第四章第四章 先进的数字带通调制和解调先进的数字带通调制和解调1 BPSKBPSK、、QPSKQPSK、、OQPSKOQPSK和和FSKFSK信号的都可能会发生相位突变，信号的都可能会发生相位突变，瞬间产生极大的频率变化，相应的谐波会造成对带外的干扰；瞬间产生极大的频率变化，相应的谐波会造成对带外的干扰； OQPSKOQPSK较之较之QPSKQPSK相位突变小，造成的带外干扰也小；相位突变小，造成的带外干扰也小； 若能够采用避免相位跳变的调制，则可大大抑止带外干扰；若能够采用避免相位跳变的调制，则可大大抑止带外干扰； 最小频移键控（最小频移键控（MSKMSK）正是基于这种思路提出的调制方式正是基于这种思路提出的调制方式 2 4.1 4.1 最小频移键控最小频移键控最小频移键控最小频移键控(MSK)(MSK)及高斯最小频移键控及高斯最小频移键控及高斯最小频移键控及高斯最小频移键控(GMSK)(GMSK)MSK和和FSK比较：比较：n相位连续相位连续n包络恒定包络恒定n占用带宽最小占用带宽最小n严格正交严格正交 4.1.1 MSK信号的基本原理信号的基本原理Ø表示式表示式 式中，式中，（当输入码元为（当输入码元为“1”时，时，ak =+1；当输入码元为；当输入码元为“0”时，时，ak = -1）） T －－ 码元持续时间；码元持续时间； k －－ 第第k个码元的确定的初始相位。
个码元的确定的初始相位3 Ø由上式可以看出由上式可以看出:n当当ak =+1时，码元频率时，码元频率 f1等于等于 fs+1/(4T)；；当当ak = -1时，码元频率时，码元频率 f0等于等于 fs - 1/(4T)故故 f1 和和 f2 的距离等于的距离等于1 / (2T) －－ FSK信号的最小频率间隔信号的最小频率间隔 Ø上式可以改写为上式可以改写为式中，式中，4 Ø码元持续时间码元持续时间Tn由于它是一个正交由于它是一个正交FSK信号，所以它应当满足式：信号，所以它应当满足式：即有，即有，上式左端上式左端4项应分别等于零，所以将第项应分别等于零，所以将第3项项sin(2k) = 0的条件代入第的条件代入第1项，得到要求：项，得到要求：sin(2sT) = 0即要求：即要求：或或 上式表示，上式表示，MSK信号每个码元持续时间信号每个码元持续时间 T 内包含的载内包含的载波周期数必须是波周期数必须是1 / 4的整数倍的整数倍5 即上式可以改写为即上式可以改写为式中，式中，N为正整数；为正整数； m = 0, 1, 2, 3以及有以及有由上式可以得知：由上式可以得知：式中，式中，T1 = 1 / f1；；T0 = 1 / f06 上式给出一个码元持续时间上式给出一个码元持续时间 T 内包含的正弦波周期数。
内包含的正弦波周期数由此式看出，无论两个信号频率由此式看出，无论两个信号频率f1和和f0等于何值，这两种码元等于何值，这两种码元包含的正弦波数均相差包含的正弦波数均相差1/2个周期例如，当个周期例如，当N =1，，m = 3时，时，对于比特对于比特“1”和和“0”，一个码元持续时间内分别有，一个码元持续时间内分别有2个和个和1.5个正弦波周期，如下图所示：个正弦波周期，如下图所示：7 4.1.2 MSK信号的相位连续性信号的相位连续性Ø码元相位的含义码元相位的含义 设：设：式中，式中， s －－ 载波角频率；载波角频率； k －－ 码元初始相位码元初始相位n仅当一个码元中包含整数个载波周期时，初始相位相同的仅当一个码元中包含整数个载波周期时，初始相位相同的相邻码元间相位才是连续的，即波形是连续的；否则，即相邻码元间相位才是连续的，即波形是连续的；否则，即使初始相位使初始相位 k相同，波形也不连续如下图所示：相同，波形也不连续如下图所示： 8 Ø波形连续的一般条件：前一码元末尾的总相位等于后一码元波形连续的一般条件：前一码元末尾的总相位等于后一码元开始时的总相位，即开始时的总相位，即ØMSK信号的相位连续条件信号的相位连续条件n相位连续的相位连续的MSK信号要求前一码元末尾的相位等于后一码信号要求前一码元末尾的相位等于后一码元的初始相位。
元的初始相位 由由MSK信号的表示式：信号的表示式：和上式可知，这是要求和上式可知，这是要求由上式可以容易地写出下列递归条件：由上式可以容易地写出下列递归条件：由上式可以看出，第由上式可以看出，第(k+1)个码元的相位不仅和当前的输入个码元的相位不仅和当前的输入有关，而且和前一码元的相位有关有关，而且和前一码元的相位有关 9 载波相位连续性分析，研究载波相位连续性分析，研究t t＝＝nTnTS S瞬间前后载波的相位瞬间前后载波的相位 在第在第n n－－1 1个符号结束前瞬间，载波相位个符号结束前瞬间，载波相位 在第在第n n个符号开始前瞬间，载波相位个符号开始前瞬间，载波相位 可见有可见有 ，即相位连续即相位连续10 ØMSK信号的附加相位信号的附加相位设：设： k的初始参考值等于的初始参考值等于0 这时，由这时，由可知，可知，而而MSK信号信号可以改写为可以改写为式中，式中， －第－第k个码元信号的附加相位个码元信号的附加相位它是它是 t 的直线方程并且，在一个码元持续时间的直线方程。
并且，在一个码元持续时间T 内，它变化内，它变化+ /2 或或 - /211 Ø附加相位附加相位 (t)的轨迹图的轨迹图设：输入数据序列设：输入数据序列 ak =+1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,-1 则由则由得到得到T3T5T9T7T11T0(b)附加相位的可能路径k(t)T3T5T9T7T11T0(a)附加相位轨迹k(t)T3T5T9T7T11T0(c)模2运算后的附加相位k(t)12 MSKMSK的表达式为的表达式为 13 4.1.3 MSK信号的正交表示法信号的正交表示法ØMSK信号表示式信号表示式可以变换为如下两个正交分量：可以变换为如下两个正交分量： 式中，式中，14 Ø例：输入序列例：输入序列 ak =+1，，-1，，+1，，-1，，-1，，+1，，+1，，-1，，+1k0 12345678T(-T, 0)(0, T)(2T, 3T)(3T, 4T)(4T, 5T)(5T, 6T)(6T, 7T)(7T, 8T)(8T, 9T)ak+1－1+1-1-1+1+1－1＋1k(mod 2)000pk11-1-1-1-1-1-11qk1-1-111-1-11115 Ø输入序列输入序列 ak =+1，，-1，，+1，，-1，，-1，，+1，，+1，，-1，，+1k(mod 2)akqkpka0a1a2a3a4a5a6a7a8qksin(t/2T)pkcos(t/2T)0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T16 4.1.4 MSK信号的产生和解调信号的产生和解调 ØMSK信号的产生信号的产生由下式由下式可以画出可以画出MSK信号产生的方框图如下：信号产生的方框图如下：差分编码串/并变换振荡f=1/4T振荡f=fs移相/2移相/2cos(t/2T)qkpkpkcos(t/2T)qksin(t/2T)sin(t/2T)cosstsinstpkcos(t/2T)cosstqksin(t/2T)sinstakbk带通滤波MSK信号－17 ØMSK信号的解调信号的解调n如同如同2FSK信号，可以采用相干解调或非相干解调方法。
信号，可以采用相干解调或非相干解调方法n延时判决相干解调法延时判决相干解调法 －－ 另一种解调方法另一种解调方法p基本原理：采用基本原理：采用QPSK信号的解调原理信号的解调原理接收信号分别用提取的相干载波接收信号分别用提取的相干载波cos st 和和-sin st 相乘：相乘： sk(t)cosst = [pkcos(t/2T)cosst - qksin(t/2T) sinst]cosst = (1/2) pkcos(t/2T)sk(t)(-sinst) = [pkcos(t/2T)cosst - qksin(t/2T) sinst](-sinst) = (1/2)qksin(t/2T)上两式和原上两式和原MSK信号的两个正交分量的振幅相同它们经过信号的两个正交分量的振幅相同它们经过积分判决后，得到积分判决后，得到pk和和qk 再作模再作模2乘90相移模2乘载波提取积分判决抽样保持积分判决抽样保持cosst-sinstMSK信号[2iT, 2(i+1)T][(2i-1)T, (2i+1)T]pq(MSK信号解调器原理方框图解调输出18 p当输入序列当输入序列 ak = +1, -1, +1, -1, -1, +1, +1, -1, +1时，解调时，解调波形如下：波形如下： MSK信号解调波形图tttOOOpqp q－1－1 －1－1+1+1+1+1+119 n 最小频移键控（最小频移键控（MSKMSK）） 在上式中，因为在上式中，因为 所以有所以有 20 21 为避免解调时的本地载波的相位模糊问题，可采用加预编码为避免解调时的本地载波的相位模糊问题，可采用加预编码 的的MSKMSK技术技术 MSKMSK信号的最佳接收方法信号的最佳接收方法 利用两个相隔一个周期利用两个相隔一个周期T T的两个匹配滤波器（相关器）的两个匹配滤波器（相关器） 在两个码元周期在两个码元周期T T分别进行收到和判决。
分别进行收到和判决22 4.1.5 MSK信号的功率谱信号的功率谱ØMSK信号的归一化功率谱密度信号的归一化功率谱密度Ps(f)计算结果如下：计算结果如下：式中，式中，fs －－ 信号载频；信号载频； T －－ 码元持续时间码元持续时间Ø功率谱曲线：功率谱曲线：23 4.1.6 MSK信号的误码率性能信号的误码率性能Ø当用匹配滤波器分别接收每个正交分量时，当用匹配滤波器分别接收每个正交分量时，MSK信号的误比信号的误比特率性能和特率性能和2PSK、、QPSK及及OQPSK等的性能一样等的性能一样Ø若把它当作若把它当作FSK信号用相干解调法在每个码元持续时间信号用相干解调法在每个码元持续时间T内解内解调，则其性能将比调，则其性能将比2PSK信号的性能差信号的性能差3dB 11.3.7 高斯最小频移键控高斯最小频移键控(GMSK)Ø先将矩形码元通过一个高斯型低通滤波器，再作先将矩形码元通过一个高斯型低通滤波器，再作MSK调制Ø高斯型低通滤波器特性：高斯型低通滤波器特性：式中，式中，B －－ 滤波器的滤波器的3 dB带宽Ø优点：对邻道干扰小优点：对邻道干扰小Ø缺点：有码间串扰缺点：有码间串扰(ISI)。
Ø应用：在应用：在GSM制的蜂窝网中采用制的蜂窝网中采用BT = 0.3的的GMSK调制，以得调制，以得到更大的用户容量到更大的用户容量ØBT值越小，码间串扰越大值越小，码间串扰越大24 n 高斯滤波最小频移键控（高斯滤波最小频移键控（GMSKGMSK）） g(tg(t) )：高斯滤波特性：高斯滤波特性25 l l 移动通信技术已经经历了以下三个阶段第一代移动通信技术已经经历了以下三个阶段第一代移动通信技术已经经历了以下三个阶段第一代移动通信技术已经经历了以下三个阶段第一代(1G)(1G)源于源于源于源于2020世纪世纪世纪世纪8080年代，模拟移动时代，主要采用模拟和年代，模拟移动时代，主要采用模拟和年代，模拟移动时代，主要采用模拟和年代，模拟移动时代，主要采用模拟和频分多址频分多址频分多址频分多址(FDMA)(FDMA)技术，建立在频分多址接入和蜂窝频率复技术，建立在频分多址接入和蜂窝频率复技术，建立在频分多址接入和蜂窝频率复技术，建立在频分多址接入和蜂窝频率复用的理论基础上第二代用的理论基础上第二代用的理论基础上第二代用的理论基础上第二代(2G)(2G)起源于起源于起源于起源于9090年代初期，年代初期，年代初期，年代初期，19941994年年年年建成建成建成建成GSMGSM数字网，数字网，数字网，数字网，20002000年建成年建成年建成年建成CDMACDMA数字网。
第二代数数字网第二代数数字网第二代数数字网第二代数字移动通信系统可以提供话音以及低速率数据业务主要字移动通信系统可以提供话音以及低速率数据业务主要字移动通信系统可以提供话音以及低速率数据业务主要字移动通信系统可以提供话音以及低速率数据业务主要采用时分多址采用时分多址采用时分多址采用时分多址(TDMA)(TDMA)和码分多址和码分多址和码分多址和码分多址(CDMA)(CDMA)技术第三代移动技术第三代移动技术第三代移动技术第三代移动通信通信通信通信(3G)(3G)由卫星移动通信网和地面移动通信网组成，形成由卫星移动通信网和地面移动通信网组成，形成由卫星移动通信网和地面移动通信网组成，形成由卫星移动通信网和地面移动通信网组成，形成对全球无缝覆盖的立体通信网络，以满足各种用户密度的对全球无缝覆盖的立体通信网络，以满足各种用户密度的对全球无缝覆盖的立体通信网络，以满足各种用户密度的对全球无缝覆盖的立体通信网络，以满足各种用户密度的需要，支持高速移动环境，提供语音、数据和多媒体等多需要，支持高速移动环境，提供语音、数据和多媒体等多需要，支持高速移动环境，提供语音、数据和多媒体等多需要，支持高速移动环境，提供语音、数据和多媒体等多种业务种业务种业务种业务( (最高速率可达最高速率可达最高速率可达最高速率可达2Mbit/s)2Mbit/s)的先进移动通信网，基本实的先进移动通信网，基本实的先进移动通信网，基本实的先进移动通信网，基本实现个人通信的要求。
但是不能满足多媒体通信的要求，通现个人通信的要求但是不能满足多媒体通信的要求，通现个人通信的要求但是不能满足多媒体通信的要求，通现个人通信的要求但是不能满足多媒体通信的要求，通信速率更高，网络占用频谱更宽，通信终端更加灵活，智信速率更高，网络占用频谱更宽，通信终端更加灵活，智信速率更高，网络占用频谱更宽，通信终端更加灵活，智信速率更高，网络占用频谱更宽，通信终端更加灵活，智能性能更高，兼容性能更好，多媒体通信质量高，通信费能性能更高，兼容性能更好，多媒体通信质量高，通信费能性能更高，兼容性能更好，多媒体通信质量高，通信费能性能更高，兼容性能更好，多媒体通信质量高，通信费用更加低的第四代移动通信用更加低的第四代移动通信用更加低的第四代移动通信用更加低的第四代移动通信(4G)(4G)应运而生据应运而生据应运而生据应运而生据20112011年年年年3 3月月月月5 5日最新新闻报道日最新新闻报道日最新新闻报道日最新新闻报道, , 第四代移动通信第四代移动通信第四代移动通信第四代移动通信(4G)(4G)系统在我国系统在我国系统在我国系统在我国4 4个城市个城市个城市个城市试运行26 4G4G可以再不同的固定、无线平台和跨越不同频带的可以再不同的固定、无线平台和跨越不同频带的可以再不同的固定、无线平台和跨越不同频带的可以再不同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网，网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网，网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网，网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网，能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。
制等综合功能制等综合功能制等综合功能4G4G系统中关键技术主要包括以下五个系统中关键技术主要包括以下五个系统中关键技术主要包括以下五个系统中关键技术主要包括以下五个方面：方面：方面：方面： (1).OFDM(1).OFDM调制技术调制技术调制技术调制技术 (2).(2).软件无线电软件无线电软件无线电软件无线电 (3).(3).智能天线技术智能天线技术智能天线技术智能天线技术 (4).(4).多用户检测技术多用户检测技术多用户检测技术多用户检测技术 27 (1).OFDM(1).OFDM调制技术调制技术调制技术调制技术 4G4G要求将数据速率从要求将数据速率从要求将数据速率从要求将数据速率从3G3G的的的的2Mbps2Mbps提高到提高到提高到提高到20-20-100Mbps100Mbps，对全速移动用户能够提供，对全速移动用户能够提供，对全速移动用户能够提供，对全速移动用户能够提供150Mbit/s150Mbit/s的的的的高质量影像服务高质量影像服务高质量影像服务高质量影像服务。
OFDMOFDM技术是在无线环境下的技术是在无线环境下的技术是在无线环境下的技术是在无线环境下的高速传输技术高速传输技术高速传输技术高速传输技术OFDMOFDM技术的主要思想是在频域技术的主要思想是在频域技术的主要思想是在频域技术的主要思想是在频域内将给定的信道分成许多正交子信道，每一个子内将给定的信道分成许多正交子信道，每一个子内将给定的信道分成许多正交子信道，每一个子内将给定的信道分成许多正交子信道，每一个子信道上采用一个子载波调制，并且各个子载波并信道上采用一个子载波调制，并且各个子载波并信道上采用一个子载波调制，并且各个子载波并信道上采用一个子载波调制，并且各个子载波并行传输，这样虽然总的信道是非平坦的，但是每行传输，这样虽然总的信道是非平坦的，但是每行传输，这样虽然总的信道是非平坦的，但是每行传输，这样虽然总的信道是非平坦的，但是每个子信道是相对平坦的，符号带宽小于信道带宽，个子信道是相对平坦的，符号带宽小于信道带宽，个子信道是相对平坦的，符号带宽小于信道带宽，个子信道是相对平坦的，符号带宽小于信道带宽，可以消除符号波形间的干扰可以消除符号波形间的干扰可以消除符号波形间的干扰。
可以消除符号波形间的干扰OFDMOFDM技术最大的技术最大的技术最大的技术最大的优势是对抗频率选择性衰落或窄带干扰；同时，优势是对抗频率选择性衰落或窄带干扰；同时，优势是对抗频率选择性衰落或窄带干扰；同时，优势是对抗频率选择性衰落或窄带干扰；同时，子载波之间相互正交且频谱重叠，既减少了子载子载波之间相互正交且频谱重叠，既减少了子载子载波之间相互正交且频谱重叠，既减少了子载子载波之间相互正交且频谱重叠，既减少了子载波间的互相干扰又提高了频谱利用率波间的互相干扰又提高了频谱利用率波间的互相干扰又提高了频谱利用率波间的互相干扰又提高了频谱利用率28 (2).(2).软件无线电软件无线电软件无线电软件无线电 软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用的硬件平台，利用软件加载方单元经过一个通用的硬件平台，利用软件加载方单元经过一个通用的硬件平台，利用软件加载方单元经过一个通用的硬件平台，利用软件加载方式实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开式实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开式实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开式实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。
通过下载不同的软件程序，放式结构的新技术通过下载不同的软件程序，放式结构的新技术通过下载不同的软件程序，放式结构的新技术通过下载不同的软件程序，在硬件平台上可以实现不同的功能，用以实现在在硬件平台上可以实现不同的功能，用以实现在在硬件平台上可以实现不同的功能，用以实现在在硬件平台上可以实现不同的功能，用以实现在不同的系统中利用单一的终端进行漫游软件无不同的系统中利用单一的终端进行漫游软件无不同的系统中利用单一的终端进行漫游软件无不同的系统中利用单一的终端进行漫游软件无线电的核心思想是尽可能靠近天线的地方使用宽线电的核心思想是尽可能靠近天线的地方使用宽线电的核心思想是尽可能靠近天线的地方使用宽线电的核心思想是尽可能靠近天线的地方使用宽带带带带A/DA/D和和和和D/AD/A变换器，并尽可能的使用软件来定义变换器，并尽可能的使用软件来定义变换器，并尽可能的使用软件来定义变换器，并尽可能的使用软件来定义无线功能无线功能无线功能无线功能 29 l l(3).(3).智能天线技术智能天线技术智能天线技术智能天线技术 智能天线智能天线智能天线智能天线(AAA, Adaptive Antenna Array)(AAA, Adaptive Antenna Array)具有抑制信号具有抑制信号具有抑制信号具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，在移动通干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，在移动通干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，在移动通干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，在移动通信中，可以改善信号质量又能增加传输容量，是信中，可以改善信号质量又能增加传输容量，是信中，可以改善信号质量又能增加传输容量，是信中，可以改善信号质量又能增加传输容量，是4G4G移动通移动通移动通移动通信的关键技术。
智能天线成形波束能在空间域内抑制交互信的关键技术智能天线成形波束能在空间域内抑制交互信的关键技术智能天线成形波束能在空间域内抑制交互信的关键技术智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内有用的信号其基本原理是无线基干扰，增强特殊范围内有用的信号其基本原理是无线基干扰，增强特殊范围内有用的信号其基本原理是无线基干扰，增强特殊范围内有用的信号其基本原理是无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射，同时通过基带信号处理器，对天线上收到的信收和发射，同时通过基带信号处理器，对天线上收到的信收和发射，同时通过基带信号处理器，对天线上收到的信收和发射，同时通过基带信号处理器，对天线上收到的信号按一定的算法进行合并，实现上行波束赋形智能天线号按一定的算法进行合并，实现上行波束赋形智能天线号按一定的算法进行合并，实现上行波束赋形智能天线号按一定的算法进行合并，实现上行波束赋形智能天线被定义为多入单出被定义为多入单出被定义为多入单出被定义为多入单出(MISO, Multiple Input Signal Output)(MISO, Multiple Input Signal Output)、、、、单入多出单入多出单入多出单入多出(SIMO, Signal Input Multiple Output)(SIMO, Signal Input Multiple Output)和多入多出和多入多出和多入多出和多入多出(MIMO, Multiple Input Multiple Output)(MIMO, Multiple Input Multiple Output)等几种方式。
等几种方式等几种方式等几种方式MIMOMIMO可以看成是智能天线的扩展它是发射端和接收端可以看成是智能天线的扩展它是发射端和接收端可以看成是智能天线的扩展它是发射端和接收端可以看成是智能天线的扩展它是发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统，其有效的利用随机衰落和同时使用多个天线的通信系统，其有效的利用随机衰落和同时使用多个天线的通信系统，其有效的利用随机衰落和同时使用多个天线的通信系统，其有效的利用随机衰落和可能存在的多径传输来成倍的提高数据传输速率其核心可能存在的多径传输来成倍的提高数据传输速率其核心可能存在的多径传输来成倍的提高数据传输速率其核心可能存在的多径传输来成倍的提高数据传输速率其核心技术是空时信号处理，利用空间分布的多个时间域和空间技术是空时信号处理，利用空间分布的多个时间域和空间技术是空时信号处理，利用空间分布的多个时间域和空间技术是空时信号处理，利用空间分布的多个时间域和空间域结合进行信号处理域结合进行信号处理域结合进行信号处理域结合进行信号处理30 (4).(4).多用户检测技术多用户检测技术多用户检测技术多用户检测技术 4G4G系统的终端和基站将用到多用户检测技术系统的终端和基站将用到多用户检测技术系统的终端和基站将用到多用户检测技术系统的终端和基站将用到多用户检测技术以提高系统的容量。
多用户检测技术的基本思想以提高系统的容量多用户检测技术的基本思想以提高系统的容量多用户检测技术的基本思想以提高系统的容量多用户检测技术的基本思想是：把同时占用某个信道的所有用户或部分用户是：把同时占用某个信道的所有用户或部分用户是：把同时占用某个信道的所有用户或部分用户是：把同时占用某个信道的所有用户或部分用户的信号都当作有用信号，而不是作为噪声处理，的信号都当作有用信号，而不是作为噪声处理，的信号都当作有用信号，而不是作为噪声处理，的信号都当作有用信号，而不是作为噪声处理，利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位等信息联合检测单个用户的信号，即综合利用各等信息联合检测单个用户的信号，即综合利用各等信息联合检测单个用户的信号，即综合利用各等信息联合检测单个用户的信号，即综合利用各种信息及信号处理手段，对接收信号进行处理，种信息及信号处理手段，对接收信号进行处理，种信息及信号处理手段，对接收信号进行处理，种信息及信号处理手段，对接收信号进行处理，从而达到对多用户信号的最佳联合检测。
它在传从而达到对多用户信号的最佳联合检测它在传从而达到对多用户信号的最佳联合检测它在传从而达到对多用户信号的最佳联合检测它在传统的检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰统的检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰统的检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰统的检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户的信号进行检测，从而具有良好的抗的所有用户的信号进行检测，从而具有良好的抗的所有用户的信号进行检测，从而具有良好的抗的所有用户的信号进行检测，从而具有良好的抗干扰和抗远近效应性能，降低了系统对功率控制干扰和抗远近效应性能，降低了系统对功率控制干扰和抗远近效应性能，降低了系统对功率控制干扰和抗远近效应性能，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量资源，显著提高系统容量资源，显著提高系统容量资源，显著提高系统容量31 (5).(5).网络技术网络技术网络技术网络技术 4G4G系统为了实现高速数据和高分辨率多媒体系统为了实现高速数据和高分辨率多媒体系统为了实现高速数据和高分辨率多媒体系统为了实现高速数据和高分辨率多媒体服务的需要，应与宽带服务的需要，应与宽带服务的需要，应与宽带服务的需要，应与宽带IPIP网络、宽带综合业务数网络、宽带综合业务数网络、宽带综合业务数网络、宽带综合业务数据网据网据网据网(B-ISDN)(B-ISDN)和异步传送模式和异步传送模式和异步传送模式和异步传送模式(ATM)(ATM)兼容，实现兼容，实现兼容，实现兼容，实现多媒体通信，形成综合宽带通信网。
多媒体通信，形成综合宽带通信网多媒体通信，形成综合宽带通信网多媒体通信，形成综合宽带通信网32 4.2 4.2 正交频分复用正交频分复用正交频分复用正交频分复用(OFDM)(OFDM)4.2.1 概述概述ØOFDM是一类多（子）载波并行调制的体制是一类多（子）载波并行调制的体制Ø特点：特点：n 为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调信号频谱有部分重叠；信号频谱有部分重叠；n 各路已调信号是严格正交的，以便接收端能完全地分离各各路已调信号是严格正交的，以便接收端能完全地分离各路信号；路信号；n 每路子载波的调制是多进制调制；每路子载波的调制是多进制调制；n 每路子载波的调制制度可以不同，并且可以为适应信道的每路子载波的调制制度可以不同，并且可以为适应信道的变化而自适应地改变变化而自适应地改变Ø应用：应用： 非对称数字用户环路非对称数字用户环路(ADSL)、高清晰度电视、高清晰度电视(HDTV)信信号传输、数字视频广播（号传输、数字视频广播（DVB）、无线局域网）、无线局域网(WLAN)等领域，等领域，并且开始应用于无线广域网并且开始应用于无线广域网(WWAN)和正在研究将其应用在下和正在研究将其应用在下一代蜂窝网中。
一代蜂窝网中33 4.2.2 OFDM的基本原理的基本原理ØOFDM系统的正交性系统的正交性设：在一个设：在一个OFDM系统中有系统中有N个子信道，子信道的子载波为个子信道，子信道的子载波为式中，式中， Bk －－ 第第k路子载波振幅，决定于输入码元的值，路子载波振幅，决定于输入码元的值， fk －－ 第第k路子信道的子载频，路子信道的子载频， k －－ 第第k路子信道的载波初始相位，路子信道的载波初始相位，则在此系统中的则在此系统中的N 路子信号之和可以表示为路子信号之和可以表示为上式还可以改写成复数形式如下：上式还可以改写成复数形式如下：式中，式中， －－ 第第 k 路子信道中的复输入数据路子信道中的复输入数据 34 若各相邻子载波的频率间隔若各相邻子载波的频率间隔 f = 1/T且子载频且子载频则可以证明，在码元持续时间则可以证明，在码元持续时间T 内任意两个子载波都是正交的，内任意两个子载波都是正交的，即有：即有：式中，式中，并且，正交性和并且，正交性和 k与与 i的取值无关的取值无关故将这种多子载波系统称为正交频分复用（故将这种多子载波系统称为正交频分复用（OFDM）。
35 ØOFDM系统在频域中的特点系统在频域中的特点n设子载波的频率为设子载波的频率为fk、码元持续时间为、码元持续时间为T，则此码元的波形，则此码元的波形和频谱密度为和频谱密度为n由于各相邻子载波的频率间隔等于由于各相邻子载波的频率间隔等于 f = 1/T，，故各子载波故各子载波合成后的频谱密度曲线为合成后的频谱密度曲线为n优点：优点：p子信道间不需要保护频带间隔，因此能够充分利用频子信道间不需要保护频带间隔，因此能够充分利用频带带p各路子载波的调制制度可以不同，具有很大的灵活性各路子载波的调制制度可以不同，具有很大的灵活性 Tffkfk+1/T36 ØOFDM系统的频带利用率系统的频带利用率设：设：N －－ OFDM系统中路子载波数目，系统中路子载波数目， T －－ 码元持续时间，码元持续时间， M －－每路子载波采用调制的进制数；每路子载波采用调制的进制数；则它占用的频带宽度等于则它占用的频带宽度等于频带利用率为单位带宽传输的比特率：频带利用率为单位带宽传输的比特率：当当 N 很大时，很大时，若用单个载波的若用单个载波的M进制码元传输，为得到相同的传输速率进制码元传输，为得到相同的传输速率, 需需两者相比，两者相比，OFDM的频带利用率大约可以增至两倍。
的频带利用率大约可以增至两倍 37 4.2.3 OFDM的实现的实现 Ø实现原理：由于实现原理：由于OFDM信号表示式的形式如同信号表示式的形式如同IDFT式，所以式，所以可以用计算可以用计算IDFT和和DFT的方法进行的方法进行OFDM调制和解调调制和解调ØDFT公式复习公式复习设：设：s(k) －－ 时间信号时间信号s(t)的抽样函数，的抽样函数， 其中，其中，k = 0, 1, 2, … , K– 1，，则则 s(k)的离散傅里叶变换的离散傅里叶变换(DFT)定义为：定义为：并且并且S(n)的逆离散傅里叶变换的逆离散傅里叶变换(IDFT)为：为： 若信号的抽样函数若信号的抽样函数s(k)是实函数，则其是实函数，则其K点点DFT的值的值S(n)一定满足对称性条件：一定满足对称性条件：式中式中S*(k)是是S(k)的复共轭的复共轭38 ØOFDM信号和信号和IDFT式的关系式的关系 令令OFDM信号表示式信号表示式中的中的 k＝＝0，则上式变为，则上式变为而而IDFT的表示式为的表示式为 比较上两式可见，可以将上式中的比较上两式可见，可以将上式中的K个离散值个离散值S(n)当作是当作是K路并行子信道中的输入信号码元取值路并行子信道中的输入信号码元取值而上式的左端而上式的左端s(k)就相当于就相当于OFDM信号信号s(t)。
这就是说，可以用计算这就是说，可以用计算IDFT的方法来获得的方法来获得OFDM信号 39 ØOFDM信号的产生：先将输入分帧信号的产生：先将输入分帧n设：设： Ts －－ 输入串行二进制码元的持续时间；输入串行二进制码元的持续时间； F －－ 每帧中的码元数（比特数）；每帧中的码元数（比特数）； N －－ 每帧中的组数；每帧中的组数； bi －－ 第第 i 组中的比特数组中的比特数则有则有1帧＝F 比特b3b2b1bN… … …b3b2b1bN… … …T40 n将每组中的将每组中的bi 个比特看作是一个个比特看作是一个Mi 进制码元进制码元Bi，其中，其中bi ＝＝ log2 Mi，并且经过串，并且经过串/并变换将串行码元并变换将串行码元Bi变为变为N路并行码路并行码元元Bi各路并行码元各路并行码元Bi持续时间相同，均为一帧时间持续时间相同，均为一帧时间T = F Ts，但是各路码元，但是各路码元Bi包含的比特数不同这样得到的包含的比特数不同这样得到的N路并行码元路并行码元Bi用来对于用来对于N个子载波进行不同的个子载波进行不同的MQAM调制 n这时的码元这时的码元Bi 是是Mi 进制的，在进制的，在MQAM调制中它可以用平面上调制中它可以用平面上的一个点表示。
而平面上的一的一个点表示而平面上的一个点可以用一个矢量或复数表示在下面我们用复数个点可以用一个矢量或复数表示在下面我们用复数表示此点表示此点 nBi变成一一对应的复数变成一一对应的复数 的过程称为映射的过程称为映射 b3b2b1bN… … …t1帧＝TB1B2B3… BN1帧＝T41 n用用IDFT实现实现OFDMp令令OFDM的最低子载波频率等于的最低子载波频率等于0，以满足，以满足IDFT式式右端第一项（即右端第一项（即n = 0时）的指数因子等于时）的指数因子等于1p令令K = 2N，使，使IDFT的项数等于子信道数目的项数等于子信道数目N的两倍的两倍p并用对称性条件并用对称性条件由由N个个 生成生成K＝＝2N个个 即令即令这样生成了新码元序列这样生成了新码元序列 42 p将生成的新码元序列将生成的新码元序列 作为作为S(n)，代入，代入IDFT公式公式式中，式中，s(k)相当于相当于OFDM信号信号s(t)的抽样值，故它经过的抽样值，故它经过D/A变换变换后就可以得出后就可以得出 s(t)：：子载波频率子载波频率fk = n / T, n = 0, 1, 2, … , N-1 43 ØOFDM调制原理方框图调制原理方框图 分帧分组串/并变换 编码映射......IDFT...并/串变换 D/A变换上变频OFDM信号二进制输入信号44 l l多载波调制多载波调制多载波调制多载波调制(Multi-Carrier (Multi-Carrier Modulation,MCMModulation,MCM) )是是是是一种将高速率数据流分成并行的几个低速率数据一种将高速率数据流分成并行的几个低速率数据一种将高速率数据流分成并行的几个低速率数据一种将高速率数据流分成并行的几个低速率数据流，然后将子数据流调制到子载波上的数据传输流，然后将子数据流调制到子载波上的数据传输流，然后将子数据流调制到子载波上的数据传输流，然后将子数据流调制到子载波上的数据传输技术。
技术OFDMOFDM是多载波调制的一种，它的子载波是多载波调制的一种，它的子载波是多载波调制的一种，它的子载波是多载波调制的一种，它的子载波是正交的是正交的是正交的是正交的sine/cosinesine/cosine波45 l lOFDMOFDM技术在移动通讯领域已经取得了有目共睹技术在移动通讯领域已经取得了有目共睹技术在移动通讯领域已经取得了有目共睹技术在移动通讯领域已经取得了有目共睹的成功，尽管如此，的成功，尽管如此，的成功，尽管如此，的成功，尽管如此，OFDMOFDM技术在实际应用中仍技术在实际应用中仍技术在实际应用中仍技术在实际应用中仍然存在不少缺陷首先，为了保持子信道之间的然存在不少缺陷首先，为了保持子信道之间的然存在不少缺陷首先，为了保持子信道之间的然存在不少缺陷首先，为了保持子信道之间的正交性，消除相邻符号之间的码间干扰正交性，消除相邻符号之间的码间干扰正交性，消除相邻符号之间的码间干扰正交性，消除相邻符号之间的码间干扰(ISI)(ISI)，，，，OFDMOFDM符号之间必须加入至少为无线信道弥散长符号之间必须加入至少为无线信道弥散长符号之间必须加入至少为无线信道弥散长符号之间必须加入至少为无线信道弥散长度的循环前缀度的循环前缀度的循环前缀度的循环前缀(CP)(CP)；另外，载波同步，相位同步；另外，载波同步，相位同步；另外，载波同步，相位同步；另外，载波同步，相位同步与符号定时的精度对移动通信系统的性能影响都与符号定时的精度对移动通信系统的性能影响都与符号定时的精度对移动通信系统的性能影响都与符号定时的精度对移动通信系统的性能影响都很大；因此，对于相同的调制条件，很大；因此，对于相同的调制条件，很大；因此，对于相同的调制条件，很大；因此，对于相同的调制条件，OFDMOFDM技术技术技术技术的频谱利用率不高，系统的鲁棒性较差。
的频谱利用率不高，系统的鲁棒性较差的频谱利用率不高，系统的鲁棒性较差的频谱利用率不高，系统的鲁棒性较差OFDMOFDM技术主要是基于傅里叶变换，对信号经过一个矩技术主要是基于傅里叶变换，对信号经过一个矩技术主要是基于傅里叶变换，对信号经过一个矩技术主要是基于傅里叶变换，对信号经过一个矩形窗处理，它的子载波的频谱包络主瓣能量不集形窗处理，它的子载波的频谱包络主瓣能量不集形窗处理，它的子载波的频谱包络主瓣能量不集形窗处理，它的子载波的频谱包络主瓣能量不集中，旁瓣衰减慢，对频偏敏感，容易产生子信道中，旁瓣衰减慢，对频偏敏感，容易产生子信道中，旁瓣衰减慢，对频偏敏感，容易产生子信道中，旁瓣衰减慢，对频偏敏感，容易产生子信道间干扰间干扰间干扰间干扰46 4.4 4.4 扩展频谱技术扩展频谱技术扩展频谱技术扩展频谱技术4.4.1 概述概述Ø什么是扩展频谱调制？什么是扩展频谱调制？已调信号带宽远大于调制信号带宽的任何调制体制已调信号带宽远大于调制信号带宽的任何调制体制Ø扩谱调制的目的：扩谱调制的目的：n提高抗窄带干扰的能力提高抗窄带干扰的能力n将发射信号掩藏在背景噪声中，以防止窃听将发射信号掩藏在背景噪声中，以防止窃听。
n提高抗多径传输效应的能力提高抗多径传输效应的能力n提供多个用户共用同一频带的可能提供多个用户共用同一频带的可能n提供测距能力提供测距能力Ø扩谱技术的种类：扩谱技术的种类：n直接序列扩谱直接序列扩谱(DSSS)n跳频跳频(FH)n线性调频线性调频(LFM) 47 4.4.2 直接序列扩谱直接序列扩谱(DSSS)ØBPSK调制的调制的DSSS通信系统原理方框图通信系统原理方框图n信号码元持续时间信号码元持续时间 = T n扩谱码扩谱码c(t)通常采用通常采用m序列序列 n扩谱码的码元称为码片扩谱码的码元称为码片(chip)n码片持续时间码片持续时间 = Tc，，通常通常Tc << T 48 ØDSSS系统波形图系统波形图 49 Ø解扩原理解扩原理(b) 解扩后的功率谱f有用信号s1(t)功率谱密度窄带干扰功率谱密度白噪声功率谱密度宽带干扰功率谱密度2BcBcf宽带干扰功率谱密度白噪声功率谱密度窄带干扰功率谱密度有用信号s1(t)功率谱密度Bc2Bc(a) 解扩前的功率谱f050 n例例设：基带码元速率设：基带码元速率 = 5 k波特波特则则码元持续时间码元持续时间 = 0.2 ms，带宽约等于，带宽约等于5 kHz。
若选用的扩谱码片持续时间若选用的扩谱码片持续时间 = 0.2 s，，则扩谱后的基带信号带宽则扩谱后的基带信号带宽 5 MHz 扩谱使信号带宽增大至扩谱使信号带宽增大至1000倍，故信号功率谱密度将倍，故信号功率谱密度将降低至降低至1/1000 因此，因此，p将信号隐藏在噪声和干扰下将信号隐藏在噪声和干扰下 p若小部分的频谱分量受到衰落影响，将不会引起信号若小部分的频谱分量受到衰落影响，将不会引起信号产生严重的失真，故具有抗频率选择性衰落的能力产生严重的失真，故具有抗频率选择性衰落的能力p选择不同的扩谱码，可以使各个系统的用户在同一频选择不同的扩谱码，可以使各个系统的用户在同一频段上工作而互不干扰，实现码分复用和码分多址段上工作而互不干扰，实现码分复用和码分多址51 4.4.3 跳频扩谱跳频扩谱(FHSS)ØFHSS系统的种类：系统的种类：n快跳频快跳频 －－ 在在 1 跳内，仅包含跳内，仅包含 1 比特或不到比特或不到 1 比特比特 n慢跳频慢跳频 －－ 在在 1 跳内，包含若干比特跳内，包含若干比特 Ø原理方框图原理方框图Ø调制通常采用非相干调制，例如调制通常采用非相干调制，例如FSK或或DPSK。
52 4.4.4 扩谱码的同步扩谱码的同步ØDSSS系统系统ØFHSS系统系统53 4.4.5 分离多径技术分离多径技术Ø分离多径目的：在接收端将多径信号中的各径分离，分别校分离多径目的：在接收端将多径信号中的各径分离，分别校正各径信号的相位，使之按同相相加，从而克服衰落现象正各径信号的相位，使之按同相相加，从而克服衰落现象Ø基本原理：基本原理：设：发射信号码元设：发射信号码元 = M(t)cos(t + ) 式中，式中，M(t) －－ m序列的波形，取值序列的波形，取值 1 各条路径的时延等间隔地相差各条路径的时延等间隔地相差 秒，秒，则在经过多径传输后，接收（中频）码元为则在经过多径传输后，接收（中频）码元为 式中，式中，n – 路径数目，路径数目， Aj – 第第j条路径信号的振幅，条路径信号的振幅， -- 各相邻路径的相对延迟时间，各相邻路径的相对延迟时间， i – 中频角频率中频角频率 i – 载波附加的随机相位载波附加的随机相位 上式中，已经假设最短路径的时延为零上式中，已经假设最短路径的时延为零。
54 n消除随机相位消除随机相位 i：采用：采用自适应校相滤波器自适应校相滤波器p设：输入信号：设：输入信号： 本地振荡电压：本地振荡电压： 两者相乘后，得到两者相乘后，得到经过窄带滤波：经过窄带滤波：g(t)和和sj(t)相乘，并取出乘积中的差频项相乘，并取出乘积中的差频项f(t)：：上式中已经消除了载波的随机相位上式中已经消除了载波的随机相位 i，使各条路径信，使各条路径信号的相位一致，仅振幅不同号的相位一致，仅振幅不同窄带滤波带通滤波中频信号输入sj(t)c(t)g(t)f(t)55 p当有多径信号输入时，输出信号当有多径信号输入时，输出信号 f (t)为为上式中，包络上式中，包络M(t - j)仍然不同需要校正包络仍然不同需要校正包络56 n校正包络：校正包络：设：共有设：共有4条路径的信号，则相加器各输入的包络为条路径的信号，则相加器各输入的包络为 A02M(t) + A12M(t- ) + A22M(t-2 ) + A32M(t-3 ) A02M(t- ) + A12M(t-2 ) + A22M(t-3 ) + A32M(t-4 ) A02M(t-2 ) + A12M(t-3 ) + A22M(t-4 ) + A32M(t-5 )A02M(t-3 ) + A12M(t-4 ) + A22M(t-5 ) + A32M(t-6 )相加器输出的载波仍为相加器输出的载波仍为cos( 0t + )，包络则是上，包络则是上4式各项之和式各项之和. . . . .. . . . .. . . . .i抽 头 延 迟 线AFAFAFAFAF相 加 器中频信号输入本地m序列产生器积分57 设：本地设：本地m序列产生器的输出为序列产生器的输出为M(t - 3 )，， 则它与则它与c(t)相乘之后相乘之后M(t - 3 )将成为乘积的包络，即乘积将成为乘积的包络，即乘积M(t - 3 ) c(t) = M(t - 3 ) cos( 0t + ) 此乘积和相加器的输出相乘并积分后，就分离出此乘积和相加器的输出相乘并积分后，就分离出(A0+A1+A2+ A3)M(t - 3 )的分量。
的分量 . . . . .. . . . .. . . . .i抽 头 延 迟 线AFAFAFAFAF相 加 器中频信号输入本地m序列产生器积分 A02M(t ) + A12M(t- ) + A22M(t-2 ) + A32M(t-3 ) A02M(t- ) + A12M(t-2 ) + A22M(t-3 ) + A32M(t-4 ) A02M(t-2 ) + A12M(t-3 ) + A22M(t-4 ) + A32M(t-5 )A02M(t-3 ) + A12M(t-4 ) + A22M(t-5 ) + A32M(t-6 )58 。