第六講移動通信數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)

第6講移動通信數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)本章提示調(diào)制在通信系統(tǒng)中占有十分重要的地位。只有經(jīng)過調(diào)制才能將基帶信號轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號，而且它對系統(tǒng)的傳輸有效性和可靠性都有很大的影響。本章提示數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制本質(zhì)上并無什么不同，它們同屬正弦載波調(diào)制。但是數(shù)字調(diào)制的調(diào)制信號為數(shù)字型正弦調(diào)制，模擬調(diào)制的調(diào)制信號為連續(xù)性正弦調(diào)制。模擬信號傳輸?shù)馁|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是信噪比（S/N），數(shù)字信號傳輸?shù)馁|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是誤碼率（Pe）。本章提示第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)采用模擬調(diào)頻（FM）傳輸模擬語音，其信令系統(tǒng)采用2FSK數(shù)字調(diào)制。第二代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)傳送的語音都是經(jīng)過語音編碼和信道編碼后的數(shù)字信號。GSM系統(tǒng)采用GMSK調(diào)制；IS-54系統(tǒng)和PDC系統(tǒng)采用/4DQPSK調(diào)制；IS-95CDMA系統(tǒng)的下行信道采用QPSK調(diào)制，其上行信道采用OQPSK調(diào)制。第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)將采用MQAM、QPSK或8PSK調(diào)制。本章提示由于帶寬資源受限，目前所有調(diào)制技術(shù)的主要設(shè)計思路就是最小化傳輸帶寬。相反，擴頻技術(shù)使用的傳輸帶寬比要求的最小信號帶寬大幾個數(shù)量級。在多用戶系統(tǒng)中，事實證明在多址干擾（MAI）環(huán)境，擴頻系統(tǒng)能獲得很高的頻譜利用率。移動通信數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)1數(shù)字調(diào)制技術(shù)概述2線性數(shù)字調(diào)制技術(shù)3恒包絡(luò)調(diào)制4“線性”和“恒包絡(luò)”相結(jié)合的調(diào)制技術(shù)數(shù)字調(diào)制技術(shù)概述1.1概述1.2數(shù)字調(diào)制的性能指標(biāo)1.3蜂窩移動通信系統(tǒng)對數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求1.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)分類1.5調(diào)幅與調(diào)頻概述第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)。超大規(guī)模集成電路（VLSI）和數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展使數(shù)字調(diào)制比模擬調(diào)制的傳輸系統(tǒng)更有效。概述新的多用途可編程數(shù)字信號處理器使得數(shù)字調(diào)制器和解調(diào)器完全用軟件來實現(xiàn)成為可能。嵌入式軟件實現(xiàn)方法可以在不重新設(shè)計和替換調(diào)制解調(diào)器的情況下改變和提高性能。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p（PowerEfficiency）和帶寬有效性B（SpectralEfficiency）來反映。功率有效性p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：數(shù)字調(diào)調(diào)制的的性能能指標(biāo)標(biāo)帶寬有有效性性B是反映映調(diào)制制技術(shù)術(shù)在一一定的的頻帶帶內(nèi)數(shù)數(shù)字有有效性性的能能力，，可表表述成成在給給定帶帶寬條條件下下每赫赫茲的的數(shù)據(jù)據(jù)通過過率：：式中，，R為數(shù)據(jù)據(jù)速率率（bit/s），，B為調(diào)制制射頻頻RF信號號占用用帶寬寬。數(shù)字調(diào)調(diào)制的的性能能指標(biāo)標(biāo)由香農(nóng)農(nóng)（Shannon）定定理：：式中，，C為信道道容量量；B為RF帶寬寬；S/N為信噪噪比；；lb=loga，a=2。數(shù)字調(diào)調(diào)制的的性能能指標(biāo)標(biāo)因此，，最大大可能能的BMAX為對于GSM，B=200kHz，，SNR=10dB，，則有有：蜂窩移移動通通信系系統(tǒng)對對數(shù)字字調(diào)制制技術(shù)術(shù)的要要求（1））數(shù)字字調(diào)制制的目目的在在于使使傳輸輸?shù)臄?shù)數(shù)字信信號與與信道道特性性相匹匹配（2））移移動動通通信信要要求求采采用用恒恒定定包包絡(luò)絡(luò)數(shù)數(shù)字字調(diào)調(diào)制制技技術(shù)術(shù)（3））應(yīng)應(yīng)盡盡量量避避免免幅幅-相相轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換（（AM/PM））效效應(yīng)應(yīng)（4））要要求求調(diào)調(diào)制制方方式式具具有有最最小小的的功功率率譜譜占占用用率率蜂窩窩移移動動通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)對對數(shù)數(shù)字字調(diào)調(diào)制制技技術(shù)術(shù)的的要要求求具體體地地講講，，數(shù)數(shù)字字調(diào)調(diào)制制技技術(shù)術(shù)應(yīng)應(yīng)滿滿足足如如下下特特性性要要求求。。①為為了了在在衰衰落落條條件件下下獲獲得得所所要要求求的的誤誤碼碼率率（（BER）），，需需要要好好的的載載噪噪比比（（C/N））和和載載干干比比（（C/I））性性能能。。②所所用用的的調(diào)調(diào)制制技技術(shù)術(shù)必必須須在在規(guī)規(guī)定定頻頻帶帶約約束束內(nèi)內(nèi)提提供供高高的的傳傳輸輸速速率率，，以以（（bit/s））/Hz為為單單位位。。蜂窩窩移移動動通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)對對數(shù)數(shù)字字調(diào)調(diào)制制技技術(shù)術(shù)的的要要求求③應(yīng)應(yīng)使使用用高高效效率率的的功功率率放放大大器器，，而而帶帶外外輻輻射射又又必必須須降降低低到到所所需需要要求求（（??60dB～～??70dB））。。④恒恒定定包包絡(luò)絡(luò)。。⑤低低的的載載波波與與同同道道干干擾擾（（CCI））的的功功率率比比。。⑥必必須須滿滿足足快快速速的的比比特特再再同同步步要要求求。。⑦成成本本低低，，易易于于實實現(xiàn)現(xiàn)。。數(shù)字字調(diào)調(diào)制制技技術(shù)術(shù)分分類類1．．線線性性調(diào)調(diào)制制方方式式線性性調(diào)調(diào)制制方方式式主主要要有有各各種種進進制制的的PSK和和QAM等等。。線性性調(diào)調(diào)制制方方式式又又可可分分為為頻頻譜譜高高效效和和功功率率高高效效兩兩種種。。2．．恒恒定定包包絡(luò)絡(luò)調(diào)調(diào)制制方方式式恒定定包包絡(luò)絡(luò)調(diào)調(diào)制制方方式式主主要要有有MSK、、TFM（（平平滑滑調(diào)調(diào)頻頻））、、GMSK等等。。其主主要要特特點點是是這這種種已已調(diào)調(diào)信信號號具具有有包包絡(luò)絡(luò)幅幅度度不不變變的的特特性性，，其其發(fā)發(fā)射射功功率率放放大大器器可可以以在在非非線線性性狀狀態(tài)態(tài)而而不不引引起起嚴(yán)嚴(yán)重重的的頻頻譜譜擴擴散散。。調(diào)幅幅與與調(diào)調(diào)頻頻早期期VHF頻頻段段的的移移動動通通信信電電臺臺大大都都采采用用調(diào)調(diào)幅幅方方式式，，調(diào)調(diào)幅幅是是使使高高頻頻載載波波信信號號的的振振幅幅隨隨調(diào)調(diào)制制信信號號的的瞬瞬時時變變化化而而變變化化，，其其所所占占帶帶寬寬為為BAM＝2fm，其其中中，，fm為音音頻頻的的上上限限頻頻率率。。由于于信信道道快快衰衰落落會會使使模模擬擬調(diào)調(diào)幅幅產(chǎn)產(chǎn)生生附附加加調(diào)調(diào)幅幅而而造造成成失失真真，，目目前前已已很很少少采采用用。。調(diào)幅幅與與調(diào)調(diào)頻頻調(diào)頻是使使高頻載載波信號號的瞬時時頻率隨隨調(diào)制信信號的變變化而變變化，其其所占帶帶寬為BFM＝2(FM＋1)fm，其中FM為調(diào)制指指數(shù)。調(diào)頻制在在抗干擾擾和抗衰衰落性能能方面優(yōu)優(yōu)于調(diào)幅幅制，對對非線性性信道有有較好的的適應(yīng)性性，世界界上幾乎乎所有的的模擬蜂蜂窩系統(tǒng)統(tǒng)都使用用頻率調(diào)調(diào)制。調(diào)幅與調(diào)調(diào)頻單邊帶調(diào)調(diào)幅系統(tǒng)統(tǒng)只傳送送一個邊邊帶（上上邊帶或或下邊帶帶），所所以只占占用普通通調(diào)幅系系統(tǒng)一半半的帶寬寬。單邊帶調(diào)調(diào)制技術(shù)術(shù)對移動動通信還還是非常常有用的的。隨著數(shù)字字信號處處理、大大規(guī)模集集成電路路和新的的單邊帶帶調(diào)制解解調(diào)技術(shù)術(shù)的進步步，單邊邊帶在移移動通信信中的應(yīng)應(yīng)用還是是很有前前途的。。線性數(shù)字字調(diào)制技技術(shù)理想的調(diào)調(diào)制方式式能夠使使通信在在低信噪噪比情況況下提供供低的誤誤碼率，，在多徑徑和衰落落條件下下很好地地工作，，并且容容易實現(xiàn)現(xiàn)。一種數(shù)字字調(diào)制技技術(shù)的分分類方法法將它分分為線性性和非線線性兩類類。在線性數(shù)數(shù)字調(diào)制制技術(shù)中中，傳輸輸信號的的幅度s(t)隨調(diào)制制數(shù)字信信號m(t)的變化化而呈線線性變化化。線性數(shù)字字調(diào)制技技術(shù)線性數(shù)字字調(diào)制技技術(shù)帶寬寬效率較較高，所所以非常常適用于于在有窄窄頻帶要要求下，，需要容容納越來來越多用用戶的無無線通信信系統(tǒng)。。在線性數(shù)數(shù)字調(diào)制制方案中中，傳輸輸信號s(t)可表示示為線性數(shù)字字調(diào)制方方案有很很好的頻頻譜效率率，但傳傳輸中必必須使用用功率效效率低的的RF放放大器。。線性數(shù)字字調(diào)制技技術(shù)二進制幅幅度鍵控控BASK二進制相相移鍵控控BPSK差分相移移鍵控DPSK四相相移移鍵控QPSK交錯QPSK（（OQPSK））p/4四四相相移移鍵控QPSK二進制幅幅度鍵控控BASK在二進制制幅度鍵鍵控（BinaryAmplitudeShiftKeying，BASK）中，，載波幅幅度隨二二進制調(diào)調(diào)制信號號序列｛｛m(t)｝變化化，即幅幅度鍵控控（AmplitudeShiftKeying，，ASK）信號號可表示示為二進制幅幅度鍵控控BASK二進制相相移鍵控控BPSK在二進制制相移鍵鍵控（BinaryPhaseShiftKeying，BPSK））中，幅幅度恒定定的載波波信號根根據(jù)信號號兩種可可能m1和m2（即二進進制數(shù)1和0））的改變變而在兩兩個不同同的相位位間切換換。通常這兩兩個相位位相差180°°。由于于只有兩兩個相位位，所以以二進制制相移鍵鍵控也稱稱二相相相移鍵控控。二進制相相移鍵控控BPSK如果正弦弦載波的的幅度為為Ac，每比特特能量Eb=，，則傳輸輸?shù)腂PSK信信號為（6-10）二進制相相移鍵控控BPSK出于方便便，經(jīng)常常將m1和m2一般化化為?。?或??1的二二進制數(shù)數(shù)據(jù)信號號m(t)，它呈呈現(xiàn)兩種種可能的的脈沖波波形中的的一種。。這樣傳傳輸信號號可表示示為二進制相相移鍵控控BPSKBPSK信號使使用雙極極性基帶帶數(shù)據(jù)波波形m(t)，并可可以表示示為如下下的復(fù)包包絡(luò)形式式式中，gBPSK(t)是信號號的復(fù)包包絡(luò)二進制相相移鍵控控BPSK可以證明明，復(fù)包包絡(luò)的功功率譜密密度（PowerSpectralDensity，PSD）為為二進制相相移鍵控控BPSK因此，RF上BPSK信號的的PSD為二進制相相移鍵控控BPSK圖6-1BPSK信號的的功率譜譜密度（（PSD）二進制相相移鍵控控BPSK如果沒有有信道引引入的多多徑損耗耗，接收收的BPSK信信號可表表示為二進制相相移鍵控控BPSK圖6-2帶帶載波恢恢復(fù)電路路的BPSK接接收機框框圖二進制相相移鍵控控BPSK在分頻器器后乘法法器的輸輸出為二進制相相移鍵控控BPSK對于AWGN信信道許多多調(diào)制方方案的比比特差錯錯概率用用信號點點之間距距離的Q(x)函數(shù)來得到到。從BPSK信號的分分布可以得到到，，相鄰點的的距離為?？煽梢宰C明比特特差錯概率為為式中，Q(x)函數(shù)為差分相移鍵控控DPSK如果不是利用用載波相位的的絕對數(shù)值，，而是利用前前后碼元之間間相位的相對對變化傳送數(shù)數(shù)字信息，則則這種方法稱稱為相對調(diào)相相。差分相移鍵控控（DifferentialPhaseShiftKeying，DPSK）是一一種最常用的的相對調(diào)相方方式，采用非非相干的相移移鍵控形式。。它不需要在接接收機端有相相干參考信號號，而且非相相干接收機容容易實現(xiàn)，價價格便宜，因因此在無線通通信系統(tǒng)中廣廣泛使用。差分相移鍵控控DPSK差分相移鍵控控DPSK圖6-3DPSK發(fā)發(fā)射機框圖及及相關(guān)波形差分相移鍵控控DPSK圖6-4DPSK接接收機框圖及及相關(guān)波形差分相移鍵控控DPSK當(dāng)有加性高斯斯白噪聲時，，平均錯誤概概率如下所示示為四相相移鍵控控QPSK四進制PSK，也稱為正正交相移鍵控控（QPhaseShiftKeying，QPSK）是MPSK調(diào)制中中最常用的一一種調(diào)制方式式。由于在一個調(diào)調(diào)制碼元中傳傳輸兩個比特特，四相相移移鍵控（QPSK）比BPSK的帶帶寬效率高兩兩倍。四相相移鍵控控QPSK四相相移鍵控控QPSK圖6-5QPSK信信號的星座圖圖四相相移鍵控控QPSK在加性高斯白白噪聲（AWGN）信道道中平均比特特差錯概率為為四相相移鍵控控QPSK當(dāng)用矩形脈沖沖時，QESK信號可表表示為四相相移鍵控控QPSK圖6-6QPSK信信號的功率譜譜密度四相相移鍵控控QPSK圖6-7QPSK發(fā)發(fā)射機的框圖圖四相相移鍵控控QPSK圖6-8QPSK接接收機框圖交錯QPSK（OQPSK））QPSK調(diào)制制信號具有恒恒包絡(luò)特性。。然而，當(dāng)QPSK進行行波形成型時時，它們將失失去恒包絡(luò)的的性質(zhì)。OQPSK先先對輸入數(shù)據(jù)據(jù)作串并變換換，再使其錯錯開半個輸入入碼元間隔，，然后分別對對兩個正交的的載波進行BPSK調(diào)制制，最后疊加加成為OQPSK信號。。它們的波形形如圖6-9所示。交錯QPSK（OQPSK））圖6-9OQPSK調(diào)制器中同同相和正交支支路時間交錯錯的波形圖交錯QPSK（OQPSK））OQPSK信信號一般可以以寫為使用矩形脈沖沖的QPSK信號的功率率譜密度可以以表示為p/4四相相相移鍵控QPSK/4QPSK相移調(diào)制制是一種正交交相移鍵控技技術(shù)，從最大大相位跳變來來看，它是OQPSK和和QPSK的的折中。它可以相干解解調(diào)，也可以以非相干解調(diào)調(diào)，以避免相相干檢測中相相干載波的相相位模糊問題題。/4QPSK調(diào)制是限限制碼元轉(zhuǎn)換換時刻相位跳跳變量的另一一種調(diào)制方式式。p/4四相相相移鍵控QPSK圖6-10/4QPSK信號的星星座圖p/4四相相相移鍵控QPSK圖6-11一一般p/4QPSK的發(fā)射機框框圖p/4四相相相移鍵控QPSKp/4四相相相移鍵控QPSKp/4四相相相移鍵控QPSKp/4四相相相移鍵控QPSK如果是是第k個數(shù)據(jù)比特的的相位，解調(diào)調(diào)器中同相和和正交支路兩兩個低通濾波波器的輸出wk和zk可表示為wk=

cos(k-) （6-34）zk=

sin(k-) （6-35）p/4四相相相移鍵控QPSK圖6-12基基帶差分分檢測器的框框圖p/4四相相相移鍵控QPSKxk=wkwk-1

+zkzk-1 （6-36）yk=zkwk?1?wkzk?1 （6-37）xk=

cos(k?)cos(k?1?)+sin(k?)sin(k?1?)

=

cos(k?k-1) （6-38）yk=

sin(k?)cos(k?1?)?cos(k?)sin(k?1?)

=

sin(k?k-1) （6-39）p/4四相相相移鍵控QPSKp/4四相相相移鍵控QPSK圖6-13p/4QPSK的的IF差分檢檢測器框圖p/4四相相相移鍵控QPSK圖6-14用用FM鑒鑒頻檢測器解解調(diào)p/4QPSK的的框圖恒包絡(luò)調(diào)制二進制頻移鍵鍵控BFSK最小頻移鍵控控MSK高斯濾波最小小頻移鍵控GMSK二進制頻移鍵鍵控BFSK使用模擬信號號調(diào)制的通信信中，調(diào)頻和和調(diào)相信號的的幅度是不變變的，通稱為為恒包絡(luò)調(diào)制制。這種調(diào)制可用用硬限幅的方方法去除干擾擾引起的幅度度變化，具有有效高的抗干干擾性能。恒包絡(luò)調(diào)制具具有許多優(yōu)點點，但它們占占用的帶寬比比線性調(diào)制大大。二進制頻移鍵鍵控BFSK二進制頻移鍵鍵控BFSKFSK信號的的傳輸帶寬BT，由Carson公式式給出，即二進制頻移鍵鍵控BFSK圖6-15FSK信信號的相干解解調(diào)方框圖二進制頻移鍵鍵控BFSK下面公式給出出相干FSK接收機的誤誤碼率為二進制制頻移移鍵控控BFSK圖6-16非非相相干FSK接收收機的的方框框圖二進制制頻移移鍵控控BFSK使用非非相干干檢測測時FSK系統(tǒng)統(tǒng)的平平均誤誤碼率率為最小頻頻移鍵鍵控MSK連續(xù)相相位調(diào)調(diào)制（（ContinuousPhaseModulation，，CPM）），它它泛指指載波波相位位以連連續(xù)形形式變變化的的一大大類頻頻率調(diào)調(diào)制技技術(shù)。。最小頻頻移鍵鍵控（（MinimumShiftKeying，MSK）是是一種種特殊殊的連連續(xù)相相位的的頻移移鍵控控（ContinuousPhaseFrequencyShiftKeying，CPFSK），，其最最大頻頻移為為比特特率的的1/4。。最小頻頻移鍵鍵控MSK(6-47)(6-48)k?1(kTb)=k[(k?1)T](6-49)(6-50)最小頻頻移鍵鍵控MSK(6-51)(6-52)(6-53)(6-54)最小頻頻移鍵鍵控MSK圖6-17MSK信信號的的功率率譜密密度與與QPSK信號號、OQPSK信號號相比比較最小頻頻移鍵鍵控MSK圖6-18MSK調(diào)調(diào)制器器的方方框圖圖最小頻頻移鍵鍵控MSK圖6-19MSK信信號相相干解解調(diào)電電路的的方框框圖最小頻頻移鍵鍵控MSK高斯濾濾波最最小頻頻移鍵鍵控GMSK斯濾波波最小小移頻頻鍵控控（GaussianMinimumShiftKeying，GMSK））就是是由MSK演變變來的的一種種簡單單的二二進制制調(diào)制制方法法。在GMSK中，，將調(diào)調(diào)制的的不歸歸零（（NRZ））數(shù)據(jù)據(jù)通過過預(yù)調(diào)調(diào)制高高斯脈脈沖成成型濾濾波器器，使使其頻頻譜上上的旁旁瓣水水平進進一步步降低低?；鶐У牡母咚顾姑}沖沖成型型技術(shù)術(shù)平滑滑了MSK信號號的相相位曲曲線，，因此此使得得發(fā)射射頻譜譜上的的旁瓣瓣水平平大大大降低低。高斯濾濾波最最小頻頻移鍵鍵控GMSKGMSK預(yù)預(yù)調(diào)制制濾波波器的的脈沖沖響應(yīng)應(yīng)如下下給出出(6-57)傳輸函函數(shù)為為HG(f)exp(?a2f2)(6-58)參數(shù)a與B和HG(f)的3dB帶寬寬有關(guān)關(guān)，即即(6-59)高斯濾濾波最最小頻頻移鍵鍵控GMSK圖6-20GMSK信號號的不不同BT值的射射頻功功率譜譜密度度高斯濾濾波最最小頻頻移鍵鍵控GMSK高斯濾濾波最最小頻頻移鍵鍵控GMSK圖6-21采采用用直接接FM構(gòu)成成的GMSK發(fā)發(fā)射機機的框框圖高斯濾濾波最最小頻頻移鍵鍵控GMSK圖6-22GMSK接收收機方方框圖圖“線性性”和和“恒恒包絡(luò)絡(luò)”相相結(jié)合合的調(diào)調(diào)制技技術(shù)基帶數(shù)數(shù)字信信號可可以通通過RF載載頻進進行恒恒包絡(luò)絡(luò)和相相位（（或頻頻率））的改改變來來傳輸輸。由于包包絡(luò)和和相位位（頻頻率））有兩兩個自自由取取值，，這樣樣調(diào)制制技術(shù)術(shù)可以以將基基帶信信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成成4個個自由由取值值的或或更多多取值值的調(diào)調(diào)制信信號。。這樣的的調(diào)制制技術(shù)術(shù)稱為為M進制調(diào)調(diào)制。。如果果它的的相位位和幅幅度可可以進進一步步改變變的話話，它它就可可以表表示更更多的的信息息。“線性性”和和“恒恒包絡(luò)絡(luò)”相相結(jié)合合的調(diào)調(diào)制技技術(shù)在M進制的的信號號安排排中，，兩個個或更更多的的比特特位合合成一一組表表示一一個符符號位位，每每一可可能的的符號號位在在一個個時間間周期期內(nèi)被被發(fā)送送出去去。一一般來來說，，M的取值為為2的倍倍數(shù)。依據(jù)改變變的是幅幅度、相相位還是是載波的的頻率，，把調(diào)制