数字调制技术

调制解调技术

调制是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合传输的形式的过程。即是把基带信号（信源）转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号。带通信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。调制可以通过使高频载波随信号幅度的变化而改变载波的幅度，相位或者频率来实现。

解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者（信宿）处理和理解的过程。

移动通信调制解调技术特点

移动通信面临的无线信道问题

多径衰落、干扰(自然人为ISI)、频率资源有限

移动通信对调制解调技术的要求

     1   频谱资源有限→高的带宽效率

2 用户终端小→高的功率效率，抗非线性失真能力强

     3邻道干扰→低的带外辐射

     4   多径信道传播→对多径衰落不敏感，抗衰落能力强

     5   干扰受限的信道→抗干扰能力强

6 解调一般采用非相干方式或插入导频的相干解调

     7   产业化问题→成本低易于实现

调制方案的性能评估：功率效率和带宽效率

调制解调的主要功能

频谱搬移，实现基带信号搬移到相应的频段

    实现可以分为两步：首先进行基带信号调制，然后上变频到所需的频段。

抗干扰性

1 主要体现通信系统的质量指标即可靠性

    2  调制信号具有较小的功率谱占有率

    3  要求功率谱主瓣占有尽可能多的信号能量，具有快速滚降特性，带外衰减大、旁瓣小

频谱有效性

    1  主要体现通信系统的数量指标，即有效性

    2  频带利用率：bit/s/Hz

调幅和调频

调频是移动通信系统中最普遍的模拟调制技术，在抗干扰和抗衰落性能方面优于调幅制。在调频中，由于信号幅度的改变不携带信息，所以，只要接收到的调频信号在FM门限以上，突发性噪声对调频系统的影响就没有对调幅系统那么大；调频系统中可以通过改变调制指数，也就是占用的带宽，来获得更好的信号噪声性能；调频信号是一种恒包络信号，传送的功率是固定值，可使用C类功率放大器；具有捕获效应。

在当代数字移动通信系统中，一般都使采用调频制。此外，单边带调制技术开始在移动通信中越来越有前途。

影响数字调制的因素

抗扰性，抗多径衰落的能力，已调信号的带宽以及使用，成本等因素；

好的调制方案在低信噪比的情况下具有良好的误码性能、具有良好的抗多径衰落能力、占有较小的带宽、使用方便、成本低。

对于不同的应用的要求，需要在选择数字调制方案时进行折衷。

数字调制的性能指标

移动通信中的调制技术

各类二进制调制原理图

数字调制方法的分类

分线性和非线性两种。

非线性调制可能具有线性或恒定载波包络，主要取决于基带波形的脉冲成形。

脉冲成型技术

矩形脉冲经过限带信道后，脉冲在时间上扩展，造成严重的符号间串扰(ISI)

脉冲成形可以减小ISI和调制信号的带宽

Nyquist准则

   第一准则：抽样点无失真，升余弦滚降滤波

   第二准则：转换点无失真

   第三准则：脉冲波形面积保持不变

移动通信中的脉冲成型技术

1 升余弦滚降滤波器

        2   高斯脉冲成型滤波器

升余弦滚降滤波器

高斯成型滤波器

线性调制

线性调制方案频谱利用率高，具有很好的频谱有效性。它必须使用线性RF放大器发射。而功率有效性较差。如使用功率有效性高的非线性放大器会导致已滤除的边瓣再生，造成严重的邻道干扰，使线性调制得到的频谱效率全部丢失。

目前使用比较普通的线性调制技术有脉冲成形QPSK, OQPSK和/4 -QPSK

移相键控(PSK)

1986年前，线性高功率放大器成本较高，因此采用恒包络的CPM调制实现高功率效率。之后，线性功率放大器已取得实质性进展。

PSK是一种线性调制技术，具有带宽效率高、频谱利用率高等特点

移动通信中，一般采用性能优良的绝对移相体制而不采用相对移相体制，虽然相对移相体制可以解决相位模糊度问题。而CDMA中，常采用导频信道传送载波信息进行相干解调。

二进制移相键控(BPSK)

BPSK接收机

差分移相键控(DPSK)

 

四相相移键控QPSK

 

交错正交四相相移键控（OQPSK）

QPSK信号的幅度是恒定的，然而当QPSK进行波形成形时，由于实际信道是带限的，要经过带通滤波，所以限带后的QPSK将失去恒包络的性质。并且偶尔发生的180度的相移，会导致信号的包络在瞬时间通过零点，反映在频谱方面，会出现边瓣和频谱加宽的现象。为了防止旁瓣再生和频谱扩展，必须使用效率较低的线性放大器放大QPSK信号。对放大器线性度敏感。

交错QPSK（OQPSK）对出现旁瓣和频谱加宽等有害现象不敏感，可以得到效率高的放大。

 

 

/4-QPSK

/4-QPSK特点

/4-QPSK调制是OQPSK和QPSK在实际最大相位变化进行折衷。在/4-QPSK中，最大相位变化限制在135度，而QPSK是±180度，OQPSK是±90度。因此带限/4-QPSK信号比带限QPSK有更好的恒包络性质，但是对包络变化方面比OQPSK要敏感。

/4-QPSK可以用相干或非相干方法进行解调。非相干检测将大大简化接收机的设计。在采用差分编码后，/4-QPSK可成为/4-DQPSK。

在多径扩展和衰落的情况下， /4-QPSK比OQPSK的性能更好。

通常，/4-QPSK 采用差分编码，以便在恢复载波中存在的相位模糊时，实现差分检测或相干解调。

/4-QPSK信号的性能

恒包络调制技术

恒包络调制的特点:

   1  恒包络调制对线性要求低，可使用C类放大器，功率效率高；

   2  带外辐射低可达-60～-70dB

   3  可使用限幅器---鉴频器检测系统结构简单，实现容易

4 限幅器可克服随机噪声和瑞利衰落导致的信号幅度的变化，抗干扰和衰落能力强

   5  具有较好的解调门限

FSK和CPFSK

最小移频键控(MSK)

MSK 是一种特殊的CPFSK，调制指数为0.5

     ◆  h=0.5时，满足在码元交替点相位连续的条件

     ◆   h=0.5是移频键控为保证良好误码性能所允许的最小调制指数

◆ h=0.5时，波形相关系数为0，信号是正交的

MSK也是一类特殊形式的OQPSK，用半正弦脉冲取代OQPSK的基带矩形脉冲

MSK信号的产生

MSK的调制器

MSK信号的解调

MSK信号的解调，可以采用相干解调，也可采用非相干解调，电路形式亦有多种。

非相干解调不需复杂的载波提取电路，但性能稍差。相干解调电路，必须产生一个本地相干载波，其频率和相位必须与载波频率和相位保持严格的同步。

在MSK信号中，载频分量已被抑制，故不能直接采用锁相环或窄带滤波器从信号中提取，因此必须对MSK信号进行某种非线性处理。

MSK信号的特征

已调制信号幅度是恒定的

在一个码元周期内，信号包含1/4载波周期整数倍

 码元转换时，相位连续无突变

 信号频偏严格等于± 1/4 Tb，调制指数为0.5

 信号相位在一个码元周期内变化±π/2

MSK信号的功率谱密度

高斯滤波最小移频键控GMSK

MSK调制方式已在一些通信系统中得到应用。但是，就移动通信系统而言，通常要在25kHz的信道间隔中传输16kbit/s的数字信号，邻道辐射功率要求低于-70到-80dB，显然MSK信号不能满足。而另一种数字调制方式GMSK能很好地满足要求。

GMSK

要求带外辐射功率为-60～-80dB

GMSK是GSM的优选方案

    1 实现简单，在原MSK调制器增加前置滤波器

    2 对前置滤波器的要求

        ① 带宽窄且为锐截止型

        ② 有较低的过脉冲响应

        ③ 保持输出脉冲的面积不变

    3 目的：抑制高频分量，防止过量的瞬时频率偏移、以及满足相干检测的需要

    4  高斯滤波器满足以上要求

GMSK信号的产生

GMSK信号的解调

GMSK信号的解调可以采用MSK信号的正交相干解调电路，也可采用非相干解调电路。

在数字移动通信系统的信道中，由于多径干扰和深度瑞利衰落，引起接收机输入电平明显变化，因此要构成准确稳定地产生参考载波的同步再生电路，并非易事，所以进行相干检测，往往比较困难；而使用非相干检测技术，可以避免因载波恢复而带来的复杂问题。

常用的非相干解调电路有一比特、二比特延迟差分检测和鉴相器检测。

GMSK信号的功率谱密度

MSK和GMSK的BER性能

“线性”和“恒包络”相结合的调制技术

由于包络和相位(频率)有两个自由取值，这样调制技术可以将基带信号转换成四个自由取值的或更多取值的调制信号。这样的调制技术称为M进制调制。

在M进制的信号安排中，两个或更多的比特位合成一组表示一个符号位，每一可能的符号位在一个时间周期内被发送出去。一般来说,M的取值为2的倍数。依据改变的是幅度，相位还是载波的频率把调制技术分为MASK，MPSK，MFSK。

M维调制技术以牺牲功率获得较高的带宽效率。

M维相移键控(MPSK)

M维正交振幅调制（QAM）

在MPSK调制中，如果允许幅度可以随着相位的变化而变化，就可产生一种新的调制方式——M维正交振幅调制（QAM）。

M维QAM的星座图中信号的分布为格状分布。

注意M维正交振幅调制（QAM）中符号位的能量值并不是恒定的，各符号之间的间距也不是相等的。

M维移频键控（MFSK）

扩频调制技术

特点：

⑴ 占用频带宽，但是在多用户接入环境中，可以有许多的用户同时通话而不会互相干扰，带宽利用率是很高的；

⑵ 扩频信号是一串伪随机信号，对于传输的数据信号来说具有噪声特性。在接收端通过在本地产生的伪随机信号进行正交解调。未知用户在正交解调中对于其他用户只产生较小的宽带噪声。由于每个用户都有自己的PN码，和别的用户的PN码相互正交，接收机可以通过他们的PN码进行解调，尽管他们占用的是同样的带宽。这说明，对于一定数量的用户来说，使用相同频率的多个用户来说，扩频信号之间的干扰可以忽略不计。

⑶ 由于有很多用户可以共享相同的信道，扩频通信可以废除频率分配。

PN码序列

伪随机（Pseudorandom-Noise，PN）序列在一定的周期内具有自相关特性。它的自相关特性和白噪声的自相关特性相似。虽然它是预先可知的，但性质上和那些随机序列具有相同的性质。

PN码通常是通过序列逻辑电路得到的。一个具有反馈的移位寄存器设计如图4-44所示。

当反馈逻辑电路为异或门时，移位寄存器被称为线性PN码生成器。

存储器的最初状态和反馈电路决定了后继所存储的内容。如果移位寄存器在某个时候输出为零，它就会老是处于零状态，输出序列为全零。

对于m位的移位寄存器其不同的状态数有

   2m-1。这个长度被称为最长（ML）序列。

直接序列扩频（DS-SS）

直接序列扩频（DS-SS）通过直接用伪随机信号产生的随机序列与多个基带信号脉冲数据相乘来扩展基带数据。其伪噪声系列由伪噪声生成器产生。PN码中的每一个脉冲或符号位称为码片（chip）。

在相移调制前进行模2运算。在接收端可能会采用相干或差分PSK解调。  

跳频扩频技术（FH-SS）

跳频扩频技术（FH-SS）在一定的传输时间内跳换频率。频率的跳跃安排可认为是一串随时间变化并具有伪随机特性的调制信号数据。

一串可能的跳跃序列被称为跳跃集（hopset）。跳跃发生在频带上跨越一系列的信道。每一个信道由具有中心频点的频带区域而构成。在这个频带内能够在相干的载波频率上足够进行窄带编码调制（通常为FSK）。

在跳跃集中的信道带宽通常称为瞬时带宽（instantaneous bandwith）。

在跳频中所跨越的频谱称为跳频总带宽（total hopping bandwidth）。

通过看似随机的载波跳频传输数据，而这只有特定的接收机知道。在每一信道上，在传输跳频之前一小串的传输数据在窄带内依据传统的调制技术进行传输。

 

如果跳频的序列能被接收机产生，并和接收信号同步，则可得到固定的差频信号，而后进入传统的接收机中。

在FH中，一旦一个非预测到的信号占据了跳频信道，就会在该信道中带入干扰和噪声并因此进入解调器。这就是有可能在相同的时刻在相同的信道上有可能和非预测到的信号发生冲突的原因。

跳频技术可分为快慢两种。快跳频在发送每一个符号位时发生多次跳变。因此，快跳频的速率大于信道信号的传输速率。慢跳频发生在传送一个或多个符号位后的时间间隔内进行跳频。

如果采用BFSK，在每次跳跃中有可能同时发生一对信号跳频。传输信号所占据的信道称为传输信道。备份信号所传输的信道称为备用信道（complement channel）。FH-SS系统的跳频速率取决于接收机合成器的频率改变和所要传输的信号的类型，用于防碰撞编码的冗余度的量和最近的电压干扰的距离等。

FH和DS的比较

FH-SS系统比DS-SS系统优越的地方在于更能抗远近效应。由于信号一般不会同时使用同样的频率，接收机的功率就不会象DS-SS那样要求严格。但远近效应并不能完全避免，这是由于滤波过程中并不能避免强信号干扰弱信号。为此，在传输中要求有纠错码。通过应用较强的RS码以及其它抗突发错误的码可以较好地提高性能，即使是发生了偶然的碰撞。

在多径衰落信道中的调制性能分析

无线传输信道受各种变量的损害，比如：多径、衰落和多普勒效应。为了研究在无线传输环境下各种调制方案的效率，有必要在上述的信道环境中进行比较。虽然BER对于调制方案的比较是一个较好的指标，但它不能表示何种错误的类型。在一个衰落的无线信道环境下，传输的信号可能要经历深度的衰落，因此有可能完全丢失信号。

评价突发的可靠性（probability of outage）是对无线传输环境的另一个信号传输的效率评价标准。突发错误指的是在一定的传输过程中发生比特传输错误的个数。

在建立多径和衰落信道上建立不同的调制信号进行性能分析之前，必须对可以得到的各信道特征参数有完全的了解。