第三章 移动通信关键技术(1) [兼容模式]

1桂林电子科技大学1第三章移动通信的关键技术教学内容：高效数字调制与解调技术语音编/解码技术抗衰落技术多载波传输技术多址技术与系统容量桂林电子科技大学2教学目标：理解无线通信技术的基本理论理解抗衰落技术的基本方法参考书目：[1]李建东等编著.移动通信（第四版）.西安：西安电子科技大学出版社，2006[2]吴伟陵等编著.移动通信原理.北京：电子工业出版社，2005[3]郭梯云等编著.数字移动通信（修订本）.北京：人民邮电出版社，2001桂林电子科技大学33.1高效数字调制与解调技术移动信道对数字调制技术的要求MSK技术GMSK技术QPSK技术技术QAM技术4QPSK桂林电子科技大学43.1.1概述一、意义数字信号在移动信道上传输的前提条件。数字调制方式的发展：4QPSK桂林电子科技大学5二、移动信道对数字调制技术的要求1、移动信道的特点频谱资源有限干扰和噪声影响严重信道衰落严重桂林电子科技大学62、基本要求较高的频谱利用率。表现为已调信号主瓣窄，旁瓣衰落快。例如：GSM:GMSK:Bw=200kHz,R=270.833kb/s,1.35b/s/HzPDC::Bw=30kHz,R=48.6kb/s,1.6b/s/Hz抗干扰和抗衰落能力强，功率利用率高，高频功放电路实现难度低（采用恒包络调制技术）4QPSK2桂林电子科技大学73.1.2MSK技术一、MSK调制的主要特点：恒包络调制相位连续最小频移键控3.1.2MSK技术桂林电子科技大学8二、MSK表达式0()cos[]2mskkkbyttutxT输入数据：uk=±1码元宽度：Tbxk为保证t＝kTb时，相位连续而加入的相位常数(1)bbkTtkT3.1.2MSK技术桂林电子科技大学9已调信号瞬时相位：已调信号瞬时频率：0()2kkkbttutxT1212()()ckbckbuTkkuTdttdt3.1.2MSK技术桂林电子科技大学10即，MSK副载波频率：uk=＋1对应f1=fo+1/4Tb=fo+fs/4uk=－1对应f２=fo-1/4Tb=fo-fs/4则，△f=f1-f2=fs/2=1/2TbMSK调制指数：h=△f/fs=△f﹒Tb=0.53.1.2MSK技术桂林电子科技大学11保持已调信号在t＝kTb时刻，相位连续的条件由相位条件：代入，得到1()()kbkbkTkT11()kkkkxxuuk11110,1,2,kkkkkkxuuxkuuk结论：已调信号在t＝kTb时刻的相位常数取决于前一比特区t＝(k-1)Tb时刻的相位常数，以及当前时刻输入的比特值。3.1.2MSK技术桂林电子科技大学12相对于载波相位，有进一步分析，在一个码元区间内，()2kkkbtutxT1212()()[(1)]kkkbkbkbuukTkTkT3.1.2MSK技术3桂林电子科技大学133/20－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1＋1Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7Tb8Tb9Tb0akxk(t)t/2－/2－－3/2－2－5/2－3－2－3－3－3－44MSK的相位轨迹3.1.2MSK技术桂林电子科技大学14Tb2Tb4Tb6Tb8Tb9Tb(t)t23/2/20－/2－－3/2－27Tb5Tb3TbMSK的可能相位轨迹3.1.2MSK技术桂林电子科技大学15MSK的输入数据与各支路数据及基带波形的关系012345678910111213141516－1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1009＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1＋1Tb6Tb7Tb8Tb9Tb13Tb14Tb15Tb6Tb7Tb8Tb9Tb10Tb13Tb14Tb16TbTbkdkakxkcosxkakcosxk－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1－1b2coscosTtxk777－7－74－4－4－4－3－3－3－22Tb2Tb3Tb3Tb4Tb4Tb5Tb5Tb10Tb11Tb11Tb12Tb12Tb15Tb16Tbb2sincosTtxakk桂林电子科技大学16三、MSK调制与解调器ttTxattTxxtaTttScbkkcbkkkbcsin2sincoscos2coscos)2cos()(串/并差分编码Tbcosctsinct∑＋－yMSK(t)TbakdktTb2costTb2sinMSK调制器框图3.1.2MSK技术桂林电子科技大学17bc2121Tf锁相环÷2bc2122Tf锁相环÷2∑∑＋－平方器相干载波提取LPF取样判决交替门LPF取样判决BPFTb差分译码＋－sin2sin2btT－ctct＋－cos2cos2btTMSK相干解调框图3.1.2MSK技术桂林电子科技大学18四、MSK功率谱1.02.03.04.0(f－fc)TbMSKQPSK功率谱密度/dB0－10－20－30－40－50－600.50.75功率谱特点：1）主瓣宽度：f–fc=0.75fs，带宽：Bmsk＝1.5fs2）功率谱包络以[(f-fc)Tb]-4衰减，较QPSK快，但仍不能满足无线通信带外衰减60dB的要求。3.1.2MSK技术4桂林电子科技大学193.1.2MSK技术问题与对策：问题：功率谱中旁瓣较大，带外辐射不能满足要求。原因：相邻码元间相位变化太大。措施：加前置预调滤波器，进一步平滑相位变化，削减旁瓣能量。桂林电子科技大学203.1.3GMSK技术1）GMSK原理一、预调滤波器设计1、预调滤波器基本要求窄带截止特性陡峭冲剂响应过冲小滤波器输出脉冲面积为常数，且对应的一个码元内载波相移为π／2预调制滤波器输入数据不归零(NRZ)FM调制器调制指数为0.5桂林电子科技大学21高斯滤波器：Bb为高斯滤波器3dB带宽其矩形脉冲响应：g(t)=ha(t)*x(t)bBtth2ln2)exp()(222222()()()22ln2ln21()exp(/2)2bbbbtBTBTgtQtQtQtd式中桂林电子科技大学222、高斯滤波器性能与BbTb关系：BbTb≤1，效果显著，引起ISIBbTb＝∞，相当于MSKBbTb1，效果不明显o0.20.40.60.81.00.70.40.30.250.2Tb2Tb－Tb－2TbtBbTb＝∞g(t)高斯滤波器的矩形脉冲响应桂林电子科技大学23BbTb＝∞BbTb＝0.5BbTb＝0.25BbTb＝0.23、BbTb与ISI关系桂林电子科技大学24二、GMSK调制器()cos[()]cos()22cos()cossin()sinctbcnbbccStttTtagnTdTttttcos[(t)]表…地址产生输入数据D/ALPF象限计数器…sin[(t)]表…D/ALPFcosctsinct∑y(t)正交调制器波形存储正交调制法产生GMSK信号5桂林电子科技大学25三、GMSK信号的相位轨迹0/2－/2－(t)MSKGMSKt/Tb12345678桂林电子科技大学262）GMSK信号的功率谱分析一、功率谱密度1、特点BbTb小，旁瓣衰落极快，但误码率增加。相对于MSK归一化带宽较窄。BbTb＝0.5887时，ISI造成的误码率最小。GSM标准：BbTb＝0.30－20－40－60－80－100－12000.51.01.52.02.5归一化频率：(f－fc)Tb0.40.30.20.250.161.00.70.5BbTb＝∞(MSK)功率谱密度/dB桂林电子科技大学27二、归一化带宽归一化带宽=(f-fc)Tb(指定百分比功率)GMSK信号带宽=2×归一化带宽×fb桂林电子科技大学28三、GMSK信号的邻道干扰∆fTb一定的条件下，BbTb越小，邻道干扰越小。BbTb一定的条件下，∆fTb越大，邻道干扰越小。00.51.01.52.02.5fTb(f为信道间隔)－120－100－80－60－40－2001.0BbTb＝∞(MSK)0.50.40.30.250.20.16邻道干扰/dB0.7GMSK信号对邻道的干扰功率桂林电子科技大学29GSM标准中，对发射机输出功率谱的要求：桂林电子科技大学303）GMSK解调与误码性能一、1比特差分解调技术中频滤波器输出的中频信号：SIF(t)=R(t)cos［ωct+θ(t)］中频滤波器GMSK迟延TbLPF取样判决相移2kaˆ6桂林电子科技大学31反映了一个比特区间内相位变化的状况()bT在不计输入噪声与干扰的情况下，相乘器的输出为R(t)cos[ωct+θ(t)]·R(t-Tb)sin[ωc(t-Tb)+θ(t-Tb)]经LPF后的输出信号为)()()()(sin)()(21)(bbbbcbTttTTTTtRtRtY桂林电子科技大学32取ωcTb=2kπ,进行抽样判决由于R(t)0,并取并取判决门限为零，则判决规则为：Y(t)0判为an=+1对应着Y(t)0判为an=-1对应着()2bT()2bT)(sin)()(21)(bbTTtRtRtY桂林电子科技大学33二、2比特差分解调技术(2)bT中频滤波器GMSK迟延2TbLPF取样判决kaˆ)2()()()()2()()2()2(2cos)2()(21)(bbbbbbbcbTtTtTttTtTTTTTtRtRtY反映了2个比特区间内相位变化的状况桂林电子科技大学34相似地，MSK和GMSK可能的相位路径：()cos[(2)]bytT桂林电子科技大学35对于MSK信号的抽样判决可以采用如下规则：在2Tb区间内，有对应ak-1ak=+1+1/-1-1则有判决为“+1+1或-1-1”同样，对应ak-1ak=+1-1/-1+1判决为“+1-1或-1+1”(2)0bT()cos[(2)]10bytT(2)bT()cos[(2)]10bytT桂林电子科技大学36类似地，GMSK信号的抽样判决采用如下规则：在2Tb区间内，有对应ak-1ak=+1+1/-1-1则有判决为“+1+1或-1-1”同样，对应ak-1ak=+1-1/-1+1判决为“+1-1或-1+1”3(2),(),(2)42bT()cos[(2)]0bytT(2)0,()4bT()cos[(2)]0bytT采用差分编码方案，可以进一步分析判断2Tb区间内的两个码元。7桂林电子科技大学37桂林电子科技大学38三、GMSK误码性能(1)相干解调性能1、理论性能在加性高斯白噪声条件下，信噪比较高时，GMSK相干解调的误码率BER下界：dmin是Hilbert空间中，码元“＋1”和“－1”对应的信号波形u+1(t)和u-1(t)的最小距离。min1[]22eodPerfcN桂林电子科技大学39dmin取值与BbTb有关系桂林电子科技大学402、实验性能桂林电子科技大学41二、差分解调性能结论：2比特差分方案误码性能明显优于1比特差分方案。例如：BbTb＝0.25,在相同BER条件下，2比特差分方案误