移动通信数字调制解调技术

第6章移动通信数字调制解调技术本章提示调制在通信系统中占有十分重要的地位。只有经过调制才能将基带信号转换成适合于信道传输的已调信号，而且它对系统的传输有效性和可靠性都有很大的影响。本章提示数字调制与模拟调制本质上并无什么不同，它们同属正弦载波调制。但是数字调制的调制信号为数字型正弦调制，模拟调制的调制信号为连续性正弦调制。模拟信号传输的质量标准是信噪比（S/N），数字信号传输的质量标准是误码率（Pe）。本章提示第一代蜂窝移动通信系统采用模拟调频（FM）传输模拟语音，其信令系统采用2FSK数字调制。第二代数字蜂窝移动通信系统传送的语音都是经过语音编码和信道编码后的数字信号。GSM系统采用GMSK调制；IS-54系统和PDC系统采用/4DQPSK调制；IS-95CDMA系统的下行信道采用QPSK调制，其上行信道采用OQPSK调制。第三代蜂窝移动通信系统将采用MQAM、QPSK或8PSK调制。本章提示由于带宽资源受限，目前所有调制技术的主要设计思路就是最小化传输带宽。相反，扩频技术使用的传输带宽比要求的最小信号带宽大几个数量级。在多用户系统中，事实证明在多址干扰（MAI）环境，扩频系统能获得很高的频谱利用率。第6章移动通信数字调制解调技术6.1数字调制技术概述6.2线性数字调制技术6.3恒包络调制*6.4“线性”和“恒包络”相结合的调制技术6.1数字调制技术概述6.1.1概述6.1.2数字调制的性能指标6.1.3蜂窝移动通信系统对数字调制技术的要求6.1.4数字调制技术分类6.1.5调幅与调频6.1.1概述第二代数字移动通信系统都使用数字调制技术。超大规模集成电路（VLSI）和数字信号处理（DSP）技术的发展使数字调制比模拟调制的传输系统更有效。6.1.1概述新的多用途可编程数字信号处理器使得数字调制器和解调器完全用软件来实现成为可能。嵌入式软件实现方法可以在不重新设计和替换调制解调器的情况下改变和提高性能。6.1.2数字调制的性能指标数字调制的性能指标通常通过功率有效性p（PowerEfficiency）和带宽有效性B（SpectralEfficiency）来反映。功率有效性p是反映调制技术在低功率电平情况下保证系统误码性能的能力，可表述成每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比：P=b0EN（6-1）6.1.2数字调制的性能指标带宽有效性B是反映调制技术在一定的频带内数字有效性的能力，可表述成在给定带宽条件下每赫兹的数据通过率：式中，R为数据速率（bit/s），B为调制射频RF信号占用带宽。B((bit/s)/Hz)RB=（6-2）6.1.2数字调制的性能指标由香农（Shannon）定理：式中，C为信道容量；B为RF带宽；S/N为信噪比；lb=loga，a=2。C=Blb1SN骣÷ç+÷ç÷ç桫（6-3）6.1.2数字调制的性能指标因此，最大可能的BMAX为对于GSM，B=200kHz，SNR=10dB，则有：BMAX=lb(1)CSBN=+（6-4）BMAXSlb1200lb(110)691.886kbit/slb(110)3.46(kbit/s)/HzCBNCBh骣÷ç=+=+=÷ç÷÷ç桫==+=6.1.3蜂窝移动通信系统对数字调制技术的要求（1）数字调制的目的在于使传输的数字信号与信道特性相匹配（2）移动通信要求采用恒定包络数字调制技术（3）应尽量避免幅-相转换（AM/PM）效应（4）要求调制方式具有最小的功率谱占用率6.1.3蜂窝移动通信系统对数字调制技术的要求具体地讲，数字调制技术应满足如下特性要求。①为了在衰落条件下获得所要求的误码率（BER），需要好的载噪比（C/N）和载干比（C/I）性能。②所用的调制技术必须在规定频带约束内提供高的传输速率，以（bit/s）/Hz为单位。6.1.3蜂窝移动通信系统对数字调制技术的要求③应使用高效率的功率放大器，而带外辐射又必须降低到所需要求（−60dB～−70dB）。④恒定包络。⑤低的载波与同道干扰（CCI）的功率比。⑥必须满足快速的比特再同步要求。⑦成本低，易于实现。6.1.4数字调制技术分类1．线性调制方式线性调制方式主要有各种进制的PSK和QAM等。线性调制方式又可分为频谱高效和功率高效两种。2．恒定包络调制方式恒定包络调制方式主要有MSK、TFM（平滑调频）、GMSK等。其主要特点是这种已调信号具有包络幅度不变的特性，其发射功率放大器可以在非线性状态而不引起严重的频谱扩散。6.1.5调幅与调频早期VHF频段的移动通信电台大都采用调幅方式，调幅是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化，其所占带宽为BAM＝2fm，其中，fm为音频的上限频率。由于信道快衰落会使模拟调幅产生附加调幅而造成失真，目前已很少采用。6.1.5调幅与调频调频是使高频载波信号的瞬时频率随调制信号的变化而变化，其所占带宽为BFM＝2(FM＋1)fm，其中FM为调制指数。调频制在抗干扰和抗衰落性能方面优于调幅制，对非线性信道有较好的适应性，世界上几乎所有的模拟蜂窝系统都使用频率调制。6.1.5调幅与调频单边带调幅系统只传送一个边带（上边带或下边带），所以只占用普通调幅系统一半的带宽。单边带调制技术对移动通信还是非常有用的。随着数字信号处理、大规模集成电路和新的单边带调制解调技术的进步，单边带在移动通信中的应用还是很有前途的。6.2线性数字调制技术理想的调制方式能够使通信在低信噪比情况下提供低的误码率，在多径和衰落条件下很好地工作，并且容易实现。一种数字调制技术的分类方法将它分为线性和非线性两类。在线性数字调制技术中，传输信号的幅度s(t)随调制数字信号m(t)的变化而呈线性变化。6.2线性数字调制技术线性数字调制技术带宽效率较高，所以非常适用于在有窄频带要求下，需要容纳越来越多用户的无线通信系统。在线性数字调制方案中，传输信号s(t)可表示为线性数字调制方案有很好的频谱效率，但传输中必须使用功率效率低的RF放大器。s(t)=Re[Am(t)exp(j2fct)]=A[mR(t)cos(2fct)?mI(t)sin(2fct)]（6-5）6.2线性数字调制技术6.2.1二进制幅度键控BASK6.2.2二进制相移键控BPSK6.2.3差分相移键控DPSK6.2.4四相相移键控QPSK6.2.5交错QPSK（OQPSK）6.2.6p/4四相相移键控QPSKs(t)=Re[Am(t)exp(j2fct)]=A[mR(t)cos(2fct)?mI(t)sin(2fct)]（6-5）6.2.1二进制幅度键控BASK在二进制幅度键控（BinaryAmplitudeShiftKeying，BASK）中，载波幅度随二进制调制信号序列｛m(t)｝变化，即幅度键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）信号可表示为sASK(t)=m(t)cos(2fct)（6-6）6.2.1二进制幅度键控BASKs()()nnmtagtnT=-å（6-7）an=101PPìïïíï-ïî概率概率（6-8）[]ASKmcmc1()()()4sPfpffpff=++-（6-9）6.2.2二进制相移键控BPSK在二进制相移键控（BinaryPhaseShiftKeying，BPSK）中，幅度恒定的载波信号根据信号两种可能m1和m2（即二进制数1和0）的改变而在两个不同的相位间切换。通常这两个相位相差180°。由于只有两个相位，所以二进制相移键控也称二相相移键控。6.2.2二进制相移键控BPSK如果正弦载波的幅度为Ac，每比特能量Eb=，则传输的BPSK信号为2cb12ATbc0bbBPSKbbc0c0bbb2cos(2π)0,1()22cos(2ππ)cos(2π)0,0EftθtTTstEEftθftθtTTTìïï+ïïïï=íïïï++=-+ïïïî≤≤信号为≤≤信号为（6-10）6.2.2二进制相移键控BPSK出于方便，经常将m1和m2一般化为取＋1或−1的二进制数据信号m(t)，它呈现两种可能的脉冲波形中的一种。这样传输信号可表示为bBPSKc0b2()()cos(2π)EstmtftθT=+（6-11）6.2.2二进制相移键控BPSKBPSK信号使用双极性基带数据波形m(t)，并可以表示为如下的复包络形式式中，gBPSK(t)是信号的复包络sBPSK=Re{gBPSK(t)exp(j2fct)}（6-12）jbBPSKb2()()eEgtmtTq=（6-13）6.2.2二进制相移键控BPSK可以证明，复包络的功率谱密度（PowerSpectralDensity，PSD）为2bgBPSKbbsinπ()2πfTPfEfT骣÷ç÷=ç÷ç÷ç桫（6-14）6.2.2二进制相移键控BPSK因此，RF上BPSK信号的PSD为22bcbcbBPSKcbcbsinπ()sinπ()2π()π()EffTffTpffTffT轾骣骣---犏鼢珑鼢=+珑犏鼢珑鼢珑---桫桫犏臌（6-15）6.2.2二进制相移键控BPSK图6-1BPSK信号的功率谱密度（PSD）6.2.2二进制相移键控BPSK如果没有信道引入的多径损耗，接收的BPSK信号可表示为bbBPSKc0chcbb22()()cos(2π)()cos(2π)EEstmtftθθmtftθTT=++=+（6-16）6.2.2二进制相移键控BPSK图6-2带载波恢复电路的BPSK接收机框图6.2.2二进制相移键控BPSK在分频器后乘法器的输出为2bccbbb2211()cos(2π)()cos2(2π)22EEmtftθmtftθTT轾犏+=++犏臌（6-17）6.2.2二进制相移键控BPSK对于AWGN信道许多调制方案的比特差错概率用信号点之间距离的Q(x)函数来得到。从BPSK信号的分布可以得到，相邻点的距离为。可以证明比特差错概率为式中，Q(x)函数为b2Ebe,BPSK02EpQN骣÷ç÷ç=÷ç÷÷ç桫（6-18）Q(x)=21expd22πxxx¥-ò（6-19）6.2.3差分相移键控DPSK如果不是利用载波相位的绝对数值，而是利用前后码元之间相位的相对变化传送数字信息，则这种方法称为相对调相。差分相移键控（DifferentialPhaseShiftKeying，DPSK）是一种最常用的相对调相方式，采用非相干的相移键控形式。它不需要在接收机端有相干参考信号，而且非相干接收机容易实现，价格便宜，因此在无线通信系统中广泛使用。6.2.3差分相移键控DPSK表6-1差分编码过程的图解{mk}11010010{dk?1}11100100{dk}1110010016.2.3差分相移键控DPSK图6-3DPSK发射机框图及相关波形6.2.3差分相移键控DPSK图6-4DPSK接收机框图及相关波形6.2.3差分相移键控DPSK当有加性高斯白噪声时，平均错误概率如下所示为0bDPSKe,exp21NEp（6-20）6.2.4四相相移键控QPSK四进制PSK，也称为正交相移键控（QPhaseShiftKeying，QPSK）是MPSK调制中最常用的一种调制方式。由于在一个调制码元中传输两个比特，四相相移键控（QPSK）比BPSK的带宽效率高两倍。6.2.4四相相移键控QPSKQPSKssc2π()=cos2π(1)2EtftiTs轾犏+-犏臌（6-21）ssQPSKcssc22ππ()cos(1)cos(2π)sin(1)sin(2π)22EEstiftiftTT轾轾犏犏=-=--犏犏臌臌（6-22）QPSKs1s2ππ()cos(l)()sin(l)()22stEitEitff禳轾轾镲镲犏犏=---睚镲犏犏臌臌镲铪i=1,2,3,4（6-23）6.2.4四相相移键控QPSK图6-5QPSK信号的星座图6.2.4四相相移键控QPSK在加性高斯白噪声（