移动通信原理第6次课-第6章BPSK数字调制

典型的扩频通信系统方框图如下。我们在前面已经学习了信源编码、扩频加扰部分，下面继续学习数字调制。扩频信号是数字信号，是不能直接上无线信道传输的。必须将数字信号调制到正弦或余弦模拟信号上才能上无线信道传输。第6章

数字调制技术6.1关于数字调制的概念下图表明了一个两电位数字信号序列经过短短几十米双绞线传输后的衰减情况。由于一般信道都是通频带有限的带通信道，脉冲信号中的高频成分将受到严重衰减，信号前沿由陡峭变得平缓，幅度也受到衰减，数字信号将严重变形。这些不良变化将导致接收机在对数字信号识别时出错。上述在短距离上直接传输数字信号的方法叫做基带传输。如果需要在长距离的有线信道和无线信道上传输数字信号必须采用频带传输技术，即由高频载波信号来载荷数字信号，这就是数字调制。

6.1.1数字调制相关概念数字调制是将数字基带信号与正弦(或余弦)载波信号相乘调制成为中心频率很高的频带信号。其基本原理是用数字基带信号0和1去控制载波的一个参量。若控制载波的幅度，称为振幅键控ASK；若控制载波的频率，称为频移键控FSK；若控制载波的相位，称为相移键控PSK，若同时控制载波的幅度和相位两个参量，称为幅度相位调制，又称为正交幅度调制QAM。由一位二进制0和1对载波进行的数字调制，有时候叫做二进制调制；由多位0和1组成的二进制序列对载波进行的数字调制，也可叫做多进制调制，例如：MASK、MFSK、MPSK和MQAM调制。在实际的相移键控方式中，为了克服在接收端产生的相位模糊度，往往将绝对相移改为相对相移DPSK以及DQPSK。另外在实际相移键控调制方式中，为了降低已调信号的峰平比，又引入了偏移QPSK(OQPSK)、π/4-DQPSK、正交复四相移键控CQPSK，以及混合相移键控HPSK等等。在二进制调制之中，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。6.1.2数字调制的作用1.频谱搬移数字调制的基本作用就是用数字信号调制适合在无线信道上传输的射频载波，使其频谱向高端搬移。例如，首先用基带数字信号调制一个70MHz中频载波,然后再将调制后的中频信号频谱搬移至相应的发射频段。2）抗干扰调制信号频谱的主瓣窄，具有快速滚降特性，既不易受到其他信号的干扰，对其他信号的干扰也小。3）提高有效性当采用多进制调制时，单位频带内的数据传输速率（bps/Hz）提高，提高了频带利用率，也就是提高了通信系统的有效性。对于具体的数字调制技术来说，除了应当具有上述的三种基本作用而外，还应当在工程上容易实现，峰平比性能优良。6.1.2数字调制基本原理通常余弦波信号表示为：s(t)=a(t)cos[w(t)+j(t)]其中，t是时间；a(t)是幅度；w(t)是角频率；j(t)是相位。数字调制就是用基带数字信号0和1去控制余弦信号的幅度、角频率和/或相位的变化。随着余弦波在无线信道里传输，基带数字信号也传输了出去。因此，这种余弦波被称为载波；它被基带数字信号调制后成为调制信号。分别调制载波幅度、频率和相位的2ASK(振幅键控)、2FSK(频移键控)和2PSK(相移键控)调制波形如下：6.1.3数字调制的分类数字调制的分类如下表：ASK（幅度键控）QAM（正交幅度键控）MQAM（星座调制）不恒定包络BFSK(二进制频移键控)MFSK(多进制频移键控)

FSK(频移键控)MSK(最小频移键控)GMSK(高斯滤波MSK)TFM(平滑调频)

CPM(连续相位调制)恒定包络OQPSK(偏移QPSK)p/4QPSKDQPSK(差分QPSK)BPSK(二相相移键控)DPSK(差分二相相移键控)QPSK(正交(四相)相移键控)MPSK(多进制相移键控)

PSK(相移键控)数字调制1、振幅键控ASK2ASK向多进制发展，产生了正交振幅调制（QAM，QuadratureAmplitudeModulation）、多进制正交振幅调制（MQAM，MutipleQAM）。由于多径传播衰落对载波幅度的影响，在1G和2G移动通信系统中均未采用。在3G移动通信系统中采用了MQAM，例如16QAM和64QAM。2、频移键控FSK1G移动通信系统的业务和信令都采用2FSK调制方式，由于相邻码元相位不连续，频率跳变引起较大的旁瓣功率，频谱效率低，只能应用于低速传输系统。在2FSK发展的基础上，产生了多进制频移键控（MFSK）。例如，高斯最小频移键控（GMSK，Gauss–MinimumShiftKeying）有效地克服了2FSK的缺点，应用在GSM和GPRS移动通信系统中。3、相移键控PSK开始是2PSK，在此基础上发展产生了DPSK、QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)、OQPSK(OffsetQPSK)、π/4-QPSK。这些数字调制方式广泛应用在3G移动通信系统中。4、有记忆非线性连续相位调制在二进制调制中，为了彻底消除相位跃变带来的峰平比增加和频带扩展，引入了有记忆的非线性连续相位调制(ContinuousPhaseModulation,CPM)、最小频移键控(MinimumShiftKeying，MSK)、GMSK(高斯滤波MSK)、及平滑调频(TimedFrequencyModulation)。GMSK应用于GSM数字移动通信系统中。6.1.4基本数字调制方法性能分析数字调制信号在AWGN信道上传输的过程中会受到干扰、噪声和波形畸变的影响，而产生误码。如果接收端采用理想的相干解调并消除码间干扰，那么，平均误比特率Pe与归一化信噪比Eb/N0之间的关系为：其中，Eb是每秒比特的功率；N0是单边噪声功率谱密度；Q(x)函数为：三种调制方式的误比特率如图所示。对三种调制方式进行比较可以得出结论，2PSK抗干扰能力最佳，在移动通信中，均以其为基础。6.1.5移动通信系统采用的数字调制技术从上表可以看出，在移动通信系统中采用的数字调制技术基本上是以PSK为基础。这也是我们学习的主要内容。6.1.6相移键控的基本原理载波信号的函数式为：Sk(t)=cos(wc+φk)这里，振幅取归一化值1；wc是载波频率，为常数；φk是受数字信号控制的相位，它有有限的M个不同取值，每个相位携带的信息量I=log

2M(bit)。例如，当M=2，φk的每一相位携带1bit信息：0或1；当M=4，φk的每一相位携带2bit信息：00、01、10或11；当M=8，φk的每一相位携带3bit信息：000、001、010、011、100、101、110或111。在发送端，数字调制器输出的载波信号相位将随输入不同的数字信号而改变。对于一个数字信号，Sk(t)的相位φk将取一个特定的值与之对应。1、二相相移键控当数字信号为0和1时，M=2就可以了，采用二相相移键控。二相相移键控有两种形式，一种是绝对二相相移键控(BinaryPSK，BPSK)，另一种是差分二相相移键控（DifferentialBPSK，DBPSK）1）绝对二相相移键控（BPSK）绝对二相相移键控也称为二相相移键控，其调制信号是，Sk(t)=cos(wc+φk)。调制器原理如图所示。归一化双极性数字信号序列Xk是由基带数字信号0和1转换而来，基带数字信号0和1分别转换成归一化双极性数字信号1和-1。将Xk与载波信号coswc同时输入乘法器，得到BPSK调制波形Sk(t)：Sk(t)=Xkcoswc=±1coswc。当基带数字信号为0时,

Xk=+1，Sk(t)=+1coswc=cos(wc+0)

。当基带数字信号为1时,

Xk=-1，Sk(t)=-1coswc=cos(wc+p)。调制信号相位φk在基带数字信号0和1的调制下取两个不同的值π和0。BPSK调制信号波形如图所示。BPSK是绝对调相，解调器的本地载波coswc必须与发端载波同步，这就是相干解调。解调器原理如图所示。接收的调相信号Sk(t)=±coswc与本地的载波信号coswc在乘法器里相乘后得到S’k(t)，按照倍角原理得：S’k(t)=±cos2wc

=±(1/2)[1+cos(2wc)]由于S(t)有π和0两个相位，本地余弦信号只有一个相位，所以相乘后将交替出现常数项±1/2。用带通滤波器滤除2wc后，剩下的±1/2常数项分别表示数字信号1和0。BPSK信号的功率谱密度如下图所示。

设数字信号的bit周期是Tb,数字信号速率为1/Tb（bps）。如图,BPSK信号的带宽为:2fb=2/Tb(Hz)。频带利用率为：(1/Tb)/2fb=0.5(bps/Hz)。2）差分二相移相键控DBPSK可以有效避免BPSK的相位模糊，克服接收数据反相问题。DBPSK调制原理先将基带数字信号转换成差分码，方法是出现基带数字信号1，差分码脉冲前沿跳变；出现基带数字信号0，差分码脉冲前沿不跳变。然后利用差分码对载波进行BPSK调制。原理图和波形图如下：

DBPSK解调原理DBP