移动通信原理与工程02

第二章移动通信中的调制技术2.1概述2.2数字频率调制2.3数字相位调制2.4平滑调频和通用平滑调频2.5正交振幅调制第二章移动通信中的调制技术知识点—移动通信中的几种数字调制方式难点—各种调制信号的调制、解调方法—几种主要调制方式的性能比较要求掌握：—MSK和GMSK调制方式及特点—数字相位调制几种方式的比较了解：—几种调制信号的频谱特性—TFM、GTFM和QAM调制方式第二章移动通信中的调制技术2.1概述数字调制是为了使在信道上传送的信号特性与信道特性相匹配的一种技术。就话音业务而言，经过话音编码所得到的数字信号必须经过调制才能实际传输。在无线通信系统中是利用载波来携带话音编码信号，即利用话音编码后的数字信号对载波进行调制，当载波的频率按照数字信号“1”、“0”变化而对应地变化，这称为移频键控（FSK）；相应地，若载波相位按照数字信号“1”、“0”变化而对应地变化则称之为移相键控（PSK）；若载波的振幅按照数字信号“1”、“0”变化而相应地变化，则称之为振幅键控（ASK）。然而通常的FSK在频率转换点上的相位一般并不连续，这会使载波信号的功率谱产生较大的旁瓣分量。为克服这一缺点，一些专家先后提出了一些改进的调制方式，其中有代表性的调制方式是最小移频键控（MSK）和高斯预滤波最小移频键控（GMSK）第二章移动通信中的调制技术移动通信必须占有一定的频带，然而可供使用的频率资源却非常有限。因此，在移动通信中，有效地利用频率资源是至关重要的。为了提高频率资源的利用率，除了采用频率再利用技术外，通过改善调制技术而提高频谱利用率也是我们必须慎重考虑的一个问题。鉴于移动通信的传播条件极其恶劣，衰落会导致接收信号电平急剧变化，移动通信中的干扰问题也特别严重，除邻道干扰外，还有同频道干扰和互调干扰，所以移动通信中的数字调制技术必须具有优良的频谱特性和抗干扰、抗衰落性能。目前在数字移动通信系统中广泛使用的调制技术1.连续相位调制技术这种调制技术的射频已调波信号具有确定的相位关系而且包络恒定，故也称为恒包络调制技术。它具有频谱旁瓣分量低，误码性能好，可以使用高效率的C类功率放大器等特点。第二章移动通信中的调制技术属于这一类的调制技术有平滑调频（TFM）、最小移频键控（MSK）和高斯预滤波最小移频键控（GMSK）。其中高斯预滤波最小移频键控（GMSK）的频谱旁瓣低，频谱利用率高，而其误码性能与差分移相键控（DPSK）差不多，因而得到了广泛的应用2.线性调制技术包括二相移相键控（BPSK）、四相移相键控（QPSK）和正交振幅调制(QAM)等。这类调制技术频谱利用率较高但对调制器和功率放大器的线性要求非常高，因此设计难度和成本较高。近年来，由于放大器设计技术的发展，可设计制造高效实用的线性放大器，才使得线性调制技术在移动通信中得到实际应用。上述两类调制技术在数字移动通信中都有应用，欧洲的GSM系统采用的是GMSK技术；而美国和日本的数字移动通信系统则采用了QPSK调制技术。第二章移动通信中的调制技术2.2数字频率调制2.2.1移频键控（FSK）调制1.基本原理用基带数据信号控制载波频率，称为移频键控（FSK），二进制移频键控记为2FSK。2FSK信号便是0符号对应于载频ω1，1符号对应于载频ω2（ω1≠ω2）的已调波形，而且ω1与ω2之间的改变是瞬时完成的。根据前后码元的载波相位是否连续，分为相位不连续的移频键控和相位连续的移频键控。2FSK调制的实现非常简单，一般采用键控法，即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。2FSK信号的产生方法和波形如图2.1所示。第二章移动通信中的调制技术1100f1f1f2f2数据波形(b)2FSK信号波形载波f2载波f1ss(t)eo(t)(a)2FSK信号的产生方法图2.12FSK信号的产生方法和波形第二章移动通信中的调制技术根据以上对2FSK信号的产生原理的分析，已调信号的数学表达式可以表示为)cos(])([)cos()]([)(21nnsnnnsnotnTtgatnTtgate(2.1)式中，g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为Ts：）－概率为（，概率为，P11P0na(2.2)是的反码，若＝0，则＝1；若＝1，则＝0，于是P1P10概率为，）－概率为（，na(2.3)第二章移动通信中的调制技术n、θn分别是第n个信号码元的初相位。令g(t)的频谱为G(ω),an取1和0的概率相等，则e0(t)的功率谱表达式为]()([161)(2)121ffGffGffPs)]()([)0(161112ffffGfs])()([1612222ffGffGfs)]()([)0(1612222ffffGfs(2.4)第二章移动通信中的调制技术第一、二项表示FSK信号功率谱的一部分由g(t)的功率谱从0搬移到f1，并在f1处有载频分量；第三、四项表示FSK信号功率谱的另一部分由g(t)的功率谱从0搬移到f2，并在f2处有载频分量。FSK信号的功率谱如图2.2所示。可以看到，如果（f2-f1）小于fs(fs＝1/Ts)，则功率谱将会变为单峰。FSK信号的带宽约为sfffB212图2.2FSK信号的功率谱Ps(f)f0=（f1+f2）2f2－f1f1－fsf1f0f2f2＋fso第二章移动通信中的调制技术2.2FSK信号的解调方法FSK信号的解调方法有包络检波法、相干解调法和非相干解调法等。相位连续时可以采用鉴频器解调。包络检波法是收端采用两个带通滤波器，其中心频率分别为f1和f2，其输出经过包络检波。如果f1支路的包络强于f2支路，则判为“1”；反之则判为“0”。非相干解调时，输入信号分别经过对cosω1t和cosω2t匹配的两个匹配滤波器，其输出再经过包络检波和比较判决。如果f1支路的包络强于f2支路，则判为“1”；反之则判为“0”。相干解调的原理框图如图2.3。2.2.2最小频移键控（MSK）调制1.最小频移键控调制原理（1）问题的引入在实际应用中，有时要求发送信号具有包络恒定、高频分量较小的特点第二章移动通信中的调制技术图2.32FSK相干解调第二章移动通信中的调制技术移相键控信号PSK(4PSK、8PSK)的缺点之一是，没能从根本上消除在码元转换处的载波相位突变，使系统产生强的旁瓣功率分量，造成对邻近波道的干扰；若将此信号通过带限系统，由于旁瓣的滤除而产生信号包络起伏变化，为了不失真传输，对信道的线性特性要求就过于苛刻。两个独立信源产生的2FSK信号，一般来说在频率转换处相位不连续，同样使功率谱产生很强的旁瓣分量，若通过带限系统也会产生包络起伏变化。OQPSK虽然消除了QPSK信号中的180°相位突变，但也没能从根本上解决消除信号包络起伏变化的问题。为了克服以上缺点，需控制相位的连续性，这种形式的数字频率调制方式，称之为相位连续变化的(恒定包络)频移键控(CPFSK)。其一特例为最小(调制指数)频移键控（MSK）。每个码元持续时间Ts内，频率恰好引起π/2相移变化，而相位本身的变化是连续的。第二章移动通信中的调制技术（2）MSK信号MSK信号可表示为)2cos()(kskcMSKtTattSskTtsTk)1(《（2.5）式中：为载频；为频偏；为第k个码元中的相位常数。而为第k个码元的相位常数。而为第k个码元的数据，分别表示二进制信息1和0，当ak＝+1时，信号频率cskTa2k11ka2f)2(21scT=当ak＝-1时，信号频率第二章移动通信中的调制技术1f)2(21scT=最小频差（最大频偏）：sTfff2112（2.6）即最小频差等于码元速率的一半设1/Ts＝fs，则调制指数2121sssTTffh第二章移动通信中的调制技术（3）第k个码元期间内相位变化)(tkkskTta2=skT《tsTk)1(（2.7）根据相位连续条件，要求在t＝kTs时刻满足)(1skkT)(skkT=（2.8）即：ksskksskTkTaTkTa2211（2.9）第二章移动通信中的调制技术可得：k2)(11kaakkk=（2.10）取φk＝0；则式（2.10）k2)(10aa22)(21aa23)(32aa2)(1kaakk=+++例如：33200111111543210kkak第二章移动通信中的调制技术这里的φk不是每个码元相位变化的终了值，而是线性变化的截距由式（2.5）知MSKS)]0(2cos[skcTat=（2.11）式中，ak＝±1；θ(0)＝0式（2.11）说明，每个信息比特间隔（Ts）内载波相位变化为±π/2；而θk(t)-θ(0)随t的变化规律，如图2.4所示。图中正斜率直线表示传“1”码时的相位轨迹，负斜率直线表示传“0”码时的相位轨迹，这种由相位轨迹构成的图形称为相位网格图(phasetrellis)。在每一码元时间内，相对于前一码元载波相位不是增加π/2，就是减少π/2，因此累计相位θk(t)在每码元结束时必定为π/2的整倍数，在Ts的奇数倍时刻相位为π/2的奇数倍，在Ts的偶数倍时刻相位为π/2的偶数倍。第二章移动通信中的调制技术图2.4MSK的相位网格图第二章移动通信中的调制技术（4）MSK调制器图2.5MSK调制器原理框图第二章移动通信中的调制技术MSK调制器的工作过程为：①对输入二进制数据信号进行差分编码②经串/并转换，分成相互交错一个码元宽度的两路信号Ik和Qk③用加权函数cos(πt/2Ts)和sin(πt/2Ts)分别对两路数据信号Ik和Qk进行加权④加权后的两路信号再分别对正交载波cosωct和sinωct进行调制⑤将所得到的两路已调信号相加，通过带通滤波器，就得到MSK信号MSK解调，可用相干、非相干两种方式(5)MSK信号特点①已调信号振幅是恒定的。②信号频率偏移严格符合±1/4Ts，相位调制指数h＝1/2③以载波相位为基准的信号相位，在一个码元期间内准确地按线性变化±π/2第二章移动通信中的调制技术④在一个码元(Ts)期间内，信号应是四分之一载波周期的整数倍⑤码元转换时刻，信号的相位是连续的，即信号波形无突变2.2.3高斯最小移频键控（GMSK）调制MSK是二电平矩形基带信号进行调频得到的，MSK信号在任一码元间隔内，其相位变化(增加或减小)为π/2，而在码元转换时刻保持相位是连续的。但MSK信号相位变化是折线，在码元转换时刻产生尖角，从而使其频谱特性的旁瓣滚降不快，带外辐射还相对较大。参见图2.7及图2.8。图2.6GMSK调制器第二章移动通信中的调制技术图2.7MSK类信号的相位转移轨迹图2.8MSK信号的功率谱密度-60-50-40-30-20-1001.02.03.04.0（f－fc）TbMSKOPSK功率谱密度/dB第二章移动通信中的调制技术为了解决这一问题，可将数字基带信号先经过一个高斯滤波器整形(预滤波)，得到平滑后的某种新的波形；之后再进行调频，可得到良好的频谱特性，调制指数仍为0.5。由于高斯滤波器G(f)的冲激响应g(t)仍是高斯函数，并且g(t)的导数在(-∞，+∞)都是连续的。将高斯波形进行调频，就可使功率谱高频分量滚降变快。因此，将输入端接有高斯低通滤波器的MSK调制器称为高斯滤波最小移频键控(GMSK)。图2.6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。2.2.4MSK类调制的性能比较1.已调信号的相位转移轨迹第二章移动通信中的调制技术图2.7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