第3章无线通信基本技术-2课件

第3章 无线通信基本技术3.3.1 调制技术概述调制技术概述 3.3.3 QPSK(正交相移键控正交相移键控)3.3.2 最小频移键控最小频移键控 MSK 3.3 调调 制制 技技 术术3.3.4 正交振幅调制技术正交振幅调制技术 QAM 3.3.5 正交频分复用调制正交频分复用调制 OFDM1第3章 无线通信基本技术3.3 调制技术调制技术3.3.1 调制技术概述调制技术概述调制的目的调制的目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配，就是使携带信息的信号与信道特性相匹配，从而有效地利用信道传输。从而有效地利用信道传输。调制是通过改变高频载波的幅度、频率和相位，使其随调制是通过改变高频载波的幅度、频率和相位，使其随着基带信号的变化而变化来实现的；着基带信号的变化而变化来实现的；解调则是将基带信号从载波中提取出来，便于接收者解调则是将基带信号从载波中提取出来，便于接收者(信宿信宿)处理和理解的过程。处理和理解的过程。2第3章 无线通信基本技术无线信道的基本特征是：无线信道的基本特征是：第第一一，带带宽宽有有限限，它它取取决决于于可可使使用用的的频频率率资资源源和和信信道道的传播特性；的传播特性；第第二二，干干扰扰和和噪噪声声影影响响大大，这这主主要要是是移移动动通通信信工工作作的的电磁环境所决定的；电磁环境所决定的；第三，存在着多径衰落和第三，存在着多径衰落和多普勒频率扩展多普勒频率扩展。针针对对无无线线信信道道的的特特点点，要要求求已已调调信信号号应应具具有有高高的的频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰落的能力频谱利用率和较强的抗干扰、抗衰落的能力。下面对常用的几种调制方式进行介绍。下面对常用的几种调制方式进行介绍。3第3章 无线通信基本技术3.3.2 最小频移键控最小频移键控(MSK)最小频移键控最小频移键控(MSK)是是2FSK的改进。的改进。1.2FSK信号信号设设输入到调制器输入到调制器的数据序列中传号的数据序列中传号(1)表示为表示为+1，空号，空号(0)表示为表示为1(ak=1)，输入数据比特的宽度为，输入数据比特的宽度为Tb。2FSK输输出信号为出信号为 式中，式中，kTbt(k+1)Tb，1=2f1，2=2f2。(3-3-1)4第3章 无线通信基本技术定义载波角频率为定义载波角频率为 1、2对对c的角频偏为的角频偏为 其中，其中，就是对载波频率就是对载波频率fc的频率偏移。的频率偏移。定义调制指数为定义调制指数为(3-3-2)(3-3-3)(3-3-4)5第3章 无线通信基本技术根据根据ak、h、Tb可以重写一个码元内可以重写一个码元内2FSK信号表达式：信号表达式：(3-3-5)式中：式中：称做附加相位，它是称做附加相位，它是t的线性函数，斜率为。的线性函数，斜率为。(3-3-6)6第3章 无线通信基本技术2.相位连续的相位连续的2FSK从原理上讲从原理上讲,2FSK信号的产生可以用两种不同的方法：信号的产生可以用两种不同的方法：开关切换方法和调频方法开关切换方法和调频方法，如图，如图3-5所示。所示。图3-5 2FSK的开关切换方法和调频方法开关切换所得的开关切换所得的2FSK信号是一种信号是一种相位不连续的相位不连续的FSK信号信号,调频方法所产生的是调频方法所产生的是相位连续的相位连续的2FSK信号信号(CPFSK)。7第3章 无线通信基本技术将式将式(3-3-6)代入式代入式(3-3-7)，有，有这样就要求满足关系式：这样就要求满足关系式：k=(ak1ak)hk+k1(3-3-9)即要求当前码元的初相位即要求当前码元的初相位k由前一码元的初相位由前一码元的初相位k1、前一、前一码元码元ak1和当前码元和当前码元ak来决定。这种关系就是来决定。这种关系就是相位约束条件相位约束条件。满足这种相位约束条件的满足这种相位约束条件的FSK就是就是相位连续的相位连续的FSK。这两种。这两种相位特性不同的相位特性不同的FSK信号波形如图信号波形如图3-6所示。所示。(3-3-8)所谓相位连续所谓相位连续,是指不仅在一个码元持续期间相位连续，是指不仅在一个码元持续期间相位连续，而且在从码元而且在从码元ak1到到ak转换的时刻转换的时刻kTb，两个码元的相位，两个码元的相位也连续，即也连续，即k(kTb)=k1(kTb)(3-3-7)8第3章 无线通信基本技术图3-6 2FSK信号的波形波形是不连续的波形是不连续的波形是连续的波形是连续的9第3章 无线通信基本技术另外，随着调制指数的增加，信号的带宽也在增加。另外，随着调制指数的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数不宜太大；但过小又会因两个从频带效率考虑，调制指数不宜太大；但过小又会因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测，所以，应当根据信号频率过于接近而不利于信号的检测，所以，应当根据它们的它们的相关系数以及信号的带宽相关系数以及信号的带宽综合考虑。综合考虑。在相同的调制指数情况下，在相同的调制指数情况下，CPFSK的带宽比一般的带的带宽比一般的带宽要窄。这意味着宽要窄。这意味着CPFSK的频带效率比的频带效率比2FSK高，所以，在高，所以，在移动通信系统中移动通信系统中2FSK调制常常采用调制常常采用相位连续的调制相位连续的调制方式。方式。(3-3-4)10第3章 无线通信基本技术3.最小频移键控最小频移键控(MSK，Minimum Shift Keying)为方便讨论，令它们的初始相位为为方便讨论，令它们的初始相位为0，可以求得，可以求得2FSK信信号归一化互相关函数号归一化互相关函数如下：如下：(3-3-10)通常总是满足通常总是满足cTb=n,因此式因此式(3-3-10)中可以略去第一项，中可以略去第一项，得：得：(3-3-11)从式从式(3-3-11)中可以看出，当调制指数中可以看出，当调制指数h=0.5,1,1.5,时时,=0，即两个信号是正交的。即两个信号是正交的。信号的正交有利于信号的检测。信号的正交有利于信号的检测。11第3章 无线通信基本技术这些使这些使=0的参数的参数h的最小值为的最小值为0.5，此时在，此时在Tb给定的情给定的情况下，对应的两个信号的频率差况下，对应的两个信号的频率差|f1f2|存在最小值，从而存在最小值，从而使使FSK信号有最小的带宽。信号有最小的带宽。最小频移键控（最小频移键控（MSK）：调制指数为）：调制指数为0.5的连续相位的连续相位2FSK。h=0.5的的CPFSK就称做就称做最小频移键控最小频移键控(MSK)。MSK的信号表达式为的信号表达式为(3-3-12)12第3章 无线通信基本技术相邻码元的相位变化量为相邻码元的相位变化量为由于由于ak=1，因此，每经过，因此，每经过Tb时间，相位增加或减少时间，相位增加或减少/2，由，由该码元该码元ak的取值而定。的取值而定。随着时间的推移，附加相位的函数曲线是一条折线，称随着时间的推移，附加相位的函数曲线是一条折线，称为为MSK信号的相位路径信号的相位路径。(3-3-13)4.MSK信号的相位路径及功率谱信号的相位路径及功率谱1)相位路径相位路径由于由于h=0.5，因此，因此，MSK信号的表达式为信号的表达式为(3-3-12)13第3章 无线通信基本技术图3-7 附加相位的相位路径从图中可以看到从图中可以看到k的取值的取值:0，/2，0，/2，(k=0，1，2，3，4，)。相位约束条件是：相位约束条件是：(3-3-14)14第3章 无线通信基本技术3)MSK的功率谱的功率谱MSK的功率谱为的功率谱为 式中式中,A为信号的幅度。为信号的幅度。(3-3-18)图3-8 MSK的功率谱由图由图3-8可见，可见，MSK信号比一般信号比一般2FSK信号有更高的带宽效率。信号有更高的带宽效率。15第3章 无线通信基本技术MSK的谱特性已比的谱特性已比2FSK有很大的改进，但旁瓣的辐有很大的改进，但旁瓣的辐射功率仍然很大，从而造成较大的邻道干扰。射功率仍然很大，从而造成较大的邻道干扰。旁瓣的功率之所以比较大旁瓣的功率之所以比较大,是因为数字基带信号含有是因为数字基带信号含有丰富的高频分量丰富的高频分量，若用低通滤波器滤掉其高频分量，则，若用低通滤波器滤掉其高频分量，则可以减少已调信号的带外辐射。可以减少已调信号的带外辐射。移动通信的邻道干扰要求低于移动通信的邻道干扰要求低于60dB，故，故MSK的频谱仍的频谱仍不能满足要求。不能满足要求。16第3章 无线通信基本技术5.高斯滤波最小频移键控高斯滤波最小频移键控(GMSK)问题提出：问题提出：MSK由于基带信号含有丰富的高频分量，使得已由于基带信号含有丰富的高频分量，使得已调调信号带外辐射较大，不能满足功率谱在邻道取值低于主瓣信号带外辐射较大，不能满足功率谱在邻道取值低于主瓣峰值的峰值的60dB。解决方法：解决方法：将矩形脉冲信号先通过高斯低通滤波器，形成将矩形脉冲信号先通过高斯低通滤波器，形成高斯形脉冲，再进行高斯形脉冲，再进行MSK调制，即调制，即在在MSK调制器前加入一调制器前加入一高斯低通滤波器来实现高斯低通滤波器来实现，如图如图3-9所示所示。图3-9 GSMK调制的原理方框图17第3章 无线通信基本技术为了抑制高频成分，图中的高斯低通滤波器要满足下列要求：为了抑制高频成分，图中的高斯低通滤波器要满足下列要求：(1)带宽窄，且是锐截止的，带宽窄，且是锐截止的，(脉冲包络无陡峭点和拐点脉冲包络无陡峭点和拐点)(2)具有较低的过脉冲响应。具有较低的过脉冲响应。(3)能保持输出脉冲的面积不变。能保持输出脉冲的面积不变。GMSK调制原理：通过将调制的不归零数据通过高斯脉冲调制原理：通过将调制的不归零数据通过高斯脉冲成形滤波器，进一步平滑了成形滤波器，进一步平滑了MSK信号的相位曲线，使其频信号的相位曲线，使其频谱上的旁瓣水平大大降低。谱上的旁瓣水平大大降低。预调制滤波器预调制滤波器MSK调制器调制器输入数据输入数据调制指数为调制指数为0.50.5不归零不归零(NRZ)(NRZ)18第3章 无线通信基本技术预调制滤波器的冲激响应：(3-3-20)幅频特性为该滤波器对单个宽度为Tb的矩形脉冲的响应为 式中 B为滤波器带宽(3-3-19)其中：19第3章 无线通信基本技术GMSK滤波器习惯上使用滤波器习惯上使用BTb乘积来定义。乘积来定义。结论：结论：l BTb趋于无穷大，趋于无穷大，GMSK即为即为MSK的的情况。情况。l BTb越小，脉冲越小，脉冲持续时间越长，同持续时间越长，同时引入的码间串扰时引入的码间串扰越严重。越严重。图 高斯滤波器的矩形脉冲响应 B为滤波器的为滤波器的3dB带宽；带宽；Tb为基带信号持续时间。为基带信号持续时间。20第3章 无线通信基本技术图3-10 GMSK信号的功率谱密度结论结论:l 与与MSK相比，相比，GMSK的主瓣能量更集的主瓣能量更集中，旁瓣更低；中，旁瓣更低；l BTb越大，旁瓣越大，越大，旁瓣越大，带外辐射越大。带外辐射越大。lBTb趋于无穷大时，趋于无穷大时，GMSK信号的功率谱与信号的功率谱与MSK的功率谱一致。的功率谱一致。l BTb越小，低通滤波越小，低通滤波器带宽越窄，器带宽越窄，GMSK的的主瓣越窄；但码间串扰主瓣越窄；但码间串扰越严重；越严重；l 通常取通常取BTb=0.20.3。21第3章 无线通信基本技术例例3-2 为了产生为了产生0.25GMSK信号，当信道数据速率信号，当信道数据速率Rb=270 kb/s时，找到高斯低通滤波器的时，找到高斯低通滤波器的3 dB带宽。射频信带宽。射频信道中，道中，90%的功率集中在多大的带宽中？试确定高斯滤波器的功率集中在多大的带宽中？试确定高斯滤波器的的3 dB带宽带宽B。解：解：由题目可得由题目可得 因为因为BTb=0.25，解出，解出B：所以所以3 dB带宽是带宽是67.568 kHz。为了确定。为了确定90%功率带宽，功率带宽，在表在表3-2中查出相当的值为中查出相当的值为0.57Rb。因此，发射频谱上。因此，发射频谱上90%功率带宽为功率带宽为 BW=0.57Rb=0.57270103=153.9 kHz22第3章 无线通信基本技术3.3.3 /4 QPSK(/4正交相移键控调制正交相移键控调制)1.二进制相移键控调制二进制相移键控调制(BPSK)BPSK随输入的数据序列的不同利用随输入的数据序列的不同利用幅度恒定、相位不幅度恒定、相位不同的两个载波信号同的两个载波信号进行表示进行表示,通常两个载波信号的相位相差通常两个载波信号的相位相差180。设输入数据序列为。设输入数据序列为ak，ak=1，k=+，则，则BPSK的信号形式为的信号形式为 式中，式中，kTbt(k+1)Tb。(3-3-21)23第3章 无线通信基本技术s(t)还可以表示为还可以表示为 即当输入为即当输入为“+1”时，对应的信号附加相位为时，对应的信号附加相位为“0”,当输入为当输入为“1”时，对应的信号附加相位为时，对应的信号附加相位为“”。PSK可采用相干解调和差分相干解调可采用相干解调和差分相干解调(PSK采用相干解采用相干解调，调，DPSK采用差分相干解调采用差分相干解调)，如图如图3-11 所示。所示。(3-3-22)24第3章 无线通信基本技术图3-11 PSK的解调框图25第3章 无线通信基本技术在输入噪声为窄带高斯噪声在输入噪声为窄带高斯噪声(其均值为其均值为0，方差为，方差为)时，时，在输入序列在输入序列“+1”和和“1”等概出现的条件下，相干解调等概出现的条件下，相干解调后的误比特率为后的误比特率为 式中，式中，a为接收信号幅度。为接收信号幅度。在相同的条件下，在相同的条件下，BPSK差分相干解调的误比特率为差分相干解调的误比特率为 式中，式中，。(3-3-23)(3-3-24)26第3章 无线通信基本技术2.四相调制四相调制1)QPSK信号信号QPSK(正交相移键控正交相移键控)比比BPSK的的带宽效率高两倍带宽效率高两倍，因，因为在为在QPSK调制中，调制中，一个调制符号传输两比特信息一个调制符号传输两比特信息。即发。即发送的序列，每两个相连的比特分为一组，构成一个四进制送的序列，每两个相连的比特分为一组，构成一个四进制的码元，即的码元，即双比特码元双比特码元。如图。如图3-14所示。所示。图3-14 双比特码元27第3章 无线通信基本技术双比特码元的双比特码元的4种状态用载波的种状态用载波的4个不同相位个不同相位k表示，可表示，可用有四个点的二维星座图描述。用有四个点的二维星座图描述。双比特码元和相位的对应关系可以有许多种，图双比特码元和相位的对应关系可以有许多种，图3-15是其中的一种。这种对应关系叫做相位逻辑。是其中的一种。这种对应关系叫做相位逻辑。图3-15 QPSK的一种相位逻辑28第3章 无线通信基本技术sQPSK(t)=A cos(ct+k)k=1，2，3，4；kTst(k+1)Ts 其中，其中，A为信号的幅度；为信号的幅度；c为载波频率。为载波频率。(3-3-26)QPSK信号可以表示为信号可以表示为 也可以表示为也可以表示为 29第3章 无线通信基本技术2)QPSK信号的产生信号的产生QPSK信号可以用正交调制方式产生。将式信号可以用正交调制方式产生。将式(3-3-26)展开：展开：sQPSK(t)=A cos(ct+k)=A cosk cosctA sinksinct=Ik cosctQk sinct (3-3-27)式中，式中，Ik=A cosk，Qk=A sink，k=arctan(Qk/Ik)。图3-16 QSPK信号的产生二进制双极二进制双极性不归零码性不归零码在两个支路加入在两个支路加入低通滤波器，对低通滤波器，对基带信号实现基带信号实现限限带带，衰减其部分，衰减其部分高频分量，从而高频分量，从而减小已调信号的减小已调信号的副瓣。副瓣。30第3章 无线通信基本技术3)QPSK信号的特性信号的特性 QPSK是一种相位不连续的信号，随着双码元的变化，是一种相位不连续的信号，随着双码元的变化，在码元转换的时刻，信号的相位发生跳变。在码元转换的时刻，信号的相位发生跳变。当两个支路的数据符号同时发生变化时，当两个支路的数据符号同时发生变化时，相位跳变相位跳变180；当只有一个支路改变符号时，当只有一个支路改变符号时，相位跳变相位跳变90。信号相位的跳变情况信号相位的跳变情况可以用信号星座图来说明。可以用信号星座图来说明。00011110iq31第3章 无线通信基本技术 QPSK信号由于在码元边界相位不连续，使得已调信号信号由于在码元边界相位不连续，使得已调信号的包络的包络出现较大起伏。包络出现较大起伏。包络起伏的幅度起伏的幅度和和QPSK信号的信号的相位跳相位跳变幅度变幅度有关。有关。非恒包络信号对非线性放大很敏感，它会使功率谱的副瓣非恒包络信号对非线性放大很敏感，它会使功率谱的副瓣再生，因此，应当设法减小信号包络的起伏，所采用的措施再生，因此，应当设法减小信号包络的起伏，所采用的措施就是减小信号的相位跳变幅度。就是减小信号的相位跳变幅度。相位跳变幅度越大相位跳变幅度越大 信号包络起伏越大信号包络起伏越大 旁瓣功率越大旁瓣功率越大 QPSK信号相邻码元相位相差最大为信号相邻码元相位相差最大为18032第3章 无线通信基本技术3 /4差分正交相移键控调制（差分正交相移键控调制（/4-DQPSK）/4-DQPSK是采用差分编码的是采用差分编码的/4-QPSK，是对，是对QPSK信号的特信号的特性进行改进的一种调制方式。性进行改进的一种调制方式。改进之一改进之一是将是将QPSK的最大相位跳变从的最大相位跳变从降为降为3/4，从而从而改善了改善了/4-DQPSK的频谱特性。且的频谱特性。且带限带限/4 QPSK信号比带限信号比带限QPSK有更好的恒包络特性。有更好的恒包络特性。改进之二改进之二是解调方式。是解调方式。QPSK只能用相干解调，而只能用相干解调，而/4-DQPSK既可以用相干解调也可以采用非相干解调既可以用相干解调也可以采用非相干解调，从而大大简，从而大大简化了接收机的设计。化了接收机的设计。/4-DQPSK已应用于美国的已应用于美国的IS-136数字蜂窝系统、日本的数数字蜂窝系统、日本的数字蜂窝系统字蜂窝系统(PDC)和美国的个人接入通信系统和美国的个人接入通信系统(PACS)中。中。33第3章 无线通信基本技术1)信号产生信号产生/4 DQPSK可采用正交调制方式产生。可采用正交调制方式产生。图3-20 /4 DQPSK调制器【基本原理】/4-DQPSK信号的星座图是信号的星座图是两个彼此相差两个彼此相差/4的的QPSK信号信号星座图的星座图的叠加。如令叠加。如令 00的的DQPSK信号表示奇数位符号；信号表示奇数位符号；0 /4的的DQPSK信号表示偶数位符号；交替使用两个星座图。信号表示偶数位符号；交替使用两个星座图。一个信号点表示两个信息比特，共有八种可能的信号点。一个信号点表示两个信息比特，共有八种可能的信号点。34第3章 无线通信基本技术IQl两个信号点之间的连线表示可能的相位跳变。（两个信号点之间的连线表示可能的相位跳变。（=3 /4）l在两个星座间切换，对每个连续比特保证其符号间至少有在两个星座间切换，对每个连续比特保证其符号间至少有一个一个/4整数倍的相位变化；整数倍的相位变化；l相邻码元之间一定存在相位差相邻码元之间一定存在相位差l所有相位路径都不经过原点（圆心）所有相位路径都不经过原点（圆心）【星座图】/4-DQPSK星座图星座图35第3章 无线通信基本技术【优点】p /4-DQPSK信号相邻符号之间最大信号相邻符号之间最大相位相位变变化是化是3/4，故低通故低通滤滤波后波后/4-DQPSK信号比信号比QPSK信号包络波动更信号包络波动更小。小。p /4-DQPSK信号相邻符号之间必存在相位差，有利于信号相邻符号之间必存在相位差，有利于接收机提取码元同步接收机提取码元同步。p 可采用鉴频器进行非相干解调。可采用鉴频器进行非相干解调。36第3章 无线通信基本技术3.3.4 正交振幅调制正交振幅调制(QAM)技术技术正交振幅调制正交振幅调制(QAM)是一种频谱利用率很高的调制方式，是一种频谱利用率很高的调制方式，在大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、在大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。卫星通信系统等领域得到了广泛应用。1.QAM信号的产生信号的产生正交振幅调制是在多进制正交振幅调制是在多进制PSK调制的基础上，通过调制的基础上，通过相位相位和振幅和振幅的联合控制，的联合控制，从而可以在限定的频带内传输更高速率从而可以在限定的频带内传输更高速率的数据，进一步提高频谱效率。的数据，进一步提高频谱效率。37第3章 无线通信基本技术输入的二进制序列经过串输入的二进制序列经过串/并变换器分为输出速率减半并变换器分为输出速率减半的两路并行序列，再分别经过的两路并行序列，再分别经过2电平到电平到L电平的变换，形成电平的变换，形成L电平的基带信号。为了抑制已调信号的带外辐射，该电平的基带信号。为了抑制已调信号的带外辐射，该L电平电平基带信号还要经过预调制低通滤波器，再分别与同相载波和基带信号还要经过预调制低通滤波器，再分别与同相载波和正交载波相乘。最后将两路信号相加得到正交载波相乘。最后将两路信号相加得到QAM信号信号y(t)。图3-24 QAM信号调制框图38第3章 无线通信基本技术正交振幅调制的一般表达式为正交振幅调制的一般表达式为y(t)=Am cosct+Bm sinct0tTs (3-3-40)式式(3-3-40)由两个相互正交的载波构成，每个载波被一组离由两个相互正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅散的振幅Am和和Bm所调制，故称这种调制方式为正交振所调制，故称这种调制方式为正交振幅调制。式中幅调制。式中:Ts为码元宽度；为码元宽度；m=1，2，3，M；M为为Am和和Bm的电平数。的电平数。39第3章 无线通信基本技术2.QAM信号的解调信号的解调QAM的相干解调框图如图的相干解调框图如图3-24(b)所示。所示。在接收端，输入信号与本地恢复的两个正交载波信号相在接收端，输入信号与本地恢复的两个正交载波信号相乘，经过低通滤波器、多电平判决、乘，经过低通滤波器、多电平判决、L到到2电平转换，再经过电平转换，再经过并并/串变换就得到了输出数据。串变换就得到了输出数据。图3-24 QAM信号调制与解调框图40第3章 无线通信基本技术3.3.5 正交频分复用调制（正交频分复用调制（OFDM）u当系统在传输高速数据业务时，发送符号的周期可能与时当系统在传输高速数据业务时，发送符号的周期可能与时延扩展相比拟，甚至小于时延扩展，此时将引入严重的码延扩展相比拟，甚至小于时延扩展，此时将引入严重的码间干扰，导致系统性能的急剧下降。间干扰，导致系统性能的急剧下降。u在许多移动通信系统中都采用了均衡技术消除码间干扰。在许多移动通信系统中都采用了均衡技术消除码间干扰。但是如果数据速率非常高，若采用单载波传输数据，往往但是如果数据速率非常高，若采用单载波传输数据，往往要设计几十甚至上百个抽头的均衡器，这不仅是硬件设计要设计几十甚至上百个抽头的均衡器，这不仅是硬件设计的噩梦。的噩梦。uOFDM系统是一种采用多载波多进制调制的并行传输系统。系统是一种采用多载波多进制调制的并行传输系统。既可以维持发送符号周期远远大于多径时延，又能够支持既可以维持发送符号周期远远大于多径时延，又能够支持高速的数据业务，高速的数据业务，信道均衡信道均衡变得相对容易变得相对容易。41第3章 无线通信基本技术OFDM的基本原理：将高速的数据流分解为的基本原理：将高速的数据流分解为多路并行多路并行的低速的低速数据流，在数据流，在多个载波多个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小。当每个变小。当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，码间干符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略。扰几乎就可以忽略。多载波多载波 多进制多进制 并行传输并行传输正交频分复用是一种特殊的多载波传输方案，通过应用离正交频分复用是一种特殊的多载波传输方案，通过应用离散傅里叶变换（散傅里叶变换（DFT）和其逆变换（）和其逆变换（IDFT）方法解决了产生）方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。42第3章 无线通信基本技术图3-26 多载波系统的基本结构各子载波之间满足正交性各子载波之间满足正交性(即即OFDM)，各子载波在频谱，各子载波在频谱上有上有1/2的重叠，的重叠，OFDM与与FDM的不同示于图的不同示于图3-25中。中。在接收端通过相关解调技术分离出来，避免使用滤波器在接收端通过相关解调技术分离出来，避免使用滤波器组，同时使频谱效率提高近组，同时使频谱效率提高近1倍。多载波系统的基本结倍。多载波系统的基本结构如图构如图3-26所示。所示。43第3章 无线通信基本技术图3-25 FDM和OFDM带宽的比较44第3章 无线通信基本技术 OFDM并不是一种新技术，并不是一种新技术，OFDM技术的应用已有近技术的应用已有近40年的年的历史，主要用于军用的高频无线通信系统。但是，一个历史，主要用于军用的高频无线通信系统。但是，一个OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪直到上世纪70年代，人们采用离散傅立叶变换来实现多个载年代，人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。技术更趋于实用化。80年代，人们研究如何将年代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速调制解调器。技术应用于高速调制解调器。进入进入90年代以来，年代以来，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。的宽带数据传输。目前目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统，主要的应用包括：和民用通信系统，主要的应用包括：ETSI标准的数字音频广播标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（）、高清晰度电视（HDTV）、）、无线局域网（无线局域网（WLAN）等。）等。45第3章 无线通信基本技术OFDM与与CDMA结合的必要性结合的必要性CDMACDMA系统是一个干扰受限系统。其容量主要受限于移动系统是一个干扰受限系统。其容量主要受限于移动信道中的干扰：多径干扰和多址干扰；其速率也受限于信道中的干扰：多径干扰和多址干扰；其速率也受限于多径干扰产生的时延扩展与信息符号之间的比值，即相多径干扰产生的时延扩展与信息符号之间的比值，即相对多径干扰比值。对多径干扰比值。正交多载波技术正交多载波技术OFDMOFDM是克服多径干扰最有效的手段，它是克服多径干扰最有效的手段，它通过并行传送降低传送速率，增大信息码元周期，大大通过并行传送降低传送速率，增大信息码元周期，大大削弱了多径干扰的影响。它既可增大系统容量又可以提削弱了多径干扰的影响。它既可增大系统容量又可以提高系统传送速率，即可以克服高系统传送速率，即可以克服CDMACDMA系统中存在的这两方系统中存在的这两方面主要缺点。面主要缺点。46第3章 无线通信基本技术 在移动通信系统中，需在每个小区同时支持多个用户通信，在移动通信系统中，需在每个小区同时支持多个用户通信，而而CDMA就是一种较理想的多用户的多址通信方式，它利就是一种较理想的多用户的多址通信方式，它利用正交地址码来区分用户；而用正交地址码来区分用户；而OFDM也可以在多个载波上也可以在多个载波上进行并行传送，既可以提高频谱利用率，又可以实现较理进行并行传送，既可以提高频谱利用率，又可以实现较理想的频率分集的效果，提高抗衰落、抗干扰的能力。想的频率分集的效果，提高抗衰落、抗干扰的能力。另一方面，在移动通信中，由于移动用户随机分布在小区另一方面，在移动通信中，由于移动用户随机分布在小区内，各自具有完全不同的信道传输条件，需要根据每个用内，各自具有完全不同的信道传输条件，需要根据每个用户的业务性能分配合适的信道。而户的业务性能分配合适的信道。而OFDM就可以灵活的采就可以灵活的采用与信道特性相匹配的速率自适应方式来解决该问题。用与信道特性相匹配的速率自适应方式来解决该问题。47