移動通信課件：Ch2 調制解調

1、1無線通信系統(tǒng)框圖信信源源電電信信號號調調制制接接收收機機解解調調發(fā)發(fā)射射機機電電信信號號信信宿宿無線信道噪聲和干擾消息模擬或數(shù)字信號第二章第二章 調制解調調制解調 22.5.1 擴展頻譜通信的基本概念擴展頻譜通信的基本概念擴頻通信擴頻通信:指系統(tǒng)占用的頻帶寬度遠大于要傳輸?shù)脑夹盘柕膸?或信息比特率), 且與原始信號帶寬無關。 PG=W/BPG=W/B100100 v PG- 擴頻增益 v W- 擴頻信號帶寬v B- 原始信號帶寬 2.52.5 擴展頻譜調制擴展頻譜調制3l擴頻原理：以頻帶換取信噪比香農(nóng)理論：C=W log2(1+S/N) C：高斯白噪聲信道無差錯傳播的最大信息速率。 W：

2、信道帶寬。l擴頻實現(xiàn)方法： （1）窄帶調制信號與偽隨機序列（PN碼）直接相乘-直接序列擴頻DSSS （2）由PN序列控制載波發(fā)射頻率-跳頻擴頻FHSS，達到展寬頻譜的目的。2.52.5 擴展頻譜調制擴展頻譜調制4 美麗的電影演員海蒂拉瑪首先提出了“跳跳頻頻”的概念，后演化為擴頻擴頻，并成為高通CDMA技術的基礎。2.52.5 擴展頻譜調制擴展頻譜調制5發(fā)送信息碼中頻調制上變頻跳頻本振跳頻碼發(fā)送信號跳頻本振下變頻解調跳頻碼捕獲參考中頻接收信號接收信息碼2.5.2 2.5.2 擴頻調制擴頻調制跳頻跳頻FHSS實現(xiàn)方法：在發(fā)送端用PN碼控制頻率合成器，發(fā)射頻率隨PN序列在一定帶寬跳變；在接收端實現(xiàn)本

3、振的同步跳頻，然后還原成某個固定中頻，進行解調。跳頻擴頻（跳頻擴頻（1）6user datafasthopping(3 hops/bit)01tb011tff1f2f3ttdtb: bit period td: dwell time2.5.2 2.5.2 擴頻調制擴頻調制FHSSFHSS跳頻擴頻（快跳頻）跳頻擴頻（快跳頻）l偽碼隨機置定頻率合成器時，發(fā)射機的振蕩頻率在很寬的頻率范圍內不斷地改變，從而使射頻載波亦在一個很寬的范圍內變化，于是形成了一個寬帶離散譜，如下圖所示。 跳頻擴頻（跳頻擴頻（2）7l多個用戶時，用正交的碼來控制用戶的跳頻順序，使得用戶的信號正交，在頻譜上無碰撞。 2.5.2

4、2.5.2 擴頻調制擴頻調制跳頻擴頻（跳頻擴頻（3）圖：圖：GSM的慢跳頻的慢跳頻8跳頻系統(tǒng)特點跳頻系統(tǒng)特點l跳頻系統(tǒng)的抗干擾原理與直擴系統(tǒng)的不同：直擴是靠頻譜的擴展和解擴處理來提高信噪比的，跳頻是靠躲避干擾躲避干擾來達到提高信噪比的。l對跳頻系統(tǒng)來說，根據(jù)跳變速率可以分為慢跳變與快跳變慢跳變與快跳變。l慢跳變比較容易實現(xiàn)，但抗干擾性能也較差，跳變的速率遠比信號速率低，可能為數(shù)至數(shù)十秒才跳變一次。l快跳的速率接近信號的最低頻率，可達每秒幾十跳、上百跳或上千跳（毫秒級）?？焯目垢蓴_和隱蔽性能較好，但實現(xiàn)能快速跳變而又有高穩(wěn)定度的頻率合成器比較困難。 跳頻擴頻（跳頻擴頻（4）9碼分直擴系統(tǒng)碼分直

5、擴系統(tǒng)調 制功 放混 頻解 調積 分 判 決PN1碼f0fcPNk碼rk 2.2.直接序列擴頻（直接序列擴頻（DSSSDSSS）原理）原理v 頻譜的擴展是直接由頻譜的擴展是直接由高碼率高碼率的擴頻碼序列進行調制而得到的的擴頻碼序列進行調制而得到的v 擴頻碼序列多采用擴頻碼序列多采用偽隨機碼偽隨機碼，偽碼的碼型將影響碼序列的相，偽碼的碼型將影響碼序列的相 關性。關性。 v 擴頻和解擴的偽隨機碼序列應有嚴格的擴頻和解擴的偽隨機碼序列應有嚴格的同步同步m(t)TbTc2.5.2 2.5.2 擴頻調制擴頻調制10Transmission2.5.2 2.5.2 擴頻調制擴頻調制112.5.2 2.5.2

6、 擴頻調制擴頻調制12定義定義 S：接收到的有用信號功率。 I：接收到的干擾信號功率。 W：擴頻帶寬。 R=1/Tb：數(shù)據(jù)率（即數(shù)據(jù)信號帶寬），單位為Hz。 Eb：接收到的有用信號每比特的能量，單位為ws。 N0：等效噪聲功率譜密度， 單位為w/Hz。 則信噪比為 的值稱為擴頻處理增益。對于非擴頻系統(tǒng)， ；對于擴頻系統(tǒng)， ，干擾被壓縮了 倍。W R0bES RS WNI WIRWRWRW R2.5.2 2.5.2 擴頻調制擴頻調制 擴頻通過提供一定的處理增益（即擴頻帶寬與數(shù)據(jù)率之比）處理增益（即擴頻帶寬與數(shù)據(jù)率之比）來抑制干擾，其基本原理可以解釋如下擴頻抗干擾原理（擴頻抗干擾原理（1）：處理增

7、益）：處理增益13擴頻抗干擾原理（擴頻抗干擾原理（2）：對窄帶干擾的抑制）：對窄帶干擾的抑制p擴頻解調器利用本地地址碼的相關性作解擴處理，有用信號頻譜被恢復為窄帶譜; 窄帶干擾信號則在解擴過程中被擴展成為寬帶譜，可以借助于解調后濾波器去除帶外的無用信號，帶內的信噪比就可以大大提高，起到了抑制干擾和無用信號的目的。擴頻擴頻信道信道解擴解擴d (t)d (t)c (t)c (t)-B/2-B/2B/2 B/2干擾干擾WAABBCCDDy (t)干擾干擾調制調制解調解調W14v生成的地址碼要足夠多；生成的地址碼要足夠多； v有尖銳的有尖銳的自相關自相關特性，有處處為零的特性，有處處為零的互相關互相關

8、特性；特性； v有盡可能大的復雜度有盡可能大的復雜度v地址碼生成的地址碼生成的速率應能滿足擴展帶寬的需要速率應能滿足擴展帶寬的需要v地址碼應具有近似白噪聲的頻譜性質，任何時間上不地址碼應具有近似白噪聲的頻譜性質，任何時間上不同的兩段噪聲都不完全相同同的兩段噪聲都不完全相同擴頻地址碼的特性擴頻地址碼的特性 2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列15l偽隨機序列（偽隨機序列（PN序列）序列）：具有類似隨機噪聲的一些統(tǒng)計特性，但和真正的隨機信號不同，它可以重復產(chǎn)生和處理，故稱作偽隨機噪聲序列。2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列常用常用PNPN序列：序列：m序列、G

9、old序列、Walsh正交碼圖 2 - 52 隨機噪聲的自相關函數(shù) (a) 波形； (b) 自相關函數(shù)oR)ttf (t)f (t)(a)(b)2/2/)()(lim)(TTTadttftfRl隨機信號的自相關函數(shù)的定義為2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列碼序列的自相關 l 采用二進制的碼序列， 長度(周期)為P的碼序列x的自相關函數(shù)Rx()為PiiixxxR1)( (2 - 99) 2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列18l為了實現(xiàn)碼分多址通信， 信號間必須正交或準正交(互相關性為零或很小)。因此不同的用戶應選用互相關性小的信號作為地址碼。兩個不同信號波

10、形f(t)與g(t)之間的互相關函數(shù)表示為2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列dttgtfTRTTTc)()(1lim)(2/2/l兩個不同碼序列之間的相關性， 用互相關函數(shù)(或互相關系數(shù))來表征。l對于二進制碼序列， 周期均為P的兩個碼序列x和y， 其相關函數(shù)記作R(x,y)， 即PiiiyxyxR1),(2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列20m序列特性序列特性：lm序列是一種周期性偽隨機序列序列是一種周期性偽隨機序列 ，由帶線性反饋的移存器產(chǎn)，由帶線性反饋的移存器產(chǎn)生的周期最長的一種序列生的周期最長的一種序列 ，稱為最長線性移位寄存器序列。，稱為最長線

11、性移位寄存器序列。周期是周期是P=2n-1，n是移位寄存器的級數(shù)。是移位寄存器的級數(shù)。 lm序列是一偽隨機序列，具有與隨機噪聲類似的尖銳自相關序列是一偽隨機序列，具有與隨機噪聲類似的尖銳自相關特性。特性。但它不是真正隨機的，而是按一定的規(guī)律形式周期性但它不是真正隨機的，而是按一定的規(guī)律形式周期性地變化。地變化。 l在定時嚴格的系統(tǒng)中，我們可以采用在定時嚴格的系統(tǒng)中，我們可以采用m序列作為地址碼，利序列作為地址碼，利用它的不同相位來區(qū)分不同用戶，目前的用它的不同相位來區(qū)分不同用戶，目前的CDMA蜂窩系統(tǒng)中蜂窩系統(tǒng)中就是采用這種方法。就是采用這種方法。2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序

12、列）序列1) m序列的產(chǎn)生 (1) m序列的含義。 m序列是由多級移位寄存器或其延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長的碼序列。 在二進制移位寄存器中， 若n為移位寄存器的級數(shù)， n級移位寄存器共有 2n個狀態(tài)， 除去全 0 狀態(tài)外還剩下 2n-1 種狀態(tài)， 因此它能產(chǎn)生的最大長度的碼序列為 2n-1 位。2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列 產(chǎn)生m序列的移位寄存器的電路結構， 其反饋線連接不是隨意的， m序列的周期P也不能取任意值， 而必須滿足 P=2n-1 (2 - 104) 式中， n是移位寄存器的級數(shù)。2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列 (2) m序列產(chǎn)生

13、原理。 圖 2 - 58 示出的是由n級移位寄存器構成的碼序列發(fā)生器。2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列DnD3D2D1時鐘輸出Cn1C2C1Cn1C01圖 2 - 58 n級循環(huán)序列發(fā)生器的模型l 圖中C0， C1， ， Cn均為反饋線， 其中C0=Cn=1， 表示反饋連接。 因為m序列是由循環(huán)序列發(fā)生器產(chǎn)生的， 因此C0和Cn肯定為 1， 即參與反饋。 而反饋系數(shù)C1， C2， ， Cn-1 若為 1， 參與反饋； 若為 0， 則表示斷開反饋線， 即開路， 無反饋連線。l 一個線性反饋移位寄存器能否產(chǎn)生m序列， 決定于它的反饋系數(shù)Ci(C0， C1， ， Cn 的總稱)

14、。 表 2 - 4 示出了部分m序列的反饋系數(shù)Ci。2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列表 2 - 4 部分m序列反饋系數(shù)表 2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列l(wèi) 反饋系數(shù)Ci是以八進制表示的。 使用該表時， 首先將每位八進制數(shù)寫成二進制形式。最左邊的 1 就是C0(C0恒為 1)， 從此向右， 依次用二進制數(shù)表示C1， C2， ， Cn。 有了 C1， C2， 值后， 就可構成m序列發(fā)生器。l 例如， 表中 n=5， 反饋系數(shù)Ci=(45)8， 將它化成二進制數(shù)為 100101， 即相應的反饋系數(shù)依次為 C0=1， C1=0， C2=0， C3=1， C

15、4=0， C5=1。根據(jù)上面的反饋系數(shù)， 畫出n=5 的m序列發(fā)生器的電路原理圖如圖 2 - 59 所示。2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列圖 2 59 n=5, Ci=(45)8的m序列發(fā)生器原理圖 D4D3D2D1輸出D5C51C40C31C20C10C012.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列l(wèi) 根據(jù)圖 2 - 59 所示電路， 假設一種移位寄存器的狀態(tài)， 即可產(chǎn)生相應的碼序列， 其周期P=2n-1=25-1=31。 表 2 - 5 （略）為n=5, Ci=(45)8的m序列發(fā)生器各級變化狀態(tài)， 初始狀態(tài)為 00001。 2.5.32.5.3 偽隨機（

16、偽隨機（PN）序列）序列l(wèi) 可見， 碼序列周期長度P=25-1=31。 上面假設一種初始狀態(tài)， 如果反饋邏輯關系不變， 換另一種初始狀態(tài)， 則產(chǎn)生的序列仍為m序列， 只是起始位置不同而已。 表 2 - 6 示出了幾種不同初始狀態(tài)下輸出的序列。 2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列l(wèi)表 2 6 Ci=45 不同初始狀態(tài)下的輸出序列l(wèi) 由表 2 - 6 可知， 初始狀態(tài)不同， 輸出序列初始位置就不同。 例如初始狀態(tài)“10000”的輸出序列是初始狀態(tài) “00001”輸出序列循環(huán)右移一位而已。l 值得指出的是， 移位寄存器級數(shù)(n)相同， 反饋邏輯不同， 產(chǎn)生的m序列就不同。 例如

17、5 級移位寄存器、 周期為P=25-1=31 的m序列， 其反饋系數(shù)Ci可分別為(45)8、 (67)8和(75)8， 其產(chǎn)生的不同m序列如表 2 - 7 所示。 2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列 表 2 7 5 級移位寄存器的不同反饋系數(shù)的m序列2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列32lm m序列具有很好的自相關及互相關特性，因而在無線及移動通序列具有很好的自相關及互相關特性，因而在無線及移動通信中有廣泛的使用。但是，應該注意信中有廣泛的使用。但是，應該注意m m序列不是一種理想正交序列不是一種理想正交序列，因此當用戶數(shù)增加時，會引入很大的碼型噪聲干擾

18、。序列，因此當用戶數(shù)增加時，會引入很大的碼型噪聲干擾。l如何選擇正交碼組？如何選擇正交碼組？構造新的地址碼，如：構造新的地址碼，如：GoldGold序列、序列、WalshWalsh序列。序列。l良好自相關、互相關及正交的前提是地址碼的良好自相關、互相關及正交的前提是地址碼的同步同步，如果不能，如果不能達到準確的同步，會引入附加的碼型噪聲，嚴重影響達到準確的同步，會引入附加的碼型噪聲，嚴重影響CDMACDMA系統(tǒng)系統(tǒng)的正常工作。的正常工作。2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列332.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列34Gold碼：（1）-概念lm序列構成優(yōu)選對

19、的數(shù)目很少，不便于在碼分多址系統(tǒng)中應用。lR.Gold于1967年提出了一種基于m序列優(yōu)選對的碼序列，稱為Gold序列。l由優(yōu)選對的兩個m序列逐位模2加得到，當改變其中一個m序列的相位（向后移位）時，可得到一新的Gold序列。 lGold系列具有與m序列優(yōu)選對類似的自相關和互相關特性。 2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列35Gold碼（2）-生成圖中m序列發(fā)生器1和2產(chǎn)生的m序列是一m序列優(yōu)選對，m序列發(fā)生器1的初始狀態(tài)固定不變，調整m序列發(fā)生器2的初始狀態(tài)，在同一時鐘脈沖控制下，產(chǎn)生兩個m序列經(jīng)過模2加后可得到Gold序列，通過設置m序列發(fā)生器2的不同初始狀態(tài)，可以得到不

20、同的Gold序列。2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列碼發(fā)生器1時鐘源碼發(fā)生器2碼1碼2)21(3碼碼碼(a)(b)123451234536lGold序列的特性序列的特性 相關特性相關特性v 具有與具有與m序列優(yōu)選對相類同的自相關和互相關特性。序列優(yōu)選對相類同的自相關和互相關特性。Gold序列的數(shù)量序列的數(shù)量v 周期周期N=2n-1的的m序列優(yōu)選對生成的序列優(yōu)選對生成的Gold序列，總共有序列，總共有2n+1個。個。v 隨著隨著n的增加，的增加，Gold序列數(shù)以序列數(shù)以2的的n次冪增長次冪增長 。Gold碼（3）-性質2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列H1

21、 = 0H2 = 0 00 1 H4 = 0 00 00 10 10 01 10 11 0H2N = HNHNHNHN 構造：構造：特性：特性：常用Hadamard矩陣法構造兩個Walsh函數(shù)相乘仍為Walsh函數(shù)函數(shù)集合是完備的同步時正交，不同步時自相關和互相關性能不好2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列1111111111111111x1111=00402.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列02.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列002.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列0002.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列

22、）序列00012.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列000100012.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列0001000100012.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列00010001000111102.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列00010001000111100001000100011110111011101110000100010001000111102.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列47v CDMA系統(tǒng)系統(tǒng)：用戶、信道和基站均依靠擴頻地址碼識別v基站的識別-不同相移的PN序列（短PN碼）v信道的識

23、別-正交的Walsh函數(shù)v用戶的識別-周期足夠長的PN序列（長PN碼）2.5.32.5.3 偽隨機（偽隨機（PN）序列）序列484950系統(tǒng)所允許的最大干擾電平系統(tǒng)所允許的最大干擾電平 功率譜功率譜可以給所有用戶共享的功率可以給所有用戶共享的功率 Ebit增益增益其他用戶干擾信號其他用戶干擾信號Echip52擴頻系統(tǒng)的優(yōu)點擴頻系統(tǒng)的優(yōu)點v抗干擾能力強，可抗白噪聲、人為干擾、多徑干擾等v保密性好。若不知PN序列生成方法就難以獲取原始信息v隱蔽性好。擴頻信號近似白噪聲，難以檢測，寬帶擴頻信號功率譜密度很低，難以監(jiān)聽v易于實現(xiàn)大容量多址通信53vSpreading spectrum increase

24、s the modulation rate (chip rate) in order to spread the energy of the information signal on a wide frequency band without modifying the data rate.vTo be able to perform the despreading operation, the receiver must not only know the sequence used to spread the data signal, but the spreading sequence

25、 of the received signal and the locally generated spreading sequence must be synchronized. Spreading spectrum Technology54vAll users occupy the same frequency at the same time. The receiver will hear all the transmitters signals mixed together but using the correct code sequence can decipher the req

26、uired transmission channel. vSpreading sequence are actually unique streams of 1 and -1 which compose the codes associated to a user. Therefore, users are discriminated thanks to the spreading codes.Spreading spectrum Technology55vIn the receiver, the composite signal is correlated with a replica of

27、 the code used to spread the data. Thus, low cross-correlation between the desired and interfering users is important to suppress the multiple access interference. Good auto-correlation properties are required to reliably separate the multi-path components.Spreading spectrum TechnologyDIRECT SEQUENC

28、ESPREAD SPECTRUMModulatorTransmitterChannelSpreading (PN) Code Tc a a2: near-far problem)aaa1a2612.6 正交頻分復用正交頻分復用OFDMOFDM l2.6.1 序序l2.6.2 正交頻分復用的原理正交頻分復用的原理 l2.6.3 正交頻分復用的正交頻分復用的DFT實現(xiàn)實現(xiàn)l2.6.4 OFDM的應用的應用 622.6.1 序序 系統(tǒng)把整個可用信道頻帶B劃分為N個帶寬為f的子信道。把N個串行碼元變換為N個并行的碼元，分別調制這N個子信道載波進行同步傳輸，這就是頻分復用。 若子信道的碼元速率1/Tsf

29、 ,則可以避免嚴重的碼間干擾；若頻譜允許重疊，則可以提高頻帶效率。如右圖所示，OFDM就是一種這樣的調制技術，擴展了碼元的長度T，使之遠遠大于信道的時延，減小時延擴展對信號傳輸?shù)挠绊?；并且頻譜可以重疊1/2。632.6.2 正交頻分復用的原理正交頻分復用的原理 子載波的頻率間隔等于并行碼元長度的倒數(shù)（f=1/Ts），因而子載波之間相互正交，這就是正交頻分復用OFDM。OFDM可以使并行系統(tǒng)獲得更高的帶寬效率。64 OFDM是多載波調制的一種特殊情形，是一種各子載波之間保持正交的多載波調制。上圖是采用N個子載波進行傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)示意圖。第i個OFDM發(fā)射符號可以表示為其中， 是信息數(shù)據(jù)比特，

30、T是OFDM符號持續(xù)時間， 是矩形脈沖波形， 是第n個子載波上的角頻率。nd( ) 1 (0)Tu tt T 2nn T 在OFDM系統(tǒng)中，各子載波保持正交，即滿足01, 10, nmTjtjtmneedtmnT )10()nNjtinTns td utiT e子載波之間的正交性使得在接收端可以利用相干接收順利恢復數(shù)據(jù)信號。以 為例nd1001nmNTjtjtnmnmded edtdT65因此OFDM符號的解調可以用DFT來實現(xiàn)。當所選擇的子載波數(shù)是2的冪時，可以用快速傅立葉逆變換(IFFT)/傅立葉變換(FFT)來分別代替IDFT/DFT, 從而顯著降低運算復雜度。信道之間的正交性避免了子信

31、道之間的相互干擾的出現(xiàn)。 當N比較大時，對 以T/N的速率進行抽樣，則 )is t21,0, 0,1,1nkNjNii knnkTssd ekNN可以 看出等效為 對進行離散傅立葉逆變換（IDFT），因此OFDM發(fā)送符號的調制可以用IDFT來實現(xiàn)。在接收端，原始數(shù)據(jù)的恢復則等效為對 進行離散傅立葉變換（DFT）：, i ksnd, i ks21,01, 0,1,1nkNjNni kkds enNN66 為了提高頻譜的利用率，通常采用多進制的調制方式。一般并行支路的輸入數(shù)據(jù)可以表示為d(n)= a(n)+jb(n)，其中a(n)、b(n)表示輸入的同相分量和正交分量的實序列，它們在每個支路上調制一對正交載波，輸出的OFDM信號便為 )01120