移动通信入门第三章移动通信的调制技术.pptx
第三章 移动通信的调制技术,目录,3.1调制技术的概念,1.调制技术的概念信号源的编码信息中含有直流分量和频率较低的交流分量，称为基带信号。基带信号一般不能直接作为传输信号，必须有一个载波来运载基带信号。载波的频率相对于基带信号而言频率非常高，适合于信道传输。对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合于信道传输形式的过程，就是调制。调制通过改变高频载波的幅度、相位或频率，使其随着基带信号的变化而变化；而解调则是将基带信号从载波中提取出来的逆变换过程。调制前的基带信号称为调制信号，经过调制后的基带信号叫作已调信号。已调信号是带通信号。在第一代蜂窝移动通信系统中采用的是模拟调频（FM）传输模拟语音，信令系统采用二进制频移键控（2FSK）调制技术。第二代数字蜂窝移动通信系统GSM系统采用高斯最小频移键控（GMSK）调制，IS-54系统和PDC系统采用/4四相相对相移键控（/4-DQPSK）调制，CDMA系统（IS-95）的下行信道采用正交相移键控（QPSK）调制、上行信道采用偏移四相相移键控（OQPSK）调制。第三代数字蜂窝系统将采用多进制正交幅度调制（MQAM）、平衡四相（BQM）扩频调制、复四相扩频调制（CQM）、双四相扩频调制（DQM）技术。,3.2 调制技术的分类,调制方式很多，根据调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制；根据调制信号改变载波参量（幅度、频率或相位）的不同，模拟连续波调制又可分为幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。数字调制也有三种方式：幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。从第二代蜂窝移动通信系统开始，都是采用数字调制技术，和模拟调制相比，数字调制和解调的抗噪性能更好，编码和纠错的技术更复杂，通信系统安全性和可靠性更高。数字调制的分类如图所示。,3.2 调制技术的分类,3.3二进制数字调制技术,调制信号是二进制数字基带信号的调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率和相位只有两种变化状态。主要的调制方法有二进制振幅键控（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）和二进制相移键控（2PSK）。1.二进制振幅键控振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息的，其频率和初始相位保持不变。在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”或“1”。2ASK信号的一般表达式为：2=(3-1)其中 s t=()(3-2)式中,为码元持续时间；()为持续时间为 的基带脉冲波形。通常假设()是高度为1、宽度等于 的矩形脉冲；是第n个符号的电平取值，=1 概率为P 0 概率为1P(3-3),3.3二进制数字调制技术,下图为2ASK信号时间的波形，如下图所示：,2ASK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法（相乘器法）和键控法，相应的调制器如图所示。,3.3二进制数字调制技术,2ASK信号有两种基本的解调方法：非相干（noncoherent）解调（包络检波法）和相干（coherent）解调（同步检测法），相应的接收系统组成框图如图所示。,在传输过程中，噪声电压和信号一起改变了振幅，所以2ASK是受噪声影响最大的调制技术，现已较少应用。,3.3二进制数字调制技术,3.3.2 二进制频移键控频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息的。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f_1和f_2两个频率点间变化，其表达式为 2=(1+)发送“1”时(2+)发送“0”时(3-4)典型波形如图所示。由图可见，2FSK信号的波形（a）可以分解为波形（b）和波形（c），也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式又可写成 2=1 cos 1+2 2+(3-5)式中，1 和 2 均为单极性脉冲序列，且当 1 为正电平脉冲时，2 为零电平，反之亦然；和 分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位。在移频键控中，和 不携带信息，通常可令 和 均为零。因此，2FSK信号的表达式可简化为 2=1 cos 1+2 2(3-6),3.3二进制数字调制技术,2FSK信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟调频电路来实现；另一种可以采用键控法来实现，即通过开关电路对两个不同的独立频率进行选通，如图3-6所示。这两种方法产生2FSK信号的差异在于：由调频法产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续变化的，而键控法产生的2FSK信号是由电子开关选通独立频率源形成，故相邻码元之间的相位不一定连续。,3.3二进制数字调制技术,2FSK信号的常用解调方法是采用非相干解调（包络检波）和相干解调，如图所示（图左为非相干解调，图右为相干解调）。其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决。判决规则应与调制规则相呼应，调制时若规定“1”符号对应载波频率 1，则接收时上支路的样值较大，应判为“1”；反之则判为“0”。,3.3二进制数字调制技术,除此之外，2FSK信号还有其他解调方法，比如鉴频法、差分检测法、过零检测法等。下图给出了过零检测法的原理框图及各点时间波形。,2FSK在数字通信中应用较为广泛。国际电信联盟（ITU）建议在数据传输速率低于1200b/s时采用2FSK体制。2FSK可以采用非相干接收方式，接收时不必利用信号的相位信息，因此特别适合应用于衰落信道/随参信道（如短波无线电信道）的场合，这些信道会引起信号的相位和振幅随机抖动和起伏。,3.3二进制数字调制技术,2.二进制相移键控相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“0”和“1”。因此，2PSK信号的时域表达式为 2()=cos(+)(3-7)式中：表示第n个符号的绝对相位，即=0 发送“0”时 发送“1”时(3-8)因此，式（3-7）可以改写为 2()=概率为P 概率为1P(3-9)。,3.3二进制数字调制技术,其中 s t=()(3-10)这里，()为脉宽为 的单个矩形脉冲；的统计特性为=1 概率为P 1 概率为1P(3-11)即发送二进制符号“0”时（=+1），2()取0相位；发送二进制符号“1”时（=1），2()取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。下图为 2PSK信号的时间波形。,3.3二进制数字调制技术,2PSK信号的调制原理框图如图3-10所示。与2ASK信号的产生方法相比较，只是对 的要求不同，在2ASK中 是单极性的，而在2PSK中 是双极性的基带信号。,2PSK信号的解调通常采用相干解调法，解调器原理框图如图所示。,2PSK信号相干解调各点时间波形如右图所示。,3.3二进制数字调制技术,由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着 180 0 的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调信号的“倒”现象或“反相工作”，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。因此，2PSK方式在实际中很少使用，而是采用差分相移键控（DPSK）方式。2DPSK（二进制差分相移键控）是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称二进制相对相移键控。假设为当前码元与前一码元的载波相位差，可定义一种数字信息与之间的关系为=0 表示数字信息“0”表示数字信息“1”(3-12)一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系如下：二进制数字信息：1 1 0 1 0 0 1 1 02DPSK信号相位：（0）0 0 0 或（）0 0 0 0 0 0,3.3二进制数字调制技术,2DPSK信号的相位并不直接代表基带信号，而相应的2DPSK信号的典型波形如图所示。,2DPSK调制器原理框图如图左所示。右图是2DPSK信号极性比较法解调原理框图。,3.3二进制数字调制技术,下图是2DPSK信号相位比较法解调原理框图及各点波形。,3.4 多进制数字调制,1.正交相移键控（QPSK）QPSK又称四相键控，即4PSK，它有四种相位状态，各自对应于四进制的四种数据（码元），即00、01、10、11.由于每一种载波相位代表两个比特信息，所以每个四进制码元又被称为双比特码元。载波的相位为4个间隔相等的值/4，3/4，其相位的星座图如图3-17（a）所示；也可以将相位的星座图旋转 45 0，如下图所示，其相位值是0，/2，为交错正交相移键控（OQPSK）调制相位的星座图。,3.4 多进制数字调制,图左是相乘法产生QPSK信号原理框图，图右是相位选择法产生QPSK信号原理框图。QPSK信号的解调原理如下图所示。由于QPSK信号可以看作是两个正交2PSK信号的叠加，所以用两路正交的相干载波去解调，可以很容易地分离这两路正交的2PSK信号。相干解调后的两路并行码元a和b，经过并/串变换后，成为串行数据输出。,3.4 多进制数字调制,2.四进制差分相移键控（DDQPSK）DDQPSK信号的产生方法和QPSK信号的产生方法类似，只是需要把输入基带信号先经过码变换器把绝对码变成相对码再去调制（或选择）载波。下图给出了用正交调相法产生DDQPSK信号的原理方框图。图中a和b为经过串/并变换后的一对码元，它需要再经过码变换器变换成相对码c和d后才与载波相乘。,3.4 多进制数字调制,DQPSK信号的解调方法和QPSK信号的解调方法类似也有两类，即极性比较法和相位比较法。左图是DQPSK信号极性比较法解调原理方框图。由图可见DQPSK信号的极性比较法解调原理和QPSK信号的一样，只是多一步码反变换，将相对码变成绝对码。,DQPSK信号相位比较法解调原理方框图如右图所示。由此图可见，它和2DPSK信号相位比较法解调的原理基本一样，只是由于现在的接收信号包含正交的两路已调载波，故需要用两个支路差分相干解调。,
