移动通信调制技术

Ps ( f ) （f1 +f2 ） f0 = 2 f2 － f1
o
f1 － fs
f1
f0
f2
f2 ＋ fs
B f 2 f1 2 f s
图2.2 FSK信号的功率谱
第二章 移动通信中的调制技术
2.2FSK信号的解调方法 FSK信号的解调方法有包络检波法、相干解调法和非相干解 调法等。相位连续时可以采用鉴频器解调。包络检波法是收 端采用两个带通滤波器，其中心频率分别为f1和f2，其输出经 过包络检波。如果f1支路的包络强于f2支路，则判为“1”；反之 则判为“0”。非相干解调时，输入信号分别经过对cosω1t和 cosω2t匹配的两个匹配滤波器，其输出再经过包络检波和比 较判决。如果f1支路的包络强于f2支路，则判为“1”；反之则判 为“0”。相干解调的原理框图如图2.3。 2.2.2 最小频移键控（MSK）调制 1.最小频移键控调制原理 （1）问题的引入 在实际应用中，有时要求发送信号具有包络恒定、高频分量 较小的特点
eo (t ) [ an g (t nTs )] cos( 1t n ) [ an g (t nTs )] cos( 2 t n ) (2.1)
n n
式中，g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为Ts：
0， 概率为P an 1－P） 1， 概率为（
(2.2)
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2.1 概 述
数字调制是为了使在信道上传送的信号特性与信道特 性相匹配的一种技术。就话音业务而言，经过话音编码所 得到的数字信号必须经过调制才能实际传输。在无线通信 系统中是利用载波来携带话音编码信号，即利用话音编码 后的数字信号对载波进行调制，当载波的频率按照数字信 号“1”、“0”变化而对应地变化，这称为移频键控（FSK）； 相应地，若载波相位按照数字信号“1”、“0”变化而对应地 变化则称之为移相键控（PSK）；若载波的振幅按照数字信 号“1”、“0”变化而相应地变化，则称之为振幅键控 （ASK）。然而通常的FSK在频率转换点上的相位一般并不 连续，这会使载波信号的功率谱产生较大的旁瓣分量。为 克服这一缺点，一些专家先后提出了一些改进的调制方式， 其中有代表性的调制方式是最小移频键控（MSK）和高斯 预滤波最小移频键控（GMSK）
= (a 0 a1 )

3 k 2 ( a a ) + (a1 a 2 ) + 2 3 2 + (a k 1 a k ) 2 2 2
k ak
0 0
1 0
2 2
3 1
4 3
5 3

1 1 1
1 1
k
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这里的φ k不是每个码元相位变化的终了值，而是线性变 化的截距 由式（2.5）知 a S MSK = cos[ c t k (0)] （2.11） 2Ts
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④在一个码元(Ts)期间内，信号应是四分之一载波周期的整 数倍 ⑤码元转换时刻，信号的相位是连续的，即信号波形无突变
2.2.3 高斯最小移频键控（GMSK）调制 MSK是二电平矩形基带信号进行调频得到的，MSK信号 在任一码元间隔内，其相位变化(增加或减小)为π/2，而在码 元转换时刻保持相位是连续的。但MSK信号相位变化是折线， 在码元转换时刻产生尖角，从而使其频谱特性的旁瓣滚降不快， 带外辐射还相对较大。参见图2.7及图2.8。
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（2）MSK信号 MSK信号可表示为 （2.5） 2Ts a k k c 式中： 为载频； 为频偏；为第 k个码元中的相位常数。而
2Ts
S MSK (t ) cos( c t
a k
t k ) kT《 t <(k 1)Ts s
1 1
是的反码，若＝0，则＝1；若＝1，则＝0，于是
1－P） 0， 概率为（ an 1， 概率为P
(2.3)
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令g(t)的频谱为G(ω),an取1和0的概率相等，则e0(t)的功率谱 表达式为
2 1 2 P( f ) f s [ G( f f 1 ) G( f f 1) ] 16
k 1 (kTs ) = k (kTs )
即：
（2.8）
a k 1
kTs
2Ts
k 1 a k
kTs
2Ts
k
（2.9）
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可得：
k = k 1 (a k 1 a k )
取φk＝0；则式（2.10）Βιβλιοθήκη Baidu
k
2
（2.10）
k
例如：
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2.1 概述
2.2数字频率调制
2.3数字相位调制 2.4平滑调频和通用平滑调频 2.5正交振幅调制
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知识点 — 移动通信中的几种数字调制方式 难点 — 各种调制信号的调制、解调方法 — 几种主要调制方式的性能比较 要求 掌握： — MSK和GMSK调制方式及特点 — 数字相位调制几种方式的比较 了解： — 几种调制信号的频谱特性 — TFM、GTFM和QAM调制方式
图2.6 GMSK调制器
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1
载波f1
0
0
1
s
数据
eo(t)
f1 载波f2 波形
f2
f2
f1
s(t)
(a) 2FSK信号的产 生方法
(b) 2FSK 信号 波形
图2.1 2FSK信号的产生方法和波形
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根据以上对2FSK信号的产生原理的分析，已调信号的数 学表达式可以表示为
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移动通信必须占有一定的频带，然而可供使用的频率资 源却非常有限。因此，在移动通信中，有效地利用频率资源 是至关重要的。为了提高频率资源的利用率，除了采用频率 再利用技术外，通过改善调制技术而提高频谱利用率也是我 们必须慎重考虑的一个问题。鉴于移动通信的传播条件极其 恶劣，衰落会导致接收信号电平急剧变化，移动通信中的干 扰问题也特别严重，除邻道干扰外，还有同频道干扰和互调 干扰，所以移动通信中的数字调制技术必须具有优良的频谱 特性和抗干扰、抗衰落性能。 目前在数字移动通信系统中广泛使用的调制技术 1.连续相位调制技术 这种调制技术的射频已调波信号具有确定的相位关系而且包 络恒定，故也称为恒包络调制技术。它具有频谱旁瓣分量低， 误码性能好，可以使用高效率的C类功率放大器等特点。
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图2.4 MSK的相位网格图
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（4）MSK调制器
图2.5 MSK调制器原理框图
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MSK调制器的工作过程为： ①对输入二进制数据信号进行差分编码 ②经串/并转换，分成相互交错一个码元宽度的两路信号Ik和Qk ③用加权函数cos (πt/2Ts)和sin (πt/2Ts)分别对两路数据信号Ik 和Qk进行加权 ④加权后的两路信号再分别对正交载波cosωct和sinωct进行调制 ⑤将所得到的两路已调信号相加，通过带通滤波器，就得到MSK 信号 MSK解调，可用相干、非相干两种方式 (5) MSK信号特点 ①已调信号振幅是恒定的。 ②信号频率偏移严格符合±1/4Ts，相位调制指数h＝1/2 ③以载波相位为基准的信号相位，在一个码元期间内准确地 按线性变化±π/2
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2.2 数字频率调制
2.2.1 移频键控（FSK）调制 1.基本原理 用基带数据信号控制载波频率，称为移频键控（FSK），二 进制移频键控记为2FSK。2FSK信号便是0符号对应于载频 ω1，1符号对应于载频ω2（ω1≠ω2）的已调波形，而且ω1 与ω2 之间的改变是瞬时完成的。根据前后码元的载波相位是 否连续，分为相位不连续的移频键控和相位连续的移频键控。 2FSK调制的实现非常简单，一般采用键控法，即利用受矩形脉 冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。 2FSK信号的产生方法和波形如图2.1所示。
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属于这一类的调制技术有平滑调频（TFM）、最小移频 键控（MSK）和高斯预滤波最小移频键控（GMSK）。其中高 斯预滤波最小移频键控（GMSK）的频谱旁瓣低，频谱利用率 高，而其误码性能与差分移相键控（DPSK）差不多，因而得到 了广泛的应用 2.线性调制技术 包括二相移相键控（BPSK）、四相移相键控（QPSK）和正交 振幅调制(QAM)等。这类调制技术频谱利用率较高但对调制器 和功率放大器的线性要求非常高，因此设计难度和成本较高。 近年来，由于放大器设计技术的发展，可设计制造高效实用的 线性放大器，才使得线性调制技术在移动通信中得到实际应用。 上述两类调制技术在数字移动通信中都有应用，欧洲的 GSM系统采用的是GMSK技术；而美国和日本的数字移动通信 系统则采用了QPSK调制技术。
k 为第k个码元的相位常数。而a k
为第k个码元的数据，分
别表示二进制信息1和0，当ak＝+1时，信号频率
2
f
=
1 ( c ) 2 2Ts
当ak＝-1时，信号频率
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f1
1 = 2 ( c 2Ts )
最小频差（最大频偏）：
1 f f 2 f 1 2Ts
n、θn分别是第n个信号码元的初相位。
1 2 f s G(0) [ ( f f 1 ) ( f f 1 )] 16

1 2 2 f s [ G( f f 2 ) G( f f 2 ) ] 16

1 2 2 f s G(0) [ ( f f 2 ) ( f f 2 )] 16
式中，ak＝±1；θ (0)＝0
式（2.11）说明，每个信息比特间隔（Ts）内载波相位 变化为±π/2；而θk(t)-θ(0)随 t 的变化规律，如图2.4所示。 图中正斜率直线表示传“1”码时的相位轨迹，负斜率直线 表示传“0”码时的相位轨迹，这种由相位轨迹构成的图形称为 相位网格图(phase trellis)。在每一码元时间内，相对于前一码 元载波相位不是增加π /2，就是减少π /2，因此累计相位θ k(t) 在每码元结束时必定为π /2的整倍数，在Ts的奇数倍时刻相位 为π /2的奇数倍，在Ts的偶数倍时刻相位为π /2的偶数倍。
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图2.3 2FSK相干解调
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移相键控信号PSK(4PSK、8PSK)的缺点之一是，没能从根本 上消除在码元转换处的载波相位突变，使系统产生强的旁瓣 功率分量，造成对邻近波道的干扰；若将此信号通过带限系 统，由于旁瓣的滤除而产生信号包络起伏变化，为了不失真 传输，对信道的线性特性要求就过于苛刻。 两个独立信源产生的2FSK信号，一般来说在频率转换处 相位不连续，同样使功率谱产生很强的旁瓣分量，若通过带限 系统也会产生包络起伏变化。 OQPSK虽然消除了QPSK信号中的180°相位突变，但也 没能从根本上解决消除信号包络起伏变化的问题。 为了克服以上缺点，需控制相位的连续性，这种形式的数 字频率调制方式，称之为相位连续变化的(恒定包络)频移键控 (CPFSK)。其一特例为最小(调制指数)频移键控（MSK）。每个码 元持续时间Ts内，频率恰好引起π /2相移变化，而相位本身的变化 是连续的。
(2.4)
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第一、二项表示FSK信号功率谱的一部分由g(t)的功率谱从0搬 移到f1，并在f1处有载频分量；第三、四项表示FSK信号功率谱 的另一部分由g(t)的功率谱从0搬移到f2，并在f2处有载频分量。 FSK信号的功率谱如图2.2所示。可以看到，如果（f2-f1）小于 fs(fs＝1/Ts)，则功率谱将会变为单峰。FSK信号的带宽约为
即最小频差等于码元速率的一半 设1/Ts＝fs，则调制指数
f 1 1 h Ts f s 2Ts 2
（2.6）
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（3）第k个码元期间内相位变化
k (t ) = a k
t
2Ts
k
kTs《t<(k 1)Ts
（2.7）
根据相位连续条件，要求在t＝kTs时刻满足