移动通信关键技术

1、广州大学华软软件学院移动通信技术移动通信技术第3章 关键技术l语音编解码技术 l扩频通信l分集接收技术l链路自适应技术lOFDM技术l软件无线电技术l智能天线lMIMO技术l联合检测l认知无线电技术（RC） 语音编码技术是将语音波形通过采样、量化，然后利用二进制码表示出来，即是将模拟信号转变为数字信号，然后在信道中传输；语音解码技术是上述过程的逆过程。主要分为:1 波形编码2 参数编码3 混合编码复习在通信系统中，原始电信号一般含有直流成分和频率较在通信系统中，原始电信号一般含有直流成分和频率较低的频谱分量，称为低的频谱分量，称为。基带信号往往不能直接。基带信号往往不能直接作为传输信号，必须将

2、基带信号转换成适合信道传输的作为传输信号，必须将基带信号转换成适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换。这个变换和反变换分别信号，并在接收端进行反变换。这个变换和反变换分别称为称为调制和解调调制和解调。经过调制的信号称为已调信号或频带。经过调制的信号称为已调信号或频带信号，它携带信息，而且更适合在选定的信道中传输。信号，它携带信息，而且更适合在选定的信道中传输。什么是调制与解调什么是调制与解调? 移动通信的调制解调技术 语音编码技术把它变换为0与1的二值信息。发信端发送的信息是0与1的组合,即基带信号. 移动通信的调制解调技术 进行无线传输时,因基带信号本身频率很低,故不能照搬原样以电波形式发

3、射出去,即使作为电波发射时,有两处以上同时发射就会相互干扰无法进行通信。 为了以电波形式发射信号,需要把基带信号变为高频正弦波信号,这种处理方法称为调制。通过调制把基带信号能量的大部分转移到正弦高频分量上,以电波形式发射出去。另外,如果每个发信机正弦波的频率不同,即使多个发信机同时发射信号,接收方也不会有干扰。 移动通信的调制解调技术 原理：用数字信号控制载波的参数，使已调信号适合于信道传输。分类：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)三种基本形式内容：时域表达式、波形图；频域表达式、频谱图；调制解调器框图、调制解调器工作原理的数学描述。 移动通信的调制解调技术 二进制数字

4、调制原理: 二进制振幅键控（2ASK) 二进制频移键控（2FSK) 二进制相移键控（2PSK) 二进制差分相移键控（2DPSK) 移动通信的调制解调技术 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK) 振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。 设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为:tnTtgatecSnncos)()(0其中: an=0, 发送概率为P an=1 , 发送概率为1-P )()(SnnnTtgats令则ttsteccos)()(0波形与

5、调制器:载波信号2ASK信号s(t)1011Tb001ttt乘 法 器coscte2ASK(t)(a)cosct开 关 电 路s(t)e2ASK(t)(b)s(t) 二进制振幅键控信号调制器原理框图解调器:e2ASK(t)带通滤波器全波整流器低通滤波器抽样判决器输出abcd定时脉冲(a)e2ASK(t)带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出cosct(b)2ASK频谱:设 e0(t)的功率谱为PE(f)，s(t)的功率谱为Ps(f)，则tnTtgatecSnncos)()(0ttsccos)()()(41)(fcfPsfcfPsfPE2)()1 ()(fGPPffPss)()()1

6、(2smssmffmfGPfsfTjsssefTfTTfGsin)(22)()(sin)()(sin16)(scscscscsETffTffTffTffTfP)()(161ccffff二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK) 正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号（2FSK信号）。 二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。 若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为)cos()()(10nSnntTntgate)cos()(2nnSntnTtgaFSK波形a

7、ak1011001ts(t)ts(t)bttcdettfgt2FSK信 号2FSK信号产生:振 荡 器 1f1选 通 开 关反 相 器基 带 信号选 通 开 关振 荡 器 2f2相 加 器e2FSK(t)2FSK信号非相干解调:e2FSK(t)带通滤波器1包络检波器抽样判决器输出定时脉冲带通滤波器包络检波器(a)e2FSK(t)带通滤波器1低 通滤波器抽样判决器输出定时脉冲带通滤波器低通滤波器相乘器相乘器cos1tcos2t(b)2FSK信号相干解调:2FSK信号功率谱 2FSK信号可以看作载频分别为f1和f2的两个2ASK信号的迭加，因此功率谱是两个2ASK信号功率谱的迭加。二进制相移键控（

8、二进制相移键控（2PSK)在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。 通常用已调信号载波的 0和 180分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。 二进制移相键控信号的时域表达式为tnTtgatecSnncos)()(0an=1, 发送概率为P-1, 发送概率为1-P 在一个码元期间，则有 e2PSK(t)=cosct, 发送概率为P -cosct, 发送概率为1-P若用n表示第n个符号的绝对相位，则有 n= 0, 发送 1 符号 180, 发送 0 符号A ATstOs(t)码型变换双极性不归零乘法器e2PSK(t)cosct(

9、a)cosct0开关电路e2PSK(t)180 移相s(t)(b)2PSK信号波形与产生:2PSK信号的解调:带 通滤 波 器e2PSK(t)a相 乘 器c低 通滤 波 器dbe抽 样判 决 器输 出cosct定 时 脉 冲10a110100bcde 2PSK信号的解调采用相干解调， 解调器原理图如上图。 2PSK信号相干解调各点时间波形如上图所示。 当恢复的相干载波产生180倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象通常称为“倒”现象。2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为，可

10、定义一种数字信息与之间的关系为 =0, 表示数字信息“0” , 表示数字信息“1”例 数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 1 02DPSK信号相位： 00 000 0或 00 0 0 0差分相移键控差分相移键控 (2DPSK)2DPSK信号调制器原理图：cosct0开 关 电 路e2DPSK(t)180 移 相s(t)码 变 换绝 对 码相 对 码载 波DPSK信 号10110010DPSK信号调制过程波形图：2DPSK相干解调器及各点波形：带通滤波器e2DPSK(t)a相乘器c低通滤波器dbe抽样判决器输出cosct定时脉冲码反变换器fabcdef1011000差分相干解调器原理和各

11、点波形：带通滤波器a相乘器c低通滤波器dbe抽样判决器定时脉冲延迟 TsabcdeDPSK信号二进制信息10001102PSK与2DPSK信号功率谱： 2PSK与2DPSK信号有相同的功率谱。若 2PSK信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与正弦载波相乘，则2PSK信号的功率谱为： P2PSK(f)= 包括离散谱和连续谱。结构与2ASK的功率谱相似，带宽也是基带信号带宽的二倍。当“1”和“0”等概相时，不存在离散谱。)()(sin)()sin(422ScScScScSTffTffTffTffT2PSK(2DPSK)功率谱密度： fcOfcfP2PSK( f )2fs4Ts多进制调相 多进制数

12、字调相利用载波的多种不同相位来表征数字信息。分为绝对移相和相对(差分)移相两种。 多相调制的波形可以看作是两个正交载波多电平双边带调制所得信号之和。由此得出，多相调制信号的带宽与多电平双边带调制时的相同。 常用的是四相制和八相制。 四相制可以表示两个比特二进制数字信息 四相移相键控分为： 绝对移相键控(4PSK 或 QPSK) 相对移相键控(4DPSK或OQPSK) 移动通信的调制解调技术 四相移相键控四相移相键控(QPSK)调制调制 下图为相干QPSK解调器框图。输入带通滤波器滤除带外噪声和邻道干扰，滤波器输出端信号分成两部分，分别用同相和正交载波相干解调，之后两路信号通过低通滤波、比特模拟

13、数字(AD)转换器再生出同相和正交基带信号。这两个信号流通过一个并/串(P/S)变换器再组合形成最初的比特流。载波恢复环路提供与接收未调信号同步的同相正交载波。 大多数实际的载波恢复电路在恢复载波过程中将产生一个相位模糊度。对QPSK系统很可能出现四相位模糊，产生严重的误比特率。为清除相位模糊，可在调制器中使用差分编码器，在解调器中使用差分解码器。下图给出了差分QPSK解调器框图。一个未滤波QPSK信号的功率谱密度为：式中C为通过电阻的归一化平均信号功率，为比特持续时间。 假定调制器中使用了具有升余弦函数均方根特性、滚降系数为 (最佳特性时)的频谱成形滤波器，则很容易得到QPSK信号滤波后的频

14、谱，如下图所示。图中曲线(a)是未滤波QPSK频谱，曲线(b)是带幅度均衡器的滚降系数为的升余弦函数的幅度响应，曲线(c)是已滤波QPSK频谱只存在加性高斯白噪声(AWGN)，且无符号间干扰(ISI)时的幅度响应。 /4移位移位QPSK(/4-QPSK)调制调制 /4移位QPSK的信号元素可看成是从两个彼此相移/4的信号星座图中交替选样出来的。 /4移位QPSK调制器框图示于下图。 信号映射电路输出端的第k个同相和正交脉冲由它的前一个脉冲电平Ik-1 、Qk-1及输入符号ak 、bk决定。 kkkkkQIIsincos11kkkkkQIQcossin11而ak 、bk反过来与已调信号的相位变化

15、有关，如下表，该调制器的其它部分同QPSK调制器。/4QPSK系统相移与信息比特关系7 7/4/45 5/4/43 3/4/4/4/4 相移1 01 01 11 10 10 10 00 0信息比特ak bk /4移位QPSK的解调可用下面差分检测方法之一实现。 (1)基带差分检测： 该方法的差分解码是在已恢复的同相和正交基带信号上进行的，如图所示。它须使用本机振荡器，但不需相位相干检测。因为相位误差已在基带差分检测中去掉。 (3)限幅FM鉴频器检测：如下图所示。FM鉴频器提取接收信号的瞬时频偏。积分-泄放电路对每一符号持续期上的频偏积分，积分取两个抽样瞬相位差。最后，用4-电平门限比较器检测输

16、出相位差。 美国数字蜂窝移动通信系统（IS-54）采用的是滚降系数 a0.35的/4移位QPSK调制方案，该系统突发传输信号比特率为48.6kbit/s，信道带宽为30kHz，谱效率为1.62bit/s/Hz。日本的系统采用的是滚降因子a=0.5的/4移位QPSK技术，其突发传输比特率和实际信道带宽分别为42Kbit/s和25kHz，带宽效率为1.68bit/s/Hz。高斯最小移频键控高斯最小移频键控(GMSK) GMSK是一种恒包络调制方案，其优点是能在保持谱效率的同时维持相应的同波道和邻波道干扰，且包络恒定，所以可用简单高效的C类放大器实现。GMSK的基本原理是基带信号先经过高斯滤波器成形

17、，再进行最小移频键控调制（MSK）。 MSK是二进制连续相位移频键控（FSK）的一个特例，而GMSK主要是改进了它的带外特性，使其衰减速度加快。MSK调制器可用压控振荡器（VCO）或正交形式实现，如下图所示，解调器可用相干检测实现，也可用非相干检测实现，如一比特差分检测和二比特差分检测等。 GMSK调制器的一个简单实现方法就是用带调制前加高斯成形LPF，用VCO来实现，如图3-15所示。由图可见，VCO输出已调波的频谱由LPF的特性来决定， LPF的输出直接对VCO调频，以保持已调波包络恒定和相位连续。 GMSK的解调可采用类似于MSK方式的正交相干解调技术，也可使用非相干检测解调技术，如差分

18、解调和鉴频器解调等。泛欧数字蜂窝移动通信系统(GSM)采用了的GMSK调制。该系统突发信号速率为270Kbit/s,带宽为200KHz,带宽效率为1.356bit/s/Hz。 多进制正交振幅调制（多进制正交振幅调制（MQAM） 单独使用振幅或相位携带信息时，不能最充分地利用信号平面，这可以由矢量图中信号矢量端点的分布直观观察到。多进制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布；多进制相位调制时，矢量端点在一个圆上分布。随着进制数M的增大，这些矢量端点之间的最小距离也随之减少。但如果充分地利用整个平面，将矢量端点重新合理地分布，则有可能在不减小最小距离的情况下，增加信号矢量的端点数目。基于上述概念可以引

19、出振幅与相位相结合的调制方式，这种方式常称为数字复合调制方式。一般的复合调制称为幅相键控（APK），两个正交载波幅相键控称为正交振幅调制（QAM）。 QAM信号的时域表示： APK是指载波的幅度和相位两个参量同时受基带信号的控制，APK信号一般表示式为)cos()()(nobnnAPKtwnTtgats式中，an是基带信号第n个码元的幅度，n是第个码元，为信号的初始相位，g(t)是幅度为1宽度为Tb的单个矩形脉冲。 利用三角公式将上式进一步展开，得到信号的表达式：00( )()coscos()sinsinQAMnbnnbnnnSta g tnTwta g tnTwtAdaYAcaXnnnnnn

20、nnsincos令式中，A是固定的振幅，（cn，dn）由输入数据确定。（cn，dn）决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。twnTtgYtwnTtgXtSnbnnbnQAM00sin)(cos)()(twtmtcowwtmQ001sin)()(可见，QAM信号是由两路相互正交的载波叠加而成的，两路载波分别被两组离散振幅mI（t）和mQ（t）所调制，故称正交振幅调制。通常，称为同相分量，称为正交分量。当进行M进制的正交振幅调制时，可记为MQAM。星座图 通常，把信号矢量端点分布图称为星座图，用来描述信号空间分布状态。 16QAM的星座图的星座图 若信号点之间的最小距离为2A，且所有信号点等概率出现，则平均发射信号功率为2221()MsnnnAPcdM对于方型16QAM，信号平均功率为：22122210)18410824(16)(AAdcMAPMnnns对于星型16