(6.1)--第六章调制理论.pdf

北邮信息理论北邮信息理论与技术教研中心与技术教研中心BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center第六章调制理论2BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center从本章开始讨论传输的可靠性问题，首先讨论调制理论。无线通信系统中所采用的调制方式多种多样，从信号空间观点来看，调制实质上是从信道编码后的汉明空间到调制后的欧式空间的映射或变换。这种映射可以是一维的，也可以是多维的，既可以采用线性变换方式，也可以采用非线性变换方式。本章我们首先引入移动通信系统的抽象物理模型，然后从最基本的调制方式开始讨论，主要侧重各种调制方式接收性能。同时结合各类无线通信系统，介绍实际应用的调制方式的基本原理和结构。本章内容本章内容3BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型在第二章中已较详细分析过移动信道，本章将针对传输的可靠性问题将移动信道与移动通信系统结合起来分析。在移动通信中，若假设信道满足线性时变特性，则根据不同环境条件，可以给出下列各种类型的移动信道与相应的移动通信系统的物理模型，如图所示。4BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型输出时变信道+去噪声Rake接收等空间分集等输入时间逆时变信道快衰落信道（选择性衰落）逆阴影衰落信道时变因子t交织编码等信道估计频率空间频率扩散因子时间扩散因子阴影衰落信道AWGN信道角度扩散因子阴影衰减因子噪声1anb3a2a逆AWGN信道11-C)(tC5C4C3C2C1C12-C逆快衰落信道（逆选择性衰落信道）13-C14-C15-C)(1tC-功率控制等1S2S3S4S5S6SAWGN信道及系统阴影衰落信道及系统平坦衰落信道及系统频率选择性衰落信道及系统时间/频率选择性衰落信道及系统时变的时间/频率选择性衰落信道及系统5BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型6.1.1 理想加性白色高斯理想加性白色高斯(AWGN)信道信道C1移动通信中研究AWGN信道C1的目的首先是由于它是最基本、最典型的恒参信道，是研究各类信道的基础。实际的移动信道是具有时变特性的衰落信道，提高这类信道的抗干扰性能主要有两类方法：一类是适应信道，另一类是改造信道，即将信道改造为AWGN信道，这时研究AWGN信道将更具有实际的现实意义。6BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型6.1.2 慢衰落信道慢衰落信道C2慢衰落信道是移动信道区别于有线信道的最基本特征之一，也是进一步研究各类快衰落信道的基础，慢衰落信道在有些文献资料中称为中尺度或大尺度传播特性，或称为阴影衰落信道。克服慢衰落的典型方法有：1.对电路交换型业务，特别是话音业务采用功率控制技术；2.对于分组交换型业务，特别是数据业务采用自适应速率控制更合适。这些自适应技术将在第十三章进一步讨论。7BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型6.1.3 快衰落信道快衰落信道C3、C4、C5与与C6在一些文献中称它们为小尺度传播特性，快衰落是移动信道最主要的特色，它又可划分为下列三类。由于传播中天线的角度扩散引起的空间选择性衰落。其最有效的克服手段是空间分集和其他空域处理方法。由于多径传播带来的时延功率谱的扩散而引起的频率选择性衰落，它在宽带移动通信中尤为突出。其最有效的克服方法有自适应均衡、正交频分复用(OFDM)以及CDMA系统中的RAKE接收等。8BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型6.1.3 快衰落信道快衰落信道C3、C4、C5与与C6由于用户高速移动导致的频率扩散即多普勒频移而引入的时间选择性衰落。它在高速移动通信尤为突出。其最为有效的克服方法是采用信道交织编码技术，即将由于时间选择性衰落带来的大突发性差错信道改造成为近似性独立差错的AWGN信道。上述三种类型快衰落信道可分别记为、和。若将时变因子单独予以考虑，则可以构成时变信道。但是实际的衰落信道特别是各类快衰落信道与时变特性是密不可分的，仅有慢衰落的时变特性可以单独予以考虑。9BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型6.1.3 快衰落信道快衰落信道C3、C4、C5与与C6上述移动信道物理模型在实际问题中往往可以分为下列四个常用信道模型：1.AWGN信道模型：这类信道服从正态(高斯)分布，是恒参信道中最典型的一类信道，也是无线移动信道等变参信道的努力方向和改造目标。2.阴影衰落信道：这类信道服从对数正态分布，它是研究无线移动信道的基础。10BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型6.1.3 快衰落信道快衰落信道C3、C4、C5与与C63.平坦瑞利衰落信道：这类信道遵从瑞利或者莱斯(RICE)分布，它是最典型的宽带无线和慢速移动的信道模型。在快衰落中仅仅考虑了空间选择性衰落。4.选择性衰落信道，它可分为两类：频率选择性衰落信道，是典型的宽带无线和慢速移动信道；时间选择性衰落信道，是典型的宽带无线和快速移动信道。11BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型6.1.4 传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能无线传输主要取决于下列因素。1.传播损耗：它是从宏观角度考虑的损耗，又称为大尺度特性。传播损耗是随着距离的25.5次方迅速衰减，即正比于，克服它唯一的方法是增大设备能力。比如增加发射功率，提高发送与接收天线增益等。2.慢衰落：它是由阴影效应引起的，又称为中尺度特性，慢衰落若按90出现概率，考虑其深度大约在10dB左右，对于IS-95其特性可参见下图。这20dB就是抗慢衰落的潜在增益12BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型6.1.4 传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能13BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型6.1.4 传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能3.快衰落：它是由传输中角度域、时间域和频率域扩散而引起的空间、频率与时间选择性衰落，又称为小尺度特性。空间选择性衰落：它是由系统及传输中角度扩散而引起的通常又称为平坦瑞利衰落。频率选择性衰落，它是由传播中多径产生的时延功率谱即时域的扩散而引入的。时间选择性衰落：它是由移动终端快速运动形成的多普勒频移即频域扩散而引入的以上三类快衰落及其抵抗措施与性能的改善而带来的抗衰落潜在增益和抗白噪声干扰的潜在增益可以利用下图表示。14BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型6.1.4 传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能0（dB）504540353025201510500/NEb110210310410shannon限2PSK2ASK2FSK平 坦 瑞 利 衰 落（空 间 选 择 性）时 频 选 择 性 衰 落（非 时 变）时、频 选 择 性 衰 落（时 变 信 道）误 码 率Pe编 码 增 益调 制增 益平 坦 瑞 利 衰 落 增 益时、频 选 择 性 衰 落dB87 dB6dB6.28dB30增 益15BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型6.1.4 传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能从以上图形及分析，可以很清楚看出，移动信道是一类极其恶劣的信道，必须采用多种抗衰落、抗干扰手段才能保证可靠通信，从总体上来看：1.对付大尺度传播特性所引入的衰耗仅能靠增大设备能力的方式。2.对付中尺度传播特性的慢衰落，一般可采用链路自适应方式，对于电路型话音业务适宜于采用功控的功率自适应；而对于分组型数据业务则适宜于链路的速率自适应。其潜在抗慢衰落能力(增益)大约为20dB左右。16BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.1 移动通信系统的物理模型移动通信系统的物理模型6.1.4 传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能传输可靠性与抗衰落、抗干扰性能对付小尺度的快衰落，对于克服平坦瑞利(空间选择性)衰落，当误码率时，大约有28dB左右的潜在增益；若再进一步考虑频率与时间选择性衰落，当时，有大于30dB潜在增益。对于加性白噪声(AWGN)信道，其调制潜在增益大约为6dB；其编码潜在增益，对于时，大约为7-8dB左右。上述分析对于慢时变信道，必需依据准确的信道估计技术，否则将带来一定程度的性能恶化。17BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.1 调制调制/解调的基本功能解调的基本功能1.载荷信息、频谱搬移载荷信息、频谱搬移2.抗干扰特性抗干扰特性3.频谱有效性频谱有效性4.调制信号的峰平比调制信号的峰平比18BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.1 调制调制/解调的基本功能解调的基本功能综上所述，在移动通信中对调制方式的选择主要有三条：首先是可靠性，即抗干扰性能，选择具有低误比特率的调制方式，其功率谱密度集中于主瓣内；其次是有效性，它主要体现在选取频谱有效的调制方式上，特别是多进制调制；第三是工程上易于实现，它主要体现在恒包络与峰平比的性能上。19BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.2 数字式调制数字式调制/解调的分类解调的分类数字式调制是将数字基带信号通过正弦型载波相乘调制成为带通型信号。其基本原理是用数字基带信号0与1去控制正弦载波中的一个参量。若控制载波的幅度，称为振幅键控ASK，若控制载波的频率，称为频率键控FSK，若控制载波的相位，称为相位键控PSK，若联合控制载波的幅度与相位两个参量，称为幅度相位调制，又称为正交幅度调制QAM。20BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.2 数字式调制数字式调制/解调的分类解调的分类若将上述由0与1组成的基带二进制调制进一步推广至多进制信号，将产生相应的MASK、MFSK、MPSK和MQAM调制。在实际的移相键控方式中，为了克服在接收端产生的相位模糊度，往往将绝对移相改为相对移相DPSK以及DQPSK。另外在实际移相键控调制方式中，为了降低已调信号的峰平比，又引入了偏移QPSK(OQPSK)、/4-DQPSK、正交复四相移键控CQPSK，以及混合相移键控HPSK等等。21BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.2 数字式调制数字式调制/解调的分类解调的分类在二进制基带调制之中，为了彻底消除由于相位跃变带来的峰平比增加和频带扩展，又引入了有记忆的非线性连续相位调制CPM，最小频移键控MSK，GMSK(高斯型MSK)以及平滑调频TFM等。上述各类调制中仅有后一类，即CPM，MSK，GMSK和TFM属于有记忆的非线性调制，其余各类调制均属于无记忆的线性调制。上述调制中最基本的调制为2ASK、2FSK、BPSK，后面将重点分析它们。22BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.2 数字式调制数字式调制/解调的分类解调的分类移动通信中最常用的调制方式有两大类：1986年以前由于线性高功放未取得突破性的进展，移动通信中调制技术青睐于恒包络调制的MSK和GMSK，比如GSM系统采用的就是GMSK调制，但是它实现较复杂，且频谱效率较低。1986年以后，由于实用化的线性高功放已取得了突破性的进展，人们又重新对简单易行的BPSK和QPSK予以重视，并在它们的基础上改善峰平比、提高频谱利用率，比如OQPSK、CQPSK和HPSK。在CDMA系统中，由于有专门的导频信道或者导频符号传送，因此CDMA体制中不采用相对移相的DPSK和DQPSK等。23BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.3 基本调制方法原理及性能简要分析基本调制方法原理及性能简要分析2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK调制原理波形如下图所示。1011100基 带 信 号2 A S K2 D P S K2 P S K2 F S K24BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.3 基本调制方法原理及性能简要分析基本调制方法原理及性能简要分析1.欧式空间距离法欧式空间距离法将二进制的已调信号矢量表达为二维欧式空间的距离，显然距离越大，抗干扰性就越强。2ASK当基带信号为“0”时，不发送载波，记为A00V；当基带信号为“1”时，发送归一化载波，记为A11V；则可用下列图型表示：25BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.3 基本调制方法原理及性能简要分析基本调制方法原理及性能简要分析1VA0=0A1=12FSK当基带信号为“0”时，发送归一化幅度的f0载波记为f0当基带信号为“1”时，发送归一化幅度的f1载波记为f126BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.3 基本调制方法原理及性能简要分析基本调制方法原理及性能简要分析可用下列图形表示：(为了使f0，f1互不干扰，f0、f1 应互相正交)f1f01 V1 VV227BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.3 基本调制方法原理及性能简要分析基本调制方法原理及性能简要分析2PSK当基带信号为“0”时，发送归一化幅度相位00载波记为0当基带信号为“1”时，发送归一化幅度相位1载波记为1则可用下列图形表示：28BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.3 基本调制方法原理及性能简要分析基本调制方法原理及性能简要分析由于，可知2PSK的抗干扰性能最佳，2FSK次之，2ASK性能最差。2 V1 V1 V=100=29BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.3 基本调制方法原理及性能简要分析基本调制方法原理及性能简要分析2.误码性能的解析表达式误码性能的解析表达式若三类调制方式均采用理想的相干解若三类调制方式均采用理想的相干解调方式，其误比特率公式如下所示。调方式，其误比特率公式如下所示。2ASK2FSK2PSK0124bbEPe r f cN=0122bbEPe r fcN=012bbEPe r f cN=30BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.3 基本调制方法原理及性能简要分析基本调制方法原理及性能简要分析若将上述公式画成图形，则误码性能可以表达为：0 123 45 67 89 1011121314-12-11-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1Eb/N0(dB)BER2ASK2FSK2PSK31BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.2 调制调制/解调的基本功能与要求解调的基本功能与要求6.2.3 基本调制方法原理及性能简要分析基本调制方法原理及性能简要分析由上述三类分析方式，可得出下列结论，在三种基本调制方式中，2PSK即BPSK抗干扰性能最佳。所以在移动通信中也不例外，其调制方式均以BPSK为基础。32BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.1 为什么采用为什么采用GMSK调制调制前面已介绍过在1986年线性高功放未取得突破性进展以前，移动通信中的调制是以恒包络调制技术为主体。MSK调制是一种恒包络调制，这是因为MSK是属于二进制连续相位移频键控(CPFSK)的一种特殊的情况，它不存在相位跃变点，因此在限带系统中，能保持恒包络特性。恒包络调制可提供以下优点：极低的旁瓣能量；可使用高效率的C类高功率放大器；容易恢复用于相干解调的载波；已调信号峰平比低。33BUPT Information Theory&Technology Education&Research CenterMSK是CPFSK满足移频系数时的特例：当时满足在码元交替点相位连续的条件，是移频键控为保证良好的误码性能所允许的最小调制指数；且此时波形的相关系数为0，待传送的两个信号是正交的。GMSK是MSK的进一步优化方案。数字移动通信中，当采用较高传输速率时，寻求更为紧凑的功率谱，更高的频谱利用效率，因此要求对MSK进一步优化。GMSK是属于MSK简单的优化方案，它只需在MSK调制前附加一个高斯型前置低通滤波器，进一步抑制高频分量，防止过量的瞬时频率偏移以及满足相干检测的需求。6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.1 为什么采用为什么采用GMSK调制调制34BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.2 MSK信号形式信号形式一个二进制移频键控信号中的第个码元的波形可以表达为：式中附加相位为，且,为频差，而瞬时频率：当载波频移量最小时(即频差最小)，这时调制指数为频差与数据速率之比。0()cos(),(1)kX tAttkTtkT=+()kt()kkddtadt=d1ka=00k dda =+=21hb=35BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center而将，带入上式求得：MSK是CPFSK h0.5时的特例，将其带入上式可得这时，而6.3.2 MSK信号形式信号形式20d6.3 MSK/GMSK调制调制=+10d=002dddbbh+=210.52dbh=4bd=()2442kbbkdkkkkdtfaaaadtT=36BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.2 MSK信号形式信号形式()()2kkkkkdtttdtadtT=+是积分常数，上式代入第一式可得k0()cos2kkktX tAtaT=+00()coscossinsin22kkkkkkttX tAat AatTT=+展开得：以上两式为MSK基本表达式。37BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.3 MSK调制器结构调制器结构MSK信号ak码U(t)预编码（差分编码）串/并变换bk码b(t)X(t)0cost0sintcos2btTsin2btT38BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.3 MSK调制器结构调制器结构图中主要实现步骤如下：输入为二元码，经预编码(差分编码)后得，再经串并变换后变成两路并行双极性不归零码，且相互间错开一个 波形，分别为和，符号宽度为。和分别乘以和，再乘以载波分量与，上，下两路信号相加，即求得MSK信号。即：1ka=1kkkbaa=bT()Ib t()Qbt2bT()Ib t()Qbtcos2btTsin2btT0cost0sint()X t39BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.3 MSK调制器结构调制器结构00()()coscos()sinsin22IQbbttX tb ttbttTT=+再经三角变换可得：0()cos()()()2IQbtX ttb t bttT=+式中，当时，时。这时，上式可写成：显然上式也是MSK的一种等效信号表示式。()1Ib t=()0t=()1Ib t=()t=0()cos()()()2IQbtX ttb tb ttT=+0cos()()2btta ttT=+40BUPT Information Theory&Technology Education&Research CenterMSK已调信号幅度是恒定的，在一个码元周期内，信号应包含1/4载波周期的整数倍。码元转换时，相位是连续无突变的。信号频偏严格的等于，相应调制指数：。以载波相位为基准的信号相位在一个码元周期内准确地线性变化。6.3.4 MSK信号的特点信号的特点6.3 MSK/GMSK调制调制14bT()()2121/0.5bbhffT=241BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.5 MSK解调器结构解调器结构在实际解调器往往需要解决载波恢复地相位模糊问题，因此在编码器中采用差分编码的预编码是必要的，同时在接收端也必须在正交相干解调器输出端也要附加一个差分译码器；MSK解调器原理方框图如下所示。取样判决取样判决并/串差分译码时钟速率为bT21tTtb0cos2costTtb0sin2sin)(tX)(tbI)(tbQ输出）（tU(21)(21)bbnTnTdt+(22)2bbnTnTdt+42BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.5 MSK解调器结构解调器结构其中，定时时钟速率，需要有一个专门的同步电路来提取，比如用平方环、科斯塔斯环、判决反馈环、逆调制环等。00()()coscos()sinsin22IQbbttX tb ttb ttTT=+12bT43BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center以上三类调制方式的基础是BPSK，即QPSK和MSK均是由BPSK演变形成的，下面首先给出求它们的功率谱密度的基本思路。可分三步来求，首先给出三类调制信号的表达式.BPSK:6.3.6 MSK与与GMSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度0()cos()kX tAtt6.3 MSK/GMSK调制调制=+当消息b(t)0时，(t)0，b(t)1时，(t)，这时上式可改变为：0()()cosX tAb tt=44BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center其次给出上述三类时域表达式的对应频域表达式，它由傅式变换来完成：即6.3.6 MSK与与GMSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度QPSK:6.3 MSK/GMSK调制调制00()()cos()sin2IQAX tb ttbtt=+MSK:将上述QPSK与的波形由矩形脉冲成形为：()()cos()2IIbtb tb tT()()sin()2QQbtbtbtT即00()()coscos()sinsin222IQbbAttX tb ttbttTT=+45BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center最后由三类不同信号谱函数求出三类不同的功率谱密度函数，即由公式6.3.6 MSK与与GMSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度6.3 MSK/GMSK调制调制22()()bbTjwtTS fX t edt=21()()bG fS fT=求得三类调制信号的功率谱密度分别为：46BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center2sin()2bbBPSKbbEfTGfTfT=(其中信号幅度)2bEA=2sin()bQPSKbbbfTGfE TfT=(其中信号幅度)2bAE=228sin()=bMSKbbbfTGfE TfT6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.6 MSK与与GMSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度47BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.6 MSK与与GMSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度BPSK，QPSK，MSK功率谱密度如下图所示48BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.6 MSK与与GMSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度由上述功率谱密度图形可见MSK、GMSK的频谱效率介于BPSK与QPSK之间，即比BPSK好，但不如QPSK，因为QPSK第一零点在归一化频率处，而BPSK的第一零点在的位置，MSK与GMSK的第一零点在的位置从抗干扰性即功率效率看GMSK最好，MSK次之，QPSK与BPSK性能最差。0.5bfT=1bfT=0.75bfT=49BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.6 MSK与与GMSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度GMSK信号的功率谱密度如下其中为B高斯滤波器的3dB带宽，为比特周期。bT50BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.7MSK、GMSK误码误码(比特比特)公式公式对于AWGN信道，接收端采用相干解调时其中系数00221=2bbbEEPerfcQNN=0.680.250.85bbGMSKBTMSKBT=，对，对，51BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制6.3.8 GMSK调制的小结调制的小结GMSK抗干扰性能接近于最优的BPSK，频谱效率比BPSK好。(就归一化频率而言)。BPSK：归一化频率(对于第一个零点，即带宽)GMSK：归一化频率(对于第一个零点，即带宽)0020.68 2=bbbEEPQNN=1bfT=0.75bfT=52BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.3 MSK/GMSK调制调制GMSK是恒定包络调制，这是因为它属于连续相位调制，不存在相位跃变点，而BPSK、QPSK由于存在明显的相位跃变点，所以不属于恒定包络调制，在工程实现上GMSK对高功率放大器要求低(线性度)，功放效率高。综上所述，GMSK是一类性能最优秀的二进制调制方式。6.3.8 GMSK调制的小结调制的小结53BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.4/4-DQPSK调制调制?调制方式的选择对于数字移动通信系统是非常重要的。北美的IS-54 TDMA标准、日本的PDC、PHS标准均采用了DQPSK作为调制方式。?DQPSK调制是一种正交差分移相键控调制，它的最大相位跳变值介于OQPSK和QPSK之间。对于QPSK而言，最大相位跳变值为180，而OQPSK调制的最大相位跳变值为90，DQPSK调制则为。?DQPSK调制是前两种调制方式的折中，一方面，它保持了信号包络基本不变的特性，降低了对于射频器件的工艺要求；另一方面，它可以采用非相干检测，从而大大简化了接收机的结构。但采用差分检测方法，其性能比相干QPSK有较大的损失，因此利用DQPSK的有记忆调制特性，也可以采用Viterbi算法的检测方法。54BUPT Information Theory&Technology Education&Research CenterDQPSK调制是QPSK和OQPSK调制的折中，其调制过程为：假设输入信号流经过串并变换得到两路数据流和，根据书上的表给出的相位偏移映射关系可以得到时刻的相位偏移值，从而得到当前时刻的相位值。这样由时刻的同相分量和正交分量信号、以及时刻的相位就可得到当前时刻的同相分量和正交分量、。DQPSK的调制方式可表示为如下公式：6.4.1/4-DQPSK差分检测差分检测/46.4/4-DQPSK调制调制,I km,Q kmkkk1k 1kI1kQkkIkQ/41111coscossinsinsincoskkkkkkkkkkkIIQQIQk=+1kkk其中=+01I=00Q=55BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.4/4-DQPSK调制调制6.4.1/4-DQPSK差分检测差分检测DQPSK调制的星座如下图所示，由图可知相邻时刻的信号点之间的相位跳变不超过，且某个时刻的信号点只能在四个信号点构成的子集中选择，这样DQPSK星座图实际上表示了信号点的状态转移。/43/4/4IQ11,2211,2211,2211,220,11,00,11,056BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.4/4-DQPSK调制调制6.4.1/4-DQPSK差分检测差分检测DQPSK信号通过AWGN白噪声信道后得到接收信号为：/4kkkuIpkkkvQq=+=+其中，、是服从的白噪声序列，是噪声方差。kpkq2(0,)N257BUPT Information Theory&Technology Education&Research CenterDQPSK调制的差分检测可表示为如下公式。其判决准则为：/46.4/4-DQPSK调制调制6.4.1/4-DQPSK差分检测差分检测1111kkkkkkkkkkxu uv vyv uu v=+=,1,01,0I kkQ kkmif xmif y=,0,00,0I kkQ kkor mif xor mif y=58BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.4/4-DQPSK调制调制6.4.2/4-DQPSKViterbi检测检测如前所述，DQPSK采用了差分编码，可以等价看作将相邻的两个输入比特先进行Gray编码然后再进行正交调制的过程，因此可以将它看作记忆长度为2的卷积编码器。由此，根据DQPSK调制的星座图，可以得到具有4个状态、16个转移分支的格状图，其Trellis图如下所示，可以采用Viterbi译码算法进行检测。/4/459BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center令其状态集合为或，转移分支集合为或。这样时刻的状态，分支。则Viterbi算法中的ACS(加比选)运算公式为：6.4.2/4-DQPSKViterbi检测检测591 3/4,/46.4/4-DQPSK调制调制=20,/2,=11111111122222222(,),(,),(,),(,)=2(0,1),(1,0),(1,0),(0,1)=k12kS 或12(,)kkI Q或1()max()(,),(,)kkkkkkkSM SM SMu vI Q+=+表示相关度量计算()M 60BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.4/4-DQPSK调制调制6.4.2/4-DQPSKViterbi检测检测/403/4/23/4/4/2/43/43/4/461BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center6.4/4-DQPSK调制调制6.4.2/4-DQPSKViterbi检测检测DQPSK调制采用差分检测，只利用了相邻符号之间的相关性，而Viterbi检测利用了整个接收序列的信息，因此其性能应当优于差分检测。根据上图的Trellis结构，容易得到DQPSK调制的状态转移函数：其中，X、Y的指数分别表示信息比特和编码比特的权重。/4222