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1、第二章 调制解调 2.1 概述无线通信系统框图：信 源电 信 号调 制接 收 机解 调发 射 机电 信 号信 宿无线信道噪声 和干 扰消 息模拟或数 字信号调制：把要传输的信号变换成适合信道传 输的信号的过程。调制信号：调制器的输入信号（调制前） 。 已调信号（调幅、调频和调相信号）： 调制器的输出信号（调制后）。模拟调制 数字调制按调制信号形式划分调幅(AM)：载波振幅调频(FM)：载波频率调相(PM)：载波相位随调制信号变化的调 制方式移动通信信道的基本特征： 1.带宽有限。2.干扰和噪声影响大。3.存 在多径衰落。 对调制的要求： 已调信号所占的带宽要窄。 经调制解调后的输出信噪比(S/
2、N)较大 或误码率较低。 调制解调技术研究的主要内容： 调制的原理。 已调信号的频谱特性及其产生方法。 解调的原理和实现方法。 解调后的信噪比或误码率性能。2.2 模拟移动通信的调制解调设载频信号为Uc：载波的振幅； 0：载波的角频率； ：载波初始相位。由于信道快衰落会使模拟调幅产生附加 调幅而造成失真，已很少采用。调频和调相信号可以写成如下形式：(t)：载波的瞬时相位。 设调制信号：则调频信号的瞬时角频率与输入信号的关 系为：Kf为调制灵敏度。因而调频信号的形式为Mf：调制指数。 将式(2-7)展开成级数得Jk(mf)：k阶第一类贝塞尔函数。FM信号的频谱（mf=2) 振幅2B=2(mf+1
3、)UcUc/2 J1(mf) J1(mf)J0(mf) J2(mf) J2(mf)c 若以90%能量所包括的谱线宽度作为调频 信号的带宽，则可以证明调频信号的带 宽为Fm=/2为调制频率，fm=mfFm为调制 频偏。 若以99%能量计算调频信号的带宽为调频器积分器调相器um(t)uFM(t)f0间接调频电压振荡器 VCCum(t)uFM(t)直接调频积分器um(t)f0uPM(t)间接调相信号的调制框图：调频信号的解调框图：uFM(t)前置放大器 B=2(mf+1)Fm限幅器鉴频器低频 滤波器噪声n(t)解调器r(t)Uc经限幅器限幅后为一常数,大信噪比情况下，即UcV(t)，有鉴频器的输出第
4、一项为信号项，第二项为噪声项。 经低通滤波后，信号的功率为表示对u2m(t)进行统计平均。噪声功率为从而得到输出信噪比为输入信噪比为经解调后，信噪比的增益为在小信噪比的情况下，即即Uc0 判为“+1” Y(t)0, 判为“+1” ；(t)减小时(Tb)为负， sin 判为“+1” Y(t)0 判决为“+1”y(t)0 判决为“+1”y(t)B，p(t)的带宽也远远大于 B 二进制调制DS-SS发射机和接收机中频宽带 滤波器相干PSK或 差分PSK 解调器PN码 产生器同步系统数据输出SI(t) 数据 序列PN码 寄存器码片 时钟BPF振荡器 c已调信号S(t) SI(t)具有PSK的性质，通过
5、解调得到m(t)。 信号及干扰的频谱干扰信号干扰信号处理增益PG发射机中BPF输出接收机中乘法器输出 处理增益为 排除干扰能力与处理增益有关PG，PG 越大，压制带内干扰的能力越强。2.4.3 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。在每一个信道 上，发射机再一次跳频前的一小串的传 输数据在窄带内按传统的调制技术（通 常为FSK）进行传输。跳跃发生在信道 上，并跨越一系列信道。 跳跃集：一串可能的跳跃序列。 瞬间带宽：跳跃集所在的信道带宽。 跳频总带宽：跳跃中所跨越的频谱。 单信道调制：跳跃中每一个信道采用一个基本载波频率调制。 跳变持续时间：跳变
6、之间的时间，用Th表示。 信号冲突（碰撞）：在相同时刻、相同信道 上，一个非预测信号占据了跳频信道 ，传输信与非预测信号发生冲突。 跳频技术分快、慢跳频两种： 快跳频：在发送序列每一位时发生多次跳频 。 慢跳频：在发送序列一位或多位后的时间间 隔 内进行跳频。 单信道调制(FH)系统数据跳频信号 调制器振荡器码时钟频率 合成器PN码 生成器发射机带宽滤波频率 合成器PN码 生成器解调器BPF同步系统解跳信号数据跳频信号接收机2.4.4 直扩的性能 K个用户接入的直扩系统，Ts/Tc=N，第 k个用户的传输信号表达式为PNk(t) cos(ct+k)1kPN1(t) cos(ct+1)m1(t)
7、mk(t)r(t)CDMA扩频系统k个用户模型 单个用户接收机 接收过程是通过对信号序列进行参量估计得 出结果。 对第一个用户的第i位进行的变量估计为判决r(t)PN1(t) 2cos(ct+1)m(t) 若m1,i=-1，Zi(1)0，则错误概率为PZi(1)0| m1,i=-1 由于接收信号r(t)是信号的线性集成，则 Zi(1)可以表示为I1：是第一个用户接收到的信号响应。 ：是除第一个用户外，其余K-1个 用户造成的总接入干扰。 ：是反映其它噪声影响的高斯随机变量 。的均值为零，方差为E2=N0Ts/4。 Ik表示来自第k个用户的干扰假设Ik是由第k个干扰在某一整位N个时间的随机组成，
8、则 是随机过程。采用高斯表达式得到平均误比特率为 若Eb/N0趋向于无穷大，则上式为 Pe是错误率的低线，是假设个各接 入干扰强度大小相同的情况，没有 考虑“远近效应”和系统的热噪声等 。 2.4.5 跳频扩频的性能在FH-SS系统中，几个用户独立地 采用2FSK调制在它们的频带上跳 跃。 假设任何两个用户不会在同一个信 道中发生冲突，则2FSK系统的误 比特率为 若两个信号发生冲突，则按0.5 的 概率进行分配，总的错误概率为Ph ：碰撞概率（可预先得到）。 若有M个信道，那么在用户的接收 信道时间片上有1/M的发生碰撞的 可能性。 若有(K-1)个用户干扰，那么在接收 信道上，至少有发生一
9、个冲突的可 能性，此时，Ph为 若M很大，则 当K=1特殊情况下，错误概率如式(2-81)所示 ，是一个标准的2FSK错误概率。 假设Eb/N0趋向于无穷大，式(2-84)表示为给出了对多重干扰来说，不可避免的错误概 率 以上的分析是假设用户的跳频会同步发 生的，称为时隙跳频。多数FH-SS系统 并非如此，即使两个独立用户的时钟能 够同步，不同的传输路径会造成不同的 时延，因此异步情况下，发生冲突的可 能性为 Nb：每次跳变的传输数据数。 将式(2-86)与（2-83）比较，异步情况 下发生冲突的概率增大，在异步情况下 ，错误概率为 与DS-SS系统相比，FH-SS系统的优点 能抗“ 远近效应
10、”，但不能完全避免。 信号一般不使用同一频率，接收机的功 率不像 DS-SS那样要求的严格。 改进在传输中加入纠错码，不仅可以改善“ 远近效应”的影响，而且可以在偶尔发 生冲突时，提高系统的性能。2.5 多址方式 用于多信道共用。多信道共用是指在网 内的大量用户共享若干无限信道。 多址技术：主要解决多用户如何高效共享给定频谱资源问题。 常规的多址方式有三种： 频分多址 (FDMA) 时分多址(TDMA) 码分多址(CDMA)频分多址：是将给定的频谱资源划分为若干个 等 间隔的频道（或称信道），供不同的用户使用 。2.5.1 频分多址 (FDMA)信道1信道N信道带宽功率时间信道1信道N信 道
11、2信 道2收发间隔移动台收（基站发）移动台发（基站收） 信道带宽：在模拟移动通信系统，它通 常等于传输一路模拟话音所需的带宽。 如25kH或30kHz. 收发间隔：|f-F|，f为接受频率，F为发 射频率。在频分双工(FDD)通信中，fF 。 为了避免同一部电台间的干扰， |f-F|必 须大于一定的数值。如800MHz频段， 收发间隔常为45MHz。2.5.2 时分多址 时分多址：是把时间分割成周期性的贞 ，每一个贞在分割成若干个时隙。贞和 时隙都是不重叠的。 在频分双工(FDD)方式中，上行链路（ 移动台到基站）和下行链路（基站到移 动台）的幀分别在不同的频率上。 在时分双工(TDD)方式中
12、，上下行贞在 相同的频率上，各移动台在上下行贞内 只能按指定的时隙向基站发送信号。下行贞CH NCH 2 CH 1CH NCH 2 CH 1CH 2上行贞时间CH 1CH N时隙下行贞频率功率TDMA示意图 基站按顺序在预定的时隙中向各移动台 发送信息。 保护间隔：由于传输移动信号有时延， 为保证各移动台到达基站处的信号不重 叠，通常在上行时隙内有保护间隔，在 该间隔内不传输信号。 贞长和贞结构 贞长： GSM系统：4.6ms(每贞8时隙） DECT系统：10ms (每贞24时隙） PACS系统：2.5ms (每贞8时隙） 贞结构： 在 FDD方式中，上下行链路的幀结 构可以相同，也可以不同。
13、 在TDD方式中，通常将某一频率上 的一贞中一半的时隙用于移动台发 ，另一半的时隙用于移动台收，收 发工作在同一频率上进行。一 幀时隙123N信息 保护 典型结构1典型结构2典型的时隙结构同步 控制信息 训练信息保护 时隙结构的设计三个主要问题： 控制和信令的传输 信道的多径的影响 系统的同步解决措施： 每个时隙中，专门划出部分比特用于控 制和信令信息的传输。 为便于接收端利用均衡器来克服多径引 起的码间干扰，在时隙中插入自适应均 衡器所需的训练序列。3. 在上行链路的每一个时隙中留出一定 的保护间隔，即每个时隙中传输信号的 时间小于时隙的长度。 为了便于接收端的同步，在每个时隙中 要传输同步
14、序列。同步序列和训练序列可以合二为一。2.5.3 码分多址 (CDMA)码分多址：以扩频信号为基础，利用不同 的码型实现不同用户的信息传输。 采用直接序列扩频技术所对应的多址方 式为直扩码分多址(DS-CDMA); 采用跳频扩频技术所对应的多址方式为 跳频码分多址(FH-CDMA). 下行链路采用的正交序列为Walsh序列 ，来区分不同信道。 Walsh序列的长度 为64时，可以有64个正交序列，可以产 生64个逻辑信道。 使用正交序列的要求：各序列之间完全 同步。因此用于基站到移动台的下行链 路。 移动台到基站的上行链路，通常采用准 正交的PN序列如m序列、gold序列，来 区分不同用户（或信道）。如采用周期 为242-1长的m序列形成接入信道和业务 信道。导频 信道寻呼 信道寻呼 信道业务 信道业务 信道业务 信道业务 信道业务 信道同步 信道CDMA下行链路（信道） （1.23MHz )1 7 1 n 24 25 55W0 W32 W1 W7 W8 W31 W33 W65业务 数据控制子 信道(a) 基站到移动台的下行链路接入 信道接入 信道业务 信道业务 信道业务 信道用户地址 1 n 1 2 55(b) 移动台到基
