移動通信原理與應用2023/7/241目錄第一章概述第二章蜂窩移動通信系統第三章無線移動通信信道第四章移動通信的調制技術第五章抗衰落技術第六章語音編碼技術第七章移動通信中的多址接入技術第八章移動通信網第九章GSM通信系統第十章IS-95CDMA移動通信及其標準介紹第十一章第三代移動通信及其標準介紹2第四章移動通信的調制技術4.1調制技術的基本概念4.1.1調制技術4.1.2調幅與調頻4.2數字調制技術4.2.1概述4.2.2窄帶數字調制技術4.2.3線性調制方式4.2.4恒定包絡調制方式4.3擴頻調制技術4.3.1概述4.3.2偽隨機序列4.3.3直接序列擴頻4.3.4跳頻擴頻34.1調制技術的基本概念4.1.1調制技術調制就是對信號源的編碼信息進行處理，使其變為適合于信道傳輸形式的過程。信號源的編碼信息（信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號。基帶信號往往不能作為傳輸信號，因此必須把基帶信號轉變為一個相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號以適合于信道傳輸。這個帶通信號叫做已調信號，而基帶信號叫做調制信號。4.1.2調幅與調頻(模擬調制技術)

調頻是使高頻載波信號的瞬時頻率隨調制信號的變化而變化，其所占帶寬為：BFM=2(βFM+1)fm（其中,βFM為調制指數）。調頻制在抗干擾和抗衰落性能方面優于調幅制，對非線性信道有較好的適應性，世界上幾乎所有的模擬蜂窩系統都使用頻率調制。44.2數字調制技術4.2.1概述4.2.2窄帶數字調制技術現代移動通信系統都使用數字調制技術。由于數字通信具有建網靈活，容易采用數字差錯控制技術和數字加密，便于集成化，并能夠進入ISDN，所以通信系統都在由模擬方式向數字方式過渡。1.對移動通信數字調制和解調器的要求對移動通信數字調制和解調器的要求如下：在瑞利衰落條件下，誤碼率要盡可能低。發射頻譜窄，帶外輻射，鄰道功率與載波功率之比小于-70dB。同頻復用的距離小。高效率解調（如非相干解調），以降低移動臺功耗，進一步縮小體積和成本。能提供較高的傳輸速率。易于集成。54.2.2窄帶數字調制技術2.分類(1)線性調制方式(2)恒定包絡調制方式PSK（PhaseShiftKeying）和QAM（QuadratureAmplitudeModulation）等。這類調制方式的頻帶利用率一般大于1bit/s·Hz-1，理論上可以得到大于2bit/s·Hz-1。MSK（minimumshiftkeying）、TFM（平滑調頻）（TamedFrequencyModulation）、GMSK（Gaussianminimumshiftkeying）等。已調信號具有包絡幅度不變的特性，這種調制方式的缺點是頻帶利用率較低，一般不超過1bit/s·Hz-1。64.2.2窄帶數字調制技術3.應用GSM系統:GMSK（歸一化３dB帶寬BbTb=0.3）IS-95CDMA系統:QPSK(前向),OQPSK（反向）DAMPS、PDC、PHS系統：π/4－QPSK74.2.3線性調制方式1.數字調相的基本概念(1)PSK調制以基帶數據信號控制載波的相位，稱為數字調相，又稱相移鍵控，簡寫為PSK。8圖4.1PSK信號相干解調原理框圖圖4.2PSK信號差分相干解調原理框圖4.2.3線性調制方式94.2.3線性調制方式相干解調后的誤碼比特率為在相同條件下，差分相干解調的誤碼比特率為設g(t)是寬度為Tb的矩形脈沖，其頻譜為G(f)，則PSK信號的功率譜為（假設“+1”和“-1”等概率出現）104.2.3線性調制方式(2)QPSK調制和OQPSK調制QPSK（正交相移鍵控）和OQPSK（交錯正交相移鍵控）的產生原理圖,如圖4.3和4.4所示。圖4.3QPSK信號的產生圖4.4OQPSK信號的產生114.2.3線性調制方式假定輸入二進制序列為{an},an=+1或-1，以1/Tb速率進入調制器的輸入端，通過串并變換分成正交兩路，即aI(t)、aQ(t)則經QPSK調制的信號表示為圖4.5an(t)與aI(t),aQ(t)的波形示意圖124.2.3線性調制方式OQPSK調制與QPSK調制類似，只是在正交支路引入了一個比特（半個碼元）的延時，這使得兩個支路的數據不會同時發生變化，因而不可能像QPSK那樣產生±π的相位跳變，而僅能產生±π/2的相位跳變。OQPSK的交錯數據流及星座圖如圖4.7和4.8所示.4.7OQPSK的交錯數據流圖4.8OQPSK的星座圖和相位轉移圖134.2.3線性調制方式2.π/4QPSKπ/4相移QPSK調制是一種相移鍵控技術，從最大相位跳變來看，它是OQPSK和QPSK的折衷，可以相干解調，也可以非相干解調。π/4QPSK的最大相位變化是±135°，而QPSK是180°,OQPSK是90°。圖4.10π/4QPSK信號的星座圖144.2.3線性調制方式3.π/4QPSK調制原理圖4.11給出了一個一般的π/4QPSK發射機的框圖。圖4.11一般π/4QPSK信號的發射機154.2.3線性調制方式

11

00

01

10輸入的比特流通過一個串并（S/P）轉換器被分為兩個并行數據流mI,k和mQ,k，每一個的符號速率等于輸入比特率的一半.Ik和Qk表示一個符號持續時間內的矩形脈沖，其幅度如下：信號比特相移信號比特相移表4.1不同輸入比特對時的載波相移164.2.3線性調制方式4.π/4QPSK解調原理π/4QPSK信號的解調，可供選擇的解調器有三種：基帶差分檢波、中頻差分檢波和調頻(FM)鑒頻器檢波。圖4.12基帶插分檢測器的框圖(1)基帶差分檢波174.2.3線性調制方式(2)IF差分檢波圖4.13所示的是IF差分檢波器框圖。接收的IF信號通過延遲線Ts和兩個混頻器差分解調，因此接收機中不需要本地振蕩器。圖4.13π/4QPSK的IF差分檢測器框圖184.2.3線性調制方式圖4.14給出了π/4QPSK的FM鑒頻器檢波框圖。輸入信號先通過帶通濾波器濾波來與發送信號匹配。濾波后的信號被限幅器去除包絡的波動。限幅器保留了輸入信號相位的變化，所以沒有丟失信息。FM鑒頻器提取出接收信號瞬時頻率的變化，并在每個符號周期內積分，可得到兩個抽樣時刻間的相差。該相差在通過一個四電平門限比較器來檢測。圖4.14用FM鑒頻檢測器解調π/4QPSK(3)FM鑒頻器檢波194.2.3線性調制方式5.π/4QPSK的性能(1)信號的頻譜π/4QPSK信號，因其相位變化較小，所以它的頻譜特性優于QPSK。但它的相位變化比OQPSK大，故其頻譜特性比OQPSK差。(2)誤碼率在移動通信環境中，影響誤比特率的因素有傳播瑞利衰落、多普勒頻移產生的隨機相位噪聲、時延擴散造成的頻率選擇性衰落,以及主要由于頻率復用產生的同頻干擾（CCI）。當系統傳輸速率fb較低時（例如fb=50kbit/s），時延擴散影響較小，隨機相位噪聲影響較大。圖4.15π/4QPSK誤碼性能204.2.3線性調制方式圖4.16和圖4.17中出現不能再減小的剩余誤碼（殘留誤碼）的原因是：①多普勒頻移造成寄生調頻噪聲；②同頻干擾與有用信號疊加，產生相位噪聲，決定了干擾和衰落條件下的性能。圖4.16π/4QPSK在瑞利衰落時的誤碼性能圖4.17π/4QPSK在不同C/I值時的誤碼性能214.2.4恒定包絡調制方式1.頻移鍵控調制用基帶數據信號控制載波的頻率，稱為數字調頻，又稱頻移鍵控(FSK)。二進制頻移鍵控就是用二進制數字信號控制載波頻率，當傳“1”碼時，輸出頻率f1；當傳“0”碼時，輸出頻率f2.圖4.182FSK信號波形224.2.4恒定包絡調制方式2FSK信號的帶寬大約為圖4.20相位不連續的2FSK信號的產生圖4.212FSK的相干解調2FSK信號的解調可采用包絡檢波法、相干解調法和非相干解調法等。圖4.21為2FSK信號的相干解調框圖。1010110f1f1001f2f200f1f2234.2.4恒定包絡調制方式2.最小頻移鍵控調制原理(1)問題的引入(2)MSK信號設則調制指數(3)第k個碼元期間內相位變化244.2.4恒定包絡調制方式(4)MSK調制器MSK調制器原理框圖如圖4.23所示。其工作過程為：①對輸入二進制數據信號進行差分編碼。②經串/并轉換，分成相互交錯一個碼元寬度的兩路信號Ik和Qk。③用加權函數分別對兩路數據信號Ik和Qk進行加權。④加權后的兩路信號再分別對正交載波進行調制。⑤將所得到的兩路已調信號相加，通過帶通濾波器，就得到MSK信號。

MSK解調，可用相干、非相干兩種方式，具體過程從略。(5)MSK信號特點MSK信號特點如下：①已調信號振幅是恒定的。②信號頻率偏移嚴格符合±1/4Ts,相位調制指數254.2.4恒定包絡調制方式③以載波相位為基準的信號相位，在一個碼元期間內準確地按線性變化±π/2④在一個碼元(Ts)期間內，信號應是四分之一載波周期的整倍數，即0、π/2、π、3π/2的n倍。⑤碼元轉換時刻，信號的相位是連續的，即信號波形無突變。圖4.23MSK調制器原理框圖--π/2264.2.4恒定包絡調制方式3.高斯濾波最小頻移鍵控 圖4.24為GMSK調制器的原理圖。GMSK信號的產生可用簡單的高斯低通濾波器及FM調制器來實現。GMSK信號的解調可采用正交相干解調，也可采用鑒相器或差分檢測器。4.MSK類調制的性能比較

(1)已調信號的相位轉移軌跡 圖4.25給出了MSK類信號的相位轉移軌跡，它包括MSK、SFSK(正弦移頻鍵控)、TFM和GMSK。由圖可見，MSK信號在碼元轉換的時刻，雖然相位是連續的，但其相位轉移軌跡呈鋸齒狀；TFM信號的相位最為平滑，因此而得名平滑調頻；GMSK信號的相位轉移軌跡也比較平滑，所以，它的頻譜特性要比MSK好得多，也優于SFSK。圖4.24GMSK調制器274.2.4恒定包絡調制方式圖4.25MSK類信號的相位轉移軌跡284.2.4恒定包絡調制方式(2)已調信號的頻譜對數字移動通信來說，調制方式的主要性能要求是節約頻帶和減少差錯概率。因此，要求調制信號的能量集中在頻譜主瓣內，旁瓣的功率要小，且滾降要快。圖4.26示出了MSK、GMSK與QPSK和DQPSK的功率譜。圖4.26MSK類信號的功率譜密度294.2.4恒定包絡調制方式圖4.27MSK類信號的比特差錯概率①MSK相干解調

(3)誤碼率②GMSK它有與QPSK相同的比特差錯概率。dmin是傳號信號與空號信號的最小距離。304.2.4恒定包絡調制方式圖4.28QPSK類信號的比特差錯概率314.3擴頻調制技術4.3.1概述最基本的展寬頻譜的方法有兩種：①直接序列擴頻（DirectSequenceSpreadSpectrum），簡稱直接擴頻（DS），這種方法采用比特率非常高的隨機序列去調制載波，使信號帶寬遠大于原始信號帶寬；②跳變頻率擴頻（FrequencyHopping），簡稱跳頻（FH），這種方法則是用較低速率編碼序列的指令去控制載波的中心頻率，使其離散地在一個給定頻帶內跳變，形成一個寬帶的離散頻率譜。擴展頻譜（簡稱擴頻）定義：“擴頻(spreadspectrum)是指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。擴頻通信技術的理論基礎是仙農定理。32偽碼有如下三個要求：偽碼的比特率應能滿足擴展帶寬的需要。(2)偽碼的自相關要大，且互相關要小。(3)偽碼應具有近似噪聲的頻譜性質，即近似連續譜，且均勻分布。4.3.2

偽隨機序列334.3.3直接序列擴頻圖4.29直接擴頻系統原理框圖直接序列調制系統亦稱直接擴頻系統(DS-SS)，或稱偽噪音系統，記作DS系統。圖4.29示出了直接擴頻系統的原理框圖。基帶信號的信碼是欲傳輸的窄帶信號，它通過速率很高的編碼程序（通常用偽隨機序列）進行調制將其頻譜展寬，這個過程稱作擴頻。344.3.3直接序列擴頻擴頻偽碼本振偽碼調相解調中頻濾波相關調相載波信碼m(t)c(t)(3)(1)(2)p(t)(4)(5)(6)(7)(8)(9)p(t)s2(t)s1(t)s1(t)35(1)信碼m(t)(2)偽碼p(t)(3)c(t)=m(t)⊙p(t)+(4)載波w(t)(5)s1(t)π0π0π

π

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0000π(6)s1(t)相位π0π0π

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π0(7)s2(t)相位0000π

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π(8)中頻相位00000000π

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ππ

π

π

π(9)解調輸出TsTp364.3.3直接序列擴頻在發送端，信號經擴頻處理后，頻譜被展寬；在接收端，利用偽碼的相關性作解擴處理后，有用信號頻譜被恢復成窄帶譜。干擾信號仍是寬帶譜。可