移动通信原理（第3版上册）教学课件9

北邮信息理论北邮信息理论与技术教研中心与技术教研中心 BUPT Information Theory&Technology Center第六章 调制理论主讲人主讲人:牛牛 凯凯BUPT Information Theory&Technology Center2从本章开始讨论传输的可靠性问题，首先讨论调制理论。无线通信系统中所采用的调制方式多种多样，从信号空间观点来看，调制实质上是从信道编码后的汉明空间到调制后的欧式空间的映射或变换。这种映射可以是一维的，也可以是多维的，既可以采用线性变换方式，也可以采用非线性变换方式。本章我们首先引入移动通信系统的抽象物理模型，然后从最基本的调制方式开始讨论，主要侧重各种调制方式接收性能。同时结合各类无线通信系统，介绍实际应用的调制方式的基本原理和结构。本章内容本章内容BUPT Information Theory&Technology Center36.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 在第二章中已较详细分析过移动信道，本章将针对传输的可靠性问题将移动信道与移动通信系统结合起来分析。在移动通信中，若假设信道满足线性时变特性，则根据不同环境条件，可以给出下列各种类型的移动信道与相应的移动通信系统的物理模型，如图所示。BUPT Information Theory&Technology Center46.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 BUPT Information Theory&Technology Center56.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 6.1.1 理想加性白色高斯理想加性白色高斯(AWGN)信道信道C1 移动通信中研究AWGN信道C1的目的首先是由于它是最基本、最典型的恒参信道，是研究各类信道的基础。实际的移动信道是具有时变特性的衰落信道，提高这类信道的抗干扰性能主要有两类方法：一类是适应信道，另一类是改造信道，即将信道改造为AWGN信道，这时研究AWGN信道将更具有实际的现实意义。BUPT Information Theory&Technology Center66.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 6.1.2 慢衰落信道慢衰落信道C2慢衰落信道是移动信道区别于有线信道的最基本特征之一，也是进一步研究各类快衰落信道的基础，慢衰落信道在有些文献资料中称为中尺度或大尺度传播特性，或称为阴影衰落信道。克服慢衰落的典型方法有：1.对电路交换型业务，特别是话音业务采用功率控制技术；2.对于分组交换型业务，特别是数据业务采用自适应速率控制更合适。这些自适应技术将在第十三章进一步讨论。BUPT Information Theory&Technology Center76.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 6.1.3 快衰落信道快衰落信道C3、C4、C5与与C6在一些文献中称它们为小尺度传播特性，快衰落是移动信道最主要的特色，它又可划分为下列三类。由于传播中天线的角度扩散引起的空间选择性衰落。其最有效的克服手段是空间分集和其他空域处理方法。由于多径传播带来的时延功率谱的扩散而引起的频率选择性衰落，它在宽带移动通信中尤为突出。其最有效的克服方法有自适应均衡、正交频分复用(OFDM)以及CDMA系统中的RAKE接收等。BUPT Information Theory&Technology Center86.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 6.1.3 快衰落信道快衰落信道C3、C4、C5与与C6由于用户高速移动导致的频率扩散即多普勒频移而引入的时间选择性衰落。它在高速移动通信尤为突出。其最为有效的克服方法是采用信道交织编码技术，即将由于时间选择性衰落带来的大突发性差错信道改造成为近似性独立差错的AWGN信道。上述三种类型快衰落信道可分别记为、和。若将时变因子单独予以考虑，则可以构成时变信道。但是实际的衰落信道特别是各类快衰落信道与时变特性是密不可分的，仅有慢衰落的时变特性可以单独予以考虑。BUPT Information Theory&Technology Center96.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 6.1.3 快衰落信道快衰落信道C3、C4、C5与与C6上述移动信道物理模型在实际问题中往往可以分为下列四个常用信道模型：1.AWGN信道模型：这类信道服从正态(高斯)分布，是恒参信道中最典型的一类信道，也是无线移动信道等变参信道的努力方向和改造目标。2.阴影衰落信道：这类信道服从对数正态分布，它是研究无线移动信道的基础。BUPT Information Theory&Technology Center106.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 6.1.3 快衰落信道快衰落信道C3、C4、C5与与C63.平坦瑞利衰落信道：这类信道遵从瑞利或者莱斯(RICE)分布，它是最典型的宽带无线和慢速移动的信道模型。在快衰落中仅仅考虑了空间选择性衰落。4.选择性衰落信道，它可分为两类：频率选择性衰落信道，是典型的宽带无线和慢速移动信道；时间选择性衰落信道，是典型的宽带无线和快速移动信道。BUPT Information Theory&Technology Center116.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 6.1.4 传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能无线传输主要取决于下列因素。1.传播损耗：它是从宏观角度考虑的损耗，又称为大尺度特性。传播损耗是随着距离的25.5次方迅速衰减，即正比于，克服它唯一的方法是增大设备能力。比如增加发射功率，提高发送与接收天线增益等。2.慢衰落：它是由阴影效应引起的，又称为中尺度特性，慢衰落若按90出现概率，考虑其深度大约在10dB左右，对于IS-95其特性可参见下图。这20dB就是抗慢衰落的潜在增益BUPT Information Theory&Technology Center126.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 6.1.4 传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能BUPT Information Theory&Technology Center136.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 6.1.4 传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能3.快衰落：它是由传输中角度域、时间域和频率域扩散而引起的空间、频率与时间选择性衰落，又称为小尺度特性。空间选择性衰落：它是由系统及传输中角度扩散而引起的通常又称为平坦瑞利衰落。频率选择性衰落，它是由传播中多径产生的时延功率谱即时域的扩散而引入的。时间选择性衰落：它是由移动终端快速运动形成的多普勒频移即频域扩散而引入的以上三类快衰落及其抵抗措施与性能的改善而带来的抗衰落潜在增益和抗白噪声干扰的潜在增益可以利用下图表示。BUPT Information Theory&Technology Center146.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 6.1.4 传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能BUPT Information Theory&Technology Center156.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 6.1.4 传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能从以上图形及分析，可以很清楚看出，移动信道是一类极其恶劣的信道，必须采用多种抗衰落、抗干扰手段才能保证可靠通信，从总体上来看：1.对付大尺度传播特性所引入的衰耗仅能靠增大设备能力的方式。2.对付中尺度传播特性的慢衰落，一般可采用链路自适应方式，对于电路型话音业务适宜于采用功控的功率自适应；而对于分组型数据业务则适宜于链路的速率自适应。其潜在抗慢衰落能力(增益)大约为20dB左右。BUPT Information Theory&Technology Center166.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型 6.1.4 传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能对付小尺度的快衰落，对于克服平坦瑞利(空间选择性)衰落，当误码率时，大约有28dB左右的潜在增益；若再进一步考虑频率与时间选择性衰落，当时，有大于30dB潜在增益。对于加性白噪声(AWGN)信道，其调制潜在增益大约为6dB；其编码潜在增益，对于时，大约为7-8dB左右。上述分析对于慢时变信道，必需依据准确的信道估计技术，否则将带来一定程度的性能恶化。BUPT Information Theory&Technology Center176.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求 6.2.1 调制调制/解调的基本功能解调的基本功能 1.载荷信息、频谱搬移载荷信息、频谱搬移2.抗干扰特性抗干扰特性 3.频谱有效性频谱有效性 4.调制信号的峰平比调制信号的峰平比 BUPT Information Theory&Technology Center186.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求 6.2.1 调制调制/解调的基本功能解调的基本功能 综上所述，在移动通信中对调制方式的选择主要有三条：首先是可靠性，即抗干扰性能，选择具有低误比特率的调制方式，其功率谱密度集中于主瓣内；其次是有效性，它主要体现在选取频谱有效的调制方式上，特别是多进制调制；第三是工程上易于实现，它主要体现在恒包络与峰平比的性能上。BUPT Information Theory&Technology Center196.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求 6.2.2 数字式调制数字式调制/解调的分类解调的分类数字式调制是将数字基带信号通过正弦型载波相乘调制成为带通型信号。其基本原理是用数字基带信号0与1去控制正弦载波中的一个参量。若控制载波的幅度，称为振幅键控ASK，若控制载波的频率，称为频率键控FSK，若控制载波的相位，称为相位键控PSK，若联合控制载波的幅度与相位两个参量，称为幅度相位调制，又称为正交幅度调制QAM。BUPT Information Theory&Technology Center206.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求 6.2.2 数字式调制数字式调制/解调的分类解调的分类若将上述由0与1组成的基带二进制调制进一步推广至多进制信号，将产生相应的MASK、MFSK、MPSK和MQAM调制。在实际的移相键控方式中，为了克服在接收端产生的相位模糊度，往往将绝对移相改为相对移相DPSK以及DQPSK。另外在实际移相键控调制方式中，为了降低已调信号的峰平比，又引入了偏移QPSK(OQPSK)、/4-DQPSK、正交复四相移键控CQPSK，以及混合相移键控HPSK等等。BUPT Information Theory&Technology Center216.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求 6.2.2 数字式调制数字式调制/解调的分类解调的分类在二进制基带调制之中，为了彻底消除由于相位跃变带来的峰平比增加和频带扩展，又引入了有记忆的非线性连续相位调制CPM，最小频移键控MSK，GMSK(高斯型MSK)以及平滑调频TFM等。上述各类调制中仅有后一类，即CPM，MSK，GMSK和TFM属于有记忆的非线性调制，其余各类调制均属于无记忆的线性调制。上述调制中最基本的调制为2ASK、2FSK、BPSK，后面将重点分析它们。BUPT Information Theory&Technology Center226.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求 6.2.2 数字式调制数字式调制/解调的分类解调的分类移动通信中最常用的调制方式有两大类：1986年以前由于线性高功放未取得突破性的进展，移动通信中调制技术青睐于恒包络调制的MSK和GMSK，比如GSM系统采用的就是GMSK调制，但是它实现较复杂，且频