现代移动通信中的调制技术研究及Matlab实现

1、现代移动通信中的调制技术研究及Matlab实现姓名：郑雪 王璐 江丹摘要 调制技术是任何频带通信中最重要的一项技术。现代移动通信系统都使用数字调制技术，数字调制技术的改进也是通信系统性能提高的重要途径。现代主要的调制技术有ASK、FSK、PSK，以及以这些基本调制技术为基础的新型调制系统QPSK、MSK、QAM等。下面我们将概述其中的新型调制技术。然后运用matlab仿真软件对其进行编程仿真，通过仿真图形观察调制过程中各环节时域波形现代移动通信中的调制技术研究及Matlab实现 四相相移键控(QPSK) 最小频移键控(MSK) 正交幅度调制(QAM)QPSK也叫四进制相位键控，该信号的正弦载波

2、有四个可能的离散相位状态，每个载波相位携带2个二进制符号QPSK产生的基本原理Si(t)=Acos(2ft+i） =Acos(2ft）cosi-Asin（2ft）sini 又cosi= 1/2 sini=1/2 Si(t)= A/2 I(t)cos(2ft)-Q(t) sin（2ft)星座图基带信号波形I（t）及Q(t)这两路码元在时间上是对齐的，称这两支路为同相支路及正交支路，将它们分别对正交载波coswt和-sinwt进行BPSK调制，两路的BPSK相加即可得QPSK信号四相相位键控（QPSK）也称之为正交PSK，其调制及解调原理如上图所示。从图中可以看出：如果输入的二进制信息码流（假设+

3、1V为逻辑1，-1V为逻辑0）串行进入比特分离器，产生2个码流以并行方式输出，分别被送入I（正交支路）通道及Q（同相支路）通道，又各自经过一个平衡调制器，与一个和参考振荡器同频的正交的载波()调制形成了四相相移键控信号即得到平衡调制器的输出信号后，经过一个带通滤波器，然后再进行信号叠加，可以得到已经调制的QPSK信号。调制原理电平产生载波发生器串并变换90度移相电平产生二进制信息已调信号AcosfctAsinfctI(t)Q(t)QPSK调制原理将二进制序列进行串并变换，其实质是完成二进制与四进制符号的变换。每一组双比特码与四进制符号之一相对应，而每个四进制符号又与QPSK信号的载波相位i相对

4、应将二进制序列转换为二进制不归零序列注意QPSK相对于BPSK和DQPSK，OQPSK的优缺点QPSK相对BPSK说，从它的功率谱看大大节约了带宽，主要是主瓣的带宽缩短了一半，但是它和BPSK一样要用相干解调，要恢复载波，就会存在相位模糊的问题，所以引入DQPSK，OQPSK解决了这个问题另外，QPSK的载波相位和双比特码之间的关系正好符合格雷码的相位逻辑，这样就减少了误比特率 最小频移键控（MSK） 最小频移键控MSK(Minimum Shift Keying)信号是2FSK的改进。 MSK的“最小(Minimum )”二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数(h=0.5)获得正交的调制信号

5、。信号的频率间隔设f1与f2分别表示符号“0”与“1”的两个FSK信号频率，这两个频率的频率间隔为=f1-f2。调制指数记为h,h= Tb=1/2,因此我们有f1=fc+1/2 =fc+1/(4Tb) ,表示符号1f2=fc-1/2 =fc-1/(4Tb) ,表示符号0其中，fc=(f1+f2)/2为两个信号频率中心。则f1-f2=1/(2Tb)为正交2FSK最小频率间隔。一.MSK信号的基本原理 一.MSK信号的基本原理 波形表示形式。下面是其中一种： (2.1) f为载波频率，A为振幅，相位a(t)携带了所有的信息，其中a(t)=a(0)+2(1/2 )t=a(0) (t)/(2Tb),

6、0t Tb (2.2)“+”号表示输入符号“1”，“-”表示输入符号“0”，a(0)为t=0时刻的相位。 一.MSK信号的基本原理 信号的相位连续性 从(2.2 )式可以看出，在一个码元周期内，其基带相位总是线性累积/2，因此码元终止位与起始相位之差也是/2。如果一个码元是“1”那么在该码元周期内，2(f2-fc)Tb=/2,基带相位均匀增加/2，在码元末尾处基带相位比码元开始处基带相位要大/2。相反如果一个码元是“0”， 2(f1-fc)Tb=/2那么在该码元周期内，基带相位均匀减小/2，即在码元末尾处基带相位比码元开始处基带相位要小/2。 当t=2nTb时，a(t)=0或，当t=(2n+1

7、)Tb时，a(t)= /2或- /2,其中n为正整数。 二.MSK信号的产生 由(2.1)可知,MSK信号可以用两个正交的分量表示： s(t)=b1a1(t)+b2a2(t) ,0tTb (2.3)其中，b1=cosa(0), b2=-sina(Tb) a1(t)=cos(t/2Tb)cos(2fct), -TbtTb a2(t)=sin(t/2Tb)sin(2fct), 0t2Tb 即s(t)图2-1 MSK信号的产生方法之一 二.MSK信号的产生 三.MSK调制的优点总结 MSK是一种在无线移动通信中很有吸引力的数字调制方式，是由2FSK信号的改进而来，因为它有以下两种主要的优点:(一)信

8、号能量的99. 5%被限制在数据传输速率的倍的带宽内。谱密度随频率(远离信号带宽中心)倒数的四次幂而下降，而通常的离散相位FSK信号的谱密度却随频率倒数的平方下降。因此，MSK信号在带外产生的干扰非常小。这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点。 三.MSK调制的优点总结 (二)信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。 从相位路径的角度来看，MSK属于线性连续相位路径数字调制，是连续相位频移键控(CPFSK)的一种特殊情况，有时也叫做最小频移键控(MSK )。正交幅度调制（QAM）QAM与QPSK定义及特点表达式星座图Matlab实现一、QAM定义及特点 定义：用两个独立的基带波形对

9、两个相互正交 的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱的正交性来实现两路并行的数字信息的传输。正交载波 和 特点：各码元之间不仅幅度不同，相位也不同，属于幅度和相位相结合的调制方式。 一般表达式 设同相和正交支路的基带数字信号分别是 和 ，则MQAM信号为： 其中 为码元间隔， 和 为同相和正交支路的多电平码元，一般取幅度间隔相等的双极性码，如 ，二、QAM表达式矢量表达示 MQAM信号波形可表示为两个归一化正交基函数的线性星座图合，即其中，两个归一化正交基函数为MQAM信号波形的二维矢量二、QAM表达式三、QAM星座图 信号矢量端点的分布图称为星座图。 MAQM信

10、号星座图有圆形星座图、不均匀圆形星座图和矩形星座图三大类型。 三、QAM星座图 产生矩形MQAM信号的原理框图 如下： 输入二进制序列经串并变换后成为速率减半的双比特并行码元，称为I路和Q路。在同相及正交支路又将速率为 的每 个比特码元变换后变换为相应的 电平幅值序列再经成型滤波限带后得到I(t)及Q(t)的 电平的PAM基带信号（数学期望为0），然后将分I(t)及Q(t)别对正交载波进行进制传输ASK调制，二者之和即为矩形星座的QAM信号。三、QAM星座图 16QAM星座图如下： 其中L=四、Matlab仿真实现16QAM的产生有两种方法 ：（1）正交调幅法：它是用两路正交的四电平振幅键控信

11、号叠加而成。（2）复合相移法：它是用两路独立的四相移相键控信号叠加而成。四、Matlab仿真实现正交调幅法（1）随机给出一个由0和1星座图成的二进制序列，此序列的长度为4的整数倍，因为16QAM传输的是4bit的码元。序列设定为 Str=1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1（2）对给出的序列进行分路，对应调制时的原信号经过串并转换器分为I，Q两条支路，分路时根据原则：原信号序列数为奇数的星座图成I路信号，原信号序列数为偶数的星座图成Q路信号。分路后的信号应为str1=1 0 1 0 0 0 0 1 1 0，str2=0 1 1 1 1 0 1 1 1

12、1 （3）对分路后的两路信号分别进行BPSK调制，即分别用两个正交的余弦载波对信号进行调制，程序中取载波幅度为A为1，频率Fc为1，对每个比特采样点数Fs设为50。（4）把用BPSK调制后的两路信号经过一个加法器相加就得到QAM调制信号。四、Matlab仿真实现M = 16;X= 0:0.5:10;Err_vec = ;for i=1:length(X);SNR = X(i);Sim(QAM_16);err_vec(i) = Error_QAM16(1);end五、MQAM与QPSK （1）QPSK为恒包络信号，星点均在一个同心圆上，而MQAM则为方行。因此，前者信息只载荷到载波的相位上，而M

13、QAM则为幅相调制，由幅度和相位共同载荷一个符号信息，它的已调波不是等幅包络。（2）MQAM（当M4）抗干扰能力优于MPSK信号。从M=16时两种调制方式的星座图可以计算出来，相邻最近星点的欧式距离为 MPSK:当M=4时， 当M=16时， MQAM:当M=4时， 当M=16时， 当M4时，如M=16，QAM系统的邻近星点距离较16PSK系统大，因此它比同样M时的MPSK抗干扰性强。结论 通过对QPSK、MSK、QAM现代移动通信中的新型调制技术的研究，了解了基本原理、调制解调原理、功率谱密度和误码率、Matlab实现，得出以下结论：信号波形的振幅非常稳定，相移较小。解调后的时域波形和源信号相比，除了有几个码元的延迟外，其信号波形与源信号波