移動通信數(shù)字調制解調技術[詳細]

1、第6講 移動通信數(shù)字調制解調技術,本章提示, 調制在通信系統(tǒng)中占有十分重要的地位。只有經(jīng)過調制才能將基帶信號轉換成適合于信道傳輸?shù)囊颜{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)字調制與模擬調制本質上并無什么不同，它們同屬正弦載波調制。但是數(shù)字調制的調制信號為數(shù)字型正弦調制，模擬調制的調制信號為連續(xù)性正弦調制。模擬信號傳輸?shù)馁|量標準是信噪比（S/N），數(shù)字信號傳輸?shù)馁|量標準是誤碼率（Pe）。,本章提示, 第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)采用模擬調頻（FM）傳輸模擬語音，其信令系統(tǒng)采用2FSK數(shù)字調制。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。G

2、SM系統(tǒng)采用GMSK調制；IS-54系統(tǒng)和PDC系統(tǒng)采用/4 DQPSK調制；IS-95 CDMA系統(tǒng)的下行信道采用QPSK調制，其上行信道采用OQPSK調制。第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)將采用MQAM、QPSK或8PSK調制。,本章提示, 由于帶寬資源受限，目前所有調制技術的主要設計思路就是最小化傳輸帶寬。相反，擴頻技術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)字調制解調技術,1 數(shù)字調制技術概述 2 線性數(shù)字調制技術 3 恒包絡調制 4 “線性”和“恒包絡”相結合的調制技術,數(shù)字調制技術概述,1.

3、1 概述 1.2 數(shù)字調制的性能指標 1.3 蜂窩移動通信系統(tǒng)對數(shù)字調制技術的要求 1.4 數(shù)字調制技術分類 1.5 調幅與調頻,概述,第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調制技術。 超大規(guī)模集成電路（VLSI）和數(shù)字信號處理（DSP）技術的發(fā)展使數(shù)字調制比模擬調制的傳輸系統(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)字調制器和解調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計和替換調制解調器的情況下改變和提高性能。,數(shù)字調制的性能指標,數(shù)字調制的性能指標通常通過功率有效性p（Power Efficiency）和帶寬有效性B（Spectral Efficiency）來反映

4、。 功率有效性p是反映調制技術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)字調制的性能指標,帶寬有效性B是反映調制技術在一定的頻帶內數(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： 式中，R為數(shù)據(jù)速率（bit/s），B為調制射頻RF信號占用帶寬。,數(shù)字調制的性能指標,由香農(nóng)（Shannon）定理： 式中，C為信道容量；B為RF帶寬；S/N為信噪比；lb=loga，a=2。,數(shù)字調制的性能指標,因此，最大可能的BMAX為 對于GSM，B=200kHz，SNR=10dB，則有：,蜂窩移動通信系統(tǒng)對數(shù)字調制技術的要求,（1）數(shù)字調制的目的

5、在于使傳輸?shù)臄?shù)字信號與信道特性相匹配 （2）移動通信要求采用恒定包絡數(shù)字調制技術 （3）應盡量避免幅-相轉換（AM/PM）效應 （4）要求調制方式具有最小的功率譜占用率,蜂窩移動通信系統(tǒng)對數(shù)字調制技術的要求,具體地講，數(shù)字調制技術應滿足如下特性要求。 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。 所用的調制技術必須在規(guī)定頻帶約束內提供高的傳輸速率，以（bit/s）/Hz為單位。,蜂窩移動通信系統(tǒng)對數(shù)字調制技術的要求, 應使用高效率的功率放大器，而帶外輻射又必須降低到所需要求（60dB70dB）。 恒定包絡。 低的載波與同道干擾（CCI）的功率

6、比。 必須滿足快速的比特再同步要求。 成本低，易于實現(xiàn)。,數(shù)字調制技術分類,1線性調制方式 線性調制方式主要有各種進制的PSK和QAM等。 線性調制方式又可分為頻譜高效和功率高效兩種。,2恒定包絡調制方式,恒定包絡調制方式主要有MSK、TFM（平滑調頻）、GMSK等。 其主要特點是這種已調信號具有包絡幅度不變的特性，其發(fā)射功率放大器可以在非線性狀態(tài)而不引起嚴重的頻譜擴散。,調幅與調頻,早期VHF頻段的移動通信電臺大都采用調幅方式，調幅是使高頻載波信號的振幅隨調制信號的瞬時變化而變化，其所占帶寬為BAM2fm，其中，fm為音頻的上限頻率。 由于信道快衰落會使模擬調幅產(chǎn)生附加調幅而造成失真，目前已

7、很少采用。,調幅與調頻,調頻是使高頻載波信號的瞬時頻率隨調制信號的變化而變化，其所占帶寬為B FM2(FM1)fm，其中FM為調制指數(shù)。 調頻制在抗干擾和抗衰落性能方面優(yōu)于調幅制，對非線性信道有較好的適應性，世界上幾乎所有的模擬蜂窩系統(tǒng)都使用頻率調制。,調幅與調頻,單邊帶調幅系統(tǒng)只傳送一個邊帶（上邊帶或下邊帶），所以只占用普通調幅系統(tǒng)一半的帶寬。 單邊帶調制技術對移動通信還是非常有用的。 隨著數(shù)字信號處理、大規(guī)模集成電路和新的單邊帶調制解調技術的進步，單邊帶在移動通信中的應用還是很有前途的。,線性數(shù)字調制技術,理想的調制方式能夠使通信在低信噪比情況下提供低的誤碼率，在多徑和衰落條件下很好地工作

8、，并且容易實現(xiàn)。 一種數(shù)字調制技術的分類方法將它分為線性和非線性兩類。 在線性數(shù)字調制技術中，傳輸信號的幅度s(t)隨調制數(shù)字信號m(t)的變化而呈線性變化。,線性數(shù)字調制技術,線性數(shù)字調制技術帶寬效率較高，所以非常適用于在有窄頻帶要求下，需要容納越來越多用戶的無線通信系統(tǒng)。 在線性數(shù)字調制方案中，傳輸信號s(t)可表示為 線性數(shù)字調制方案有很好的頻譜效率，但傳輸中必須使用功率效率低的RF放大器。,線性數(shù)字調制技術,二進制幅度鍵控BASK 二進制相移鍵控BPSK 差分相移鍵控DPSK 四相相移鍵控QPSK 交錯QPSK（OQPSK） p/4四相相移鍵控QPSK,二進制幅度鍵控BASK,在二進制

9、幅度鍵控（Binary Amplitude Shift Keying，BASK）中，載波幅度隨二進制調制信號序列m(t)變化，即幅度鍵控（Amplitude Shift Keying，ASK）信號可表示為,二進制幅度鍵控BASK,二進制相移鍵控BPSK,在二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）中，幅度恒定的載波信號根據(jù)信號兩種可能m1和m2（即二進制數(shù)1和0）的改變而在兩個不同的相位間切換。 通常這兩個相位相差180。由于只有兩個相位，所以二進制相移鍵控也稱二相相移鍵控。,二進制相移鍵控BPSK,如果正弦載波的幅度為Ac，每比特能量Eb= ，則傳輸?shù)腂P

10、SK信號為,（6-10）,二進制相移鍵控BPSK,出于方便，經(jīng)常將m1和m2一般化為取1或1的二進制數(shù)據(jù)信號m(t)，它呈現(xiàn)兩種可能的脈沖波形中的一種。這樣傳輸信號可表示為,二進制相移鍵控BPSK,BPSK信號使用雙極性基帶數(shù)據(jù)波形m(t)，并可以表示為如下的復包絡形式 式中，gBPSK(t)是信號的復包絡,二進制相移鍵控BPSK,可以證明，復包絡的功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）為,二進制相移鍵控BPSK,因此，RF上BPSK信號的PSD為,二進制相移鍵控BPSK,圖6-1 BPSK信號的功率譜密度（PSD）,二進制相移鍵控BPSK,如果沒有信道引入的多徑損

11、耗，接收的BPSK信號可表示為,二進制相移鍵控BPSK,圖6-2 帶載波恢復電路的BPSK接收機框圖,二進制相移鍵控BPSK,在分頻器后乘法器的輸出為,二進制相移鍵控BPSK,對于AWGN信道許多調制方案的比特差錯概率用信號點之間距離的Q(x)函數(shù)來得到。從BPSK信號的分布可以得到 ，相鄰點的距離為。可以證明比特差錯概率為 式中，Q(x)函數(shù)為,差分相移鍵控DPSK,如果不是利用載波相位的絕對數(shù)值，而是利用前后碼元之間相位的相對變化傳送數(shù)字信息，則這種方法稱為相對調相。 差分相移鍵控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）是一種最常用的相對調相方式，采用非

12、相干的相移鍵控形式。 它不需要在接收機端有相干參考信號，而且非相干接收機容易實現(xiàn)，價格便宜，因此在無線通信系統(tǒng)中廣泛使用。,差分相移鍵控DPSK,差分相移鍵控DPSK,圖6-3 DPSK發(fā)射機框圖及相關波形,差分相移鍵控DPSK,圖6-4 DPSK接收機框圖及相關波形,差分相移鍵控DPSK,當有加性高斯白噪聲時，平均錯誤概率如下所示為,四相相移鍵控QPSK,四進制PSK，也稱為正交相移鍵控（Q Phase Shift Keying，QPSK）是MPSK調制中最常用的一種調制方式。 由于在一個調制碼元中傳輸兩個比特，四相相移鍵控（QPSK）比BPSK的帶寬效率高兩倍。,四相相移鍵控QPSK,四相

13、相移鍵控QPSK,圖6-5 QPSK信號的星座圖,四相相移鍵控QPSK,在加性高斯白噪聲（AWGN）信道中平均比特差錯概率為,四相相移鍵控QPSK,當用矩形脈沖時，QESK信號可表示為,四相相移鍵控QPSK,圖6-6 QPSK信號的功率譜密度,四相相移鍵控QPSK,圖6-7 QPSK發(fā)射機的框圖,四相相移鍵控QPSK,圖6-8 QPSK接收機框圖,交錯QPSK（OQPSK）,QPSK調制信號具有恒包絡特性。然而，當QPSK進行波形成型時，它們將失去恒包絡的性質。 OQPSK先對輸入數(shù)據(jù)作串并變換，再使其錯開半個輸入碼元間隔，然后分別對兩個正交的載波進行BPSK調制，最后疊加成為OQPSK信號。

14、它們的波形如圖6-9所示。,交錯QPSK（OQPSK）,圖6-9 OQPSK調制器中同相和正交支路時間交錯的波形圖,交錯QPSK（OQPSK）,OQPSK信號一般可以寫為 使用矩形脈沖的QPSK信號的功率譜密度可以表示為,p/4四相相移鍵控QPSK,/4 QPSK相移調制是一種正交相移鍵控技術，從最大相位跳變來看，它是OQPSK和QPSK的折中。 它可以相干解調，也可以非相干解調，以避免相干檢測中相干載波的相位模糊問題。 /4 QPSK調制是限制碼元轉換時刻相位跳變量的另一種調制方式。,p/4四相相移鍵控QPSK,圖6-10 /4 QPSK信號的星座圖,p/4四相相移鍵控QPSK,圖6-11

15、一般p/4QPSK的發(fā)射機框圖,p/4四相相移鍵控QPSK,p/4四相相移鍵控QPSK,p/4四相相移鍵控QPSK,p/4四相相移鍵控QPSK,如果 是第k個數(shù)據(jù)比特的相位，解調器中同相和正交支路兩個低通濾波器的輸出wk和zk可表示為 wk=cos(k-)（6-34） zk=sin(k-)（6-35）,p/4四相相移鍵控QPSK,圖6-12 基帶差分檢測器的框圖,p/4四相相移鍵控QPSK,xk=wkwk-1+zkzk-1（6-36） yk=zkwk1wkzk1（6-37） xk=cos(k)cos(k1)+sin(k)sin(k1)=cos(kk-1)（6-38） yk=sin(k)cos(

16、k1)cos(k)sin(k1)=sin(kk-1)（6-39）,p/4四相相移鍵控QPSK,p/4四相相移鍵控QPSK,圖6-13 p/4 QPSK的IF差分檢測器框圖,p/4四相相移鍵控QPSK,圖6-14 用FM鑒頻檢測器解調p/4 QPSK的框圖,恒包絡調制,二進制頻移鍵控BFSK 最小頻移鍵控MSK 高斯濾波最小頻移鍵控GMSK,二進制頻移鍵控BFSK,使用模擬信號調制的通信中，調頻和調相信號的幅度是不變的，通稱為恒包絡調制。 這種調制可用硬限幅的方法去除干擾引起的幅度變化，具有效高的抗干擾性能。 恒包絡調制具有許多優(yōu)點，但它們占用的帶寬比線性調制大。,二進制頻移鍵控BFSK,二進制

17、頻移鍵控BFSK,FSK信號的傳輸帶寬BT，由Carson公式給出，即,二進制頻移鍵控BFSK,圖6-15 FSK信號的相干解調方框圖,二進制頻移鍵控BFSK,下面公式給出相干FSK接收機的誤碼率為,二進制頻移鍵控BFSK,圖6-16 非相干FSK接收機的方框圖,二進制頻移鍵控BFSK,使用非相干檢測時FSK系統(tǒng)的平均誤碼率為,最小頻移鍵控MSK,連續(xù)相位調制（Continuous Phase Modulation，CPM），它泛指載波相位以連續(xù)形式變化的一大類頻率調制技術。 最小頻移鍵控（Minimum Shift Keying，MSK）是一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控（Continuous

18、Phase Frequency Shift Keying，CPFSK），其最大頻移為比特率的1/4。,最小頻移鍵控MSK,(6-47) (6-48) k1(kTb) = k(k1)T (6-49) (6-50),最小頻移鍵控MSK,(6-51) (6-52) (6-53) (6-54),最小頻移鍵控MSK,圖6-17 MSK信號的功率譜密度與QPSK信號、OQPSK信號相比較,最小頻移鍵控MSK,圖6-18 MSK調制器的方框圖,最小頻移鍵控MSK,圖6-19 MSK信號相干解調電路的方框圖,最小頻移鍵控MSK,高斯濾波最小頻移鍵控GMSK,斯濾波最小移頻鍵控（Gaussian Minimum

19、 Shift Keying，GMSK）就是由MSK演變來的一種簡單的二進制調制方法。 在GMSK中，將調制的不歸零（NRZ）數(shù)據(jù)通過預調制高斯脈沖成型濾波器，使其頻譜上的旁瓣水平進一步降低。 基帶的高斯脈沖成型技術平滑了MSK信號的相位曲線，因此使得發(fā)射頻譜上的旁瓣水平大大降低。,高斯濾波最小頻移鍵控GMSK,GMSK預調制濾波器的脈沖響應如下給出 (6-57) 傳輸函數(shù)為 HG( f )exp(a 2f 2 ) (6-58) 參數(shù)a與B和HG(f)的3dB帶寬有關，即 (6-59),高斯濾波最小頻移鍵控GMSK,圖6-20 GMSK信號的不同BT值的射頻功率譜密度,高斯濾波最小頻移鍵控GMS

20、K,高斯濾波最小頻移鍵控GMSK,圖6-21 采用直接FM構成的GMSK發(fā)射機的框圖,高斯濾波最小頻移鍵控GMSK,圖6-22 GMSK接收機方框圖,“線性”和“恒包絡”相結合的調制技術,基帶數(shù)字信號可以通過RF載頻進行恒包絡和相位（或頻率）的改變來傳輸。 由于包絡和相位（頻率）有兩個自由取值，這樣調制技術可以將基帶信號轉換成4個自由取值的或更多取值的調制信號。 這樣的調制技術稱為M進制調制。如果它的相位和幅度可以進一步改變的話，它就可以表示更多的信息。,“線性”和“恒包絡”相結合的調制技術,在M進制的信號安排中，兩個或更多的比特位合成一組表示一個符號位，每一可能的符號位在一個時間周期內被發(fā)送出去。一般來說，M的取