調(diào)制方式的原理和本質(zhì)

關(guān)于GSM的調(diào)制方式：GSM使用一種稱作0.3GMSK的數(shù)字調(diào)制方式。0.3表示高斯濾波器帶寬與比特率之比。GMSK調(diào)制方式的工作原理及特點(diǎn)GMSK--又稱高斯濾波最小移頻鍵控法。是使用高斯濾波器的連續(xù)相位移頻鍵控，它具有比等效的未經(jīng)濾波的連續(xù)相位移頻鍵控信號(hào)更窄的頻譜。 在GSM系統(tǒng)中，為了滿足移動(dòng)通信對(duì)鄰信道干擾的嚴(yán)格要求，采用高斯濾波最小移頻鍵調(diào)制方式（GMS）K,該調(diào)制方式的調(diào)制速率為270833Kbit/sec,每個(gè)時(shí)分多址TDMA幀占用一個(gè)時(shí)隙來發(fā)送脈沖簇，其脈沖簇的速率為33.86Kbs。它使調(diào)制后的頻譜主瓣窄、旁瓣衰落快，從而滿足 GSM系統(tǒng)要求，節(jié)省頻率資源。GMSK是一種特殊的數(shù)字FM調(diào)制方式。給RF載波頻率加上或者減去67.708KHZ表示1和0。使用兩個(gè)頻率表示1和0的調(diào)制技術(shù)記作FSK（頻移鍵控）。在GSM中，數(shù)據(jù)速率選為270.833kbit/sec，正好是RF頻率偏移的4倍，這樣作可以把調(diào)制頻譜降到最低并提高信道效率。比特率正好是頻率偏移4倍的FSK調(diào)制稱作MSK（最小頻移鍵控）。在GSM中，使用高斯預(yù)調(diào)制濾波器進(jìn)一步減小調(diào)制頻譜。它可以降低頻率轉(zhuǎn)換速度，否則快速的頻率轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致向相鄰信道輻射能量。調(diào)制前高斯濾波的最小頻移鍵控簡(jiǎn)稱 GMSK基本的工作原理是將基帶信號(hào)先經(jīng)過高斯濾波器成形，再進(jìn)行最小頻移鍵控MSK（MinimunShiftKeying,簡(jiǎn)稱MSK。由于成形后的高斯脈沖包絡(luò)無陡峭邊沿，亦無拐點(diǎn)，因此頻譜特性優(yōu)于 MSK信號(hào)的頻譜特性。GPRS中同樣包含GMS啲調(diào)制方式關(guān)于EDGE勺調(diào)制方式：8PSK調(diào)制方式的工作原理及特點(diǎn)相對(duì)于GPRS技術(shù)的單一調(diào)制方式GMS（高斯最小頻移鍵控），E-GPRS技術(shù)支持兩種調(diào)制方式：GMSK和8PSK（8相相移鍵控）。GMSJ在每一個(gè)符號(hào)（symbol）調(diào)制一個(gè)比特，而8PSK在每—個(gè)符號(hào)（symbol）上調(diào)制了三個(gè)比特，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率 8PSK符號(hào)速率和Burst長(zhǎng)度與GSM-致，保證了空中接□的一致性。在 8PSK調(diào)制中輸出功率隨輸入功率成線性比例變化，由于輸出功率的線性要求，需要預(yù)留出一定的余量（Backoff）以避免功放達(dá)到飽和而使輸出失真，輸出功率變

化隨輸入功率變化，平均值和峰值之間有2化隨輸入功率變化，平均值和峰值之間有24dB(Backoff)差異。因此，要求功放的平均輸出功率比功放滿負(fù)荷時(shí)候的輸出功率低Backoff以保證功放的線性性能。Backoff的作用為在大功率輸入時(shí)，功放不至于飽和而失去線性性能， Backoff取值一般為3dB，在進(jìn)行E-GPRS鏈路預(yù)算時(shí)，TXpower=TXmax-3dB。EDGE無線接□的主要作用是使當(dāng)前的蜂窩通信系統(tǒng)可以獲得更高的數(shù)據(jù)通信速率?，F(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)主要采用GMSK調(diào)制技術(shù)，為以增加無線接□的總速率，在 EDGE中引入了一個(gè)能夠提供高數(shù)據(jù)率的調(diào)制方案，即八進(jìn)制移相鍵控(8PSK)調(diào)制。由于8PSK將GMSK勺信號(hào)空間從2擴(kuò)展到8,因此每個(gè)符號(hào)可以包括的信息是原來的 4倍。8PSK的符號(hào)率保持在271kbps，每個(gè)時(shí)隙可以得到69.2kbps的總速率，并且仍然能夠完成GSM頻譜屏蔽。關(guān)于WCDM的調(diào)制方式：上行BPSK下行QPSKBPSK調(diào)制：與模擬通信系統(tǒng)相比,數(shù)字調(diào)制和解調(diào)同樣是通過某種方式,將基帶信號(hào)的頻譜由一個(gè)頻率位置搬移到另一個(gè)頻率位置上去。不同的是,數(shù)字調(diào)制的基帶信號(hào)不是模擬信號(hào)而是數(shù)字信號(hào)。在大多數(shù)情況下,數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號(hào)的離散值去鍵控載波。對(duì)載波的幅度、頻率或相位進(jìn)行鍵控,便可獲得ASK、FSK、PSK等。這三種數(shù)字調(diào)制方式在抗干擾噪聲能力和信號(hào)頻譜利用率等方面,以相干PSK的性能最好,目前已在中、高速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)得到廣泛應(yīng)用。在同步解調(diào)的PSK系統(tǒng)中,由于收端載波恢復(fù)存在相位含糊的問題,即恢復(fù)的載波可能與未調(diào)載波同相，也可能反相，以至使解調(diào)后的信碼出現(xiàn)一0、1-1倒置，發(fā)送為一1碼，解調(diào)后得到一0碼；發(fā)送為一oil碼,解調(diào)后得到一11碼。這是我們所不希望的,為了克服這種現(xiàn)象,人們提出了相對(duì)移相方式。相對(duì)移相的調(diào)制規(guī)律是：每一個(gè)碼元的載波相位不是以固定的未調(diào)載波相位作基準(zhǔn)的,而是以相鄰的前一個(gè)碼元的載波相位來確定其相位的取值。例如,當(dāng)某一碼元取一11時(shí),它的載波相位與前一碼元的載波同相；碼元取一0時(shí),它的載波相位與前一碼元的載波反相。一般情況下,相對(duì)移相可通過對(duì)信碼進(jìn)行變換和絕對(duì)移相來實(shí)現(xiàn)。將信碼經(jīng)過差分編碼變換成新的碼組--相對(duì)碼,再利用相對(duì)碼對(duì)載波進(jìn)行絕對(duì)移相,使輸出的已調(diào)載波相位滿足相對(duì)移相的相位關(guān)系。設(shè)絕對(duì)碼為｛ai｝，相對(duì)碼為｛bi｝，則二相編碼的邏輯關(guān)系為： bi=ai-bi-1 (1)差分編碼的功能可由一個(gè)模二和電路和一級(jí)移位寄存器組成。對(duì)應(yīng)于差分編碼,在解調(diào)部分有一一差分譯碼。差分譯碼的邏輯為：2)2)將⑴式代入⑵式，得Ci=ai-bi-1+bi-1bi-1-bi-1=0/Ci=ai+0=ai這樣，經(jīng)差分譯碼后就恢復(fù)了原始的信碼序列。差分譯碼的功能同樣可由一個(gè)模二和電路和一級(jí)移位寄存器組成。QPSK調(diào)制：數(shù)字調(diào)相數(shù)字相位調(diào)制（或相移鍵控一PSK）與頻率調(diào)制很相似。不過它的實(shí)現(xiàn)是通過改變發(fā)送波的相位而非頻率，不同的相位代表不同的數(shù)據(jù)。 PSK最簡(jiǎn)單的形式為，利用數(shù)字信號(hào)對(duì)兩個(gè)同頻、反相正弦波進(jìn)行控制、不斷切換合成調(diào)相波。解調(diào)時(shí)，讓它與一個(gè)同頻正弦波相乘，其乘積由兩部分構(gòu)成： 2倍頻接收信號(hào)的余弦波；與頻率無關(guān)，幅度與正弦波相移成正比的直流分量。因此采用低通濾波器濾掉高頻成分后，便得到與發(fā)送波相應(yīng)的原始調(diào)制數(shù)據(jù)。僅從概念上難以描述清楚，稍后我們將對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行數(shù)學(xué)證明。正交相移調(diào)制如果對(duì)上述PSK概念進(jìn)一步延伸，可推測(cè)調(diào)制的相位數(shù)目不僅限于兩個(gè)，載波應(yīng)該能夠承載任意數(shù)目的相位信息，而且如果對(duì)接收信號(hào)乘以同頻正弦波就可解調(diào)出相移信息，而它是與頻率無關(guān)的直流電平信號(hào)。正交相移調(diào)制（QPSK）正是基于該原理。利用QPSK,載波可以承載四種不同的相移，分別代表四個(gè)不同的二進(jìn)制代碼數(shù)據(jù)。初看這似乎毫無意義，但現(xiàn)在這種調(diào)制方式卻使同一載波能傳送 4比特的信息而非原來的2比特，從而使載波的頻帶利用率提高了一倍。關(guān)于HSPA中的調(diào)制方式HSDPA:16QAMHSUPA:QPSK/16QAM16QAM是用兩路獨(dú)立的正交4ASK言號(hào)疊加而成，4ASK是用多電平信號(hào)去鍵控載波而得到的信號(hào)。它是2ASK體制的推廣，和2ASKf比，這種體制的優(yōu)點(diǎn)在于信息傳輸速率高。正交幅度調(diào)制是利用多進(jìn)制振幅鍵控（MASK）和正交載波調(diào)制相結(jié)合產(chǎn)生的。16進(jìn)制的正交振幅調(diào)制是一種振幅相位聯(lián)合鍵控信號(hào)。16QAM的產(chǎn)生有2種方法：（1）正交調(diào)幅法，它是有2路正交的四電平振幅鍵控信號(hào)疊加而成；（2）復(fù)合相移法：它是用2路獨(dú)立的四相位移相鍵控信號(hào)疊加而成。這里采用正交調(diào)幅法16QAM正交調(diào)制的原理如下圖1所示q旳化f串/并LPF?q旳化f串/并LPF?>4電丫變喚bill%2-4電平變換圖116QAM調(diào)制器關(guān)于HSPA中的調(diào)試方式上行：16QAM;下行：64QAM數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制是數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)，然而，這 3種數(shù)字調(diào)制方式都存在不足之處。如頻譜利用率低、抗多徑衰落能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴(yán)重等。為了改善這些不足，幾十年來人們不斷提岀一些新的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以適應(yīng)各種通信系統(tǒng)的要求。其主要研究?jī)?nèi)容圍繞減小信號(hào)帶寬以提高頻譜

利用率，提高功率利用率以增強(qiáng)抗干擾性能等。正交幅度調(diào)制解調(diào) （quadratureamplitudemodulationanddemodulation）就是一種高效的數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式，他在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)高數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。單獨(dú)使用振幅和相位攜帶信息時(shí)，不能最充分利用信號(hào)平面，這可由矢量圖中信號(hào)矢量端點(diǎn)的分布直觀觀察到。多進(jìn)制振幅調(diào)制時(shí)，矢量端點(diǎn)在一條軸上分布；多進(jìn)制相位調(diào)制時(shí)，矢量點(diǎn)在一個(gè)圓上分布。隨著進(jìn)制數(shù)M的增大，這些矢量端點(diǎn)之間的最小距離也隨之減少。但如果充分利用整個(gè)平面，將矢量端點(diǎn)重新合理地分布，則可能在不減小最小距離的情況下，增加信號(hào)的端點(diǎn)數(shù)?；谏鲜龈拍钜龑绲恼穹c相位結(jié)合的調(diào)制方式被稱為數(shù)字復(fù)合調(diào)制方式，一般的復(fù)合調(diào)制稱為幅相鍵控（ APK），2個(gè)正交載波幅相鍵控稱為正交振幅調(diào)制（QAM）MQAM信號(hào)可以表示為：—irjjcoslu」—I1工珈悴調(diào)制原理在理想狀態(tài)下，M-QAM的M個(gè)載波狀態(tài)可以調(diào)制log2M個(gè)比特，女口16QAM的載波狀態(tài)最多可調(diào)制一個(gè)4b的信號(hào)（Iog2l6=4），也就是說MQAM的頻譜利用率為logzMb/s/Hz。目前星座圖里的樣點(diǎn)數(shù)，例如16QAM，確定QAM的類型,16個(gè)樣點(diǎn)表示這是16QAM信號(hào)，星座圖里每個(gè)樣點(diǎn)表示一種狀態(tài)。 16QAM有16態(tài)，每log2M=4位規(guī)定16態(tài)中的1態(tài)。16QAM中規(guī)定了16種載波幅度和相位的組合， 16QAM的每個(gè)符號(hào)或周期傳送4b。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到載波信號(hào)的幅度和相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。16QAM也是二維調(diào)制技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)時(shí)也采用正交調(diào)幅的方式，某星座點(diǎn)在 I坐標(biāo)上的投影去調(diào)制同相載波的幅度，在Q坐標(biāo)上的投影去調(diào)制正交載波的幅度，然后將 2個(gè)調(diào)幅信號(hào)相加就是所需的調(diào)相信號(hào)?？梢娦亲c(diǎn)數(shù)越大，在一個(gè)周期內(nèi)可傳送的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)就越多，頻譜利用率就越 高。16QAM,32QAM,64QAM,128QAM的頻譜利用率理論值分別為4,5,6,7（單位：b/s/Hz）。此處的頻譜利用率理論值是指當(dāng)傳輸信號(hào)的頻譜為理想低通頻譜時(shí)所實(shí)現(xiàn)的頻譜效率，但在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)不到這一理論效率，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中傳輸信號(hào)通常采用升余弦滾降波形，他所實(shí)現(xiàn)的頻譜效率要比理論效率下降一個(gè)滾降系數(shù)a倍。16QAM,32QAM,64QAM,128QAM 的星座圖如圖16QAM,32QAM,64QAM,128QAM 的星座圖如圖1 iL f□——.—iI4QAM9i=~ST"S—? ■piiitJ:iiliJi盂由圖1可知，當(dāng)M=16或64時(shí)星座圖為矩形，而M=32或128時(shí)則為十字形。前者M(jìn)為2的偶次方，即每個(gè)符號(hào)攜帶偶數(shù)個(gè)比特信息；后者M(jìn)為2的奇次方，每個(gè)符號(hào)攜帶奇數(shù)個(gè)比特信息。每個(gè)符號(hào)可分解為x,y兩個(gè)分量，常標(biāo)為同相分量和正交分量，即 I,Q分量。具有矩形星座圖信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)具有矩形星座圖的信號(hào)調(diào)制

輸入數(shù)據(jù)序列經(jīng)串并變換分成l,Q兩路，再經(jīng)2L電平變換及星座圖映射，形成Xk,ykoM為了抑制已調(diào)信號(hào)K K的帶外輻射，xk,yk要通過預(yù)調(diào)制低通濾波器，再分別與相互正交的 2路載波相乘，形成2路ASK調(diào)制信號(hào)，最后將2路信號(hào)相加就可得到不同幅度和相位的已調(diào) QAM輸出信號(hào)。下面詳細(xì)解釋這部份的實(shí)現(xiàn)，MQA信號(hào)共有M個(gè)信號(hào)點(diǎn)，代表一個(gè)M進(jìn)制信號(hào)集。每個(gè)符號(hào)用n=log2M個(gè)比特表示。使用矩形星座圖時(shí)，2路正交信號(hào)的電平代碼可分別用 n/2b表示若M=16或64,n=log?M=4或6,則I,Q兩路的電平代碼分別用2或3b表示，L=2.2或2.3即4或8,經(jīng)2L電平轉(zhuǎn)換后l,Q兩路輸出的值分別由0,1,2,3或0,1,2,3,4,5,6,7組成。星座圖映射完成的是將由 0,1,2,3或0,1,2,3,4,5,6,7組成的數(shù)字序列分別轉(zhuǎn)換成由-3,-1,1,3或-7,-5,-3,-1,1,3,5,7組成的數(shù)字序列。由此可見，I路取值電平數(shù)為ZW.，即x=±,±，…，±_1oQ路的取值方法與x完全相同。具有矩形星座圖的信號(hào)解調(diào)將輸入信號(hào)分成2路分別與本地恢復(fù)的2個(gè)正交載波相乘，經(jīng)過低通濾波器濾掉倍頻分量得到x(t),y(t)。再根據(jù)本地恢復(fù)時(shí)鐘進(jìn)行多電平判決， 16QAM以i2,±).5為判決電平，判決后得到一組由±±組成的數(shù)據(jù);64QAM以±3,±4,支,±).5為判決電平，判決后得到一組由 ±1,±,±5,±組成的數(shù)據(jù)。16QAM1座圖反映射完成的是將±1,±3映射成為0,1,2,3;64QAM1座圖反映射完成的是將±1,±3,±5廿映射成為0,1,2,3,4,5,6,7;其對(duì)應(yīng)關(guān)系分別與星座圖映射時(shí)相同。再經(jīng)過 L-2電平轉(zhuǎn)換和串并變換就可以得到輸出數(shù)據(jù)序列。其原理如圖 2所示。田tHiQAMU.J巴號(hào)食可彳田tHiQAMU.J巴號(hào)食可彳中BI療〒；卜(慎韻Ait