移動通信原理第6次課-第6章BPSK數(shù)字調制

典型的擴頻通信系統(tǒng)方框圖如下。我們在前面已經學習了信源編碼、擴頻加擾部分，下面繼續(xù)學習數(shù)字調制。擴頻信號是數(shù)字信號，是不能直接上無線信道傳輸?shù)?。必須將?shù)字信號調制到正弦或余弦模擬信號上才能上無線信道傳輸。第6章

數(shù)字調制技術6.1關于數(shù)字調制的概念下圖表明了一個兩電位數(shù)字信號序列經過短短幾十米雙絞線傳輸后的衰減情況。由于一般信道都是通頻帶有限的帶通信道，脈沖信號中的高頻成分將受到嚴重衰減，信號前沿由陡峭變得平緩，幅度也受到衰減，數(shù)字信號將嚴重變形。這些不良變化將導致接收機在對數(shù)字信號識別時出錯。上述在短距離上直接傳輸數(shù)字信號的方法叫做基帶傳輸。如果需要在長距離的有線信道和無線信道上傳輸數(shù)字信號必須采用頻帶傳輸技術，即由高頻載波信號來載荷數(shù)字信號，這就是數(shù)字調制。

6.1.1數(shù)字調制相關概念數(shù)字調制是將數(shù)字基帶信號與正弦(或余弦)載波信號相乘調制成為中心頻率很高的頻帶信號。其基本原理是用數(shù)字基帶信號0和1去控制載波的一個參量。若控制載波的幅度，稱為振幅鍵控ASK；若控制載波的頻率，稱為頻移鍵控FSK；若控制載波的相位，稱為相移鍵控PSK，若同時控制載波的幅度和相位兩個參量，稱為幅度相位調制，又稱為正交幅度調制QAM。由一位二進制0和1對載波進行的數(shù)字調制，有時候叫做二進制調制；由多位0和1組成的二進制序列對載波進行的數(shù)字調制，也可叫做多進制調制，例如：MASK、MFSK、MPSK和MQAM調制。在實際的相移鍵控方式中，為了克服在接收端產生的相位模糊度，往往將絕對相移改為相對相移DPSK以及DQPSK。另外在實際相移鍵控調制方式中，為了降低已調信號的峰平比，又引入了偏移QPSK(OQPSK)、π/4-DQPSK、正交復四相移鍵控CQPSK，以及混合相移鍵控HPSK等等。在二進制調制之中，為了徹底消除由于相位躍變帶來的峰平比增加和頻帶擴展，又引入了有記憶的非線性連續(xù)相位調制CPM，最小頻移鍵控MSK，GMSK(高斯型MSK)以及平滑調頻TFM等。上述各類調制中僅有后一類，即CPM，MSK，GMSK和TFM屬于有記憶的非線性調制，其余各類調制均屬于無記憶的線性調制。上述調制中最基本的調制為2ASK、2FSK、BPSK，后面將重點分析它們。6.1.2數(shù)字調制的作用1.頻譜搬移數(shù)字調制的基本作用就是用數(shù)字信號調制適合在無線信道上傳輸?shù)纳漕l載波，使其頻譜向高端搬移。例如，首先用基帶數(shù)字信號調制一個70MHz中頻載波,然后再將調制后的中頻信號頻譜搬移至相應的發(fā)射頻段。2）抗干擾調制信號頻譜的主瓣窄，具有快速滾降特性，既不易受到其他信號的干擾，對其他信號的干擾也小。3）提高有效性當采用多進制調制時，單位頻帶內的數(shù)據傳輸速率（bps/Hz）提高，提高了頻帶利用率，也就是提高了通信系統(tǒng)的有效性。對于具體的數(shù)字調制技術來說，除了應當具有上述的三種基本作用而外，還應當在工程上容易實現(xiàn)，峰平比性能優(yōu)良。6.1.2數(shù)字調制基本原理通常余弦波信號表示為：s(t)=a(t)cos[w(t)+j(t)]其中，t是時間；a(t)是幅度；w(t)是角頻率；j(t)是相位。數(shù)字調制就是用基帶數(shù)字信號0和1去控制余弦信號的幅度、角頻率和/或相位的變化。隨著余弦波在無線信道里傳輸，基帶數(shù)字信號也傳輸了出去。因此，這種余弦波被稱為載波；它被基帶數(shù)字信號調制后成為調制信號。分別調制載波幅度、頻率和相位的2ASK(振幅鍵控)、2FSK(頻移鍵控)和2PSK(相移鍵控)調制波形如下：6.1.3數(shù)字調制的分類數(shù)字調制的分類如下表：ASK（幅度鍵控）QAM（正交幅度鍵控）MQAM（星座調制）不恒定包絡BFSK(二進制頻移鍵控)MFSK(多進制頻移鍵控)

FSK(頻移鍵控)MSK(最小頻移鍵控)GMSK(高斯濾波MSK)TFM(平滑調頻)

CPM(連續(xù)相位調制)恒定包絡OQPSK(偏移QPSK)p/4QPSKDQPSK(差分QPSK)BPSK(二相相移鍵控)DPSK(差分二相相移鍵控)QPSK(正交(四相)相移鍵控)MPSK(多進制相移鍵控)

PSK(相移鍵控)數(shù)字調制1、振幅鍵控ASK2ASK向多進制發(fā)展，產生了正交振幅調制（QAM，QuadratureAmplitudeModulation）、多進制正交振幅調制（MQAM，MutipleQAM）。由于多徑傳播衰落對載波幅度的影響，在1G和2G移動通信系統(tǒng)中均未采用。在3G移動通信系統(tǒng)中采用了MQAM，例如16QAM和64QAM。2、頻移鍵控FSK1G移動通信系統(tǒng)的業(yè)務和信令都采用2FSK調制方式，由于相鄰碼元相位不連續(xù)，頻率跳變引起較大的旁瓣功率，頻譜效率低，只能應用于低速傳輸系統(tǒng)。在2FSK發(fā)展的基礎上，產生了多進制頻移鍵控（MFSK）。例如，高斯最小頻移鍵控（GMSK，Gauss–MinimumShiftKeying）有效地克服了2FSK的缺點，應用在GSM和GPRS移動通信系統(tǒng)中。3、相移鍵控PSK開始是2PSK，在此基礎上發(fā)展產生了DPSK、QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)、OQPSK(OffsetQPSK)、π/4-QPSK。這些數(shù)字調制方式廣泛應用在3G移動通信系統(tǒng)中。4、有記憶非線性連續(xù)相位調制在二進制調制中，為了徹底消除相位躍變帶來的峰平比增加和頻帶擴展，引入了有記憶的非線性連續(xù)相位調制(ContinuousPhaseModulation,CPM)、最小頻移鍵控(MinimumShiftKeying，MSK)、GMSK(高斯濾波MSK)、及平滑調頻(TimedFrequencyModulation)。GMSK應用于GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)中。6.1.4基本數(shù)字調制方法性能分析數(shù)字調制信號在AWGN信道上傳輸?shù)倪^程中會受到干擾、噪聲和波形畸變的影響，而產生誤碼。如果接收端采用理想的相干解調并消除碼間干擾，那么，平均誤比特率Pe與歸一化信噪比Eb/N0之間的關系為：其中，Eb是每秒比特的功率；N0是單邊噪聲功率譜密度；Q(x)函數(shù)為：三種調制方式的誤比特率如圖所示。對三種調制方式進行比較可以得出結論，2PSK抗干擾能力最佳，在移動通信中，均以其為基礎。6.1.5移動通信系統(tǒng)采用的數(shù)字調制技術從上表可以看出，在移動通信系統(tǒng)中采用的數(shù)字調制技術基本上是以PSK為基礎。這也是我們學習的主要內容。6.1.6相移鍵控的基本原理載波信號的函數(shù)式為：Sk(t)=cos(wc+φk)這里，振幅取歸一化值1；wc是載波頻率，為常數(shù)；φk是受數(shù)字信號控制的相位，它有有限的M個不同取值，每個相位攜帶的信息量I=log

2M(bit)。例如，當M=2，φk的每一相位攜帶1bit信息：0或1；當M=4，φk的每一相位攜帶2bit信息：00、01、10或11；當M=8，φk的每一相位攜帶3bit信息：000、001、010、011、100、101、110或111。在發(fā)送端，數(shù)字調制器輸出的載波信號相位將隨輸入不同的數(shù)字信號而改變。對于一個數(shù)字信號，Sk(t)的相位φk將取一個特定的值與之對應。1、二相相移鍵控當數(shù)字信號為0和1時，M=2就可以了，采用二相相移鍵控。二相相移鍵控有兩種形式，一種是絕對二相相移鍵控(BinaryPSK，BPSK)，另一種是差分二相相移鍵控（DifferentialBPSK，DBPSK）1）絕對二相相移鍵控（BPSK）絕對二相相移鍵控也稱為二相相移鍵控，其調制信號是，Sk(t)=cos(wc+φk)。調制器原理如圖所示。歸一化雙極性數(shù)字信號序列Xk是由基帶數(shù)字信號0和1轉換而來，基帶數(shù)字信號0和1分別轉換成歸一化雙極性數(shù)字信號1和-1。將Xk與載波信號coswc同時輸入乘法器，得到BPSK調制波形Sk(t)：Sk(t)=Xkcoswc=±1coswc。當基帶數(shù)字信號為0時,

Xk=+1，Sk(t)=+1coswc=cos(wc+0)

。當基帶數(shù)字信號為1時,

Xk=-1，Sk(t)=-1coswc=cos(wc+p)。調制信號相位φk在基帶數(shù)字信號0和1的調制下取兩個不同的值π和0。BPSK調制信號波形如圖所示。BPSK是絕對調相，解調器的本地載波coswc必須與發(fā)端載波同步，這就是相干解調。解調器原理如圖所示。接收的調相信號Sk(t)=±coswc與本地的載波信號coswc在乘法器里相乘后得到S’k(t)，按照倍角原理得：S’k(t)=±cos2wc

=±(1/2)[1+cos(2wc)]由于S(t)有π和0兩個相位，本地余弦信號只有一個相位，所以相乘后將交替出現(xiàn)常數(shù)項±1/2。用帶通濾波器濾除2wc后，剩下的±1/2常數(shù)項分別表示數(shù)字信號1和0。BPSK信號的功率譜密度如下圖所示。

設數(shù)字信號的bit周期是Tb,數(shù)字信號速率為1/Tb（bps）。如圖,BPSK信號的帶寬為:2fb=2/Tb(Hz)。頻帶利用率為：(1/Tb)/2fb=0.5(bps/Hz)。2）差分二相移相鍵控DBPSK可以有效避免BPSK的相位模糊，克服接收數(shù)據反相問題。DBPSK調制原理先將基帶數(shù)字信號轉換成差分碼，方法是出現(xiàn)基帶數(shù)字信號1，差分碼脈沖前沿跳變；出現(xiàn)基帶數(shù)字信號0，差分碼脈沖前沿不跳變。然后利用差分碼對載波進行BPSK調制。原理圖和波形圖如下：

DBPSK解調原理DBP