移动通信数字调制技术.doc

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移动通信中的数字调制技术

调制技术

IS-95CDMA系统中的QPSK调制技术

摘要：

在移动通信中，为了实现数据高速、有效便捷的传输，常采用一种技术——调制。

蜂窝移动通信中采用了众多的数字调制技术，在不同的蜂窝半径和应用环境下，移动信道将呈现不同的衰落特性。

作为IS-95CDMA系统使用的QPSK调制技术，它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。

关键词：

调制；蜂窝移动通信系统；线性调制；QPSK调制

1引言

1.1调制的概念

将待传送的基带信号加到高频载波上进行传输的过程。

其简单模型可以表示为：

图1：

调制模型

1.2调制的作用

①提高传输性能。

低频信号如话音，直接传输时损耗比较大，不适宜长距离传输，通过调制能有效的解决传输问题。

②容易辐射。

对于一些无线通信往往要求天线的尺寸和发射信号的波长在同一数量级，天线的长度为1/4波长，如果将基带信号直接通过天线发射，那么天线的长度将是几十至几百公里的数量级，这是不现实的。

③实现多路复用。

调制技术反映到频域上就是频带的搬移，通过调制将基带信号搬移到合适的位置，那么在一个较宽的信道中就可以同时传输多路信号，习惯上称为FDM。

④提高系统的性能。

例如抗干扰能力，不同的调制方式具有不同的抗噪声能力，FM对信噪比的改善就比较大。

1.3调制的分类

调制是基带信号加到载波上的过程，而基带信号m（t）可以是模拟信号也可以是数字信号，而载波c（t）可以是连续波（通常称为正弦波），也可以是脉冲波形。

当c（t）为正弦波时，m（t）可以改变其幅度、频率或相位中的某一个或两个参数。

这样组合起来就会形成多种调制方式。

现归纳如下：

图2：

调制类型

2蜂窝移动通信系统中的调制技术

图3：

蜂窝移动通信中的调制技术

2.1移动通信对数字调制技术的要求

2.1.1数字调制的性能指标

数字调制的性能指标通常通过功率有效性（PowerEfficiency）和带宽有效性（SpectralEfficiency）来反映。

⑴功率有效性功率有效性是反映调制技术在低功率电平情况下保证系统误码性能的能力,可表述成每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比：

（1）

⑵带宽有效性带宽有效性是反映调制技术在一定的频带内数字有效性的能力,可表述成在给定带宽条件下每赫兹的数据通过率：

（2）

在数字系统设计中，经常需要在带功率有效性和宽有效性之间折中。

2.1.2移动信道的基本特征

⑴带宽有限。

它取决于可使用的频率资源和信道的传播特性。

就频率资源而言，随着日益增加的用户数目，要求系统有比较高的频谱效率；

⑵受干扰和噪声影响大。

这主要由移动通信所处的电磁环境决定；

⑶存在着多径衰落，多普勒频率扩展。

所有这些因素对调制方式的选择都有重大的影响。

2.1.3不同信道条件下调制技术的选择

在不同的蜂窝半径和应用环境下，移动信道将呈现不同的衰落特性。

⑴对于半径较大的宏蜂窝小区，由于信道条件差，GMSK、QPSK系列等是较适合的调制解调方式。

⑵对于半径较小的微蜂窝小区或微微小区，由于存在很强的直射波，信道条件较好，频谱利用率较高的QAM及其变形就成为合适的调制解调方式，越来越引起人们的重视。

⑶对于复杂多变的移动信道，具有更强适应能力的可变速率调制和多载波调制，在个人通信中已引起人们的研究兴趣。

2.1.4可变速率调制

根据移动信道随机变化的情况自适应地改变无线传输速率：

信道条件好时，用较高速率，信道条件差时，降低传输速率。

这种调制方法可以在频谱效率和系统误码性能两个方面都达到令人满意的程度。

可变速率QAM调制，它保持数据传输的码元速率不变，即波特率不变，但根据信道条件的好坏，增加或减少每码元的电平数目。

这等效于改变比特传输速率。

2.1.5多载波调制（MCM）

多载波调制的原理是将所要传输的数据流分解成若干个比特流，每个子数据流具有低得多得传输比特速率，并且用这些数据流去并行调制若干个载波。

多载波调制的主要优点是具有抗无线信道时间弥散的特性。

多载波调制可通过多种技术途径来实现。

包括：

多音实现、正交频分复用（OFDM）、MC-CDMA、编码MCM。

2.1.6蜂窝移动通信系统对数字调制技术的要求

⑴为了在衰落条件下获得所要求的误码率（BER），需要好的载噪比（C/N）和载干比（C/I）性能。

⑵所用的调制技术必须在规定频带约束内提供高的传输速率（以（b/s）/Hz为单位）。

⑶应使用高效率的功率放大器，而带外辐射又必须降低到所需要求（－60～－70dB）。

⑷恒定包络。

⑸低的载波与同道干扰（CCI）的功率比。

⑹必须满足快速的比特再同步要求。

⑺成本低，易于实现。

2.2目前数字移动通信系统的调制技术

2.2.1恒定包络调制方式

恒定包络调制方式主要有MSK、TFM（平滑调频）、GMSK等，其中以GMSK为典型代表。

其主要特点是这种已调信号具有包络幅度不变的特性，其发射功率放大器可以在非线性状态而不引起严重的频谱扩散；此外，这一类调制方式可用于非同步检测。

这种调制方式的缺点是频带利用率较低，一般不超过1（bit/s）/Hz。

2.2.2线性调制方式

线性调制方式主要有各种进制的PSK和QAM等，其中以QPSK为典型代表。

这一类调制方式的频带利用率般都大于1（bit/s）/Hz，而且随着调制电平数的增加而增加。

线性调制方式又可分为频谱高效和功率高效两种，理论上可以得到大于2（bit/s）/Hz频带利用率的调制方式为频谱高效，如8PSK、16QAM、256QAM等。

频谱高效调制方式是通过增加电平数来获得较高的频带利用率的，因此为得到同样的误码率，就需要较高的信噪比。

在移动通信系统中，由于存在着严重的衰落现象和采用非线性同步检测，故所需要的信噪比较高。

况且系统所能提供的能量又受到限制，所以频谱高效调制方式目前还不能用于移动通信系统中。

功率高效调制为欲获得10－3误码率仅需14dB信噪比的调制方式，如BPSK和QPSK等。

功率高效调制方式可达到的最高频带利用率为2（bit/s）/Hz。

国际上，1986年以前由于线性高功放尚未取得突破性的进展，数字调制都集中在研究连续相位调制，特别是MSK和GMSK很受欢迎。

1986年以后，由于实用化的线性高功放已取得了实质性的进展，并走向商业化，人们才开始将目光转向实现技术简单的QPSK系列。

3IS-95CDMA系统分别使用的调制技术

3.1QPSK调制技术

3.1.1QPSK

QPSK为四相相移键控（正交相移键控），而相移键控指用二进制基带信号去控制正弦载波的相位变化。

一个比特有两种状态：

“0”和“1”，所以最简单的相移键控技术就是BPSK，而QPSK是由2个比特组成一个双比特码去控制载波的相位状态，这样共有4种相位状态。

在QPSK的基础上又出现了OQPSK和DQPSK，OQPSK是在正交支路引入了一个比特（半个码元）的时延，这使得两个支路的数据不会同时发生变化，因而不可能产生像QPSK那样±π的相位跳变，而仅产生±π/2的相位跳变，因此，频谱旁瓣要低于QPSK信号的旁瓣。

DQPSK的相位跳变介于QPSK和OQPSK之间，为3π/2，是前两种调制方法的折中，一方面它保持了信号包络基本不变特性，降低了对射频器件的工艺要求；另一方面，它可以采用非相关检测，从而大大简化了接收机的结构。

BPSK——QPSK——OQPSK——DQPSK。

四相相移键控调制是二相的推广，是利用载波的四种不同相位来表征输入的数字信息，由于四种相位可代表四种数字信息，因此对输入的二进制序列应先进行分组，将每两个信息数字编为一组，然后根据其组合情况用四种不同载波相位去表征它们，即每一种载波相位代表两个比特信息，因此称为双比特码元。

双比特码元与载波相位可有两种对应关系，分别是方式π/4和π/2。

双比特码元与载波相位的对应关系：

图4：

双比特码元与载波相位对应关系

QPSK信号可写成（π/2方式）：

（3）

Ts是符号间隙,等于两个比特周期,上式可进一步写成：

（4）

四相相移（QPSK）生成

QPSK频带利用率比BPSK系统提高了一倍。

而载波相位共有四个可能的取值，对应于四个已调信号的矢量图。

QPSK信号也可看成是载波相互正交的两个BPSK信号之和。

图5：

四相相移生成

调相法产生QPSK信号

图6：

调相法产生QPSK信号

由于四相移相信号可以看作是两个正交2PSK信号的合成，因此可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调,采用两个正交的相干载波分别检测两个分量A和B。

图7：

解调

3.1.2OQPSK（交错四相相移键控调制）

QPSK由于两个信道上的数据沿对齐，所以在码元转换点上,当两个信道上只有一路数据改变极性时，QPSK信号的相位，将发生90突变；当两个信道上数据同时改变极性时，QPSK信号的相位将发生180突变。

图8：

相移键控调制

OQPSK信号产生时，是将输入数据经数据分路器分成奇偶两路。

并使其在时间上相互错开一个码元间隔，然后再对两个正交的载波进行BPSK调制，叠加成为OQPSK信号，调制框图如左图所示。

图9：

调制框图

（5）

当anan-1=+1+1时

（6）

an=“+1”或“-1”,令n=2k+1,

（7）

I信道和Q信道的两个数据流，每次只有其中一个可能发生极性转换。

输出的OQPSK信号的相位只有跳变,而没有的相位跳变,同时经滤波及硬限幅后的功率谱旁瓣较小，这是OQPSK信号在实际信道中的频谱特性优于QPSK信号的主要原因。

图10：

信道数据流

QPSK和OQPSK信号的星象图

图11：

星象图

OQPSK（交错OFFSETQPSK）特点

I，Q支路在时间上错开一个比特周期Tb时间,这样,就避免了两支路码元转换同时发生,不会产生180度相位突变。

OQPSK最大相位突变为90度，所以频谱扩展比QPSK好，误码率相同，但是OQPSK不能使用差分检测。

QPSK和OQPSK的比较，仅产生±π/2的相位跳变，因此OQPSK的频谱旁瓣要低于QPSK信号的旁瓣，OQPSK信号对邻道的辐射要小,抗干扰能力强，但传输速率低。

由于OQPSK在Q支路上加入了一个比特的时延，使得两个支路的数据不会同时发生变化，因而OQPSK不可能像QPSK那样产生± p的相位跳变

应用时应注意：

四相移相信号解调时，相干载波的相位会出现不确定性，从而导致解调输出的信号也存在不确定性,因此在实际通信中使用的一般都是四相相对移相调制（QDPSK）。

在移动通信中，由于接收信号的衰落和时变特性，相干解调性能变差，而差分检测不需要载波恢复，能实现快速同步，获得好的误码性能，因此差分解调在窄带TDMA和数字蜂窝系统中用得多。

结论

通过本次移动通信课程设计，让我在除了课本的知识之外的知识有了更好的理解，对QPSK调制解调的工作原理有了更好的理解，在设计之前，收集了很多的材料，但当真正深入设计时，却也遇到了诸多的问题，让我体会到了设计的要求在于系统性，可行性，准确性，诸多问题的出现给我们的设计带来了难度，也同时是更大的一次挑战。

最后，在查阅了大量的资料咨询了许多同学后，终于得出了正确的结果，顺利完成了本次课程设计。

这次课程设计让我明白，有时候，光有基础知识是不够的，实践是检验真理的唯一标准，我们在把知识付出实践的过程中，常常会遇到或多或少的困难。

只要我们想办法，用心去思考，用行动去创造，困难都会迎刃而解。

只有做到理论知识和实践相结合，才能真正做一个服务社会的人。

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