2012-13-1移动通信技术简明教程2：第2章移动通信的调制技术解析.ppt

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1、第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程2.1 模拟调制技术模拟调制技术模拟调制方式有两类：幅度调制和角度调制。模拟调制方式有两类：幅度调制和角度调制。1.幅度调制幅度调制 1）调幅（）调幅（AM）2）双边带调幅（）双边带调幅（DSB）3）单边带调幅（）单边带调幅（SSB）4）残留边带调幅（）残留边带调幅（VSB）5）正交调幅（）正交调幅（QAM）2.角度调制角度调制 1）调频（）调频（FM）2）调相（）调相（PM）第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程 3.典型应用典型应用 1）SSB由于带宽最窄，频谱利用率最高，频率资源紧张的短波移

2、动通信系统常用它。2）FM由于抗干扰能力强，广泛用于VHF、UHF模拟移动通信系统。如 模拟无绳电话（45/48MHz频段，B=25KHz）无线寻呼（150MHz频段，B=25KHz）车载通信（150、400、450 MHz频段，B=25KHz）集群通信（800 MHz频段，B=25KHz）模拟蜂窝移动通信系统（1G,900 MHz频段，B=25KHz)第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程2.2 数字调制技术数字调制技术1.二进制数字调制 基本方式三种：1）幅度键控（ASK）2）频移键控（FSK）改进改进：最小频移键控（MSK）进一步改进进一步改进：经过高斯低通

3、滤波器的最小频移键控（GMSK）3）相移键控（PSK）改进改进：相对（或称差分）相移键控（DPSK）2.多进制数字调制 1）多电平（多幅）调制 2）多相调制（QPSK、OQPSK、/4QPSK、MPSK）3）多相多电平调制（MQAM)4）多载波调制（OFDM和COFDM）第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程3.典型应用 1）GMSK用于GSM数字蜂窝移动通信系统 2）QPSK用于IS-95 CDMA数字蜂窝移动通信系统 3）/4DQPSK用于PHS无线市话数字蜂窝移动通信系统（小灵通）4）QPSK/BPSK用于WCDMA和 cdma 2000第三代数字蜂窝移动通

4、信系统 5）DQPSK/16QAM用于TDSCDMA第三代数字蜂窝移动通信系统 6）OFDM技术用于TDLTE第四代数字蜂窝移动通信系统第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程 4.移动通信对数字调制要求 (1）抗干扰能力强 采用恒包络调角可抗严重的多径衰落 (2）频谱利用率高 采用FDMA、TDMA，占用频带窄，带外辐射小 采用CDMA，占用频带宽，但单位频谱容纳的用户数多 (3）误码率低 5 数字调制性能参数 （1）功率效率（Power Efficiency）p 每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比：（2）带宽效率（SpectralEfficiency）B 给定

5、带宽条件下每赫兹的数据通过率：第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程由香农(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。因此，最大可能的BMAX为 对于GSM，B=200 kHz,SNR=10 dB,有 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程1）二进制相移键控）二进制相移键控(BPSK)（1）表示式）表示式 0tTb 10tTb 0或式中，Tb为码元宽度，a(t)为调制信号。BPSK可用平衡调制器产生。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程2)2)差分相

6、移键控（差分相移键控（DPSKDPSK）DPSKDPSK接收机无需相干参考信号，接收机无需相干参考信号，广泛应用于无线通信系统。广泛应用于无线通信系统。DPSK调制器框图如下。图中，调制器框图如下。图中，第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程3）正交相移键控正交相移键控QPSK(4PSK)由由于于在在一一个个调调制制符符号号中中发发送送2 bit,QPSK 较较BPSK频频带带利利用用率率提提高高了了一一倍倍。载载波波相相位位取取四四个个空空间间相相位位0、/2,和和3/2中中的的一一个个，每每个个空空间间相相位位代表一对惟一的比特。代表一对惟一的比特。QPSK信

7、号可写成：信号可写成：0tTs i=1,2,3,4 Ts是符号间隙,等于两个比特周期,上式可进一步写成:第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程假设假设 0tTs 0tTs 则有则有 i=1,2,3,4 QPSK信号矢量图信号矢量图(a)/4系统；系统；(b)/2系统系统 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程QPSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度 QPSK的相位关系图的相位关系图 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程4 4）交错正交四相相移键控）交错正交四相相移键控(OQPSK)(OQPSK)限限带带

8、后后的的QPSKQPSK已已不不能能保保持持恒恒包包络络。相相邻邻符符号号之之间间发发生生180180相相移移时时，经经限限带带后后会会出出现现包包络络过过零零的的现现象象。反反映映在在频频谱谱方方面面，出出现现边边瓣瓣和和频频谱谱加加宽宽的的现现象象。为为防防止止出出现现这这种种情情况况，QPSKQPSK使使用用效效率率低低的的线线性性放放大大器器 进进 行行 信信 号号 放放 大大 是是 必必 要要 的的。QPSKQPSK的的 一一 种种 改改 进进 型型 是是 交交 错错QPSKQPSK（OffsetQPSKOffsetQPSK）。OQPSKOQPSK对对出出现现边边瓣瓣和和频频宽宽加加

9、宽宽等等有有害害现现象象不不敏敏感，可以得到效率高的放大。感，可以得到效率高的放大。OQPSK信号调制器框图信号调制器框图 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程OQPSK的I、Q信道波形及相位路径 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程OQPSK相位关系图 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程5）/4-QPSK /4-QPSK调调制制是是对对OQPSK和和QPSK在在实实际际最最大大相相位位变变化化进进行行折折衷衷。它它可可以以用用相相干干或或非非相相干干方方法法进进行行解解调调。在在/4-QPSK中

10、中，最最大大相相位位变变化化限限制制在在135。因因此此，带带宽宽受受限限的的QPSK信信号号在在恒恒包包络络性性能能方方面面较较好好，但但是是在在包包络络变变化化方方面面比比OQPSK要要敏敏感感。非非常常吸吸引引人人的的一一个个特特点点是是，/4-QPSK可可以以采采用用非非相相干干检检测测解解调调，这这将将大大大大简简化化接接收收机机的的设设计计。在在采采用用差差分分编编码码后后，/4-QPSK可成为可成为/4-DQPSK。设已调信号为设已调信号为 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程/4-QPSK信号具有频谱特性好，功率效率高，抗干扰能力强等特点。可以在

11、25kHz带宽内传输32kb/s的数字信息，从而有效地提高了频谱利用率，增大了系统容量。因而在低功率系统(如PHS，“小灵通”系统)中得到应用。对于大功率系统，易进入非线性，从而破坏线性调制的特征。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程恒包络调制技术恒包络调制技术 恒包络调制（Constant Envelope Modulation），不管调制信号的变化,保证载波振幅恒定。优点优点 功放工作在丙类,不会引起发射信号占用频谱增大。带外辐射低(-60-70 dB)接收电路简单，使用简单限幅器-鉴频器检测，便可抗随机FM噪声和瑞利(Rayleigh)衰落造成的影响 第2

12、章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程 1）最小频移键控（最小频移键控（MSK）虽然OQPSK和/4-QPSK信号消除了QPSK信号中180的相位突变，但并没有从根本上解决包络起伏的问题。一种能够产生恒定包络连续相位信号的调制称为最小频移键控，简称MSK,有时亦称为Fast FSK（FFSK）。MSK是2FSK的一种特殊情况。它具有正交信号的最小频差，在相邻符号的交界处保持连续。这类连续相位FSK（CPFSK）可表示为（4-50）第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程式中：（t）是随时间变化而发生连续变化的相位，fc为载波频率，A为已调信

13、号幅度。由2FSK信号的如下正交条件：可知，最小频差为 式中：f1和f2分别为2FSK信号的两个频率，Ts为信号码元间隔，Tb为二进制信息的间隔。此时有:第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程式中，k为初始相位。由此MSK信号可写为 式中，ak=1，分别表示二进制信息。当码元为1时，则信号为：ak=1 ak=-1 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程式中：传号角频率 空号角频率 定义两个信号sm(t)与ss(t)的波形相关系数为 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程 此式说明，每个码元宽度是1/4个载

14、波周期的整数倍。此条件满足后，相关系数可写为 时，则=0。此时，sm(t)和ss(t)两信号正交。当n=1时，(m-s)Tb=为最小频差。设调制系数为 为便于控制，希望两信号正交，正交条件是相关系数为零。令 n=1,2,3,则 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程MSK信号波形 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程MSK信号的相位信号的相位 MSK信号的相位连续性，有利于压缩已调信号所占频谱宽度和减小带外辐射，因此需要讨论在每个码元转换的瞬间保证信号相位的连续性问题。由式（4-54）可知，附加相位函数(t)与时间t的关系是直线方程

15、，其斜率为ak/2Tb，截距为k。因为ak的取值为1，k是0或的整数倍。所以,附加相位函数(t)在码元期间的增量为 式中，正负号取决于数据序列ak。;根据ak=+1,-1,-1,+1,+1,+1，可作出附加相位路径图如图4-22所示。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程MSK信号的正交性信号的正交性 MSK的信号表达式为 式中：式中：ak=1;k=0或 展开上式，得 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程MSK信号的产生信号的产生MSK信号可用正交调幅合成方式来实现。调制器框图如图所示。其中ck=akck-1。第2章 移动通信的调制

16、技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程 对于MSK信号的产生,其电路形式不是惟一的,但均必须具有MSK信号的基本特点。即 恒包络,频偏为1/4Tb,调制指数h=1/2 附加相位在一个码元时间的线性变化/2,相邻码元转换时刻的相位连续 一个码元时间是1/4个载波周期的整数倍 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程MSKMSK信号的性能信号的性能 恒包络，连续相位，功率谱密度特性优于一般数字调制器。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程 MSK功率谱密度曲线的主瓣较宽，第一零点在0.75/Tb处，第一旁瓣峰值比主瓣低约23dB，旁

17、瓣下降比较快。QPSK信号主瓣较窄，第一零点在0.5/Tb处,旁瓣下降比MSK要慢。但移动通信系统通常要在25kHz信道间隔中传输16kb/s的数字信号，邻道辐射功率要低于-80-70dB，显然MSK不能满足。GMSK能很好满足。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程 2）高斯滤波最小移频键控（）高斯滤波最小移频键控（GMSK）将原始信号通过高斯低通滤波器后，再进行MSK调制即可。实现GMSK关键是设计性能良好的高斯低通滤波器:(1）有良好的窄带和尖锐的截止特性,以滤除基带信号中的高频成分。(2）脉冲响应过冲尽可能小,以防止已调波瞬时频偏过大 (3）输出脉冲响应曲

18、线的面积对应的相位为/2,使调制系数为1/2。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程满足这些特性的高斯低通滤波器的频率传输函数H(f)为式中,是与滤波器3 dB带宽Bb有关的一个系数，选择不同的，滤波器的特性随之而改变。通常将高斯低通滤波器的传输函数值为 时的滤波器带宽，定义为滤波器的3 dB带宽，即：由上式可见，改变时，带宽Bb也随之改变。反之，已知滤波器的3 dB带宽，得出参数，进行滤波器设计。(4-104)(4-105)第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程 3）M进制进制相移键控（相移键控（MPSK）载波频率承载有M个可能值,

19、i=2(i-1)/M,此处M为自然数。调制波形表达如下:0tTsi=1,2,:,M 式中：Es=(lbM)Eb为符号位的能值,Ts=(lbM)Tb为时隙周期。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程通过选择基带信号 MPSK信号可表达如下:i=1,2,M 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程MPSK星座分布图（M=8）第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程4 4）M M进制正交振幅调制（进制正交振幅调制（QAMQAM）MPSK调制中，传输信号的振幅是恒定的，因此形成了一个圆周状的星座图。如果允许幅度可随相

20、位变化而变化，就可产生一种新的调制方式M维正交振幅调制（QAM）。下图是16维QAM的星座图。图中信号为格状分布。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程4）M进制进制频移键控（频移键控（MFSK）在MFSK调制中，传输信号s i(t)定义如下 0tTs i=1,2,:,M 式中，对于某些固定的整数nc而言，fc=nc/2Ts。M种传输信号都具有同样的信号能量和持续时间，信号频率被1/2Ts Hz所分割，这使得信号之间相互正交。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程 2.3 2.3 正交频分复用正交频分复用（OFDM）技术）技术把整个可

21、用信道频带B划分为N个带宽为f的子信道。把N个串行码元变换为N个并行的码元，分别调制这N个子信道载波进行同步传输，这就是频分复用。通常f很窄，若子信道的码元速率1Tsf，各子信道可以看做是平坦性衰落的信道，从而避免严重的码间干扰。另外,若频谱允许重叠，还可以节省带宽而获得更高的频带效率。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程FDM（a）、OFDM(b)带宽的比较 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程设串行的码元周期为ts，速率为rs=1ts。经过串/并变换后N个串行码元被转换为长度为Ts=Nts、速率为Rs=1Ts=1Nts=rsN

22、的并行码。N个码元分别调制N个子载波：fn=f0+nf(n=0，1，2，N-1)式中：f为子载波的间隔，设计为 各支路的调制可采用PSK、QAM。为了提高频谱利用率，通常采用多进制调制。系统发射频谱的形状是经过仔细设计的，使得每个子信道的频谱在其他子载波频率上为零，这样子信道间不会发生干扰。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程由于频谱的重叠使得带宽效率得到很大提高，OFDM信号的带宽一般可表示为 式中：为子载波信道带宽的一半。设每个支路采用M进制调制，N个并行支路传输的比特速率便为Rb=NRslbM，因此带宽效率为 为了提高频带利用率可以增加子载波的数目N。第2

23、章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程 一个OFDM符号包含多个经过相移键控(PSK)或者正交幅度调制(QAM)的子载波。其中，Ns表示子载波的个数，Ts表示OFDM符号的持续时间(周期)，di(i=0，1，2，Ns-1)是分配给每个子信道的数据符号，fi是第i个子载波的载波频率，retc(t)=1，|t|T2，则从t=ts开始的OFDM符号可以表示为(4-152)第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程 OFDM系统中子信道符号的频谱 第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程OFDM技术早在20世纪中期就已出现

24、，但信号的产生及解调需要许多的调制解调器，硬件结构的复杂性使得在当时的技术条件下难以在民用通信中普及，20世纪70年代出现用离散傅氏变换(DFT)方法可以简化系统的结构，但也是在大规模集成电路和信号处理技术充分发展后才得到广泛的应用。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程OFDMOFDM的特点的特点(1)高速率数据流通过串/并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效减少了无线信道的 时 间 弥 散 带 来 的 符 号 间 干 扰(InterSymbol Interference，ISI)，减小了接收机内均衡的复杂度。(2)传统的频分多路传输方法，

25、将频带分为若干个不相交的子频带传输并行数据流，子信道间要保留足够的保护频带。而OFDM系统由于各子载波间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可最大限度利用频谱资源。当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2BaudHz。(3)各子信道中的正交调制解调可通过反离散傅里叶变换(IDFT)和离散傅里叶变换(DFT)实现。对子载波数较大的系统，可采用快速傅里叶变换(FFT)实现。而随着大规模集成电路和DSP技术的发展，IFFT与FFT非常容易实现。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程 (4)无线数据业务一般存在非对称性，即下行

26、链路中传输的数据量大于上行链路中的，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输。OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道实现上行和下行链路中不同的传输速率。(5)OFDM容易与其他接入方式结合使用，构成各种系统，其中包括MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多个用户可同时利用OFDM技术进行信息传输。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程但是由于OFDM系统内存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在以下缺点：(1)由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传

27、输过程中出现无线信号的频谱偏移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道的信号相互干扰(ISI)。这种对频率偏差的敏感是OFDM系统的主要缺点之一。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程(2)由于多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致出现较大的峰 值 平 均 功 率 比(PeaktoAveragePowerRatio，PAPR)，可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，

28、使系统的性能恶化，这就对发射机内功率放大器提出了很高的要求。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程OFDMOFDM系统关键技术系统关键技术1)1)时域和频域同步时域和频域同步OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中可能与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频域同步显得尤为重要。与其他数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端广播式发送同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带的信息

29、进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步可以分别在时域或频域进行，也可以时、频域同步同时进行。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程2)信道估计在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题。一是导频信息的选择，由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断地传送。二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动

30、通信技术简明教程3)信道编码和交织为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。在OFDM系统中，如果信道频域特性比较平缓，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是，OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成编码OFDM(COFDM)方式。编码可以采用各种码，如分组码、卷积码等，卷积码的效果要比分组码好。

31、第2章 移动通信的调制技术 移动通信技术简明教程移动通信技术简明教程4)降低峰均功率比由于OFDM信号时域上表现为n个正交子载波信号的叠加，当这n个信号恰好均以峰值相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的n倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均功率比的OFDM信号，发送端对高功率放大器(HPA)的线性度要求很高，且发送效率极低，接收端对前端放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降，甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统PAPR的方法。