第四章 移动通信数字调制技术
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

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
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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
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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
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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。
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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