現(xiàn)代移動(dòng)通信 蔡躍明 第三版思考題與習(xí)題參考答案 chapter_4

第四章 思考題與習(xí)題1. 移動(dòng)通信對(duì)調(diào)制技術(shù)的要求有哪些？在移動(dòng)通信中，由于信號(hào)傳播的條件惡劣和快衰落的影響，接收信號(hào)的幅度會(huì)發(fā)生急劇的變化。因此，在移動(dòng)通信中必須采用一些抗干擾性能強(qiáng)、誤碼性能好、頻譜利用率高的調(diào)制技術(shù)，盡可能地提高單位頻帶內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的比特速率以適用于移動(dòng)通信的要求。具體要求：抗干擾性能要強(qiáng)，如采用恒包絡(luò)角調(diào)制方式以抗嚴(yán)重的多徑衰落影響；要盡可能地提高頻譜利用率；占用頻帶要窄，帶外輻射要小；在占用頻帶寬的情況下，單位頻譜所容納的用戶數(shù)要盡可能多；同頻復(fù)用的距離?。痪哂辛己玫恼`碼性能；能提供較高的傳輸速率，使用方便，成本低。2. 已調(diào)信號(hào)的帶寬是如何定義的？信號(hào)帶寬的定義通常都是基于信號(hào)功率譜密度(PSD)的某種度量，對(duì)于已調(diào)（帶通）信號(hào)，它的功率譜密度與基帶信號(hào)的功率譜密度有關(guān)。假設(shè)一個(gè)基帶信號(hào)： 其中的是基帶信號(hào)，設(shè)的功率譜密度為，則帶通信號(hào)的功率譜密度如下： 信號(hào)的絕對(duì)帶寬定義為信號(hào)的非零值功率譜在頻率上占據(jù)的范圍；最為簡(jiǎn)單和廣泛使用的帶寬度量是零點(diǎn)-零點(diǎn)帶寬；半功率帶寬定義為功率譜密度下降到一半時(shí)或者比峰值低3dB時(shí)的頻率范圍；聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)采納的定義為占用頻帶內(nèi)有信號(hào)功率的99%。3. QPSK、OQPSK的星座圖和相位轉(zhuǎn)移圖有何差異？如圖所示IQ(+1, +1)(-1, +1)(-1, -1)(+1, -1)QPSK相位星座圖 OPSK相位星座圖QPSK信號(hào)的相位有900突變和1800突變。OQPSK信號(hào)的相位只有900跳變，而沒有1800的相位跳變。4. QPSK和OQPSK的最大相位變化量分別為多少？各自有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？OPSK的最大相位變化量為1800，OPSK最大相位變化量為900。發(fā)送QPSK信號(hào)時(shí)常常經(jīng)過帶通濾波，帶限后的QPSK已不能保持恒包絡(luò)，相鄰符號(hào)之間發(fā)生1800相移時(shí)，經(jīng)帶限后會(huì)出現(xiàn)包絡(luò)過零的現(xiàn)象。反映在頻譜方面，出現(xiàn)旁瓣和頻譜加寬現(xiàn)象。OQPSK因?yàn)闆]有的1800相位跳變，相對(duì)于QPSK出現(xiàn)的旁瓣較小。但是，OQPSK信號(hào)不能接受差分檢測(cè),這是因?yàn)镺QPSK在差分檢測(cè)中會(huì)引入碼間干擾。5. 簡(jiǎn)述MSK調(diào)制和FSK調(diào)制的區(qū)別與聯(lián)系。最小頻移鍵控(MSK)是一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控(CPFSK)。事實(shí)上MSK是2FSK的一種特殊情況，它是調(diào)制系數(shù)為0.5的連續(xù)相位的FSK。它具有正交信號(hào)的最小頻差，在相鄰符號(hào)的交界處保持連續(xù)。6. 設(shè)輸入數(shù)據(jù)為16kbps，載頻為32kHz，若輸入序列為0010100011100110，試畫出MSK信號(hào)的波形，并計(jì)算其空號(hào)和傳號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率?？仗?hào)對(duì)應(yīng)頻率為= 5.7133×104 傳號(hào)對(duì)應(yīng)頻率為= 6.8673×103 7. 設(shè)輸入序列為00110010101111000001，試畫出GMSK在=0.2時(shí)的相位軌跡，并與MSK的相位軌跡進(jìn)行比較。圖中，實(shí)線為MSK的相位軌跡，虛線為GMSK的相位軌跡，很顯然，MSK的相位路徑在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻有相位轉(zhuǎn)折點(diǎn)；而GMSK通過引入可控的碼間串?dāng)_，平滑了相位路徑。8. GMSK與MSK信號(hào)相比，其頻譜特性得以改善的原因是什么？MSK信號(hào)可由FM調(diào)制器產(chǎn)生，由于輸入二進(jìn)制非歸零脈沖序列具有較寬的頻譜，從而導(dǎo)致已調(diào)信號(hào)的帶外衰減慢。GMSK信號(hào)首先將輸入的信息比特流經(jīng)過高斯低通濾波以后再送入FM調(diào)制，經(jīng)過高斯濾波改善已調(diào)信號(hào)的帶外特性，使其衰減速度加快。GMSK通過高斯濾波引入可控的碼間干擾（即部分響應(yīng)波形）來達(dá)到平滑相位路徑的目的，它消除了MSK相位路徑在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位轉(zhuǎn)折點(diǎn)。9. 已知GSM系統(tǒng)SNR10dB，試求其帶寬有效性。題目改為在GMSK調(diào)制方式下=0.25，SNR=10dB,試求其帶寬有效性SNR=10dB,得到=10，其信號(hào)功率占用百分比為90%。查表得到=0.57，那么帶寬有效性=1.75 bit/Hz10. 在正交振幅調(diào)制中，應(yīng)按什么樣的準(zhǔn)則來設(shè)計(jì)信號(hào)結(jié)構(gòu)？對(duì)于QAM調(diào)制而言，如何設(shè)計(jì)QAM信號(hào)的結(jié)構(gòu)不僅影響到已調(diào)信號(hào)的功率譜特性，而且影響已調(diào)信號(hào)的解調(diào)及其性能。常用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在信號(hào)功率相同的條件下，選擇信號(hào)空間中信號(hào)點(diǎn)之間距離最大的信號(hào)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然還要考慮解調(diào)的復(fù)雜性。11. 方型QAM星座與星型QAM星座有何異同？星型QAM星座的振幅環(huán)要比同等進(jìn)制的方型QAM星座要少，相位種數(shù)也比方型少，改善了性能。有利于接收端的自動(dòng)增益控制和載波相位跟蹤。12. 擴(kuò)頻調(diào)制有哪些特點(diǎn)？擴(kuò)頻調(diào)制有哪幾類？分別是什么？擴(kuò)頻調(diào)制系統(tǒng)具有許多優(yōu)良的特性，系統(tǒng)的抗干擾性能非常好，特別適合于在無線移動(dòng)環(huán)境中應(yīng)用。擴(kuò)頻系統(tǒng)有以下一些特點(diǎn)： 具有選擇地址（用戶）的能力。 信號(hào)的功率譜密度較低，所以信號(hào)具有較好的隱蔽性并且功率污染較小。 比較容易進(jìn)行數(shù)字加密，防止竊聽。 在共用信道中能實(shí)現(xiàn)碼分多址復(fù)用。 有很強(qiáng)的抗干擾性，可以在較低的信噪比條件下保證系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。 抗衰落的能力強(qiáng)。 多用戶共享相同的信道，無須進(jìn)行頻率規(guī)劃。目前，最基本的展寬頻譜的方法有兩種： 直接序列調(diào)制，簡(jiǎn)稱直接擴(kuò)頻(DS)，這種方法采用比特率非常高的數(shù)字編碼的隨機(jī)序列去調(diào)制載波，使信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于原始信號(hào)帶寬； 頻率跳變調(diào)制，簡(jiǎn)稱跳頻(FH)，這種方法則是用較低速率編碼序列的指令去控制載波的中心頻率，使其離散地在一個(gè)給定頻帶內(nèi)跳變，形成一個(gè)寬帶的離散頻率譜。對(duì)于上述基本調(diào)制方法還可以進(jìn)行不同的組合，形成各種混合系統(tǒng)，比如跳頻/直擴(kuò)系統(tǒng)等。13. PN序列有哪些特征使得它具有類似噪聲的性質(zhì)？雖然PN序列是確定的，但是具有很多類似隨機(jī)二進(jìn)制序列的性質(zhì)，例如0和1的數(shù)目大致相同，將序列平移后和原序列的相關(guān)性很小，任意兩個(gè)序列的互相關(guān)函數(shù)很小等。14. 簡(jiǎn)要說明直接序列擴(kuò)頻和解擴(kuò)的原理。直接序列擴(kuò)頻的實(shí)質(zhì)是用一組編碼序列調(diào)制載波，其調(diào)制過程可以簡(jiǎn)化為將信號(hào)通過速率很高的偽隨機(jī)序列進(jìn)行調(diào)制將其頻譜展寬，再進(jìn)行射頻調(diào)制（通常多采用PSK調(diào)制），其輸出就是擴(kuò)展頻譜的射頻信號(hào)，最后經(jīng)天線輻射出去。而在接收端，射頻信號(hào)經(jīng)過混頻后變?yōu)橹蓄l信號(hào)，將它與發(fā)送端相同的本地編碼序列反擴(kuò)展，使得寬帶信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，這個(gè)過程就是解擴(kuò)。解擴(kuò)后的中頻窄帶信號(hào)經(jīng)普通信息解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)成原始的信碼。15. 簡(jiǎn)要說明跳頻擴(kuò)頻和解擴(kuò)的原理。跳頻擴(kuò)頻技術(shù)通過看似隨機(jī)的載波跳頻達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)的目的，而這只有相應(yīng)的接收機(jī)知道。跳頻系統(tǒng)用信源數(shù)據(jù)去調(diào)制頻率合成器產(chǎn)生的載頻，得到射頻信號(hào)。頻率合成器產(chǎn)生的載頻受偽隨機(jī)碼的控制，按一定規(guī)律跳變。在接收端，接收到的信號(hào)與干擾經(jīng)寬帶濾波送至混頻器。接收機(jī)的本振信號(hào)也是一頻率跳變信號(hào)，跳變規(guī)律是相同的，兩個(gè)合成器產(chǎn)生的頻率相對(duì)應(yīng)，但對(duì)應(yīng)的頻率有一頻差fI，正好為接收機(jī)的中頻。只要收發(fā)雙方的偽隨機(jī)碼同步，就可以使收發(fā)雙方的跳頻源頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率同步，經(jīng)混頻后，就可得到一不變的中頻信號(hào)，然后對(duì)此中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，就可恢復(fù)出發(fā)送的信息。16. 比較分析直接序列擴(kuò)頻和跳頻的優(yōu)缺點(diǎn)。(1) 抗強(qiáng)固頻干擾。兩種系統(tǒng)抗干擾的機(jī)理不同，直擴(kuò)系統(tǒng)靠偽隨機(jī)碼的相關(guān)處理，降低進(jìn)入解調(diào)器的干擾功率來達(dá)到抗干擾的目的；而跳頻系統(tǒng)是靠載頻的隨機(jī)跳變，將干擾排斥在接收通道之外達(dá)到抗干擾目的。因此，跳頻系統(tǒng)抗強(qiáng)固頻干擾能力優(yōu)于直擴(kuò)系統(tǒng)。(2)抗衰落特別是抗選擇性衰落直擴(kuò)優(yōu)于跳頻。直擴(kuò)系統(tǒng)的射頻帶寬很寬，小部分頻譜衰落不會(huì)使信號(hào)嚴(yán)重畸變，而跳頻系統(tǒng)將導(dǎo)致部分頻率受到影響。(3)抗多徑。由于直擴(kuò)系統(tǒng)要用偽隨機(jī)碼的相關(guān)接收，只要多徑時(shí)延大于一個(gè)偽隨機(jī)碼的切普寬度，這種多徑不會(huì)對(duì)直擴(kuò)形成干擾，甚至可以利用多徑分量。而跳頻抗多徑的惟一辦法是提高跳頻速率，而實(shí)現(xiàn)高速跳頻速率是較困難的。(4)“遠(yuǎn)近”效應(yīng)?！斑h(yuǎn)近”效應(yīng)對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)影響很大，而對(duì)于跳頻系統(tǒng)的影響就小得多。這是因?yàn)榻邮諜C(jī)由于距離關(guān)系，干擾信號(hào)可能比有用信號(hào)要強(qiáng)得多，如果超過干擾容限就會(huì)干擾接收機(jī)正常工作。而跳頻采用躲避的方法，不在同一頻率，接收機(jī)前端對(duì)干擾的衰減很大。(5)同步。由于直擴(kuò)系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼速率比跳頻的偽隨機(jī)碼速率高地多，而且碼也長(zhǎng)得多，因此直擴(kuò)系統(tǒng)的同步精度要求高，同步時(shí)間長(zhǎng)，入網(wǎng)慢。而跳頻則快得多。17. 為什么擴(kuò)頻信號(hào)能夠有效地抑制窄帶干擾？擴(kuò)頻系統(tǒng)通過相關(guān)接收，將干擾功率擴(kuò)展到很寬的頻帶上去，使進(jìn)入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，提高了解調(diào)器輸入端的信干比，從而提高系統(tǒng)的抗干擾性能。18. 多載波調(diào)制的基本原理是什么？多載波調(diào)制的基本原理是：它將高速率的信息數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并變換，分割為若干路低速數(shù)據(jù)流，然后每路低速數(shù)據(jù)流采用一個(gè)獨(dú)立的載波調(diào)制并迭加在一起構(gòu)成發(fā)送信號(hào)。在接收端用同樣數(shù)量的載波對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相干接收，獲得低速率信息數(shù)據(jù)后，再通過并/串變換得到原來的高速信號(hào)。19. 為什么需要采用自適應(yīng)編碼調(diào)制？實(shí)際的無線信道具有兩大特點(diǎn)：時(shí)變特性和衰落特性。因此，無線信道的信道容量也是一個(gè)時(shí)變的隨機(jī)變量，要最大限度地利用信道容量，只有使發(fā)送速率也是一個(gè)隨信道容量變化的量，也就是使編碼調(diào)制方式具有自適應(yīng)特性。自適應(yīng)調(diào)制和編碼（AMC）根據(jù)信道的情況確定當(dāng)前信道的容量，根據(jù)容量確定合適的編碼調(diào)制方式等，以便最大限度地發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)比較高的傳輸速率。