WLAN第6章 无线局域网的物理层技术.ppt

吉林大学通信工程学院 姜 宏 jiangh@,第6章 无线局域网的物理层技术,内容：,概述WLAN的射频技术WLAN的调制解调技术WLAN的扩频传输技术,概述,第一节 WLAN的射频技术,物理信道的划分双工技术收发信机结构,1、物理信道的类型,频分信道时分信道码分信道空分信道,（1）DSSS WLAN物理信道划分,使用2.4GHz的ISM频段美国、加拿大、中国、欧洲指定工作频率从2.4~2.4835GHz；日本指定为2.471~2.497GHz；法国指定为2.4465~2.4835GHz；西班牙指定为2.445~2.475GHz标明X的信道都已获得支持每个射频信道带宽为22MHz；相邻频道间隔5MHz；只有3个互不重叠的物理信道（1, 6, 11）；最小发送功率电平1mw2）FHSS WLAN物理信道划分,信道中心频率从第一信道开始，以1MHz为间隔进行划分3）OFDM WLAN物理信道划分,OFDM WLAN多工作于5GHz频段；U-NII中规定，从5GHz开始，以5MHz为步长，共有201个通道：通道中心频率=5GHz+5*nch（MHz）， 其中，nch =0~200IEEE802.11a使用U-NII的5.15~5.25GHz、 5.25~5.35GHz和5.725~5.825GHz，共300MHz的射频信道。

两个相邻信道中心频率间隔20MHz（4个U-NII信道带宽）每个OFDM信道包括52个子载波，占据约16.6MHz的带宽2、双工技术,FDDTDD 在WLAN中，IEEE802.11x系列标准，HiperLan2标准，蓝牙系统和HomeRF系统采用的都是TDD3、收发信机结构,WLAN接收机结构 超外差接收机 直接变频接收机 镜像抑制接收机WLAN发射机结构WLAN收发信机结构,WLAN接收机结构-1,WLAN接收机结构-2,WLAN接收机结构,镜像抑制接收机-Hartley结构,镜像抑制接收机-Weaver结构,WLAN发射机结构,,WLAN收发信机结构-1,WLAN收发信机结构-2,WLAN收发信机结构-3,红外线WLAN： 基带调制（脉冲调制，无载波）无线电波WLAN：频带调制（有载波） 对于IEEE802.11系统:IEEE802.11b: 采用DBPSK、DQPSK、CCK(补码键控)、PBCC(分组二进制卷积码)等调制方式, DSSS扩频传输方式IEEE802.11a: 采用BPSK、QPSK、16QAM调制, OFDM传输方式IEEE802.11g: 采用OFDM传输方式，可选PBCC-22调制.,第二节 WLAN的调制解调技术,各种调制方式,基带调制：采用脉冲调制，如：PAM（脉幅调制）、PPM （脉位调制） 、PWM （脉宽调制）频带调制： 采用基本的数字调制，如：ASK（幅移键控）、PSK （相移键控） 、FSK （频移键控）； 采用多符号调制，如：QPSK（四相相移键控），MPSK （多相相移键控），QAM（正交幅度调制） 采用多载波调制，如：OFDM（正交频分复用）等。

在选择调制方式时必须考虑到一些指标，其中最重要的是： 1.频谱效率，应增大每兆带宽所容纳的信道数； 2.误码率，能抗噪声及邻道干扰； 3.对无线环境的适应性； 4.实现的难度和成本 因为无线系统可利用的频域有限，所以频谱利用率可能是任何新系统所要考虑的重点 对于室内应用系统，在无线信道上衰落条件的变化又给调制选择附加了更多的限制数字调制可分为两大类：恒定包络调制技术和线性调制技术恒定包络调制系统使发射机的功率放大器工作在非线性的C类状态，来提高功率放大器的效率，降低成本但是，这些好处是以牺牲频谱利用率为代价换来的，如果不考虑调制电平数，恒定包络调制系统的频谱利用率被限制在约1bit/s/Hz内线性调制具有变化的包络，它要求一个线性的发射机功率放大器，因而导致成本与复杂度的增加，但是这种调制可大大提高频谱利用率，这可弥补成本的增加一、 基本数字调制解调技术,（一）相移键控最简单最常用的数字调制技术是相移键控(PSK)， PSK信号的产生用平衡调制器来完成在发射机端将数字信号a(t)和载波coswct送到平衡调制器的输入端，在平衡调制器的输出端就可得到一个PSK信号。

如果二进制信号a(t)的编码形式为： a(t)=1表示“1”或传号， a(t)=0表示“0”或空号，那么PSK信号即可表示为s(t)=cos(wct+Ф(t)),其中:,a(t)=1， Ф(t)=0a(t)=0, Ф(t)=π.这样，PSK波形是一个等幅信号，其相位在0和π上变化在接收机端对PSK信号的解调可通过与发射机调制相同的过程来完成，为了满足在加性高斯白噪声(AWGN)信道中系统性能指标的要求，必须采用相干解调，PSK信号的相干解调器如图所示为了进行相干解调，在接收机中必须提取具有正确相位的载波，可以先对接收信号平方，可得 s2(t)=1/2(1+cos2wct)从上式可以看出对s(t)平方后有直流分量和载波的二次谐波分量，用窄带滤波器滤出二次谐波，经过二分频后，就可得到恢复载波coswct恢复载波随后与接收信号s(t)相乘，得 s(t)=1/2[cosФ(t)+ cos[2wct+Ф(t))]]经低通滤波器滤除高频信号，得到的低频信号cosФ(t)，由于Ф(t)=0或π ，经积分后，在信息位同步信号的作用下恢复出发送的信息位同步信号由位定时电路获得二）四相相移键控(QPSK)为了得到更高的比特率，采用四相调制可使每一符号携带两比特数据，这样的调制称为四相相移键控(QPSK)。

与PSK调制相比较，QPSK在相同的频带内可传输两倍的数据量在发射端，传输的信息经串-并变换后得到的两路数据分别去调制载波的同相分量coswct和正交分量sinwct，将两个平衡调制器的输出相加，就可得到QPSK信号，如图所示设发送的信号为a(t) ，将a(t)的偶数位和奇数位构成两个数据流a1(t)和a2(t)，用这两个数据流去调制正交的两个载波，相加器的输出为 s(t)=a1(t)coswct+a2(t)sinwct=A(t)cos(wct+θ(t))QPSK信号接收机如图因为要求相干解调，所以接收机必须得到与发端载波同步的恢复载波coswct和sinwct接收到的QPSK信号被送到两个相干解调器，如前所述，每个相干解调器由平衡调制器和积分器构成，但是这里的积分器的积分时间是两个比特周期将两个支路的恢复信号经过并-串变换，把双比特信号转变成两位串行数据和以前一样，应得到信息位同步信号，以便确定积分时间和信息流的恢复QPSK的频谱宽，并随中心频率的偏移缓慢地衰减在保持码间串扰最小的条件下，脉冲成型可减小传输信号带宽但用脉冲成型后就变成了线性调制，并且要用线性放大器来保证脉冲成型不变形。

如果用非线性功率放大器，脉冲型状将变形，频带也要展宽用升余型的奈奎斯特脉冲可以提高频谱的效率三）多电平PSK系统在PSK系统中，信息码逐位发送，在QPSK系统中，信息码每两位合并发送，这两位代表四个相位中的一个相位以此类推，如果N个信息位合并，那么这N个信息位有M(=2N)个符号或M个状态，这样的系统称为MPSK系统PSK、QPSK和MPSK的发射信号的区别在于彼此间的相位，但是都有相同的振幅在正交振幅调制(QAM)中，信号不仅在相位上不同，而且振幅也变化像脉冲成型PSK和QAM这样的需要线性功率放大器的线性调制方式，利用增加电平数的方法，可以达到比1bit/s/Hz高的频谱效率如，用四电平调制方式允许用一个符号传输两个比特的信息，而与二进制调制相比，每比特的信噪比并没有下降，这是因为采用了正交载波的原因优,点为每符号传输的比特数加倍，可在给定的频带内使传输的数据率加倍然而，调制电平数的增加由于信号集中各元素的距离减小，将导致误比特率的增加由于线性放大器可以提供较好的带外辐射性能，因而可进一步增加系统的频谱效率因为线性调制技术需要昂贵的线性射频放大器，所以它不如恒定包络调制受重视在相移键控调制方式中，最重要的线性调制方式有DPSK、QPSK、OQPSK和MPSK。

（四）频移键控(FSK) 频移键控(FSK)是一种恒定包络调制方式，其载波频率根据基带信号在传号频率(相对于二进制1)和空号频率(相对于二进制0)变化，与用二进制数字信号调制的FM信号相同因此，发射信号为：,s(t)= Acosw1t， a(t)=1 或Acosw2t， a(t)=0 频率调制方式可用调制指数来描述，调制指数为峰值频偏与调制信号的最高频率分量的比值FSK信号既可以用切换两个不同的振荡器的方式来获得，也可以用把数据信号送入调频器的方法来获得，如图5.5所示FSK信号的解调可以用非相干检测的方法或同步检测的方法来完成，如下图所示对非相干检测，接收信号加到两个带通滤波器，这两个滤波器是窄带滤波器，可以将不需要的信号滤除滤波器的输出加到包络检波器，包络检波器的输出送到比较器进行比较，比较器产生一个二进制的输出信号，其电平取决于两个输入信号的大小同步或相干检测用两个乘法检波器来确定输入信号中存在哪一个频率在不增加传输带宽的条件下，为了增加数据传输速率，必须用低调制指数的FSK快速频移键控(FFSK)和最小频移键控(MSK)是现有的两种频带保持技术MSK是调频指数为0.5的连续相位FSK，选择这样的调制指数是因为在一比特周期内相位累积变化π/2，要么增加π/2，要么减少π/2。

因此MSK的波形表现为相位的连续性，在每一信息比特的末了时刻没有像QPSK信号那样的相位突跳，用C类放大器进行放大不会产生失真FFSK除了在调制器的输入端先对调制信号进行差分编码外，FFSK与MSK类似然而，由于是FSK类型的频谱，MSK和FFSK信号的邻道边带分量仍然较高，难以适应要求高的频谱效率的数字无线系统的要求MSK系统的频谱效率可以在调制载波前对二进制数据的前置滤波来改善高斯型前置滤波器具有这样的振幅特性，这样的滤波器可以得到高斯滤波MSK (GMSK)信号比特成型滤波器的带宽通常用带宽-时间积 (BT)来定义如果BT>1，波形基本上是MSK波形然而如果BT<1，将引起码间串扰，在解调器中将以增加复杂度为代价，来提高抗噪声的能力0.5和0.3的BT值已分别被泛欧蜂窝移动无线系统(通常称为GSM系统)和欧洲数字无绳(DECT)系统选用 高斯滤波器的另一种应用是对数据流的相关编码，使其有小的相位变化，平滑调频 (TFM)和广义TFM(GTFM)就属此列TFM依据不同的码字情况得到不同的相位的变化，如果三个相邻比特有相同的极性，相位变化π/2，如果三比特的极性交替,变化，相位不变；其它情况下相位变化π/4。

这是以减少相位的变化来改善频谱性能产生这样的波形的调制电路相似，用一个或两个平衡调制器，如图5.7所示这是一种正交型调制，对实际波性而言，其逼近相位样值储存在两块EPROM中图5.7 正交调制电路,这些信号的解调与调制过程正好相反在相干解调电路中必须包括载波同步技术在非相干解调中用牺牲一些其它性能来避免载波同步许多数字通信系统已经采用了像TFM和GMSK恒包络这样的调制方式，因为这些调制方式允许在小区内用较低价格的C类放大器当然，用线性调制可以获得更好的频谱效率五）各种调制方式的频谱特性对一给定信道带宽，功率谱密度将影响到系统的效率，对干扰和价格而言，调制带宽越窄，系统效率越好 PSK ：PSK低通等效功率谱密度随sinx/x变化，如果输入数据比特速率为fb，功率谱密度的主瓣的第一个零点等于fb ，大约 92.5％的能量包含在主瓣内，频谱的幅度随(f / fb)-2衰减QPSK：在PSK中，每一符号间隔只能传输一比特的信息，而QPSK信号在一个符号间隔内可传输两比特的信息，因此QPSK带宽效率是PSK带宽效率的两倍。