蜂窝移动通信系统调制解调技术的研究.docx
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蜂窝移动通信系统调制解调技术的研究
目录
前言1
1．概述1
1.1蜂窝移动通信系统的发展史1
1.2移动通信调制的进展4
2．GMSK系统的调制解调原理9
2．1 GMSK基本原理及调制9
2．2GMSK的解调11
3．GMSK系统的仿真12
4．GMSK系统的改进14
结论14
附录16
致谢21
摘要
本课题主要讨论了数字蜂窝移动通信中的调制解调问题。
介绍了几种常见的调制解调技术，并通过MATLAB进行调制解调仿真研究，重点介绍了GMSK的调制解调的MATLAB仿真，通过仿真研究，系统地介绍了GMSK的调制原理、解调原理，分析了已调信号的特点以及功率谱特性，并且分析了传输系统的非线性对已调信号的影响，从而在一定基础上了解到了数字移动通信的调制解调的问题。
关键词：
GMSK；调制；解调；MATLAB仿真
Abstract
Thisissuefocusesonthedigitalcellularmobilecommunicationmodemproblem.ItdescribesseveralcommonmodulationanddemodulationtechniquesformodulationanddemodulationthroughMATLABsimulationstudyfocusesonGMSKmodulationanddemodulationoftheMATLABsimulation,thesimulationstudyandintroducestheprincipleofGMSKmodulation,demodulation,analysisthecharacteristicsofthemodulatedsignalpowerspectrumcharacteristicsofthetransmissionsystemandthenonlineareffectsthathavebeenadjustedsignaltoacertainunderstandingonthebasisofadigitalmobilecommunicationsmodemproblems.
Keywords：
GMSK;modulation;demodulation；MATLABsimulation
蜂窝移动通信系统调制解调技术的研究
前言
高斯滤波最小频移键控（GaussianFilteredMinimumShiftKeying简称GMSK）调制技术是从MSK（MinimumShiftKeying）调制的基础上发展起来的一种数字调制方式，其特点是在数据流送交频率调制器前先通过一个Gauss滤波器（预调制滤波器）进行预调制滤波，以减小两个不同频率的载波切换时的跳变能量，使得相同的数据传输速率时频道间距可以变得更紧密。
由于数字信号在调制前进行了Gauss预调制滤波，调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤，因此GSMK调制的信号频谱紧凑、误码特性好，在数字移动通信中得到了广泛使用，如现在广泛使用的GSM（GlobalSystemforMobilecommunication）移动通信体制就是使用GMSK调制方式。
随着现代通信技术的发展，移动通信技术得到快速的发展，GMSK技术起到了关键性的作用。
GMSK信号由于具有恒包络和带外辐射小的特点获得了广泛得应用。
本文主要研究GMSK的基本原理，以及利用计算机对调制部分的仿真分析，说明GMSK的性能。
说明它适合于移动无线电通信的特性。
对信号的仿真主要利用MATLAB软件。
1．概述
1.1蜂窝移动通信系统的发展史
（1）蜂窝移动通信概念的提出
移动通信的发展历史可以追溯到19世纪。
1864年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在；1876年赫兹用实验证实了电磁波的存在；1900年马可尼等人利用电磁波进行远距离无线电通信取得了成功，从此世界进入了无线电通信的新时代。
现代意义上的移动通信开始于20世纪20年代初期。
1928年，美国Purdue大学学生发明了工作于2MHz的超外差式无线电接收机，并很快在底特律的警察局投入使用，这是世界上第一种可以有效工作的移动通信系统；20世纪30年代初，第一部调幅制式的双向移动通信系统在美国新泽西的警察局投入使用；20世纪30年代末，第一部调频制式的移动通信系统诞生，试验表明调频制式的移动通信系统比调幅制式的移动通信系统更加有效。
在20世纪40年代，调频制式的移动通信系统逐渐占据主流地位，这个时期主要完成通信实验和电磁波传输的实验工作，在短波波段上实现了小容量专用移动通信系统。
这种移动通信系统的工作频率较低、话音质量差、自动化程度低，难以与公众网络互通。
在第二次世界大战期间，军事上的需求促使技术快速进步，同时导致移动通信的巨大发展。
战后，军事移动通信技术逐渐被应用于民用领域，到20世纪50年代，美国和欧洲部分国家相继成功研制了公用移动电话系统，在技术上实现了移动电话系统与公众电话网络的互通，并得到了广泛的使用。
遗憾的是这种公用移动电话系统仍然采用人工接入方式，系统容量小。
从20世纪60年代中期至70年代中期，美国推出了改进型移动电话系统，它使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择及自动接入公用电话网。
20世纪70年代中期，随着民用移动通信用户数量的增加，业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用频道数要求递增之间的矛盾日益尖锐。
为了更有效地利用有限的频谱资源，美国贝尔实验室提出了在移动通信发展史上具有里程碑意义的小区制、蜂窝组网的理论，它为移动通信系统在全球的广泛应用开辟了道路。
（2）第一代蜂窝移动通信系统
1978年，美国贝尔实验室开发了先进移动电话业务（AMPS）系统，这是第一种真正意义上的具有随时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通信系统。
AMPS采用频率复用技术，可以保证移动终端在整个服务覆盖区域内自动接入公用电话网，具有更大的容量和更好的语音质量，很好地解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源限制的矛盾。
20世纪70年代末，美国开始大规模部署AMPS系统。
AMPS以优异的网络性能和服务质量获得了广大用户的一致好评。
AMPS在美国的迅速发展促进了在全球范围内对蜂窝移动通信技术的研究。
到20世纪80年代中期，欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝移动通信网络，主要包括英国的ETACS系统、北欧的NMT-450系统、日本的NTT/JTACS/NTACS系统等。
这些系统都是模拟制式的频分双工（FrequencyDivisionDuplex，FDD）系统，亦被称为第一代蜂窝移动通信系统或1G系统。
（3）第二代蜂窝移动通信系统
900/1800MHzGSM第二代数字蜂窝移动通信（简称GSM移动通信）业务是指利用工作在900/1800MHz频段的GSM移动通信网络提供的话音和数据业务。
GSM移动通信系统的无线接口采用TDMA技术，核心网移动性管理协议采用MAP协议。
900/1800MHzGSM第二代数字蜂窝移动通信业务包括以下主要业务类型：
◆端到端的双向话音业务。
◆移动消息业务，利用GSM网络和消息平台提供的移动台发起、移动台接收的消息业务。
◆移动承载业务及其上移动数据业务。
◆移动补充业务，如主叫号码显示、呼叫前转业务等。
◆经过GSM网络与智能网共同提供的移动智能网业务，如预付费业务等。
◆国内漫游和国际漫游业务。
900/1800MHzGSM第二代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建GSM移动通信网络，所提供的移动通信业务类型可以是一部分或全部。
提供一次移动通信业务经过的网络可以是同一个运营者的网络，也可以由不同运营者的网络共同完成。
提供移动网国际通信业务，必须经过国家批准设立的国际通信出入口。
800MHzCDMA第二代数字蜂窝移动通信业务
800MHzCDMA第二代数字蜂窝移动通信（简称CDMA移动通信）业务是指利用工作在800MHz频段上的CDMA移动通信网络提供的话音和数据业务。
CDMA移动通信的无线接口采用窄带码分多址CDMA技术，核心网移动性管理协议采用IS-41协议。
800MHzCDMA第二代数字蜂窝移动通信业务包括以下主要业务类型：
◆端到端的双向话音业务。
◆移动消息业务，利用CDMA网络和消息平台提供的移动台发起、移动台接收的消息业务。
◆移动承载业务及其上移动数据业务。
◆移动补充业务，如主叫号码显示、呼叫前转业务等。
◆经过CDMA网络与智能网共同提供的移动智能网业务，如预付费业务等。
◆国内漫游和国际漫游业务。
800MHzCDMA第二代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建CDMA移动通信网络，所提供的移动通信业务类型可以是一部分或全部。
提供一次移动通信业务经过的网络，可以是同一个运营者的网络，也可以由不同运营者的网络共同完成。
提供移动网国际通信业务，必须经过国家批准设立的国际通信出入口。
（4）第三代蜂窝移动通信系统
第三代数字蜂窝移动通信（简称3G移动通信）业务是指利用第三代移动通信网络提供的话音、数据、视频图像等业务。
第三代数字蜂窝移动通信业务主要特征是可提供移动宽带多媒体业务，其中高速移动环境下支持144kb/s速率，步行和慢速移动环境下支持384kb/s速率，室内环境支持2Mb/s速率数据传输，并保证高可靠服务质量（QoS）。
第三代数字蜂窝移动通信业务包括第二代蜂窝移动通信可提供的所有的业务类型和移动多媒体业务。
第三代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建3G移动通信网络，所提供的移动通信业务类型可以是一部分或全部。
提供一次移动通信业务经过的网络，可以是同一个运营者网络设施，也可以由不同运营者的网络设施共同完成。
提供移动网国际通信业务，必须经过国家批准设立的国际通信出入口。
1.2移动通信调制的进展
调制就是把要传送的信息数据（或信息信号）进行处理，使其变为适合于无线传输的信号形态的过程。
一般来说，就是把信息基带信号变为适合传输的高频带通信号的处理过程。
调制是各种通信都必不可少的最基本内容，但不同的通信系统和通信环境有不同的调制和解调技术。
调制技术的性能常用它的功率效率和带宽效率来衡量。
1.2.1相位调制技术
（1）二进制相移键控（BPSK）调制
BPSK调制是最基本、最常见的相位调制方式。
BPSK信号可以用平衡调制器产生。
解调必须使用相干（或同步）解调方法同步恢复载波的相位和频率，从而获得好的接收性能。
（2）差分相移键控（DPSK）调制
DPSK是相移键控的非相干形式，它不需要在接收端有相干参考信号。
非相干接收机实现容易且价格低，因此，在无线通信系统中广泛使用。
虽然DPSK信号采用非相干解调有降低接收机复杂度的优点，但它的能量效率比相干接收低3dB。
（3）四相相移键控（QPSK）调制
采用QPSK调制技术，一次调制能传输2比特数据，因此，它的带宽效率比BPSK高1倍。
QPSK调制在无线通信中被广泛应用。
为了获得稳定的解调性能，改进的OQPSK调制和π/4QPSK调制被应用在移动通信系统中。
QPSK信号的幅度非常恒定，然而，当QPSK进行波形成型（滤波）时，它们将失去恒包络的性质。
偶尔发生的180°相移，会导致信号的包络在瞬间通过零点。
为了减轻这个问题的有害影响，一种称为偏移或参差QPSK（OQPSK）调制方式被提出，它能支持比较高效的放大器。
OQPSK调制信号的奇比特流和偶比特流在时间上错开1个比特，消除了相位跳变。
OQPSK信号即使在非线性放大后仍能保持其带限的性质，这就非常适合移动通信系统。
当接收机由于解调噪声造成相位抖动时，OQPSK信号的性能比QPSK要好。
在第2代移动通信系统IS－95中，上行链路就是采用的OQPSK调制方式。
π/4QPSK调制是一种正交相移键控调制技术，从最大相位跳变来看，它是OQPSK和QPSK的折衷，为±135°，因此，带限π/4QPSK信号比带限QPSK有更好的恒包络性质。
π/4QPSK最吸引人的特性是它能够非相干解调，这使得接收机的设计大大简化。
π/4QPSK信号差分检测（非相干解调）的BER性能比QPSK低3dB；而用相干解调时，其BER性能与QPSK相同。
这种方法已在日本的第2代移动通信系统中应用。
1.2.2频率调制技术
目前，许多实际的移动通信系统都使用频率调制方法，不管调制信号如何改变，载波的幅度是恒定的。
恒包络调制具有可以满足多种应用环境的优点：
（1）可以使用功率效率高的C类放大器，不会使信号占用的频谱增大；
（2）带外辐射低，可达－60dB到－70dB；（3）可用限幅器－鉴频器检测，从而简化接收机的设计，并能很好地克服随机噪声和有瑞利衰落引起的信号波动。
但恒包络调制占用的带宽比线性调制的大。
典型的频率调制技术有：
（1）二进制频移键控（BFSK）调制
在BFSK调制中，幅度恒定不变的载波信号频率随着两个信息状态改变（1或0）而切换。
常用的产生FSK信号的方法是使用信号波形对单一载波振荡器进行频率调制。
类似于产生模拟FM信号，只是调制信号为二进制波形，载波相位函数与调制信号的积分成比例，因而是连续的，但是非线形的。
由于FSK信号的复包络是调制信号的非线性函数，所以确定FSK信号的频谱相当困难。
BFSK信号可以采用相干或非相干的检测方法。
（2）最小频移键控（MSK）调制
MSK是一种特殊的连续相位的频移键控（CPFSK）调制技术，其最大频移为数据比特率的1/4，也就是说，MSK是调制系数为0.5的连续相位FSK调制。
因此，MSK是一种高效的调制方法，具有恒包络、频谱利用率高、误比特率低和自同步等特点，特别适合在移动通信系统中使用。
实际上，MSK信号可以看成是一类特殊形式的OQPSK，它用半正弦脉冲代替了OQPSK中的基带矩形脉冲。
MSK信号也可看成是一种特殊形式的连续相位FSK信号。
因而，MSK信号有多种表达形式。
（3）高斯最小频移键控（GMSK）调制
GMSK调制是由MSK演变而来的一种简单的二进制调制方法。
由于脉冲成型并不会引起平均相位曲线的偏离，GMSK信号可以作为MSK信号进行相干检测，或者作为一个简单的FSK信号进行非相干检测。
尽管预调制高斯滤波器在发射信号中会引起符号间的干扰。
但如果滤波器的3dB带宽与数据比特周期的乘积（BT）大于0.5，其BER性能的下降并不严重。
因此，GMSK调制是以牺牲BER性能而得到良好的功率效率和频谱效率，倍受第2代移动通信系统GSM青睐，并为第3代移动通信系统TD－CDMA的标准化建议采用。
GMSK的预调制高斯滤波器可以由BT完全确定。
因此，习惯上使用BT乘积来定义GMSK，BT越小，因符号间干扰造成的系统性能下降越多。
GMSK的误码率是BT的函数，在BT=0.5887时，由滤波器引起的符号间干扰造成的系统BER性能下降值最小，所需要的信噪比仅增加0.14dB。
1.2.3多进制调制技术
现代调制技术的进展，已经开始走出仅仅对相位或频率单一调制的方式，而通过同时改变发射载波的包络和相位（或频率）来传输基带数字信号。
由于包络和相位的改变提供了两个自由度，这样的调制技术可以将基带信息数据映射到4种或更多参数改变的射频载波信号上，因此，这种调制技术称之为多进制调制，它与单独的相位调制或频率调制相比，有更高的信息数据传送能力。
多进制调制技术特别适合于追求频带利用率的带宽受限的通信信道。
在多进制调制方式中，按载波被调制的是幅度、相位还是频率，分别称为多进制频率调制、多进制相位调制和多进制正交幅度调制。
同时改变载波的幅度和相位的调制方法是目前移动通信调制技术研究的热门课题。
（1）多进制频率（MFSK）调制
MFSK调制信号为：
其中，对于某些固定的ncfc=nc/2Ts。
M个传输信号具有相同的能量和时间长度，信号频率彼此间隔1/2TsHz，相互正交。
MFSK信号可以用相干或非相干的方法检测。
MFSK信号的带宽效率随着M的增加而降低。
如果它的M个信号都是正交的，互不干扰，功率效率随着M增加而增加。
另外一个优点是MFSK信号可用非线性放大器进行放大，不会引起性能降低。
目前，采用正交频分复用（OFDM）方式作为提供高功率效率和高传输速率的多址接入技术，可以说是正交MFSK调制技术的演进，启发人们将公式
（1）中的每一个频率都采用二进制数据调制，这样就构成多路并行载波，每个载波都携带了用户的信息，因此，它可在一个信道内传送大量用户的信息。
（2）多进制相位（MPSK）调制
MPSK调制是多进制相位调制，载波相位按信息数据比特，取M个可能相位值中的一个，即θi=2（i－1）π/M,i=1,2,…M。
那MPSK一次调制可传送log2M比特的信息数据，调制信号为：
其中，Es=（log2M）Eb是每个符号（相当于一次调制所能传送的比特数）的能量，Ts=（log2M）Tb是符号周期，
和
是两个基本正交信号。
因此，调制信号的星座图是二维的，所有信号点均匀分布在以原点为中心，
为半径的圆周上。
MPSK信号功率谱密度可以用类似处理BPSK和QPSK调制的方法得到，矩形脉冲的MPSK信号功率谱密度为：
从上式（3）可知，在数据速率不变的情况下，MPSK信号的主瓣随着M的增加而减小，即带宽效率随之增加。
但M增加意味着星座图上的点更加紧密，功率效率因而降低。
为此，如果在移动通信系统中采用GMSK调制方式，需要使用导频或均衡，需要有比BPSK等一维调制信号更高的解调处理能力。
所以，在目前的移动系统中，MPSK调制方式并没有应用。
（3）多进制正交幅度调制（QAM）
在MPSK调制中，由于传输信号的幅度保持恒定，它的星座图是圆形的。
随着M的增大，星座图上矢量端点之间的最小距离随之减小，会造成解调性能下降。
如果我们充分利用整个星座平面，将矢量端点合理分布，则有可能在不减少最小距离的情况下增加信号矢量的端点数目，从而提高信息数据传输能力。
基于上述概念可以同时改变载波的相位和幅度，获得一种新的调制方法，称为QAM。
QAM调制方式与MPSK调制方式一样具有很高的频谱利用率，其功率谱和带宽效率也与MPSK调制方式相同，而功率效率优于MPSK。
但是，QAM调制方式存在载波恢复和自动增益控制方面的问题，在无线通信系统中必须使用导频信号或均衡处理，因此现有的蜂窝移动通信系统没有采用。
随着无线IP通信业务的高速数据速率的传输需求，采用微蜂窝和微微蜂窝，使得无线信道的传输特性发生了很大的变化，在发射机和接收机之间就容易建构很强的主径信号分量，现在正被广泛研究。
应该看到，在瑞利衰落环境中，即使信噪比高，QAM传输也会因为无线信道的深衰落而造成解调产生突发错误。
为此，可以采用功率控制技术，根据信道情况改变传输信号功率，使得传输过程中的星座图上矢量端点改变尽量小，改善解调性能，称为可变功率QAM调制方式。
但是，增加发射功率会增加同信道干扰，造成系统容量下降。
对此，提出了根据信道情况改变调制的电平数量，即信道条件好时，增加星座图上矢量端点数，而在衰落时，减少星座图上矢量端点数，使得系统的误码性能保持稳定，发射功率也基本恒定的自适应QAM调制方式及可变速率QAM调制方式。
这意味着在快衰落时，为保持BER近似不变，而减小数据速率；在慢衰落时，增加数据速率。
在平坦衰落信道中，自适应调制可以达到高的系统通信流量。
可变速率、可变功率的QAM方式与非自适应调制方式相比，可以有20dB的功率增益。
2．GMSK系统的调制解调原理
2．1 GMSK基本原理及调制
GMSK基本原理是基带信号先经过调制前高斯滤波器成形,再进行MSK调制。
最小频移键控（MSK）是一种二进制数字调频,它的调制系数为0.5。
MSK具有以下优点:
恒定的包络、相对稳定的窄带、具有相干检测能力。
MSK可以有频率调制FM直接产生。
然而它不能严格满足对于SCPC移动无线电的带外辐射的要求。
在1979年日本国际电报电话公司电气通信实验室提出了调制前高斯滤波的MSK,也就是GMSK。
在MSK前加一高斯低通滤波器,由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿,也无拐点,经调制后的已调波相位路径在MSK基础上进一步得到平滑。
GMSK调制器原理方框图如图2-1。
图2-1 GMSK调制器原理方框图
为了使输出频谱密集,调制前LPF应当具有以下特性：
（1）窄带和尖锐的截止；
（2）脉冲响应过冲量小；（3）保持滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于π∕2的相移。
其中条件
（1）是为了抑制高频分量；条件
（2）是为了防止过大的瞬时频偏；条件（3）是为了使调制指数为1⁄2。
高斯滤波器的频率传输函数为：
H（f）=exp（-α
f
）（4）
其中α是与滤波器3分贝带宽Bb有关的一个系数。
其3分贝带宽B
定义为：
令H
（B
）=
；exp（-2α
B
）=
；
αB
=
≈0.5887（5）
可见，改变α时，则B
也随之改变。
滤波器的脉冲响应函数：
h（t）=
=
（6）
分析GMSK的性能应该从功率谱密度、已调波占用带宽、邻道干扰以及误比特率等方面分析，这里我们不做过多分析，有关内容可参考有关的书籍。
这里只对误比特率进行简单的说明。
GMSK是一种恒包络调制技术，具有最小频移特性。
根据实验结果，可以用下式来近似GMSK系统的性能，即Pe（γ）≈1⁄2erfc（
）式中，α=0.68，是滤波器的滚降因子，B
T
=0.25，是调制器的归一化3dB带宽，γ是每比特的信噪比。
下面分析MSK的原理，其结构原理如图2-2。
图2-2MSK结构原理
图2-2为MSK调制器的基本原理图，一般的MSK调制器包括四部分电路：
数据处理、定时与载波产生、加权波形形成和I，Q信道的正交调制器。
MSK输出信号的形式如下：
Y
（t）=u
sin
tcosω
t+u
·cos
tsinω
;当（2k-1）T
≤t≤2kT
，Y
（t）=u
sin
tcosω
t+u
·cos
tsinω
；当2kT
≤t≤2（k+1）T
，在MSK的调制前加上高斯低通滤波器就便成了GMSK。
2．2GMSK的解调
Gauss滤波器的传输函数为:
H（f）=exp（-
f
），经过傅立叶变换可得其单位冲击响应为h（t）=
exp（-
t
）脉冲响应呈典型的Gauss分布，当其输入端有脉冲输入时，输出端产生高斯型输出响应（钟型曲线如图1）。
经过高斯滤波后的数据波形具有如下几个特点：
①已经抑制了不需要的高频信号分量，从而使得带宽变窄而带外截止尖锐；②过冲量较小，不会对调制器产生不必要的瞬时频偏。
因此采用高斯滤波器作为预调制低通滤波是比较适合的。
但是当输入一个脉冲宽度为Tb的方波时，其响应输出被展宽，这样一个宽度为Tb的脉冲输入时，其输出将影响前后各一个码元的响应，当然它也受到前后两个码元的影响。
也就是说，输入原始数据在通过Gauss型滤波器后，已不可避免地引入了码间干扰。
有意引入可控的码间干扰，以压缩调制信号的频谱，解调时利用预知前后码元的相关性，仍可以准确的进行解调判决，这就是所谓的部分响应技术。
GMSK就是利用了这种部分响应技术，它是一个有记忆系统，相对而言，
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