移動通信第二講MobileCommunication當前1頁，總共87頁。2023/3/141目錄第1章概論(2)第2章調制解調第3章移動信道的傳播特性(3)第4章抗衰落技術(1)第5章組網技術(4)第6章頻分多址(FDMA)模擬蜂窩網

第7章時分多址(TDMA)數字蜂窩網(4)第8章

碼分多址(CDMA)移動通信系統(一)(4)

第9章碼分多址(CDMA)移動通信系統(二)(1)第10章移動通信的展望——個人通信(1)2023/3/142當前2頁，總共87頁。第二章調制解調2.1概述2.2數字頻率調制2.3數字相位調制2.4正交振幅調制2023/3/143當前3頁，總共87頁。2.1概述(1)移動信道的特點帶寬有限：取決于可使用的頻率資源和信道的傳播特性。干擾和噪聲大：取決于移動通信工作的電磁環境。多徑衰落2023/3/144當前4頁，總共87頁。2.1概述(2)幾個概念頻譜利用率（bps/Hz）：高頻譜利用率：帶寬窄，主瓣窄，副瓣幅度低。抗干擾（抗噪聲、抗多徑）：S/N大、誤碼率低。振幅和相位聯合調制（QAM）技術：另一類獲得迅速發展的新的數字調制技術。有方案建議在新一代移動通信系統中使用。2023/3/145當前5頁，總共87頁。2.1概述(3)數字調制技術分類恒定包絡調制（非線性調制）：已調信號具有窄的功率譜，對設備放大器沒有線性要求。但其頻譜利用率相對線性調制較低。線性調制：要求通信設備從變頻,放大到發射的過程中保持充分的線性。線性調制具有較高的頻譜利用率，所以非常適合于在有限頻帶內要求容納越來越多用戶的無線通訊系統。2023/3/146當前6頁，總共87頁。2.1概述(3)數字調制技術分類舉例：QPSK信號假定每個符號的包絡是矩形，即信號的包絡是恒定的，此時已調信號的頻譜是無限寬。然而實際信道總是限帶的，因此在發送QPSK信號時常常經過帶通濾波.限帶后的QPSK信號已不能保持恒定包絡。相鄰符號間發生180℃相移時，經限帶后會出現包絡為0的現象，如圖2.0所示。這種現象在非線性限帶信道中是特別不希望出現的，經非線性放大器后,包絡中的起伏雖然可以減弱或消除，但與此同時卻使信號頻譜擴展，其旁瓣將會干擾臨近頻道的信號，發送時的限帶濾波器將完全失去作用。2023/3/147當前7頁，總共87頁。2.1概述(3)數字調制技術分類舉例：QPSK信號圖2.0QPSK限帶前后的波形2023/3/148當前8頁，總共87頁。2.1概述(3)數字調制技術分類

恒定包絡調制（非線性調制）二進制頻移鍵控（BFSK）最小頻移鍵控（MSK）高斯最小頻移鍵控（GMSK）2023/3/149當前9頁，總共87頁。2.1概述(3)數字調制技術分類線性調制二進制相移鍵控（BPSK）差分相移鍵控（DPSK）四相相移鍵控（QPSK）交錯正交相移鍵控（OQPSK）π/4QPSK2023/3/1410當前10頁，總共87頁。2.1概述(3)數字調制技術分類目前數字移動通信系統的調制技術（兩大類）一類是以GSM為代表的，采用非線性的連續相位調制CPM中的高斯濾波的最小頻移鍵控GMSK，它避開了線性要求，可使用效率高的C類功率放大器，大大降低了放大器的成本，但是實現復雜。2023/3/1411當前11頁，總共87頁。2.1概述(3)數字調制技術分類目前數字移動通信系統的調制技術（兩大類）另一類屬于移項監控PSK，它包括IS95中以及IMT-2000中采用的BPSK，QPSK，OQPSK，平衡四項擴頻調制BQM以及復數四項擴頻調制CQM等。這類調制在碼元轉換時刻會產生相位躍變，并帶來頻譜擴展，當頻帶受限后又會出現幅度上的波動。這類調制對線性度要求較高，高功放只能使用線性度高而價格高昂的A類放大器，但是實現簡單。2023/3/1412當前12頁，總共87頁。2.1概述(3)數字調制技術分類目前數字移動通信系統的調制技術（兩大類）國際上，1986年以前線性高功率尚未取得突破性進展，數字調制技術幾乎都集中在研究和實現連續相位調制CPM，特別是MSK和GMSK很受歡迎。1987年以后由于實用性線性高功放取得實質性進展，并走向商業化，人們才開始將眼光轉向實現技術簡單的QPSK系列。2023/3/1413當前13頁，總共87頁。2.2數字頻率調制2.2.1頻移鍵控調制（FSK）2.2.2最小頻移鍵控（MSK）2.2.3高斯濾波的最小頻移鍵控（GMSK）2023/3/1414當前14頁，總共87頁。

頻移鍵控調制FSK是幅度恒定不變的、載波信號的頻率隨著調制信號兩個可能的信息狀態(1和0)而切換。FSK信號在相鄰比特之間可以出現連續相位或者不連續相位。(1)二進制頻移鍵控的時域表示和波形(2)二進制頻移鍵控的功率譜(3)二進制頻移鍵控的實現(4)二進制頻移鍵控的抗噪聲性能2.2數字頻率調制2023/3/1415當前15頁，總共87頁。

頻移鍵控調制(1)二進制頻移鍵控的時域表示和波形頻移鍵控：利用載波的頻率變化來傳遞數字信息。“1”對應載波頻率f1，“0”對應載波頻率f2。如同兩個不同頻率交替發送的ASK信號。時域表達式：2.2數字頻率調制2023/3/1416當前16頁，總共87頁。

頻移鍵控調制(1)二進制頻移鍵控的時域表示和波形2.2數字頻率調制最簡單的g(t)為單個矩形脈沖，波形如圖2.1所示。2FSK信號的另一種表示：2023/3/1417當前17頁，總共87頁。

頻移鍵控調制(2)二進制頻移鍵控的功率譜兩個載波的中心頻率：fc=(f1+f2)/2兩個載波的頻差：Δf=f2－f1調制指數/頻移指數：Rs—數字基帶信號的速率2FSK信號的功率譜示意圖見圖2.2。2.2數字頻率調制2023/3/1418當前18頁，總共87頁。

頻移鍵控調制(2)二進制頻移鍵控的功率譜頻帶寬度：B2FSK

≈2BB+│f2－f1│

BB—基帶信號帶寬。（二進制頻移鍵控已調信號可以看成是兩個不同載頻的幅度鍵控已調信號之和）工程上一般取：h=0.7/h=0.52.2數字頻率調制2023/3/1419當前19頁，總共87頁。

頻移鍵控調制(2)二進制頻移鍵控的功率譜2.2數字頻率調制2023/3/1420當前20頁，總共87頁。

頻移鍵控調制(3)二進制頻移鍵控的實現①2FSK信號的產生可以采用模擬調頻電路實現，也可以采用數字鍵控的方法實現。2.2數字頻率調制2023/3/1421當前21頁，總共87頁。

頻移鍵控調制(3)二進制頻移鍵控的實現②2FSK信號的解調FSK信號可以看作是用兩個頻率交替傳輸得到的，所以FSK接收機由兩個并聯的ASK接收機組成。非相干接收機相干接收機其它解調方法，例如過零檢測法。2.2數字頻率調制2023/3/1422當前22頁，總共87頁。

頻移鍵控調制(3)二進制頻移鍵控的實現②2FSK信號的解調2.2數字頻率調制2023/3/1423當前23頁，總共87頁。

頻移鍵控調制(3)二進制頻移鍵控的實現②2FSK信號的解調2.2數字頻率調制2023/3/1424當前24頁，總共87頁。

頻移鍵控調制(3)二進制頻移鍵控的實現②2FSK信號的解調2.2數字頻率調制2023/3/1425當前25頁，總共87頁。

頻移鍵控調制(3)二進制頻移鍵控的實現②2FSK信號的解調2.2數字頻率調制2023/3/1426當前26頁，總共87頁。

頻移鍵控調制(4)二進制頻移鍵控的抗噪聲性能

2.2數字頻率調制2023/3/1427當前27頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(1)最小頻移鍵控的概念(2)最小頻移鍵控的相位變化特性(3)最小頻移鍵控的實現(4)最小頻移鍵控的功率譜2.2數字頻率調制2023/3/1428當前28頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(1)最小頻移鍵控的概念相位躍變引起相位對時間的變化率（角頻率）很大，這樣就會使信號功率譜擴展，旁瓣增大，對相鄰頻道的信號形成干擾。為了使信號功率盡可能集中于主瓣內，主瓣之外的功率譜衰減的速度較快，信號的相位就不能突變。相位與時間的關系曲線應是平滑的。2.2數字頻率調制2023/3/1429當前29頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(1)最小頻移鍵控的概念如果FSK兩路信號s1(t)和s2(t)滿足正交條件：的最小頻差；并且滿足FSK信號的相位連續：調制指數為：2.2數字頻率調制參見：《現代通信原理》曹志剛清華大學出版社2023/3/1430當前30頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(1)最小頻移鍵控的概念MSK信號在第k個碼元的波形可表示為：其中：xk是為了保持相位連續加入的相位常量。

2.2數字頻率調制2023/3/1431當前31頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(1)最小頻移鍵控的概念為了構成調制解調器，將該信號正交展開：2.2數字頻率調制2023/3/1432當前32頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(1)最小頻移鍵控的概念由上式可見，只要用基帶波形：對載波進行調制就可得到MSK第k個碼元信號。

2.2數字頻率調制2023/3/1433當前33頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(2)最小頻移鍵控的相位變化特性在每個比特間隔內載波相位變化+π/2或－π/2；累積相位φ(t)在每比特結束時必定為π/2的整數倍；φ(t)的軌跡是一條連續的折線。2.2數字頻率調制2023/3/1434當前34頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(2)最小頻移鍵控的相位變化特性載波相位變化在一個

碼元交換點連續：A信號碼元在時間上錯開了Tb秒。2.2數字頻率調制圖2.2.8MSK的相位軌跡2023/3/1435當前35頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(2)最小頻移鍵控的相位變化特性2.2數字頻率調制圖2.2.9MSK的輸入數據與各支路數據及基帶波形的關系2023/3/1436當前36頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(3)最小頻移鍵控的實現根據式(2-38)或(2-38*)，MSK調制器和解調器示于圖和圖。2.2數字頻率調制圖2.10MSK調制器框圖2023/3/1437當前37頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(3)最小頻移鍵控的實現2.2數字頻率調制圖2.2.12MSK相干解調框圖2023/3/1438當前38頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(4)最小頻移鍵控的功率譜2.2數字頻率調制圖2.2.11MSK信號的功率譜2023/3/1439當前39頁，總共87頁。2.2.2最小頻移鍵控

(4)最小頻移鍵控的功率譜具有較寬主瓣，第一個零點出現在0.75(f–fc)Tb處，頻譜利用率仍低于QPSK;旁瓣衰減速率快，[(f–fc)Tb]－4

，對相鄰頻道干擾較小。與FSK性能相比，由于各支路的實際碼元寬度為2Tb，其對應的低通濾波器帶寬減少為原帶寬的1/2，從而使MSK的輸出信噪比提高了一倍。誤碼率：Pe=2Ps(1－Ps)2.2數字頻率調制2023/3/1440當前40頁，總共87頁。2.2.3高斯濾波的最小頻移鍵控

(1)為什么要采用GMSK調制(2)GMSK調制定義(3)對預調濾波器的要求(4)高斯預調制濾波器(5)GMSK的相位軌跡(6)GMSK的功率譜(7)GMSK信號的調制與解調2.2數字頻率調制2023/3/1441當前41頁，總共87頁。2.2.3高斯濾波的最小頻移鍵控

(1)為什么要采用GMSK調制?MSK信號已具有較好的特點頻譜和誤比特率特性，但在一些通信場合，如移動通信中，MSK所占頻帶仍較寬；MSK頻譜的帶外衰減仍不夠快。在25kHz信道間隔內傳輸16kb/s的數字信號時，將會產生臨道干擾。在移動通信中采用高速率傳送時，要求有更緊湊的功率譜（比如要求帶外輻射低于－60～－80db).因此需要進一步壓縮帶寬。2.2數字頻率調制為什么？2023/3/1442當前42頁，總共87頁。2.2.3高斯濾波的最小頻移鍵控

(2)GMSK調制定義GMSK調制：以MSK為基礎，在其前面引入一個預調濾波器（高斯低通濾波器），通過改變高斯濾波器的帶寬，對已調信號的頻譜進行控制。用這種方法可以做到在25kHz的信道間隔中傳輸16kb/s的數字信號時，臨道輻射功率低于－70dB～－60dB，并保持較好的誤碼性能。歐洲和中國的GSM系統就是采用這種調制方式。2.2數字頻率調制2023/3/1443當前43頁，總共87頁。2.2.3高斯濾波的最小頻移鍵控

(3)對預調濾波器的要求帶寬窄，且應具有良好的截止特性；為防止FM調制器的瞬時頻偏過大，濾波器應具有較低的過沖脈沖響應；為便于進行相干解調，要求保持濾波器輸出脈沖面積不變。2.2數字頻率調制2023/3/1444當前44頁，總共87頁。2.2.3高斯濾波的最小頻移鍵控

(4)高斯預調制濾波器GMSK低通濾波器的沖擊響應為:2.2數字頻率調制Tb—矩形脈沖寬度2023/3/1445當前45頁，總共87頁。2.2.3高斯濾波的最小頻移鍵控

(4)高斯預調制濾波器2.2數字頻率調制2023/3/1446當前46頁，總共87頁。2.2.3高斯濾波的最小頻移鍵控

(5)GMSK的相位軌跡

通過可控的碼間干擾平滑了相位路徑。消除了相位轉折點。2.2數字頻率調制2023/3/1447當前47頁，總共87頁。2.2.3高斯濾波的最小頻移鍵控

(6)GMSK的功率譜2.2數字頻率調制隨BbTb的減小,功率譜衰減明顯加快。對于GSM系統，BbTb=0.3時即可滿足(f－fc)Tb=1.5時功率譜密度低于60db的要求。2023/3/1448當前48頁，總共87頁。2.2.3高斯濾波的最小頻移鍵控

(7)GMSK信號的調制與解調用硬件實現以上沖激相應的高斯低通濾波器是很困難的，可用軟件輔助實現。先將GMSK信號正交展開，如(2-48)式，分別算出I支路和Q支路兩張數據表，存于ROM中，再根據輸入數據地址讀出ROM數據,經正交調制合成，就能由波形存儲正交調制法產生GMSK信號。2.2數字頻率調制2023/3/1449當前49頁，總共87頁。2.2.3高斯濾波的最小頻移鍵控

(7)GMSK信號的調制與解調GMSK信號的解調可以用MSK一樣的正交相干解調電路。在相干解調中最為重要的是相干載波的提取，這在移動通信的環境中是比較困難的。通常采用查分解調和鑒頻器解調等非相干解調，例如一比特差分檢測和二比特延遲查分檢測。2.2數字頻率調制2023/3/1450當前50頁，總共87頁。2.3數字相位調制

2.3.1相移鍵控調制（PSKorBPSK）2.3.2四相相移鍵控調制（QPSK）2.3.3交錯OQPSK2.3.3π/4-DQPSK調制2023/3/1451當前51頁，總共87頁。2.3.1相移鍵控調制PhaseShiftKeying線性調制技術幅度恒定的載波信號的相位，隨著兩個二進制信號1,0的改變而在0和π之間跳變。2.3數字相位調制2023/3/1452當前52頁，總共87頁。2.3.1相移鍵控調制(1)PSK信號的定義(2)PSK信號解調(3)PSK的誤碼率2.3數字相位調制2023/3/1453當前53頁，總共87頁。2.3.1相移鍵控調制(1)PSK信號的定義輸入比特流為：PSK信號形式：2.3數字相位調制2023/3/1454當前54頁，總共87頁。2.3.1相移鍵控調制(1)PSK信號的定義還可寫為：當an=＋1時，其相位θ為0；當an=－1時，其相位θ為。2.3數字相位調制2023/3/1455當前55頁，總共87頁。2.3.1相移鍵控調制(2)PSK信號解調可用相干解調和非相干解調相干(同步)解調：要求在接收機端知道載波的相位和頻率。2.3數字相位調制圖2.3.1PSK的解調框圖(a)相干解調2023/3/1456當前56頁，總共87頁。2.3.1相移鍵控調制(2)PSK信號解調可用相干解調和非相干解調差分相干解調：

不需要在接收端有相干參考信號，接收機容易制造而且便宜。2.3數字相位調制圖2.3.2PSK的解調框圖(b)差分相干解調2023/3/1457當前57頁，總共87頁。2.3.1相移鍵控調制(3)PSK的誤碼率輸入為窄帶高斯噪聲：均值為0，方差為σ2n輸入信號幅度為±1相干解調的誤碼率：2.3數字相位調制2023/3/1458當前58頁，總共87頁。2.3.1相移鍵控調制(3)PSK的誤碼率差分相干解調的誤碼率：在相同的誤碼率情況下，PSK所需SNR比FSK低3db。2.3數字相位調制2023/3/1459當前59頁，總共87頁。2.3.2四相相移鍵控調制（QuadraturePSK）也稱四進制相移鍵控調制BPSK二進制相移鍵控調制，對應于載波相位差180°的兩個相位。為了提高頻譜利用率，提出四進制相移鍵控（QPSK）。

2.3數字相位調制2023/3/1460當前60頁，總共87頁。2.3.2四相相移鍵控調制(1)QPSK工作原理(2)QPSK的數學表示(3)QPSK的星座圖(4)QPSK與BPSK的比較2.3數字相位調制2023/3/1461當前61頁，總共87頁。2.3.2四相相移鍵控調制(1)QPSK工作原理在一個調制符中傳送兩個比特，QPSK的帶寬效率比BPSK高兩倍。載波的相位為四個間隔相等的值，如：2.3數字相位調制2023/3/1462當前62頁，總共87頁。2.3.2四相相移鍵控調制(2)QPSK的數學表示

令g(t)為寬度Ts的脈沖，QPSK信號可以寫成：

式中，ak

為基帶信號為相鄰信號的相位間隔2.3數字相位調制2023/3/1463當前63頁，總共87頁。2.3.2四相相移鍵控調制(2)QPSK的數學表示用三角展開：2.3數字相位調制QPSK信號實際是兩個互為正交的BPSK信號的合成。信號中含有四種不同的θk值，與四進制數字信號對應。I支路Q支路2023/3/1464當前64頁，總共87頁。2.3.2四相相移鍵控調制(3)QPSK的星座圖為將輸入二進制信號變換為四進制數，把每兩個比特分成一組，共有四種組合：2.3數字相位調制2023/3/1465當前65頁，總共87頁。2.3.2四相相移鍵控調制(3)QPSK的星座圖基于這種表示，QPSK信號可用有四個點的二維星座圖表示：2.3數字相位調制2023/3/1466當前66頁，總共87頁。2.3.2四相相移鍵控調制(1)QPSK工作原理2.3數字相位調制先將輸入數據作串并變換，即將二進制數據2比特分為一組，共四種組合,每組又有同相I分量和正交Q分量，用它們分別對兩個正交的載波進行BPSK調制。最后再疊加成QPSK信號。原理如圖2.24。2023/3/1467當前67頁，總共87頁。2.3.2四相相移鍵控調制(4)QPSK與BPSK的比較QPSK的碼長比BPSK的增加一倍，故它的頻帶可減少至BPSK的一半。即：QPSK與在單位頻帶內的信息速率可比BPSK時的提高一倍。如果QPSK與BPSK的碼元速率相同時，則QPSK的信息速率是BPSK的二倍。參見《通信原理教程》，樊昌信，P.1522.3數字相位調制2023/3/1468當前68頁，總共87頁。2.3.3交錯正交相移鍵控交錯QPSK

(OffsetQPSK):(1)為什么要用OQPSK？在QPSK調制中，I支路和Q支路信號的相位跳變在每Ts=2Tb

同時發生，此時如果I支路和Q支路信號的值都改變，將發生180°的最大相移，參見圖2.25。這會導致信號包絡在瞬間通過零點。任何一種在過零點的硬限幅或非線性放大，將集聚高頻能量，帶來旁瓣再生和頻譜擴展。但移動信道總是有限帶寬，其旁瓣將會干擾鄰近頻道.2.3數字相位調制2023/3/1469當前69頁，總共87頁。2.3.3交錯正交相移鍵控(2)OQPSK的定義將OQPSK信號的：偶比特流：Ak=cosθkg(t－kTs)奇比特流：Bk=sinθkg(t－kTs)Ts=2Tb錯開一個比特（半個符號期),即每Tb秒跳變一次。其波形圖如圖所示：2.3數字相位調制2023/3/1470當前70頁，總共87頁。2.3.3交錯正交相移鍵控(2)OQPSK的定義OQPSK調制器中同相I和正交Q支路時間交錯波形圖：2.3數字相位調制圖2.3.3OQPSK交錯波形2023/3/1471當前71頁，總共87頁。2.3.3交錯正交相移鍵控(2)OQPSK的定義這樣，SI(t)和SQ(t)的跳變瞬時被錯開了，比特跳變每TB秒發生一次。因此通過更頻繁的轉換相位，在任意給定時刻，OQPSK信號最大相移限制在±90°。消除了QPSK信號的±180°相位跳變。所以，旁瓣低于QPSK。參見圖、圖2.3數字相位調制2023/3/1472當前72頁，總共87頁。2.3.3交錯正交相移鍵控(2)OQPSK的定義2.3數字相位調制2023/3/1473當前73頁，總共87頁。2.3.4π/4-DQPSK調制(1)為什么要用-DQPSK信號？QPSK和OQPSK的缺點：QPSK具有180°的相位變化，經過非線性傳輸后會產生嚴重的頻譜擴散；OQPSK很難采用差分相干解調。-DQPSK信號的優點：綜合了QPSK和OQPSK的特點，既沒有180°的相位跳變，又可以方便地采用差分相干解調，已應用于北美和日本的數字蜂窩移動通信系統。2.3數字相位調制2023/3/1474當前74頁，總共87頁。2.3.4π/4-DQPSK調制(2)-DQPSK信號定義由把碼元轉換時刻的相位突跳限于或，已調信號的相位均勻分割為相隔

的8個相位點，并將它分為兩組，分別用“紅色”和“綠色”表示，使已調信號的相位在“紅色”組和“綠色”組之間交替地跳變，這樣相位跳變就只可能有

和的4種取值。由此，信號的頻譜特性也得到了改善。2.3數字相位調制2023/3/1475當前75頁，總共87頁。2.3.4π/4-DQPSK調制(2)-DQPSK信號定義2.3數字相位調制2023/3/1476當前76頁，總共87頁。2.3.4π/4-DQPSK調制(3)-DQPSK的誤比特率2.3數字相位調制其中Δθ=2πΔfTS是頻差Δf引起的相位漂移2023/3/