第二章数字通信4.ppt
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1、在并行体制中,正交频分复用(OFDM)具有较强的抗多径传播和频率选择性衰落的能力以及较高的频谱利用率,因此得到了深入的研究。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统已成功地应用于接入网中的高速数字环路HDSL、非对称数字环路ADSL,高清晰度电视HDTV的地面广播系统。在移动通信领域,OFDM是第三代、第四代移动通信系统准备采用的技术之一,OFDM系统的调制与解调,宽带系统与多载波技术,宽带系统系统中所传送信号的带宽大于信道相干带宽的系统 时域角度:系统中所传送信号的符号周期小于信道最大多径时延扩展的系统存在的问题频率选择性衰落引起的
2、符号间干扰问题(ISI),宽带系统与多载波技术,解决方法单载波调制加时域均衡 直接序列扩频码分多址加Rake 接收技术 但是均有不足 多载波传输技术,多载波传输系统原理图,OFDM信号保持各子载波相互正交OFDM信号是通过基带处理来实现的,不需要振荡器组,从而大大降低了OFDM系统实现的复杂性。,OFDM信号频谱结构,OFDM信号调制与解调 OFDM信号的产生是基于快速离散傅立叶变换实现的,其产生原理如下图所示。图中,输入信息速率为Rb的二进制数据序列先进行串/并变换。根据OFDM符号间隔Ts,将其分成ct=RbTs个比特一组。这ct个比特被分配到N个子信道上,经过编码后映射为N个复数子符号X
3、k,其中子信道k对应的子符号Xk代表bk个比特,而且,在Hermitian对称条件:Xk=X*2N-k,0k2N-k,的约束下,2N点快速离散傅立叶反变换(IFFT)将频域内的N个复数子符号Xk变换成时域中的2N个实数样值xk(k=0,1,2N-1),加上循环前缀xk=x2N+k(k=-1,-J)之后,这2N+J个实数样值就构成了实际的OFDM发送符号。xk经过并/串变换之后,通过时钟速率为fs=的D/A转换器和低通滤波器输出基带信号。最后经过上变频输出OFDM信号。,OFDM信号产生原理图,OFDM信号接收原理图,OFDM信号接收端的原理图如图所示,其处理过程与发送端相反。接收端输入OFDM
4、信号首先经过下变频变换到基带,A/D转换、串/并变换后的信号去除循环前缀,再进行2N点快速离散傅立叶变换(FFT)得到一帧数据。为了对信道失真进行校正,需要对数据进行单抽头或双抽头时域均衡。最后经过译码判决和并/串变换,恢复出发送的二进制数据序列。,由于OFDM采用的基带调制为离散傅立叶反变换,可以认为数据的编码映射是在频域进行的,经过IFFT变换为时域信号发送出去。接收端通过FFT恢复出频域信号。为了使信号在IFFT、FFT前后功率保持不变,DFT和IDFT应满足以下关系,在OFDM系统中,符号周期、载波间距和子载波数应根据实际应用条件合理选择。符号周期的大小影响载波间距以及编码调制迟延时间
5、。若信号星座固定,则符号周期越长,抗干扰能力越强,但是载波数量和FFT的规模也越大。各子载波间距的大小也受到载波偏移及相位稳定度的影响。一般选定符号周期时应使信道在一个符号周期内保持稳定。子载波的数量根据信道带宽、数据速率以及符号周期来确定。OFDM系统采用的调制方式应根据功率及频谱利用率的要求来选择。常用的调制方式有QPSK和16QAM方式。另外,不同的子信道还可以采用不同的调制方式,特性较好的子信道可以采用频谱利用率较高的调制方式,而衰落较大的子信道应选用功率利用率较高的调制方式,这是OFDM系统的优点之一。,OFDM系统性能 1.抗脉冲干扰 OFDM系统抗脉冲干扰的能力比单载波系统强很多
6、。这是因为对OFDM信号的解调是在一个很长的符号周期内积分,从而使脉冲噪声的影响得以分散。事实上,对脉冲干扰有效的抑制作用是最初研究多载波系统的动机之一。2.抗多径传播与衰落 OFDM系统把信息分散到许多个载波上,大大降低了各子载波的信号速率,使符号周期比多径迟延长,从而能够减弱多径传播的影响。若再采用保护间隔和时域均衡等措施 可以有效降低符号间干扰。保护间隔原理如下图所示。,保护间隔原理,3.频谱利用率 OFDM信号由N个信号叠加而成,每个信号频谱为函数并且与相邻信号频谱有1/2重叠,如图所示。设信号采样频率为1/T,则每个子载波信号的采样速率为,即载波间距为,若将信号两侧的旁瓣忽略,则频谱
7、宽度为 BOFDM=(N-1),OFDM的符号速率为,OFDM信号频谱结构,比特速率与所采用的调制方式有关,若信号星座点数为M,则比特率为 因此,OFDM的频谱利用率为 对于串行系统,当采用MQAM调制方式时,频谱利用率为比较以上两式可以看出,当采用MQAM调制方式时,OFDM系统的频谱利用率比串行系统提高近一倍。,扩频调制,在一些应用中,需考虑通信系统的多址能力,抗干扰、抗阻塞能力以及隐蔽能力等。扩频技术是解决以上问题的有效措施。扩频系统则是将发送的信息扩展到一个很宽的频带上,通常要比发送的信息带宽宽很多。在接收端,通过相关检测恢复出发送的信息。扩频系统对于单个用户来说频谱利用率很低,但是扩
8、频系统允许很多用户在同一个频带中同时工作,而不会相互产生明显的干扰。当采用码分多址(CDMA)技术,实现多用户工作时,扩频系统的频谱效率就变得较高。,扩频系统具有以下主要特点:(1)抗干扰和抗衰落、抗阻塞能力强;(2)多址通信时频谱利用率高;(3)信号的功率谱密度很低,有利于信号的隐蔽。扩频通信系统的工作方式有:直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)、跳变频率扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum)、跳变时间扩频(Time HoppingSpread Spectrum)和混合扩频。以扩频技术为基础的码分多址(CDMA)方
9、式已得到广泛应用,并确定为第三代移动通信系统的多址方式。,直接序列扩频(DS-SS)1.直接序列扩频原理 直接序列扩频(DS-SS)系统是将伪随机(PN)序列直接与基带脉冲数据相乘来扩展基带信号。伪随机序列的一个脉冲或符号称为一个“码片”。采用二进制相移调制的DS系统调制器原理图如下图所示。,二进制相移调制的DS系统调制器原理图,设基带数据序列m(t)为,式中,an为信息码,取值为1;Ta为信息码时间间隔。在一个码元期间,基带信号m(t)的平均功率为,伪随机码产生器产生的伪随机序列cPN(t)为,式中,cn为伪随机序列码元,取值为1;Tc为伪随机序列码元时间间隔。通常,伪随机序列码元时间间隔远
10、远小于数据序列码元时间间隔,即TcTa。带宽扩展因子为,式中,Rc为伪随机序列码速,Ra为数据序列码速。cPN(t)的平均功率为,扩展后的序列d(t)为,式中,经过2PSK调制后,输出扩频信号为 s(t)=d(t)cosct=m(t)cPN(t)cosct,式中,c为载波角频率。,直接序列扩频系统解调器原理如图所示。图中,输入DS-SS信号首先进行2PSK解调,然后与伪随机序列相乘进行接扩。,直接序列扩频系统解调器原理,为了正确恢复信号,在接收端产生的伪随机序列必须与即将接收的扩频信号中的伪随机序列同步。设解调器输入为 r(t)=s(t)+n(t)=m(t)cPN(t)cosct+n(t)式中
11、,n(t)=nc(t)cosct-ns(t)sinct为加性高斯噪声。2PSK解调输出为,经解扩后输出为式中,第一项即是所需要的发送数据。扩频系统的抗干扰能力可以用处理增益来衡量,处理增益越大,抗带内干扰的能力越强。处理增益定义为,通常可用分贝表示,即,对于直接序列扩频系统,处理增益可表示为,式表示,直接序列扩频系统的处理增益为扩频信号射频带宽Bc与数据信息带宽Ba的比值,或为伪随机序列码速Rc与数据序列码速Ra之比。在不同的干扰情况下,式(9.6-13)会有所不同。例如,在CDMA系统中,传输的信息码速率为19.2kb/s,扩频码速率为1228.8kb/s,则系统的处理增益为,下图所示为直接
12、序列扩频系统对带内窄带干扰的抑制原理。解调器输入端信号和窄带干扰的功率谱如图(a)所示,解扩后输出信号和干扰的功率谱如图(b)所示。可见,解扩后信号带宽减小,功率谱增大,而干扰的功率谱扩展后带宽展宽,功率谱降低。解调器的滤波器将大部分信号频带外的干扰滤除,从而提高直接序列扩频系统的抗干扰能力。,直接序列扩频系统对带内窄带干扰的抑制原理(a)宽带滤波器输出;(b)解扩展后相关器输出,2.双四相扩频调制与解调 为了提高扩频系统的频谱利用率,调制方式可以采用四相调制,调制器原理图如图9-38 所示。调制器输出信号为s(t)=mI(t)cIPN(t)cosct+mQ(t)cQPN(t)sinct,(9
13、.6-14),式中,cIPN(t)和cQPN(t)分别为同相支路和正交支路的扩频码。双四相解调器原理图如图9-39所示。解调器输入为,r(t)=s(t)+n(t)=mI(t)cIPN(t)cosct+mQ(t)cQPN(t)sinct+n(t),(9.6-15),解扩后的两路输出分别为moI(t)=(Pc+)mI(t)+noI(t)(9.6-18)moQ(t)=(Pc+)mQ(t)+noQ(t)(9.6-19)式中,为同相和正交两路扩频码之间的相关系数,noI(t)和noQ(t)为输出噪声。moI(t)和moQ(t)经过并/串变换即可恢复出发送数据序列。,图3-38 双四相扩频调制器原理图,图
14、3-39 双四相解调器原理图,由式(9.6-18)和式(9.6-19)可以看出,解调器输出性能除了受加性噪声noI(t)和noQ(t)影响外,还要受扩频码cIPN(t)和cQPN(t)之间的相关系数的影响。一般情况下值很小,可以忽略。但是在移动通信中,由于多径衰落信道,使得的影响不能忽略。因此,需要对双四相调制方式加以改进。3.复四相扩频调制与解调 复四相扩频调制与解调原理图如图 9-40 所示。调制器也是两次调制方式,解调器与双四相解调器相似。调制器输出信号为s(t)=mI(t)cIPN(t)-mQ(t)cQPN(t)cosct+mI(t)cQPN(t)+mQ(t)cIPN(t)sinct,
15、图 9-40复四相扩频调制与解调原理图(a)调制器;(b)解调器,接收端解调器输入为r(t)=s(t)+n(t)=mI(t)cIPN(t)-mQ(t)cQPN(t)cosct+mI(t)cQPN(t)+mQ(t)cIPN(t)sinct+n(t)(9.6-22)四相正交解调器同相支路和正交支路输出分别为 xI(t)=mI(t)cIPN(t)-mQ(t)cQPN(t)+nc(t)xQ(t)=mQ(t)cIPN(t)+mI(t)cQPN(t)+ns(t),跳频扩频 在跳频扩频中,调制数据信号的载波频率不是一个常数,而是随扩频码变化的。在时间周期T中,载波频率不变,但在每个时间周期后,载波频率跳到另
16、一个(也可能是相同)的频率上。跳频模式由扩展码决定。所有可能的载波频率的集合称为跳频集。直接序列扩频和跳频扩频在频率占用上有很大不同。当一个DS-SS系统传输时占用整个频段,而FH-SS系统传输时仅占用整个频段的一小部分,并且频谱的位置随时间而改变。FH-SS频率使用如下图所示。,FH-SS信号频率/时间关系,FH-SS系统原理如下图所示。在发送端,基带数据信号与扩频码调制后,控制快速频率合成器,产生FH-SS信号。在接收端进行相反的处理。使用本地生成的伪随机序列,对接收到的FH-SS信号进行解扩,然后通过解调器恢复出基带数据信号。同步/追踪电路确保本地生成的跳频载波和发送的跳频载波模式同步,
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