【优选】北邮移动通信王文博课件第三章PPT文档.ppt

Mobile Communication Theory,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Mobile Communication Theory,目录,概述,3.1,信源编码,3.2,高斯最小移频键控,GMSK,3.4,高阶调制,3.6,QPSK,调制,3.5,最小移频键控,MSK,3.3,正交频分复用,3.7,Mobile Communication Theory,31,概述,调制,就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配以及有效的利用信道。,多径衰落、多普勒频率扩展；日益增加的用户数目，无线信道频谱的拥挤这些因素对调制方式的选择都有重大的,影响,。,信源编码,将信源中的冗余信息进行压缩，减少传递信息所需的带宽资源，这对于频谱有限的移动通信系统而言是至关重要的。,Mobile Communication Theory,影响调制方式的选择的主要因素,频带利用率,：,在数字调制中，常用带宽效率,b,来表示它对频谱资源的利用效率，它定义为,b,R,b,/,B,其中,R,b,为比特速率，,B,为无线信号的带宽。,功率效率,:,指保持信息精确度的情况下所需的最小信号功率（或者说最小信噪比）,已调信号恒包络,易于解调,带外辐射：,一般要求达到,-60,到,-70dB,在移动通信系统中，采用何种调制方式，要综合考虑上述各种因素。,Mobile Communication Theory,要求,信源编码的原理和应用；,在蜂窝移动通信中对调制解调技术的要求；,频移键控信号的相位连续性对信号功率谱的影响；,MSK,和,GMSK,信号特点和功率谱特性；,QPSK,、,OQPSK,和,-QPSK,信号特点和功率谱特性；,传输系统的非线性对各种,QPSK,信号的影响。,3.2,信源编码,Mobile Communication Theory,3.2.1,信源编码的基本概念,3.2.2,移动通信中的信源编码,3.2.3,移动通信中的信源编码举例,3.2.1,信源编码的基本概念,Mobile Communication Theory,在数字系统中，,信源编码,的基本目的就是通过压缩信源产生的冗余信息来提高整个传输链路的有效性。,信息的冗余来自两个主要的方面：,首先是信源的相关性和记忆性。这类降低信源相关性和记忆性编码的典型例子有预测编码、变换编码等。,其次是信宿对信源失真有一定的容忍程度。这类编码的直接应用有很大一部分是在对模拟信源的量化上，或连续信源的限失真编码。,可以把信源编码看成是在有效性和传递的信息完整性（质量）之间的一种折中手段。,3.2.2,移动通信中的信源编码,Mobile Communication Theory,移动通信中的信源编码与有线通信不同，它不进需要对信息传输有效性进行保障，还应该与其他一些系统指标密切相关，例如容量、覆盖和质量。以,GSM,为例说明。,以,GSM,系统中普通的全速率和半速率话音编码来说，其速率分别为和，,前者的话音质量好于后者，但占用的系统资源是后者的两倍左右。当系统的覆盖不是限制因素时，使用半速率编码可以牺牲质量换取倍增的容量，即提高系统的有效性。而当系统的容量相对固定时，可以通过使用半速率编码牺牲质量换取覆盖的增加，因为半速率编码对于接收信号质量的要求降低了。,3.2.2,移动通信中的信源编码,Mobile Communication Theory,除此之外移动通信中的信源编码的设计和实现还要考虑其他一些因素。,由于移动终端是由电池供电，其运算处理能力悠闲，因此信源编译码就要在保证质量的前提下尽可能地降低复杂度。,另外考虑到信宿处理能力的差异，编码后的数据流应该包含不同质量等级的信息，以适应不同终端的需求。,考虑到移动信道的差错特性和一些话音、多媒体业务的实时性，这类业务通常要求移动通信中的信源编码能够容忍一定的差错而无需复杂的重传。,3.2.3,移动通信中的信源编码举例,Mobile Communication Theory,2G/3G,中的话音信源编码,2G/3G,中的话音信源编码的基本原理是相同的，都采用了矢量量化和参数编码的方式。,IS-95,中的变速率码激励线性预测编码（,CELP,）,IS-95,中的,CELP,技术通过四个等级的变速率编码实现话音激活，即使用者发声时进行全速率（,）编码，而不发声时仅仅传递八分之一（,）的背景噪声，以降低功耗和对其他用户的干扰。,2.GPRS/WCDMA,中的自适应多速率编码（,AMR,）,AMR,的基本原理是根据环境或应用需求的变化动态调整编码速率，例如在信道条件恶化时，降低编码速率，通过牺牲话音品质以拿出更多的无线资源用于更可靠的信道编码以保证基本的语音可懂，而在信道条件好的时候则采用较高的编码速率保证话音品质。,3.2.3,移动通信中的信源编码举例,Mobile Communication Theory,3.,CDMA2000,演进系统中的可选择模式语声编码（,SMV,）,SMV,用于,CDMA2000,演进系统中，其基本原理与前述两种基本相同，它也是可变速率的，从速率等级上看与,IS-95,中的,CELP,一样，有、四种，不同的是，,SMV,允许有四种模式供系统侧选择，即,Mode 0,（高品质模式）、,Mode 1,（标准模式）、,Mode 2,（经济模式）、,Mode 3,（容量节省模式），不同的模式实现不同程度的话音质量和平均速率的折中，通过调整不同等级速率所占的比例实现不同的模式，从而调整平均数据速率。,3G,系统中的视频信源编码,在,3GPP,的,R6,、,R7,以及,3GPP2,的高演进版本中，视频通信业务采用了（高级视频编码）视频压缩标准。,3.2.3,移动通信中的信源编码举例,Mobile Communication Theory,3G,系统中的视频信源编码,从某种程度上看是,MPEG,的扩展。在中，一幅图像可编码成一个或者若干个片（,slice,，此处与帧的含义相同），每个,slice,包含整数个,MB,（,Macro Block,），相当于一个完整图像中的不同区域，编码片（,slice,）共有,5,中不同的类型，包括,I,片、,B,片、,P,片、,SP,片、,SI,片，,SP,和,SI,介于,I,与,P,之间，但考虑了更多数据片之间的相关性，进一步压缩了数据速率。,NAL,的工作模式分为,SSM,（孤立片模式）和,DPM,（数据分区模式），如图所示。在,SSM,中，属于同一数据片的所有编码信息在一个,RTP,数据包中通过网络进行传输。在,DPM,中，每个,slice,中的,MB,间彼此联系，利用相邻,MB,存在空间相关性来进行帧内预测编码。将图像数据分成动态矢量数据（即基本层，需要更好的差错保护）以及剩余的信息。,3.2.3,移动通信中的信源编码举例,Mobile Communication Theory,图 网络自适应层,NAL,工作模式示意图,每个数据片的编码视频信息首先被分割成三部分并分别放到,A,、,B,、,C,数据分区中，每个数据分区中包含的信息被分别封装到相应的,RTP,数据包中通过网络进行传输。其中，,Part A,中包含最重要的,slice,头信息，,MB,头信息，以及动态矢量信息；,Part B,中包含帧内和,SI,片宏块的编码残差数据，能够阻止误码继续传播；,Part C,中包含帧间宏块的编码残差数据，帧间编码数据块的编码方式信息和帧间变换系数。,Mobile Communication Theory,.3,最小移频键控,MSK,3.3.1,相位连续的,FSK,3.3.2 MSK,信号的相位路径、频率及功率谱,Mobile Communication Theory,3.3.1,相位连续的,FSK,2FSK,信号,设要发送的数据为,a,k,=1,码元长度为,T,b,。在一个码元时间内，它们分别用两个不同频率,f,1,f,2,的正弦信号表示，例如,:,式中,定义载波角频率,(,虚载波,),为,：,1,2,对,c,的角频偏为,：,Mobile Communication Theory,3.3.1,相位连续的,FSK,定义调制指数,h,:,根据,a,k,h,T,b,可以重写一个码元内,2FSK,信号表达式,:,式中,称作附加相位,。,Mobile Communication Theory,3.3.1,相位连续的,FSK,附加相位,是,t,的线性函数，其中斜率为,截距为,，其特性如图,3.2,产生,2FSK,信号两种不同的方法：,开关切换方法,（相位不连续）和,调频,（相位连续），如图,Mobile Communication Theory,3.3.1,相位连续的,FSK,所谓相位连续是指不仅在一个码元持续期间相位连续，而且在从码元,a,k,-1,到,a,k,转换的时刻,kT,b,，两个码元的相位也相等，即,即,这样就要求满足关系式,:,Mobile Communication Theory,3.3.1,相位连续的,FSK,即要求当前码元的初相位由前一码元的初相位、当前码元,a,k,和前一码元a,k,-1,来决定。这关系就是相位约束条件。这两种相位特性不同的,FSK,信号波形如图所示。,Mobile Communication Theory,3.3.1,相位连续的,FSK,由图可以看出，相位不连续的,2FSK,信号在码元交替时刻，波形是不连续的，而,CPFSK,信号是连续的，这使得它们的功率谱特性很不同。图分别是它们的功率谱特性例子。,Mobile Communication Theory,3.3.1,相位连续的,FSK,可以发现，在相同的调制指数,h,情况下，,CPFSK,的带宽要比一般的,2FSK,带宽要窄。这意味着前者的频带效率要高于后者。,随着调制指数,h,的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数,h,不宜太大。但过小又因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测。所以应当从它们的相关系数以及信号的带宽综合考虑。,Mobile Communication Theory,2FSK,信号的归一化互相关系数可以求得如下（为方便讨论，令它们的初相为零）：,通常总是,c,T,b,=,2,f,c,/f,b,1,或,c,T,b,=,n,，因此略去第一项，得到,-,h,关系曲线如图。,3.3.1,相位连续的,FSK,Mobile Communication Theory,从图中可以看出，当调制指数,h,，,1,，,.,时，,=0,即两个信号是正交的。,h,的,CPFSK,就称作最小移频键控,MSK,。它是在两个信号正交的条件下，对给定的,R,b,有最小的频差。,3.3.1,相位连续的,FSK,Mobile Communication Theory,3.3.2 MSK,信号的相位路径、频率及功率谱,由于,h,=1/2,，,MSK,的相位约束条件就是,由于,|,a,k,-,a,k,-1,|,总为偶数，所以初始相位为零时，其后各码元的初相位为,的整数倍。相位路径的例子如图所示，其中初始相位为零。图中可以看到的取值为,0,，,-,、,-,、,-,、,3,、,.,（,k,=0,1,2,.,）,。,1.,相位路径,Mobile Communication Theory3.3.2 MSK,信号的相位路径、频率及功率谱,在,MSK,信号中，码元速率,R,b,=1/,T,b,、峰值频偏,f,d,和两个频率,f,1,、,f,2,存在一定的关系。,当给定码元速率,Rb,时可以确定各个频率如下：,即载波频率应当是,Rb,/4,的整数倍。,的频率关系,Mobile Communication Theory,3.3.2 MSK,信号的相位路径、频率及功率谱,的功率谱,MSK,的功率谱为,式中,A,为信号的幅度。,功率谱特性如图所示。为便于比较，图中也给出一般,2FSK,信号的功率谱特性。,由图可见，,MSK,信号比一般,2FSK,信号,有更高的带宽效率。,Mobile Communication Theory,3.4,高斯最小移频键控,GMSK,GMSK是一种恒包络调制方式，可以采用功率效率高而便宜的非线性功率放大器，这使用户单元（）的价格比较低，有利于当时移动 的普及。,3.4.1,高斯滤波器的传输特性,3.4.2 GMSK,信号的波形和相位路径,3.4.3 GMSK,信号的调制与解调,3.4.4 GMSK,功率谱,Mobile Communication Theory,3.4.1,高斯滤波器的传输特性,GMSK,就是,基带信号,经过,高斯低通滤波器,的,MSK,，如图,Mobile Communication Theory,3.4.1,高斯滤波器的传输特性,频率特性,H,(,f,),和冲激响应,h,(,t,),高斯滤波器具有指数形式的响应特性，其中幅度特性为,冲激响应为,令,B,b,为,H,(,f,),的,3dB,带宽，因为,H,(0)=1,，则有,H,(,f,)|,f=Bb,=,H,(,B,b,)=0.707,可以求得,a,:,给定,x,b,就可以计算出,H,(,x,),、,h,(),并画出它们的特性曲线如图,3.10,。,Mobile Communication Theory,3.4.1,高斯滤波器的传输特性,令,=,t,/,T,b,，并把,a,=1.7,B,b,代入（）并设,T,b,=1,则有,设要传输的码元长度为,T,b,速率为,R,b,=1/,T,b,，以,R,b,为参考，对,f,归一化,:,x=f,/,R,b,=,fT,b,，则归一化,3dB,带宽为：,这样，用归一化频率表示的频率特性就为,H,(,x,),：,Mobile Communication Theory,3.4.2 GMSK,信号的波形和相位路径,设要发送的二进制数据序列,b,k,(,b,k,=1),所用线路码为,NRZ,码，码元起止时刻为,T,b,的整数倍,此基带信号经过高斯滤波器后输出为,信号对调频器调频，输出为,附加相位为,Mobile Communication Theory,3.4.2 GMSK,信号的波形和相位路径,在一个码元结束时，相位的增量取决于在该码元期间,q,(,t,),曲线下的面积,A,k,：,例如图,3.13,，,x,b,=0.3,截取,g,(,t,),的长度为,3,T,b,(,N,=1),的情况。在,b,k,期间内，,q,(,t,),曲线只由,b,k,及其前后一个码元,b,k,-1,、,b,k+,1,所确定。当这三个码元同符号时，,A,k,有最大值,A,max,，设计,调频器的参数,k,fm,使,。这样调频器,输出就是一个,GMSK,信号。,Mobile Communication Theory,3.4.2 GMSK,信号的波形和相位路径,Mobile Communication Theory,3.4.2 GMSK,信号的波形和相位路径,经过预滤波后的基带信号,q,(,t,),相位函数,(,t,),和,GMSK,信号的例子如图。,Mobile Communication Theory,3.4.3 GMSK,信号的调制与解调,因为,因此常常采用,正交调制,方法。在实际的应用中可以事先,制作,和,两张表，根据输入数据通过查表读,出相应的数值，得到相应的,和,波形。,GMSK,正交调制方框图如图,3.16,所示。,1.,调制,Mobile Communication Theory,3.4.3 GMSK,信号的调制与解调,Mobile Communication Theory,3.4.3 GMSK,信号的调制与解调,GMSK,可以用相干方法解调,也可以用非相干方法解调。这里介绍一比特延迟差分解调方法（非相干解调）,其原理如图。,2.,解调,设接收到的信号为,则,W,(t),为,这里介绍一比特延迟差分解调方法（非相干解调）,其原理如图。,由上式看出可以把MPSK信号映射到一个二维的矢量空间上，这个矢量空间的两个归一化正交基函数为，,用MPAM的数字基带信号的幅度直接对载波进行调制就能够得到MASK信号，每 个比特映射为一个M进制符号。,和s(t)相乘得x(t),Part C中包含帧间宏块的编码残差数据，帧间编码数据块的编码方式信息和帧间变换系数。,3 高阶调制在3G,4G中的应用,2 移动通信中的信源编码,MASK信号可以表示为，,，所以BPSK信号一般也可以表示为,因此常常采用正交调制方法。,解调过程的各波形如图3.,由上式看出可以把MPSK信号映射到一个二维的矢量空间上，这个矢量空间的两个归一化正交基函数为，,/4-DQPSK信号产生,N个码元分别调制N个子载波fn:,Mobile Communication Theory,Mobile Communication Theory,为便于比较，图中也给出一般2FSK信号的功率谱特性。,图 3-44 8PSK的最佳判决域划分,Mobile Communication Theory,3.4.3 GMSK,信号的调制与解调,和,s,(,t,),相乘得x,(,t,),经过低通滤波同时考虑到,，得到,y,(,t,),Mobile Communication Theory,3.4.3 GMSK,信号的调制与解调,式中,是一个码元的相位增量。在,t=,(,k,+1),T,b,时刻对,y,(,t,),抽样得到,y,(,(,k,+1),T,b,),，它的符号取决于,的符号,判决准,则为,即,0,判决解调的数据为,=+1,即,0,判决解调的数据为,=-1,解调过程的各波形如图,3.19,所示，其中设,A,(,t,),为常数。,Mobile Communication Theory,3.4.3 GMSK,信号的调制与解调,Mobile Communication Theory,3.4.4 GMSK,功率谱,对,GMSK,信号功率谱的分析是比较复杂的，图是计算机仿真得到,x,b,、,1,和,x,b,=,（,MSK,）的功率谱。,从图中可见，随着,x,b,的减小频谱效率越高，但,x,b,过小会使码间干扰（,ISI,）增加。,GMSK,最吸引人的地方是具有恒包络特性，功率效率高，可用非线性功率放大器和非相干检测。,GMSK,的缺点是频谱效率还不够高。在北美，频率资源紧缺，系统采用具有更高频谱效率的调制方式，这就是,/4-QPSK,。,Mobile Communication Theory,3.5 QPSK,调制,3.5.1,二相调制,BPSK,35.2,四相调制,QPSK,3.5.3,偏移,QPSK,OQPSK,3.5.4 /4-QPSK,Mobile Communication Theory,3.5.1,二相调制,BPSK,1.,二相调制信号,S,BPSK,(,t,),在二进制相位调制中，二进制的数据,b,k,=,1,可以用相位不同取值表示，例如,其中,由于,，所以,BPSK,信号一般也可以表示为,Mobile Communication Theory,3.5.1,二相调制,BPSK,设二进制的基带信号,b,(,t,),的波形为双极性,NRZ,码,BPSK,信号的波形如图所示。,Mobile Communication Theory,3.5.1,二相调制,BPSK,功率谱,BPSK,信号是一种线性调制，当基带波形为,NRZ,码时，其功率谱如图所示。,如图，基带波形为,NRZ,码时,BPSK,信号有较大的副瓣，副瓣的总功率约占信号的总功率,10%,，带外辐射严重。,为了减小信号带宽，可考虑用,M,进制代替二进制。,Mobile Communication Theory,3.5.2,四相调制,QPSK,QPSK,信号,在,QPSK,调制中，在要发送的比特序列中,每两个相连的比特分为一组构成一个,4,进制的码元，即双比特码元。双比特码元的,4,种状态用载波的四个不同相位,(,k=,1,2,3,4),表示。这种对应关系叫做相位逻辑。例如,QPSK,信号可以表示为：,其中,A,为信号的幅度，,为载波频率。,Mobile Communication Theory,3.5.2,四相调制,QPSK,QPSK,信号产生,QPSK,信号可以用正交调制方式产生。,把串行输入的（,a,k,，,b,k,）分开进入两个并联的支路,I,支路（同相支路）和,Q,支路（正交支路），分别对一对正交载波进行调制，然后相加便得到,QPSK,信号。,Mobile Communication Theory,3.5.2,四相调制,QPSK,QPSK,信号的功率谱和带宽,正交调制产生,QPSK,信号实际上是把两个,BPSK,信号相加。它们有,相同的功率谱带宽也为,B,=,R,b,。频带效率,B,/,R,b,则提高为,1,。,已调信号功率谱的副瓣仍然很大，在两个支路加入升余弦特性低通滤波器,(,如图,3.29),，以减小已调信号的副瓣。,Mobile Communication Theory,3.5.2,四相调制,QPSK,QPSK,信号的包络特性和相位跳变,当基带信号为方波脉冲（,NRZ,）时，,QPSK,信号具有恒包络特性。由升余弦滤波器形成的基带信号是连续的波形,但,QPSK,信号的包络也不再恒定。,QPSK,是一种相位不连续的信号,在码元转换的时刻，信号的相位发生跳变。通过星座图可以看出跳变的幅度为,180,和,90,。,Mobile Communication Theory,3.5.3,偏移,QPSK,（,OQPSK,）,把,QPSK,两个正交支路的码元时间上错开,T,s,/2=,T,b,，这样每经过,T,b,时间，只有一个支路的符号发生变化，因此相位的跳变就被限制在,90,，减小了信号包络的波动幅度。功率谱和带宽效率不变。调制原理图和相位跳变路径为：,Mobile Communication Theory,3.5.4,/4-QPSK,/4-QPSK,兼顾频带效率、包络波动幅度小和能采用差分检测,.,它的相位跳变最大幅度大于,OQPSK,而小于,QPSK,，只有,45,和,135,，因此信号包络波动幅度大于,OQPSK而小于,QPSK,。,采用差分编码的,/4-QPSK,就称作,/4-DQPSK,。,Mobile Communication Theory,3.5.4,/4-QPSK,/4-DQPSK,信号产生,/4-DQPSK,可采用正交调制方式产生。其原理图如图所示,相位差分编码就是输入的双比特,S,I,和,S,Q,的,4,个状态用,4,个 值来表示。其相位逻辑如表所示。所传输的信息包含在两个相邻的载波相位差之中。,Mobile Communication Theory,3.5.4,/4-QPSK,/4-DQPSK,信号的相位跳变,可能的取值有个：，由两个彼此偏移的两个,QPSK,星座图构成，相位的跳变总是在这两个星座图之间交替进行，跳变的路径如图的虚线所示。,3.6,高阶调制,Mobile Communication Theory,3.6.1,数字调制的信号空间原理,M,进制数字调制以及高阶调制,高阶调制在,3G,4G,中的应用,3.6.1,数字调制的信号空间原理,Mobile Communication Theory,信号波形的表示式和多维矢量空间的表示式存在一定程度的相似性，如果把信号的波形映射到矢量空间就可以很直观地表示欧氏距离了。,对于一个确定的实信号,，它具有有限能量,。在一组完备的归一化正交函数集,中，实信号,可以由这些函数的加权线性组合来近似表示，,由此,在,维矢量空间中就可以表示为，,3.6.1,数字调制的信号空间原理,Mobile Communication Theory,如果把,M,个能量有限的信号映射到,N,维的矢量空间上，空间中的,M,个映射点称作星座点，矢量空间称作信号空间。在矢量空间中可以很容易地描述衡量误码性能的两个指标，信号之间的互相关系数和欧氏距离。,符号之间相关性越大，欧式距离就越小，那么误码性能就越差。一般来说，调制阶数越高欧氏距离就越小。但是由于频率资源的限制，使得调制方式必须要采用比较高的阶数。为了保证高频谱效率下链路的性能，可以相应的采用强有力的差错控制技术，提升功率等措施来弥补误码性能的缺陷。,设二进制的基带信号b(t)的波形为双极性NRZ码,BPSK信号的波形如图所示。,Mobile Communication Theory,1 高斯滤波器的传输特性,Mobile Communication Theory,解调过程的各波形如图3.,图 3-45 MQAM信号的矩形星座图,Mobile Communication Theory,2FSK信号的归一化互相关系数可以求得如下（为方便讨论，令它们的初相为零）：,Mobile Communication Theory,把串行输入的（ak，bk）分开进入两个并联的支路I支路（同相支路）和Q支路（正交支路），分别对一对正交载波进行调制，然后相加便得到QPSK信号。,2 M进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,GMSK可以用相干方法解调,也可以用非相干方法解调。,/4-QPSK兼顾频带效率、包络波动幅度小和能采用差分检测.,4 GMSK功率谱,y(k+1)Tb)，它的符号取决于,3.6.2 M,进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,M,进制的数字调制，一般可以分为,MASK,，,MPSK,，,MQAM,和,MFSK,，它们属于无记忆的线性调制。如果结合到信号的矢量空间表示，可以理解为这些不同的调制方式是因为采用了不同的正交函数集。,一般认为在阶数,时为高阶调制。,MASK,，,MQAM,MPSK,这三种调制方式在信息速率和,M,值相同的情况下，频谱利用率是相同的。由于,MPSK,的抗噪声性能优于,MASK,，所以,2PSK,、,QPSK,获得了广泛的应用。并且,ASK,信号是对载波的幅度进行调制，所以不适合衰落信道。在 时,MQAM,的抗噪声性能优于,MPSK,的，所以阶数更高的调制一般采用的是,QAM,的形式。,所以在采用高阶调制时一般使用的是,8PSK,、,16QAM,、,32QAM,、,64QAM,等形式。,3.6.2 M,进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,M,进制振幅键控（,MASK,）,用,MPAM,的数字基带信号的幅度直接对载波进行调制就能够得到,MASK,信号，,，每,个比特映射为一个,M,进制符号。,MASK,信号可以表示为，,假设,，把,MASK,信号正交展开就可以得到，,3.6.2 M,进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,以,8ASK,为例在一维空间上的信号星座图如图,3-41,所示，,图,3-41 8ASK,的信号空间图,白高斯信道下,8ASK,的各个似然函数和最佳判决域的划分如图,3-42,所示，,图,3-42 8ASK,的各个似然函数和最佳判决域的划分,3.6.2 M,进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,2.M,进制移相键控（,MPSK,）,MPSK,信号是使用,MPAM,数字基带信号对载波的相位进行调制得到的，每个,M,进制的符号对应一个载波相位，,MPSK,信号可以表示为，,由上式看出可以把,MPSK,信号映射到一个二维的矢量空间上，这个矢量空间的两个归一化正交基函数为，,3.6.2 M,进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,MPSK,信号的正交展开式为，,MPSK,信号的二维矢量表示为，,8PSK,和,16PSK,的信号星座图如图,3-43,所示，,图,3-43 8PSK,和,16PSK,的信号空间图,3.6.2 M,进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,使用较多的是,8PSK,信号，在白高斯信道下的最佳判决域划分如图,3-44,所示，,图,3-44 8PSK,的最佳判决域划分,3.6.2 M,进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,正交幅度调制（,QAM,）,（,1,）,QAM,基本原理,MASK,信号的矢量空间是一维的，,MPSK,信号的矢量空间是二维的，随着调制阶数的增加，符号间的欧式距离在减小。那么如果能充分利用二维矢量空间的平面，在不减少欧氏距离的情况下增加星座的点数就可以增加频谱利用率，从而引出了联合控制载波的幅度和相位的正交幅度调制方式,QAM,。,QAM,方式也是高阶调制中使用得最多的，下面重点介绍。,MQAM,信号是由被相互独立的多电平幅度序列调制的两个正交载波叠加形成的，信号表示式为，,3.6.2 M,进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,其中,，,是两组相互独立的离散电平序列。,MAQM,信号正交展开可以表示为，,MQAM,的二维矢量表示为，,3.6.2 M,进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,MQAM,信号星座有圆形的和矩形的，由于矩形星座实现和解调简单，因此获得了广泛的应用，图,3-45,给出了各种阶数下,MQAM信号的矩形星座图，,图,3-45 MQAM,信号的矩形星座图,3.6.2 M,进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,（,2,）,MQAM,软解调,最佳接收时采用的是硬判决解调，这种方式并没有充分地考虑似然信息对信道译码的影响。由于,turbo,码的广泛应用，在采用,QAM,调制的实际系统中一般使用的是软解调。这是因为,turbo,码在译码时能够充分利用,QAM,软解调得到的似然信息，从而带来误码率的改善。软解调就是计算出比特的对数似然比（,LLR,），然后直接将这个比特,LLR,作为,Turbo,解码的输入。图,3-46,给出了采用,turbo,编码和,MQAM,映射的框图，,图,3-46 turbo,编码和,MQAM,星座映射,3.6.2 M,进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,在图,3-46,中，,Turbo,编码器产生的是,码率的码字，,为第,个二进制信息比特组，,和,分别为通过循环系统卷积（,RSC,）编码后的两路校验位比特。,经过复用和打孔后，码率变为,，交织之后进行,MQAM,星座映射。,每一对,表征了一组二进制比特,。在接收端收到经过衰落和白高斯噪声的,MQAM,符号为，,根据接收到的,就可以计算出和它们相应的二进制比特组,的,LLR,，,3.6.2 M,进制数字调制以及高阶调制,Mobile Communication Theory,把,LLR,输入,turbo,译码器译码的框图如图,3-47,所示，,图,3-47 turbo,码利用,LLR,译码框图,3.6.3,高阶调制在,3G,4G,中的应用,Mobile Communication Theory,高阶调制在高速数据传输系统中应用是相当多的。在未来移动通信的发展中，高阶调制也必然是一种提高频谱利用率的有力措施。下面分别介绍,3G,的三种移动通信标准以及其演进版本所采用的调制方式。,TD-SCDMA,采用了比较低阶的,QPSK,的调制方案,WCDMA,也采用了低阶的上行,BPSK,方式和下行,QPSK,方式。随着差错控制技术的发展，当演进到,HSPA,阶段，无论是,TDD,系统还是,FDD,系统都引入了高阶的,16QAM,的方式。如今,LTE,是发展的一个热点，为了达到,5bps/Hz,的频谱利用率，更是采用了,64QAM,的调制方式。可以看出，更高阶的调制方式一般都是采用,QAM,的形式，因为它既能有效地利用频谱空间又能保持良好的误码性能。,cdma2000 1x,也采用了,QPSK,的方式，当它演进到,EV-DO,阶段，也引入了,8PSK,，,16QAM,，,64QAM,等高阶调制方式。,Mobile Communication Theory,3.7,正交频分复用,OFDM,3.7.1,概述,正交频分复用的原理,正交频分复用的,DFT,实现,OFDM,的应用,Mobile Communication Theory,概述,系统把整个可用信道频带,划分为,N,个带宽为的子信道。把,N,个串行码元变换为,N,个并行的码元，分别调制这,N,个子信道载波进行同步传输，这就是,频分复用,。,若子信道的码元速率,1/,Ts,f,避免严重的码间干扰。另外若频谱允许重叠，提高频带效率，如图所示。扩展了码元的长度,T,，远远大于信道的时延，减小时延扩展对信号传输的影响。,Mobile Communication Theory,3.7.2,正交频分复用的原理,如果子载波的间隔等于并行码元长度的倒数,1/,Ts,和使用相干检测，采用子载波的频谱重叠可以使并行系统获得更高的带宽效率。这就是,正交频分复用,。,Mobile Communication Theory,设串行的码元周期为,t,s,，速率为,r,s,=1/,t,s,。经过串并变换后,N,个串行码元被转换为长度为,T,s,=,Nt,s,、速率为,R,s,=1/,T,s,=1/,Nt,s,=,r,s,/,N,的并行码。,N,个码元分别调制,N,个子载波,f,n,:,式中,为子载波的间隔，设计等于,它是,OFDM,系统的重要设计参数之一。这样当,f,0,1/,T,s,时，各子载波是两两正交的，即,把,N,个并行支路的已调子载波信号相加，便得到,OFDM,实际发射的信号：,3.7.2,正交频分复用的原理,Mobile Communication Theory,3.7.2,正交频分复用的原理,在接收端，接收的信号同时进入,N,个并联支路，分别与,N,个子载波相乘和积分（相干解调）便可以恢复各并行支路的数据：,为了提高频谱的利用率，通常采用多进制的调制方式。一般地并行支路的输入的数据可以表示为,d,(,n,)=,a,(,n,)+,j b,(,n,),，其中,a,(,n,),、,b,(,n,),表示输入的同相分量和正交分量的实序列，它们在每个支路上调制一对正交载波，输出的,OFDM,信号便为,Mobile Communication Theory,3.7.2,正交频分复用的原理,式中,A,(,t,),为信号的复包络：,每个子信道的频谱在其它子载波频率上为零，这样子信道之间就不会发生干扰。当子信道的脉冲为矩形脉冲时，具有,sinc,函数形式的频谱可以准确满足这一要求，如,N,=4,、,N,=32,的,OFDM,功率谱如图所示。,Mobile Communication Theory,3.7.3,正交频分复用的,DFT,实现,用,DFT,技术的,OFDM,系统如图,复包络可以表为,若对,A,(,t,),以,1/,t,s,速率抽样得到,Mobile Communication Theory,3.7.3,正交频分复用的,DFT,实现,可见所得到的,A,(,m,),是,d,n,的,IDFT,或者说直接对,d,n,求离散傅氏反变换就得到,A,(,t,),的抽样,A,(,m,),。而,A,(,m,),经过低通滤波（,D/A,变换）后所得到的模拟信号对载波进行调制便得到所需的,OFDM,信号。在接收端则进行相反的过程，把解调得到的基带信号经过,A/D,变换后得到，在经过并串变换输出。,Mobile Communication Theory,3.7.4 OFDM,的应用,OFDM,有比较高的带宽效率,瑞利衰落对码元的损伤较单载波容易恢复,系统因时延所产生的码间干扰不那么严重,当信道在某个频率出现较大幅度衰减或较强的窄带干扰时，只是影响