移动通信原理第6次课-第6章BPSK数字调制要点

第第6章章 数字调制技术数字调制技术6.1 关于数字调制的概念关于数字调制的概念 下图表明了一个两电位数字信号序列经过短短几十米下图表明了一个两电位数字信号序列经过短短几十米双绞线传输后的衰减情况。双绞线传输后的衰减情况。由于一般信道都是通频带有限的带通信道，由于一般信道都是通频带有限的带通信道，脉冲信号中的高频成分将受到严重衰减，脉冲信号中的高频成分将受到严重衰减，信号前沿由陡峭变得平缓，幅度也受到衰信号前沿由陡峭变得平缓，幅度也受到衰减，数字信号将严重变形减，数字信号将严重变形。这些不良变化。这些不良变化将导致接收机在对数字信号识别时出错。将导致接收机在对数字信号识别时出错。上述在短距离上直接传输数字信号的方法上述在短距离上直接传输数字信号的方法叫做基带传输。叫做基带传输。如果需要在长距离的有线信道和无线信道如果需要在长距离的有线信道和无线信道上传输数字信号必须采用频带传输技术，上传输数字信号必须采用频带传输技术，即由高频载波信号来载荷数字信号，这就即由高频载波信号来载荷数字信号，这就是数字调制。是数字调制。6.1.1 数字调制相关概念数字调制相关概念数字调制是将数字基带信号与正弦数字调制是将数字基带信号与正弦(或余弦或余弦)载波信号相乘载波信号相乘调制成为中心频率很高的频带信号。其基本原理是用数字调制成为中心频率很高的频带信号。其基本原理是用数字基带信号基带信号0和和1去控制载波的一个参量。若控制载波的幅度，去控制载波的一个参量。若控制载波的幅度，称为振幅键控称为振幅键控ASK；若控制载波的频率，称为频移键控；若控制载波的频率，称为频移键控FSK；若控制载波的相位，称为相移键控；若控制载波的相位，称为相移键控PSK，若同时控，若同时控制载波的幅度和相位两个参量，称为幅度相位调制，又称制载波的幅度和相位两个参量，称为幅度相位调制，又称为正交幅度调制为正交幅度调制QAM。由一位二进制由一位二进制0和和1对载波进行的数字调制，有时候叫做二对载波进行的数字调制，有时候叫做二进制调制；由多位进制调制；由多位0和和1组成的二进制序列对载波进行的数组成的二进制序列对载波进行的数字调制，也可叫做多进制调制，例如：字调制，也可叫做多进制调制，例如：MASK、MFSK、MPSK和和MQAM调制。调制。在实际的相移键控方式中，为了克服在接收端产生的相位在实际的相移键控方式中，为了克服在接收端产生的相位模糊度，往往将绝对相移改为相对相移模糊度，往往将绝对相移改为相对相移DPSK以及以及DQPSK。另外在实际相移键控调制方式中，为了降低已调信号的峰平比，又引入了偏移QPSK(OQPSK)、/4-DQPSK、正交复四相移键控CQPSK，以及混合相移键控HPSK等等。在二进制调制之中，为了彻底消除由于相位跃变带来的峰平比增加和频带扩展，又引入了有记忆的非线性连续相位调制CPM，最小频移键控MSK，GMSK(高斯型MSK)以及平滑调频TFM等。上述各类调制中仅有后一类，即CPM，MSK，GMSK和TFM属于有记忆的非线性调制，其余各类调制均属于无记忆的线性调制。上述调制中最基本的调制为上述调制中最基本的调制为2ASK、2FSK、BPSK，后面将重点分析它们。后面将重点分析它们。6.1.2 数字调制的作用数字调制的作用1.频谱搬移频谱搬移数字调制的基本作用就是用数字信号调制适合在无线数字调制的基本作用就是用数字信号调制适合在无线信道上传输的射频载波，使其频谱向高端搬移。信道上传输的射频载波，使其频谱向高端搬移。例如，首先用基带数字信号调制一个例如，首先用基带数字信号调制一个70MHz中频载波中频载波,然后再将调制后的中频信号频谱搬移至相应的发射频然后再将调制后的中频信号频谱搬移至相应的发射频段。段。2）抗干扰）抗干扰 调制信号频谱的主瓣窄，具有快速滚降特性，调制信号频谱的主瓣窄，具有快速滚降特性，既不易受到其他信号的干扰，对其他信号的干既不易受到其他信号的干扰，对其他信号的干扰也小。扰也小。3）提高有效性）提高有效性 当采用多进制调制时，单位频带内的数据传输当采用多进制调制时，单位频带内的数据传输速率（速率（bps/Hz）提高，提高了频带利用率，也）提高，提高了频带利用率，也就是提高了通信系统的有效性。就是提高了通信系统的有效性。对于具体的数字调制技术来说，除了应当具有对于具体的数字调制技术来说，除了应当具有上述的三种基本作用而外，还应当在工程上容上述的三种基本作用而外，还应当在工程上容易实现，峰平比性能优良。易实现，峰平比性能优良。6.1.2 数字调制基本原理数字调制基本原理 通常余弦波信号表示为：通常余弦波信号表示为：s(t)=a(t)cosw(t)+j j(t)其中，其中，t是时间；是时间；a(t)是幅度；是幅度；w(t)是角是角频率；频率；j j(t)是相位。是相位。数字调制就是用基带数字信号数字调制就是用基带数字信号0和和1去控去控制余弦信号的幅度、角频率和制余弦信号的幅度、角频率和/或相位的或相位的变化。随着余弦波在无线信道里传输，变化。随着余弦波在无线信道里传输，基带数字信号也传输了出去。因此，这基带数字信号也传输了出去。因此，这种余弦波被称为种余弦波被称为载波载波；它被；它被基带数字信基带数字信号号调制后成为调制后成为调制信号调制信号。分别调制载波幅度、频率和相位的分别调制载波幅度、频率和相位的2ASK(振幅振幅键控键控)、2FSK(频移键控频移键控)和和2PSK(相移键控相移键控)调调制波形如下：制波形如下：6.1.3 数字调制的分类数字调制的分类 数字调制的分类如下表：数字调制的分类如下表：ASK（幅度（幅度键控键控）QAM（正交幅度键控正交幅度键控）MQAM（星座调制星座调制）不恒定不恒定 包络包络BFSK(二进制频移键控二进制频移键控)MFSK(多进制频移键控多进制频移键控)FSK(频移键控频移键控)MSK(MSK(最小频移键控最小频移键控)GMSK(GMSK(高斯滤波高斯滤波MSK)MSK)TFM(TFM(平滑调频平滑调频)CPM(连续相位调制连续相位调制)恒定恒定包络包络OQPSK(偏偏移移QPSK)p/4p/4QPSKDQPSK(差差分分QPSK)BPSK(BPSK(二相相移键控二相相移键控)DPSK(DPSK(差分二相相移键控差分二相相移键控)QPSK(QPSK(正交正交(四相四相)相移键控相移键控)MPSK(MPSK(多进制相移键控多进制相移键控)PSK(相移键控相移键控)数字调制数字调制1、振幅键控、振幅键控ASK 2ASK向多进制发展，产生了正交振幅调制（向多进制发展，产生了正交振幅调制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）、多进制）、多进制正交振幅调制（正交振幅调制（MQAM，Mutiple QAM）。）。由于多径传播衰落对载波幅度的影响，在由于多径传播衰落对载波幅度的影响，在1G和和2G移动移动通信系统中均未采用。在通信系统中均未采用。在3G移动通信系统中采用了移动通信系统中采用了MQAM，例如，例如16QAM和和64QAM。2、频移键控、频移键控FSK 1G移动通信系统的业务和信令都采用移动通信系统的业务和信令都采用2FSK调制方式，调制方式，由于相邻码元相位不连续，频率跳变引起较大的旁瓣功由于相邻码元相位不连续，频率跳变引起较大的旁瓣功率，频谱效率低，只能应用于低速传输系统。率，频谱效率低，只能应用于低速传输系统。在在2FSK发展的基础上，产生了多进制频移键控发展的基础上，产生了多进制频移键控（MFSK）。例如，高斯最小频移键控（）。例如，高斯最小频移键控（GMSK，Gauss Minimum Shift Keying）有效地克服了）有效地克服了2FSK的缺点，应用在的缺点，应用在GSM和和GPRS移动通信系统中。移动通信系统中。3、相移键控、相移键控PSK 开始是开始是2PSK，在此基础上发展产生了，在此基础上发展产生了DPSK、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)、OQPSK(Offset QPSK)、/4-QPSK。这些数字调制方式广泛。这些数字调制方式广泛应用在应用在3G移动通信系统中。移动通信系统中。4、有记忆非线性连续相位调制、有记忆非线性连续相位调制 在二进制调制中，为了彻底消除相位跃变带来的峰平在二进制调制中，为了彻底消除相位跃变带来的峰平比增加和频带扩展，引入了有记忆的非线性连续相位比增加和频带扩展，引入了有记忆的非线性连续相位调制调制(Continuous Phase Modulation,CPM)、最小、最小频移键控频移键控(Minimum Shift Keying，MSK)、GMSK(高斯滤波高斯滤波MSK)、及平滑调频、及平滑调频(Timed Frequency Modulation)。GMSK应用于应用于GSM数字数字移动通信系统中。移动通信系统中。6.1.4 基本数字调制方法性能分析基本数字调制方法性能分析 数字调制信号在数字调制信号在AWGN信道上传输的过程中会受到信道上传输的过程中会受到干扰、噪声和波形畸变的影响，而产生误码。如果干扰、噪声和波形畸变的影响，而产生误码。如果接收端采用理想的相干解调并消除码间干扰，那么，接收端采用理想的相干解调并消除码间干扰，那么，平均误比特率平均误比特率Pe与归一化信噪比与归一化信噪比Eb/N0之间的关系为：之间的关系为：其中，其中，Eb是每秒比特的功率；是每秒比特的功率；N0是单边噪声功率谱是单边噪声功率谱密度；密度；Q(x x)函数为：函数为：000000221:2221:22421:2NEQNEerfcPPSKNEQNEerfcPFSKNEQNEerfcPASKbbebbebbedxxxQx)2/exp(21)(2p 三种调制方式的误比特率如图所示。对三种三种调制方式的误比特率如图所示。对三种调制方式进行比较可以得出结论，调制方式进行比较可以得出结论，2PSK抗干抗干扰能力最佳，在移动通信中，均以其为基础。扰能力最佳，在移动通信中，均以其为基础。6.1.5 移动通信系统采用的数字调制技术移动通信系统采用的数字调制技术 从上表可以看出，在移动通信系统中采用的数字调制从上表可以看出，在移动通信系统中采用的数字调制技术基本上是以技术基本上是以PSK为基础。这也是我们学习的主要为基础。这也是我们学习的主要内容。内容。6.1.6 相移键控的基本原理相移键控的基本原理 载波信号的函数式为载波信号的函数式为：Sk(t)=cos(w wc+k)这里，这里，振幅取归一化值振幅取归一化值1；w wc是载波频率，为常数；是载波频率，为常数；k是受是受数字信号控制的相位，它有有限的数字信号控制的相位，它有有限的M个不同取值，每个相位携个不同取值，每个相位携带的信息量带的信息量I=log 2 M (bit)。例如，当例如，当M=2，k的每一相位携带的每一相位携带1bit信息：信息：0或或1；当；当M=4，k的每一相位携带的每一相位携带2bit信息：信息：00、01、10或或11；当；当M=8，k的每一相位携带的每一相位携带3bit信息：信息：000、001、010、011、100、101、110或或111。在发送端，数字调制器输出的载波信号相位将随输入不同的在发送端，数字调制器输出的载波信号相位将随输入不同的数字信号而改变。对于一个数字信号，数字信号而改变。对于一个数字信号，Sk(t)的相位的相位k将取一将取一个特定的值与之对应。个特定的值与之对应。1、二相相移键控、二相相移键控 当数字信号为当数字信号为0和和1时，时，M=2就可以了，采用二就可以了，采用二相相移键控。二相相移键控有两种形式，一种相相移键控。二相相移键控有两种形式，一种是绝对二相相移键控是绝对二相相移键控(Binary PSK，BPSK)，另一种是差分二相相移键控（另一种是差分二相相移键控（Differential BPSK，DBPSK）1）绝对二相相移键控（）绝对二相相移键控（BPSK）绝对二相相移键控也称为二相相移键控，其调绝对二相相移键控也称为二相相移键控，其调制信号是，制信号是，Sk(t)=cos(w wc+k)。调制器原理如。调制器原理如图所示。图所示。归一化双极性数字信号序列归一化双极性数字信号序列Xk是由基带数字信是由基带数字信号号0和和1转换而来，转换而来，基带数字信号基带数字信号0和和1分别转分别转换成归一化双极性数字信号换成归一化双极性数字信号1和和-1。将。将Xk与载与载波信号波信号cos w wc同时输入乘法器，同时输入乘法器，得到得到BPSK调调制波形制波形Sk(t)：Sk(t)=Xk cos w wc=1cos w wc。当基带数字信号为当基带数字信号为0时时,Xk=+1，Sk(t)=+1cos w wc=cos(w wc+0 0)。当基带数字信号为当基带数字信号为1时时,Xk=-1，Sk(t)=-1cos w wc=cos(w wc+p p)。调制信号相位调制信号相位k在基带数字信号在基带数字信号0和和1的调制下的调制下取两个不同的值取两个不同的值和和0。BPSK调制信号波形如图所示。调制信号波形如图所示。BPSK是绝对调相，解调器的本地载波是绝对调相，解调器的本地载波cos w wc 必须与发端载波同步，这就是相干必须与发端载波同步，这就是相干解调。解调器原理如图所示。解调。解调器原理如图所示。接收的调相信号接收的调相信号Sk(t)=cos w wc 与本地与本地的载波信号的载波信号cos w wc在乘法器里相乘后得在乘法器里相乘后得到到Sk(t)，按照倍角原理得：，按照倍角原理得：Sk(t)=cos2 w wc =(1/2)1+cos(2w wc)由于由于S(t)有有和和0两个相位，本地余弦信号两个相位，本地余弦信号只有一个相位，所以相乘后将交替出现只有一个相位，所以相乘后将交替出现常数项常数项1/2。用带通滤波器滤除。用带通滤波器滤除2w wc 后，后，剩下的剩下的1/2常数项分别表示数字信号常数项分别表示数字信号1和和0。BPSK信号的功率谱密度如下图所示。信号的功率谱密度如下图所示。设数字信号的设数字信号的bit周期是周期是Tb,数字信号速数字信号速率为率为1/Tb（bps）。）。如图如图,BPSK信号的带宽为信号的带宽为:2fb=2/Tb (Hz)。频带利用率为：频带利用率为：(1/Tb)/2fb=0.5(bps/Hz)。2）差分二相移相键控差分二相移相键控 DBPSK可以有效避免可以有效避免BPSK的相位模糊，克服的相位模糊，克服接收数据反相问题。接收数据反相问题。DBPSK调制原理调制原理 先将基带数字信号转换成差分码，方法是出现先将基带数字信号转换成差分码，方法是出现基带数字信号基带数字信号1，差分码脉冲前沿跳变；出现，差分码脉冲前沿跳变；出现基带数字信号基带数字信号0，差分码脉冲前沿不跳变。然，差分码脉冲前沿不跳变。然后利用差分码对载波进行后利用差分码对载波进行BPSK调制。原理图调制。原理图和波形图如下：和波形图如下：DBPSK解调原理解调原理 DBPSK解调不需要用与发端同步的载波，这解调不需要用与发端同步的载波，这种解调方法称为非相干解调。前一个码元周期种解调方法称为非相干解调。前一个码元周期内的载波经过延时一个码元周期后与当前接收内的载波经过延时一个码元周期后与当前接收的码元周期内的载波进行模二加的码元周期内的载波进行模二加(逻辑乘逻辑乘)。如。如果它们的相位相反，结果为逻辑果它们的相位相反，结果为逻辑1；如果它们；如果它们的相位相同，结果为逻辑的相位相同，结果为逻辑0。DBPSK信号的带宽与信号的带宽与BPSK的相同为，的相同为，2fb=2/Tb (Hz)。第第6次课书面作业次课书面作业1.画出数字信号序列画出数字信号序列01001101的的BPSK和和DBPSK 信号波形。信号波形。2.DBPSK相对相对BPSK有什么优点？有什么优点？