浅析调制解调技术在通信系统中的地位.docx

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浅析调制解调技术在通信系统中的地位

浅析调制解调技术在通信系统中的地位

【摘要】数字通信系统中采用合适的调制解调技术可以提高带宽效率或成功率效率，本文通过比较MSK、GMSK、QPSK、OQPSK、OFDM、QDPSK、自适应调制等调制技术，得出各种调制技术的特点和性能，并对相关技术性能和应用进行分析，最后提出对进一步发展的看法。

关键词：

调制解调技术；数字通信；发展

一、引言

近年来，我国移动通信业务迅猛发展，深入到社会生活的方方面面。

面对移动用户群的持续增长和新业务的层出不穷，移动通信体系要及时适应甚至超前于市场需求的步伐。

而作为移动通信技术之一的数字调制技术是实现高速、高效的移动通信系统的重要保证。

二、数字调制技术的分类

调制技术最初是由模拟信号的调制技术发展起来的，随着数字通信技术的发展，数字调制技术也得到了飞速的发展。

数字调制[1]是将数字基带信号0与1去控制正弦载波中的一个参量，再通过一些设备来传输、处理所有信息的技术。

在数字通信的三种调制方式（ASK、FSK、PSK）中，FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式。

它的主要优点是：

实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。

因此它在中低速数据传输中有着广泛的应用。

而就频带利用率和抗噪声性能（或功率利用率）两个方面来看，理论上PSK

最佳。

所以PSK在中高速数据传输中得到了广泛的应用。

目前已用于移动通信系统的调制技术可分为两大类：

线性调制技术和恒包络调制技术。

线性调制技术主要有：

BPSK、QPSK、QDPSK等。

恒包络调制技术主要有：

MSK、GMSK等。

这两类调制技术的广泛应用与相关电子技术的发展是分不开的。

1986年以前，由于线性高功放未取得突破性的进展，移动通信中调制技术青睐恒包络调制的MSK和GMSK，但它实现起来较复杂，且频谱效率较低。

1986年以后，由于实用化的线性高功放取得了突破性的进展，人们又重新对简单易行的BPSK和QPSK予以重视，并在它们的基础上改善峰平比、提高频谱利用率，如OQPSK。

随着对通信的要求越来越高，MCM（多载波调制）也越来越多的运用到移动通信中，如OFDM技术正是在此基础上发展起来的。

三、移动通信系统中调制技术的适用性

目前数字调制方式[2]种类很多，已应用于各种通信领域。

而选择适用于具体的移动通信系统的调制方案，依赖于许多因素，如频谱效率、抗干扰特性、多载波比特率的支持度、接收机灵敏度等。

移动通信对数字调制技术的要求列举如下：

（1）宽带利用率高；

（2）功率效率高，抗非线性失真能力强；

（3）带外辐射低；

（4）对多径衰落不敏感，抗衰落能力强；

（5）抗干扰能力强；

（6）恒定或近似恒定的包络，解调一般采用非相干方式或插入导频的相干解调；

（7）成本低且易于实现。

由于以上每一要求都有其实际限制，且彼此间又相互关联，要同时达到最佳状态是不可能的。

例如，要获得较高的带宽利用率必然导致系统的功率和效率降低；高效率的调制信号通过非线性放大器时就会产生很大的带外辐射，也就导致了对邻信道的干扰。

因此，移动通信系统往往采用折中的方案使几种调制方式达到最佳的配合。

目前，根据移动系统发展过程和通信业务要求不同，各移动通信系统采用的调制方式也各有特点，如表1所示。

表1各移动通信系统采用的调制方式

标准

服务类型

主要调制方式

GSM

蜂窝

GMSK

IS-95

蜂窝

上行：

OQPSK下行：

BPSK

PHS

无绳

π/4-DQPSK

CDMA2000

蜂窝

QPSK和BPSK

WCDMA

蜂窝

QPSK和HPSK

TD-SCDMA

蜂窝

QPSK和8PSK

四、主要的调制技术介绍

4.1最小频移键控MSK

MSK是FSK（频移键控）中的一种特殊情况，应用于GSM网络的基站和手机中。

FSK采用两个不同的频率分别表示“0”和“1”。

在频率过度过程中，波形相位是不连续的，这种在时域上相位的不连续，在频域上则体现为频谱的扩散。

而当频偏Δf与频制速率满足如下关系式时，这种相位不连续的现象就可以改变。

则频偏：

Δf=|f1-f2|/2=n*（速率/4）。

对于GSM来说，调制速率是270.833kb/s，所以，频偏：

Δf=n*（270.833/4）=67.708n。

当n取最小值n=1时，Δf=67.708kHz，调频指数h=2Δf/270.833=0.5,此时，不但满足相位连续而且频偏最小，称为最小频移动键控。

由于每一个状态只表示1个信息比特，MSK的频带利用率为1bit/s/Hz。

在实际中，MSK采用比载波频率高67.708kHz的频率来表示“1”，采用比载波频率低67.708kHz的频率来表示“0”。

MSK通过频率的偏移和相位的变化来传送信息。

如果载波的频率被作为一个静止的参考相位，则在I/Q平面上一个67.708kHz的信号每秒钟将旋转67708次，而GSM信息速率为270.833kb/s，是67.708kHz的四倍，即信息旋转一圈，相位改变2n，要传送4个比特的信息。

在每一个比特周期，相位将变化90度。

一个“1”将由90度的相位增长表示，一个“0”由90度的相位减少表示，连续的0与连续的1都表现为信号的旋转，只是方向相反。

另外，由于GSM中采用了高斯滤波器，它降低了相位变化时的速率，相位的方向变换将会变缓，但相位的移动速度是一致的。

4.2高斯最小频移键控GMSK

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较多。

GMSK的误码率是BT的函数，在BT=0.5887时，有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。

4.3正交相移键控QPSK

采用QPSK调制技术，一次调制能传输2比特数据，效率更高。

且信号的幅度非常恒定。

CDMA系统中基站采用的就是QPSK调制方式，通过对载波的绝对相位的改变来传送信息。

QPSK星座图中，有四个相位状态，每个状态代表两个信息比特，所以QPSK的频带利用率是2bit/s/Hz。

从一个状态到另一个状态，就是信息的传递。

QPSK的相位变化为±π/2，±π，“01”与“10”或“00”与“11”的转换过程中，经过了零点，幅度的变化很大。

QPSK调制是采用绝对相位来表示不同的信息，这要求在接收系统中，本振源的初始相位为零，否则，就容易导致相位模糊，而不能够正确的解调。

实际上，在许多使用QPSK调制技术时，先经过差分编码即将当前码元与前一位码元相异后进行调制。

4.4偏置正交相移监控OQPSK

OQPSK是QPSK的一种改进的调制方式，它应用在CDMA网络的移动站中。

在QPSK中I与Q是同时变化的，这使得幅度变化大且信号轨迹经过零点。

而OQPSK就是为了避免这一问题。

它采取在调制端将1信号延迟了一个比特周期，而Q不变，这样在任何给定的时间，就只是两个比特流中的一个值发生变化。

在CDMA网络中，延迟半个码片周期。

由于码片速率为1.2288Mcps，半个码片周期即为406.9ns。

4.5正交多载波调制OFDM

OFDM[3]是一种多载波数字通信调制方式，属于复用方式。

它是由多载波调制（MCM）技术发展而来，OFDM解决了无线网络由于多径效应而导致的传输速率低的问题。

传统频分多址（FDMA）是将频带分为若干不相交的频带来传输数据率，在接收端用一组滤波器来分离各信道。

它采用多个相互正交载波，一个信号内包含有整数个载波周期，每个载波的频点都是和相邻载波零点重叠。

这种载波间的部分重叠提高了频带利用率。

OFDM中数据流被分解为若干个子数据流，再利用这些子数据流分别去调制若干个正交载波。

由于多载波调制信道中，每个载波的数据传输速率相对较低，码元周期加长，只要多径效应带来的时延扩展与码元周期之比小于一定门限，就不会造成码间干扰。

而且正交多载波的利用，使信道衰落引起的突发误码分散到不相关的子信道上，变为随机性误码，有效地减少和克服了误码干扰带来的影响。

OFDM技术采用了HOMEPLUG技术，把所有并行子信号合并成一个独立信号传输，提高传输速度。

OFDM不足之处在于冯均功率比大，导致射频放大器的功率效率较低；对系统中的非线性、定时和频率偏移敏感，容易带来损耗，发射机和接收机的复杂度相对较高等。

近年来，业内已对这些问题进行积极研究，取得了一定进展。

4.6四进制差分相移监控QDPSK

为了解决QPSK信号的相位模糊问题对解调的影响，通常采用QDPSK信号调制方式，QDPSK调制方式因其具有频谱利用率高、频谱特性好、传输速度快等特点被广泛地应用在商业和军事通信系统中。

QDPSK是一种多进制调制，但是它前后码元之间的相位差来表示数字信息的。

QDPSK没有固定的基准相位，如果把前一双比特码元φk-1相位当作基准，Δφk为当前双比特码元与前一双比特码元的初相差，则其编码规则如表2所示。

表2QDPSK信号的编码

双比特码元

载波相位变化△φk

A方式

B方式

0

0

90°

135°

0

1

0°

45°

1

1

270°

315°

1

0

180°

225°

在信噪比相同的条件下，QPSK的性能要高于QDPSK,其原因是采用相干解调时，差分译码会引起误码扩散，但因QDPSK没有相位模糊问题，则更适合于实际应用。

QDPSK全数字调制器的基本工作原理为：

速率为50Mbps的二进制基带数据串行进入调制器，调制器对数据进行数据加扰、卷积编码、差分编码，经过码元映射变成I、Q两路数据，I、Q信号的符号速率均为50MSPS；I路和Q路分别通过基带成型滤波、多级内插将采样频率从50MHz提升到300MHz，再经过正交调制将两路信号合成一路，最后将调制后的信号通过D/A带通，滤除带外的信号。

4.7自使用调制技术

由于采用多进制调制技术提高传输速率和频带利用率，需要增加星座图上信号点的数量。

然而，增加信号点意味着信号间的欧几里德距离减小，这会造成系统解调的BER性能下降。

多进制自适应调制方法是在正常的信号调制星座图中，根据各种情况（信道特性、信息业务、QOS要求、实时性能等）改变星座图中信号点的数量，以达到改变数据速率和改善传输质量的目的。

目前，第3代和第4代通信的发展，需要系统传送不同的多媒体业务，如果仅仅采用上述的单项调制技术，会造成系统BER性能的下降。

最近，较多的研究考虑把多进制调制与其他信号处理方式结合起来，如功率控制、信道编码、接入监控等，获得稳定的通信质量和高的传输速率，特别是各种自适应信道编码调制技术。

这些方法都是将信道编码技术和数字调制技术结合起来，以提高好的系统性能。

E.Okamoto[4]等人提出了采用20QAM-BCM（分组编码调制）的方法，编码增益由多电平的编码得到，每个电平的数据被编码，编码后的比特被映射成星座上的信号端点后传输。

BCM用来增大星座图上信号端点之间最小的欧几里德距离。

这种方法可以提供可变速率的数据传输和好的BER性能。

P.Moqvist[5]提出来将频率响应为2RC和3RC的低复杂度连续相位调制（CPM）与不同编码速率的卷积码结合，构成为二进制、四进制、八进制和十六进制，频率响应为2RC、3RC的CPM与外速率为1/2、2/3和3/4的卷积码结合的低复杂度串行连锁连续相位调制（SCCPM）系统，它们能提供比以前任何系统都好的功率/带宽效率。

提供的模拟结果表明，总的来说，调制指数高的方式产生低的BER，而频率响应为2RC的性能比3RC的好。

L.J.Zhang[6]等人考虑在传输前采用图像压缩方法期待高的频谱效率，同时希望克服图像对信道噪声比较敏感的问题，提出了将Reed-Solomon（RS）码与MPSK相结合的编码调制方式，用于Rayleigh衰落信道中压缩图像的传输。

理论分析和模拟结果表明，在带宽和功率受限的移动通信系统中，PS-MPSK编码调制方法能显著提高系统性能。

A.J.Goldsmmith[7]等人提出了加上Trellis编码的自适应编码的方法，可以将编码增益提高5dB左右。

P.Robertson等人提出了加上Trubo编码的调制方法，在高斯和衰落信道中都有非常好的特性。

S.Vishwanath等人进一步提出了自适应Trubo编码调制方式，此方法的优化问题是一个NP-完全问题，在一定的情况下，它比传统Trubo编码调制的增益高3dB。

五、未来发展趋势

未来的移动通信系统的一个重要标志是能提供极大的系统容量，而无线资源是非常有限的，这就需要研究宽带效率和功率效率都很高的新的调制技术，实现自适应调制的编码调制方式就是为了达到这个目的。

此外，发射分集技术的兴起，采用时空编码提高通信能力，为自适应调制技术的研究提供了新的发展空间，把时空编码与多进制调制结合起来，加上自适应处理，将会有令人关注的新结果，将是移动通信调制技术研究的新课题。

参考文献：

[1]韦维，毕存强，吴兴洁.浅谈移动通信系统数字调制技术[J]．中国无线电,2005，（8）:

26-28

[2]南利平编著，通信原理简明教程.北京:

清华大学出版社，2000

[3]刘鹏、李兵兵，高速无线通信中的正交多载波调制技术OFDM，今日电子，2002（12）

[4]EOkamoto，HOgawa.Ablockcodedmodulationmethodforvariable-ratedatetransmission.IEEEVTC’2000Fall,Boston,maUSA,Sept24~28:

2.5.4.1

[5]PMoqvist,TAulin.PowerandbandwidthefficientseriallyconcatenatedCPMwithiterativedecoding.ProcofGlobecom’oo,SanFranciscoUSA,27Nov~1Dec2000

[6]LJZhang,ZGCao,andCYGao.ApplicationofRS-codedMpskmodulationscenariostocompressedimagecommunicationinmoblefadingchannel.IEEEVTC’2000Fall,Boston,maUSA,Sept200:

3.7.4.2

[7]AJGoldsmmith,SChua.Variable-ratevariable-powerMQAMforfadingchannels.IEEETransCommun,May1998,46（5）:

595-602