfTs对误比特率的影响第2章调制解调(2)π/4-DQPSK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。R1(t)ejΦ(t)R2(t)ejΦ(t)R3(t)ejΦ(t)ΣRX1AWGNτTX1TX2321111图2-35频率选择性Rayleigh衰落信道模型第2章调制解调在上述滤波器设计策略下，在下列参数：信号载频为850MHz、信息速率为48kb/s、滚降因子α=0.2时，通过理论分析和数值计算，可得出在以下不同信道条件下，π/4-DQPSK的基带差分检测性能。第2章调制解调(1)无多普勒频移和无时延扩散的Rayleigh衰落信道。图2-36π/4-DQPSK在无多普勒频移和无时延扩散的衰落信道下的性能第2章调制解调(2)无时延扩散和有多普勒频移Rayleigh衰落信道。图2-37π/4-DQPSK在有多普勒频移和无时延扩散的衰落信第2章调制解调图2-38π/4-DQPSK在有同道干扰、有多普勒频移和无时延扩散衰落信道下的性能第2章调制解调(4)有时延扩散和多普勒频移的Rayleigh衰落信道。图2-40π/4-DQPSK在有时延扩散和多普勒频移的衰落信道下的性能第2章调制解调正交幅度调制技术QAM•标准QAM存在载波恢复和自动增益控制方面问题，不适合瑞利衰落信道；星型QAM可以效地叠加差分编码，性能优于标准QAM•微蜂窝系统中，LOS无线传播，QAM技术可使用。必须使用导频信号和均衡•自适应QAM调制：根据信道情况，自适应改调制的电平数量。第2章调制解调QAM图示举例•最普通的正交比特转移方法•8个不同角度的相位调制与2个信号幅度的结合第2章调制解调QAM信号第2章调制解调作业•P921、5、9