移动通信-第2讲-调制解调

移动通信第二讲MobileCommunication2024/6/17第1页目录第1章概论(2)第2章调制解调第3章移动信道的传播特性(3)第4章抗衰落技术(1)第5章组网技术(4)第6章频分多址(FDMA)模拟蜂窝网

第7章时分多址(TDMA)数字蜂窝网(4)第8章

码分多址(CDMA)移动通信系统(一)(4)

第9章码分多址(CDMA)移动通信系统(二)(1)第10章移动通信的展望——个人通信(1)2024/6/172第二章调制解调2.1概述2.2数字频率调制2.3数字相位调制2.4正交振幅调制2024/6/1732.1概述(1)移动信道的特点带宽有限：取决于可使用的频率资源和信道的传播特性。干扰和噪声大：取决于移动通信工作的电磁环境。多径衰落2024/6/1742.1概述(2)几个概念频谱利用率（bps/Hz）：高频谱利用率：带宽窄，主瓣窄，副瓣幅度低。抗干扰（抗噪声、抗多径）：S/N大、误码率低。振幅和相位联合调制（QAM）技术：另一类获得迅速发展的新的数字调制技术。有方案建议在新一代移动通信系统中使用。2024/6/1752.1概述(3)数字调制技术分类恒定包络调制（非线性调制）：已调信号具有窄的功率谱，对设备放大器没有线性要求。但其频谱利用率相对线性调制较低。线性调制：要求通信设备从变频,放大到发射的过程中保持充分的线性。线性调制具有较高的频谱利用率，所以非常适合于在有限频带内要求容纳越来越多用户的无线通讯系统。2024/6/1762.1概述(3)数字调制技术分类举例：QPSK信号假定每个符号的包络是矩形，即信号的包络是恒定的，此时已调信号的频谱是无限宽。然而实际信道总是限带的，因此在发送QPSK信号时常常经过带通滤波.限带后的QPSK信号已不能保持恒定包络。相邻符号间发生180℃相移时，经限带后会出现包络为0的现象，如图2.0所示。这种现象在非线性限带信道中是特别不希望出现的，经非线性放大器后,包络中的起伏虽然可以减弱或消除，但与此同时却使信号频谱扩展，其旁瓣将会干扰临近频道的信号，发送时的限带滤波器将完全失去作用。2024/6/1772.1概述(3)数字调制技术分类举例：QPSK信号图2.0QPSK限带前后的波形2024/6/1782.1概述(3)数字调制技术分类

恒定包络调制（非线性调制）二进制频移键控（BFSK）最小频移键控（MSK）高斯最小频移键控（GMSK）2024/6/1792.1概述(3)数字调制技术分类线性调制二进制相移键控（BPSK）差分相移键控（DPSK）四相相移键控（QPSK）交错正交相移键控（OQPSK）π/4QPSK2024/6/17102.1概述(3)数字调制技术分类目前数字移动通信系统的调制技术（两大类）一类是以GSM为代表的，采用非线性的连续相位调制CPM中的高斯滤波的最小频移键控GMSK，它避开了线性要求，可使用效率高的C类功率放大器，大大降低了放大器的成本，但是实现复杂。2024/6/17112.1概述(3)数字调制技术分类目前数字移动通信系统的调制技术（两大类）另一类属于移项监控PSK，它包括IS95中以及IMT-2000中采用的BPSK，QPSK，OQPSK，平衡四项扩频调制BQM以及复数四项扩频调制CQM等。这类调制在码元转换时刻会产生相位跃变，并带来频谱扩展，当频带受限后又会出现幅度上的波动。这类调制对线性度要求较高，高功放只能使用线性度高而价格高昂的A类放大器，但是实现简单。2024/6/17122.1概述(3)数字调制技术分类目前数字移动通信系统的调制技术（两大类）国际上，1986年以前线性高功率尚未取得突破性进展，数字调制技术几乎都集中在研究和实现连续相位调制CPM，特别是MSK和GMSK很受欢迎。1987年以后由于实用性线性高功放取得实质性进展，并走向商业化，人们才开始将眼光转向实现技术简单的QPSK系列。2024/6/17132.2数字频率调制2.2.1频移键控调制（FSK）2.2.2最小频移键控（MSK）2.2.3高斯滤波的最小频移键控（GMSK）2024/6/17142.2.1

频移键控调制FSK是幅度恒定不变的、载波信号的频率随着调制信号两个可能的信息状态(1和0)而切换。FSK信号在相邻比特之间可以出现连续相位或者不连续相位。(1)二进制频移键控的时域表示和波形(2)二进制频移键控的功率谱(3)二进制频移键控的实现(4)二进制频移键控的抗噪声性能2.2数字频率调制2024/6/17152.2.1

频移键控调制(1)二进制频移键控的时域表示和波形频移键控：利用载波的频率变化来传递数字信息。“1”对应载波频率f1，“0”对应载波频率f2。如同两个不同频率交替发送的ASK信号。时域表达式：2.2数字频率调制2024/6/17162.2.1

频移键控调制(1)二进制频移键控的时域表示和波形2.2数字频率调制最简单的g(t)为单个矩形脉冲，波形如图2.1所示。2FSK信号的另一种表示：2024/6/17172.2.1

频移键控调制(2)二进制频移键控的功率谱两个载波的中心频率：fc

=(f1+f2)/2两个载波的频差：Δf

=f2－f1调制指数/频移指数：

Rs—数字基带信号的速率2FSK信号的功率谱示意图见图2.2。2.2数字频率调制2024/6/17182.2.1

频移键控调制(2)二进制频移键控的功率谱频带宽度：B2FSK

≈2BB+│f2－f1│

BB—基带信号带宽。（二进制频移键控已调信号可以看成是两个不同载频的幅度键控已调信号之和）工程上一般取：h=0.7/h=0.52.2数字频率调制2024/6/17192.2.1

频移键控调制(2)二进制频移键控的功率谱2.2数字频率调制2024/6/17202.2.1

频移键控调制(3)二进制频移键控的实现①2FSK信号的产生可以采用模拟调频电路实现，也可以采用数字键控的方法实现。2.2数字频率调制2024/6/17212.2.1

频移键控调制(3)二进制频移键控的实现②2FSK信号的解调FSK信号可以看作是用两个频率交替传输得到的，所以FSK接收机由两个并联的ASK接收机组成。非相干接收机相干接收机其它解调方法，例如过零检测法。2.2数字频率调制2024/6/17222.2.1

频移键控调制(3)二进制频移键控的实现②2FSK信号的解调2.2数字频率调制2024/6/17232.2.1

频移键控调制(3)二进制频移键控的实现②2FSK信号的解调2.2数字频率调制2024/6/17242.2.1

频移键控调制(3)二进制频移键控的实现②2FSK信号的解调2.2数字频率调制2024/6/17252.2.1

频移键控调制(3)二进制频移键控的实现②2FSK信号的解调2.2数字频率调制2024/6/17262.2.1

频移键控调制(4)二进制频移键控的抗噪声性能

2.2数字频率调制2024/6/17272.2.2最小频移键控

(1)最小频移键控的概念(2)最小频移键控的相位变化特性(3)最小频移键控的实现(4)最小频移键控的功率谱2.2数字频率调制2024/6/17282.2.2最小频移键控

(1)最小频移键控的概念相位跃变引起相位对时间的变化率（角频率）很大，这样就会使信号功率谱扩展，旁瓣增大，对相邻频道的信号形成干扰。为了使信号功率尽可能集中于主瓣内，主瓣之外的功率谱衰减的速度较快，信号的相位就不能突变。相位与时间的关系曲线应是平滑的。2.2数字频率调制2024/6/17292.2.2最小频移键控

(1)最小频移键控的概念如果FSK两路信号s1(t)和s2(t)满足正交条件：的最小频差；并且满足FSK信号的相位连续：调制指数为：2.2数字频率调制参见：《现代通信原理》曹志刚清华大学出版社2024/6/17302.2.2最小频移键控

(1)最小频移键控的概念MSK信号在第k个码元的波形可表示为：其中：xk是为了保持相位连续加入的相位常量。

2.2数字频率调制2024/6/17312.2.2最小频移键控

(1)最小频移键控的概念为了构成调制解调器，将该信号正交展开：2.2数字频率调制2024/6/17322.2.2最小频移键控

(1)最小频移键控的概念由上式可见，只要用基带波形：对载波进行调制就可得到MSK第k个码元信号。

2.2数字频率调制2024/6/17332.2.2最小频移键控

(2)最小频移键控的相位变化特性在每个比特间隔内载波相位变化+π/2或－π/2；累积相位φ(t)在每比特结束时必定为π/2的整数倍；φ(t)的轨迹是一条连续的折线。2.2数字频率调制2024/6/17342.2.2最小频移键控

(2)最小频移键控的相位变化特性载波相位变化在一个

码元交换点连续：A信号码元在时间上错开了Tb秒。2.2数字频率调制图2.2.8MSK的相位轨迹2024/6/17352.2.2最小频移键控

(2)最小频移键控的相位变化特性2.2数字频率调制图2.2.9MSK的输入数据与各支路数据及基带波形的关系2024/6/17362.2.2最小频移键控

(3)最小频移键控的实现根据式(2-38)或(2-38*)，MSK调制器和解调器示于图2.2.10和图2.2.12。2.2数字频率调制图2.10MSK调制器框图2024/6/17372.2.2最小频移键控

(3)最小频移键控的实现2.2数字频率调制图2.2.12MSK相干解调框图2024/6/17382.2.2最小频移键控

(4)最小频移键控的功率谱2.2数字频率调制图2.2.11MSK信号的功率谱2024/6/17392.2.2最小频移键控

(4)最小频移键控的功率谱具有较宽主瓣，第一个零点出现在0.75(f–fc

)Tb处，频谱利用率仍低于QPSK;旁瓣衰减速率快，[(f–fc)Tb]－4

，对相邻频道干扰较小。与FSK性能相比，由于各支路的实际码元宽度为2Tb，其对应的低通滤波器带宽减少为原带宽的1/2，从而使MSK的输出信噪比提高了一倍。误码率：Pe=2Ps(1－Ps)2.2数字频率调制2024/6/17402.2.3高斯滤波的最小频移键控

(1)为什么要采用GMSK调制(2)GMSK调制定义(3)对预调滤波器的要求(4)高斯预调制滤波器(5)GMSK的相位轨迹(6)GMSK的功率谱(7)GMSK信号的调制与解调2.2数字频率调制2024/6/17412.2.3高斯滤波的最小频移键控

(1)为什么要采用GMSK调制?MSK信号已具有较好的特点频谱和误比特率特性，但在一些通信场合，如移动通信中，MSK所占频带仍较宽；MSK频谱的带外衰减仍不够快。在25kHz信道间隔内传输16kb/s的数字信号时，将会产生临道干扰。在移动通信中采用高速率传送时，要求有更紧凑的功率谱（比如要求带外辐射低于－60～－80db).因此需要进一步压缩带宽。2.2数字频率调制为什么？2024/6/17422.2.3高斯滤波的最小频移键控

(2)GMSK调制定义GMSK调制：以MSK为基础，在其前面引入一个预调滤波器（高斯低通滤波器），通过改变高斯滤波器的带宽，对已调信号的频谱进行控制。用这种方法可以做到在25kHz的信道间隔中传输16kb/s的数字信号时，临道辐射功率低于－70dB～－60dB，并保持较好的误码性能。欧洲和中国的GSM系统就是采用这种调制方式。2.2数字频率调制2024/6/17432.2.3高斯滤波的最小频移键控

(3)对预调滤波器的要求带宽窄，且应具有良好的截止特性；为防止FM调制器的瞬时频偏过大，滤波器应具有较低的过冲脉冲响应；为便于进行相干解调，要求保持滤波器输出脉冲面积不变。2.2数字频率调制2024/6/17442.2.3高斯滤波的最小频移键控

(4)高斯预调制滤波器GMSK低通滤波器的冲击响应为:2.2数字频率调制Tb—矩形脉冲宽度2024/6/17452.2.3高斯滤波的最小频移键控

(4)高斯预调制滤波器2.2数字频率调制2024/6/17462.2.3高斯滤波的最小频移键控

(5)GMSK的相位轨迹

通过可控的码间干扰平滑了相位路径。消除了相位转折点。2.2数字频率调制2024/6/17472.2.3高斯滤波的最小频移键控

(6)GMSK的功率谱2.2数字频率调制随BbTb的减小,功率谱衰减明显加快。对于GSM系统，BbTb=0.3时即可满足(f－fc)Tb=1.5时功率谱密度低于60db的要求。2024/6/17482.2.3高斯滤波的最小频移键控

(7)GMSK信号的调制与解调用硬件实现以上冲激相应的高斯低通滤波器是很困难的，可用软件辅助实现。先将GMSK信号正交展开，如(2-48)式，分别算出I支路和Q支路两张数据表，存于ROM中，再根据输入数据地址读出ROM数据,经正交调制合成，就能由波形存储正交调制法产生GMSK信号。2.2数字频率调制2024/6/17492.2.3高斯滤波的最小频移键控

(7)GMSK信号的调制与解调GMSK信号的解调可以用MSK一样的正交相干解调电路。在相干解调中最为重要的是相干载波的提取，这在移动通信的环境中是比较困难的。通常采用查分解调和鉴频器解调等非相干解调，例如一比特差分检测和二比特延迟查分检测。2.2数字频率调制2024/6/17502.3数字相位调制

2.3.1相移键控调制（PSKorBPSK）2.3.2四相相移键控调制（QPSK）2.3.3交错OQPSK2.3.3π/4-DQPSK调制2024/6/17512.3.1相移键控调制PhaseShiftKeying线性调制技术幅度恒定的载波信号的相位，随着两个二进制信号1,0的改变而在0和π之间跳变。2.3数字相位调制2024/6/17522.3.1相移键控调制(1)PSK信号的定义(2)PSK信号解调(3)PSK的误码率2.3数字相位调制2024/6/17532.3.1相移键控调制(1)PSK信号的定义输入比特流为：PSK信号形式：2.3数字相位调制2024/6/17542.3.1相移键控调制(1)PSK信号的定义还可写为：当an=＋1时，其相位θ为0；当an=－1时，其相位θ为

。2.3数字相位调制2024/6/17552.3.1相移键控调制(2)PSK信号解调可用相干解调和非相干解调相干(同步)解调：要求在接收机端知道载波的相位和频率。2.3数字相位调制图2.3.1PSK的解调框图(a)相干解调2024/6/17562.3.1相移键控调制(2)PSK信号解调可用相干解调和非相干解调差分相干解调：

不需要在接收端有相干参考信号，接收机容易制造而且便宜。2.3数字相位调制图2.3.2PSK的解调框图(b)差分相干解调2024/6/17572.3.1相移键控调制(3)PSK的误码率输入为窄带高斯噪声：均值为0，方差为σ2n输入信号幅度为±1相干解调的误码率：2.3数字相位调制2024/6/17582.3.1相移键控调制(3)PSK的误码率差分相干解调的误码率：在相同的误码率情况下，PSK所需SNR比FSK低3db。2.3数字相位调制2024/6/17592.3.2四相相移键控调制（QuadraturePSK）也称四进制相移键控调制BPSK二进制相移键控调制，对应于载波相位差180°的两个相位。为了提高频谱利用率，提出四进制相移键控（QPSK）。

2.3数字相位调制2024/6/17602.3.2四相相移键控调制(1)QPSK工作原理(2)QPSK的数学表示(3)QPSK的星座图(4)QPSK与BPSK的比较2.3数字相位调制2024/6/17612.3.2四相相移键控调制(1)QPSK工作原理在一个调制符中传送两个比特，QPSK的带宽效率比BPSK高两倍。载波的相位为四个间隔相等的值，如：2.3数字相位调制2024/6/17622.3.2四相相移键控调制(2)QPSK的数学表示

令g(t)为宽度Ts的脉冲，QPSK信号可以写成：

式中，ak

为基带信号为相邻信号的相位间隔2.3数字相位调制2024/6/17632.3.2四相相移键控调制(2)QPSK的数学表示用三角展开：2.3数字相位调制QPSK信号实际是两个互为正交的BPSK信号的合成。信号中含有四种不同的θk值，与四进制数字信号对应。I支路Q支路2024/6/17642.3.2四相相移键控调制(3)QPSK的星座图为将输入二进制信号变换为四进制数，把每两个比特分成一组，共有四种组合：2.3数字相位调制2024/6/17652.3.2四相相移键控调制(3)QPSK的星座图基于这种表示，QPSK信号可用有四个点的二维星座图表示：2.3数字相位调制2024/6/17662.3.2四相相移键控调制(1)QPSK工作原理2.3数字相位调制先将输入数据作串并变换，即将二进制数据2比特分为一组，共四种组合,每组又有同相I分量和正交Q分量，用它们分别对两个正交的载波进行BPSK调制。最后再叠加成QPSK信号。原理如图2.24。2024/6/17672.3.2四相相移键控调制(4)QPSK与BPSK的比较QPSK的码长比BPSK的增加一倍，故它的频带可减少至BPSK的一半。即：QPSK与在单位频带内的信息速率可比BPSK时的提高一倍。如果QPSK与BPSK的码元速率相同时，则QPSK的信息速率是BPSK的二倍。参见《通信原理教程》，樊昌信，P.1522.3数字相位调制2024/6/17682.3.3交错正交相移键控交错QPSK

(OffsetQPSK):(1)为什么要用OQPSK？在QPSK调制中，I支路和Q支路信号的相位跳变在每Ts=2Tb

同时发生，此时如果I支路和Q支路信号的值都改变，将发生180°的最大相移，参见图2.25。这会导致信号包络在瞬间通过零点。任何一种在过零点的硬限幅或非线性放大，将集聚高频能量，带来旁瓣再生和频谱扩展。但移动信道总是有限带宽，其旁瓣将会干扰邻近频道.2.3数字相位调制2024/6/17692.3.3交错正交相移键控(2)OQPSK的定义将OQPSK信号的：偶比特流：Ak=cosθk

g(t－kTs)奇比特流：Bk=sinθk

g(t－kTs)Ts=2Tb错开一个比特（半个符号期),即每Tb秒跳变一次。其波形图如图2.3.3所示：2.3数字相位调制2024/6/17702.3.3交错正交相移键控(2)OQPSK的定义OQPSK调制器中同相I和正交Q支路时间交错波形图：2.3数字相位调制图2.3.3OQPSK交错波形2024/6/17712.3.3交错正交相移键控(2)OQPSK的定义这样，SI(t)和SQ(t)的跳变瞬时被错开了，比特跳变每TB秒发生一次。因此通过更频繁的转换相位，在任意给定时刻，OQPSK信号最大相移限制在±90°。消除了QPSK信号的±180°相位跳变。所以，旁瓣低于QPSK。参见图2.3.4、图2.3.52.3数字相位调制2024/6/17722.3.3交错正交相移键控(2)OQPSK的定义2.3数字相位调制2024/6/17732.3.4π/4-DQPSK调制(1)为什么要用-DQPSK信号？QPSK和OQPSK的缺点：QPSK具有180°的相位变化，经过非线性传输后会产生严重的频谱扩散；OQPSK很难采用差分相干解调。-DQPSK信号的优点：综合了QPSK和OQPSK的特点，既没有180°的相位跳变，又可以方便地采用差分相干解调，已应用于北美和日本的数字蜂窝移动通信系统。2.3数字相位调制2024/6/17742.3.4π/4-DQPSK调制(2)-DQPSK信号定义由把码元转换时刻的相位突跳限于或，已调信号的相位均匀分割为相隔

的8个相位点，并将它分为两组，分别用“红色”和“绿色”表示，使已调信号的相位在“红色”组和“绿色”组之间交替地跳变，这样相位跳变就只可能有

和的4种取值。由此，信号的频谱特性也得到了改善。2.3数字相位调制2024/6/17752.3.4π/4-DQPSK调制(2)-DQPSK信号定义2.3数字相位调制2024/6/17762.3.4π/4-DQPSK调制(3)-DQPSK的误比特率2.3数字相位调制