第四章 移动通信数字调制技术
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第4章 移动通信数字调制解调技术
第4章移动通信数字调制解调技术一、概述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：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。
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：4．蜂窝移动通信系统中的调制技术5．移动通信对数字调制技术的要求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p η（Power Efficiency ）和带宽有效性B η(Spectral Efficiency)来反映。
⑴功率有效性 功率有效性p η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：n E b p =η ⑵带宽有效性 带宽有效性B η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：)/(sHz b B RB =η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。
数字调制技术
S BPSK
或写成: 或写成:
S BPSK
2 Eb = m(t ) COS ( 2πf c t + θ c ) Tb
2
( 4.8) ( 4 .9 )
其中E b = 0.5 Ac Tb , Tb为码元宽度， m（t）为调制波形
BPSK信号也可表示成： BPSK信号也可表示成： 信号也可表示成
S g
BPSK
对于GSM目前实际数据速率为270.833kbps,只达到 对于GSM目前实际数据速率为270.833kbps,只达到 GSM目前实际数据速率为270.833kbps, SNR条件下信道容量的40%。 条件下信道容量的40% 10dB SNR条件下信道容量的40%。
移动通信中的调制技术
标准 GSM DCSDCS-1800 ISIS-54 ISIS-95 PDC CT2 DECT PHS PACS 服务类型 蜂窝 蜂窝 蜂窝 蜂窝 蜂窝 无绳 无绳 无绳 个人通信 调制技术 GMSK GMSK π/4-DQPSK /4QPSK/BPSK π/4-DQPSK /4GFSK GFSK π/4-DQPSK /4/4π/4-DQPSK 信道带宽 200 kHz 200 kHz 1.25M Hz 1.25M Hz 25 kHz 100 kHz 1728 kHz 300 kHz 300 kHz
移相键控(PSK) 移相键控(PSK)
1986年前，线性高功率放大器成本较高， 1986年前，线性高功率放大器成本较高，因此 年前 采用恒包络的CPM调制实现高功率效率。之后， CPM调制实现高功率效率 采用恒包络的CPM调制实现高功率效率。之后， 线性功率放大器已取得实质性进展。 线性功率放大器已取得实质性进展。 PSK是一种线性调制技术 具有带宽效率高、 是一种线性调制技术， PSK是一种线性调制技术，具有带宽效率高、 频谱利用率高等特点 移动通信中， 移动通信中，一般采用性能优良的绝对移相体 制而不采用相对移相体制， 制而不采用相对移相体制，虽然相对移相体制 可以解决相位模糊度问题。 CDMA中 可以解决相位模糊度问题。而CDMA中，常采 用导频信道传送载波信息进行相干解调。 用导频信道传送载波信息进行相干解调。
调制技术的应用
调制技术的应用随着无线通信技术的迅猛发展，调制技术成为了无线通信技术中的重要组成部分。
调制技术是将待传输信息信号与载波进行相互作用，使信息信号可以经过空气、导线等媒介传输。
在现代无线通信领域，调制技术应用广泛，如移动通信、卫星通信、航空通信、广播、电视等等。
本文将介绍调制技术的应用。
一、移动通信移动通信是无线通信领域中最为突出的应用之一，而移动通信中最为重要的调制技术是数字调制。
移动通信中常用的数字调制技术有ASK（振幅调制）、FSK（频移键控）、PSK （相移键控）和QAM（正交振幅调制）等。
数字调制技术通过使用数字信号来信号调制，可以提高信道容量，减少传输误码率，提高通信信号质量，因此其应用十分广泛。
二、卫星通信卫星通信中，调制解调器是重要的组成部分，其主要作用是将要传输的数据进行载波调制，以便于通过卫星传输。
卫星通信中常用的调制技术有BPSK（二进制相移键控）、QPSK （四进制相移键控）和8PSK（八进制相移键控）等。
这些技术具有高频谱效率和低误码率的特点，适用于土地和海洋等不同的地理环境和信息传播需求。
三、航空通信在航空通信中，调制技术逐渐发展为MF、HF、VHF/UHF等各种频段的无线电波通信系统。
调制技术的主要应用在航空导航、气象信息、空中交通管制等方面。
这些系统需要在不同频段和调制方式下进行信息传输，包括调幅、调频以及数字调制等。
这些技术可以提高通信信号的覆盖范围和传输速率，增强通信信号的可靠性和抗干扰性，提高系统的适用性和安全性。
四、广播电视广播电视是调制技术的重要应用领域之一，其主要应用的调制技术有AM（调幅）、FM （调频）和数字调制等。
广播电视中涉及到的信号类型与传输环境都各具特点，需要选择不同的调制技术来适应不同的传播需求，常规广播与电视采用调幅方式传播，而数字广播与电视采用数字调制方式传播。
广播电视的传输距离较远，信号传输可靠性要求高，调制技术在广播电视中的应用显得尤为重要。
数字调制
数字调制
用载波信号的某些离散状态表征所传送的信息
01 定义
03 分类 05 06 影响因素
数字调制是现代通信的重要方法，它与模拟调制相比有许多优点。数字调制具有更好的抗干扰性能，更强的 抗信道损耗，以及更好的安全性；数字传输系统中可以使用差错控制技术，支持复杂信号条件和处理技术，如信 源编码、加密技术以及均衡等。
技术指标
不同的调制方式，其调制特性是不同的，因此，在选择数字调制方式时，需要用一些技术指标来描述调制的 特性，如功率效率、带宽效率、误码率等。
功率效率 图1功率效率定义为：在接收机输入特定的误码概率下(如10)条件下，每比特信号能量与噪声功率谱密度之 比。其功率效率表示如图1所示： 式中：Eb为每比特信号的能量；N0为噪声功能率谱密度。 功率效率描述了在低功率的情况下一种调制技术保持数字信息信号正确传送的能力。 带宽效率 图2带宽效率定义为：在给定带宽内每赫兹数据率吞吐量的值。设R是每秒数据率，单位是比特，B是已调信 号占用的带宽，则带宽效率可表示如图2所示： 带宽效率描述了调制方案在有限的带宽内传输数据的能力。一般来说，数据传输速率的提高意味着降低了每 个数字信号的脉冲宽度。
分类
数字调制可以分为线性调制和非线性调制两大类。在线性调制技术中，传输信号的幅度随调制信号的变化而 线性地变化。线性调制技术有较高的带宽效率，所以非常适用于在有限频带内要求容纳更多用户的无线通信系统。
方法
常见的数字调制方法如： ASK ——幅移键控调制，把二进制符号0和1分别用不同的幅度来表示。 FSK ——频移键控调制，即用不同的频率来表示不同的符号。如2KHz表示0，3KHz表示1。 PSK——相移键控调制，通过二进制符号0和1来判断信号前后相位。如1时用π相位，0时用0相位。 GFSK——高斯频移键控，在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度。 GMSK ——高斯滤波最小频移键控，GSM系统所用调制技术。 QAM——正交幅度调制。 DPSK——差分相移键控调制。 mQAM——多电平正交调幅 mPSK——多相相移键控 TCM——格编码调制
用载波信号的某些离散状态表征所传送的信息
01 定义
03 分类 05 06 影响因素
数字调制是现代通信的重要方法，它与模拟调制相比有许多优点。数字调制具有更好的抗干扰性能，更强的 抗信道损耗，以及更好的安全性；数字传输系统中可以使用差错控制技术，支持复杂信号条件和处理技术，如信 源编码、加密技术以及均衡等。
技术指标
不同的调制方式，其调制特性是不同的，因此，在选择数字调制方式时，需要用一些技术指标来描述调制的 特性，如功率效率、带宽效率、误码率等。
功率效率 图1功率效率定义为：在接收机输入特定的误码概率下(如10)条件下，每比特信号能量与噪声功率谱密度之 比。其功率效率表示如图1所示： 式中：Eb为每比特信号的能量；N0为噪声功能率谱密度。 功率效率描述了在低功率的情况下一种调制技术保持数字信息信号正确传送的能力。 带宽效率 图2带宽效率定义为：在给定带宽内每赫兹数据率吞吐量的值。设R是每秒数据率，单位是比特，B是已调信 号占用的带宽，则带宽效率可表示如图2所示： 带宽效率描述了调制方案在有限的带宽内传输数据的能力。一般来说，数据传输速率的提高意味着降低了每 个数字信号的脉冲宽度。
分类
数字调制可以分为线性调制和非线性调制两大类。在线性调制技术中，传输信号的幅度随调制信号的变化而 线性地变化。线性调制技术有较高的带宽效率，所以非常适用于在有限频带内要求容纳更多用户的无线通信系统。
方法
常见的数字调制方法如： ASK ——幅移键控调制，把二进制符号0和1分别用不同的幅度来表示。 FSK ——频移键控调制，即用不同的频率来表示不同的符号。如2KHz表示0，3KHz表示1。 PSK——相移键控调制，通过二进制符号0和1来判断信号前后相位。如1时用π相位，0时用0相位。 GFSK——高斯频移键控，在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度。 GMSK ——高斯滤波最小频移键控，GSM系统所用调制技术。 QAM——正交幅度调制。 DPSK——差分相移键控调制。 mQAM——多电平正交调幅 mPSK——多相相移键控 TCM——格编码调制
数字调制技术
数字调制技术一般情况下，信道不能直接传输由信息源产生的原始信号，信息源产生的信号需要变换成适合信号，才能在信道中传输。
将信息源产生的信号变换成适合于信道传输的信号的过程称为调制。
在调制电路中，调制信号是数字信号，因此这种调制称为数字调制。
数字调制是现代通信的重要方法，它与模拟调制相比有许多优点：数字调制具有更好的抗干扰性能、更强的抗信道损耗及更高的安全性。
在数字调制中，调制信号可以表示为符号或脉冲的时间序列，其中每个符号可以有m种有限状态，而每个符号又可采用n比特来表示。
主要的数字调制方式包括幅移键控（amplitude shift keying，ASK）、频移键控（frequency shift keying，FSK）、相移键控（phase shift keying，PSK）、多电平正交调幅（multi level quadrature amplitude modulation，mQAM）、多相相移键控（multiphase shift keying，mPSK），也包括近期发展起来的网格编码调制（trellis coded modulation，TCM）、残留边带（vestigial sideband，VSB）调制、正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）调制等。
1.幅移键控幅移键控就是用数字信号控制高频振荡的幅度，可以通过乘法器和开关电路来实现。
幅移键控载波在数字信号1或0的控制下通或断。
在信号为1的状态下，载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。
那么，在接收端就可以根据载波的有无还原出数字信号1和0。
移动通信要求调制方式抗干扰能力强、误码性能好、频谱利用率高。
二进制幅移键控的抗干扰能力和抗衰落能力差，误码率高于其他调制方式，因此一般不在移动通信中使用。
2. 频移键控频移键控或称数字频率控制，是数字通信中较早使用的一种调制方式。
移动通信_第4章_数字调制技术
调
解
信道
制
调
信 道 解 码
信 源
信
解 码
宿
同步
噪声源
同步
2020/7/25
数字调制技术
5
4.1 概述
❖ 信源编码：
解决信源冗余性问题。压缩信源产生的冗余信息，降 低传递这些冗余信息的开销，提高整个链路的有效性。
将模拟信源信号转换为二进制数字信号，在接收端再 将收到的数字信号还原为模拟信号的方法
2020/7/25
数字调制技术
15
4.1 概述
❖ 各模块及其功能
主要 信源 组成 编码
功能
A/D变 换、 去冗 余
信道 编码
加冗 余、
可靠 性
调制
提高 传输 效率
解调
恢复 基带 信号
信道 信源 解码 解码
去冗 D/A变 余换
2020/7/25
数字调制技术
16
主要内容
❖ 4.1概述
❖ 4.2信源编码
4种可选模式
Mode0：高品质模式 Mode1：标准模式 Mode2：经济模式 Mode3：容量节省模式
2020/7/25
数字调制技术
24
4.2 信源编码
❖ 3G系统中的视频编码方案
算法名称
H.264 ITU及ISO共同标准
4大优点
低码流 高质量图像 容错力强 网络适应力强
2020/7/25
4.1 概述
❖ 调制过程
映射
按照信息与表示和承载它的信号之间存在着对应 关系，将多个二元比特转换为一个符号
经过映射后成的符号仍是基带数字信号
调制
经过基带成形滤波后生成的模拟基带信号
毕业设计(论文)-移动通信中的数字调制技术的研究与仿真实现
移动通信中的数字调制技术的研究与仿真实现××计算机学院通信工程专业2004级5班指导教师：××摘要:在数字通信系统中，全数字接收机已经得到了广泛的应用。
利用数字化方法设计通信系统中的调制解调技术是实际应用中的一项重要技术。
最小高斯频移键控(GMSK)是一种典型的连续相位调制方式，具有包络恒定、频谱紧凑、抗干扰能力强等特点，可有效降低邻道干扰，提高非线性功率放大器的效率，已在移动通信（如GSM系统）、航天测控等场合得到广泛应用。
传统方法设计的GMSK调制解调器不能很好满足全数字化接收机可编程、多模式等需要。
论文重点研究利用全数字化技术设计GMSK 调制解调器，以便更广泛地使用GMSK 调制解调技术。
关键词：移动通信高斯最小频移键控仿真。
Mobile communications in the digital modulation technology research andSimulationKuangzhihuaComputer college Communications EngineeringGrade 2004 Instructor:Tianmin Abstract: In digital communication systems, all-digital receivers become more popular. It hasbecome an important technology that realizes the modulator and demodulator of communication system in digitalization method. Minimum Gaussian frequency shiftkeying (GMSK) is a typical continuous phase modulation method, which has the characteristics of constant envelope, compact spectrum, and anti-jamming performance.GMSK can effectively reduce inter-channel interference, improve the efficiency of non-linear power amplifier, and has been widely used in mobile communications system(such as GSM system) and others systems. The modulator and demodulator designed intraditional method can not meet the need of programmable, multi-mode for all digital receivers.The thesis focuses on the study on digitialization of GMSK modem. KeyWords:mobile communication Gaussian Minimum Shift Keying simulation1 绪论移动通信一般是指通信双方至少有一方在移动的情况下进行信息传输和交换。
移动通信第4章_移动通信中的数字调制与解调
2020年10月14日星期三
重庆大学 Chongqing University 4
4.1 移动通信系统的物理模型
时变信道
C(t)
快衰落信道 （选择性衰落）
时间
频率
C5
C4
空间 阴影衰落信道 AWGN信道
C3 C2
C1
逆AWGN 逆阴影衰
信道 落信道
C1 - 1
C2 -1
输入
+
×
×
×
×
×
×
×
逆快衰落信道
上述移动信道物理模型在实际问题中往往可 以分为下列四个常用信道模型： 1. AWGN信道模型：这类信道服从正态(高斯) 分布，是恒参信道中最典型的一类信道，也 是无线移动信道等变参信道的努力方向和改 造目标。 2. 阴影衰落信道：这类信道服从对数正态分 布，它是研究无线移动信道的基础。
2020年10月14日星期三
重庆大学 Chongqing University 10
4.1 移动通信系统的物理模型
3. 平坦瑞利衰落信道：这类信道遵从瑞利或 者莱斯(RICE)分布，它是最典型的宽带无线 和慢速移动的信道模型。在快衰落中仅仅考 虑了空间选择性衰落。 4. 选择性衰落信道，它可分为两类： ➢ 频率选择性衰落信道，是典型的宽带无线 和慢速移动信道； ➢ 时间选择性衰落信道，是典型的宽带无线 和快速移动信道。
2020年10月14日星期三
重庆大学 Chongqing University 3
4.1 移动通信系统的物理模型
在第二章中已较详细分析过移动信道，本 章将针对传输的可靠性问题将移动信道与移 动通信系统结合起来分析。在移动通信中， 若假设信道满足线性时变特性，则根据不同 环境条件，可以给出下列各种类型的移动信 道与相应的移动通信系统的物理模型，如下 图所示。
移动通信中的数字调制技术
其简单模型可以表示为：
2020/1/6
25/4
• 信道编码
将待传送的基带信号加到高频载波上进行传输的过程，即按照 调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程。
其简单模型可以表示为：
2020/1/6
26/4
• 多址技术
将待传送的基带信号加到高频载波上进行传输的过程，即按照 调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程。
2020/1/6
15/4
• 典型数字调制
将待传送的基带信号加到高频载波上进行传输的过程，即按照 调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程。
其简单模型可以表示为：
2020/1/6
16/4
• 二进制数字调制方式的性能比较
2ASK和2PSK所需要的带宽是码元速率的2倍；2FSK所需的带宽比2ASK和2PSK都要高。 各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比r。在抗加性高斯白噪 声方面，相干2PSK性能最好，2FSK次之， 2ASK最差。 ASK是一种应用最早的基本调制方式。其优点是设备简单，频带利用率较高；缺点
移动通信数字调制技术介绍
•
2020/1/6
1/4
• 培训的目的
1.了解数字调制原理和特点 2.了解移动通信系统中的各种调制技术
2020/1/6
2/4
• 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，即按照 调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程。
其简单模型可以表示为：
2020/1/6
5/4
现归纳如下：
2020/1/6
6/4
2020/1/6
7/4
• 几个速率关系
2020/1/6
25/4
• 信道编码
将待传送的基带信号加到高频载波上进行传输的过程，即按照 调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程。
其简单模型可以表示为：
2020/1/6
26/4
• 多址技术
将待传送的基带信号加到高频载波上进行传输的过程，即按照 调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程。
2020/1/6
15/4
• 典型数字调制
将待传送的基带信号加到高频载波上进行传输的过程，即按照 调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程。
其简单模型可以表示为：
2020/1/6
16/4
• 二进制数字调制方式的性能比较
2ASK和2PSK所需要的带宽是码元速率的2倍；2FSK所需的带宽比2ASK和2PSK都要高。 各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比r。在抗加性高斯白噪 声方面，相干2PSK性能最好，2FSK次之， 2ASK最差。 ASK是一种应用最早的基本调制方式。其优点是设备简单，频带利用率较高；缺点
移动通信数字调制技术介绍
•
2020/1/6
1/4
• 培训的目的
1.了解数字调制原理和特点 2.了解移动通信系统中的各种调制技术
2020/1/6
2/4
• 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，即按照 调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程。
其简单模型可以表示为：
2020/1/6
5/4
现归纳如下：
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6/4
2020/1/6
7/4
• 几个速率关系
第四章 第二代移动通信系统
第四章第二代移动通信系统自上世纪90年代以来，以数字技术为主体的第二代移动通信系统得到了极大的发展，短短的十年，其用户就超过了十亿。
在中国，以GSM为主，IS-95CDMA为辅的第二代移动通信系统只用了十年的时间，就发展了近2.8亿用户，并超过固定电话用户数，成为世界上最大的移动经营网络。
任何一类数字式语音信号在无线环境中传播存在三个挑战:1.选择低速率编码方式, 以适应有限带宽的要求;2.选择有效的编码方式降低误码率, 以适应恶劣的传播环境;3.选择有效的调制方式和平滑的包络特性, 以减少杂散辐射.下面，我们将概述GSM和CDMA系统的特性、信令、系统制式等方面的知识。
第一节第二代数字移动通信系统的特性一、时分多址（TDMA）系统特性GSM系统采用时分多址（TDMA）技术，这种技术在频率时间关系上形成一个矩阵，而每一信道对应于其频率时间矩阵上的一个点，在基站系统的控制和分配下，可为任一移动用户提供电话或非话数据业务。
TDMA系统具有如下特性：1）每载波多路。
TDMA系统是一个时分复用系统，如GSM数字系统中每载波含8个时隙，即8个业务信道。
随着技术的发展，半速率业务信道的出现使其设计能力还可翻一倍。
2）突发脉冲序列传输。
移动台信号功率的发射是不连续的，仅在规定的时隙内发射脉冲序列；或者说，在任何给定的瞬间，占有同一载频而进行通话中的移动台仅有一台在发射信号。
3）传输速率和自适应均衡。
TDMA系统中，如果每载波含有的时隙多，则频率间隔宽，传输速率高。
当码元持续时间与时延扩展量相当时，务必采用自适应均衡技术。
例如当GSM系统传输速率达271kbit/s时，二进制射频数字调制方式码元宽度为3.7μs。
而城市移动通信的时延扩展通常是3μs，郊区为0.3μs。
随着小区半径扩大和地形地物等因素还有可能增大时延扩展量，因此在GSM系统中采用了自适应均衡器，以获得16μs的抗时延扩展能力。
4）传输开销大。
TDMA系统分成时隙传输，使得收信机在每一突发脉冲序列上都需要重新获得同步。
数字移动通信第04章 数字调制技术-1
数字调制的性能常用功率效率 p（Power Efficiency）和 带宽效率B（Spectral Efficiency）来衡量。功率效率 p
反映调制技术在低功率情况下保持数字信号正确传送的 能力，可表述成在接收机端特定的误码概率下，每比特 的信号能量与噪声功率谱密度之比：
p
Eb N0
数字移动通信
Digital Mobile Communication
数字移动通信
Digital Mobile Communication
数字移动通信
第四章
数字调制技术
本节讲述的主要内容
4.1 数字调制技术基础 4.2 线性调制技术 4.3 恒包络调制技术 4.4 线性和恒包络相结合的调制技术
4.1 数字调制技术基础
LPF
输入数据 Rb
串并 转换
本振
Σ
BPF
90 0
LPF
Rb /2
QPSK 信号
一、正交四相移相键控（QPSK）
相干QPSK接收机结构如图所示
接收信号 BPF
LPF
判决
电路
载波恢复 电路
符号 时序 恢复
复用
恢复电路
90 0
LPF
判决 电路
一、正交四相移相键控（QPSK）
在加性高斯白噪声情况下，QPSK的平均误码率为：
二、交错正交四相移相键控
+1 -1 +1 +1 -1 输入数据
I信道
+1 -1
-1 +1 -1 -1 +1
t
-1 -1
t
Q信道 +1 +1
+1
-1
t
数字调制技术
sQPSK ( t )
2 Es π = cos2πf ct + (i − 1) Ts 2
0≤t≤Ts i=1, 2, 3, 4
Ts是符号间隙, 等于两个比特周期, 上式可进一步写成:
2 Es sQPSK (t ) = Ts
π π cos(2πf ct ) cos(i − 1) − sin(2πf ct ) sin (i − 1) 2 2
θ k = θ k −1 + ∆θ k
设当前码元两正交信号分别为：
U1 (t ) = cosθ k = cos(θ k −1 + ∆θ k ) = cos ∆θ k cos ∆θ k −1 − sin ∆θ k sin ∆θ k −1
由符号包络为矩形脉冲和余弦脉冲成型的QPSK信号的归
一化功率谱密度如图4-8所示。
第4章 数字调制技术
图4-8 QPSK信号的功率谱密度
第4章 数字调制技术 4.2.4交错正交四相相移键控(OQPSK) 交错正交四相相移键控(OQPSK) 限带后的QPSK已不能保持恒包络。相邻符号之间发生 180°相移时，经限带后会出现包络过零的现象。反映在 频谱方面，出现边瓣和频谱加宽的现象。为防止出现这种 情况，QPSK使用效率低的线性放大器进行信号放大是必要 的 。 QPSK 的 一 种 改 进 型 是 交 错 QPSK （ OffsetQPSK ） 。 OQPSK对出现边瓣和频宽加宽等有害现象不敏感，可以得 到效率高的放大。
4.1 引 言
移动通信的数字调制要求是: (1） 必须采用抗干扰能力较强的调制方式(采用恒包络角 调制方式以抗严重的多径衰落影响)； (2） 尽可能提高频谱利用率: ·占用频带要窄，带外辐射要小（采用FDMA、TDMA调 制方式）； ·占用频带尽可能宽，但单位频谱所容纳的用户数多（采 用CDMA调制方式）； (3） 具有良好的误码性能。
移动通信中的数字调制技术
移动通信中的数字调制技术在当今信息时代，移动通信已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
从随时随地的语音通话到高速流畅的视频播放，从便捷的移动支付到智能的物联网应用，移动通信技术的不断发展和创新为我们的生活带来了巨大的便利和变革。
而在移动通信系统中，数字调制技术作为关键的组成部分，起着至关重要的作用。
数字调制技术，简单来说，就是将数字信息转换为适合在通信信道中传输的信号的过程。
它的主要目的是在有限的带宽资源下，实现高效、可靠的数据传输，同时抵抗信道中的噪声、干扰和衰落等不利因素。
在移动通信中，常用的数字调制技术包括幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）等。
幅移键控是通过改变载波信号的幅度来表示数字信息的“0”和“1”。
这种调制方式实现简单，但抗噪声性能较差，在实际的移动通信系统中应用较少。
频移键控则是根据数字信息改变载波信号的频率，其优点是对信道的选择性衰落不太敏感，但占用带宽较宽，传输效率相对较低。
相移键控是目前移动通信中应用较为广泛的一种调制技术。
其中，二进制相移键控（BPSK）通过改变载波信号的相位来表示“0”和“1”，具有较好的抗噪声性能。
而四相相移键控（QPSK）则将相位分为四个不同的取值，使得在相同的带宽内可以传输更多的信息，提高了传输效率。
除了上述基本的调制方式，还有一些更先进的数字调制技术在移动通信中得到了应用。
例如，正交幅度调制（QAM）将幅度和相位的变化结合起来，进一步提高了数据传输的速率和频谱利用率。
16QAM、64QAM 等在高速数据传输中发挥着重要作用。
移动通信信道具有复杂多变的特点，存在着多径衰落、多普勒频移和噪声干扰等问题。
为了适应这些挑战，数字调制技术也在不断发展和改进。
例如，采用自适应调制技术，根据信道条件实时调整调制方式和参数，以在保证传输质量的前提下提高传输效率。
在移动通信系统的设计中，选择合适的数字调制技术需要综合考虑多个因素。
首先是传输速率的要求。
4-移动通信的基本技术之调制技术
数字 调制
恒 定 包络
DQPSK （ 相 对 MSK（最小频移键控） QPSK） CPM （连续相 位调制） GMSK （高斯型 MSK ） TFM （平滑调频）
相移键控（PSK）调制
以基带数据控制载波的相位称为数字相位调调制， 数字相位调制又叫相移键控（Phase Shift Keying），简写为PSK。二进制相移键控记作 2PSK或BPSK，多进制相移键控记作MPSK。
数字调制技术
所谓调制，是对信号源的编码信息（信源）进行处理，使 其变为适合于信道传输形式的过程。信号源的编码信息中 含有直流分量和频率较低的分量，我们称为基带信号。 基带信号一般不能直接作为传输信号，必须把它转变为一 个相对基带频率而言频率非常高的带通信号以适合于信道 传输。这个带通信号叫做已调信号，基带信号则称为调制 信号。
相移键控（PSK）调制
如图{bn}1、{bn}2所示。显然{bn}1、{bn}2相位相反，当用 二进制数码表示波形时，它们互为反码。
数字信息 ｛an｝ 1· 0 1 1 0
{bn}1 {bn}2
相移键控（PSK）调制
绝对相移是利用载波的相位偏移（指某一码元所对 应的已调波与参考载波的初相差）直接表示数据信 号的相移方式。 设输入比特率为｛an｝,an=〒1，n=-∞～+∞，则 PSK的信号形式为 Acos(ωct) an=+1
数字调制技术的分类
在调制技术中，还要注意相位路径或相位轨迹。载波相位 变化值是一个随时间变化的函数，记作Φ(t)。Φ(t)随时间t 变化的轨迹称为相位路径或相位轨迹。一个已调波频谱高 频滚降特性与其相位路径有着紧密的关系，相位路径不同， 对应的已调波频谱高频滚降速度也不同。所以，为了控制 已调波的频谱特性，就必须控制它的相位路径。如GSM 系统为什么使用GMSK调制，而不使用MSK调制，就是基 于相位路径的考虑。
现代移动通信04章 数字调制技术-2
④ 频谱效益比串行系统提高近一倍。
一、多载波调制技术的基本原理
• 4. 多载波的主要优点与缺点 • 多载波系统的主要缺点：
① 多载波通信系统对符号定时和载波频率偏差比单载
波系统敏感。 ② 多载波信号是多个单载波信号的迭加，因此其峰值 功率与平均功率的比值大于单载波系统，它对前端 放大器的线性要求较高。
用户 4 时隙
导 频 符 号
用户 1 时隙
图 4-28 ATCQAM 的帧结构图
三、自适应编码调制
• 接收端是由自适应解调器、解交织器、维特比译码器与 插值器组成。可变速率的编码调制解调器是基于高效的 TCM编码，采用1/2码率的编码器。通过网格变换，将许 多未编码的数据与编码的数据合成在一起映射到合适的 QAM符号上。
一、多载波调制技术的基本原理
• 2. 多载波传输系统原理图
一、多载波调制技术的基本原理
• 3. 多载波传输的主要技术 （1）正交频分复用OFDM （Orthogonal Frequency
Division Multiplexing）；
（2）离散多音调制DMT（Discrete Multi Tone）； （3）多载波调制MCM（Multi Carrier Modulation）。 • 其中OFDM中各子载波保持相互正交，而在DMT与MCM中这 一条并不总能成立。
一、多载波调制技术的基本原理
• 1. 多载波技术引入
– Rake接收是在不改变发送信息码元周期即不降低信 息码元速率并承认有较严重的多径扩散的条件下， 采用扩频码将传播的多径信号能量分离、校正，并 加以收集利用，化害为利。从而设法消除多径干扰 的影响。
– 多载波技术与Rake接收的思路不同，它是将待发送 的信息码元通过串/并变换，降低速率，增大信息码 元周期，减少多径时延扩散，在接收到的信息码元 中所占的相对百分比值，以削弱多径干扰对传输系 统性能的影响。
数字调制技术权威讲解
数字调制技术简介Brief Introduction to Digital Modulation Technology目录第一章为何采用数字调制第二章采用IQ调制传送信息第三章数字调制类型3.1数字传输基本概念3.2 数字调制基本类型3.3 现代数字调制技术3.4 自适应调制技术3.5常用移动通信系统中的调制技术第四章数字发射和接收4.1 匹配滤波器4.2 数字发射机和接收机第五章观察数字调制5.1星座图5.2眼图第六章数字调制质量的测试第一章为何采用数字调制现代通信技术的发展，使得各种性能的无线通信系统不断涌现。
频谱逐渐成为希缺资源，而管理当局对无线发射功率的限制也加强了。
对无线通信系统的研发者来说，面临着如下的设计约束条件：可用的带宽，容许的功率和系统内部的噪声水平。
故人们必须致力于新技术的研发。
数字调制可以提供更高的信息容量、与先进的数据业务的兼容性较好，还有较高的数据安全性和较好的通信质量。
在1990年90年代，调制方式已全面从模拟的调幅、调频及调相转换到新的数字调制技术，如：QPSK、 FSK、 MSK 和QAM。
目前常用的数字通信传输信道仍为模拟信道，即接收机的输入和发射机的输出信号均为模拟信号，经过模拟/数字转换，信号的中间处理过程是数字化的，最后处理好的数字信号经数字/模拟转换后被调制到模拟载波信道上发送出去。
而各种多址技术（FDMA、TDMA 和CDMA）的普遍采用使得蜂窝电话、无线局域网等系统迅速走向成熟和实用。
值得注意的是，随着通信技术的进一步发展，软件无线电逐渐走入人们的视野，其发送端和接收端的射频信号均是数字化的。
虽然数字接收机的三个基本元素仍是：本振、混频器和滤波器，但与模拟系统有很大的不同，这是一个专门的领域，不在此讨论。
返回目录第二章采用IQ调制传送信息为在空间传输信号，有三个主要步骤：1．在发射端产生一个纯的载波；2．在载波上调制要发射的信息。
任何稳定的可检测的信号特性的变化可以携带信息；3．在接收端，解调和检测信号的变化。
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OR
S MSK (t ) A cosct an 2T t b
• Assume that the initial phase is xn. the general form of MSK expression also can be presented as:
Classification
Analog
AM FM PM
Continuous
ASK FSK digital Modulation PSK Other efficient: MSK,QAM,OFDM PAM Analog Pulse PCM PDM PPM
digital
DM
Other: ADPCM, LPC
Phase changing in MSK
• Because MSK is a special type of continuous phase-frequency shift keying. • So when t nTb
n 1 (nTb ) n (nTb )
n xn xn 1 (an 1 an ) 2
Binary Frequency Shift Keying (BFSK)
• The frequency of a constant amplitude carrier signal is switched between two values according to the two possible message states (“0” or “1”). • The expression in time domain:
S MSK (t ) A cosct an 2T t xn b
In the expression,
n (t ) an 2T t xn b
Is called excess phase or Instantaneous phase.
Modulation techniques in Cellular System
Signaling AMPS 1G TACS GSM IS-95 Systems 2G DAMPS PDC CDMA2000 3G TS-SCDMA WCDMA Pi/4-DQPSK Pi/4-DQPSK data ss QPSK, 16PSK, 16QAM data ss U:BPSK, D:QPSK QPSK/OQPSK U:BPSK, D:QPSK QPSK/OQPSK Voice 2FSK FM
Eb p n0
Performance of a modulation scheme
• Bandwidth efficiency
– Describes the ability of a modulation scheme to accommodate data within a limited bandwidth. – Is defined as the ratio of the throughput data rate per Hertz in a given bandwidth.
ak
ak 1 时，减小 2
信息发射速率为1000Baud，载波频率为2000Hz，试画出MSK已 调调制信号波形及相位轨迹图。
s1 (t ) A cos 2f1t S FSK (t ) s2 (t ) A cos 2f 2t 传“1”时(an 1) 传“0”时(an 1)
(n 1)Tb t nTb
Tb为码元宽度
• Wave forms
f 2 2 f1
Spectrum and bandwidth of BFSK signals
Constant Envelope Modulation
• The constant envelope family of modulation has the advantage of satisfying a number of conditions, some of which are:
– Power efficient Class C amplifiers can be used – Low out-of-band radiation of the order of -60 dB to -70 dB can be achieved
B max
C S log 2 1 B N
Note that C is the capacity in bps, B is the RF bandwidth in Hz, and S/N is the signal-to-noise ratio (not in dB) Example: p280 6-6 and 6-7
an an 1 xn 1 xn an an 1 xn 1 k
。
n (t ) an
t xn 2Tb
Assume x0=0, then xn=0 or ±п
t 在任一个码元期间内，
的变化量总是 2 1 时，增大 2
Signaling
Voice GMSK
2FSK
FM Down lnk Up lnk QPSK OQPSK
Factors that influence the choice of digital modulation • Low bit error rates at low received signal-to-noise ratios • Occupies a minimum of bandwidth • Easy and cost-effective to implement Existing modulation schemes do not simultaneous satisfy all of these requirements. Tradeoffs must be made.
Pulse Shaping Techniques
• Band limited • ISI free or minimum
Nyquist Pulses for zero-ISI
Raised Cosine Spectrum
RF signal using Raised Cosine
Gaussian pulse-shapes
The upper bound on bandwidth efficiency
• Shannon’s channel coding theorem states that for an arbitrary small probability of error, the maximum possible bandwidth efficiency is limited by the noise in the channel, and is given by the channel capacity formula.
• The transmission bandwidth BT of an FSK signal is:
BT 2f 2B 2(f R)
• If a raised cosine pulse-shaping filter is used, the bandwidth reduces to:
– VLSI & DSP have made digital modulation more cost effective than analog transmission systems.
– More advantages in digital modulation • Greater noise immunity • Robustness to channel impairments • Easier multiplexing of various forms of information • Greater security • Digital modulation offers error controlling • Can use equalization techniques to improve the performance of the overall communication link • New techniques made it possible to implement digital modulator and demodulator completely in software
R B B
(bps / Hz )
The system capacity of a digital mobile communication system is directly related to the bandwidth efficiency of the modulation scheme. Since a modulation with a greater value of ηB will transmit more data in a given spectrum allocation.
Two FSK signals vH(t) and vL(t) are said to be orthogonal if T
v
0
H
(t )vL (t )dt 0
The expressions of MSK signal in time domain
1 s1 (t ) A cos 2 ( f c 4T )t b S FSK (t ) s (t ) A cos 2 ( f 1 )t 2 c 4Tb 传“1”时(an 1) 传“0”时(an 1)
Performance of a modulation scheme
• Power efficiency