调制解调技术.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,802.11,调制解调技术,802.11,调制解调技术,802.1,1,技术基础,802.11,调制技术,802.11,展频技术,802.11,技术基础,802.11,常用的标准有,802.11 a,b,g,n,802.11a:,载波,5GHz,物理层,OFDM.,802.11b:,载波,2.4GHz,物理层 采用补码键控,CCK/DSSS.,802.11g:,载波,2.4GHz,物理层,CCK/DSSS,OFDM.,兼容,802.11b.,802.11n:,载波,2.4GHz,和,5GHz,物理层,OFDM+MIMO.,802.11,调制技术,BPSK,调制原理,差分相移键控（,BPSK,）是利用相邻二个码元的载波信号初始相位的相对变化来表示所传输的码元。,例如，在二进制中传输,“,1,”,码时，则与此码元所对应的载波信号初始相位相对于前一码所对应的载波信号初始相位有,弧度的变化,;,，传输,“,0,”,码时，与此码元所对应的载波信号的初始相位相对于前一码元所对应的载波信号初始相位无变化（,“,1,变,0,不变,”,）；当然反过来也是可以的。,802.11,调制技术,BPSK,调试波形,802.11,调制技术,BPSK,调制星座图,802.11,调制技术,QPSK,调制原理,四进制码元又称为双比特码元。它的前一信息用,a,代表，后一信息比特称用,b,代表，双比特码元中两个信息比特,ab,提出按照格雷码（即反射码）排列的。它与载波相位的关系如下表示。矢量图如下。,双比特码元,载波相位,（,k,j,）,a,b,A,方式,B,方式,0,0,0,o,45,o,0,1,90,o,135,o,1,1,180,o,225,o,1,0,270,o,315,o,00,11,参考相位,01,10,参考相位,00,01,11,10,802.11,调制技术,QPSK,调制星座图,01,00,11,10,802.11,调制技术,QAM,调制原理,正交幅度调制,(QAM,Quadrature Amplitude Modulation),是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式。这两个载波通常是相位差为,90,度,(,/2),的正弦波,因此被称作正交载波,.,802.11,调制技术,QAM,调制实现函数,以16,QAM,为例，这里,Amc,和,Ams,为,1,3.,802.11,调制技术,QAM,调制图解,QAM,调制器中,I,和,Q,信号来自一个信号源，幅度和频率都相同，唯一不同的是,Q,信号的相位与,I,信号相差,90,64 QAM,调制图解,802.11,调制技术,正常,64QAM,星座图,802.11,调制技术,增益压制时,64QAM,星座图,802.11,展频技术,802.11,扩频常用技术有,:,跳频展频,(FHSS).,直接序列展频,(DSSS).,正交频分复用,(OFDM).,通过技术手段,使信息在较宽的频率带宽中传输,802.11,展频技术,使用展频技术的优点,1.,扩展传输频率带宽,减小设备电磁干扰,(EMI).,2.,降低电磁干扰对设备接受信号的影响,.,802.11,展频技术,跳频传输,跳频，是以一种预设的准随机样式,(,predeterminded,pseudorandom pattern),快速变换传输频率,.,如图所示。图中的纵轴将可用频率划分为几个频槽,(frequency slot),。同样地，时间轴也被划分为一系列时槽,(time slot),802.11,展频技术,跳频传输,调频可以避免设备干扰某个频段,(,frequency band,简称,band),的主要用户,.,跳频用户对主要用户只会造成瞬间干扰，因为跳频健将能量分散至较宽的频段。同样地，主要用户只会影响展频设备的某个频槽，就像是瞬间的噪声一般。,802.11,展频技术,跳频传输,如果两个跳频系统需要共用相同频段，可以指定不同的跳频顺序，如此便不会互相干扰。,调频扩频技术在,802.11,中基本不再使用,.,802.11,展频技术,直接序列传输,直接序列传输是一种不同的展频技术，可以通过较宽的频段传送信号。直接序列技术的基本运作方式，是通过精确的控制将,RF,能量分散至某个宽频频段。当无线电载波的变动被分散至较宽的频段时，接收器可以通过相关处理（,corelation process,）找出变动何在。下图以比较抽象的观点说明了直接序列的基本运作方式。,802.11,展频技术,直接序列传输,比起跳频信号，经过直接序列调制的信号比较能够抵抗干扰。相关程序（,correlation Process,）让直接序列系统得以更有效率地解决窄频干扰的问题。每个位元（,bit,）使用,11,个缀片（,chips,），可以容许漏失或损毁几个缀片而不损及数据,802.11,展频技术,OFDM,（,Orthogonal,Frequency Division,Multiplexing,）,正交频分复用,将,信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰,(ISI),。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。,802.11,展频技术,OFDM,，多载波调制的一种，主要思想为：将经过,BPASK,QPSK,16QAM,或者,64QAM,调制的高速串行数据转换成并行的多路较低速的子数据流。然后调制到相互正交的子载波上，并行发射出去，这些子载波相互正交，频带可以有所重叠，不同于传统的频分复用技术。,时域上的,OFDM:,Sin(t),与,sin(2t),是正交的，,在下图中,0,2,的,区间,内,，采用最易懂的幅度调制方式传送信号：,sin(t),传送信号,a,，因此发送,a,sin(t,),，,sin(2t),传送信号,b,，因此发送,b,sin(2t,),发送,a,信号的,sin(t),802.11,展频技术,发送,b,信号的,sin(2t),802.11,展频技术,三角函数系中任何不同的两个函数的乘积在区间,-,上的积分等于,0,.,如三角函数系,1,sinx,sin2x,sin3x,sin4x,如,1*S,in,X,或者,SinX*Sin2X,在,-,上的积分都为,0.,若载波,1,发送的数据为,A,，调制在,S,in,X,上，载波,2,发的数据为,B,，调制在,Sin2X,上，他们是同时发送的，基站收到的数据就是,ASinX+BSin2X,.,那么我们如何解出载波,1,发了什么呢,?,基站会对收到的数据乘以他调制的载波频率积分，,(As,in(,X)+BSin(2X)*SINX,，则由于信号是线性的，根据,1,结果中就含有,B,的分量约掉了，我们就能解出,A,。,802.11,展频技术,因此在信道中传送的信号为,asin(t)+bsin(2t),。其中,sin(t),和,sin(2t),为载波，,a,、,b,为所要发射的信号，在接收端，分别对接收到的信号作关于,sin(t),和,sin(2t),的积分检测，就可以得到,a,和,b,了。,发送在无线空间的叠加信号,a,sin(t)+b,sin(2t),802.11,展频技术,接收信号乘,sin(t),，积分解码出,a,信号。,802.11,展频技术,接收信号乘,sin(2t),，积分解码出,b,信号,802.11,展频技术,802.11,展频技术,流程图,频域上的,OFDM,在时域中主要讨论了,O(,正交,),是如何发挥作用的，下面主要讨论,FDM,常规,FDM,的系统图：,常规,FDM,，两路信号频谱之间有间隔，互相不干扰,802.11,展频技术,为了更好的利用系统带宽，子载波的间距可以尽量靠近些。,靠得很近的,FDM,，实际中考虑到硬件实现，解调第一路信号时，已经很难完全去除第二路信号的影响了两路信号互相之间可能已经产生干扰了,802.11,展频技术,当两个子载波继续靠近，靠近近到完全等同于奈奎斯特带宽时，频带的利用率就达到了理论上的最大值。,继续靠近，间隔频率互相正交，因此频谱虽然有重叠，但是仍然是没有互相干扰的。,802.11,展频技术,对限制在,0,2,内的,sin(t),信号，相当于无限长的,sin(t),信号乘以一个,0,2,的矩形脉冲，其频谱为两者频谱的卷积。,sin(t),的频谱为冲激，门信号的频谱为,sinc,信号（即,sin(x)/x,信号）。冲激信号卷积,sinc,信号，相当于对,sinc,信号的搬移。所以分析到这里，可以得出,OFDM,的时域波形其对应的频谱如下：,限定在,0,2,内的,asin(t),信号的频谱，即以,sin(t),为载波的调制信号的频谱,802.11,展频技术,sin(2t),的频谱分析基本相同。需要注意的是，由于正交区间为,0,2,，因此,sin(2t),在相同的时间内发送了两个完整波形。相同的门函数保证了两个函数的频谱形状相同，只是频谱被搬移的位置变了,：,限定在,0,2,内的,bsin(2t),信号的频谱，即以,sin(2t),为载波的调制信号的频谱,802.11,展频技术,将,sin(t),和,sin(2t),所传信号的频谱叠加在一起，如下：,asin(t)+bsin(2t),信号的频谱,可以看出,在,sin(t),频谱峰值处,sin(2t),的频谱功率为零,反之亦然,.,所以两个信号的频谱是正交的,.,依此类推,所有,sin(Xt),函数的频谱相互之间都是正交的,.(X,为整数,),802.11,展频技术,多个子载波相加后的时域波形：,802.11,展频技术,移动叠加后的波形一个时间长度,对不同子载波的相位改变是不同的,.,假如,A1,相位延迟为,/8,则,A2,的相位延迟为,/4 AK,的相位延迟则为,/8*k.,所以,Montecarlo,的项目中,我们不能简单的移动叠加波形使得所以子载波产生一个相同的,相移动,.,而是先使子载波做相同的相位平移,再合成叠加波形,.,OFDM,符号长度,OFDM,符号长度由两部分组成,:,保护间隔与,FFT,积分长度,.,FFT,积分长度为一个带有编码信号符号的长度,一般为,64,或,128.,保护间隔的意义,避免多径传输导致的符号间干扰,.,802.11,展频技术,保护间隔与循环前缀,802.11,展频技术,保护间隔与循环前缀,插入循环前缀后,当多径效应造成的延迟小于循环前缀长度时,.,可看到各个子载波在,FFT,积分时间内都是整数个,.FFT,积分是连续的,不会有子载波编码间的串扰,.,802.11,展频技术,保护间隔与循环前缀,多径效应对各个子载波产生相位影响,.,当以低频子载波的,180,相位出开始做该,FFT,积分时,在,FFT,积分区域内带有时延的高频子载波的个数为非整数个,形成了该子载波,FFT,积分的非连续性,.,多径效应产生的高频子载波的时延信号对低频子载波造成了干扰,.,802.11,展频技术,导频和训练符号,导频和训练符号的作用都是为了得到准确符号同步和频偏纠正,.,导频,导频是在一个固定的频率上一直发已知的信号，在频谱上看,多了一条线,是频域上的处理,.,20MHz,带宽调制导频为,BPSK,的调制方式,.,40MHz,带宽调制导频为,QPSK,的调制方式,.,训练符号,训练序列就是在发送的数据帧前面含有一部分已知道的码元,用于接受端的同步和信道估计,它是在时域上的处理,.,802.11,展频技术,导频和训练符号,20MHz,带宽数据帧中导频与数据的分布,.,08 uS:10,个相同的短时训练符,由,12,个子载波组成,.,用于信号检测,自动增益控制,符号定时,粗频率偏差,估算,.,816 uS:,一个长时训练符号,由两个,3.2 uS,的,OFDM,长度,两,个,0.8 uS,的保护间隔组成,.,用于精确的偏离偏差估算和信道估算,.,802.11,展频技术,导频和训练符号,20MHz,带宽数据帧中导频与数据的分布,.,1620 uS:SIGNAL,域,用于传递后续,DATA,的调制和编码率,.,已,经物理层的其他信息,.,20 uSend:DATA,域,传输数据信息,.,802.11,展频技术,导频和训练符号,20MHz,带宽数据帧共有,52,个子载波,其在各个域的分布,:,短时训练符号使用了,12,个子载波,长时训练符号使用了,52,个子载波,.,DATA,域使用,48,个子载波传输数据,4,个子载波做实时符号同步和频偏纠正,.,802.11,展频技术,导频和训练符号,802.11n,模式,带宽,20MHz,的数据帧总是以,8uS(40MHz sample rate,320,个点,),的短时训练符开头,.,抓到波形做解调算法前,必须保证波形是以短时训练符开头的,否则解调会出现问题,.,802.11,展频技术,导频和训练符号,802.11N 20MHz,带宽,waveform,解调出的星象图,.,导频的位置在白色圈中,2,点,调制方式为,BPSK,802.11,展频技术,导频和训练符号,802.11N 40MHz,带宽,waveform,解调出的星象图,.,导频的位置在白色圈中,4,点,调制方式为,QPSK,T,he END,