,移動通信系統,第四章移動通信中的數字調制與解調,第四章移動通信中的數字調制與解調,主要內容：4.1移動通信系統的物理模型4.2調制/解調的基本功能及要求4.3調制技術的基本概念4.4數字調制技術4.5擴頻調制技術4.6MQAM調制技術,從本章開始討論傳輸的可靠性問題，首先討論調制理論。無線通信系統中所采用的調制方式多種多樣，從信號空間觀點來看，調制實質上是從信道編碼后的漢明空間到調制后的歐式空間的映射或變換。這種映射可以是一維的，也可以是多維的，既可以采用線性變換方式，也可以采用非線性變換方式。本章我們首先引入移動通信系統的抽象物理模型，然后從最基本的調制方式開始討論，主要側重各種調制方式接收性能。同時結合各類無線通信系統，介紹實際應用的調制方式的基本原理和結構。,本章概述,在第二章中已較詳細分析過移動信道，本章將針對傳輸的可靠性問題將移動信道與移動通信系統結合起來分析。在移動通信中，若假設信道滿足線性時變特性，則根據不同環境條件，可以給出下列各種類型的移動信道與相應的移動通信系統的物理模型，如下圖所示。,4.1移動通信系統的物理模型,4.1移動通信系統的物理模型,4.1.1理想加性白色高斯(AWGN)信道C1,移動通信中研究AWGN信道C1的目的首先是由于它是最基本、最典型的恒參信道，是研究各類信道的基礎。實際的移動信道是具有時變特性的衰落信道，提高這類信道的抗干擾性能主要有兩類方法：一類是適應信道，另一類是改造信道，即將信道改造為AWGN信道，這時研究AWGN信道將更具有實際的現實意義。,4.1移動通信系統的物理模型,4.1.2慢衰落信道C2,慢衰落信道是移動信道區別于有線信道的最基本特征之一，也是進一步研究各類快衰落信道的基礎，慢衰落信道在有些文獻資料中稱為中尺度或大尺度傳播特性，或稱為陰影衰落信道。克服慢衰落的典型方法有：1.對電路交換型業務，特別是話音業務采用功率控制技術；2.對于分組交換型業務，特別是數據業務采用自適應速率控制更合適。這些自適應技術將在后面章節進一步討論。,4.1移動通信系統的物理模型,4.1.3快衰落信道C3、C4、C5與C6,在一些文獻中稱它們為小尺度傳播特性，快衰落是移動信道最主要的特色，它又可劃分為下列三類：由于傳播中天線的角度擴散引起的空間選擇性衰落，其最有效的克服手段是空間分集和其他空域處理方法。由于多徑傳播帶來的時延功率譜的擴散而引起的頻率選擇性衰落，它在寬帶移動通信中尤為突出。其最有效的克服方法有自適應均衡、正交頻分復用(OFDM)以及CDMA系統中的RAKE接收等。,4.1移動通信系統的物理模型,由于用戶高速移動導致的頻率擴散即多普勒頻移而引入的時間選擇性衰落。它在高速移動通信尤為突出。其最為有效的克服方法是采用信道交織編碼技術，即將由于時間選擇性衰落帶來的大突發性差錯信道改造成為近似性獨立差錯的AWGN信道。上述三種類型快衰落信道可分別記為C3、C4和C5。若將時變因子單獨予以考慮，則可以構成時變信道C6。但是實際的衰落信道特別是各類快衰落信道與時變特性是密不可分的，僅有慢衰落的時變特性可以單獨予以考慮。,4.1移動通信系統的物理模型,上述移動信道物理模型在實際問題中往往可以分為下列四個常用信道模型：1.AWGN信道模型：這類信道服從正態(高斯)分布，是恒參信道中最典型的一類信道，也是無線移動信道等變參信道的努力方向和改造目標。2.陰影衰落信道：這類信道服從對數正態分布，它是研究無線移動信道的基礎。,4.1移動通信系統的物理模型,3.平坦瑞利衰落信道：這類信道遵從瑞利或者萊斯(RICE)分布，它是最典型的寬帶無線和慢速移動的信道模型。在快衰落中僅僅考慮了空間選擇性衰落。4.選擇性衰落信道，它可分為兩類：頻率選擇性衰落信道，是典型的寬帶無線和慢速移動信道；時間選擇性衰落信道，是典型的寬帶無線和快速移動信道。,4.1移動通信系統的物理模型,4.1.4傳輸可靠性與抗衰落、抗干擾性能,無線傳輸主要取決于下列因素。1.傳播損耗：它是從宏觀角度考慮的損耗，又稱為大尺度特性。傳播損耗是隨著距離的25.5次方迅速衰減，即正比于，克服它唯一的方法是增大設備能力。比如增加發射功率，提高發送與接收天線增益等。2.慢衰落：它是由陰影效應引起的，又稱為中尺度特性，慢衰落若按90出現概率，考慮其深度大約在10dB左右，對于IS-95其特性可參見下圖。這20dB就是抗慢衰落的潛在增益,4.1移動通信系統的物理模型,4.1移動通信系統的物理模型,3.快衰落：它是由傳輸中角度域、時間域和頻率域擴散而引起的空間、頻率與時間選擇性衰落，又稱為小尺度特性。空間選擇性衰落：它是由系統及傳輸中角度擴散而引起的通常又稱為平坦瑞利衰落。頻率選擇性衰落，它是由傳播中多徑產生的時延功率譜即時域的擴散而引入的。時間選擇性衰落：它是由移動終端快速運動形成的多普勒頻移即頻域擴散而引入的以上三類快衰落及其抵抗措施與性能的改善而帶來的抗衰落潛在增益和抗白噪聲干擾的潛在增益可以利用下圖表示。,4.1移動通信系統的物理模型,4.1移動通信系統的物理模型,從以上圖形及分析，可以很清楚看出，移動信道是一類極其惡劣的信道，必須采用多種抗衰落、抗干擾手段才能保證可靠通信，從總體上來看：1.對付大尺度傳播特性所引入的衰耗僅能靠增大設備能力的方式。2.對付中尺度傳播特性的慢衰落，一般可采用鏈路自適應方式，對于電路型話音業務適宜于采用功控的功率自適應；而對于分組型數據業務則適宜于鏈路的速率自適應。其潛在抗慢衰落能力(增益)大約為20dB左右。,4.1移動通信系統的物理模型,對付小尺度的快衰落，對于克服平坦瑞利(空間選擇性)衰落，當誤碼率時，大約有28dB左右的潛在增益；若再進一步考慮頻率與時間選擇性衰落，當時，有大于30dB潛在增益。對于加性白噪聲(AWGN)信道，其調制潛在增益大約為6dB；其編碼潛在增益，對于時，大約為7-8dB左右。上述分析對于慢時變信道，必需依據準確的信道估計技術，否則將帶來一定程度的性能惡化。,4.1移動通信系統的物理模型,4.2.1調制/解調的基本功能,目的：使傳輸的數字信號與信道特性相匹配，便于有效的進行信息傳輸。載荷信息、頻譜搬移抗干擾特性頻譜有效性調制信號的峰平比,4.2調制解調的基本功能及要求,綜上所述，在移動通信中對調制方式的選擇主要有三條：首先是可靠性，即抗干擾性能，選擇具有低誤比特率的調制方式，其功率譜密度集中于主瓣內；其次是有效性，它主要體現在選取頻譜有效的調制方式上，特別是多進制調制；第三是工程上易于實現，它主要體現在恒包絡與峰平比的性能上。,4.2調制解調的基本功能及要求,4.2.2數字式調制/解調的分類,數字式調制是將數字基帶信號通過正弦型載波相乘調制成為帶通型信號。其基本原理是用數字基帶信號0與1去控制正弦載波中的一個參量。若控制載波的幅度，稱為振幅鍵控ASK；若控制載波的頻率，稱為頻率鍵控FSK；若控制載波的相位，稱為相位鍵控PSK；若聯合控制載波的幅度與相位兩個參量，稱為幅度相位調制，又稱為正交幅度調制QAM。,4.2調制解調的基本功能及要求,若將上述由0與1組成的基帶二進制調制進一步推廣至多進制信號，將產生相應的MASK、MFSK、MPSK和MQAM調制。在實際的移相鍵控方式中，為了克服在接收端產生的相位模糊度，往往將絕對移相改為相對移相DPSK以及DQPSK。另外在實際移相鍵控調制方式中，為了降低已調信號的峰平比，又引入了偏移QPSK(OQPSK)、/4-DQPSK、正交復四相移鍵控CQPSK，以及混合相移鍵控HPSK等等。,4.2調制解調的基本功能及要求,在二進制基帶調制之中，為了徹底消除由于相位躍變帶來的峰平比增加和頻帶擴展，又引入了有記憶的非線性連續相位調制CPM，最小頻移鍵控MSK，GMSK(高斯型MSK)以及平滑調頻TFM等。上述各類調制中僅有后一類，即CPM，MSK，GMSK和TFM屬于有記憶的非線性調制，其余各類調制均屬于無記憶的線性調制。上述調制中最基本的調制為2ASK、2FSK、BPSK，后面將重點分析它們。,4.2調制解調的基本功能及要求,移動通信中最常用的調制方式有兩大類：1986年以前由于線性高功放未取得突破性的進展，移動通信中調制技術青睞于恒包絡調制的MSK和GMSK，比如GSM系統采用的就是GMSK調制，但是它實現較復雜，且頻譜效率較低。1986年以后，由于實用化的線性高功放已取得了突破性的進展，人們又重新對簡單易行的BPSK和QPSK予以重視，并在它們的基礎上改善峰平比、提高頻譜利用率，比如OQPSK、CQPSK和HPSK。在CDMA系統中，由于有專門的導頻信道或者導頻符號傳送，因此CDMA體制中不采用相對移相的DPSK和DQPSK等。,4.2調制解調的基本功能及要求,4.2.3基本調制方法原理及性能簡要分析,2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK調制原理波形如下圖所示。,4.2調制解調的基本功能及要求,1.歐式空間距離法將二進制的已調信號矢量表達為二維歐式空間的距離，顯然距離越大，抗干擾性就越強。2ASK當基帶信號為“0”時，不發送載波，記為A00V；當基帶信號為“1”時，發送歸一化載波，記為A11V；則可用下列圖型表示：,4.2調制解調的基本功能及要求,2FSK當基帶信號為“0”時，發送歸一化幅度的f0載波記為f0當基帶信號為“1”時，發送歸一化幅度的f1載波記為f1,4.2調制解調的基本功能及要求,可用下列圖形表示：(為了使f0，f1互不干擾，f0、f1應互相正交),2PSK當基帶信號為“0”時，發送歸一化幅度相位00載波記為0當基帶信號為“1”時，發送歸一化幅度相位1載波記為1則可用下列圖形表示：,4.2調制解調的基本功能及要求,由上，可知2PSK的抗干擾性能最佳，2FSK次之，2ASK性能最差。,2.誤碼性能的解析表達式若三類調制方式均采用理想的相干解調方式，其誤比特率公式如下所示。2ASK2FSK2PSK,4.2調制解調的基本功能及要求,若將上述公式畫成圖形，則誤碼性能可以表達為：,4.2調制解調的基本功能及要求,4.3.1調制技術4.3.2調幅與調頻,4.3調制技術的基本概念,4.3.1調制技術,定義對信源信息進行處理，使之變為適合于信道傳輸的信號的過程。實現方法通過改變高頻載波的幅度、相位或者頻率，使其隨基帶信號的變化而變化。要求考慮到移動通信環境特點，需要具有抗干擾能力強、適應快衰落信道、頻譜利用率高、帶外輻射小等特點的調制方式,4.3調制技術的基本概念,實現框圖,4.3調制技術的基本概念,4.3.2調幅與調頻,調幅定義：使高頻信號的振幅隨調制信號瞬時變化而變化優點：結合單邊帶調制，使所占帶寬下降為原先一半，提高頻帶利用率缺點：抗衰落能力較弱,4.3調制技術的基本概念,調頻使高頻信號的頻率隨調制信號的瞬時變化而變化優點：抗干擾、抗衰落能力優于調幅制缺點：與單邊帶調幅相比，占用較寬的信道帶寬，同時存在門限效應,4.3調制技術的基本概念,4.4數字調制技術,4.4.1概述4.4.2窄帶數字調制技術4.4.3線性調制方式4.4.4恒定包絡調制方式,4.4.1概述,移動通信所面臨的無線信道問題多徑，衰落，干擾，頻率資源有限移動通信對調制解調技術的要求頻譜資源有限：高的帶寬效率用戶終端小：高的功率效率，抗非線性失真能力強鄰道干擾：低的帶外輻射多徑信道傳播：對多徑衰落不敏感，抗衰落能力強干擾受限的信道，抗干擾能力強解調一般采用非相干方式，或插入導頻的相干解調產業化問題：成本低，易于實現,4.4數字調制技術,調制方式的性能評估功率效率和帶寬效率調制的抗干擾性主要體現通信系統的質量指標，即可靠性調制信號具有較小的功率譜占有率要求：功率譜主瓣占盡可能多的信號能量，具有快速滾降特性，帶外衰減大，旁瓣小調制的頻譜有效性主要體現通信系統的數量指標，即有效性頻帶利用率：bit/s/HZ,4.4數字調制技術,分類辦法：按調制信號分：模擬調制和數字調制按相位連續性分：相位不連續調制和相位連續調制按信號恒定性分：恒包絡調制和非恒包絡調制按調制方式分：調頻、調幅、調相,4.4數字調制技術,具體分類如下圖：,4.4數字調制技術,各類二進制調制波形：,4.4數字調制技術,4.4.2窄帶數字調制技術,簡介窄帶數字調制技術是數字移動通信的關鍵技術之一，它能夠壓縮每個用戶的信號頻譜，便于復接，從而提高頻譜利用率和系統容量。自從1978年提出平滑調頻(TFM)方式以來，相繼出現了GMSK、/4QPSK等多種窄帶數字調制方式。,4.4數字調制技術,分類線性調制方式PSKBPSK、QPSK、OQPSK、/4QPSKQAM16QAM、64QAM、256QAM恒定包絡調制方式MSKTFMGMSK,4.4數字調制技術,各種移動通信系統所采取的調制方法,4.4數字調制技術,應用/4QPSK相位遷移時不通過原點，因此，信號包絡受功放非線性影響較小不僅適用于相干解調，而且也適用于對脈沖信號也很容易實現的延遲解調和頻率解調與TDMA方式配合良好,4.4數字調制技術,應用GMSK載波幅度恒定，相位軌跡連續平滑可采取多種解調方案，如相干解調、延遲解調、頻率解調等,4.4數字調制技術,數字調相BPSKQPSKOQPSK/4QPSK,4.4.3線性調制技術,4.4數字調制技術,PSK以基帶數據信號來調制載波的相位BPSK將二進制信號0,1映射為1,-1，用以調制載波：當輸入為“+1”時，對應的信號附加相位為“0”，當輸入為“-1”時，對應的信號附加相位為“”。,4.4數字調制技術,BPSK調制公式若輸入信號為經映射的比特流an，an=1，則BPSK信號可記為S(t)=anAcosctBPSK解調方式相干解調差分相干解調,4.4數字調制技術,QPSK假設輸入二進制序列為an，an=1，經串并轉換后兩支路信號分別記為aI(t)，aQ(t)，則QPSK信號可記為S(t)=aI(t)cosct-aQ(t)sinct,4.4數字調制技術,QPSK調制原理圖,4.4數字調制技術,QPSK信號相位的星座圖,4.4數字調制技術,OQPSKOQPSK的調制方法與QPSK類似，僅在一條正交支路上引入了一個比特的延時，以使得兩支路的數據不會同時發生變化，降低最大相位跳變,4.4數字調制技術,OQPSK相位的星象圖,4.4數字調制技術,OQPSK與QPSK的區別QPSK最大相位跳變，而OQPSK的相位跳變僅為/2OQPSK可以避免QPSK中的180度相移，減少隨機相位影響，降低對射頻放大器的線性要求,4.4數字調制技術,/4QPSK從相位變化角度來看，其最大相位變化為135度，低于QPSK的180度，但高于OQPSK的90度/4QPSK的性能優于OQPSK,4.4數字調制技術,/4QPSK調制原理,4.4數字調制技術,/4QPSK調制原理S(t)=I(t)cosct-Q(t)sinct其中I(t)、Q(t)分別為數字脈沖Ik、Qk通過低通濾波器所得信號，且有Ik=cosk=Ik-1cosk-Qk-1sinkQk=sink=Ik-1sink-Qk-1cosk其中k=k-1+k,4.4數字調制技術,k與I、Q路支信號mI,k、mQ,k的關系mI,k、mQ,k=1、1，k=/4mI,k、mQ,k=0、1，k=3/4mI,k、mQ,k=0、0，k=-3/4mI,k、mQ,k=1、0，k=-/4,4.4數字調制技術,/4QPSK調制相位星座圖,4.4數字調制技術,/4QPSK解調方式基帶差分檢波IF差分檢波FM鑒頻器檢波,4.4數字調制技術,/4QPSK的性能頻譜特性從相位變化特性來看，其頻譜特性優于QPSK，次于OQPSK傳輸誤碼率具有較優的傳輸性能,4.4數字調制技術,4.4.4恒定包絡調制方式,頻移鍵控(FSK)2FSK假設輸入比特流為an，an=1，則輸出信號為S(t)=cos(1t+1)當an=+1S(t)=cos(2t+2)當an=-1解調方法：包絡檢波法、相干解調、非相干解調,4.4數字調制技術,最小頻移鍵控(MSK)是一種相位連續、包絡恒定的調制方法定義對于輸入比特流an，an=1，調制信號為S(t)=cos(c+an/2Ts)t+n),4.4數字調制技術,MSK的調制和解調,4.4數字調制技術,MSK信號的特點調制信號振幅恒定信號相位在一個碼元周期內變化1/2碼元轉換時刻，相位連續無突變,4.4數字調制技術,高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)實現簡單，在MSK調制器前端置高斯濾波器特點：改善已調波的相位路徑，消除相位尖角，以抑制高頻分量，使功率譜高頻分量滾降變快是GSM的優選方案,4.4數字調制技術,MSK類調制性能比較相位轉移軌跡,4.4數字調制技術,MSK類調制性能比較頻譜特性,4.4數字調制技術,MSK類調制性能比較誤碼率,4.4數字調制技術,4.5.1概述4.5.2偽隨機序列4.5.3直接序列擴頻4.5.4跳頻擴頻,4.5擴頻調制技術,4.5.1概述,擴頻調制的思想根據香農公式C=WLog2(1+S/N)，展寬信號帶寬W，以帶寬的增加來換取傳輸性能的改善分類直接序列擴頻(DS)：采用比特率很高的隨機序列去調制載波，拓寬信號帶寬頻率跳變調制(FH)：用序列去控制載波的中心頻率，使其離散的在一個給定的頻帶內跳變，形成一個寬帶的離散頻率譜,4.5擴頻調制技術,擴頻的定義用來傳輸信息的信號帶寬遠遠大于信息本身帶寬的一種傳輸方式頻帶擴展用獨立于信息的偽隨機序列來實現，在接收端用同步接收進行解擴和數據恢復,4.5擴頻調制技術,擴頻系統特點具有選擇地址的能力在共用信道中能實現CDMA復用信號的功率譜密度低，電磁污染小易于加密抗干擾、抗衰落能力強,4.5擴頻調制技術,4.5.2偽隨機序列,適用于擴頻的偽隨機序列的特點比特率能夠滿足擴展帶寬的需求自相關要大，互相關要小有近似噪聲的頻譜性質常用序列m序列Gold序列,4.5擴頻調制技術,4.5.3直接序列擴頻,直接序列擴頻直接用具有高速率的擴頻碼序列在發端去擴展信號的頻譜。而在收端，用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。,4.5擴頻調制技術,擴頻的過程發端擴頻收端解擴,4.5擴頻調制技術,為了擴展信號的頻譜，可以采用窄的脈沖序列去進行調制某一載波，得到一個很寬的雙邊帶的直擴信號。采用的脈沖越窄，擴展的頻譜越寬。如果信號的總能量不變，則頻譜的展寬，使各頻譜成分的幅度下降，換句話說，信號的功率譜密度降低。,4.5擴頻調制技術,發端信息的頻譜被擴展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降；擴頻信號解擴以后，寬帶信號恢復成窄帶信息，功率譜密度上升；干擾信號只經過了一次被模二相加的調制過程，頻譜被擴展，功率譜密度下降。,4.5擴頻調制技術,擴頻增益定義為頻譜擴展前的信息帶寬F與頻帶擴展后的信號帶寬W之比GWF在擴頻通信系統中接收機作擴頻解調后，只提取偽隨機編碼相關處理后的帶寬為F的信息，而排除掉寬頻帶W中的外部干擾、噪音和其地用戶的通信影響。因此，處理增益G反映了擴頻通信系統信噪比改善的程度。,4.5擴頻調制技術,直接序列擴頻的特點1.頻譜的擴展是直接由高碼率的擴頻碼序列進行調制而得到的。2.擴頻碼序列多采用偽隨機碼，也稱為偽噪聲(PN)碼序列。3.擴頻調制方式多采用BPSK或QPSK等幅調制。4.接收端多采用產生本地偽隨機碼序列對接收信號進行相關解擴，或采用匹配濾波器來解擴信號。5.擴頻和解擴的偽隨機碼序列應有嚴格的同步，碼的捕獲和跟蹤多采用匹配濾波器或利用偽隨機碼的優良的相關特性在延遲鎖定環中實現。6.一般需要用窄帶通濾波器來排除干擾，以實現其抗干擾能力的提高。,4.5擴頻調制技術,4.5.4跳頻擴頻,跳頻擴頻用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調制，使載波頻率不斷地跳變。與直擴系統靠頻譜擴展來對抗干擾不同，跳頻是靠“躲避”干擾來提升性能的。,4.5擴頻調制技術,跳頻擴頻的系統原理框圖,4.5擴頻調制技術,跳頻信號,4.5擴頻調制技術,快跳和慢跳按照頻率跳變的速率分為快跳頻和慢跳頻快跳慢跳,4.5擴頻調制技術,跳頻圖案選擇載頻信號以一定的速度和順序，在多個頻率點上跳變傳遞，接收端以相