移动通信原理第6次课-第6章BPSK数字调制

• BPSK信号的功率谱密度如下图所示。 • 设数字信号的bit周期是Tb, 数字信号速 率为1/Tb（bps）。 • 如图,BPSK信号的带宽为: 2fb= 2/Tb (Hz) 。 • 频带利用率为：(1/Tb)/ 2fb=0.5 (bps/Hz)。
2） 差分二相移相键控 • DBPSK可以有效避免BPSK的相位模糊，克服 接收数据反相问题。 DBPSK调制原理 • 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1，差分码脉冲前沿跳变；出现 基带数字信号0，差分码脉冲前沿不跳变。然 后利用差分码对载波进行BPSK调制。原理图 和波形图如下：
• 分别调制载波幅度、频率和相位的2ASK(振幅 键控)、2FSK(频移键控)和2PSK(相移键控) 调 制波形如下：
6.1.3 数字调制的分类
• 数字调制的分类如下表： 不恒定 ASK（幅度键控） 包络 QAM（正交幅度键控） MQAM（星座调制） 数 字 FSK BFSK(二进制频移键控) 调 (频移键控) MFSK(多进制频移键控) 制
6.1.4 基本数字调制方法性能分析 • 数字调制信号在AWGN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 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Pe与归一化信噪比Eb/N0之间的关系为：
2 ASK : 2 FSK : 2 PSK : Pe Pe Pe Eb 1 erfc 4N 2 0 Eb 1 erfc 2N 2 0 Eb Q 2N 0 Eb Q N 0
6.1.1 数字调制相关概念
• 数字调制是将数字基带信号与正弦(或余弦)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 基带信号0和1去控制载波的一个参量。若控制载波的幅度， 称为振幅键控ASK；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PSK，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 为正交幅度调制QAM。 • 由一位二进制0和1对载波进行的数字调制，有时候叫做二 进制调制；由多位0和1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：MASK、MFSK、 MPSK和MQAM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 模糊度，往往将绝对相移改为相对相移DPSK以及DQPSK。
第6次课书面作业
1.画出数字信号序列01001101的 BPSK和DBPSK 信号波形。 2. DBPSK相对BPSK有什么优点？
3、相移键控PSK • 开始是2PSK，在此基础上发展产生了DPSK、 QPSK( Quadrature Phase Shift Keying)、OQPSK (Offset QPSK)、π/4-QPSK。这些数字调制方式广泛 应用在3G移动通信系统中。 4、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 比增加和频带扩展，引入了有记忆的非线性连续相位 调制(Continuous Phase Modulation, CPM)、最小 频移键控(Minimum Shift Keying，MSK)、 GMSK(高斯滤波MSK)、及平滑调频(Timed Frequency Modulation )。 GMSK应用于GSM数字 移动通信系统中。
• 归一化双极性数字信号序列Xk是由基带数字信 号0和1转换而来， 基带数字信号0和1分别转 换成归一化双极性数字信号1和-1。将Xk与载 波信号cos wc同时输入乘法器，得到BPSK调 制波形Sk(t)： Sk(t)=Xkcos wc=±1cos wc。 • 当基带数字信号为0时, Xk=+1， Sk(t)= +1cos wc=cos(wc +0) 。
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 带的信息量I = log 2 M (bit)。 • 例如，当M=2，φk的每一相位携带1bit信息：0或1；当M=4， φk的每一相位携带2bit信息：00、01、10或11；当M=8，φk 的每一相位携带3bit信息：000、001、010、011、100、101、 110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 数字信号而改变。对于一个数字信号，Sk(t)的相位φk将取一 个特定的值与之对应。
• 接收的调相信号Sk(t) = ±cos wc 与本地 的载波信号cos wc在乘法器里相乘后得 到S’k(t)，按照倍角原理得：
S’k(t)=±cos2 wc
=±(1/2) [1+cos(2wc) ] • 由于S(t)有π和0两个相位，本地余弦信号 只有一个相位，所以相乘后将交替出现常 数项±1/2。用带通滤波器滤除2wc 后， 剩下的±1/2常数项分别表示数字信号1和 0。
Eb 2 Eb 1 Q erfc N N 2 0 0
• 其中， Eb是每秒比特的功率；N0是单边噪声功率谱 密度；Q(x)函数为：
Q( x)
x
1 2 exp( x / 2)dx 2p
• 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，2PSK抗干 扰能力最佳，在移动通信中，均以其为基础。
• 上述调制中最基本的调制为2ASK、2FSK、BPSK， 后面将重点分析它们。 6.1.2 数字调制的作用 1.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 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70MHz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 段。
• 当基带数字信号为1时, Xk=-1， Sk(t) =-1cos wc =cos(wc Ư的调制下 取两个不同的值π和0。
• BPSK调制信号波形如图所示。
• BPSK是绝对调相，解调器的本地载波 cos wc 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。
6.1.2 数字调制基本原理 • 通常余弦波信号表示为： • s(t) = a(t)cos[w(t)+j(t)] • 其中，t是时间； a(t)是幅度；w(t)是角 频率； j(t)是相位。 • 数字调制就是用基带数字信号0和1去控 制余弦信号的幅度、角频率和/或相位的 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，这种余 弦波被称为载波；它被基带数字信号调制 后成为调制信号。
2）抗干扰 • 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 扰也小。 3）提高有效性 • 当采用多进制调制时，单位频带内的数据传输 速率（bps/Hz）提高，提高了频带利用率，也 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 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。
恒定 包络
BPSK(二相相移键控) PSK DPSK(差分二相相移键控) (相移键控) QPSK(正交(四相)相移键控) MPSK(多进制相移键控)
CPM (连续相位调制)
OQPSK(偏 移QPSK) p/4QPSK DQPSK(差 分QPSK)
MSK(最小频移键控) GMSK(高斯滤波MSK) TFM(平滑调频)
• 典型的扩频通信系统方框图如下。 • 我们在前面已经学习了信源编码、扩频加扰部分， 下面继续学习数字调制。 • 扩频信号是数字信号，是不能直接上无线信道传输 的。必须将数字信号调制到正弦或余弦模拟信号上 才能上无线信道传输。
第6章 数字调制技术
6.1 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 双绞线传输后的衰减情况。
1、振幅键控ASK • 2ASK向多进制发展，产生了正交振幅调制（QAM， Quadrature Amplitude Modulation）、多进制 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1G和2G移动 通信系统中均未采用。在3G移动通信系统中采用了 MQAM，例如16QAM和64QAM。 2、频移键控FSK • 1G移动通信系统的业务和信令都采用2FSK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 率，频谱效率低，只能应用于低速传输系统。 • 在2FSK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（GMSK， Gauss –Minimum Shift Keying）有效地克服了2FSK 的缺点，应用在GSM和GPRS移动通信系统中。
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)、π/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。
1、二相相移键控 • 当数字信号为0和1时，M=2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 是绝对二相相移键控(Binary PSK，BPSK)， 另一种是差分二相相移键控（Differential BPSK，DBPSK） 1）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 制信号是，Sk(t)=cos(wc+φk)。调制器原理如 图所示。
• 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， 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 。这些不良变化 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 叫做基带传输。 • 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， 即由高频载波信号来载荷数字信号，这就 是数字调制。