《移动通信》任务2 移动信号的产生

模块一

初识移动通信任务2移动信号的产生任务要求知识目标：理解调制技术、分集技术的原理；列举不同移动通信系统中的调制技术、分集技术作用；说出交织和编码的原理，举例说明GSM、5G系统中交织和编码技术的应用素质目标：遵守移动通信核心关键技术标准规范；养成自主学习的良好习惯；尊重他人、交流分享，积极参与小组协作任务。知识点1调制技术知识点2分集技术知识点3交织和编码目录调制技术和解调技术什么是调制？什么是解调？调制与解调的目的是什么？调制与解调的定义

调制的目的是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号。该信号称为已调信号。调制过程用于通信系统的发端。在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，该过程称为解调。按照调制器输入信号(该信号称为调制信号)的形式，调制可分为模拟调制(或连续调制)和数字调制。模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制(或改变)载波(正弦波)的振幅、频率或相位，从而得到调幅(AM)、调频(FM)或调相(PM)信号。数字调制是利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。常用的数字调制有：幅度键控（ASK）、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)等。

移动信道的基本特征移动通信信道的基本特征是：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。数字调制技术的特点移动通信中的数字调制技术应具有以下特点：（1）在信道衰落条件下，误码率要尽可能低。（2）发射频谱窄，对相邻信道干扰小。（3）高效率的解调，以降低移动台功耗，进一步缩小体积和成本。（4）能提供较高的传输速率。（5）易于集成。电磁波谱目前已在数字蜂窝移动通信系统中得到广泛应用的数字调制方案分为如下两类：（1）恒包络调制技术。例如：2FSK、MSK、GMSK等。具有带外辐射低、接收机电路简单等优点，但其频带利用率比线性调制技术稍差一些。（2）线性调制技术。例如：QPSK、π/4-QPSK、MPSK等。具有频带利用率高的特点。恒包络调制设输入到调制器的比特流为｛an：11001000101｝,FSK的输出信号波形为：即当输入为传号“+1”时，输出频率为f1的正弦波；当输入为空号“0”时，输出频率为f2的正弦波。1.2FSK恒包络调制2.最小移频键控(MSK)

MSK：(MinimumShiftKeying)是一种特殊形式的FSK，其频差是满足两个频率相互正交(即相关函数等于0)的最小频差，并要求FSK信号的相位连续。式中

MSK的信号表达式为

其频差f’=fm-fs=1/2Tb,频偏为则调制指数为式中，Tb为输入数据流的比特宽度。

MSK信号的特点（1）已调信号振幅是恒定的；（2）频率偏移严格符合±1/4Tb,调制指数为h=1/2；（3）附加相位在一个码元时间的线性变化±π/2；（4）一个码元时间是1/4个载波周期的整数倍；（5）在码元转换时刻，信号的相位是连续的。

知识拓展举例：假设输入序列｛ak｝为{-1，-1，+1，-1，+1，+1，+1，-1，+1}，信息速率为1000bps，载频为1000Hz。问：1）+1和-1所对应的载波频率分别是多少？

2）在一个码元周期内各包含多少个高频载波周期？

3）试画出MSK信号的波形图和附加相位图。MSK信号可以由FM调制器来产生，MSK信号在码元转换时刻虽然保持相位连续，但相位变化是折线，在码元转换时刻会产生尖角，使其频谱特性的旁瓣滚降缓慢，带外辐射也相对较大。尽管MSK信号已具有较好的频谱特性和误比特率性能，但仍不能满足功率谱在相邻频道的取值（即邻道辐射）低于主瓣峰值60dB以上的要求。这就要求在保持MSK基本特性的基础上，对MSK的带外频谱特性进行改造，加快其衰减速度。GMSK图2-5GMSK调制原理图GMSK的功率谱密度GMSK的功率谱密度线性调制技术1.BPSK

在BPSK中，载波信号的相位随着两种可能的信息状态（1或0）的变化而变化。通常用已调信号载波的0°和180°分别表示1和0。BPSK信号波形图QPSK图2-8相位配置矢量图图2-10QPSK相位转移图OQPSK

为了避免QPSK中出现的过零点的180°相位跳变，可采用OQPSK，其调制器与QPSK不同之处在于在Q支路增加了延时电路（1比特宽），这样I支路与Q支路错开了一个比特的时间，从而使OQPSK的相位转移不存在180°相位跳变。图2-11OQPSK相位转移图π/4-QPSK图2-12π/4-QPSK相位转移图正交振幅调制技术QAM是将调幅和调相结合起来的一种调制技术。在给定进制数M和误码率条件下，在功率效率方面，要优于MPSK，但设备要复杂一些。可以用星座图来描述QAM的信号空间分布状态。

图2-134QAM、16QAM和64QAM星座图多载波调制技术OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用，是一种能够充分利用频谱资源的多载波传输方式。常规频分复用与OFDM的信道分配情况如图2-14所示。可以看出OFDM至少能够节约二分之一的频谱资源。

图2-14常规频分复用与OFDM的信道分配多载波调制技术OFDM的主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，如图2-15所示。

图2-15OFDM基本原理知识点1调制技术知识点2分集技术知识点3交织和编码目录分集技术

所谓分集接收，是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立(携带同一信息)的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并(包括选择与组合)以降低衰落的影响。分集技术选择式分集合并示意图为说明问题，下图给出了一种利用“选择式”合并法进行分集的示意图。图中，A与B代表两个同一来源的独立衰落信号。分集技术的分类分集技术的分类有多种：若按照“分”划分：空间分集、频率分集、时间分集等；若按照“集”划分：选择式合并、等增益合并和最大比值合并；若按照信号传输的形式进行划分：显分集和隐分集；按照针对不同衰落划分：宏分集和微分集。分集技术（1）空间分集原理：空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的。分集技术（2）频率分集原理：由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。分集技术（3）时间分集原理：快衰落除了具有空间和频率独立性之外，还具有时间独立性，即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。要求数字信号的重发时间间隔大于相干时间。疑问：时间分集是否适用于静止的物体？为什么？GSM系统的分集技术时间分集频率分集空间分集极化分集多径分集编码,交织跳频多单极化天线双极化天线均衡器tf分集合并方式

接收端收到M(M≥2)个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。一般均使用线性合并器，把输入的M个独立衰落信号相加后合并输出。假设M个输入信号电压为r1(t)，r2(t),…，rM(t)，则合并器输出电压r(t)为：式中，ak为第k个信号的加权系数。选择式合并选择式合并是指检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。由上式可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项为1，其余均为0。最大比值合并由于信号强的支路贡献多，而信号弱噪声强的支路被很好抑制，因而最大比值合并是一种比较理想的合并方式。

每一支路信号包络rk(t)用rk表示。每一支路的加权系数ak与信号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比，即：由此可得最大比值合并器输出的信号包络为：式中，下标表征最大比值合并方式。等增益合并等增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加。等增益合并器输出的信号包络为：三种合并方式比较知识点1调制技术知识点2分集技术知识点3交织和编码目录信道编码信号在传输过程中，主要有两种差错：随机差错：错码的出现是随机的，偶尔有一个或几个。

突发差错：错码是成串集中出现的。信道编码交织信道编码信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰，而专门设计的一类抗干扰技术和方法。信道编码在信息序列上附加上一些监督码元，利用这些冗余的码元，使原来不规律的或规律性不强的原始数字信号变为有规律的数字信号；接收端解码时则利用这些规律性来鉴别传输过程是否发生错误，或进而纠正错误。从功能上：检错码（例如CRC码、ARQ自动重传请求等）、纠错码（例如BCH码、RS码、卷积码、Turbo码等）和混合码（例如混合ARQ，即HARQ）。从结构和规律上：线性码和非线性码。

……线性分组码线性分组码中的分组是指编码方法是按信息分组来进行的，而线性则是指编码规律即监督位（校验位）与信息位之间的关系遵从线性规律，一般记为（n,k），其中n表示码长，k表示信息位数，则监督码元长度为n-k。例如（7，3）表示编码器输出的码组长度为n=7，输入编码器的信息位长度k=3。卷积码分组码的码长一般都比较大，译码时必须把整个信息码组存储起来，由此产生的译码时延随分组码码长的增加而增加，为了减少这个延迟，卷积码就是一种较好的解决方案。卷积码以编码规则遵从卷积运算而得名，一般记为（n，k，m），其中k表示每次输入编码器的位数，n则为每次输出编码器的位数，m表示编码器中寄存器的个数，其约束长度为m+1位。每时刻输出的n位码元不仅与该时刻输入的k位码元有关，还与m级寄存器记忆的以前若干时刻输入的信息码元有关，所以其是非分组的有记忆编码。编码技术

当无线电波到达两种不同介质界面时，将有部分能量反射到第一种介质中（即反射线），另一部分能量透射到第二种介质中（即透射线或折射线），如图1-15所示。Turbo编码香农编码定理指出：如果采用足够长的随机编码，就能逼近香农信道容量。但传统的编码都有规则的代数结构，远远谈不上“随机”，同时出于对译码复杂度的考虑，码长也不可能太长，所以传统的编码性能与信道容量之间有较大的差距。

1993年，两位法国教授和他们的缅甸籍博士生在ICC会议上发表的论文中提出了一种全新的编码方式即Turbo码，它将两个简单分量码通过伪随机交织器并行级联来构造具有伪随机特性的长码，使得它的纠错能力和抗干扰能力远远超过了其他的编码方式。交织技术隐分集技术主要有交织编码、扩频、调频等。交织编码主要用来纠正突发差错，即使突发差错分散成为随机差错而得到纠正。通常，交织编码与各种纠正随机差错的编码(如卷积码或其它分组码)结合使用，从而具有较强的既能纠正随机差错又能纠正突发差错的能力。交织编码不像分组码那样，它不增加监督元，亦即交织编码前后，码速率不变，因此不影响有效性。在移动信道中，数字信号传输常出现成串的突发差错，因此，数字化移动通信中经常使用交织编码技术。信道编码举例床前明月光春眠不觉晓白发三千丈红豆生南国编码床床前前明明月月光光春春眠眠不不觉觉晓晓白白发发三三千千丈丈红红豆豆生生南南国国传输床？前前明明月月光光春春眠眠？不觉觉晓晓白白发发三三？千丈？红红豆豆生生南？国国解码信道编码适合纠正非连续的少量错误信道编码举例床前明月光春眠不觉晓白发三千丈红豆生南国编码床床前前明明月月光光春春眠眠不不觉觉晓晓白白发发三三千千丈丈红红豆豆生生南南国国传输床床前前明？？？？？？？？？？不觉觉晓晓白白发发三三？千丈？红红豆豆生生南？国国解码解码床前明？？？？不觉晓白发三千丈红豆生南国交织技术的优缺点x1x6x11x16x21x2x7…x22x3x8…x23x4x9…x24x5x10…