第四章移动通信的调制技术

第四章移动通信的调制技术 第四章调制技术 4.1概述 4.2窄带数字调制技术 4.2.1线性调制方式 4.2.2恒定包络调制方式 4.3扩频调制技术 4.3.1扩频调制的理论基础 4.3.2直接序列扩频 4.3.3跳频扩频

4.1 概述 • 调制：就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配以及有效的利用信道。 • 信号源的编码信息（信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。 • 基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号以适合于信道传输。这个带通信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。 • 解调：接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号。 • 多径衰落、多普勒频率扩展；日益增加的用户数目，无线信道频谱的拥挤这些因素对调制方式的选择都有重大的影响。

4.1 概述 通过调制解调可以实现以下的主要功能： (1)便于传输：将所需传送的基带信号进行频谱搬移至相应频段的信道上以便于传输； (2)抗干扰：调制后具有较小的功率谱占用率（即功率的有效性），从而提升抗干扰能力； (3)提高系统有效性：单位频带内传送尽可能高的信息率(bit/s/Hz)，即提高频谱有效性。

4.1对移动通信数字调制和解调器的要求 1、频带利用率 • 在数字调制中，常用带宽效率ηb来表示它对频谱资源的利用效率，其定义为在一给定的频谱带宽（1Hz）内的数据通过率。若为数据率（也称为比特率，单位：bit/s），是被调制信号所占据的带宽，则带宽利用率定义为其中Rb为比特速率，B为无线信号的带宽。 • 移动通信系统对调制的频谱利用率要求 • 功率谱尽可能窄，即已调信号主瓣窄 • 同时旁瓣幅度要低，即带外辐射低，一般要求达到-60到-70dB

4.1对移动通信数字调制和解调器的要求  • 在瑞利衰落条件下，误码率要尽可能低。 • 发射频谱窄，带外辐射，邻道功率与载波功率之比小于-70dB。 • 同频复用的距离小。 • 高效率解调（如非相干解调），以降低移动台功耗，进一步缩小体积和成本。 • 能提供较高的传输速率。 • 易于集成。

4.2 窄带数字调制技术 1. 分类（1）线性调制方式线性调制方式主要有各种进制的PSK和QAM等。这一类调制方式的频带利用率一般都大于1bit/s·Hz-1，而且随着调制电平数的增加而增加。线性调制方式又可分为频谱高效和功率高效两种，理论上可以得到大于2bit/s·Hz-1频带利用率的调制方式为频谱高效，如8PSK、16QAM、256QAM等。（2）恒定包络调制方式恒定包络调制方式主要有MSK、TFM（平滑调频）、GMSK等。其主要特点是这种已调信号具有包络幅度不变的特性，其发射功率放大器可以在非线性状态而不引起严重的频谱扩散；此外，这一类调制方式可用于非同步检测。这种调制方式的缺点是频带利用率较低，一般不超过1bit/s·Hz-1。

4.2.窄带数字调制技术 2.应用 (1) π/4相移QPSK方式 在线性调制方式中，π/4相移QPSK方式有如下特点： ① 相位迁移时不通过原点，因此，信号包络线的变动受功率放大器非线性影响比较小。 ② 不但适用于相干解调，而且也适用于对脉冲接收信号也很容易实现的延迟解调和频率解调。 ③ 这种调制方式与TDMA方式有良好的配合，北美和日本的新一代数字移动通信系统均采用了这种调制方式。 (2) GMSK调制 在恒包络调制方式中，GMSK调制解调器结构比较简单，在目前的移动通信中得到广泛应用。欧洲电信联盟（CEPT）所确定的泛欧数字蜂窝移动通信系统（GSM）中就采用GMSK这种调制方式。该方式的优点是，解调方案有多种可供选择

4.2.1 线性调制方式 1. 数字调相的基本概念 (1) PSK调制图4.1 PSK信号相干解调原理框图图4.2 PSK信号差分相干解调原理框图

4.2.1 线性调制方式 • 以基带数据信号控制载波的相位，称为数字调相，又称相移键控，简写为PSK。设g(t)是宽度为Tb的矩形脉冲，其频谱为G(f)，则PSK信号的功率谱为（假设“+1”和“-1”等概率出现）相干解调后的误码比特率为在相同条件下，差分相干解调的误码比特率为

4.2.3 线性调制方式 (2) QPSK调制和OQPSK调制 • QPSK和OQPSK的产生原理图,如图4.3和4.4所示。图4.3 QPSK信号的产生图4.4 OQPSK信号的产生

4.2.1 线性调制方式 • QPSK • 假定输入二进制序列为{an},an=+1或-1，以1/Tb速率进入调制器的输入端，通过串并变换分成正交两路，即aI(t)、aQ(t)则经QPSK调制的信号表示为图4.5an(t)与aI(t),aQ(t)的波形示意图

4.2.1 线性调制方式 OQPSK调制与QPSK调制类似，只是在正交支路引入了一个比特（半个码元）的延时，这使得两个支路的数据不会同时发生变化，因而不可能像QPSK那样产生±π的相位跳变，而仅能产生±π/2的相位跳变。OQPSK的交错数据流及星座图如图4.7和4.8所示. 图4.8OQPSK的星座图和相位转移图 4.7OQPSK的交错数据流

4.2.1 线性调制方式 2. π/4 QPSK • π/4相移QPSK调制是一种相移键控技术，从最大相位跳变来看，它是OQPSK和QPSK的折衷，可以相干解调，也可以非相干解调。π/4 QPSK的最大相位变化是±135°，而QPSK是180° ,OQPSK是90°。图4.10 π/4 QPSK信号的星座图

4.2.1 线性调制方式 3. π/4 QPSK的性能 (1) 信号的频谱 π/4 QPSK信号，因其相位变化较小，所以它的频谱特性优于QPSK。但它的相位变化比OQPSK大，故其频谱特性比OQPSK差。 (2) 误码率  在移动通信环境中，影响误比特率的因素有传播瑞利衰落、多普勒频移产生的随机相位噪声、时延扩散造成的频率选择性衰落,以及主要由于频率复用产生的同频干扰（CCI）。当系统传输速率fb较低时（例如fb=50kbit/s），时延扩散影响较小，随机相位噪声影响较大。图4.15 π/4 QPSK误码性能

4.2.1 线性调制方式 图4.16和图4.17中出现不能再减小的剩余误码（残留误码）的原因是： ①多普勒频移造成寄生调频噪声； ②同频干扰与有用信号叠加，产生相位噪声，决定了干扰和衰落条件下的性能。图4.16π/4 QPSK在瑞利衰落时的误码性能图4.17π/4 QPSK在不同C/I值时的误码性能

4.2.2 恒定包络调制方式 式中 ,定义载波角频率(虚载波) 为： ω1, ω2对ωc的角频偏为： 2FSK信号用基带数据信号控制载波的频率，称为数字调频，又称频移键控(FSK) 。二进制频移键控就是用二进制数字信号控制载波频率，当传“1”码时，输出频率f1；当传“0”码时，输出频率f2. Mobile Communication Theory

4.2.2 恒定包络调制方式 定义调制指数h: 根据ak ,h ,Tb可以重写一个码元内 2FSK信号表达式: 式中称作附加相位。 Mobile Communication Theory

4.2.2 恒定包络调制方式 附加相位是t的线性函数，其中斜率为 ,截距为，其特性如图4.17 图4.17 附加相位产生2FSK信号两种不同的方法：开关切换方法（相位不连续）和调频（相位连续），如图4.18 图4.18 2FSK信号产生 Mobile Communication Theory

4.2.2 恒定包络调制方式 所谓相位连续是指不仅在一个码元持续期间相位连续，而且在从码元ak-1到ak转换的时刻kTb，两个码元的相位也相等，即即这样就要求满足关系式: Mobile Communication Theory

4.2.2 恒定包络调制方式 要求当前码元的初始相位由前一码元的初始相位、当前码元ak和前一码元ak-1来决定。这关系就是相位约束条件。这两种相位特性不同的FSK信号波形如图4.19所示。 4.19 FSK信号波形

4.2.2 恒定包络调制方式 由图4.19可以看出，相位不连续的2FSK信号在码元交替时刻，波形是不连续的，而CPFSK信号是连续的，这使得它们的功率谱特性很不同。图4.20分别是它们的功率谱特性例子。 4.20 FSK功率谱特性

4.2.2 恒定包络调制方式 • 可以发现，在相同的调制指数h情况下，CPFSK的带宽要比一般的2FSK带宽要窄。这意味着前者的频带效率要高于后者。 • 随着调制指数h的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数h不宜太大。但过小又因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测。所以应当从它们的相关系数以及信号的带宽综合考虑。 Mobile Communication Theory

4.2.2 恒定包络调制方式 2FSK信号的归一化互相关系数可以求得如下（为方便讨论，令它们的初相为零）：通常总是ωcTb=2πfc/fb>>1,或ωcTb=nπ，因此略去第一项，得到关系曲线如图4.21。

4.2.2 恒定包络调制方式 4.21 FSK信号相关关系从图中可以看出，当调制指数h=0.5，1，1.5，….时，ρ=0, 即两个信号是正交的。 h=0.5的CPFSK就称作最小移频键控MSK。它是在两个信号正交的条件下，对给定的Rb有最小的频差。

4.2.2 恒定包络调制方式 由于h=1/2，MSK的相位约束条件就是 1.相位路径由于|ak-ak-1|总为偶数，所以初始相位为零时，其后各码元的初相位为π的整数倍。相位路径的例子如图4,22所示，其中初始相位为零。图中可以看到的取值为0，-π、-π、-π、3π、...（k=0,1,2….）。 4.22 附加相位关系

4.2.2 恒定包络调制方式 给定输入序列情况下MSK的相位轨迹）

4.2.2 恒定包络调制方式 2.MSK的功率谱 MSK的功率谱为式中A为信号的幅度。功率谱特性如图4.23所示。为便于比较，图中也给出一般2FSK信号的功率谱特性。由图可见，MSK 信号比一般2FSK信号有更高的带宽效率。 4.23 MSK功率谱

4.2.2 恒定包络调制方式 • 尽管MSK信号已具有较好的频谱特性和误码性能，但就移动通信的应用而言，它所占的带宽仍较宽。此外，它频谱的带外衰减仍不够快，不能满足功率谱在相邻频道取值（即邻道辐射）低于主瓣峰值60dB以上的要求。这就要求在保持MSK基本特性的基础上，对MSK的带外频谱特性作进一步改进，尽可能加快信号带外频谱的衰减速度。 • 人们设法对MSK调制进行改进，其出发点是从MSK信号的相位路径着手，使之在码元转换时刻不但相位连续而且平滑，借此改善频谱特性

4.2.2 恒定包络调制方式 • 3. 高斯滤波最小频移键控图4.24为GMSK调制器的原理图。GMSK信号的产生可用简单的高斯低通滤波器及FM调制器来实现。GMSK信号的解调可采用正交相干解调，也可采用鉴相器或差分检测器。图4.24 GMSK调制器 4. MSK类调制的性能比较 (1) 已调信号的相位转移轨迹 图4.25给出了MSK类信号的相位转移轨迹，它包括MSK、SFSK(正弦移频键控)、TFM和GMSK。由图可见，MSK信号在码元转换的时刻，虽然相位是连续的，但其相位转移轨迹呈锯齿状；TFM信号的相位最为平滑，因此而得名平滑调频；GMSK信号的相位转移轨迹也比较平滑，所以，它的频谱特性要比MSK好得多，也优于SFSK。

4.2.2 恒定包络调制方式 图4.25 MSK类信号的相位转移轨迹

4.2.2 恒定包络调制方式 (2) 已调信号的频谱 对数字移动通信来说，调制方式的主要性能要求是节约频带和减少差错概率。因此，要求调制信号的能量集中在频谱主瓣内，旁瓣的功率要小，且滚降要快。图4.26示出了MSK、GMSK与QPSK和DQPSK的功率谱。图4.26 MSK类信号的功率谱密度

4.2.2 恒定包络调制方式 (3) 误码率 ① MSK相干解调它有与QPSK相同的比特差错概率。 ② GMSK dmin是传号信号与空号信号的最小距离。图4.27MSK类信号的比特差错概率

4.3 扩频调制技术 4.3.1 概述 • 扩展频谱通信的定义为：扩频通信技术是一种信息传输方式，用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身的带宽；频带的扩展由独立于信息的扩频码来实现，并与所传输的信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调，实现解扩和恢复所传的信息数据。该项技术称为扩频调制，而传输扩频信号的系统为扩频系统。 • 只有调制带宽比值大于100甚至1000的通信方式才称为扩频通信。 • 扩频通信占用如此宽的频带传输信号是为了使信号具有强抗干扰能力。

4.3 扩频调制技术 • 扩展频谱通信的理论基础是与香农（Shannon）定理； • 1948年，香农首次将统计理论有效地引入到通信领域，开创了信息论与统计通信理论，为通信技术的发展奠定了坚实的理论基础，他证明了信号发射功率、带宽和加性噪声将限制信息的传输速率。 • 香农定理：在高斯白噪声干扰条件下，设信号带宽为B（Hz），信道输出信号平均功率为S（W），输出加性高斯噪声功率为N（W），则该通信系统的信道容量（bit/s）为

4.3 扩频调制技术 • 上式表明：当信号与信道加性高斯噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度B的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。只要信源的信息传输速率Ri小于等于信道容量，即Ri C，则总可以找到一种编码方式实现信号的无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现信号的无差错传输。 • 若信道中噪声的单边功率谱密度为N0，则在信号带宽B内的噪声功率N＝N0B，则香农定理的另一表达形式为

4.3 扩频调制技术 由香农定理可以得到如下结论： 1) 增大信号功率S可以增加信道容量，从而增加了信息传输的极限速率Ri。若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大，即 2) 减小噪声功率N（或减小噪声功率谱密度N0）可以增加信道容量，若噪声功率趋于0（或噪声功率谱密度N0趋于0），则信道容量趋于无穷大，即

上式表明，保持S／N0一定，即使增加信号带宽B，信道容量C也是有限的。原因是当信号带宽B时，噪声功率N也趋于无穷大。上式表明，保持S／N0一定，即使增加信号带宽B，信道容量C也是有限的。原因是当信号带宽B时，噪声功率N也趋于无穷大。 4.3 扩频调制技术考虑极限情况， • 增加信号带宽B可以增加信道容量，但不能无限制地增大B。当信号带宽B趋于无穷大时，信道容量的极限值为令x = S/(N0B)，代入上式得

4.3 扩频调制技术 • 香农定理给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率，达到极限速率的通信系统称为理想通信系统。在一定的信道容量条件下，信号带宽B、信号噪声功率比S／N是可以互换的，即可通过增加信号带宽B来减小发送信号功率，也可以通过增加发送功率来减小信号的带宽。那么，信号与信号带宽相对变化的速率如何呢？ • 设信道容量C给定，由于信道噪声的单边功率谱密度N0往往也是给定的，互换前信号带宽和信号噪声功率比分别为B1和S1／N1，互换后的信号带宽和信号噪声功率比分别为B2和S2／N2，则有

4.3 扩频调制技术 • 在C不变的情况下，信号带宽B与信号功率噪声比S／N是可以互换的。 • 当B较小时，增加B可使系统要求的信噪比迅速下降；而当B增加到一定程度时，S／N下降比较缓慢。增加S／N，也可减小B值，但信号功率的增加远比带宽下降速度快，由于B与C是成正比关系，而C与S/N是成对数关系，因此增加B比增加S／N（或发射功率S）更加有效。 • 信噪比与带宽的互换关系

4.3 扩频调制技术 1. 扩频处理增益 • 扩展频谱通信的基本性能参数在一个信息处理系统中，系统的输入信噪比、输出信噪比分别为(S／N)in，和(S／N)out，由系统的扩频处理增益Gp表示了信噪比的改善程度，即由于高斯白噪声的功率谱近似均匀分布，因此也常用扩频前后带宽的比值来近似估算系统的扩频处理增益，

4.3 扩频调制技术 例1 有一个扩展频谱通信系统，信号扩频后带宽为20MHz，原始基带信号带宽为20KHz，则系统的扩频处理增益为GP? Gp＝10lg[20106／(20103)]=30 (dB)。

4.3.2 扩频通信方法 • 目前，最基本的展宽频谱的方法有三种 • 直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）简称直接扩频或直扩（DS）； • 跳变频率扩频（Frequency Hopping），简称跳频（FH）； • 跳变时间扩频（Time Hopping），简称跳时（TH）；上述基本调制方法可以进行组合，形成各种混合系统，如跳频/直扩系统，跳时/直扩系统等。目前，扩展频谱的带宽常在1MHz-100MHz的范围，因此，系统的抗干扰性能非常好。

4.3.2 直扩系统（1） • 直接序列调制系统亦称直接扩频系统，或称伪噪声系统，记作DS系统。原理框图如下：

4.3.2 直扩系统（2） • 基带信号的信码是欲传输的信号，它通过速率很高的编码程序（通常用伪随机序列）进行调制将其频谱展宽，这个过程称作扩频。频谱展宽后的序列被进行射频调制（通常多采用PSK调制），其输出则是扩展频谱的射频信号，经天线辐射出去。 • 在接收端，射频信号经混频后变为中频信号，它与本地的和发端相同的编码序列反扩展，将宽带信号恢复成窄带信号，这个过程称为解扩。解扩后的中频窄带信号经普通信息解调器进行解调，恢复成原始的信码。

4.3.2 直扩系统（3） • 伪随机序列PN有如下三个要求： • (1) 伪码的比特率应能满足扩展带宽的需要。 • (2) 伪码的自相关要大，且互相关要小。 • (3) 伪码应具有近似噪声的频谱性质，即近似连续谱，且均匀分布。

4.3.2 直扩系统（4） • 假定同步单径BPSK信道中有K个用户，并假定所有的载波相位为0，则接收的信号等效基带表示为：其中：为第K个用户信息比特值为发送功率为第k个用户归一化扩频信号，表示加性高斯白噪声，其双边功率谱密度为单位为W/Hz

4.3.2 直扩系统（5） 其中为相关系数: • 对于某一特定比特，相关器（解扩）的输出为： • 上式表明：与第k个用户本身的自相关给出了希望接收的数据项，与其它用户的互相关产生出多址干扰项MAI，与热噪声的相关产生了噪声ZK项。当相关系数为零时，多址干扰为零。即本小区其它用户对被检测用户不产生干扰。

4.3.2 直扩系统（6） • 由频谱扩展对抗干扰性带来的好处，称为扩频增益GP ，可表示为 • 式中，BW为发射扩频信号的带宽；BS为信码的速率。其中BW与所采用的伪码（伪随机序列或伪噪声序列的简称）速率有关。为获得高的扩频增益，通常希望增加射频带宽BW，即提高伪码的速率。

频谱密度 频谱密度 f f fc BS BW BW (a) (b) 在接收机输入端的扩展频谱接收机解扩输出端的频谱 BW L 射频带宽 Bs 有用信号谱干扰信号谱信息带宽 4.3.2 直扩系统（7） • 在发送端，有用信号经扩频处理后，频谱被展宽，如图 (a)所示； • 在接收端，利用伪码的相关性作解扩处理后，有用信号频谱被恢复成窄带谱，如图 (b)所示。 • 宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱；窄带无用信号则被本地伪码扩展为宽带谱。由于无用的干扰信号为宽带谱而有用信号为窄带谱，则可以用一个窄带滤波器排除带外的干扰电平，这样，窄带内的信噪比就大大提高了。提高了扩频系统的抗干扰能力。

3 1 2 4 5 调制 LP DET 解调 (9.6 kb/s) 窄带干扰 P 3 扩频增益宽带干扰 f R chip R P P Gp= bit 4 1 f P P 2 5 4.3.2 直扩系统（8）扩频解扩 (1.228 Mc/s)

第四章 移动通信的调制技术