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[基礎知識] 真正免威望基礎知識補習——無線通信系統(tǒng)中的調制解調基礎【純文字發(fā)帖】
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無線通信系統(tǒng)中的調制解調基礎(一):AM和FM

作者: Ian Poole

Adrio Communications Ltd


第一部分解釋了調幅(AM)和調頻(FM)的基礎,并闡述了優(yōu)點和缺點。第二部分解析了頻移鍵控(PSK)和正交幅度調制(QAM)。第三部分討論擴頻通信技術,包括被廣泛應用的直接序列擴頻通信(DSSS),和正交頻分復用(OFDM)
射頻信號被用來傳遞信息,信息有可能是音頻,數據或者其他格式,該信息被調制(modulate)到載波信號上,并通過射頻傳送到接收器,在接收器端,信息從載波上分離出來,這個被稱為解調(demodulation)。而載波本身并不帶有任何信息。
調制方法多種多樣,簡單的一般有幅度調制,頻率調制和相位調制,盡管調頻和調相本質上是相同的。每種調制方法都有其有缺點。了解每種調制方法的基礎是很重要的,盡管大家更為關注的是移動通信系統(tǒng)的調制方法。復習這些簡單技術可以讓大家對它們的優(yōu)缺點有更好的認識。

載波


無線通信的基礎是載波,基本的載波如圖3-1所示,這個信號在發(fā)射器部分產生,并不帶有任何信息,在接收器部分也作為不變的信號出現。


[attach]77320[/attach]

圖3-1 載波信號

調幅


調制最顯而易見的的方式就是調幅了,通過調整信號幅度大小傳遞信息。
最簡單的調制是OOK(on–off keying,開關鍵控),載波以開關的形式傳遞信息。這個是數字調制的基礎,并用在傳遞莫斯(Morse)電碼上面,莫斯在早期的“無線”應用上廣為采用,通過開或關的長度傳遞碼元。

在音頻或其他領域應用更為常見的是,整個信號的幅度通過載波體現,如圖3-2,這個被稱為幅度調制(AM)。


[attach]77321[/attach]

圖3-2 AM調制

AM解調音頻信號的過程十分簡單,只需要一個簡單的二極管包絡檢波電路就可以實現,如圖3-3,在這個電路中二極管只允許無線信號的半波通過,一個電容被作為低通濾波器來去除信號的高頻部分,只留下音頻信號。這個信號直接通過放大后輸出至揚聲器。該解調電路十分簡單和易于實現,在目前的AM收音機接收上面還在廣泛采用。


[attach]77322[/attach]

圖3-3

AM解調過程同樣可以用更為有效的同步檢波電路實現。如圖3-4,射頻信號被本地載波振蕩信號混頻。該電路的優(yōu)點是比二極管檢波器有更好的線性度,而且對失真和干擾的抵抗比較好。產生本振信號的方法很多,其中最簡單的就是把接收到的無線信號通過高通濾波器,從而濾掉調制信號保留精確頻率和相位的載波,再與無線信號混頻濾波就能得到原始音頻信號。


[attach]77323[/attach]

圖 3-4

AM具備實現簡單的優(yōu)勢,不過并不是最有效的方式,在頻譜利用率和功耗方面均是如此。因此該方式在通信領域極少采用,一般只在VHF頻段空中通信中采用。然而,AM在長、中、短波廣播領域采用較多,因為其低成本和簡單性。

為了表明其低效率,我們需要看看AM操作的原理,當一個射頻信號被一個音頻信號調制時,波形會改變,在全調制過程中,調制后信號幅度會從零升到最高,而幅度升高到峰值時會達到載波信號幅度的兩倍,這樣很容易造成失真因為包絡信號不能低于0。因為這種方法調制深度最大,所以叫做100%全調制。


[attach]77324[/attach]

圖 3-5

即使在全調制模式下,功耗利用率也很低。當載波被調制,頻譜中兩邊都會產生邊帶,邊帶包含了音頻信號的信息。我們可以舉例闡述功耗消耗的情況,比如1kHz的語音信號在載波上進行調制,這樣頻譜上會在載波兩邊出現兩個頻帶,如圖3-6,當載波被全調制,接收的調制信號的幅度等于載波信號幅度的一半,既是功耗也等于載波信號的一半。換句話來說,邊帶信號的能量等于載波信號能量的一半,而每個邊帶只有載波能量的1/4。這樣對于一個100W的發(fā)射機來說,載波能量為50W,每個邊帶為25W,調制過程中載波信號的功耗是恒定的,而在解調過程中需要一個載波信號。我們只需要一個邊帶作為有用的信號,所以總的效率等于50/150,只有三分之一的能耗得到了有效利用。


[attach]77325[/attach]

圖 3-6

AM不僅浪費能耗,而且頻譜利用率不高。如果例子中的1kHz信號被普通的音頻信號取代,中頻兩邊的頻譜都會被該音頻信號的頻帶占據,如圖3-7。因此需要的頻段是傳輸信號頻段的兩倍。在短波信號非常擁擠的今天,這樣使非常浪費的,因此目前在該頻段內的一些無線傳輸都采用其他更有效率的調制方法。


[attach]77326[/attach]

圖 3-7

比如說,可以采用單邊帶(SSB)調制。通過去掉一個邊帶,可以使帶寬減半,更加有效率,載波也可以由接收器獲得用來解調。
不過不管AM還是SSB都無法在移動電話里采用,盡管一些場合用到了AM加相位調制。


調制指數

調制指數也被稱為調制深度的定義十分重要,用百分比來表示,如下式:

[attach]77332[/attach]


調制深度不會超過1,否則包絡就會出現失真,信號會出現額外的頻譜,造成干擾信號。


FM調頻

AM是非常簡單的調制方式,而通過改變頻率的FM調制也一樣。如圖3-8,載波信號被調制后,頻率會隨著信號源電壓變化。


[attach]77327[/attach]

圖 3-8

調制信號頻率變化的范圍很重要,這個被稱為偏離(deviation),而且由KHz度量。比如一個信號的偏離可能是±3 kHz,那么這個信號就在±3 kHz上下波動。
采用FM的原因很多,一個重要的優(yōu)勢是不會受到源信號的電平變化的干擾,而且抗干擾的能力也強。因為是改變信號頻率,所以調制信號的電平不會變化,這樣不會干擾到音頻輸出,因此在移動電話或其他便攜式應用中就可以采用FM。FM的另一個好處是當偏離比最高調制頻率高很多時對噪聲和干擾的抵抗能力很好。因此在高品質音頻廣播中通常采用75kHz的偏離。由于有以上的優(yōu)點,FM在第一代模擬無線通信系統(tǒng)中采用。
解調一個FM信號,需要將頻率變化轉變?yōu)殡妷鹤兓@個就比AM解調要復雜了,不過實現起來也比較容易。需要一個調諧電路來對頻率的不斷變化輸出變化的電平,而不是采用一個檢波二極管就能辦到的。有很多方法可以實現這個功能,一個廣泛應用的方案是采用積分檢測器,這個在集成電路中應用廣泛,而且提供了很好的線性度。這個方案在需要調諧電路時具備優(yōu)勢,并且容易在集成電路實現。

基本的積分檢測電路如3-9所示,信號被分成了兩部分,一部分提供了一個90°的相移,原始信號和相移信號立即被送入了混頻器,混頻器的輸出取決于兩個信號的相差,電路作用類似一個相位檢測器并根據相位的差產生電壓輸出。


[attach]77328[/attach]

圖 3-9


調制指數和偏離比


很多情況下調制指數只是一個值并一般用于別的運算,FM調制指數指的是頻率偏離相對調制頻率的比例,因此會隨著在載波上變化的調制偏離而改變。

[attach]77333[/attach]


然而,設計一個系統(tǒng)需要知道最大的調制指數,這個通過在公式中帶入最大的值可以得到。

[attach]77334[/attach]



邊帶

被調制的信號都會產生邊帶,在AM調制中很容易計算得到,但在FM調制中就不是那么明朗,因為這不僅于偏離相關,而且與偏離的度有關,比如說,如果調制指數為M,總的頻譜通過一個復雜的公式可以得出,得到的是一個無限的離散頻譜。

[attach]77335[/attach]


公式中,Jn(M)是第一類貝塞爾函數,ωc是載波的頻率并等于2nf,ωm是調制信號的頻率,Vc是載波的電平。
可以看出整個頻譜包括載波的頻率加上載波兩邊的無限的邊帶頻譜。相關的邊帶可以從貝塞爾函數的表格中讀出,或者用計算公式得出,圖3-10顯示出不同的調制指數下邊帶的變化情況。


[attach]77329[/attach]

圖 3-10

可以總結在低級別的偏離下(既窄帶FM),調制信號在載波中頻的兩邊都有邊帶頻譜,頻譜看起來跟AM信號查不多,最大的區(qū)別是較低邊帶超過了180°的相位。
當調制指數增加,二倍中頻的邊帶頻譜就出現了(圖3-11),指數繼續(xù)增加,更高的邊帶也會出現。同時可以看到隨著調制指數的升高帶來邊帶的改變,一些頻段能量升高而一些降低。


[attach]77330[/attach]

圖 3-11

FM調制信號的頻譜隨著調制指數變化的情況,可以看出當指數較小時(比如M=0.5),信號頻譜表現出一個載波頻率和兩個邊帶,當調制指數上升時,邊帶數量增多而載波頻率的能量會下降。

帶寬

很明顯我們不能接受一個無限帶寬的信號,所以對于低級別的調制指數只會計算頭兩個邊帶信號頻譜。然而,因為調制指數的增加,更高級別邊帶會產生,經常需要濾波器對信號進行處理,而且這不能帶來不適當的失真。為了達到要求通常需要將帶寬設置為最大調制頻率加上兩倍偏離頻率。換句話來說,在VHF FM廣播中,如果采用±75 kHz的偏離,而最大調制頻率為15 kHz,帶寬就需要(2 × 75) + 15 kHz=165 kHz,一般采用200kHz,使發(fā)射系統(tǒng)具備一個保護頻帶,且中頻可以以100kHz為基礎。
提高信噪比 已經提到FM比AM信號在寬帶環(huán)境下可以提供更好的信噪比,實際上,偏離越大,信噪比越好。FM相比AM來說,提高的信噪比等于3D2其中,D是最大偏離率,在D值高的情況下非常明顯。

如果對音頻信號進行預增強就可以更好的增加FM信號的信噪比,通常的做法是,低電平的高頻音頻信號會進行相比低頻信號更大幅度的放大,然后再進行調制。在接收器,采用相反的處理來得到原始的音頻。
為了實現這個預增強,信號需要首先通過一個電容電阻(CR)網絡,在截止頻率點之上的頻率,信號每增加8度音階,電平就增加6dB,類似的,在接收端也進行相應的處理。

頻移鍵控


許多信號系統(tǒng)采用頻移鍵控(FSK)來無線傳輸數字信號(圖3-12)。圖中信號頻率有兩種,一個代表1(mark),一個代表0(space),通過改變載波頻率來傳輸數字信號。

[attach]77331[/attach]


圖 3-12

有兩種方法可以用來實現用兩個頻率的信號傳遞信息。一個很明顯的方法是改變載波頻率,另一個是所謂的音頻頻移鍵控(AFSK),AFSK更好因為對精度有較高要求。


第二部分介紹頻移鍵控(PSK)和正交幅度調制(QAM)。

需要PDF文檔的朋友可以從這里下載: 無線通信系統(tǒng)中的調制解調基礎(一):AM和FM.pdf (223.43 KB)



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    無線通信系統(tǒng)中的調制解調基礎(二):相位調制

    作者:Ian Poole

    Adrio Communications Ltd


    第二部分解釋了相移鍵控(PSK)的多種形式,包括雙相相移鍵控(BPSK),四相相移鍵控(QPSK),高斯濾波最小相移鍵控(GMSK),和目前流行的正交幅度調制(QAM)。
    第一部分解釋了調幅(AM)和調頻(FM)技術,并介紹了其優(yōu)點和缺點。第三部分將會介紹直接序列擴頻(DSSS)技術和正交頻分復用(OFDM)調制技術。

    調相

    相位調制是另一種廣泛采用的調制技術,特別是在數據傳輸的應用中。因為相位和頻率是相輔相成的(頻變是相變的一種形式),兩種調制方法可以用角度調制(angle modulation)來概括。
    為了解釋調相如何工作,我們首先要對相位做出解釋。一個無線信號包涵了一個正弦信號的載波,幅度從正到負程波浪形變化,一個周期后回到零點,這個同樣可以由一個圍繞一個零點旋轉的一個點來表示,如圖3-13所示,相位就是終點到起點的角度。

    [attach]77341[/attach]

    圖 3-13

    調相改變了信號的相位,換句話來說,圖中繞著原點旋轉的點的位置會改變,要實現這個效果既是要在短時間內改變信號的頻率。所以,當進行相位調制的時候會產生頻率的改變,反之亦然。相位和頻率是密不可分的,因為相位就是頻率的積分,頻率調制可以通過簡單的CR網絡轉變成相位調制。因此,相位調制與頻率調制信號的邊帶、帶寬具有異曲同工的效果,我們必須留意這個關系。

    相移鍵控


    相位調制可以用來傳輸數據,而相移鍵控是很常用的。PSK在帶寬利用率上有很多優(yōu)勢,在許多移動電話無線通信的應用中廣為采用。
    最基本的PSK方法被稱作雙相相移鍵控(BPSK),有時也稱作反向相位鍵控(PRK)。一個數字信號在1和0之間改變(或表述為1和-1),這樣形成了相位反轉,就是180°的相移,如圖3-14。

    [attach]77342[/attach]

    圖 3-14

    PSK的一個問題是接收機不能精確的識別傳輸的信號,來判定是mark(1)還是space(0),即使發(fā)射機和接收機的時鐘同步也很難實現,因為傳輸路徑會決定接受信號的精確相位。為了克服這個問題,PSK系統(tǒng)采用差分模式對載波上的數據進行編碼。比如說,信號為1的時候改變相位,信號為0時不改變相位,在這個基礎架構上可以做更多的改進,一些其它的PSK方法也被開發(fā)了出來。一個方法是信號為1時做90°的相移,在信號為0時做-90°相移,這樣保留了0和1之間180度的相差。在簡單的系統(tǒng)中如果不采用該方式進行傳輸,在傳一個長序列的0的時候有可能會失去同步,這是因為產生突發(fā)模式時相位沒有改變。
    基于基本的PSK會有很多改變,各個方案都有各自的優(yōu)缺點,讓設計人員針對具體的應用采用不同的解決方法。比如說四相相移鍵控(QPSK),采用了四個相位,每個相差90°,8-PSK,采用8個相位等等。
    為了方便表述一個PSK信號,我們采用相位矢量或者星座圖,如圖3-15。采用這個圖可以很好的體現相位信息和幅度信息。在這個圖里面,信號的相位用角度表示,幅度用具離圓心的距離表示。這樣這個信號中的同相分量用sine信號表示,而正交分量用cosine信號表示。大部分PSK系統(tǒng)采用不變的幅度,因此圓心周圍的點與圓心距離相等并只改變相對圓心的角度。對于BPSK調相,星座圖上只有兩個點,其它PSK調制可能有更多的點在圓周上。

    [attach]77343[/attach]

    圖 3-15

    當采用測試儀器進行測試時,我們會發(fā)現在理想的星座圖上的頻點會出現錯誤。錯誤的原因是調制器、傳輸過程或者接收器會出現誤差,或者系統(tǒng)中引入了噪聲。可以想象當真實的測試比理想狀態(tài)差的太多時,就會出現誤碼,因為解調器不能正確的判斷圓周上頻點的位置。
    使用星座圖可以很快的找出錯誤所在,如果錯誤是與相位相關,星座圖可以在圓環(huán)圓周再進行查找,如果錯誤與幅度相關,星座圖可以擴大或者縮小圓環(huán)半徑進行查找。采用該方法比采用其它方案查找錯誤有效的多。
    在IS-95 CDMA無線通信系統(tǒng)中,從基站到手機的前向鏈路采用了QPSK調制,并采用絕對相位來表述模型。QPSK有四個相位點,當從一種狀態(tài)跳向另一種時,可能會產生過零點的相位跳變。
    在從手機到基站的反向鏈路中,偏移四相相移鍵控(offset-QPSK,O-QPSK)被采用,這樣可以避免QPSK造成的180°相位跳變?紤]到星座圖上X、Y分量上的相反的向量,一般來說,兩種分量是同時產生的,這樣就會造成過零點相位跳變。在O-QPSK中一個分量被延時了,所以就避免了向量直接過零點,從而簡化了無線設計。


    最小相移鍵控

    因為雙相相移鍵控會在“1”和“0”之間出現激烈的跳變,這樣在頻譜上會造成非常長的邊帶滾降,這在許多應用是很不理想的。我們可以采用濾波器濾除部分頻帶,濾的越多帶寬雖然變窄了,但1和0的分界會變得模糊。為了克服這個問題,另一種調制手段——稱作高斯最小頻移鍵控(GMSK)被廣泛采用了,最為大家所知的就是用在了GSM無線通信標準中。GMSK起源于另一個調制方法最小相移鍵控(MSK),該方法也具有連續(xù)的頻譜,因為是在載波的過零點處產生頻變,所以相位改變是非離散的。
    圖3-16表述了MSK的調制,可以看到并沒有相位的突變,這個MSK表示出的“1”和“0”的區(qū)別主要是體現在載波頻率被“0”調制時是“1”的兩倍,從調制指數來說的話就是M=0.5。

    [attach]77344[/attach]

    圖 3-16

    這個主意看起來很好,而實際上在MSK調制系統(tǒng)中信號出來后帶寬很大,最大帶寬已經達到了數據率的帶寬。
    MSK的信號頻譜顯示其邊帶很長,甚至超過了傳輸的數據率(圖3-17)。如果通過一個低通濾波器對調制信號進行濾波,可以使其適應載波。對濾波器的要求是必須具備陡峭的頻率截止和窄的通帶,其沖擊響應(IR)不應overshoot,一個理想的濾波器就是高斯濾波器,對沖擊響應呈現出高斯函數。

    [attach]77345[/attach]

    圖 3-17

    有兩種方式實現GMSK,最明顯的一種方法是讓信號通過高斯濾波器然后再在一個調制指數為0.5的調頻電路進行調制,如圖3-18。同時該方案的缺點是調制指數必須是精確的0.5,實際情況是,由于元器件的公差和漂移這個方案并不合適。

    [attach]77346[/attach]

    圖 3-18

    第二個方式被廣泛的應用,就是所謂的正交調制!罢弧钡囊馑际且粋信號的相位相對另一個是正交(相差90°)的,即一個同相信號一個是正交信號,也就是通常說的I-Q調制(圖3-19)。當采用該方法進行調制時,調制指數可以非常精確的達到0.5而無需額外的設置和調整,所以實現起來就比較容易。在接收器解調部分,可反向執(zhí)行該電路。

    [attach]77347[/attach]

    圖 3-19

    GMSK的另一個好處是可以采用非線性放大器而不會產生失真,因為調制后信號幅度的變化不會帶有任何有用的信息,因此該方案相對別的一些調制方式也更加能抗噪聲。


    正交幅度調制


    另一個廣泛應用的數據傳輸方法是所謂的正交幅度調制(QAM)。該信號中兩個載波相位相差90°,被調制后輸出信號在幅度和相位都有改變。因此不管幅度還是相位都會進行變化,所以被看成是混合幅度和相位的調制。
    3bit的數據可以分為一組并用表格中的幅度和相位組合來表示。

    [attach]77348[/attach]

    相位調制可以看作QAM的一種特例,這時幅度保持不變而相位有改變,而傳遞的信息就減半了。
    盡管QAM通過對幅度和頻率的調制增加了傳輸效率,但也有一些缺點。首先是比較容易受到噪聲的影響,因為狀態(tài)點距離很近,所以一個比較小的噪聲就有可能將一個星座點移到錯誤的位置。采用相位或者頻率解調的接收機可以采用限幅放大器來濾除噪聲信號從來提升系統(tǒng)抗噪聲性能,QAM卻不行。第二個弱點也和幅度分量相關,相位調制和頻率調制無需使用線性放大器,而因為QAM具有幅度分量,所以必須用線性放大。不幸的是,線性放大器一般功耗較高且效率不高,所以在便攜式移動通信應用里面QAM的吸引力會打折扣。


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    無線通信系統(tǒng)中的調制解調基礎(三):擴頻和OFDM

    作者:Ian Poole

    Adrio Communications Ltd


    第三部分討論擴頻通信技術,包括被廣泛應用的直接序列擴頻通信(DSSS),和正交頻分復用(OFDM)。
    第二部分解析了頻移鍵控(PSK)和正交幅度調制(QAM)。


    擴頻通信技術


    在許多場合中需要使無線信號的頻帶盡量的窄來滿足節(jié)省帶寬的需求,然而,在一些場合中更需要采用所謂的擴頻通信方式,這時傳輸頻譜被擴的很寬。有幾種方式可以實現擴頻通信:一是采用跳頻擴頻(FHSS),該方式以背景噪聲的形式占用了比較廣的頻帶。另兩種實現的方法也被廣泛應用,就是DSSS和OFDM。


    跳頻


    在一些場合,特別是軍事應用方面,需要阻止有人監(jiān)聽和干擾信號。跳頻可以有效的減少干擾,雖然干擾信號會影響一個頻道,但跳頻信號只會在那個頻道停留短暫的時間,所以影響不大。跳頻已經制定了很好的規(guī)范,在該系統(tǒng)中,信號在一秒內通過多次改變的偽隨機序列跳到指定的頻段上。不同應用要求的跳動的快慢不同,一般的應用一秒鐘都會有數百次跳動,盡管在HF頻段可能少一些。
    接收機一樣會在一個給定的頻率上停留一段時間,從一個頻率跳到另一個頻率過程中會有一個死區(qū),在該時段內發(fā)射機輸出被禁止。這樣可以執(zhí)行頻率合成,且阻止信號頻道間干擾的產生。
    要接收并解調信號,接收器必須與發(fā)射機的跳頻序列同步,要達到這個要求,發(fā)射機和接收器必須獲得相同的跳頻序列,并且時域上必須同步。
    跳頻發(fā)射機通常采用數字發(fā)射機,傳送語音信號時,必須先進行模數轉換,而空中傳輸的數據量必須比輸出要大的多,才能滿足跳頻時預留死區(qū)時間的需求。


    直接序列擴頻


    直接序列擴頻(DSSS)是另一種擴頻調制方式,在一些系統(tǒng)上已經得到了廣泛的應用,盡管在發(fā)射機和接收機方面會帶來更多的成本上升。DSSS在軍方的應用較多,因為安全性比較高,在一些新的無線通信領域也有采用,因為可以提供更高的容量。采用DSSS的應用包括碼分多址CDMA,CDMA有多個不同的用戶通過不同的“碼”接入,而另一些老的系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA),或時分多址(TDMA)。

    DSSS的處理比之前表述的一些方法要復雜,當選擇一個需要的信號時,該信號具備獨有的特點。對于AM和FM調制的信號,會使用不同的頻率做為載波,而接收機會設定為指定的頻率來選擇需要的信號,這可以看成頻分系統(tǒng);而其他的一些系統(tǒng)采用時分的方式,比如脈沖編碼調制(PCM)可以看作是這樣的系統(tǒng),信號的不同幅度用時間離散的脈沖來采樣,通過發(fā)射機和接收機的時間同步來還原信號。而CDMA采用不同的碼來區(qū)別不同的信號,為了表述這個處理的過程,我們假設一間房間里站滿了說不同語言的人,盡管說話的噪聲非常大,我們還是能非常容易的找出說英語的人——盡管也有別的人在大聲說別的語言(也許聲音還大的多)——但我們也聽不懂。
    該系統(tǒng)定義不同的碼組在同一載波上從移動電話基站發(fā)出,也允許在容量較大時增加新的碼組達成終端和基站的通信。為了達到這個要求,信號被擴頻到指定的帶寬,這個是由擴頻碼來實現,該碼率比原信息的碼率要大的多,實現方法是信息的每個符號與擴頻碼的一組固定的碼組相乘即可。碼組之間可以是隨機的,也可以是正交的,碼組之間正交是為了在同一時候所有信號相加和為0,舉例如下:

    [attach]77355[/attach]

    使用正交編碼,在一個頻帶中可以傳輸更大量的數據。實現方法是,數據與碼片(chip)相乘(如圖3-20),碼片是不斷送出的指定的編碼信號,每個數據位都要與碼片的每個位相乘。因此可以看出擴頻比就是一個碼片中的比特位數。

    [attach]77356[/attach]

    圖 3-20

    為了產生這個能攜帶多個信息的單載波信號,每個擴頻后的信號會進行相加得到一個輸出信號(圖3-21),然后再調制和上變頻后在天線端傳輸出去。

    [attach]77357[/attach]

    圖 3-21

    在接收端采用相反的步驟,信號被下變頻至基帶信號。這里該信號會與相關的碼片相乘,得到的結果會根據碼片數進行相加,即所謂的相干解擴。通過與不同的碼片相乘,不同的原始信息就會被萃取出來。
    為了表示系統(tǒng)是如何工作的,我們用下圖來表示。我們假設擴頻比為4,在3-22中,可以看到a和b是擴頻碼(實線部分為一個碼片),擴頻碼a與信息c相乘得到擴頻后的數據d,而擴頻碼b與信息e相乘得到擴頻后的數據f。而擴頻后的d和f進行相加運算得到基帶信號g,然后再在載波上進行調制和無線傳輸。


    [attach]77358[/attach]

    圖 3-22DSSS擴頻和解擴

    接收機在這種情況下,碼片a(既是h的波形)再與基帶信號g相乘就可以得到i,因為擴頻比為4,每組4個比特相加,就可以生成與c相同的j信號完成解擴。
    當一個偽隨機序列擴頻碼被使用后,需要執(zhí)行相關的處理。偽隨機擴頻編碼得到使用,而不是正交碼,這時發(fā)射機和接收機需要產生同樣的偽隨機碼,通過讓接收機和發(fā)射機采用相同的算法產生序列可以方便的實現。采用偽隨機碼的缺點是編碼不會正交,因此重新產生正交信號時會出現一些誤碼。


    正交頻分復用


    另一種廣泛應用的調制方法是正交頻分復用(OFDM),編碼正交頻分復用(COFDM)是其中的一種形式,COFDM多用在Wi-Fi應用里面,比如IEEE 802.11,包括DAB也采用該方法,另外4G無線通信標準中也將采用該調制方法來提高數據率。
    一個COFDM信號一般包含了一系列間隙很窄的調制載波。通常對語音、數據或其他信號進行調制時,邊帶會在兩邊擴展,接收機必須接收到整個頻段的信號來執(zhí)行解調,因此,當信號傳輸到接收機時,各個頻道之間必須有間隔,這樣接收機才能用濾波器將它們分開。而COFDM不需要這樣的條件,盡管各個載波的邊帶會有混疊現象,但也可以無干擾的接收到,因為各個載波之間是相互正交的,這個可以通過將載波的間隔與符號周期的倒數相等來實現。
    圖3-23表示了傳統(tǒng)的無線接收機接收到的頻譜狀況,而圖3-24表示了一個COFDM信號頻譜。

    [attach]77359[/attach]

    圖 3-23

    為了解釋這是如何工作的,我們必須看一看接收機,接收機可以看成一個解調器的集合,一個解調器把對應載波的信號轉換成DC信號,相應的符號周期上集成的信號從載波上重建,其他解調器再解調其他的載波。因為載波間隙與符號周期的倒數相同,因此整個符號周期內組成了一個圓,它們的和加起來為0,換句話來說,就不會有干擾了。

    發(fā)射和接收系統(tǒng)的一個要求是必須是線性的,因為非線性會在載波之間造成互調干擾,會并帶來意想不到的信號干擾和削弱正交信號。
    COFDM多載波的高功率峰均比(peak-to-average)需要發(fā)射機的末端RF放大器在平均功率很低的情況下處理高的峰值功率,這樣會使系統(tǒng)效率變低。在一些系統(tǒng)中,峰值受到了限制,盡管會帶來高的誤碼率對系統(tǒng)產生失真,但可以引入糾錯(EC)算法來克服。
    待傳輸的數據會先根據載波進行擴展,每個載波會攜帶一部分數據,這樣就降低了每個載波攜帶的數據率。低數據率的好處是受到的干擾會大大降低。通過增加一個保護時間(或保護間隔),如圖3-25,可以在信號穩(wěn)定后再進行處理,在這個時間內不會有新的信號傳進來改變時序和相位。

    [attach]77360[/attach]

    圖 3-24

    在多個載波上分配數據還有一些好處。多徑效應的干擾只會在少部分載波上產生,而大部分會被正確的接收。使用糾錯編碼技術,意味著增加了信號攜帶的數據,但可以讓接收機正確重建幾乎所有的數據。這樣能實現是因為糾錯編碼是在信號的不同部分傳輸,這個糾錯編碼可以說是編碼正交頻分復用的“編碼”。


    帶寬和容量


    通信系統(tǒng)的一個重要的考量是系統(tǒng)的數據吞吐量。因為用戶對數據量和速度的要求是無止境的,我們必須合理利用每一個頻段?梢钥吹接卸喾N調制手段可以用到,它們中的一些在某些場合比其他的更為高效。然而,有一些定律左右著能傳輸的信息量。
    信道的帶寬是決定信號攜帶數據量的主要因素。帶寬從字面上來說是指該信道用Hz單位度量的頻道的寬度,可以用高的頻率減去低的頻率輕松的得到。
    奈奎斯特采樣定律定義要恢復頻率帶寬為W的信號,必須采用超過2W帶寬的載波進行采樣。該轉換也可以看成:有一個帶寬為W的信號,假設該信號不經過模數轉換變成二進制編碼時最高的頻率為2W,但如果要進行模數轉換,采樣的數據率(bps)要是原始模擬信號帶寬的兩倍。傳輸多級信號必須大大增加帶寬容量。
    傳輸多級信號的問題是必須把每個信號從外部干擾—特別是噪聲--中分辨出來。香農定律就描述了這種情況的發(fā)生,該定律是由Claude Shannon定義,是現代計算科學形成的基礎,而且是信息學中關于一個數據信道中能獲得的最大數據率傳輸的表述。香農定律定義了在一個信道中能傳輸的最大無損失數據率是與帶寬和信噪比相關的,該公式表述如下:

    [attach]77361[/attach]

    C表示了信道容量,W是帶寬(單位Hz),S/N是信號噪聲的比例。

    理論上來說,可以獲得2bps/Hz的性能,不過事實上1bps/Hz到4bps/Hz是合理的數據。為了簡單化表述容量的大小,我們會替代“bps”而稱作“帶寬”,然而要清楚帶寬和數據比特率是兩個不同的數據,帶寬是模擬信號頻率范圍的度量,而比特率是數字信號傳輸的數率。
    糾錯編碼相比沒有編碼的數據可以增加傳輸的質量,但也沒有糾錯編碼可以非常接近香農定律的理論值。


    總結


    有三種方法對信號進行調制:幅度、相位和頻率,而相位和頻率本質上是相同的。然而,有多種方式來實現這些調制,每種方式都有其優(yōu)點和缺點,因此,設計一個新的系統(tǒng)考慮這些因素是非常重要的。


    需要PDF原文檔的朋友請點擊這里下載: 無線通信系統(tǒng)中的調制解調基礎(三):擴頻和OFDM.pdf (178.36 KB)



    [ 本帖最后由 aiffier 于 2009-3-2 14:10 編輯 ]

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    發(fā)表于 2009-03-02 14:11:52  只看樓主  QQ
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    發(fā)表于 2009-03-02 19:14:46 
    溫故知新,謝謝樓主!

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    發(fā)表于 2009-03-04 08:01:00 
    學習學習 。。。。

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    發(fā)表于 2009-03-04 11:30:28 
    溫故而知新哈哈哈

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    發(fā)表于 2009-03-05 11:29:35 
    xuexi xuexi xuexi xuexi

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    發(fā)表于 2009-03-09 23:49:45 
    總算可以下載一點懂ixl餓

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    發(fā)表于 2009-03-10 01:02:13 
    好像有點難度啊。。!

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    發(fā)表于 2009-03-10 09:12:44 
    感覺大學學的東西現在大部分看起來都很難啦

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    發(fā)表于 2009-03-10 10:02:28 
    XIEXIE !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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    頭像是我寶貝女兒 :)
     
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    發(fā)表于 2009-03-11 09:29:58 
    溫故知新,謝謝樓主!!!

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    發(fā)表于 2009-03-12 07:32:24 
    真的好難啊
    進這個還真有點麻煩!

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    發(fā)表于 2009-03-12 08:21:47 
    頂。。。。。。。。。。。。。。。。。

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