《移動通信》任務(wù)2 移動信號的產(chǎn)生

模塊一

初識移動通信任務(wù)2移動信號的產(chǎn)生任務(wù)要求知識目標(biāo)：理解調(diào)制技術(shù)、分集技術(shù)的原理；列舉不同移動通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)、分集技術(shù)作用；說出交織和編碼的原理，舉例說明GSM、5G系統(tǒng)中交織和編碼技術(shù)的應(yīng)用素質(zhì)目標(biāo)：遵守移動通信核心關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣；尊重他人、交流分享，積極參與小組協(xié)作任務(wù)。知識點1調(diào)制技術(shù)知識點2分集技術(shù)知識點3交織和編碼目錄調(diào)制技術(shù)和解調(diào)技術(shù)什么是調(diào)制？什么是解調(diào)？調(diào)制與解調(diào)的目的是什么？調(diào)制與解調(diào)的定義

調(diào)制的目的是把要傳輸?shù)哪M信號或數(shù)字信號變換成適合信道傳輸?shù)男盘?。該信號稱為已調(diào)信號。調(diào)制過程用于通信系統(tǒng)的發(fā)端。在接收端需將已調(diào)信號還原成要傳輸?shù)脑夹盘?，該過程稱為解調(diào)。按照調(diào)制器輸入信號(該信號稱為調(diào)制信號)的形式，調(diào)制可分為模擬調(diào)制(或連續(xù)調(diào)制)和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制是利用輸入的模擬信號直接調(diào)制(或改變)載波(正弦波)的振幅、頻率或相位，從而得到調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)或調(diào)相(PM)信號。數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號來控制載波的振幅、頻率或相位。常用的數(shù)字調(diào)制有：幅度鍵控（ASK）、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)等。

移動信道的基本特征移動通信信道的基本特征是：第一，帶寬有限，它取決于可使用的頻率資源和信道的傳播特性；第二，干擾和噪聲影響大，這主要是移動通信工作的電磁環(huán)境所決定的；第三，存在著多徑衰落。數(shù)字調(diào)制技術(shù)的特點移動通信中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)應(yīng)具有以下特點：（1）在信道衰落條件下，誤碼率要盡可能低。（2）發(fā)射頻譜窄，對相鄰信道干擾小。（3）高效率的解調(diào)，以降低移動臺功耗，進一步縮小體積和成本。（4）能提供較高的傳輸速率。（5）易于集成。電磁波譜目前已在數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用的數(shù)字調(diào)制方案分為如下兩類：（1）恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)。例如：2FSK、MSK、GMSK等。具有帶外輻射低、接收機電路簡單等優(yōu)點，但其頻帶利用率比線性調(diào)制技術(shù)稍差一些。（2）線性調(diào)制技術(shù)。例如：QPSK、π/4-QPSK、MPSK等。具有頻帶利用率高的特點。恒包絡(luò)調(diào)制設(shè)輸入到調(diào)制器的比特流為｛an：11001000101｝,FSK的輸出信號波形為：即當(dāng)輸入為傳號“+1”時，輸出頻率為f1的正弦波；當(dāng)輸入為空號“0”時，輸出頻率為f2的正弦波。1.2FSK恒包絡(luò)調(diào)制2.最小移頻鍵控(MSK)

MSK：(MinimumShiftKeying)是一種特殊形式的FSK，其頻差是滿足兩個頻率相互正交(即相關(guān)函數(shù)等于0)的最小頻差，并要求FSK信號的相位連續(xù)。式中

MSK的信號表達(dá)式為

其頻差f’=fm-fs=1/2Tb,頻偏為則調(diào)制指數(shù)為式中，Tb為輸入數(shù)據(jù)流的比特寬度。

MSK信號的特點（1）已調(diào)信號振幅是恒定的；（2）頻率偏移嚴(yán)格符合±1/4Tb,調(diào)制指數(shù)為h=1/2；（3）附加相位在一個碼元時間的線性變化±π/2；（4）一個碼元時間是1/4個載波周期的整數(shù)倍；（5）在碼元轉(zhuǎn)換時刻，信號的相位是連續(xù)的。

知識拓展舉例：假設(shè)輸入序列｛ak｝為{-1，-1，+1，-1，+1，+1，+1，-1，+1}，信息速率為1000bps，載頻為1000Hz。問：1）+1和-1所對應(yīng)的載波頻率分別是多少？

2）在一個碼元周期內(nèi)各包含多少個高頻載波周期？

3）試畫出MSK信號的波形圖和附加相位圖。MSK信號可以由FM調(diào)制器來產(chǎn)生，MSK信號在碼元轉(zhuǎn)換時刻雖然保持相位連續(xù)，但相位變化是折線，在碼元轉(zhuǎn)換時刻會產(chǎn)生尖角，使其頻譜特性的旁瓣滾降緩慢，帶外輻射也相對較大。盡管MSK信號已具有較好的頻譜特性和誤比特率性能，但仍不能滿足功率譜在相鄰頻道的取值（即鄰道輻射）低于主瓣峰值60dB以上的要求。這就要求在保持MSK基本特性的基礎(chǔ)上，對MSK的帶外頻譜特性進行改造，加快其衰減速度。GMSK圖2-5GMSK調(diào)制原理圖GMSK的功率譜密度GMSK的功率譜密度線性調(diào)制技術(shù)1.BPSK

在BPSK中，載波信號的相位隨著兩種可能的信息狀態(tài)（1或0）的變化而變化。通常用已調(diào)信號載波的0°和180°分別表示1和0。BPSK信號波形圖QPSK圖2-8相位配置矢量圖圖2-10QPSK相位轉(zhuǎn)移圖OQPSK

為了避免QPSK中出現(xiàn)的過零點的180°相位跳變，可采用OQPSK，其調(diào)制器與QPSK不同之處在于在Q支路增加了延時電路（1比特寬），這樣I支路與Q支路錯開了一個比特的時間，從而使OQPSK的相位轉(zhuǎn)移不存在180°相位跳變。圖2-11OQPSK相位轉(zhuǎn)移圖π/4-QPSK圖2-12π/4-QPSK相位轉(zhuǎn)移圖正交振幅調(diào)制技術(shù)QAM是將調(diào)幅和調(diào)相結(jié)合起來的一種調(diào)制技術(shù)。在給定進制數(shù)M和誤碼率條件下，在功率效率方面，要優(yōu)于MPSK，但設(shè)備要復(fù)雜一些?？梢杂眯亲鶊D來描述QAM的信號空間分布狀態(tài)。

圖2-134QAM、16QAM和64QAM星座圖多載波調(diào)制技術(shù)OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交頻分復(fù)用，是一種能夠充分利用頻譜資源的多載波傳輸方式。常規(guī)頻分復(fù)用與OFDM的信道分配情況如圖2-14所示?？梢钥闯鯫FDM至少能夠節(jié)約二分之一的頻譜資源。

圖2-14常規(guī)頻分復(fù)用與OFDM的信道分配多載波調(diào)制技術(shù)OFDM的主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進行傳輸，如圖2-15所示。

圖2-15OFDM基本原理知識點1調(diào)制技術(shù)知識點2分集技術(shù)知識點3交織和編碼目錄分集技術(shù)

所謂分集接收，是指接收端對它收到的多個衰落特性互相獨立(攜帶同一信息)的信號進行特定的處理，以降低信號電平起伏的辦法。分集有兩重含義：一是分散傳輸，使接收端能獲得多個統(tǒng)計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號；二是集中處理，即接收機把收到的多個統(tǒng)計獨立的衰落信號進行合并(包括選擇與組合)以降低衰落的影響。分集技術(shù)選擇式分集合并示意圖為說明問題，下圖給出了一種利用“選擇式”合并法進行分集的示意圖。圖中，A與B代表兩個同一來源的獨立衰落信號。分集技術(shù)的分類分集技術(shù)的分類有多種：若按照“分”劃分：空間分集、頻率分集、時間分集等；若按照“集”劃分：選擇式合并、等增益合并和最大比值合并；若按照信號傳輸?shù)男问竭M行劃分：顯分集和隱分集；按照針對不同衰落劃分：宏分集和微分集。分集技術(shù)（1）空間分集原理：空間分集的依據(jù)在于快衰落的空間獨立性，即在任意兩個不同的位置上接收同一個信號，只要兩個位置的距離大到一定程度，則兩處所收信號的衰落是不相關(guān)的。分集技術(shù)（2）頻率分集原理：由于頻率間隔大于相關(guān)帶寬的兩個信號所遭受的衰落可以認(rèn)為是不相關(guān)的，因此可以用兩個以上不同的頻率傳輸同一信息，以實現(xiàn)頻率分集。分集技術(shù)（3）時間分集原理：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，即同一信號在不同的時間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時間間隔足夠大，那么各次發(fā)送信號所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨立的，接收機將重復(fù)收到的同一信號進行合并，就能減小衰落的影響。要求數(shù)字信號的重發(fā)時間間隔大于相干時間。疑問：時間分集是否適用于靜止的物體？為什么？GSM系統(tǒng)的分集技術(shù)時間分集頻率分集空間分集極化分集多徑分集編碼,交織跳頻多單極化天線雙極化天線均衡器tf分集合并方式

接收端收到M(M≥2)個分集信號后，如何利用這些信號以減小衰落的影響，這就是合并問題。一般均使用線性合并器，把輸入的M個獨立衰落信號相加后合并輸出。假設(shè)M個輸入信號電壓為r1(t)，r2(t),…，rM(t)，則合并器輸出電壓r(t)為：式中，ak為第k個信號的加權(quán)系數(shù)。選擇式合并選擇式合并是指檢測所有分集支路的信號，以選擇其中信噪比最高的那一個支路的信號作為合并器的輸出。由上式可見，在選擇式合并器中，加權(quán)系數(shù)只有一項為1，其余均為0。最大比值合并由于信號強的支路貢獻(xiàn)多，而信號弱噪聲強的支路被很好抑制，因而最大比值合并是一種比較理想的合并方式。

每一支路信號包絡(luò)rk(t)用rk表示。每一支路的加權(quán)系數(shù)ak與信號包絡(luò)rk成正比而與噪聲功率Nk成反比，即：由此可得最大比值合并器輸出的信號包絡(luò)為：式中，下標(biāo)表征最大比值合并方式。等增益合并等增益合并無需對信號加權(quán)，各支路的信號是等增益相加。等增益合并器輸出的信號包絡(luò)為：三種合并方式比較知識點1調(diào)制技術(shù)知識點2分集技術(shù)知識點3交織和編碼目錄信道編碼信號在傳輸過程中，主要有兩種差錯：隨機差錯：錯碼的出現(xiàn)是隨機的，偶爾有一個或幾個。

突發(fā)差錯：錯碼是成串集中出現(xiàn)的。信道編碼交織信道編碼信道編碼是為了保證通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，克服信道中的噪聲和干擾，而專門設(shè)計的一類抗干擾技術(shù)和方法。信道編碼在信息序列上附加上一些監(jiān)督碼元，利用這些冗余的碼元，使原來不規(guī)律的或規(guī)律性不強的原始數(shù)字信號變?yōu)橛幸?guī)律的數(shù)字信號；接收端解碼時則利用這些規(guī)律性來鑒別傳輸過程是否發(fā)生錯誤，或進而糾正錯誤。從功能上：檢錯碼（例如CRC碼、ARQ自動重傳請求等）、糾錯碼（例如BCH碼、RS碼、卷積碼、Turbo碼等）和混合碼（例如混合ARQ，即HARQ）。從結(jié)構(gòu)和規(guī)律上：線性碼和非線性碼。

……線性分組碼線性分組碼中的分組是指編碼方法是按信息分組來進行的，而線性則是指編碼規(guī)律即監(jiān)督位（校驗位）與信息位之間的關(guān)系遵從線性規(guī)律，一般記為（n,k），其中n表示碼長，k表示信息位數(shù)，則監(jiān)督碼元長度為n-k。例如（7，3）表示編碼器輸出的碼組長度為n=7，輸入編碼器的信息位長度k=3。卷積碼分組碼的碼長一般都比較大，譯碼時必須把整個信息碼組存儲起來，由此產(chǎn)生的譯碼時延隨分組碼碼長的增加而增加，為了減少這個延遲，卷積碼就是一種較好的解決方案。卷積碼以編碼規(guī)則遵從卷積運算而得名，一般記為（n，k，m），其中k表示每次輸入編碼器的位數(shù)，n則為每次輸出編碼器的位數(shù)，m表示編碼器中寄存器的個數(shù)，其約束長度為m+1位。每時刻輸出的n位碼元不僅與該時刻輸入的k位碼元有關(guān)，還與m級寄存器記憶的以前若干時刻輸入的信息碼元有關(guān)，所以其是非分組的有記憶編碼。編碼技術(shù)

當(dāng)無線電波到達(dá)兩種不同介質(zhì)界面時，將有部分能量反射到第一種介質(zhì)中（即反射線），另一部分能量透射到第二種介質(zhì)中（即透射線或折射線），如圖1-15所示。Turbo編碼香農(nóng)編碼定理指出：如果采用足夠長的隨機編碼，就能逼近香農(nóng)信道容量。但傳統(tǒng)的編碼都有規(guī)則的代數(shù)結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上“隨機”，同時出于對譯碼復(fù)雜度的考慮，碼長也不可能太長，所以傳統(tǒng)的編碼性能與信道容量之間有較大的差距。

1993年，兩位法國教授和他們的緬甸籍博士生在ICC會議上發(fā)表的論文中提出了一種全新的編碼方式即Turbo碼，它將兩個簡單分量碼通過偽隨機交織器并行級聯(lián)來構(gòu)造具有偽隨機特性的長碼，使得它的糾錯能力和抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他的編碼方式。交織技術(shù)隱分集技術(shù)主要有交織編碼、擴頻、調(diào)頻等。交織編碼主要用來糾正突發(fā)差錯，即使突發(fā)差錯分散成為隨機差錯而得到糾正。通常，交織編碼與各種糾正隨機差錯的編碼(如卷積碼或其它分組碼)結(jié)合使用，從而具有較強的既能糾正隨機差錯又能糾正突發(fā)差錯的能力。交織編碼不像分組碼那樣，它不增加監(jiān)督元，亦即交織編碼前后，碼速率不變，因此不影響有效性。在移動信道中，數(shù)字信號傳輸常出現(xiàn)成串的突發(fā)差錯，因此，數(shù)字化移動通信中經(jīng)常使用交織編碼技術(shù)。信道編碼舉例床前明月光春眠不覺曉白發(fā)三千丈紅豆生南國編碼床床前前明明月月光光春春眠眠不不覺覺曉曉白白發(fā)發(fā)三三千千丈丈紅紅豆豆生生南南國國傳輸床？前前明明月月光光春春眠眠？不覺覺曉曉白白發(fā)發(fā)三三？千丈？紅紅豆豆生生南？國國解碼信道編碼適合糾正非連續(xù)的少量錯誤信道編碼舉例床前明月光春眠不覺曉白發(fā)三千丈紅豆生南國編碼床床前前明明月月光光春春眠眠不不覺覺曉曉白白發(fā)發(fā)三三千千丈丈紅紅豆豆生生南南國國傳輸床床前前明？？？？？？？？？？不覺覺曉曉白白發(fā)發(fā)三三？千丈？紅紅豆豆生生南？國國解碼解碼床前明？？？？不覺曉白發(fā)三千丈紅豆生南國交織技術(shù)的優(yōu)缺點x1x6x11x16x21x2x7…x22x3x8…x23x4x9…x24x5x10…