无线通信调制__第二章
无线通信中的调制解调
无线通信系统中的调制解调基础（一）：AM和FM作者： Ian PooleAdrio Communications Ltd第一部分解释了调幅（AM）和调频（FM）的基础，并阐述了优点和缺点。
第二部分解析了频移键控（PSK）和正交幅度调制（QAM）。
第三部分讨论扩频通信技术，包括被广泛应用的直接序列扩频通信（DSSS），和正交频分复用（OFDM）射频信号被用来传递信息，信息有可能是音频，数据或者其他格式，该信息被调制(modulate)到载波信号上，并通过射频传送到接收器，在接收器端，信息从载波上分离出来，这个被称为解调（demodulation）。
而载波本身并不带有任何信息。
调制方法多种多样，简单的一般有幅度调制，频率调制和相位调制，尽管调频和调相本质上是相同的。
每种调制方法都有其有缺点。
了解每种调制方法的基础是很重要的，尽管大家更为关注的是移动通信系统的调制方法。
复习这些简单技术可以让大家对它们的优缺点有更好的认识。
载波无线通信的基础是载波，基本的载波如图3-1所示，这个信号在发射器部分产生，并不带有任何信息，在接收器部分也作为不变的信号出现。
载波信号调幅调制最显而易见的的方式就是调幅了，通过调整信号幅度大小传递信息。
最简单的调制是OOK（on–off keying，开关键控），载波以开关的形式传递信息。
这个是数字调制的基础，并用在传递莫斯（Morse）电码上面，莫斯在早期的“无线”应用上广为采用，通过开或关的长度传递码元。
在音频或其他领域应用更为常见的是，整个信号的幅度通过载波体现，如图3-2，这个被称为幅度调制（AM）。
AM调制AM解调音频信号的过程十分简单，只需要一个简单的二极管包络检波电路就可以实现，如图3-3，在这个电路中二极管只允许无线信号的半波通过，一个电容被作为低通滤波器来去除信号的高频部分，只留下音频信号。
这个信号直接通过放大后输出至扬声器。
该解调电路十分简单和易于实现，在目前的AM收音机接收上面还在广泛采用。
无线通信技术3.2-无线调制技术
数字调制和解调技术
4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）
3、IDFT计算
为了用IDFT实现OFDM，首先令OFDM的最低子载波频率等于0，以满 足下式
右端第一项（即n = 0时）的指数因子等于1。为了得到所需的已 调信号最终频率位臵，可以用上变频的方法将所得OFDM信号的 频谱向上搬移到指定的高频上。 其次，我们令K = 2N，使IDFT的项数等于子信道数目N的两倍， 并用对称性条件，由N个并行复数码元序列{Bi}，(其中i = 0, 1, 2, …, N – 1)，生成K＝2N个等效的复数码元序列{Bn}，(其中n = 0, 1, 2, …, 2N – 1) ，即令{Bn}中的元素等于：
每比特的持续时间
数字调制和解调技术
cos(2 f t ), 0 t T 对该信号集，只有一个基： T 这样，BPSK信号集可表示为 S E (t ), E (t ) 星座图（信号集在矢量空间上的表示）： Q E E I 这种星座图为每一个可能的符号的复包络提供了一个直 观的图形：x轴代表复包络的同相分量，y轴代表复包络的 正交分量，这个概念可推广到M进制调制。 为了表示调制信号的完整集合需要的基底信号的数目称 为矢量空间的维数。从星座图可以推断： （1）调制信号占用带宽随矢量空间维数/点数的增加而减小； （2）比特错误率与星座图上最近的二点间的距离成反比。
数字调制和解调技术
4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）
数字调制和解调技术
4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）
OFDM系统的实现（以MQAM为例来讨论）
DFT回顾：
注意：
数字调制和解调技术
4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）
现代无线通信原理：第二章无线电波传播原理1(2018)
传播损耗与接收功率关系
◼ 在无线通信系统中，接收电平的动态范围很大，常 用dBW或dBm为单位表示接收电平。
➢Pr(dBm)=10lgPr(mW); Pr(dBW)=10lgPr(W)
➢0 dBW=30 dBm
dB表示了了諔 关系
例：2W 换算dBW、dBm为多少？
10lg2W=3dBW=33dBm
◼ 不同路由的中继段，当地面的地形不同时，对电波传 播的影响也不同。主要影响有反射、绕射和地面散射。 f 反射：主要考虑地面反射 f 地面散射：表现为乱反射，对主波束的影响小，不 需考虑。 f 绕射：在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过 障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射，将在 下节讨论。
地面反射对电波传播的影响
◼ 无线信道模型形式 f物理模型 考虑到传播环境的严格物理特性。应用电磁传播理论 分析电波传播特性来建立预测模型。物理模型可提供 传播特性的最可靠估计，但必须仔细计算。 f统计模型 采用实验的方法，测量各种无线环境下的传播特性， 然后基于各类环境测得的统计量应用电磁传播理论分 析电波在移动环境中的传播特性来建立预测模型。易 于描述和使用，但不提供相同的精度。
f 自由空间的电波传播 f 地面反射对电波的影响 f对流层对电波的影响
◼ 3 移动通信系统中的电波传播
自由空间的电波传播
◼ 电波与自由空间的概念
f微波是一种电磁波，微波射频为300MHz～300GHz ， 是全部电磁波频谱的一个有限频段。
f根据微波传播的特点，可视其为平面波。平面波 沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，故称
d12
+
F2 1
+
d
2 2
+
F2 1
2
第二章 无线通信中的调制技术与
调频信号的产生
直接法： 载波的频率直接随着输入的调制信号的 变化而改变； 间接法 先用平衡调制器产生一个窄带调频信号， 然后通过倍频的方式把载波频率提高到 需要的水平。
F动通信中，调频是更为普 遍应用的角度调制，这是因为FM不管信 号的幅度如何，抗干扰能力都很强; 而在调幅中，正如前面所说的那样，抗 干扰能力要弱得多。
0
1
0
ASK调幅 FSK调频
PSK调相
编码技术
为什么要采用编码技术 减小信源信息的冗余（信源编码：无损 编码/有损编码） 增强信息传输中的抗干扰性（信道编码： 纠错码） 保证信息传输中的保密性（加密编码）
语音编码与语音识别
移动通信中的信源编码技术
在数字通信中，通信质量比模拟通信时有了很 大提高； 但在移动通信中，由于信道环境等因素的影响， 必须采用其它方法来提高传输质量，所以要采 用编码技术；
调制 vs. 解调
调制是通过改变高频载波的幅度、相位 或者频率，使其随着发送者（信源）基 带信号幅度的变化而变化来实现的； 而解调则是将基带信号从载波中提取出 来以便预定的接收者（信宿）处理和理 解的过程。
调制在无线通信的作用
频谱搬移：将调制信号转换成适合于传 播的已调信号； 调制方式往往决定一个通信系统的性能
5. 外层空间传播
电磁波由地面发出（或返回），经低空 大气层和电离层而到达外层空间的传播， 如卫星传播，宇宙探测等均属于这种远 距离传播 电磁波穿过电离层外面的空间的传播， 基本上当作自由空间中的传播。
各个波段的传播特点
1. 长波传播的特点 长波的波长很长(传播比较稳定) 地面的凹凸与其他参数的变化对长波 传播的影响可以忽略； 长波穿入电离层的深度很浅，受电离 层变化的影响很小，电离层对长波的吸 收也不大。 能以表面波或天波的形式传播
无线通信技术第二章无线电的传播一.pdf
（
（
（（
例：已知基站处天线增益为10dB, 发射功率为10W, 移动台接
路径损耗：表示信号衰减，定义为有效发射功率和接收功（1）远场预测
的天线的远场
S偏振P偏振
上述两种情况下，对于理想导体界面有：
S偏振：反射电场与入射电场大小相等，相位连续。
P偏振：反射电场与入射电场大小相等，相位相差半个波长。
（
不同无线环境下的路径损耗指数：
数正态分布，即
）
参考距离d0、路径损耗指数n和标准方差 ，系统地描述了具有特定距离的位置的路径损耗模型。
该模型可用于无线系统设计和分析过
为 处的接收功率，
为使用路径损耗模型对 的估计值。
那么测量与估计值的均方差之和为 ∑
,使该值最小。
）利用（*）式计算 ： = 10nlog /
=-3n, =-10n, =-14.77n
=6525-2887.8n+327.15n 2
距离处，载波频。
北大无线通信讲义第二章
21
II. 信道分配及切换
切换控制方式 在第一代模拟蜂窝系统中，信号的强度是由BS检测 并由MSC监视的。BS通过检测所有语音信道判断移 动站相对自己的位置。此外，每一BS还有另一个接 收机检测相邻BS中的移动站的信号。这个接收机称 为定位器。定位器是由MSC控制监视那些可能需要 切换的MS发出的信号。基于本BS语音信道和相邻BS 定位器检测的结果，MSC决定是否需要切换。 第二代数字TDMA通讯系统中，切换是以MS辅助决 定的。每个MS检测周围BS发出的信号，并不断向本 BS汇报。当它发现从某个BS来的信号强度超出本BS 信号一定电平或是持续了一定的时间，就准备进行切 换。这种切换方式的切换速度大大高于第一代通讯系 统，而且MSC也可以从该项繁重的任务中解放出来。 应该指出, 不同系统在接受和处理切换的策略可能很 不相同的。它们主要体现在切换优先权的设置上。
f4 f3 f1 f3 f1 f2 f4 f2 f4 f3 f1 f3 f1 f3 f1 N＝4 f2 f4 f2 f2 f4 f3 f1 f3 f1
D
11
I. 频率复用
•如何进行频率再用
f1 f1 f1 f1
f1
f1
i=1,j=1; N＝3; D=3R
12
I. 频率复用
每个簇的小区数量N必须 每个簇的小区数量 必须 满足： 满足：
17
II. 信道分配及切换 考虑到干扰抑制、容量最大化等因素， 考虑到干扰抑制、容量最大化等因素，信 道分配策略要复杂得多 用户之间互干扰的抑制； 用户之间互干扰的抑制； 信道的自适应分配
18
II. 信道分配及切换 切换 当移动站在不中断通讯的情况下从一小 区穿进另一小区时，MSC自动地将这个 通讯业务切换到第二小区的一个信道上 的过程称之为切换。 这个过程不仅包括识别一个新的BS过程。 而且还包括把语音信道和控制信令信道 同时切. 频率复用
第二章 无线通信链路分析
第二章无线通信链路分析2.1系统工程中的系统链路预算通信链路（link）属于系统的哪一部分？链路不仅指发射机与接收机之间的信道或者区域，还包括整个通信路径：从信源开始，通过所有的编码和调制过程，经由发射机和信道，直到包含所有信号处理功能的接收机，最后结束于信宿。
下面介绍链路分析的定义，并解释链路分析在通信系统设计中的作用。
链路分析及其结果即是链路预算（link budget ),包括对接收端获得的有用信号功率、干扰噪声功率的计算和表格化。
链路预算权衡了增益和损耗，概括了发送接收资源、噪声源和信号衰减的详细分配比例，及其对整个链路过程的影响。
一些预算参数是统计性的（比如信号衰落容许值）。
链路预算是一种评价通信系统差错性能的评估（estimation）技术。
差错概率与Eb/No的关系曲线具有“像瀑布一样”的形状。
对于高斯噪声信道的各种调制方式而言，其Eb/No与差错概率相关联。
一旦选定调制方式，给定的差错概率对应着曲线图上的某一点。
换言之，要求的差错性能规定了满足性能要求的接收机所要达到的Eb/No值。
链路分析的主要目的是确定图3.6的实际（actual）系统工作点，并验证该点的差错概率小于或者等于系统的要求。
在通信系统设计时使用的许多说明、分析和制表中，链路预算是一个重要的基本工具，它为系统工程师提供对系统的整体了解。
通过链路预算，人们可以知道整个系统的设计和性能。
例如，链路余量说明系统能充裕地满足需求，还是刚好或根本不能满足需求。
链路分析可以反映系统是否存在硬件限制，以及是否能在链路的其他部分弥补该限制。
链路预算经常作为分析系统权衡、配置变化以及系统细微变化和相关性的参考依据，并且，若将其与其他建模技术结合将有助于预测设备的重量和大小、主要功率要求、技术风险以及系统成本。
链路预算对系统工程师来说至关重要，它代表了系统性能优化的“底线”。
2.2信道信道（channel）是连接发射机和接收机的传播媒介或电磁波通道。
无线通信系统中的调制解调基础(二)：相位调制
无线通信系统中的调制解调基础（二）：相位调制作者：Ian PooleAdrio Communications Ltd第二部分解释了相移键控（PSK）的多种形式，包括双相相移键控（BPSK），四相相移键控（QPSK），高斯滤波最小相移键控（GMSK），和目前流行的正交幅度调制（QAM）。
第一部分解释了调幅（AM）和调频（FM）技术，并介绍了其优点和缺点。
第三部分将会介绍直接序列扩频（DSSS）技术和正交频分复用（OFDM）调制技术。
调相相位调制是另一种广泛采用的调制技术，特别是在数据传输的应用中。
因为相位和频率是相辅相成的（频变是相变的一种形式），两种调制方法可以用角度调制（angle modulation）来概括。
为了解释调相如何工作，我们首先要对相位做出解释。
一个无线信号包涵了一个正弦信号的载波，幅度从正到负程波浪形变化，一个周期后回到零点，这个同样可以由一个围绕一个零点旋转的一个点来表示，如图3-13所示，相位就是终点到起点的角度。
调相改变了信号的相位，换句话来说，图中绕着原点旋转的点的位置会改变，要实现这个效果既是要在短时间内改变信号的频率。
所以，当进行相位调制的时候会产生频率的改变，反之亦然。
相位和频率是密不可分的，因为相位就是频率的积分，频率调制可以通过简单的CR网络转变成相位调制。
因此，相位调制与频率调制信号的边带、带宽具有异曲同工的效果，我们必须留意这个关系。
相移键控相位调制可以用来传输数据，而相移键控是很常用的。
PSK在带宽利用率上有很多优势，在许多移动电话无线通信的应用中广为采用。
最基本的PSK方法被称作双相相移键控（BPSK），有时也称作反向相位键控(PRK)。
一个数字信号在1和0之间改变（或表述为1和-1），这样形成了相位反转，就是180°的相移，如图3-14。
双相相移键控（BPSK）PSK的一个问题是接收机不能精确的识别传输的信号，来判定是mark（1）还是space （0），即使发射机和接收机的时钟同步也很难实现，因为传输路径会决定接受信号的精确相位。
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§2.1.2 星座图 1. 基本概念
bt bp t jbq t
bq t 对于 bp t 曲线
★ 复基带信号阿干特图（两垂直轴一为实数轴 一为虚数轴信号
★ 表示幅度和相位可能状态的点构成
2. BPSK及QPSK的星座图
★ 等效于极坐标 幅度A：到原点的距离 相位 ：与正实轴夹角
§2.1.3 已调信号的频谱 1. 已调信号频谱与复基带信号频谱的关系 ● 一般描述 频谱搬移关系：上边带 下边带 ★ 实基带信号： 频谱对称 上下边带镜像对称
无线通信调制与编码
next
本课程主要内容
第一章 调制和编码介绍 第二章 线性调制原理 第三章 非线性系统调制 第四章 调制解调器设计 第五章 前向纠错编码原理 第六章 循环分组码 第7章 卷积码
《返回 〈上页 下页〉
第八章 策九章 第十章 第十一
编码调制 在多径信道上的调制与编码 正交频分复用（OFDM） Turbo码
bt di g t iT i
di 表示第 i 个符号的值，一般为复数
BPSK 取 1
QPSK 1 j 2
gt 脉冲成型函数，一般为实函数
gt 通常的形状
▲ 时长为一个符号周期的矩形脉冲 图2－13
▲ 对其进行低通滤波后的波形（可能导 致相邻符号波形间的交叠） 图2－14
★ 该模型适用范围很宽，但并非对所有信号 均适用
《返回 〈上页 下页〉
第二章 线性调制原理
§2.1 调制原理和分析工具 §2.2 线性和指数调制 §2.3 数字传输基础 §2.4 基本线性调制方案 §2.5 多电平调制方案 §2.6 系统应用
《返回 〈上页 下页〉
§2.0 引言
● 线性和非线性调制的区别 ● 分析和图示工具
★ 已调信号的复基带表示 ★ 星座图 ★ 通信信号的脉冲叠加模型 ● 基本概念 ★ 奈奎斯特滤波器 ★ 匹配滤波器 ● 线性调制 BPSK QPSK MPSK QAM
2
1
= 2
b
t
e j c tdt
＋
b
t
e
j
c
t
dt
=
1 2
B
c
B
c
★ 复基带信号包含了已调信号所有重要的信 息。
★ 已调信号的频谱，仅为基带谱简单搬移到载 波处的结果
2. 已调信号功率与复基带信号功率间的关系
S
A 2 d
1 2
B
c
B
c
2
2FSK di 1
bp t cosd t
bq t sind t
★ 已调信号的幅度恒定不变，线性调制可 能是变化的
§2.3 数字传输基础
奈奎斯特滤波器 匹配滤波器 独立应用于基带信号 联合应用于无线系统 2.3.1 奈奎斯特滤波器 1. 基本概念 通信信号必须位于限定的带宽之内，这意 味着复基带信号的带宽也是受限的 限制信号带宽会引起信号在时域的扩展
W
f H
f
G f f
★ 仅当信号间隔大于白化滤波器带宽的倒数 时，才是最优的；否则，会引入额外失真
§2.3.3 无线系统中的奈奎斯特和匹配滤波器 1. 基本概念 通常既希望将传送信号限带而不会引入ISI又 希望使接收的信噪比最大，故必须同时实现 奈奎斯特和匹配滤波 2. 对发送和接收滤波器的要求
5. 非白噪声时的情形－白化匹配滤波器 ● 先将噪声经白化滤波器变为白噪声，再对其 输出端信号匹配
若噪声功率谱为 f N f 2 则白化滤波器为 W f 1 f
匹配滤波器幅度响应为
H f G f W f G f f
● 白化滤波器总幅度响应
H
f
overall
● 系统结构
★ 在判决器输入端无ISI，要求发送滤波器和 接收滤波器串联后的整体必须遵守奈奎斯 特准则，而不是单独的发送滤波器
★ 若出现在接收滤波器的噪声为白噪声，应 使接收滤波器匹配于传输信号波形
● 求解满足要求的滤波器
T f R f RC f R f ＝T f
解得
奈奎斯特准则
2
exp
n2
2 2
为噪声的标准差，其方差为
2＝n2＝Pn
2. 带限高斯白噪声 ● 带限平坦功率谱密度
单边功率谱密度 N0
● 可视为载波幅度和相位受随机调制
● 表示式
nt At cos ct t np t cosct nq t sinct
● 若 n 服从高斯分布
★ np t 和 nq t 必独立也为高斯分布，且
1
★ 意味着信号（双边带）带宽决不能低于T
★ 残留对称性
幅度谱关于 f
1 2T
奇对称
4. 升余弦滤波器
● 频域数学式
1
G
f
1 2
1-sin
t
f
1 2T
0
● 时域数学式
f 1 1
2T
1 1 < f 1 1
2T
2T
f 1 1
2T
gt 2cos t T sin t T t 1 4t2 2 T 2
Re e Re e
jc d t jc d t
=
cos c
cos
c
d t d t
di 1 di 1
● 指数调制的复基带信号
b t e jdidt cos did t j sindid t = bp t jbq t
bp t cosdid t bq t sindid t
●例
经三阶勃脱瓦兹滤波，截止频率
fc
1 2T
引起 ISI
★ 时域扩展是限制信号带宽的必然结果。通过 仔细选择滤波器，有可能消除 ISI
★ 要求滤波后的脉冲在除当前抽样时刻外的所 有其它抽样时刻均过零
2. 奈奎斯特时域准则
g
iT
1 0
i0 i0
3. 奈奎斯特频域准则
G
k
f
k T
T
f 1 2T
● 定义 FSK 包含对相 位变化率的调制，即复基带
信号的相位 t ＝didt , 而幅度恒定（不失
一般性，令其为1）, 从而
b t e jdidt
a t Re b t e jct
★ 已调信号和符号值间为指数关系
●例
di 1 2FSK
a t
Re e jdte jct Re e jdte jct
2. BPSK ● 调制相位
'0', '1', 0
● 已调信号波形
● 已调信号建模为载波和基带信号的乘积 基带信号给出了已调信号大多数的重要信息
● 基于模型的实现
★ BPSK模型不能产生除0 、 外的其它相 位，用 于一般已调信号的表示还需进行 推广
3. I/Q 调制器 ★ 可用于产生任意给定相位和幅度的信号
● 频谱图
● 不同 时 的时域波 形
● 信号带宽
W 1 T rs 1
★ 应折衷考虑
2.3.2 匹配滤波器 1. 二进制基带接收机结构
★ 滤波器的目的是使其输出端信噪比最大
SNRout s2 T n2
2. 推导
输出信号
sT
G
f
H
f
exp 2
jfT
df
输出噪声功率
3. 时域形式
ht gT t 时间翻转、延时
4. 最大输出信噪比
G
f
exp 2
jfT
2
df
H
f
2
df
SNRout s2 T n2
1
2
2 N0 H f df
2
E H f
=1
2 N0 H f
df
2
df
2E
N0
★ 最大输出信噪比只与脉冲波形的能量有关， 而与其具体形状无关
匹配滤波
T f R f ＝ RC f
★ 发送滤波器和接收滤波器均应为平方根 升余炫
3. 滤波器的等效噪声带宽Weff
设滤波器输入端为白噪
声，单边功率谱密度为
N0 ，则输出噪声功率谱 密度
f N0 R f 2 N0RC f
总输出噪声功率
N
0
f
df
N0
RC
0
f
df
1. 线性调制 适用于脉冲叠加模型的调制
★ 已调信号和符号值间为线性关系
bt di g t iT i
a t Re b t e jct
★ 通过适当选择 di 可能的取值，线性调制可 产生所希望的任何幅度和相位组合，从而
任何幅度键控、相位键控以及两者任意的组 合均为线性调制 2. 指数调制
= Re bp t cosct bq t sinct
j bp t sinct bq t cosct
= bp t cosct bq t sinct
★ 数学证明
a t At cos ct t = At cos t cosct At sin t sinct
= Re b t e jct
d
=
1 4
B
c
2
+
B
c
2＋
2
B
c
B
c
d
= 1 2
B c
2
d
= 1 B 2 d 2
= 1 B f 2 df 2
1
= 2
b2p + bq2
§2.1.4 噪声的复基带表示 1. AWGN
● 平坦功率谱密度 单边功率谱密度 N0
● 高斯概率密度函数
pn
1
★ 在此，BPSK 中单个基带信号被一对信号
（分别称作同相和正交基带信号）所取代，