第三节：通信之WLAN（通信系统2）

       大家好，欢迎大家一起学习探讨通信之WLAN。上一节通信之WLAN(通信系统1)我们对数字通信系统模型有了一定了解，并对发送端的信源编码，加密，信道编码模块做了探讨学习。并成功将“欢迎一起探讨通信之WLAN”语音信号跟踪到调制发送。调制方式关乎到WLAN通信系统的传输速率，为了后续课程更好理解WLAN协议标准速率的提升，本节主要对PSK，QPSK，OFDM，QAM四种调制方式进行探讨学习。

 

 

    好，先探讨下数字调制技术现状，数字调制技术有两种方法：

• 将数字信号当作模拟信号特殊处理，即利用模拟调制方式处理。
• 利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，实现数字调制。

    最常见的模拟调制方式为利用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。我们简单看下幅度调制信号，m(t)为信号，其频谱为M(w)，coswct调制载波，S(t)为已调制信号，A为幅度。

时域表达式：S(t) = Am(t)*coswct

频域表达式：S(w) = A/2[M(w+wc) + M(w-wc)]

注：时域到频域的转换，利用的是三角函数的积化和差公式。

    从上公式可看到已调制信号的幅度随模拟信号的规律而正比的变化，在频谱上完全是模拟信号频谱在频域内的简单搬移。公式看起来比较抽象，我们通过如下图形展示模拟调制的用意。从下图 1可知，模拟调制在频域分析，只是将原信号在频域中进行搬移。

 

                                                                                                       图 1

    我们重点探讨学习开关键控载波调制方式，这个目前在数字通信系统中应用最为广泛。PSK(Phase-Shift Keying)相移键控，通过以上关于调制的介绍，从字面上我们也可以猜测到其用意。相移键控实现原理是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。

    好，我们先探讨二进制相移键控(简称:2PSK)的实现。2PSK通常利用0度和180度分别表示二进制的“0”和“1”。

时域表达式：m(t) = Acos(wt + p)

    其中p发送0时为0度，发送1时为180度。探讨这么多信息，现回归到我们的实例。我们已获得“欢迎一起探讨通信之WLAN”语音信号的数字信号0/1串“10 11 11 01 01 10 11 11 10”。  假设没有加加密和信道编码，直接进入调制。在2PSK调制方式下，最终获得的调制信号波形如图2。具体实现如图3。

                                                                                                       图 2

                                                                                                       图 3    

    基于PSK调制原理及实现，我们很容易发现，每个码元只传输1b信息，频带利用率不高。但现实中，频率资源极其紧缺。所以，为了提高频带利用率，最常见的方式使一个码元传输多个比特信息。接下来我们继续探讨QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)。

    QPSK为4进制的相移键控，常称为正交相移键控。实现原理和PSK极其相似，只是使每个码元含有2b的信息。发送码元序列编码时将其每两个比特分成一个双比特组，相对实现原理比较简单。

    通过对PSK和QPSK了解，其调制方式肯定是无法满足现代数字通信系统。基于数字信号处理和集成电路技术的发展，人们对调制技术也做了很大改进，提出并实现了多种新的调制解调机制。下来我们就继续探讨现数字通信系统常用的一种调制技术“正交振幅调制”(Quadrature Amplitude Modulation)简称QAM。该调制技术在WLAN通信系统中应用很广泛。

    QAM是一种振幅和相位联合键控。同上，先看在QAM中信号表达式：Sn(t) = AnCos(W0t + Pn) [kT < t <= (k + 1)T]

    从公式可知，若Pn仅取90度，-90度，An仅取+A和-A。则QAM信号就成为QPSK信号。

    基于三角函数，我们对上公式进行转换可得：

         Sn(t) = AnCosPnCosW0t - AnSinPnSinW0t

    令:

         Xn = AnCosPn     Yn = -AnSinPn

    则：

        Sn(t) = XnCosW0t + YnSinW0t

    该公式可用矢量图进行表示，我们看下16QAM的矢量图，通常称作星图。

    从上图可知，每个码元可以传输4b信息，因此QAM有效的提高了频带的利用率。

    

    通信系统中，基本都采用正弦波作为载波，若信道不理想，加之多经衰落，严重影响通信系统传输的可靠性。为了解决该问题，常采用多个载波，将信道分成多个子信道，将基带码元均匀分散地对每个子信道的载波调制。正交频分复用(OFDM)即利用该调制机制实现。OFDM调制的主要特点：

• 提高频率利用率和增大传输速率，各子信道的已调信号频谱可有部分重叠。

• 各子信道已调信号是严格正交。

• 各子信道的调制是多进制调制。

• 各子信道调制方式可以不同，根据各子信道特性不同，选择不同的调制方式，如可将16QAM和256QAM用于不同子信道。

 

OFDM的缺点主要有以下：

• 对信道产生的频率偏移和相位噪声很敏感。（这就是WLAN需要做信道频偏校准的原因之一）

• 信号峰值功率和平均功率的比值较大，将会降低射频功率放大器的效率。

    

    通过利用基于QAM的正交频分复用调制方式，有效的提供了频带利用率，并通过多子信道抑制多经衰落问题，提高通信系统传输的可靠性。

 

    本节我们探讨了通信系统的PSK，QPSK，OFDM，QAM四种调制方式，大概了解其如何通过调制提高频带利用率，从而提高传输速率。我们了解“欢迎一起探讨通信之WLAN”语音信号的数字信号0/1串“10 11 11 01 01 10 11 11 10”，在WLAN通信系统中，发送端经过调制技术，通过RF发送出去。关于通信系统的相关知识我们就探讨到此，后续关于WLAN接收端相关知识，工作中常涉及接收灵敏度，我们将在功率部分探讨。下节我们将介绍WLAN协议标准。第三节探讨就到此，后续期待共同继续探讨学习。

 

注：

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