移动通信第4章_移动通信中的数字调制与解调

重庆大学ChongqingUniversity12019年8月15日星期四移动通信系统第四章移动通信中的数字调制与解调重庆大学ChongqingUniversity22019年8月15日星期四第四章移动通信中的数字调制与解调主要内容：4.1移动通信系统的物理模型4.2调制/解调的基本功能及要求4.3调制技术的基本概念4.4数字调制技术4.5扩频调制技术4.6MQAM调制技术重庆大学ChongqingUniversity32019年8月15日星期四从本章开始讨论传输的可靠性问题，首先讨论调制理论。无线通信系统中所采用的调制方式多种多样，从信号空间观点来看，调制实质上是从信道编码后的汉明空间到调制后的欧式空间的映射或变换。这种映射可以是一维的，也可以是多维的，既可以采用线性变换方式，也可以采用非线性变换方式。本章我们首先引入移动通信系统的抽象物理模型，然后从最基本的调制方式开始讨论，主要侧重各种调制方式接收性能。同时结合各类无线通信系统，介绍实际应用的调制方式的基本原理和结构。本章概述重庆大学ChongqingUniversity42019年8月15日星期四在第二章中已较详细分析过移动信道，本章将针对传输的可靠性问题将移动信道与移动通信系统结合起来分析。在移动通信中，若假设信道满足线性时变特性，则根据不同环境条件，可以给出下列各种类型的移动信道与相应的移动通信系统的物理模型，如下图所示。4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity52019年8月15日星期四输出时变信道×+××××××××××去噪声Rake接收等空间分集等输入时间逆时变信道快衰落信道（选择性衰落）逆阴影衰落信道时变因子t交织编码等信道估计频率空间频率扩散因子时间扩散因子阴影衰落信道AWGN信道角度扩散因子阴影衰减因子噪声1anb3a2a逆AWGN信道11-C)(tC5C4C3C2C1C12-C逆快衰落信道（逆选择性衰落信道）13-C14-C15-C)(1tC-功率控制等1S2S3S4S5S6SAWGN信道及系统阴影衰落信道及系统平坦衰落信道及系统频率选择性衰落信道及系统时间/频率选择性衰落信道及系统时变的时间/频率选择性衰落信道及系统4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity62019年8月15日星期四4.1.1理想加性白色高斯(AWGN)信道C1移动通信中研究AWGN信道C1的目的首先是由于它是最基本、最典型的恒参信道，是研究各类信道的基础。实际的移动信道是具有时变特性的衰落信道，提高这类信道的抗干扰性能主要有两类方法：一类是适应信道，另一类是改造信道，即将信道改造为AWGN信道，这时研究AWGN信道将更具有实际的现实意义。4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity72019年8月15日星期四4.1.2慢衰落信道C2慢衰落信道是移动信道区别于有线信道的最基本特征之一，也是进一步研究各类快衰落信道的基础，慢衰落信道在有些文献资料中称为中尺度或大尺度传播特性，或称为阴影衰落信道。克服慢衰落的典型方法有：1.对电路交换型业务，特别是话音业务采用功率控制技术；2.对于分组交换型业务，特别是数据业务采用自适应速率控制更合适。这些自适应技术将在后面章节进一步讨论。4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity82019年8月15日星期四4.1.3快衰落信道C3、C4、C5与C6在一些文献中称它们为小尺度传播特性，快衰落是移动信道最主要的特色，它又可划分为下列三类：由于传播中天线的角度扩散引起的空间选择性衰落，其最有效的克服手段是空间分集和其他空域处理方法。由于多径传播带来的时延功率谱的扩散而引起的频率选择性衰落，它在宽带移动通信中尤为突出。其最有效的克服方法有自适应均衡、正交频分复用(OFDM)以及CDMA系统中的RAKE接收等。4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity92019年8月15日星期四由于用户高速移动导致的频率扩散即多普勒频移而引入的时间选择性衰落。它在高速移动通信尤为突出。其最为有效的克服方法是采用信道交织编码技术，即将由于时间选择性衰落带来的大突发性差错信道改造成为近似性独立差错的AWGN信道。上述三种类型快衰落信道可分别记为C3、C4和C5。若将时变因子单独予以考虑，则可以构成时变信道C6。但是实际的衰落信道特别是各类快衰落信道与时变特性是密不可分的，仅有慢衰落的时变特性可以单独予以考虑。4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity102019年8月15日星期四上述移动信道物理模型在实际问题中往往可以分为下列四个常用信道模型：1.AWGN信道模型：这类信道服从正态(高斯)分布，是恒参信道中最典型的一类信道，也是无线移动信道等变参信道的努力方向和改造目标。2.阴影衰落信道：这类信道服从对数正态分布，它是研究无线移动信道的基础。4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity112019年8月15日星期四3.平坦瑞利衰落信道：这类信道遵从瑞利或者莱斯(RICE)分布，它是最典型的宽带无线和慢速移动的信道模型。在快衰落中仅仅考虑了空间选择性衰落。4.选择性衰落信道，它可分为两类：频率选择性衰落信道，是典型的宽带无线和慢速移动信道；时间选择性衰落信道，是典型的宽带无线和快速移动信道。4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity122019年8月15日星期四4.1.4传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能无线传输主要取决于下列因素。1.传播损耗：它是从宏观角度考虑的损耗，又称为大尺度特性。传播损耗是随着距离的2－5.5次方迅速衰减，即正比于，克服它唯一的方法是增大设备能力。比如增加发射功率，提高发送与接收天线增益等。2.慢衰落：它是由阴影效应引起的，又称为中尺度特性，慢衰落若按90％出现概率，考虑其深度大约在10dB左右，对于IS-95其特性可参见下图。这20dB就是抗慢衰落的潜在增益4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity132019年8月15日星期四4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity142019年8月15日星期四3.快衰落：它是由传输中角度域、时间域和频率域扩散而引起的空间、频率与时间选择性衰落，又称为小尺度特性。①空间选择性衰落：它是由系统及传输中角度扩散而引起的通常又称为平坦瑞利衰落。②频率选择性衰落，它是由传播中多径产生的时延功率谱即时域的扩散而引入的。③时间选择性衰落：它是由移动终端快速运动形成的多普勒频移即频域扩散而引入的以上三类快衰落及其抵抗措施与性能的改善而带来的抗衰落潜在增益和抗白噪声干扰的潜在增益可以利用下图表示。4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity152019年8月15日星期四0（dB）504540353025201510500/NEb110210310410shannon限2PSK2ASK2FSK平坦瑞利衰落（空间选择性）时频选择性衰落（非时变）时、频选择性衰落（时变信道）误码率Pe编码增益调制增益平坦瑞利衰落增益时、频选择性衰落dB87dB6dB6.28dB30增益4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity162019年8月15日星期四从以上图形及分析，可以很清楚看出，移动信道是一类极其恶劣的信道，必须采用多种抗衰落、抗干扰手段才能保证可靠通信，从总体上来看：1.对付大尺度传播特性所引入的衰耗仅能靠增大设备能力的方式。2.对付中尺度传播特性的慢衰落，一般可采用链路自适应方式，对于电路型话音业务适宜于采用功控的功率自适应；而对于分组型数据业务则适宜于链路的速率自适应。其潜在抗慢衰落能力(增益)大约为20dB左右。4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity172019年8月15日星期四对付小尺度的快衰落，对于克服平坦瑞利(空间选择性)衰落，当误码率时，大约有28dB左右的潜在增益；若再进一步考虑频率与时间选择性衰落，当时，有大于30dB潜在增益。对于加性白噪声(AWGN)信道，其调制潜在增益大约为6dB；其编码潜在增益，对于时，大约为7-8dB左右。上述分析对于慢时变信道，必需依据准确的信道估计技术，否则将带来一定程度的性能恶化。4.1移动通信系统的物理模型重庆大学ChongqingUniversity182019年8月15日星期四4.2.1调制/解调的基本功能目的：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。1.载荷信息、频谱搬移2.抗干扰特性3.频谱有效性4.调制信号的峰平比4.2调制解调的基本功能及要求重庆大学ChongqingUniversity192019年8月15日星期四综上所述，在移动通信中对调制方式的选择主要有三条：首先是可靠性，即抗干扰性能，选择具有低误比特率的调制方式，其功率谱密度集中于主瓣内；其次是有效性，它主要体现在选取频谱有效的调制方式上，特别是多进制调制；第三是工程上易于实现，它主要体现在恒包络与峰平比的性能上。4.2调制解调的基本功能及要求重庆大学ChongqingUniversity202019年8月15日星期四4.2.2数字式调制/解调的分类数字式调制是将数字基带信号通过正弦型载波相乘调制成为带通型信号。其基本原理是用数字基带信号0与1去控制正弦载波中的一个参量。若控制载波的幅度，称为振幅键控ASK；若控制载波的频率，称为频率键控FSK；若控制载波的相位，称为相位键控PSK；若联合控制载波的幅度与相位两个参量，称为幅度相位调制，又称为正交幅度调制QAM。4.2调制解调的基本功能及要求重庆大学ChongqingUniversity212019年8月15日星期四若将上述由0与1组成的基带二进制调制进一步推广至多进制信号，将产生相应的MASK、MFSK、MPSK和MQAM调制。在实际的移相键控方式中，为了克服在接收端产生的相位模糊度，往往将绝对移相改为相对移相DPSK以及DQPSK。另外在实际移相键控调制方式中，为了降低已调信号的峰平比，又引入了偏移QPSK(OQPSK)、π/4-DQPSK、正交复四相移键控CQPSK，以及混合相移键控HPSK等等。4.2调制解调的基本功能及要求重庆大学ChongqingUniversity222019年8月15日星期四在二进制基带调制之中，为了彻底消除由于相位跃变带来的峰平比增加和频带扩展，又引入了有记忆的非线性连续相位调制CPM，最小频移键控MSK，GMSK(高斯型MSK)以及平滑调频TFM等。上述各类调制中仅有后一类，即CPM，MSK，GMSK和TFM属于有记忆的非线性调制，其余各类调制均属于无记忆的线性调制。上述调制中最基本的调制为2ASK、2FSK、BPSK，后面将重点分析它们。4.2调制解调的基本功能及要求重庆大学ChongqingUniversity232019年8月15日星期四移动通信中最常用的调制方式有两大类：1986年以前由于线性高功放未取得突破性的进展，移动通信中调制技术青睐于恒包络调制的MSK和GMSK，比如GSM系统采用的就是GMSK调制，但是它实现较复杂，且频谱效率较低。1986年以后，由于实用化的线性高功放已取得了突破性的进展，人们又重新对简单易行的BPSK和QPSK予以重视，并在它们的基础上改善峰平比、提高频谱利用率，比如OQPSK、CQPSK和HPSK。在CDMA系统中，由于有专门的导频信道或者导频符号传送，因此CDMA体制中不采用相对移相的DPSK和DQPSK等。4.2调制解调的基本功能及要求重庆大学ChongqingUniversity242019年8月15日星期四4.2.3基本调制方法原理及性能简要分析2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK调制原理波形如下图所示。1011100