移动通信原理学习笔记之二—— 移动通信中的调制解调技术
移动通信中的调制解调技术
第3章 移动通信中的调制解调技术
第3章 移动通信中的调制解调技术3.1 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。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 影响调制方式的选择的主要因素频带利用率：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，它定义为ηb ＝Rb/B,其中Rb为比特速率，B为无线信号的带宽。 功率效率:指保持信息精确度的情况下所需的最小信号功率（或者说最小信噪比）已调信号恒包络易于解调带外辐射：一般要求达到-70到-60dB3.2 最小频移键控MSK 相位连续的FSK2FSK信号
说明：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
MSK信号的相位路径、频率及功率谱相位路径
MSK的频率关系
MSK的功率谱
MSK信号的产生与解调
MSK调制器的工作过程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3.3 高斯最小移
键控GMSK 3.3.1 高斯滤波器的传输特性 GMSK就是基带信号经过高斯低通滤波器的MSK 
频率特性H(f)和冲激响应h(t)
3.3.2 GMSK信号的波形和相位路径 
3.3.3 GMSK信号的调制与解调调制
解调GMSK可以用相干方法解调,也可以用非相干方法解调。这里介绍一比特延迟差分解调方法（非相干解调）设接收到的信号为 
3.3.4 GMSK功率谱
3.4 QPSK调制3.4.1 二相调制BPSK
功率谱BPSK 信号是一种线性调制，当基带波形为NRZ码时，其功率谱如图3.23所示
3.4.2 四相调制QPSK
QPSK信号产生 QPSK的解调QPSK信号的功率谱和带宽QPSK信号的包络特性和相位跳变3.4.3 偏移QPSK—OQPSK
3.4.4 π/4-QPSKπ/4-QPSK概述π/4-QPSK调制是OQPSK和QPSK在实际最大相位变化进行折衷。在p/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p/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。在多径扩展和衰落的情况下， p/4-QPSK比OQPSK的性能更好π/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，p/4-QPSK可成为p/4-DQPSK。π/4-QPSK信号具有频谱特性好，功率效率高，抗干扰能力强等特点π/4-DQPSK信号产生
相位差分编码
π/4-DQPSK信号的相位跳变
pi/4-DQPSK的解
3.5 高阶调制 3.5.1 数字调制的信号空间原理 
如果把M个能量有限的信号映射到N维的矢量空间上，空间中的M个映射点称作星座点，矢量空间称作信号空间。在矢量空间中可以很容易地描述衡量误码性能的两个指标，信号之间的互相关系数和欧氏距离。符号之间相关性越大，欧式距离就越小，那么误码性能就越差。一般来说，调制阶数越高欧氏距离就越小。但是由于频率资源的限制，使得调制方式必须要采用比较高的阶数。为了保证高频谱效率下链路的性能，可以相应的采用强有力的差错控制技术，提升功率等措施来弥补误码性能的缺陷。M进制的数字调制，一般可以分为MASK，MPSK，MQAM和MFSK，它们属于无记忆的线性调制。如果结合到信号的矢量空间表示，可以理解为这些不同的调制方式是因为采用了不同的正交函数集。一般认为在阶数 时为高阶调制。MASK，MQAM，MPSK这三种调制方式在信息速率和M值相同的情况下，频谱利用率是相同的。由于MPSK的抗噪声性能优于MASK，所以2PSK、QPSK获得了广泛的应用。并且ASK信号是对载波的幅度进行调制，所以不适合衰落信道。在 时MQAM的抗噪声性能优于MPSK的，所以阶数更高的调制一般采用的是QAM的形式。3.5.2 M进制数字调制以及高阶调制. M进制移相键控（MPSK）
2. 正交幅度调制（QAM）MASK信号的矢量空间是一维的，MPSK信号的矢量空间是二维的，随着调制阶数的增加，符号间的欧式距离在减小。那么如果能充分利用二维矢量空间的平面，在不减少欧氏距离的情况下增加星座的点数就可以增加频谱利用率，从而引出了联合控制载波的幅度和相位的正交幅度调制方式QAM。QAM方式也是高阶调制中使用得最多的，下面重点介绍。
3.5.3 高阶调制在3G,4G中的应用 高阶调制在高速数据传输系统中应用是相当多的。为了提高频谱效率，在LTE、HSPA、802.11n等宽带无线通信系统中广泛采用了高阶调制。这些调制技术与信道编码结合，构成自适应调制编码（AMC）方案，成为B3G和4G移动通信的关键技术。下面从移动通信标准应用方面介绍各个调制方式。1986年以后，由于实用化的线性高功放已取得突破性进展，人们又重新对简单易行的BPSK和QPSK予以重视。EDGE作为GSM的演进采用了8PSK调制方式。3G标准的cdma20001x、WCDMA、TD-SCDMA均采用了QPSK，其中TD-SCDMA还引入了8PSK。随着差错控制技术的发展，当演进到HSPA阶段，无论是TDD系统还是FDD系统都引入了高阶的16QAM、64QAM调制方式。cdma20001x演进到EV-DO阶段，也引入了8PSK，16QAM，64QAM等高阶调制方式。LTE作为B3G的主流标准，为提高频谱利用率数据信道引入了16QAM、64QAM调制方式，控制信道采用BPSK、QPSK调制方式3.6正交频分复用 
在实际的应用中
，OFDM系统可以自动测试子载波的传输质量，据此及时调整子信道的发射功率和发射比特数，使每个子信道的传输速率达到最佳的状态。OFDM在有线信道或无线信道的高速数据传输得到广泛的应用 ，例如在数字用户环路上的ADSL，无线局域网的IEEE802.11a和HIPERLAN-2，数字广播，高清晰度电视，第四代移动通信（4G，主要包括LTE-A与IEEE802.16m）系统等。OFDM存在发射信号的峰值功率和平均功率比值（PAR）过大的问题和由于多谱勒频谱扩展破坏子载波正交的问题。
作者：_瑞瑞
说明：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 MSK信号的相位路径、频率及功率谱相位路径MSK的频率关系MSK的功率谱MSK信号的产生与解调MSK调制器的工作过程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3.3 高斯最小移
键控GMSK 3.3.1 高斯滤波器的传输特性 GMSK就是基带信号经过高斯低通滤波器的MSK 频率特性H(f)和冲激响应h(t)3.3.2 GMSK信号的波形和相位路径 3.3.3 GMSK信号的调制与解调调制解调GMSK可以用相干方法解调,也可以用非相干方法解调。这里介绍一比特延迟差分解调方法（非相干解调）设接收到的信号为 3.3.4 GMSK功率谱3.4 QPSK调制3.4.1 二相调制BPSK功率谱BPSK 信号是一种线性调制，当基带波形为NRZ码时，其功率谱如图3.23所示3.4.2 四相调制QPSKQPSK信号产生 QPSK的解调QPSK信号的功率谱和带宽QPSK信号的包络特性和相位跳变3.4.3 偏移QPSK—OQPSK3.4.4 π/4-QPSKπ/4-QPSK概述π/4-QPSK调制是OQPSK和QPSK在实际最大相位变化进行折衷。在p/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p/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。在多径扩展和衰落的情况下， p/4-QPSK比OQPSK的性能更好π/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，p/4-QPSK可成为p/4-DQPSK。π/4-QPSK信号具有频谱特性好，功率效率高，抗干扰能力强等特点π/4-DQPSK信号产生相位差分编码π/4-DQPSK信号的相位跳变pi/4-DQPSK的解
3.5 高阶调制 3.5.1 数字调制的信号空间原理 如果把M个能量有限的信号映射到N维的矢量空间上，空间中的M个映射点称作星座点，矢量空间称作信号空间。在矢量空间中可以很容易地描述衡量误码性能的两个指标，信号之间的互相关系数和欧氏距离。符号之间相关性越大，欧式距离就越小，那么误码性能就越差。一般来说，调制阶数越高欧氏距离就越小。但是由于频率资源的限制，使得调制方式必须要采用比较高的阶数。为了保证高频谱效率下链路的性能，可以相应的采用强有力的差错控制技术，提升功率等措施来弥补误码性能的缺陷。M进制的数字调制，一般可以分为MASK，MPSK，MQAM和MFSK，它们属于无记忆的线性调制。如果结合到信号的矢量空间表示，可以理解为这些不同的调制方式是因为采用了不同的正交函数集。一般认为在阶数 时为高阶调制。MASK，MQAM，MPSK这三种调制方式在信息速率和M值相同的情况下，频谱利用率是相同的。由于MPSK的抗噪声性能优于MASK，所以2PSK、QPSK获得了广泛的应用。并且ASK信号是对载波的幅度进行调制，所以不适合衰落信道。在 时MQAM的抗噪声性能优于MPSK的，所以阶数更高的调制一般采用的是QAM的形式。3.5.2 M进制数字调制以及高阶调制. M进制移相键控（MPSK）2. 正交幅度调制（QAM）MASK信号的矢量空间是一维的，MPSK信号的矢量空间是二维的，随着调制阶数的增加，符号间的欧式距离在减小。那么如果能充分利用二维矢量空间的平面，在不减少欧氏距离的情况下增加星座的点数就可以增加频谱利用率，从而引出了联合控制载波的幅度和相位的正交幅度调制方式QAM。QAM方式也是高阶调制中使用得最多的，下面重点介绍。3.5.3 高阶调制在3G,4G中的应用 高阶调制在高速数据传输系统中应用是相当多的。为了提高频谱效率，在LTE、HSPA、802.11n等宽带无线通信系统中广泛采用了高阶调制。这些调制技术与信道编码结合，构成自适应调制编码（AMC）方案，成为B3G和4G移动通信的关键技术。下面从移动通信标准应用方面介绍各个调制方式。1986年以后，由于实用化的线性高功放已取得突破性进展，人们又重新对简单易行的BPSK和QPSK予以重视。EDGE作为GSM的演进采用了8PSK调制方式。3G标准的cdma20001x、WCDMA、TD-SCDMA均采用了QPSK，其中TD-SCDMA还引入了8PSK。随着差错控制技术的发展，当演进到HSPA阶段，无论是TDD系统还是FDD系统都引入了高阶的16QAM、64QAM调制方式。cdma20001x演进到EV-DO阶段，也引入了8PSK，16QAM，64QAM等高阶调制方式。LTE作为B3G的主流标准，为提高频谱利用率数据信道引入了16QAM、64QAM调制方式，控制信道采用BPSK、QPSK调制方式3.6正交频分复用 在实际的应用中
，OFDM系统可以自动测试子载波的传输质量，据此及时调整子信道的发射功率和发射比特数，使每个子信道的传输速率达到最佳的状态。OFDM在有线信道或无线信道的高速数据传输得到广泛的应用 ，例如在数字用户环路上的ADSL，无线局域网的IEEE802.11a和HIPERLAN-2，数字广播，高清晰度电视，第四代移动通信（4G，主要包括LTE-A与IEEE802.16m）系统等。OFDM存在发射信号的峰值功率和平均功率比值（PAR）过大的问题和由于多谱勒频谱扩展破坏子载波正交的问题。
作者：_瑞瑞
