移動(dòng)通信數(shù)字調(diào)制技術(shù)

1、移動(dòng)通信中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)IS-95 CDMA系統(tǒng)中的QPSK調(diào)制技術(shù)摘 要： 在移動(dòng)通信中，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、有效便捷的傳輸，常采用一種技術(shù)調(diào)制。蜂窩移動(dòng)通信中采用了眾多的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，在不同的蜂窩半徑和應(yīng)用環(huán)境下，移動(dòng)信道將呈現(xiàn)不同的衰落特性。 作為IS-95 CDMA系統(tǒng)使用的QPSK調(diào)制技術(shù)，它具有較高的頻譜利用率、較強(qiáng)的抗干擾性、在電路上實(shí)現(xiàn)也較為簡單。關(guān)鍵詞：調(diào)制；蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)；線性調(diào)制；QPSK調(diào)制1 引言1.1調(diào)制的概念 將待傳送的基帶信號加到高頻載波上進(jìn)行傳輸?shù)倪^程。其簡單模型可以表示為：圖1：調(diào)制模型1.2調(diào)制的作用 提高傳輸性能。低頻信號如話音，直接傳輸時(shí)損耗比

2、較大，不適宜長距離傳輸，通過調(diào)制能有效的解決傳輸問題。容易輻射。對于一些無線通信往往要求天線的尺寸和發(fā)射信號的波長在同一數(shù)量級，天線的長度為1/4波長，如果將基帶信號直接通過天線發(fā)射，那么天線的長度將是幾十至幾百公里的數(shù)量級，這是不現(xiàn)實(shí)的。實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。調(diào)制技術(shù)反映到頻域上就是頻帶的搬移，通過調(diào)制將基帶信號搬移到合適的位置，那么在一個(gè)較寬的信道中就可以同時(shí)傳輸多路信號，習(xí)慣上稱為FDM。提高系統(tǒng)的性能。例如抗干擾能力，不同的調(diào)制方式具有不同的抗噪聲能力，F(xiàn)M對信噪比的改善就比較大。1.3調(diào)制的分類 調(diào)制是基帶信號加到載波上的過程，而基帶信號m(t)可以是模擬信號也可以是數(shù)字信號，而載波c(t)

3、可以是連續(xù)波（通常稱為正弦波），也可以是脈沖波形。當(dāng)c(t)為正弦波時(shí)，m(t)可以改變其幅度、頻率或相位中的某一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)。這樣組合起來就會(huì)形成多種調(diào)制方式。現(xiàn)歸納如下：圖2：調(diào)制類型2 蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)圖3：蜂窩移動(dòng)通信中的調(diào)制技術(shù)2.1移動(dòng)通信對數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求 2.1.1數(shù)字調(diào)制的性能指標(biāo)數(shù)字調(diào)制的性能指標(biāo)通常通過功率有效性（Power Efficiency）和帶寬有效性(Spectral Efficiency)來反映。功率有效性 功率有效性是反映調(diào)制技術(shù)在低功率電平情況下保證系統(tǒng)誤碼性能的能力, 可表述成每比特的信號能量與噪聲功率譜密度之比： （1）帶寬有效性 帶寬有

4、效性是反映調(diào)制技術(shù)在一定的頻帶內(nèi)數(shù)字有效性的能力, 可表述成在給定帶寬條件下每赫茲的數(shù)據(jù)通過率： （2）在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要在帶功率有效性和寬有效性之間折中。2.1.2移動(dòng)信道的基本特征帶寬有限。它取決于可使用的頻率資源和信道的傳播特性。就頻率資源而言，隨著日益增加的用戶數(shù)目，要求系統(tǒng)有比較高的頻譜效率； 受干擾和噪聲影響大。這主要由移動(dòng)通信所處的電磁環(huán)境決定； 存在著多徑衰落，多普勒頻率擴(kuò)展。所有這些因素對調(diào)制方式的選擇都有重大的影響。2.1.3不同信道條件下調(diào)制技術(shù)的選擇在不同的蜂窩半徑和應(yīng)用環(huán)境下，移動(dòng)信道將呈現(xiàn)不同的衰落特性。 對于半徑較大的宏蜂窩小區(qū)，由于信道條件差，GMSK、

5、QPSK系列等是較適合的調(diào)制解調(diào)方式。對于半徑較小的微蜂窩小區(qū)或微微小區(qū)，由于存在很強(qiáng)的直射波，信道條件較好，頻譜利用率較高的QAM及其變形就成為合適的調(diào)制解調(diào)方式，越來越引起人們的重視。對于復(fù)雜多變的移動(dòng)信道，具有更強(qiáng)適應(yīng)能力的可變速率調(diào)制和多載波調(diào)制，在個(gè)人通信中已引起人們的研究興趣。2.1.4可變速率調(diào)制根據(jù)移動(dòng)信道隨機(jī)變化的情況自適應(yīng)地改變無線傳輸速率：信道條件好時(shí)，用較高速率，信道條件差時(shí)，降低傳輸速率。這種調(diào)制方法可以在頻譜效率和系統(tǒng)誤碼性能兩個(gè)方面都達(dá)到令人滿意的程度。可變速率QAM調(diào)制，它保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)拇a元速率不變，即波特率不變，但根據(jù)信道條件的好壞，增加或減少每碼元的電平數(shù)目

6、。這等效于改變比特傳輸速率。2.1.5多載波調(diào)制（MCM）多載波調(diào)制的原理是將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流分解成若干個(gè)比特流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流具有低得多得傳輸比特速率，并且用這些數(shù)據(jù)流去并行調(diào)制若干個(gè)載波。多載波調(diào)制的主要優(yōu)點(diǎn)是具有抗無線信道時(shí)間彌散的特性。多載波調(diào)制可通過多種技術(shù)途徑來實(shí)現(xiàn)。包括： 多音實(shí)現(xiàn)、 正交頻分復(fù)用（OFDM）、 MC-CDMA、 編碼MCM。2.1.6蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)對數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求為了在衰落條件下獲得所要求的誤碼率(BER)，需要好的載噪比(C/N)和載干比 (C/I)性能。所用的調(diào)制技術(shù)必須在規(guī)定頻帶約束內(nèi)提供高的傳輸速率(以(b/s)/Hz為單位)。應(yīng)使用高效率的功率放大

7、器，而帶外輻射又必須降低到所需要求(6070dB)。恒定包絡(luò)。低的載波與同道干擾(CCI)的功率比。必須滿足快速的比特再同步要求。成本低，易于實(shí)現(xiàn)。2.2目前數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù) 2.2.1恒定包絡(luò)調(diào)制方式恒定包絡(luò)調(diào)制方式主要有MSK、TFM(平滑調(diào)頻)、GMSK等，其中以GMSK為典型代表。其主要特點(diǎn)是這種已調(diào)信號具有包絡(luò)幅度不變的特性，其發(fā)射功率放大器可以在非線性狀態(tài)而不引起嚴(yán)重的頻譜擴(kuò)散；此外，這一類調(diào)制方式可用于非同步檢測。這種調(diào)制方式的缺點(diǎn)是頻帶利用率較低，一般不超過1(bit/s)/Hz。2.2.2線性調(diào)制方式線性調(diào)制方式主要有各種進(jìn)制的PSK和QAM等，其中以QPSK為典型

8、代表。這一類調(diào)制方式的頻帶利用率般都大于1(bit/s)/Hz，而且隨著調(diào)制電平數(shù)的增加而增加。線性調(diào)制方式又可分為頻譜高效和功率高效兩種，理論上可以得到大于 2(bit/s)/Hz頻帶利用率的調(diào)制方式為頻譜高效，如8PSK、16QAM、256QAM等。頻譜高效調(diào)制方式是通過增加電平數(shù)來獲得較高的頻帶利用率的，因此為得到同樣的誤碼率，就需要較高的信噪比。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于存在著嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象和采用非線性同步檢測，故所需要的信噪比較高。況且系統(tǒng)所能提供的能量又受到限制，所以頻譜高效調(diào)制方式目前還不能用于移動(dòng)通信系統(tǒng)中。功率高效調(diào)制為欲獲得103誤碼率僅需14dB信噪比的調(diào)制方式，如BPSK和

9、QPSK等。功率高效調(diào)制方式可達(dá)到的最高頻帶利用率為2(bit/s)/Hz。國際上，1986年以前由于線性高功放尚未取得突破性的進(jìn)展，數(shù)字調(diào)制都集中在研究連續(xù)相位調(diào)制，特別是MSK和GMSK很受歡迎。1986年以后，由于實(shí)用化的線性高功放已取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并走向商業(yè)化，人們才開始將目光轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)技術(shù)簡單的QPSK系列。 3 IS-95 CDMA系統(tǒng)分別使用的調(diào)制技術(shù)3.1 QPSK調(diào)制技術(shù)3.1.1QPSKQPSK為四相相移鍵控（正交相移鍵控），而相移鍵控指用二進(jìn)制基帶信號去控制正弦載波的相位變化。一個(gè)比特有兩種狀態(tài)：“0”和“1”，所以最簡單的相移鍵控技術(shù)就是BPSK ，而QPSK是由2個(gè)

10、比特組成一個(gè)雙比特碼去控制載波的相位狀態(tài)，這樣共有4種相位狀態(tài)。在QPSK的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了OQPSK和DQPSK，OQPSK是在正交支路引入了一個(gè)比特（半個(gè)碼元）的時(shí)延，這使得兩個(gè)支路的數(shù)據(jù)不會(huì)同時(shí)發(fā)生變化，因而不可能產(chǎn)生像QPSK那樣±的相位跳變，而僅產(chǎn)生±/2的相位跳變，因此，頻譜旁瓣要低于QPSK信號的旁 瓣。DQPSK的相位跳變介于QPSK和OQPSK之間，為3/2 ，是前兩種調(diào)制方法的折中，一方面它保持了信號包絡(luò)基本不變特性，降低了對射頻器件的工藝要求；另一方面，它可以采用非相關(guān)檢測，從而大大簡化了接收機(jī)的結(jié)構(gòu)。BPSKQPSK OQPSKDQPSK。四相相移鍵控

11、調(diào)制是二相的推廣，是利用載波的四種不同相位來表征輸入的數(shù)字信息，由于四種相位可代表四種數(shù)字信息，因此對輸入的二進(jìn)制序列應(yīng)先進(jìn)行分組，將每兩個(gè)信息數(shù)字編為一組，然后根據(jù)其組合情況用四種不同載波相位去表征它們，即每一種載波相位代表兩個(gè)比特信息，因此稱為雙比特碼元。雙比特碼元與載波相位可有兩種對應(yīng)關(guān)系，分別是方式/4和/2 。雙比特碼元與載波相位的對應(yīng)關(guān)系 ：圖4：雙比特碼元與載波相位對應(yīng)關(guān)系QPSK信號可寫成(/2方式)： （3）Ts是符號間隙,等于兩個(gè)比特周期,上式可進(jìn)一步寫成： （4）四相相移(QPSK)生成QPSK頻帶利用率比BPSK系統(tǒng)提高了一倍。而載波相位共有四個(gè)可能的取值，對應(yīng)于四個(gè)已

12、調(diào)信號的矢量圖。QPSK信號也可看成是載波相互正交的兩個(gè)BPSK信號之和。圖5：四相相移生成調(diào)相法產(chǎn)生QPSK信號圖6：調(diào)相法產(chǎn)生QPSK信號由于四相移相信號可以看作是兩個(gè)正交2PSK信號的合成，因此可以采用與2PSK信號類似的解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào),采用兩個(gè)正交的相干載波分別檢測兩個(gè)分量A和B。圖7：解調(diào)3.1.2OQPSK（交錯(cuò)四相相移鍵控調(diào)制）QPSK由于兩個(gè)信道上的數(shù)據(jù)沿對齊，所以在碼元轉(zhuǎn)換點(diǎn)上,當(dāng)兩個(gè)信道上只有一路數(shù)據(jù)改變極性時(shí)，QPSK信號的相位，將發(fā)生90突變；當(dāng)兩個(gè)信道上數(shù)據(jù)同時(shí)改變極性時(shí)，QPSK信號的相位將發(fā)生180突變。圖8：相移鍵控調(diào)制OQPSK信號產(chǎn)生時(shí)，是將輸入數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)

13、分路器分成奇偶兩路。并使其在時(shí)間上相互錯(cuò)開一個(gè)碼元間隔，然后再對兩個(gè)正交的載波進(jìn)行BPSK調(diào)制，疊加成為OQPSK信號，調(diào)制框圖如左圖所示。圖9：調(diào)制框圖 （5）當(dāng)anan-1=+1+1時(shí) （6）an=“+1”或“-1”,令n=2k+1, （7）I信道和Q信道的兩個(gè)數(shù)據(jù)流，每次只有其中一個(gè)可能發(fā)生極性轉(zhuǎn)換。輸出的OQPSK信號的相位只有 跳變,而沒有 的相位跳變,同時(shí)經(jīng)濾波及硬限幅后的功率譜旁瓣較小，這是OQPSK信號在實(shí)際信道中的頻譜特性優(yōu)于QPSK信號的主要原因。圖10：信道數(shù)據(jù)流QPSK和OQPSK信號的星象圖圖11：星象圖OQPSK(交錯(cuò)OFFSET QPSK) 特點(diǎn)I，Q支路在時(shí)間上

14、錯(cuò)開一個(gè)比特周期Tb時(shí)間,這樣,就避免了兩支路碼元轉(zhuǎn)換同時(shí)發(fā)生,不會(huì)產(chǎn)生180度相位突變。OQPSK最大相位突變?yōu)?0度，所以頻譜擴(kuò)展比QPSK好，誤碼率相同，但是OQPSK不能使用差分檢測。QPSK和OQPSK的比較，僅產(chǎn)生±/2的相位跳變，因此OQPSK的頻譜旁瓣要低于QPSK信號的旁瓣，OQPSK信號對鄰道的輻射要小,抗干擾能力強(qiáng)，但傳輸速率低。由于OQPSK在Q支路上加入了一個(gè)比特的時(shí)延，使得兩個(gè)支路的數(shù)據(jù)不會(huì)同時(shí)發(fā)生變化，因而OQPSK不可能像QPSK那樣產(chǎn)生± p的相位跳變應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意：四相移相信號解調(diào)時(shí)，相干載波的相位會(huì)出現(xiàn)不確定性，從而導(dǎo)致解調(diào)輸出的信號也存在不確定性,因此在實(shí)際通信中使用的一般都是四相相對移相調(diào)制（QDPSK）。在移動(dòng)通信中，由于接收信號的衰落和時(shí)變特性，相干解調(diào)性能變差，而差分檢測不需要載波恢復(fù)，能實(shí)現(xiàn)快速同步，獲得好的誤碼性能，因此差分解調(diào)在窄帶TDMA和數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中用得多。結(jié)論通過本次移動(dòng)通信課程設(shè)計(jì)，讓我在除了課本的知識之外的知識有了更好的理解，對QPSK調(diào)制解調(diào)的工作原理有了更好的理解，在設(shè)計(jì)之前，收集了很多的材料，但當(dāng)真正深入設(shè)計(jì)時(shí)，卻也遇到了諸多