现代移动通信第3版教学作者蔡跃明第04章节数字调制技术2课件.ppt

Digital Mobile Communication,数字移动通信,数字移动通信,第四章 数字调制技术,本节讲述的主要内容,4.5 扩频调制技术 4.6 自适应编码调制技术 4.7 多载波调制技术,4.5 扩频调制技术,一、扩频调制技术的理论基础 扩展频谱（简称扩频）的精确定义为：“扩频(spread spectrum)是指用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方式频带的扩展由独立于信息的码来实现，在接收端用同步接收实现解扩和数据恢复这样的技术就称为扩频调制，而传输这样的信号的系统就为扩频系统4.5 扩频调制技术,一、扩频调制技术的理论基础 目前，最基本的展宽频谱的方法有两种： ① 直接序列调制，简称直接扩频(DS)，这种方法采用比特率非常高的数字编码的随机序列去调制载波，使信号带宽远大于原始信号带宽； ② 频率跳变调制，简称跳频(FH)，这种方法则是用较低速率编码序列的指令去控制载波的中心频率，使其离散地在一个给定频带内跳变，形成一个宽带的离散频率谱 对于上述基本调制方法还可以进行不同的组合，形成各种混合系统，比如跳频/直扩系统等4.5 扩频调制技术,一、扩频调制技术的理论基础 扩频系统有以下一些特点： ① 具有选择地址（用户）的能力。

② 信号的功率谱密度较低，所以信号具有较好的隐蔽性并且功率污染较小 ③ 比较容易进行数字加密，防止窃听 ④ 在共用信道中能实现码分多址复用 ⑤ 有很强的抗干扰性，可以在较低的信噪比条件下保证系统的传输质量 ⑥ 抗衰落的能力强 ⑦ 多用户共享相同的信道，无须进行频率规划4.5 扩频调制技术,二、PN码序列 伪随机(Pseudorandom-Noise)序列常以PN表示，称为伪码伪随机序列是一种自相关的二进制序列，在一段周期内其自相关性类似于随机二进制序列，它的特性和白噪声的自相关特性相似 PN码的码型将影响码序列的相关性，序列的码元（码片）长度将决定扩展频谱的宽度所以PN码的设计直接影响扩频系统的性能4.5 扩频调制技术,二、PN码序列 在直接扩频任意选址的通信系统当中，对PN码有如下的要求： ① PN码的比特率应能够满足扩展带宽的需要 ② PN码的自相关要大，且互相关要小 ③ PN码应具有近似噪声的频谱性质，即近似连续谱，且均匀分布 通常应用当中的PN码有m序列、Gold序列等多种伪随机序列在移动通信的数字信令格式中，PN码常被用作帧同步编码序列，利用相关峰来启动帧同步脉冲以实现帧同步。

4.5 扩频调制技术,三、直接序列扩频 直接序列调制系统亦称为直接扩频系统(DS-SS)，或称为伪噪声系统，记作DS系统 直接序列扩频的实质是用一组编码序列调制载波，其调制过程可以简化为将信号通过速率很高的伪随机序列进行调制将其频谱展宽，再进行射频调制（通常多采用PSK调制），其输出就是扩展频谱的射频信号，最后经天线辐射出去 而在接收端，射频信号经过混频后变为中频信号，将它与发送端相同的本地编码序列反扩展，使得宽带信号恢复成窄带信号，这个过程就是解扩4.5 扩频调制技术,三、直接序列扩频,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,二进制调制DS-SS发射机和接收机框图,4.5 扩频调制技术,四、跳频扩频技术（FH-SS） 跳频扩频技术通过看似随机的载波跳频达到传输数据的目的，而这只有相应的接收机知道跳频伴随射频的一个周期的改变，一个跳频可以看作一列序列调制数据突发，它是具有时变、伪随机的载频 在接收端必须以同样的伪码置定本地频率合成器，使其与发送端的频率作相同的改变，即收发跳频必须同步，只有这样，才能保证通信的建立所以对于同步和定时的解决是实际跳频系统得一个关键问题。

4.5 扩频调制技术,四、跳频扩频技术（FH-SS）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,单信道调制FH系统框图,4.5 扩频调制技术,四、跳频扩频技术（FH-SS） 跳频技术可以分为快和慢两种快跳频在发送每一个符号时发生多次跳变因此，快跳频的速率将远远大于信道信号的传输速率而慢跳频发生在传送一个或者多个符号位后的时间间隔内进行跳频 FH-SS系统的跳频速率取决于接收机合成器的频率捷变的灵敏性、发射信号的类型、用于防碰撞编码的冗余度和最近的潜在干扰的距离等4.5 扩频调制技术,四、跳频扩频技术（FH-SS） 移动通信中采用跳频调制系统虽然不能完全避免“远-近”效应带来的干扰，但是能大大减少它的影响，这是因为跳频系统的载波频率是随机改变的 例如，跳频带宽为10 MHz，若每个信道占30 kHz带宽，则有333个信道当采用跳频调制系统时，333个信道可同时供333个用户使用若用户的跳变规律相互正交，则可减少网内用户载波频率重叠在一起的概率，从而减弱“远-近”效应的干扰影响4.6 自适应编码调制技术,实际的无线信道具有两大特点：时变特性和衰落特性 因此，无线信道的信道容量也是一个时变的随机变量，要最大限度地利用信道容量，只有使发送速率也是一个随信道容量变化的量，也就是使编码调制方式具有自适应特性。

自适应调制和编码（AMC）根据信道的情况确定当前信道的容量，根据容量确定合适的编码调制方式等，以便最大限度地发送信息，实现比较高的传输速率一、自适应编码,信道编码能够有效地减小功率来获得给定的误码率，这在能量受限的Ad Hoc网络的链路设计中尤为重要许多无线系统采用差错控制编码来降低功率的消耗，传统的差错控制编码采用分组或卷积编码这些编码的纠错是通过增加信号带宽或减小信息速率来取得的 自适应编码的目的是以最小化能量，获得高的频谱效率一般而言，自适应编码都是与调制相结合的，很少单独使用二、自适应调制,自适应调制根据传播条件实时地调整其传输输率（信道条件好，提高速率；信道条件差，降低速率），以充分发挥所用频谱的使用效率 实现可变速率调制的方法有以下几种： （1）可变速率正交振幅调制（VR-QAM） （2）可变扩频增益码分多址（VSG-CDMA） （3）多码道传输,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,三、自适应编码调制,非自适应编码不能最大化地利用信道资源，人们提出了可变速率自适应格状编码调制（ATCQAM） ATCQAM通过改变码率与调制的星座图来动态地与信道适配。

接收端将估计的信道信息通过反馈链路发送到发送端在信道条件好的时候，提高QAM的电平数，相反则降低QAM的电平数以及增强差错保护能力，当然系统的吞吐量随之下降三、自适应编码调制,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,三、自适应编码调制,发送端是由可变速率卷积编码器、自适应调制器、符号交织器与信道预测器组成信息比特经过卷积编码得到，被编码的比特映射到合适的 进制QAM信号导频信号周期性地发送用于接收端进行信道估计TDMA系统帧结构如图4-28所示三、自适应编码调制,接收端是由自适应解调器、解交织器、维特比译码器与插值器组成可变速率的编码调制解调器是基于高效的TCM编码，采用1/2码率的编码器通过网格变换，将许多未编码的数据与编码的数据合成在一起映射到合适的QAM符号上4.7 多载波调制技术,多载波传输的方式可以更好地克服由于多径效应而引入的时延功率谱的扩散而带来的频率选择性衰落，频率选择性衰落在高速的宽带移动通信系统，特别是在第三代移动通信系统中特别突出一、多载波调制技术的基本原理,1. 多载波技术引入 多载波传输的概念出现于20世纪60年代它将高速率的信息数据流经串/并变换，分割为若干路低速数据流，然后每路低速数据流采用一个独立的载波调制并迭加在一起构成发送信号。

在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收，获得低速率信息数据后，再通过并/串变换得到原来的高速信号一、多载波调制技术的基本原理,1. 多载波技术引入 Rake接收是在不改变发送信息码元周期即不降低信息码元速率并承认有较严重的多径扩散的条件下，采用扩频码将传播的多径信号能量分离、校正，并加以收集利用，化害为利从而设法消除多径干扰的影响 多载波技术与Rake接收的思路不同，它是将待发送的信息码元通过串/并变换，降低速率，增大信息码元周期，减少多径时延扩散，在接收到的信息码元中所占的相对百分比值，以削弱多径干扰对传输系统性能的影响一、多载波调制技术的基本原理,2. 多载波传输系统原理图,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,一、多载波调制技术的基本原理,3. 多载波传输的主要技术 （1）正交频分复用OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing）； （2）离散多音调制DMT（Discrete Multi Tone）； （3）多载波调制MCM（Multi Carrier Modulation） 其中OFDM中各子载波保持相互正交，而在DMT与MCM中这一条并不总能成立。

一、多载波调制技术的基本原理,4. 多载波的主要优点与缺点 与单载波系统相比多载波的主要优点有： ① OFDM系统对脉冲干扰的抵抗能力要比单载波系统大得多，这是因为OFDM信号的解调是在一个很多的符号周期内积分，从而使脉冲干扰的影响得以分散提交CCITT的测试报告表明，能引起多载波系统发生错误脉冲噪声的门限电平比单载波系统约高11dB ② 抗多径传播与频率选择性衰落能力强，由于OFDM系统把信息分散到许多个载波上，大大降低了各子载波的信号速率，从而能减弱多径传播的影响，若再通过采用保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰一、多载波调制技术的基本原理,4. 多载波的主要优点与缺点 与单载波系统相比多载波的主要优点有： ③ 采用动态比特分配技术使系统达到最大比特率通过选取各子信道，每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大即要求各子信道功率分配应遵循信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不传送的原则 ④ 频谱效益比串行系统提高近一倍。