移動通信關(guān)鍵技術(shù) (2)

1、廣州大學華軟軟件學院移動通信技術(shù)移動通信技術(shù)第3章 關(guān)鍵技術(shù)l語音編解碼技術(shù) lOFDM技術(shù)l軟件無線電技術(shù)l智能天線lMIMO技術(shù)l聯(lián)合檢測l認知無線電技術(shù)（RC） 什么是調(diào)制與解調(diào)? 基帶信號往往不能直接作為傳輸信號，必須將基帶信號轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)男盘枺⒃诮邮斩诉M行反變換。這個變換和反變換分別稱為調(diào)制和解調(diào)。 2.QPSK調(diào)制的工作原理？頻譜效率？ QPSK: 復習12)1(sbbQPSKffBf復習 GMSK調(diào)制的工作原理？ 4.MQAM調(diào)制的平均功率？星座圖上信號點間的最小距離？ 2221()MsnnnAPcdM1212MLdMQAM擴頻通信（擴頻通信（Spread Spectr

2、um CommunicationSpread Spectrum Communication）包含的意）包含的意義：義：信號的頻譜被大大地展寬采用互不相關(guān)的擴頻碼序列進行調(diào)制來展寬信號頻譜在接收端用同樣的碼序列利用相關(guān)性解調(diào)來解擴 3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù)3.3.1 擴頻通信的理論基礎 擴頻通信的基本特點，是傳輸信號所占用的頻帶寬度(W)遠大于原始信息本身實際所需的最小(有效)帶寬(DF)，其比值稱為處理增益：DFWG/3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 擴頻通信的可行性，是從信息論和抗干擾理論中的相關(guān)公式中引伸而來的。信息論中關(guān)于信息容量的香農(nóng)(Shannon)公式為： )1 (lo

3、g2NSWCC為信道容量(用傳輸速率度量)，W 為信號頻帶寬度， S為信號功率，N為白噪聲功率。 香農(nóng)公式表明，在給定信號功率和白噪聲功率的情況下，只要采用某種編碼系統(tǒng)，就能以任意小的差錯概率，以接近于信道容量C的傳輸速率來傳送信息。 在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比SN是可以互換的。 3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù)即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比SN情況下，傳輸可靠的信息。 若減少帶寬，則必須發(fā)送較大的信號功率（較大的信噪比來傳送）；若有較大的傳輸帶寬，則同樣的信道容量能夠由較小的信號功率（較小的信噪比來傳送）。l 甚至在信號被噪聲湮沒的情況下，即S/N1，只

4、要相應地增加信號帶寬，也能進行可靠的通信。 3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 擴頻通信可行性的另一理論基礎，是柯捷爾尼可夫關(guān)于信息傳輸差錯概率的公式： )(0nEfPe 式中：Pe為差錯概率，E為信號能量，n。為噪聲功率譜密度，f為某一函數(shù)。 信號功率SET (T為信息持續(xù)時間)，而噪聲功率NWn。(W為信號頻帶寬度)，信息帶寬BlT，則上式可化為：)()(BWNSfWNSTfPe3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù)說明，差錯概率Pe是輸入信號與噪聲功率之比（S/N）和信號帶寬與信息帶寬比（W/B）二者乘積的函數(shù)。與香農(nóng)公式一樣，說明信噪比和帶寬是可以互換的，它同樣指示了用增加帶寬的方法可以換

5、取信噪比上的降低。 例：用信息帶寬的100倍，甚至1000倍以上的寬帶信號來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強干擾條件下保證可靠安全地通信。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù)3.3.2 擴頻通信的基本原理 1直接序列擴頻通信系統(tǒng) 第一種碼分直擴系統(tǒng)發(fā)端的用戶信息數(shù)據(jù)ai首先與其對應的地址碼Wi相乘(或模2加)，進行地址碼調(diào)制；再與高速偽隨機碼(PN碼)相乘(或模2加)，進行擴頻調(diào)制。在收端，擴頻信號經(jīng)過由本地產(chǎn)生的與發(fā)端偽隨機碼“完全相同（包括碼型和相位相同）”的PN碼解擴后，再與相應的地址碼(WkWi)進行相關(guān)檢測，得到所需的用戶信息(rk=ai)。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻

6、技術(shù) 系統(tǒng)中的地址碼是采用一組正交碼，而偽隨機碼系統(tǒng)中只有一個，用于加擴和解擴，以增強系統(tǒng)的抗干擾能力。這種系統(tǒng)由于采用了完全正交的地址碼組，各用戶之間的相互影響可以完全除掉，提高了系統(tǒng)的性能，但是整個系統(tǒng)更為復雜，尤其是同步系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如下所示。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 第二種碼分直擴系統(tǒng)發(fā)端的用戶信息數(shù)據(jù)ai直接與之對應的高速偽隨機碼(PNi碼)相乘(或模2加)，進行地址調(diào)制同時又進行了擴頻調(diào)制。在收端，擴頻信號經(jīng)過與發(fā)端偽隨機碼完全相同的本地產(chǎn)生的偽隨機碼(PNk=PNi)解擴，相關(guān)檢測得到所需的用戶信息(rkai)。系統(tǒng)框圖如下所示。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 在這

7、種系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的偽隨機碼不是一個，而是采用一組正交性良好的偽隨機碼組，其兩兩之間的互相關(guān)值接近于0。該組偽隨機碼既用做用戶的地址碼，又用于加擴和解擴，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。 這種系統(tǒng)與第一種系統(tǒng)相比，由于去掉了單獨的地址碼組，用不同的偽隨機碼來代替，整個系統(tǒng)相對簡單一些（優(yōu)點）。但是，由于偽隨機碼組不是完全正交的，而是準正交的，也就是碼組內(nèi)任意兩個偽隨機碼的互相關(guān)值不為0，各用戶之間的相互影響不可能完全除掉，整個系統(tǒng)的性能將受到一定的影響（缺點）。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 由上可見，擴頻通信系統(tǒng)與普通數(shù)字通信系統(tǒng)相比，就是多了擴頻調(diào)制和解擴部分。 信息數(shù)據(jù)（速率Ri）經(jīng)過信息調(diào)制

8、器后輸出的是窄帶信號（a），經(jīng)過擴頻調(diào)制（加擴）后頻譜展寬（b），在接收機的輸入信號中如果加有干擾信號，其功率譜如圖（c），經(jīng)過擴頻解調(diào)（解擴）后有用信號變成窄帶信號，而干擾信號變成寬帶信號（d），再經(jīng)過窄帶濾波器，濾掉有用信號帶外的干擾信號（e），從而降低了干擾信號的強度，改善了信噪比。這就是擴頻通信系統(tǒng)抗干擾的基本原理。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 直接序列擴頻通信系統(tǒng)是以直接擴頻方式構(gòu)成的擴展頻譜通信系統(tǒng)，通常簡稱直擴（DS）系統(tǒng)，又稱偽噪聲（PN：Pseudo-Noise）擴頻系統(tǒng)。2.直接序列擴頻信號的波形3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 跳頻、擴頻調(diào)制技術(shù)跳頻、擴頻調(diào)制技術(shù)

9、- -幾個概念幾個概念定頻通信：定頻通信：載波頻率固定，都是在指定的頻率上進行通信，易受干擾。跳頻系統(tǒng)：跳頻系統(tǒng)：載波頻率不固定，在給定的一個頻率范圍內(nèi)偽隨機地跳變，跳變模式由一個偽隨機碼（PN碼）控制。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù)跳頻集（跳頻集（hopsethopset）：）：系統(tǒng)所有可能的載波頻率的集合。瞬時帶寬：瞬時帶寬：跳變集中某一頻率單獨工作所占用的帶寬?？偺l帶寬：總跳頻帶寬：在跳頻中可能跨越的最大頻譜寬度。跳變的速率：跳變的速率：快跳頻（F-FH）和慢跳頻（S-FH）3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù)快跳頻：快跳頻：一位符號在多個跳頻載波上傳輸，具有頻率分集和時間分集。慢跳

10、頻：慢跳頻：在一跳駐留時間內(nèi)傳輸多個符號，慢跳頻技術(shù)與交織編碼技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成具有時間分集和頻率分集作用的隱分集。跳頻在跳頻在GSMGSM系統(tǒng)中的應用系統(tǒng)中的應用GSM系統(tǒng)采用的是慢跳頻，每秒217跳，每跳約1.2kbit。一個MS在一個時隙內(nèi)用固定頻率發(fā)送或接收信號，在必要時，在一個時隙后跳到另一個頻道的下一個TDMA幀中，即。為了保證系統(tǒng)的正常工作，要求跳頻在1ms之內(nèi)完成。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 3跳頻擴頻通信系統(tǒng) 跳頻(FH)通信是指用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控，也是一種擴頻技術(shù)， 即通信使用的載波頻率受一組快速變化的偽隨機碼控制而隨機的跳變。這種載波變化的規(guī)律，通

11、常叫做“跳頻圖案”。 跳頻實際上是一種復雜的頻移鍵控，是一種用偽隨機碼進行多頻頻移鍵控的通信方式。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù)最簡單的頻移鍵控只有兩個頻率f1和f2，分別代表空號和傳號，稱之為二元頻移鍵控（2FSK），其波形如下圖所示。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù)3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 而在跳頻擴頻通信系統(tǒng)中，載波頻率有幾個、幾十個、甚至上千萬個，必須用復雜的偽隨機碼來控制頻率的變化。這是跳頻系統(tǒng)與頻移鍵控的不同之處。跳頻系統(tǒng)的組成方框圖如圖所示。 由圖跳頻信號的時一域矩陣圖可見，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號；，跳頻信號的頻譜是一個在很寬頻帶上隨機跳變的不等間隔的

12、頻率信道。圖中載波頻率跳變次序是：f5f4f7f0f6f3f1。如果從時間-頻率域來看，跳頻信號為一個時-頻矩陣，每個頻率持續(xù)時間為Tc秒。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù)跳頻分慢跳頻和快跳頻。慢跳頻:跳頻速率低于信息比特速率，即連續(xù)幾個信息比特跳頻一次；快跳頻:跳頻速率高于信息比特速率，即每個信息比特跳頻一次以上。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 跳頻速率應根據(jù)使用要求來決定。一般來說，跳頻速率越高，跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能就越好，但相應的設備復雜性與成本也越高。跳頻的頻率間隔應選擇1Tc(Tc為頻率停留時間，即跳頻時間間隔)，使一載波頻率的峰值處于其他頻率的零點，這就構(gòu)成了頻率正交關(guān)系，避

13、免了相互干擾，便于信號分離。若取頻率數(shù)K，則占用總的頻率帶寬為W=K/Tc。 4跳時擴頻通信系統(tǒng) 與跳頻相似，跳時（TH：Time Hopping）是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。 可以把時間軸分成許多時隙。在一幀內(nèi)哪個時隙發(fā)射信號由擴頻碼序列進行控制。 因此，可以把跳時理解為：用一定碼序列進行選擇的多時隙的時移鍵控。由于采用了窄得多的時隙去發(fā)送信號，相對來說，信號的頻譜也就展寬了。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 如下圖，在發(fā)端輸入的數(shù)據(jù)先存儲起來，由擴頻碼發(fā)送器產(chǎn)生的擴頻碼序列去控制通-斷開關(guān)，經(jīng)二相或四相調(diào)制后再經(jīng)射頻調(diào)制后發(fā)射。在收端，由射頻接收機輸出的中頻信號經(jīng)本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴

14、頻碼序列控制通-斷開關(guān)，再經(jīng)二相或四相解調(diào)器，送到數(shù)據(jù)存儲器經(jīng)再定時后輸出數(shù)據(jù)。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 只要收發(fā)兩端在時間上嚴格同步進行，就能正確的恢復原始數(shù)據(jù)。跳時也可以看成是一種時分系統(tǒng)，所不同的是它不是在一幀中固定分配一定位置的時隙，而是由擴頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時隙。 跳時系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時隙數(shù)。由于簡單的跳時抗干擾性不強，故很少單獨使用。跳時通常都與其他方式結(jié)合后使用，組成各種混合方式。 3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù) 擴頻通信系統(tǒng)的主要性能指標包括處理增益和抗干擾容限。 處理增益表示了擴頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度。 抗干擾容限是在保證系統(tǒng)正

15、常工作的條件下，接收機輸入端能承受的干擾信號比有用信號高出的分貝(dB)數(shù)，它表示系統(tǒng)在干擾環(huán)境下的工作性能，它直接反映了擴頻通信系統(tǒng)接收機允許的極限干擾強度，它往往能比處理增益更確切地表達系統(tǒng)的抗干擾能力。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù)擴頻通信的主要特點：(1)抗干擾能力強；(2)保密性好；(3)可以實現(xiàn)碼分多址；(4)抗衰落、抗多徑干擾；(5)能精確地定時和測距，等等。3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù)直擴系統(tǒng)是依靠頻譜的直擴系統(tǒng)是依靠頻譜的擴展和解擴處理擴展和解擴處理提高提高信噪比的，跳頻則是依靠信噪比的，跳頻則是依靠躲避干擾躲避干擾來達到提高信噪來達到提高信噪比的。比的。思考：跳頻

16、如何提高信噪比，改善系統(tǒng)性能？與一般思考：跳頻如何提高信噪比，改善系統(tǒng)性能？與一般的擴頻通信的改善又有什么區(qū)別？的擴頻通信的改善又有什么區(qū)別？3.3擴頻、跳頻技術(shù)擴頻、跳頻技術(shù)3.4 分集接收分集接收l分集技術(shù)的分類 l幾種常用的顯分集技術(shù) l幾種常用的隱分集技術(shù) l分集合并技術(shù) 3.4分集技術(shù)分集技術(shù) 分集接收技術(shù)是一項主要的抗衰落技術(shù)，它可以大大提高多徑衰落信道下的傳輸可靠性。 本質(zhì)：是采用兩種或兩種以上的不同方法接收同一信號以克服衰落。 作用：在不增加發(fā)射機功率或信道帶寬的情況下充分利用傳輸中的多徑信號能量，以提高系統(tǒng)的接收性能。 基本思路：將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的（獨立的）多路

17、信號，即選取了一個信號的兩個或多個獨立的采樣，這些樣本的衰落是互不相關(guān)的，這意味著所有樣本同時低于一個給定電平的概率比任何一個樣本低于該值的概率要小得多；然后將這些信號的能量按一定規(guī)則合并起來，使接收的有用信號能量最大。對數(shù)字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最小，對模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比。3.4分集技術(shù)分集技術(shù) 3.4.1 分集技術(shù)的分類 “分”與“集”是一對矛盾。為了在接收端得到幾乎相互獨立的不同路徑，可以通過空域、頻域和時域的不同角度、不向方法來加以實現(xiàn)。因此分集技術(shù)研究是利用信號的基本參量在時域、頻域和空域中，如何分散開又如何收集起來的技術(shù)。3.4分集技術(shù)分集技術(shù) 從信號傳輸?shù)姆绞絹?/p>

18、看，分集技術(shù)分為顯分集和隱分集兩大類。u顯分集指利用多副天線接收信號的分集，構(gòu)成明顯的分集信號的傳輸方式。 它又分為宏分集和微分集（包括空間分集、頻率分集、時間分集、極化分集、路徑分集、場分量分集、角度分集等）。u隱分集只需一副天線來接收信號的分集，分集隱含在傳輸信號之中，在接收端利用信號處理技術(shù)來實現(xiàn)分集接收。 它又分為交織編碼技術(shù)、跳頻技術(shù)、直接擴頻技術(shù)等。3.4分集技術(shù)分集技術(shù)分集技術(shù)分集技術(shù) 顯分集顯分集隱分集隱分集交織編碼技術(shù)交織編碼技術(shù)跳頻技術(shù)跳頻技術(shù)直接擴頻技術(shù)直接擴頻技術(shù)宏分集宏分集微分集微分集空間分集空間分集頻率分集頻率分集時間分集時間分集極化分集極化分集路徑分集路徑分集場分

19、量分集場分量分集角度分集角度分集3.4分集技術(shù)分集技術(shù)3.4.2 幾種常用的顯分集技術(shù) 宏分集（也稱為“多基站”分集）以減少由于陰影效應而引起的大范圍慢衰落為目的，它的做法是，也可以選用其中信號最好的一個基站與移動臺進行通信。 3.4分集技術(shù)分集技術(shù) 微分集是以抗快衰落為目的，。理論和實踐都表明，在空間、頻率、極化、場分量、角度及時間等方面分離的無線信號，都呈現(xiàn)互相獨立的衰落特性，因此可采用空間分集、時間分集、頻率分集、極化分集、角度分集和多徑分集等多種分集技術(shù)。1空間分集 空間分集在發(fā)送端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副間隔距離d/2（為工作波長）的天線接收，以保證接收天線輸出信號的衰落

20、特性是相互獨立的。經(jīng)相應的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個總的接收天線輸出信號，從而降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃?。該技術(shù)在FDMA、TDMA及CDMA移動通信系統(tǒng)中都有應用。2時間分集 快衰落除了具有空間和頻率獨立性之外，還具有時間獨立性，即同一信號以大于相干時間的時間間隔重復傳輸M次，即得到M條獨立的分集支路。接收機將重復收到的同一信號進行合并，以減小衰落的影響。 3頻率分集 頻率分集就是，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信號。在移動通信系統(tǒng)中，可采用信號載波頻率跳變擴展頻譜技術(shù)來達到頻率分集的目的。和空間分集相比，頻率分集的優(yōu)點是減少了天線數(shù)目，缺點是

21、要占用更多的頻譜資源，在發(fā)端需要多部發(fā)射機。 4角度分集 當工作頻率高于10GHz時，從發(fā)射機到接收機的散射信號產(chǎn)生從不同方向來的互不相關(guān)的信號。這樣接收端，在同一位置設置指向不同方向的兩個或更多的有向天線，向合成器提供信號，以達到克服衰落的目的。采用這種方案，移動臺比基站的電路更有效。5極化分集 極化分集實際上是空間分集的特殊情況。利用這一特點，在發(fā)端同一地點裝上垂直極化和水平極化兩副發(fā)射天線，在收端同一地點裝上垂直極化和水平極化兩副接收天線，就可以得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量。這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，缺點是由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，將有3dB的信號功率損失。6場分量

22、分集 由電磁場理論可知，電磁波的E場和H場載有相同的消息，而反射機理是不同的，例如一個散射體反射E波和H波的駐波圖形相位差90，即當E波為最大時，H波最小。因此利用場分量的這個特點也可以實現(xiàn)分集。7多徑分集 移動臺接收到的信號是一個多徑衰落信號。，對于窄帶系統(tǒng)（如模擬TACS、數(shù)字GSM系統(tǒng)），在同一地點，到達的各路信號是相關(guān)的，無法分離。只有特定設計的擴頻信號才可以進行分離，分離的手段是相關(guān)接收。 通常這一多徑衰落信號的時延差很小且是隨機的1交織編碼技術(shù) 交織編碼的目的。交織深度越大，則離散度越大，抗突發(fā)差錯能力也就越強，但處理時間也越長，從而造成數(shù)據(jù)傳輸時延增大。也就是說，交織編碼是以時間

23、為代價的。因此，交織編碼屬于時間隱分集。3.4.3 幾種常用的隱分集技術(shù)交織編碼技術(shù)舉例如下： 假設原始為11101101100101010110D101011共計28位，按47矩陣排列，依次按行寫入發(fā)送矩陣，如圖（a）所示。 將圖（a）中的數(shù)據(jù)用“橫寫豎讀”法寫入塊交織器，這時交織器的輸出就是按圖（b）中的左面第一列1010，然后第二列1101。 2跳頻技術(shù) 跳頻有慢跳頻（SFH）和快跳頻（FFH）兩種。慢跳頻的跳頻速率低于信息比特率，即連續(xù)幾個信息比特跳頻一次。GSM系統(tǒng)中，傳輸頻率在一個完整的突發(fā)脈沖傳輸期間保持不變，屬于慢跳頻?？焯l的跳頻速率高于或等于信息比特率，即每個信息比特跳頻一次以上。 3.4.4分集合并技術(shù) 在分集接收中，在接收端從不同的N個獨立信號支路所獲得的信號，可以通過不同形式的合并技術(shù)來獲得分集增益。如果從合并所處的位置來看：合并可以在檢測器以前，即中頻和射頻上進行合并，且多半是在中頻上合并；也可以在檢測器以后，即在基帶上進行合并。合并時采用的準則與方式主要可以分為三種：最大比值