第三章 移动通信中的信源 编码和调制技术

1、移动通信移动通信第三章第三章 移动通信中的信源移动通信中的信源 编码和调制技术编码和调制技术 2Mobile Communication Theory目录目录概述概述3.1信源编码信源编码3.2高斯最小移频键控高斯最小移频键控GMSKGMSK3.4高阶调制高阶调制 3.6QPSKQPSK调制调制 3.5最小移频键控最小移频键控MSKMSK 3.3正交频分复用正交频分复用 3.73Mobile Communication Theory学习重点与要求学习重点与要求信源编码的目的；信源编码的目的；信源编码的原理和应用；信源编码的原理和应用；在蜂窝移动通信中对调制解调技术的要求；在蜂窝移动通信中对调制

2、解调技术的要求；频移键控信号的相位连续性对信号功率谱的影响；频移键控信号的相位连续性对信号功率谱的影响；MSKMSK和和GMSKGMSK信号特点和功率谱特性；信号特点和功率谱特性；QPSKQPSK、OQPSKOQPSK和和 -QPSK-QPSK信号特点和功率谱特性；信号特点和功率谱特性；高阶调制原理及其在高阶调制原理及其在3G3G、4G4G中的应用；中的应用；正交频分复用的原理与应用。正交频分复用的原理与应用。44Mobile Communication Theory3.1 3.1 概述概述 调制调制就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携

3、带信息的信号与信道特性相匹配以及有效的利用信道。信息的信号与信道特性相匹配以及有效的利用信道。多径衰落、多普勒频率扩展；日益增加的用户数目，无线多径衰落、多普勒频率扩展；日益增加的用户数目，无线信道频谱的拥挤这些因素对调制方式的选择都有重大的信道频谱的拥挤这些因素对调制方式的选择都有重大的影响影响。信源编码信源编码将信源中的冗余信息进行压缩，减少传递信息所需将信源中的冗余信息进行压缩，减少传递信息所需的带宽资源，这对于频谱有限的移动通信系统而言是至关重的带宽资源，这对于频谱有限的移动通信系统而言是至关重要的。要的。5Mobile Communication Theory影响调制方式的选择的主要

4、因素影响调制方式的选择的主要因素1.1. 频带利用率频带利用率：在数字调制中，常用带宽效率在数字调制中，常用带宽效率b b 来表示它对频谱来表示它对频谱资源的利用效率，它定义为资源的利用效率，它定义为b b R Rb b/ /B B, ,其中其中R Rb b为比特速率，为比特速率，B B为无线为无线信号的带宽。信号的带宽。2.2. 功率效率功率效率: :指保持信息精确度的情况下所需的最小信号功率（或者指保持信息精确度的情况下所需的最小信号功率（或者说最小信噪比）说最小信噪比） 3.3. 已调信号恒包络已调信号恒包络 4.4. 易于解调易于解调 5.5. 带外辐射：带外辐射：一般要求达到一般要求

5、达到-60到到-70dB 在移动通信系统中，采用何种调制方式，要综合考虑上述在移动通信系统中，采用何种调制方式，要综合考虑上述各种因素。各种因素。63.2 3.2 信源编码信源编码Mobile Communication Theory3.2.1 3.2.1 信源编码的基本概念信源编码的基本概念3.2.2 3.2.2 移动通信中的信源编码移动通信中的信源编码3.2.3 3.2.3 移动通信中的信源编码举例移动通信中的信源编码举例73.2.1 3.2.1 信源编码的基本概念信源编码的基本概念Mobile Communication Theory在数字系统中，在数字系统中，信源编码信源编码的基本目的

6、就是通过压缩信源的基本目的就是通过压缩信源产生的冗余信息来提高整个传输链路的有效性。产生的冗余信息来提高整个传输链路的有效性。信息的冗余来自两个主要的方面：信息的冗余来自两个主要的方面：首先是信源的相关性和记忆性。这类降低信源相关性和首先是信源的相关性和记忆性。这类降低信源相关性和记忆性编码的典型例子有预测编码、变换编码等。记忆性编码的典型例子有预测编码、变换编码等。其次是信宿对信源失真有一定的容忍程度。这类编码的其次是信宿对信源失真有一定的容忍程度。这类编码的直接应用有很大一部分是在对模拟信源的量化上，或连直接应用有很大一部分是在对模拟信源的量化上，或连续信源的限失真编码。续信源的限失真编码

7、。可以把信源编码看成是在有效性和传递的信息完整性可以把信源编码看成是在有效性和传递的信息完整性（质量）之间的一种折中手段。（质量）之间的一种折中手段。83.2.2 3.2.2 移动通信中的信源编码移动通信中的信源编码Mobile Communication Theory 移动通信中的信源编码与有线通信不同，它不进需移动通信中的信源编码与有线通信不同，它不进需要对信息传输有效性进行保障，还应该与其他一些系统要对信息传输有效性进行保障，还应该与其他一些系统指标密切相关，例如容量、覆盖和质量。以指标密切相关，例如容量、覆盖和质量。以GSMGSM为例说为例说明。明。 以以GSMGSM系统中普通的全速率

8、和半速率话音编码来说，系统中普通的全速率和半速率话音编码来说，其速率分别为其速率分别为13kbps13kbps和和6.5kbps6.5kbps，前者的话音质量好于前者的话音质量好于后者，但占用的系统资源是后者的两倍左右。当系统的后者，但占用的系统资源是后者的两倍左右。当系统的覆盖不是限制因素时，使用半速率编码可以牺牲质量换覆盖不是限制因素时，使用半速率编码可以牺牲质量换取倍增的容量，即提高系统的有效性。而当系统的容量取倍增的容量，即提高系统的有效性。而当系统的容量相对固定时，可以通过使用半速率编码牺牲质量换取覆相对固定时，可以通过使用半速率编码牺牲质量换取覆盖的增加，因为半速率编码对于接收信号

9、质量的要求降盖的增加，因为半速率编码对于接收信号质量的要求降低了。低了。93.2.2 3.2.2 移动通信中的信源编码移动通信中的信源编码Mobile Communication Theory 除此之外移动通信中的信源编码的设计和实现还要考虑其除此之外移动通信中的信源编码的设计和实现还要考虑其他一些因素。他一些因素。 由于移动终端是由电池供电，其运算处理能力悠闲，因此由于移动终端是由电池供电，其运算处理能力悠闲，因此信源编译码就要在保证质量的前提下尽可能地降低复杂度。信源编译码就要在保证质量的前提下尽可能地降低复杂度。 另外考虑到信宿处理能力的差异，编码后的数据流应该包另外考虑到信宿处理能力的

10、差异，编码后的数据流应该包含不同质量等级的信息，以适应不同终端的需求。含不同质量等级的信息，以适应不同终端的需求。 考虑到移动信道的差错特性和一些话音、多媒体业务的实考虑到移动信道的差错特性和一些话音、多媒体业务的实时性，这类业务通常要求移动通信中的信源编码能够容忍一时性，这类业务通常要求移动通信中的信源编码能够容忍一定的差错而无需复杂的重传。定的差错而无需复杂的重传。103.2.3 3.2.3 移动通信中的信源编码举例移动通信中的信源编码举例Mobile Communication Theory2G/3G中的话音信源编码中的话音信源编码 2G/3G2G/3G中的话音信源编码的基本原理是相同的

11、，都采用了矢量量化中的话音信源编码的基本原理是相同的，都采用了矢量量化和参数编码的方式。和参数编码的方式。1.IS-95中的变速率码激励线性预测编码（中的变速率码激励线性预测编码（CELP） IS-95IS-95中的中的CELPCELP技术通过四个等级的变速率编码实现话音激活，即技术通过四个等级的变速率编码实现话音激活，即使用者发声时进行全速率（使用者发声时进行全速率（9.6kbps9.6kbps）编码，而不发声时仅仅传递八分）编码，而不发声时仅仅传递八分之一（之一（1.2kbps1.2kbps）的背景噪声，以降低功耗和对其他用户的干扰。）的背景噪声，以降低功耗和对其他用户的干扰。2. GPR

12、S/WCDMA中的自适应多速率编码（中的自适应多速率编码（AMR） AMRAMR的基本原理是根据环境或应用需求的变化动态调整编码速率，的基本原理是根据环境或应用需求的变化动态调整编码速率，例如在信道条件恶化时，降低编码速率，通过牺牲话音品质以拿出更例如在信道条件恶化时，降低编码速率，通过牺牲话音品质以拿出更多的无线资源用于更可靠的信道编码以保证基本的语音可懂，而在信多的无线资源用于更可靠的信道编码以保证基本的语音可懂，而在信道条件好的时候则采用较高的编码速率保证话音品质。道条件好的时候则采用较高的编码速率保证话音品质。113.2.3 3.2.3 移动通信中的信源编码举例移动通信中的信源编码举例

13、Mobile Communication Theory3. CDMA2000演进系统中的可选择模式语声编码（演进系统中的可选择模式语声编码（SMV） SMVSMV用于用于CDMA2000CDMA2000演进系统中，其基本原理与前述两种基本相同，它也演进系统中，其基本原理与前述两种基本相同，它也是可变速率的，从速率等级上看与是可变速率的，从速率等级上看与IS-95IS-95中的中的CELPCELP一样，有一样，有9.6kbps9.6kbps、4.8kbps4.8kbps、2.4kbps2.4kbps、1.2kbps1.2kbps四种，不同的是，四种，不同的是，SMVSMV允许有四种模式供系允许有

14、四种模式供系统侧选择，即统侧选择，即Mode 0Mode 0（高品质模式）、（高品质模式）、Mode 1Mode 1（标准模式）、（标准模式）、Mode 2Mode 2（经济模式）、（经济模式）、Mode 3Mode 3（容量节省模式），不同的模式实现不同程度的（容量节省模式），不同的模式实现不同程度的话音质量和平均速率的折中，通过调整不同等级速率所占的比例实现不话音质量和平均速率的折中，通过调整不同等级速率所占的比例实现不同的模式，从而调整平均数据速率。同的模式，从而调整平均数据速率。3G系统中的视频信源编码系统中的视频信源编码H.264 在在3GPP3GPP的的R6R6、R7R7以及以及3

15、GPP23GPP2的高演进版本中，视频通信业务采用了的高演进版本中，视频通信业务采用了H.264/AVCH.264/AVC（高级视频编码）视频压缩标准。（高级视频编码）视频压缩标准。123.2.3 3.2.3 移动通信中的信源编码举例移动通信中的信源编码举例Mobile Communication Theory3G系统中的视频信源编码系统中的视频信源编码H.264 H.264H.264从某种程度上看是从某种程度上看是MPEGMPEG的扩展。在的扩展。在H.264H.264中，一幅图像可编中，一幅图像可编码成一个或者若干个片（码成一个或者若干个片（sliceslice，此处与帧的含义相同），每个

16、，此处与帧的含义相同），每个sliceslice包含整数个包含整数个MBMB（Macro BlockMacro Block），相当于一个完整图像中的不同区域，），相当于一个完整图像中的不同区域，编码片（编码片（sliceslice）共有）共有5 5中不同的类型，包括中不同的类型，包括I I片、片、B B片、片、P P片、片、SPSP片、片、SISI片，片，SPSP和和SISI介于介于I I与与P P之间，但考虑了更多数据片之间的相关性，进一之间，但考虑了更多数据片之间的相关性，进一步压缩了数据速率。步压缩了数据速率。 NAL NAL的工作模式分为的工作模式分为SSMSSM（孤立片模式）和（孤立

17、片模式）和DPMDPM（数据分区模式），（数据分区模式），如图如图3.13.1所示。在所示。在SSMSSM中，属于同一数据片的所有编码信息在一个中，属于同一数据片的所有编码信息在一个RTPRTP数数据包中通过网络进行传输。在据包中通过网络进行传输。在DPMDPM中，每个中，每个sliceslice中的中的MBMB间彼此联系，间彼此联系，利用相邻利用相邻MBMB存在空间相关性来进行帧内预测编码。将图像数据分成动存在空间相关性来进行帧内预测编码。将图像数据分成动态矢量数据（即基本层，需要更好的差错保护）以及剩余的信息。态矢量数据（即基本层，需要更好的差错保护）以及剩余的信息。133.2.3 3.2

18、.3 移动通信中的信源编码举例移动通信中的信源编码举例Mobile Communication Theory图图 3.1 H.2643.1 H.264网络自适应层网络自适应层NALNAL工作模式示意图工作模式示意图每个数据片的编码视频信息每个数据片的编码视频信息首先被分割成三部分并分别首先被分割成三部分并分别放到放到A A、B B、C C数据分区中，数据分区中，每个数据分区中包含的信息每个数据分区中包含的信息被分别封装到相应的被分别封装到相应的RTPRTP数数据包中通过网络进行传输。据包中通过网络进行传输。其中，其中，Part APart A中包含最重要中包含最重要的的sliceslice头信

19、息，头信息，MBMB头信息，头信息，以及动态矢量信息；以及动态矢量信息；Part BPart B中包含帧内和中包含帧内和SISI片宏块的编片宏块的编码残差数据，能够阻止误码码残差数据，能够阻止误码继续传播；继续传播；Part CPart C中包含帧中包含帧间宏块的编码残差数据，帧间宏块的编码残差数据，帧间编码数据块的编码方式信间编码数据块的编码方式信息和帧间变换系数。息和帧间变换系数。14Mobile Communication Theory.3.3 最小移频键控最小移频键控MSK MSK 3.3.1 3.3.1 相位连续的相位连续的FSKFSK 3.3.2 MSK3.3.2 MSK信号的相位

20、路径、频率及功率谱信号的相位路径、频率及功率谱15Mobile Communication Theory3.3.1 3.3.1 相位连续的相位连续的FSK FSK 2FSK2FSK信号信号 设要发送的数据为ak=1，码元长度为Tb。在一个码元时间内，它们分别用两个不同频率f1 ， f2的正弦信号表示，例如:11221:( )cos()(1)1:( )cos()kFSKbbkFSKasttkTtkTastt 式中 11222,2ff,定义载波角频率(虚载波) 为：122()/2ccf1, 2对c 的角频偏为： 122|/2ddf16Mobile Communication Theory3.3.1

21、 3.3.1 相位连续的相位连续的FSKFSK定义调制指数h: :12|22/bdbdbhffTfTfR根据ak ,h ,Tb可以重写一个码元内 2FSK信号表达式:( )cos()coscos( )FSKckdkckkbckhsttattatTtt 式中 称作附加相位。 ( )(1)kkkbbbhtakTtkTT 17Mobile Communication Theory3.3.1 3.3.1 相位连续的相位连续的FSKFSK附加相位附加相位是t的线性函数，其中斜率为 ,截距为 ，其特性如图3.2 /kbah Tk 产生2FSK信号两种不同的方法：开关切换方法开关切换方法（相位不连续）和调调

22、频频（相位连续），如图3.3(a) 开关切换(b) 调频方式图 3.3 2FSK信号的产生ak11cost22cost2( )FSKStak(t)FM2( )FSKSt18Mobile Communication Theory3.3.1 3.3.1 相位连续的相位连续的FSKFSK 所谓相位连续是指不仅在一个码元持续期间相位连续，而且在从码元ak-1到ak转换的时刻kTb，两个码元的相位也相等，即1()()kbkbTT11(1)kbkkbkbbhhakTakTTT即这样就要求满足关系式: 11kkkkaah k19Mobile Communication Theory3.3.1 3.3.1 相

23、位连续的相位连续的FSKFSK 即要求当前码元的初相位由前一码元的初相位、当前码元ak和前一码元ak-1来决定。 这关系就是相位约束条件。这两种相位特性不同的FSK信号波形如图3.4所示。 s2FSK(t)b(t)f1f1f1f2f2f2111000(a) 相位不连续的FSK波形22cos()t11cos()t(b) 相位连续的FSK波形b(t)111000s2FSK(t)c(t)f1f1f1f2f2f2( ) t（载波）图 3.4 2FSK信号的波形20Mobile Communication Theory3.3.1 3.3.1 相位连续的相位连续的FSKFSK 由图3.4可以看出，相位不连

24、续的2FSK信号在码元交替时刻，波形是不连续的，而CPFSK信号是连续的，这使得它们的功率谱特性很不同。图3.5分别是它们的功率谱特性例子。（a) 相位不连续的2FSK的功率谱RbTb=10123-1-20.040.080.120.16f Tbh=1.5h=0.8x=( f-fc)Tb0123-1-2x=(f-fc)Tbh=0.8h=1.5h=0.50.20.40.60.81（b)相位连续的2FSK的功率谱图 3.5 2FSK信号的功率谱21Mobile Communication Theory3.3.1 3.3.1 相位连续的相位连续的FSKFSK 可以发现，在相同的调制指数可以发现，在相同

25、的调制指数h h情况下，情况下，CPFSKCPFSK的带的带宽要比一般的宽要比一般的2FSK2FSK带宽要窄。这意味着前者的频带效率带宽要窄。这意味着前者的频带效率要高于后者。要高于后者。 随着调制指数随着调制指数h h的增加，信号的带宽也在增加。从频的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数带效率考虑，调制指数h h不宜太大。但过小又因两个信号不宜太大。但过小又因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测。所以应当从它们的频率过于接近而不利于信号的检测。所以应当从它们的相关系数以及信号的带宽综合考虑。相关系数以及信号的带宽综合考虑。22Mobile Communication Theo

26、ry2FSK信号的归一化互相关系数可以求得如下（为方便讨论，令它们的初相为零）： 120sin 2sin 22coscos(2)(2)bTc bd bbc bd bTTttdtTTT通常总是cTb =2fc/fb 1,或cTb=n，因此略去第一项，得到 1212sin2sin2 ()sin222 ()2d bbd bbTffThTffTh-h关系曲线如图3.6。 3.3.1 3.3.1 相位连续的相位连续的FSKFSK23Mobile Communication Theory从图中可以看出，当调制指数h=0.5，1，1.5，.时，=0, 即两个信号是正交的。h=0.5的CPFSK就称作最小移频

27、键控MSK。它是在两个信号正交的条件下，对给定的Rb有最小的频差。3.3.1 3.3.1 相位连续的相位连续的FSKFSK图 3.6 2FSK信号的相关系数010.511.5h24Mobile Communication Theory3.3.2 MSK3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱信号的相位路径、频率及功率谱由于h=1/2，MSK的相位约束条件就是112kkkkaak由于|ak-ak-1|总为偶数，所以初始相位为零时，其后各码元的初相位为的整数倍。相位路径的例子如图3.7所示，其中初始相位为零。图中可以看到的取值为0，-、-、-、3、.（k=0,1,2.）。 1.1.相位路径相

28、位路径图 3.7 附加相位的相位路径t/Tbk03223-1-1-1+1+1+1+1123456.( ) t25Mobile Communication Theory3.3.2 MSK3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱信号的相位路径、频率及功率谱在MSK信号中，码元速率Rb=1/ Tb、峰值频偏fd和两个频率f1、f2存在一定的关系。 212122 ()22 ()c bc bbd bd bbTf Tff TmTf Tff Tn当给定码元速率Rb时可以确定各个频率如下：21/4(1)/4(1)/4cbbbfm RfmRfmR即载波频率应当是Rb/4的整数倍。 2.MSK2.MSK的频

29、率关系的频率关系26Mobile Communication Theory3.3.2 MSK3.3.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱信号的相位路径、频率及功率谱3.MSK3.MSK的功率谱的功率谱MSK的功率谱为 2222cos21614cbbMSKcbffTA TWfffT式中A为信号的幅度。功率谱特性如图3.8所示。为便于比较，图中也给出一般2FSK信号的功率谱特性。 由图可见，MSK 信号比一般2FSK信号有更高的带宽效率。 图 3.8 MSK的功率谱-2-1012-40-200MSK2FSKf/Rb27Mobile Communication Theory3.4 3.4 高斯最小

30、移频键控高斯最小移频键控GMSKGMSK GMSKGMSK是一种是一种恒包络调制恒包络调制方式，可以采用功率效率高而方式，可以采用功率效率高而便宜的非线性功率放大器，这使用户单元（手机）的价格便宜的非线性功率放大器，这使用户单元（手机）的价格比较低，有利于当时移动电话的普及。比较低，有利于当时移动电话的普及。 3.4.1 3.4.1 高斯滤波器的传输特性高斯滤波器的传输特性 3.4.2 GMSK3.4.2 GMSK信号的波形和相位路径信号的波形和相位路径 3.4.3 GMSK3.4.3 GMSK信号的调制与解调信号的调制与解调3.4.4 GMSK3.4.4 GMSK功率谱功率谱 28Mobil

31、e Communication Theory3.4.1 3.4.1 高斯滤波器的传输特性高斯滤波器的传输特性GMSK就是基带信号基带信号经过高斯低通滤波器高斯低通滤波器的MSK，如图3.9b(t)MSK高斯低通滤波器q(t)GMSK( )St图 3.9 GMSK信号的产生29Mobile Communication Theory3.4.1 3.4.1 高斯滤波器的传输特性高斯滤波器的传输特性高斯滤波器具有指数形式的响应特性，其中幅度特性为 22(/)( )faH fe冲激响应为 2ath tae令Bb为H(f)的3dB带宽，因为H(0)=1，则有H(f)|f=Bb=H(Bb)=0.707,可以

32、求得a:2/ln21.69861.7bbbaBBB给定xb ,就可以计算出H(x)、h()并画出它们的特性曲线如图3.10。 30Mobile Communication Theory3.4.1 3.4.1 高斯滤波器的传输特性高斯滤波器的传输特性令=t/ Tb ，并把a=1.7 Bb代入（3.15）并设Tb =1,则有设要传输的码元长度为Tb,速率为 Rb=1/Tb，以Rb为参考，对f归一化: x= f/ Rb = fTb ，则归一化3dB带宽为：/bbbbbxBRB T这样，用归一化频率表示的频率特性就为H(x)： 22/1.7/1.7bbfBxxHxee2(5.3)()3.01bxbhx

33、 e图 3.10 高斯滤波器特性(a ) 频率特性00.20.40.60.811.2X=f /RbXb=0.7Xb=0.35Xb=0.2H(X)-3-2-10123(b) 时间特性00.511.522.5-3-2-10123Xb= 0.2Xb=0.35Xb=0.7/bt T( )h31Mobile Communication Theory3.4.2 GMSK3.4.2 GMSK信号的波形和相位路径信号的波形和相位路径 设要发送的二进制数据序列bk( bk =1)所用线路码为NRZ码，码元起止时刻为Tb的整数倍,此基带信号经过高斯滤波器后输出为( )(/2)kbbkq tb g tkTT信号对调

34、频器调频，输出为( )cos 22( )cos 2( )tcfcs tf tkqdf tt附加相位为( )( )( )( )()( )bbkTttfffkTbtkqdkqdkqdkTt 32Mobile Communication Theory3.4.2 GMSK3.4.2 GMSK信号的波形和相位路径信号的波形和相位路径在一个码元结束时，相位的增量取决于在该码元期间q(t)曲线下的面积Ak：(1)(1)/2( )()bbbbkTkTkNkffbbfkn k NkTkTkq t dtkg tkTTdt k A 例如图3.13，xb =0.3,截取g(t)的长度为3Tb(N=1)的情况。在bk期

35、间内，q(t)曲线只由bk及其前后一个码元bk-1、bk+1所确定。当这三个码元同符号时，Ak有最大值Amax，设计调频器的参数kf 使maxmax/2fk A。这样调频器输出就是一个GMSK信号。 33Mobile Communication Theory3.4.2 GMSK3.4.2 GMSK信号的波形和相位路径信号的波形和相位路径kTb(k+1)Tb(k-1)Tb(k+2)Tbq(t)bk-1+1bk+1bk+1+1Ak=Amax图 3.13 q(t)曲线下的面积最大+ 1+1+ 1+ 1+1-1-1+ 1+1-1+1-1+1-1+1+1-1-1-1-1+1-1-1-10/2kTb(k

36、+1) Tbt/2图 3.14 相位的8种状态34Mobile Communication Theory3.4.2 GMSK3.4.2 GMSK信号的波形和相位路径信号的波形和相位路径 经过预滤波后的基带信号q(t),相位函数(t)和GMSK信号的例子如图3.15。 图 3.15 GMSK信号波形/2/203 /2+1+1+1+1+1+1+1+1-1-1-1-1-1-1-1-1q(t)b(t)Tb/2/2 ( ) tSGMSK(t)35Mobile Communication Theory3.4.3 GMSK3.4.3 GMSK信号的调制与解调信号的调制与解调因为( )cos( )cos( )

37、tGMSKcfcsttkqdttcos ( )cossin ( )sincctttt因此常常采用正交调制正交调制方法。在实际的应用中可以事先 制作cos ( ) tsin ( ) t和两张表，根据输入数据通过查表读出相应的数值，得到相应的 cos ( ) t和sin ( ) t波形。GMSK 正交调制方框图如图3.16所示。1.调制调制36Mobile Communication Theory3.4.3 GMSK3.4.3 GMSK信号的调制与解调信号的调制与解调D/Acos ( ) t表sin( ) t表地址形成D/Asinctcosct+- -( )GMSKstb(t)sI(t)sQ(t)

38、图 3.16 GMSK正交调制cos ( ) tsin ( ) tSI(t)( )GMSKStb(t)SQ(t)图 3.17 GMSK正交调制的各点波形37Mobile Communication Theory3.4.3 GMSK3.4.3 GMSK信号的调制与解调信号的调制与解调 GMSK可以用相干方法解调,也可以用非相干方法解调。这里介绍一比特延迟差分解调方法（非相干解调）,其原理如图3.18。 2. 解调解调设接收到的信号为 ( )( )( )cos( )GMSKcs tstA ttt迟延Tb/2抽样判决低通滤波( )GMSKSt( )W t( )x t( )y t( )b t图 3.1

39、8 GMSK 1bit延迟差分解调原理图38Mobile Communication Theory3.4.3 GMSK3.4.3 GMSK信号的调制与解调信号的调制与解调( )( )cos()()/2cbbW tA ttTtT和s(t)相乘得x(t) ( )( )( )1( ) ()sin( )()sin 2( )()2bbc bcc bbx ts t W tA t A tTttTTtTttT经过低通滤波同时考虑到 2c bTn，得到y(t) 1( )( ) ()sin( )()21( ) ()sin( )2bbc bby tA t A tTttTTA t A tTt则W(t)为39Mobil

40、e Communication Theory3.4.3 GMSK3.4.3 GMSK信号的调制与解调信号的调制与解调式中( )( )()btttT是一个码元的相位增量。在t=(k+1)Tb时刻对y(t)抽样得到y(k+1)Tb)，它的符号取决于(1)bkT的符号,判决准 则为(1)0bykT(1)bkT即0判决解调的数据为 kb=+1(1)bkT即0判决解调的数据为 kb(1)0bykT=-1解调过程的各波形如图3.19所示，其中设A(t)为常数。 40Mobile Communication Theory3.4.3 GMSK3.4.3 GMSK信号的调制与解调信号的调制与解调b(t)( )W

41、 t( )S t( )( )S t W t( )y t()by kT( )b tTb图 3.19 GMSK解调过程各点波形41Mobile Communication Theory3.4.4 GMSK3.4.4 GMSK功率谱功率谱对GMSK信号功率谱的分析是比较复杂的，图3.20是计算机仿真得到xb =0.5、1和xb =（MSK）的功率谱。 从图中可见，随着从图中可见，随着x xb b 的减小频谱效率越的减小频谱效率越高，但高，但x xb b过小会使码间干扰（过小会使码间干扰（ISIISI）增加。）增加。 GMSK GMSK 最吸引人的地方是具有恒包络特性，功率效率高，可用最吸引人的地方是

42、具有恒包络特性，功率效率高，可用非线性功率放大器和非相干检测。非线性功率放大器和非相干检测。GMSK GMSK 的缺点是频谱效率还不够的缺点是频谱效率还不够高。在北美，频率资源紧缺，系统采用具有更高频谱效率的调制高。在北美，频率资源紧缺，系统采用具有更高频谱效率的调制方式，这就是方式，这就是/4-QPSK/4-QPSK。图 3.20 GMSK功率谱012345MSKxb=0.5xb=1dB( f fc)Tb-150-100-50050()bx 42Mobile Communication Theory3.5 QPSK3.5 QPSK调制调制3.5.1 3.5.1 二相调制二相调制BPSK BP

43、SK 3.5.2 3.5.2 四相调制四相调制QPSK QPSK 3.5.3 3.5.3 偏移偏移QPSKQPSKOQPSKOQPSK3.5.4 /4-QPSK 3.5.4 /4-QPSK 43Mobile Communication Theory3.5.1 3.5.1 二相调制二相调制BPSKBPSK1.1.二相调制信号二相调制信号S SBPSKBPSK( (t t) ) 在二进制相位调制中，二进制的数据bk=1可以用相位不同取值表示，例如 ( )cos(1)BPSKckbbsttkTtkT 其中011kkkbb 由于cos()coscctt ，所以BPSK信号一般也可以表示为 ( )( )

44、cosBPSKcstb tt44Mobile Communication Theory3.5.1 3.5.1 二相调制二相调制BPSKBPSK 设二进制的基带信号b(t)的波形为双极性NRZ码,BPSK信号的波形如图3.22所示。 00Tb0ttt-1+A-A+A-A+1b(t)s2PSK(t)cosAt10110图 3.22 BPSK波形45Mobile Communication Theory3.5.1 3.5.1 二相调制二相调制BPSKBPSK功率谱功率谱 BPSK 信号是一种线性调制，当基带波形为NRZ码时，其功率谱如图3.23所示。 如图，基带波形为如图，基带波形为NRZNRZ码时

45、码时 BPSKBPSK信号有较大的副瓣，副瓣的总功率信号有较大的副瓣，副瓣的总功率约占信号的总功率约占信号的总功率10%10%，带外辐射严重。，带外辐射严重。 为了减小信号带宽，可考虑用为了减小信号带宽，可考虑用M M进制代替二进制。进制代替二进制。图 3.23 NRZ基带信号的BPSK信号功率谱 -40-30-20-100fcfc+Rbfc+2Rbfc-2Rbfc-RbdB46Mobile Communication Theory3.5.2 3.5.2 四相调制四相调制QPSKQPSKQPSKQPSK信号信号 在QPSK调制中，在要发送的比特序列中,每两个相连的比特分为一组构成一个4进制的码

46、元，即双比特码元。双比特码元的4种状态用载波的四个不同相位(k=1,2,3,4)表示。这种对应关系叫做相位逻辑。例如 QPSK信号可以表示为： ( )cos1,2,3,4(1)QPSKckssstAtkkTtkT 其中A为信号的幅度， c为载波频率。 +1+1+1+1-1-1-1-1双极性表示bkakk/45 /47 /43 /4S2S1S3S4参考矢量/4/4图 3.25 QPSK的一种相位逻辑47Mobile Communication Theory3.5.2 3.5.2 四相调制四相调制QPSKQPSKQPSKQPSK信号产生信号产生 QPSK信号可以用正交调制方式产生。 把串行输入的（

47、ak，bk）分开进入两个并联的支路I支路（同相支路）和Q支路（正交支路），分别对一对正交载波进行调制，然后相加便得到QPSK信号。 图 3.26 QPSK正交调制原理图串/并变换+- -cosctIk=akQk=bkak,bk.sQPSK(t)SI(t)SQ(t)I(t)Q(t)sinctabd(t)I(t)Q(t)SI(t)SQ(t)SQPSK(t)TbTS双比特码元图 3.27 QPSK调制器各点波形48Mobile Communication Theory3.5.2 3.5.2 四相调制四相调制QPSKQPSKQPSKQPSK信号的功率谱和带宽信号的功率谱和带宽正交调制产生QPSK信号实

48、际上是把两个BPSK信号相加。它们有相相同的功率谱同的功率谱 ，带宽也为B=Rb。频带效率B/Rb则提高为1。已调信号功率谱的副瓣仍然很大，在两个支路加入升余弦特性低通滤波器(如图3.29)，以减小已调信号的副瓣。 图 3-28 QPSK的限带传输I(t)ak,bksQPSK(t)S/PcosctSQ(t)-+SI(t)LPFsinctLPFQ(t)图 3-29 升余弦滤波特性0sT21sT2112sTsT2)1 (sT2)1 (sT21Tsf)(fHrcTs/249Mobile Communication Theory3.5.2 3.5.2 四相调制四相调制QPSKQPSKQPSKQPSK信

49、号的包络特性和相位跳变信号的包络特性和相位跳变 当基带信号为方波脉冲（NRZ）时，QPSK信号具有恒包络特性。由升余弦滤波器形成的基带信号是连续的波形,但 QPSK信号的包络也不再恒定。QPSK是一种相位不连续的信号,在码元转换的时刻，信号的相位发生跳变。通过星座图可以看出跳变的幅度为180和90。图 3-32 QPSK信号相位跳变245IQ3+1+1-1-150Mobile Communication Theory3.5.3 3.5.3 偏移偏移QPSKQPSK（OQPSKOQPSK）把QPSK两个正交支路的码元时间上错开Ts/2=Tb，这样每经过Tb时间，只有一个支路的符号发生变化，因此相

50、位的跳变就被限制在90，减小了信号包络的波动幅度。功率谱和带宽效率不变。调制原理图和相位跳变路径为： 图 3-34 OQPSK信号相位跳变路径IQ+1+1-1-1S/PTbLPFLPFcosctsinct+- -SOQPSK(t)输入数据图 3-35 OQPSK调制器原理图51Mobile Communication Theory3.5.4 3.5.4 /4-QPSK/4-QPSK /4-QPSK兼顾频带效率、包络波动幅度小和能采用差分检测.它的相位跳变最大幅度大于OQPSK而小于QPSK，只有45和135，因此信号包络波动幅度大于OQPSK而小于QPSK。 采用差分编码的/4-QPSK就称作

51、/4-DQPSK。52Mobile Communication Theory3.5.4 3.5.4 /4-QPSK/4-QPSK/4-DQPSK/4-DQPSK信号产生信号产生 /4-DQPSK可采用正交调制方式产生。其原理图如图3.37所示图 3-37 调制器/4DQPSK LPFLPF差分相位编码S/PSISQUkVksinctcosctSQPSK(t)+- -输入数据kUkV53Mobile Communication Theory3.5.4 3.5.4 /4-QPSK/4-QPSK表 3-2 相位逻辑表SISQ+1 +1-1 +1-1 -1+1 -13 /4 3 /4/4/4 相位差分

52、编码就是输入的双比特SI和SQ的4个状态用4个 值来表示。其相位逻辑如表3.2所示。所传输的信息包含在两个相邻的载波相位差之中。 k54图 3-39 DQPSK相位跳变/4IQ342510Mobile Communication Theory3.5.4 3.5.4 /4-QPSK/4-QPSK/4-DQPSK/4-DQPSK信号的相位跳变信号的相位跳变434可能的取值有个：，由两个彼此偏移的两个QPSK星座图构成，相位的跳变总是在这两个星座图之间交替进行，跳变的路径如图3.39的虚线所示。 4553.6 3.6 高阶调制高阶调制Mobile Communication Theory3.6.1

53、3.6.1 数字调制的信号空间原理数字调制的信号空间原理3.6.23.6.2M M进制数字调制以及高阶调制进制数字调制以及高阶调制3.6.33.6.3高阶调制在高阶调制在3G, 4G3G, 4G中的应用中的应用563.6.1 3.6.1 数字调制的信号空间原理数字调制的信号空间原理Mobile Communication Theory 信号波形的表示式和多维矢量空间的表示式存在一定程信号波形的表示式和多维矢量空间的表示式存在一定程度的相似性，如果把信号的波形映射到矢量空间就可以很度的相似性，如果把信号的波形映射到矢量空间就可以很直观地表示欧氏距离了。直观地表示欧氏距离了。 对于一个确定的实信号

54、对于一个确定的实信号 ，它具有有限能量，它具有有限能量 。在。在一组完备的归一化正交函数集一组完备的归一化正交函数集 中，实中，实信号信号 可以由这些函数的加权线性组合来近似表示，可以由这些函数的加权线性组合来近似表示，( )s tsE( ),1,2,nft nN( )s t1( )( )Nnnns ts f t由此由此 在在 维矢量空间中就可以表示为，维矢量空间中就可以表示为，( )s t12 ,Ns sssN( )( )nnss t ft dt573.6.1 3.6.1 数字调制的信号空间原理数字调制的信号空间原理Mobile Communication Theory 如果把如果把M M个

55、能量有限的信号映射到个能量有限的信号映射到N N维的矢量空间上，维的矢量空间上，空间中的空间中的M M个映射点称作星座点，矢量空间称作信号空间。个映射点称作星座点，矢量空间称作信号空间。在矢量空间中可以很容易地描述衡量误码性能的两个指标，在矢量空间中可以很容易地描述衡量误码性能的两个指标，信号之间的互相关系数和欧氏距离。信号之间的互相关系数和欧氏距离。 符号之间相关性越大，欧式距离就越小，那么误码性符号之间相关性越大，欧式距离就越小，那么误码性能就越差。一般来说，调制阶数越高欧氏距离就越小。但能就越差。一般来说，调制阶数越高欧氏距离就越小。但是由于频率资源的限制，使得调制方式必须要采用比较高是

56、由于频率资源的限制，使得调制方式必须要采用比较高的阶数。为了保证高频谱效率下链路的性能，可以相应的的阶数。为了保证高频谱效率下链路的性能，可以相应的采用强有力的差错控制技术，提升功率等措施来弥补误码采用强有力的差错控制技术，提升功率等措施来弥补误码性能的缺陷。性能的缺陷。583.6.2 M3.6.2 M进制数字调制以及高阶调制进制数字调制以及高阶调制Mobile Communication Theory M M进制的数字调制，一般可以分为进制的数字调制，一般可以分为MASKMASK，MPSKMPSK，MQAMMQAM和和MFSKMFSK，它们属于无记忆的线性调制。如果结合到信号的矢，它们属于无

57、记忆的线性调制。如果结合到信号的矢量空间表示，可以理解为这些不同的调制方式是因为采用量空间表示，可以理解为这些不同的调制方式是因为采用了不同的正交函数集。了不同的正交函数集。一般认为在阶数一般认为在阶数 时为高阶调时为高阶调制。制。8M MASK MASK，MQAMMQAM，MPSKMPSK这三种调制方式在信息速率和这三种调制方式在信息速率和M M值值相同的情况下，频谱利用率是相同的。由于相同的情况下，频谱利用率是相同的。由于MPSKMPSK的抗噪声的抗噪声性能优于性能优于MASKMASK，所以，所以2PSK2PSK、QPSKQPSK获得了广泛的应用。并且获得了广泛的应用。并且ASKASK信号

58、是对载波的幅度进行调制，所以不适合衰落信道。信号是对载波的幅度进行调制，所以不适合衰落信道。在在 时时MQAMMQAM的抗噪声性能优于的抗噪声性能优于MPSKMPSK的，所以阶数更高的，所以阶数更高的调制一般采用的是的调制一般采用的是QAMQAM的形式。的形式。8M 所以在采用高阶调制时一般使用的是所以在采用高阶调制时一般使用的是8PSK8PSK、16QAM16QAM、32QAM32QAM、64QAM64QAM等形式。等形式。593.6.2 M3.6.2 M进制数字调制以及高阶调制进制数字调制以及高阶调制Mobile Communication Theory1. M进制移相键控（进制移相键控（

59、MPSK）MPSKMPSK信号是使用信号是使用MPAMMPAM数字基带信号对载波的相位进行调制数字基带信号对载波的相位进行调制得到的，每个得到的，每个M M进制的符号对应一个载波相位，进制的符号对应一个载波相位，MPSKMPSK信号可信号可以表示为，以表示为，2 (1)( )( )cos2 (1)2 (1)( ) coscossinsiniTcTccis tgttMiigtttMM1,2,0siMtT 由上式看出可以把由上式看出可以把MPSKMPSK信号映射到一个二维的矢量空间信号映射到一个二维的矢量空间上，这个矢量空间的两个归一化正交基函数为，上，这个矢量空间的两个归一化正交基函数为，12(

60、 )coscsf ttT22( )sincsf ttT 603.6.2 M3.6.2 M进制数字调制以及高阶调制进制数字调制以及高阶调制Mobile Communication TheoryMPSKMPSK信号的正交展开式为，信号的正交展开式为，1122( )( )( )iiis ts f ts f t112200( )( )( )( )ssTTiiiiss t f t dtss t f t dtMPSKMPSK信号的二维矢量表示为，信号的二维矢量表示为，12,iiisss8PSK8PSK和和16PSK16PSK的信号星座图如图的信号星座图如图3-413-41所示，所示，图 3-41 8PSK