调制方式的原理和本质

关于GSM的调制方式：GSM使用一种称作0.3GMSK的数字调制方式。0.3表示高斯滤波器带宽与比特率之比。GMSK调制方式的工作原理及特点GMSK--又称高斯滤波最小移频键控法。是使用高斯滤波器的连续相位移频键控，它具有比等效的未经滤波的连续相位移频键控信号更窄的频谱。 在GSM系统中，为了满足移动通信对邻信道干扰的严格要求，采用高斯滤波最小移频键调制方式（GMS）K,该调制方式的调制速率为270833Kbit/sec,每个时分多址TDMA帧占用一个时隙来发送脉冲簇，其脉冲簇的速率为33.86Kbs。它使调制后的频谱主瓣窄、旁瓣衰落快，从而满足 GSM系统要求，节省频率资源。GMSK是一种特殊的数字FM调制方式。给RF载波频率加上或者减去67.708KHZ表示1和0。使用两个频率表示1和0的调制技术记作FSK（频移键控）。在GSM中，数据速率选为270.833kbit/sec，正好是RF频率偏移的4倍，这样作可以把调制频谱降到最低并提高信道效率。比特率正好是频率偏移4倍的FSK调制称作MSK（最小频移键控）。在GSM中，使用高斯预调制滤波器进一步减小调制频谱。它可以降低频率转换速度，否则快速的频率转换将导致向相邻信道辐射能量。调制前高斯滤波的最小频移键控简称 GMSK基本的工作原理是将基带信号先经过高斯滤波器成形，再进行最小频移键控MSK（MinimunShiftKeying,简称MSK。由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐点，因此频谱特性优于 MSK信号的频谱特性。GPRS中同样包含GMS啲调制方式关于EDGE勺调制方式：8PSK调制方式的工作原理及特点相对于GPRS技术的单一调制方式GMS（高斯最小频移键控），E-GPRS技术支持两种调制方式：GMSK和8PSK（8相相移键控）。GMSJ在每一个符号（symbol）调制一个比特，而8PSK在每—个符号（symbol）上调制了三个比特，提高了数据传输速率 8PSK符号速率和Burst长度与GSM-致，保证了空中接□的一致性。在 8PSK调制中输出功率随输入功率成线性比例变化，由于输出功率的线性要求，需要预留出一定的余量（Backoff）以避免功放达到饱和而使输出失真，输出功率变

化随输入功率变化，平均值和峰值之间有2化随输入功率变化，平均值和峰值之间有24dB(Backoff)差异。因此，要求功放的平均输出功率比功放满负荷时候的输出功率低Backoff以保证功放的线性性能。Backoff的作用为在大功率输入时，功放不至于饱和而失去线性性能， Backoff取值一般为3dB，在进行E-GPRS链路预算时，TXpower=TXmax-3dB。EDGE无线接□的主要作用是使当前的蜂窝通信系统可以获得更高的数据通信速率。现有的GSM网络主要采用GMSK调制技术，为以增加无线接□的总速率，在 EDGE中引入了一个能够提供高数据率的调制方案，即八进制移相键控(8PSK)调制。由于8PSK将GMSK勺信号空间从2扩展到8,因此每个符号可以包括的信息是原来的 4倍。8PSK的符号率保持在271kbps，每个时隙可以得到69.2kbps的总速率，并且仍然能够完成GSM频谱屏蔽。关于WCDM的调制方式：上行BPSK下行QPSKBPSK调制：与模拟通信系统相比,数字调制和解调同样是通过某种方式,将基带信号的频谱由一个频率位置搬移到另一个频率位置上去。不同的是,数字调制的基带信号不是模拟信号而是数字信号。在大多数情况下,数字调制是利用数字信号的离散值去键控载波。对载波的幅度、频率或相位进行键控,便可获得ASK、FSK、PSK等。这三种数字调制方式在抗干扰噪声能力和信号频谱利用率等方面,以相干PSK的性能最好,目前已在中、高速传输数据时得到广泛应用。在同步解调的PSK系统中,由于收端载波恢复存在相位含糊的问题,即恢复的载波可能与未调载波同相，也可能反相，以至使解调后的信码出现一0、1-1倒置，发送为一1码，解调后得到一0码；发送为一oil码,解调后得到一11码。这是我们所不希望的,为了克服这种现象,人们提出了相对移相方式。相对移相的调制规律是：每一个码元的载波相位不是以固定的未调载波相位作基准的,而是以相邻的前一个码元的载波相位来确定其相位的取值。例如,当某一码元取一11时,它的载波相位与前一码元的载波同相；码元取一0时,它的载波相位与前一码元的载波反相。一般情况下,相对移相可通过对信码进行变换和绝对移相来实现。将信码经过差分编码变换成新的码组--相对码,再利用相对码对载波进行绝对移相,使输出的已调载波相位满足相对移相的相位关系。设绝对码为｛ai｝，相对码为｛bi｝，则二相编码的逻辑关系为： bi=ai-bi-1 (1)差分编码的功能可由一个模二和电路和一级移位寄存器组成。对应于差分编码,在解调部分有一一差分译码。差分译码的逻辑为：2)2)将⑴式代入⑵式，得Ci=ai-bi-1+bi-1bi-1-bi-1=0/Ci=ai+0=ai这样，经差分译码后就恢复了原始的信码序列。差分译码的功能同样可由一个模二和电路和一级移位寄存器组成。QPSK调制：数字调相数字相位调制（或相移键控一PSK）与频率调制很相似。不过它的实现是通过改变发送波的相位而非频率，不同的相位代表不同的数据。 PSK最简单的形式为，利用数字信号对两个同频、反相正弦波进行控制、不断切换合成调相波。解调时，让它与一个同频正弦波相乘，其乘积由两部分构成： 2倍频接收信号的余弦波；与频率无关，幅度与正弦波相移成正比的直流分量。因此采用低通滤波器滤掉高频成分后，便得到与发送波相应的原始调制数据。仅从概念上难以描述清楚，稍后我们将对上述结论进行数学证明。正交相移调制如果对上述PSK概念进一步延伸，可推测调制的相位数目不仅限于两个，载波应该能够承载任意数目的相位信息，而且如果对接收信号乘以同频正弦波就可解调出相移信息，而它是与频率无关的直流电平信号。正交相移调制（QPSK）正是基于该原理。利用QPSK,载波可以承载四种不同的相移，分别代表四个不同的二进制代码数据。初看这似乎毫无意义，但现在这种调制方式却使同一载波能传送 4比特的信息而非原来的2比特，从而使载波的频带利用率提高了一倍。关于HSPA中的调制方式HSDPA:16QAMHSUPA:QPSK/16QAM16QAM是用两路独立的正交4ASK言号叠加而成，4ASK是用多电平信号去键控载波而得到的信号。它是2ASK体制的推广，和2ASKf比，这种体制的优点在于信息传输速率高。正交幅度调制是利用多进制振幅键控（MASK）和正交载波调制相结合产生的。16进制的正交振幅调制是一种振幅相位联合键控信号。16QAM的产生有2种方法：（1）正交调幅法，它是有2路正交的四电平振幅键控信号叠加而成；（2）复合相移法：它是用2路独立的四相位移相键控信号叠加而成。这里采用正交调幅法16QAM正交调制的原理如下图1所示q旳化f串/并LPF►q旳化f串/并LPF►>4电丫变唤bill%2-4电平变换图116QAM调制器关于HSPA中的调试方式上行：16QAM;下行：64QAM数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制是数字调制的基础，然而，这 3种数字调制方式都存在不足之处。如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，几十年来人们不断提岀一些新的数字调制解调技术，以适应各种通信系统的要求。其主要研究内容围绕减小信号带宽以提高频谱

利用率，提高功率利用率以增强抗干扰性能等。正交幅度调制解调 （quadratureamplitudemodulationanddemodulation）就是一种高效的数字调制解调方式，他在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高数据传输、卫星通信等领域被广泛应用。单独使用振幅和相位携带信息时，不能最充分利用信号平面，这可由矢量图中信号矢量端点的分布直观观察到。多进制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布；多进制相位调制时，矢量点在一个圆上分布。随着进制数M的增大，这些矢量端点之间的最小距离也随之减少。但如果充分利用整个平面，将矢量端点重新合理地分布，则可能在不减小最小距离的情况下，增加信号的端点数。基于上述概念引岀的振幅与相位结合的调制方式被称为数字复合调制方式，一般的复合调制称为幅相键控（ APK），2个正交载波幅相键控称为正交振幅调制（QAM）MQAM信号可以表示为：—irjjcoslu」—I1工珈悴调制原理在理想状态下，M-QAM的M个载波状态可以调制log2M个比特，女口16QAM的载波状态最多可调制一个4b的信号（Iog2l6=4），也就是说MQAM的频谱利用率为logzMb/s/Hz。目前星座图里的样点数，例如16QAM，确定QAM的类型,16个样点表示这是16QAM信号，星座图里每个样点表示一种状态。 16QAM有16态，每log2M=4位规定16态中的1态。16QAM中规定了16种载波幅度和相位的组合， 16QAM的每个符号或周期传送4b。解调器根据星座图及接收到载波信号的幅度和相位来判断发送端发送的信息比特。16QAM也是二维调制技术，在实现时也采用正交调幅的方式，某星座点在 I坐标上的投影去调制同相载波的幅度，在Q坐标上的投影去调制正交载波的幅度，然后将 2个调幅信号相加就是所需的调相信号。可见星座点数越大，在一个周期内可传送的数据比特数就越多，频谱利用率就越 高。16QAM,32QAM,64QAM,128QAM的频谱利用率理论值分别为4,5,6,7（单位：b/s/Hz）。此处的频谱利用率理论值是指当传输信号的频谱为理想低通频谱时所实现的频谱效率，但在实际应用中达不到这一理论效率，因为在实际应用中传输信号通常采用升余弦滚降波形，他所实现的频谱效率要比理论效率下降一个滚降系数a倍。16QAM,32QAM,64QAM,128QAM 的星座图如图16QAM,32QAM,64QAM,128QAM 的星座图如图1 iL f□——.—iI4QAM9i=~ST"S—・ ■piiitJ:iiliJi盂由图1可知，当M=16或64时星座图为矩形，而M=32或128时则为十字形。前者M为2的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息；后者M为2的奇次方，每个符号携带奇数个比特信息。每个符号可分解为x,y两个分量，常标为同相分量和正交分量，即 I,Q分量。具有矩形星座图信号的调制与解调具有矩形星座图的信号调制

输入数据序列经串并变换分成l,Q两路，再经2L电平变换及星座图映射，形成Xk,ykoM为了抑制已调信号K K的带外辐射，xk,yk要通过预调制低通滤波器，再分别与相互正交的 2路载波相乘，形成2路ASK调制信号，最后将2路信号相加就可得到不同幅度和相位的已调 QAM输出信号。下面详细解释这部份的实现，MQA信号共有M个信号点，代表一个M进制信号集。每个符号用n=log2M个比特表示。使用矩形星座图时，2路正交信号的电平代码可分别用 n/2b表示若M=16或64,n=log?M=4或6,则I,Q两路的电平代码分别用2或3b表示，L=2.2或2.3即4或8,经2L电平转换后l,Q两路输出的值分别由0,1,2,3或0,1,2,3,4,5,6,7组成。星座图映射完成的是将由 0,1,2,3或0,1,2,3,4,5,6,7组成的数字序列分别转换成由-3,-1,1,3或-7,-5,-3,-1,1,3,5,7组成的数字序列。由此可见，I路取值电平数为ZW.，即x=±,±，…，±_1oQ路的取值方法与x完全相同。具有矩形星座图的信号解调将输入信号分成2路分别与本地恢复的2个正交载波相乘，经过低通滤波器滤掉倍频分量得到x(t),y(t)。再根据本地恢复时钟进行多电平判决， 16QAM以i2,±).5为判决电平，判决后得到一组由±±组成的数据;64QAM以±3,±4,支,±).5为判决电平，判决后得到一组由 ±1,±,±5,±组成的数据。16QAM1座图反映射完成的是将±1,±3映射成为0,1,2,3;64QAM1座图反映射完成的是将±1,±3,±5廿映射成为0,1,2,3,4,5,6,7;其对应关系分别与星座图映射时相同。再经过 L-2电平转换和串并变换就可以得到输出数据序列。其原理如图 2所示。田tHiQAMU.J巴号食可彳田tHiQAMU.J巴号食可彳中BI療〒；卜(慎韵Ait