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数字调制技术简介

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数字调制技术简介数字调制技术简介 Brief Introduction to Digital Modulation Technology Prepared By Michael Jia Dec. 2002 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...
数字调制技术简介
数字调制技术简介 Brief Introduction to Digital Modulation Technology Prepared By Michael Jia Dec. 2002 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。 信号有三个参量随时间变化:幅度、相位和频率。相应的调制技术为调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。幅度和相位可以同时或分别调制,但难以检测。故在实用的系统中,信号被分离成两组隔离的分量:I(同相)和Q(正交),这两组分量相互正交,互不干扰。 观察幅度和相位的简单方法是用极坐标图。在极坐标图上可同时显示信号的幅度和相位,如下图所示。 极坐标形式示的信号参量变化如下图所示: 在数字通信技术中调制通常用IQ来表示,这是一种直角坐标的表示方法。在极坐标图中,I轴对应零度相位参考面,Q轴对应90度相位参考面。 IQ特别有用,因为它们映射了大多数采用I/Q调制器产生的数字通信的方法。在发射机中,采用相同的本振将IQ信号混频。在一个本振回路中,放置一个90度移相器。 用IQ调制器可以方便实现数字调制。大多数的数字调制将数据映射到IQ平面上的若干点,这些点被称为星座点。当信号从一个点移到另一点时,幅度及相位的调制往往同时完成了。若要用幅度调制器和相位调制器分别实现幅度与相位的调制,则电路要复杂和困难得多。 返回目录 第三章 数字调制类型 3.1数字传输基本概念 信道容量:是指信道极限的传输能力,它常用最大信息速率来表述。 传输速率:在数据传输中,定义有三种传输速率: 1)数据传输速率 指单位时间内传输的数据量。数据量单位可以是比特、字符、码组等,时间单位可以是秒、分、小时。 2)数据信号速率 如数据传输速率使用比特/秒(bps、bit/s、B/s或b/s)为单位,此时数据传输速率则称作数据信号速率,也称为比特率,记作Rb。它实际上就是前面信息量计算中提到信息传输速率,简称信息速率或传信率、它表示单位时间内系统传送的 (或者说通过信道的)信息量。 3)码元传输速率 又称波特率、传码率或调制速率,记作RB 。指单位时间所传送的码元(即脉冲)数目,或者表示信号调制过程中单位时间内调制信号波形的变换次数。单位为波特(Baud或Bd)。 (Bd =1/T, T为调制信号周期) 比特率与波特率的关系 比特率Rb和波特率RB统称为系统的传输速率。在不同的信号调制系统中,每个码元所载的比特是不同的。例如,一个码元可携带一个二进制bit,也可载三个八进制bit。一般而言,每个码元脉冲可代表log2M个M进制bit。即,比特率与波特率的关系为 Rb = RB log2M bps 例:如M=4, RB =1200Baud,则信息传输速率 Rb = 1200 log24 = 2400 bps 比特率与有效频谱的关系 当比特率上升时,有效频谱也变宽。 而有效带宽则根据系统中的噪声程度也会有所不同地增加。 如图,假如比特率是1000bps,有效带宽是200Hz,则当比特率增加到2000bps,有效带宽可能会相应为400Hz。 频带利用率 系统效率单从信道的信息传输速率来评价是不够的,而还要用系统信道中单位频带内所实现的信息传输速率来衡量。单位频带内的信息速率称为频带利用率。 设B为信道所需的传输带宽, Rb为信道的信息传输速率,则频带利用率 n = Rb / B (bps/Hz) 根据比特率与波特率的关系,进一步可推得 n = RB log2M/ B (bps/Hz) 从上可以看出,若码元速率相同,加大M或减少B都可使频带利用率提高。前者可采用多进制调制技术实现,后者可采用单边调制、部分响应等压缩发送信号频谱的方法。 香农公式 可以严格地证明;在被高斯白噪声干扰的信道中,传送的最大信息速率C由下述公式确定: 该式通常称为香农公式。B是信道带宽(赫),S是信号功率(瓦),N是噪声功率(瓦)。 香农公式直观地描述了:信道带宽越宽,信道的容量越大,即最大可能的传输速度越快。从另一角度来看,信道带宽限制了比特率的增加。信道容量还取决于系统信噪比以及编码技术种类。 香农公式是针对噪声信道而言的,它对模拟信道和数字信道都适用。 误码率 信码在传输过程中,由于信道不理想以及噪声的干扰,以致在接收端判决再生后的码元可能出现错误,这叫误码。误码的多少用误码率来衡量,误码率是数字通信系统中单位时间内错误码元数与发送总码元数之比。误码越多,误码率越大。 返回目录 3.2 数字调制基本类型 调制是对载波进行处理使之将信息信号附加其上并能在接收端分解出原信息信号的技术。分为二进制数字调制和多进制数字调制,调制对载波的幅度、频率和相位进行。 调制信号为二进制数字信号时,这种调制称为二进制数字调制。 二进制数字调制中常见的基本方式有:二进制振幅键控(2ASK)、二进制频移键控(2FSK)、二进制相移键控(2PSK)和二进制差分相移键控(2DPSK)。  振幅键控(Amplitude Shit Keying,ASK) 振幅键控(ASK),也称数字调幅,即载波的振幅随信息信号的变化而变化的调制技术。采用这种技术一种常用的调制方式是二进制振幅键控(2ASK),即利用二进制单极性矩形脉冲去控制载波的振幅。在2ASK调制下,当信号为“1”码时,载波振幅保持不变,信号为 “0”时,载波振幅为0。 2ASK是数字调制方式中出现最早的一种方法,最初用于电报系统。由于它抗噪声能力力较差,在数字通信中用的不多。 频移键控(Frequency Shift Keying, FSK) 移频键控(FSK),也称数字调频,即载波的频率随信息信号的变化而变化的调制技术。采用这种技术一种常用的调制方式是二进制移频键控(2FSK),即利用二进制单极性矩形脉冲去控制载波的频率。在2FSK调制下,当信号为“1”码时,载波频率为ω1,信号为“0”时,载波频率为ω2。  FSK是信息传输中使用得较早得一种调制方式,也是数字通信中用得较广的一种方式。它得主要优点是:实现起来较容易,抗噪声及抗衰落性能较好,适合中低速数据传输的应用。通常数据速率在低于1200bps时使用FSK方式,在衰落信道中传输数据时,也被广泛使用。 相移键控(Phase Shift Keying, PSK) 相移键控(Phase Shift Keying,PSK),也称数字调相,即载波的相位随信息信号的变化而变化的调制技术,这是数字调制中的最简单的调制方式之一。 相移键控分为绝对相移和相对相移两种方式。相位变化若是以未调载波的相位作为参考基准的,称为绝对调相。 不是利用载波相位的绝对数字信号,而是用前后码元的相对变化相位变化传送数字信号的而相对调相。 采用相移键控技术的常用调制方式有二进制相移键控(2PSK或BPSK)、二进制差分相移键控(2DPSK)等。2PSK的一个重要应用是深空遥测。其载波具有固定幅度,而其相位在0和180度间变换,用已调信号相位相对于未调载波相位的变化来表示二进制数字信息。如规定已调信号与未调载波同相位表示数字“1”,反相表示数字“0”。在IQ图上,I状态具有两个不同的值。其符号速率为每符号一个比特。 绝对调相存在的缺点是:由于发送端是以每个相位作为基准参考的,故在接收端也必须有一个固定校准相位作参考。若这个参考相位发生变化(0相位变(相位或(相位变0相位),则恢复的数字信息回发生0变为1或1变为0,从而造成错误的恢复。考虑到实际通信时参考基准相位的随机跳变(由温度漂移或噪声引起)时可能的,而在通信过程中不易被发觉。采用2PSK方式会在接收端得到完全相反的恢复(这种现象,常称为2PSK方式的倒(现象),故在实际中一般不采用 2PSK方式,而采用相对调相的差分相移2DPSK方式。 2DPSK是利用已调信号的前后码元相位的相对变化表示二进制数字“1”或“0”,如规定本码元与前一码元之间相位差为π表示数字“1”,相位差为0表示数字“0”。下图是绝对码、相对码、2PSK和2DPSK输出波形的对应关系。可以看出,解调2DPSK信号时不依赖某个固定的载波相位参考值,只要前后码元的相对相位关系不破坏,只要鉴别这个相差关系就可正确恢复数字信息,这就避免了2PSK中的倒(现象。 几种数字调制性能比较 数字调制的两个基本特点:1)在时间上调制是以Ts为单位进行的,Ts为调制数字符号的周期;2)无论调幅、调相还是调频,调制信号的状态数都是有限的,与每个调制符号所传送的信息比特数成正比。 在数字通信系统的三种调制方式(ASK、FSK、PSK)中,在抗高斯噪声方面,PSK性能最好,DPSK次之,其三是FSK,而ASK性能最差。从系统的频带利用率来看,PSK和ASK比FSK占据更窄的信道带宽,即PSK和ASK更有效。 多进制数字调制 随着数字通信的发展,对频率利用率的要求越来越高,在实际的数字传输系统中往往采用多进制数字调制方式。通常,把不同状态数目大于2的已调制信号称为多进制调制信号或多元调制信号。与二进制调制系统相比,多进制数字调制系统具有如下特点:     (1)在传码率相同的情况下,M进制数字调制系统的信息速率是二进制的log2M倍;     (2)在相同信息速率条件下,M进制数字调制系统的传码率是二进制系统的1/log2M倍;这一特点使得M进制码元宽度是二进制码元宽度的log2M倍,码元宽度的加大,可增加每个码元的能量,也可减小码间串扰的影响;     (3)由于M进制码元速率比二进制降低,所需要信道带宽减小;     (4)在接收系统输入信噪比相同的条件下,多进制数字调制系统的误码率要高于二进制系统;     (5)多进制数字调制系统较二进制系统复杂,常用在信息速率要求较高的场合。       多进制的调制可分为多进制数字振幅调制(MASK)、多进制数字频率调制(MFSK)以及多进制数字相位调制(MPSK)三种。也可将上述几种方式组合成为其它特殊的调制方式。 多进制数字振幅调制(MASK) 多进制数字振幅调制又称为M电平调制,就是用多电平的矩形脉冲去控制正弦载波的幅度,它又称为多电平调制。 相对二进制幅度调制,它是一种高效的传输方式。但其抗噪声能力较差,尤其是抗衰落的能力不强,一般适宜信道条件较好的情况下使用。 多进制数字频率调制(MFSK) M进制数字频率调制简称为多频制。基本上为2FSK的直接推广。由于电离层的随机特性和时变衰落特性,在短波信道上,采用二进制数字调制方法,只能获得较低的传输速率。在码元速率一定的前提下,提高通信传输比特率的一个有效途径是采用多进制调制方式。 现代通信理论的发展,产生了一些新型的多频调制应用,如离散多音频(DMT)调制。传统的多频调制,如果有M个频率被使用,则必须有M个对应的振荡器输出。在有限的信道带宽内,当M值大到一定程度时,设备中电路的复杂程度会大大提高,由于相邻信道的带宽很窄,对电路中使用的滤波器的要求会十分苛刻。而在采用了数字信号的处理方法,将输入的串行数据经过串并转换后,利用离散傅立叶变换(DFFT),将各路频率分量合成一路信号,经过高频调制后传输。这种方法的好处是可同时传输M路频率载波,而设备的功耗和体积较小。DMT方法已被广泛应用于ADSL线路调制解调器、有线电视调制解调器(Cable Modem)和高速无线局域网中。 多进制数字相位调制(MPSK) 与二进制数字相位调制相同,多进制数字相位调制也是用不同的相位来表示数字信息,这种键控方式是多进制键控的主要方式。根据已调制信号中的不同相位的个数分为4PSK(QPSK) 、8PSK等。由于数字相位调制信号的解调上存在这相位模糊问题,多数采用差分相位调制,如实际中四相调制都采用差分调相方式(即4DPSK)   QPSK(正交相移键控)是一种调相技术,它规定了四种载波相位,分别为45°,135°,225°,275°,其星座图见图。QPSK中每次调制可传输2个信息比特,这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。 QPSK是一种二维调制技术,它有同相和正交两个载波,分别对应于星座图上的I和Q坐标。同相载波指载波本身,正交载波指相位旋转90(的载波。QPSK调制在实现时是采用正交调幅的方式,某星座点在I坐标上的投影去调制同相载波的幅度,在Q坐标上的投影去调制正交载波的幅度,然后将两个调幅信号相加就是所需的调相信号。 QPSK属恒包络调制,它的信号保持恒定幅值,平均功率是恒定的,因此不受幅度衰减的影响,也就是说幅度上的失真不会使QPSK产生误码。在发送通路中可以用线性较差的元件,如B类放大器。QPSK的缺点是在QPSK中的符号数与QAM相比要受限制,导致QPSK因有的较低位率。 返回目录 3.3 现代数字调制技术 在现代通信中,随着大容量和远距离数字通信技术的发展,出现了一些新的问题,主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响。在这种情况下,传统的数字调制方式已不能满足应用的需求,需要采用新的数字调制方式以减小信道对所传信号的影响,以便在有限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。这些技术的研究,主要是围绕充分节省频谱和高效率的利用频带展开的。多进制调制,是提高频谱利用率的有效方法,恒包络技术能适应信道的非线性,并且保持较小的频谱占用率。从传统数字调制技术扩展的技术有最小移频键控(MSK)、高斯滤波最小移频键控(GMSK)、正交幅度调制(QAM)、正交频分复用调制(OFDM)等等。 最小频移键控调制(MSK) 当传输信道中存在非线性和带宽限制时,幅度变化的数字信号在通过信道时会使己滤除的带外频率分量恢复,发生频谱扩展现象。这时若同时还要满足频率资源限制的要求,就必须对己调信号有两点要求:一是要求包络恒定;二是具有最小功率谱占用率。因此,现代数字调制技术的发展方向是具有最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。包括:四相移键控(QPSK)、交错四相相移键控(OQPSK)、π/4-四相差分相移键控(π/4-DQPSK)和高斯滤波最小频移键控(GMSK)等。 减少频率占用的技术关键在于相位变化的连续性。故近年来新发展起来的技术主要分两大类:一是连续相位调制技术(CPFSK),在码元转换期间无相位突变,如MSK,GMSK等,这些方式的调制信号均为相位连续,即调制后的信号相位连续具有最小功率谱占用率。正是由于调制信号的相位是连续的,因而使得发送端的数据信号不能随机输出而必须和调制设备的时钟同步,不然就难以保证调制信号相位的连续性。二是相关相移键控技术(COR-PSK),利用部分响应技术,对传输数据先进行相位编码,再进行调相(或调频)。 MSK(最小频移键控)是频移键控FSK的一种改进形式。在FSK方式中,每一码元的频率不变或者跳变一个固定值,而两个相邻的频率跳变码元信号,其相位通常是不连续的。所谓MSK方式,就是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式。可以看成是调制指数为0.5的一种CPFSK信号。 GMSK是MSK的一个变种,调制波形通过高斯滤波器,所需的传输带宽进一步降低。这种调制具有恒定包络,频谱效率高,好的BER 特性及自同步性能。 在GSM体制中采用的常幅调制是0.3GMSK(Gaussian Mini mum Shift Keying)。 正交幅度调制(QAM) 随着现代通信技术的迅速发展,出现了许多问题,主要是信道带限和非线性对输出信号的影响。因此出现了一些具有优良特性的新型调制方式,使我们能更充分地利用频率资源,提高频谱利用率,并且利用恒包络调制减小非线性的影响。正交调幅(QAM)就是一种新型调制方式的典型代表。       QAM是一种载波振幅与相位同时发生变化的调制方式,是利用相互正交的载波对两路信号(二进制、四进制或八进制等)分别进行双边带抑制载波调幅(平衡调幅)而形成的合成信号。通常有二进制QAM(4QAM)、四进制QAM(16QAM)、八进制 QAM(64QAM)等。      正交幅度调制应用于无线数字微波、数字视频广播(DVB)和高速调制解调器中。 数字调制的变型 I/Q 偏置调制 如偏置四相相移键控(Offset QPSK, OQPSK)。这种调制方式在CDMA蜂窝移动电话的反向链路(移动台到基站)中使用。 在QPSK中,IQ的数据流在同一时间交换,符号的时钟,或IQ的数字信号时钟,是同步的。在偏置QPSK中IQ 的数据流偏移一个比特的间隔(符号周期的一半)。 差分调制 差分调制有差分QPSK(DQPSK)及差分16QAM(D16QAM) 短波数据传输设备由于采用差分调制而不是绝对相位和幅度调制,所以不需要安装昂贵的线性相位和宽带滤波器。可用不同的DPSK调制方式和不同的码速率:200 bps下使用DBPSK;400 bps下使用DQPSK;600 bps下使用8-DPSK;800 bps下使用16-DPSK 下图是各种系统中的调制技术 返回目录 3.4 自适应调制技术 调制技术的发展使得在单位带宽内所能传输的数据率越来越高。早期的宽带无线接入技术多采用QPSK和FSK调制,调制效率为2-3bit/symbol;目前出现的系统已经普遍采用16QAM和64QAM调制技术,调制效率提高为4-6bit/Symbol。因为高效调制技术对解调信噪比要求也相应提高,会减小系统的有效覆盖范围,如果要保持原来的覆盖,就必须采用纠错性能更好的信道编码,这样做有时会使系统的冗余开销增加,导致得不偿失,因此在点对多点的宽带无线接入系统中,64QAM是目前实用化的最高调制方式,256QAM或更高等级的调制一般多用于点对点传输系统。 由于在无线通信环境中链路条件时时刻刻随不同用户而变,所以一个好的无线系统就要对网上的每一个用户动态地进行调谐和调整,也要在每条链路上对不可预测的条件进行调整。调整的机理有多种,包括多径衰落调整、纠错和重发等,自适应调制也是常用的一种。 自适应调制可以根据当前通信环境的信噪比情况不断检查误码率,通过改变调制和调制速率来动态自动地调整信号,为每个用户设定最佳的调制方案,以适应基站与用户之间的环境和干扰波动,保持无线通信链路的通畅。 对于一般的数据速率,自适应调制可以利用二相和四相相移键控(BPSK、QPSK)。对于较高数据速率,则采用64QAM或256QAM的正交调幅。前者可使用户数据能够传送至较远的基站,仍不受干扰的损害。后者则可藉以提高频谱利用率。     有些宽带无线接入系统还采用了OFDM技术,既可以增加系统容量,又可以增加一定的抗干扰能力。 OFDM系统的各个载波可以根据信道的条件来使用不同的调制,比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等,以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最大频谱效率。多径信道的频率选择性衰落会导致接收信号功率大幅下降,达到30dB之多,信噪比也大幅下降。使用与信噪比相匹配的调制方式可以提高频谱利用率。而可靠性是通信系统运行是否良好的重要考核指标,因此系统通常选择BPSK或QPSK调制,这样可以确保在信道最坏条件下的信噪比要求,但是这两种调制的频谱效率太低。如果使用自适应调制,那么在信道好的时候终端就可以使用较高的调制,同样在终端靠近基站时,调制可以由BPSK(1bit/s/Hz)转化成16QAM ~ 64QAM(4~6 bit/s/Hz),整个系统的频谱利用率得到大幅度的改善,自适应调制能够使系统容量翻番。但任何事物都有其两面性,自适应调制也不例外。它要求信号必需包含一定的开销比特,以告知接收端发射信号所采用的调制方式,并且,终端需要定期更新调制信息,这又势必会增加更多的开销比特。OFDM技术将这个矛盾迎刃而解,通过采用功率控制和自适应调制协调工作的技术。信道好的时候,发射功率不变,可以增强调制方式(如64QAM),或者在低调制(如QPSK)时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡,也就是说对于一个远端发射台,它有良好的信道,若发送功率保持不变,可使用较高的调制方案如64QAM;若功率可以减小,调制方案也相应降低,可使用QPSK。 返回目录 3.5常用移动通信系统中的调制技术    移动通信系统的无线信道传输环境,通常被认为是一种较为恶劣传输环境。它不象有线信道那样具有固定的和可预见的特性 ,而是有较强的随机性,还存在同频道干扰和邻频带干扰等。因此,与有线通信相比,移动通信系统对调制技术的性能还需要有更高的要求,包括以下几点:   ● 高的频带利用率(单位为bit/s/Hz);   ● 信号功率同频道的干扰功率比(C/I)要高于某一“安全”阈值;   ● 已调信号的频带窄,带外辐射功率小,对邻近信道的干扰小;   ● 抗多径衰落能力强;   ● 恒定或近似恒定的已调信号包络,具有较高的功放效率;   ● 调制解调设备简单。    不过 ,在某一确定的应用环境下,一种调制方式不可能同时满足上述要求,而只能侧重于某些方面的性能。现有移动通信系统的主要业务是低速的语音服务,其核心问题是提高语音服务的质量。因此,对其相应调制技术的要求是具有很好的抗干扰能力,且带外辐射小 。   如对第三代移动通信系统而言,除了要考虑提高语音服务质量之外,更重要的是要解决如何在有限频带资源中提供多媒体综合业务。因此,第三代移动通信系统在选择调制方案时,就不能只考虑抗干扰性能,而应更多考虑频带利用率与灵活性。显然,传统的调制方案只适用于低容量、低速率的语音服务,却难以满足高容量、高速率的多媒体业务。在数字集群中已经使用的多点正交振幅调制 (m-QAM)是一种具有高频谱利用率,且有可能灵活地根据传输环境与传输信源的不同,自适应地调整其调制速率的调制技术,因此能很好地缓和可用频带紧张状况及实现多速率的多媒体综合业务传输。 人们考虑将其用于新一代移动通信系统。 下图是目前常用的无线通信系统的标准: GSM系列: 技术 GSM GPRS HSCSD EDGE 说明 全球移动通信系统 通用分组无线业务 高速电路交换数据 增强数据速率技术 地理区域 大部分欧洲和亚洲和部分拉美国家 用于GSM网络升级 用于GSM网络升级 用于HSCSD/GPRS的GSM网络升级 推出时间 1992 2000-2001 2000 2001-2002 频率范围 GSM450波段 GSM850波段 800波段 450.4-457.6MHz(MS) 824-849MHz(MS) 1710-1785MHz(MS) 460.4-467.6MHz(BS) 869-894MHz(BS) 1805-1880MHz(BS) GSM 480波段 标准GSM900波段 PCS 900波段 478.8-486MHz(MS) 890-915MHz(MS) 1850-1910MHz(MS) 488.8-496MHz(BS) 935-960MHz(BS) 1930-1990MHz(BS) GSM 750波段 扩展GSM 900波段 777-792MHz(MS) 880-915MHz(MS) 747-762MHz(BS) 925-960MHz(BS) 多址技术 TDMA TDMA TDMA TDMA 频率复用模式 (小区(扇区) 4(3 4(3 4(3 7(3(经典形式) 符号速率 270.833ksps 270.833ksps 270.833ksps 270.833ksps 信道间隔 200KHz 200KHz 200KHz 200KHz 调制 (下行链路) 0.3GMSK (1bit/符号) 0.3GMSK (1bit/符号) 0.3GMSK (1bit/符号) 3(/8旋转8-PSK(3bit/符号) 调制 (上行链路) 0.3GMSK (1bit/符号) 0.3GMSK (1bit/符号) 0.3GMSK (1bit/符号) 3(/8旋转8-PSK(3bit/符号) 语音编/解码器 选择3种语音编/解码器: FR(全速语音解码) =RPE-LTP13Kbps EFR(增强全速语音解码)=ACELP12.2kbps HR(半速语音解码) =VSELP5.6kbps 未采用 未采用 未采用 调制滤波器 0.3高斯 0.3高斯 0.3高斯 线性高斯滤波器 标准来源 ETSI/3GPP ETSI/3GPP ETSI/3GPP ETSI/3GPP 主要业务 高移动性蜂窝话音/数据业务 高移动性分组数据业务 高移动性电路交换数据业务 高/中移动性分组/电路数据业务 最大数据速率 9.6kbps 取决于编码方案(CS)及所使用的时隙数(1至8): CS1:每时隙9.05kbps CS2: 每时隙13.4kbps CS3: 每时隙15.6kbps CS4: 每时隙21.4kbps 取决于使用的时隙数(1至8) 每时隙9.6或14.4kbps 384kbps 交换方式 电路交换 分组交换 电路交换 EDPRS为分组交换 ESCD为电路交换 备注 EDPRS代表对应 GPRS的EDGE ECSD代表对应 HSCSD 的EDGE CDMA系列: 技术 IS-95A IS-95B cdma2000(1(RTT) 1(EV-DO cdma2000(3(RTT) 说明 cdma One 系统 cdma One 系统 单载波无线电话技术 单载波数据业务增强模式 3载波无线电话技术 地理区域 北美、韩国 北美、韩国 韩国、北美、日本 韩国、日本 尚无 推出时间 1995-1997 1995-1997 2001年3月 2001-2002 尚无计划 频率范围 824-849MHz(MS,美国,韩国) 869-894MHz(BS,美国,韩国) 887-925MHz(MS,日本) 832-870MHz(BS,日本) 1850-1910MHz(MS,美国) 1930-1990MHz(BS,美国) 1750-1780MHz(MS,韩国) 1840-1870 MHz(BS,韩国) IS-95A频段 NMT450频段: 411-483MHz(MS) 421-493MHz(BS) IMT-2000频段: 1920-1980(MS) 2110-2170(BS) IS-95A频段 NMT450频段: 411-483MHz(MS) 421-493MHz(BS) IMT-2000频段: 1920-1980(MS) 2110-2170(BS) 尚无计划 多址技术 CDMA CDMA CDMA CDMA CDMA 频率复用模式 (小区(扇区) 1(1 1(1 1(1 1(1 1(1 码片速率 1.2288Mcps 1.2288Mcps 1.2288Mcps 1.2288Mcps 3.6864Mcps 信道间隔 1.23MHz(美韩)或1.25MHz(其它国家) 1.23MHz(美韩)或1.25MHz(其它国家) 1.23MHz(美韩)或1.25MHz(其它国家) 1.23MHz(美韩)或1.25MHz(其它国家) 3.69MHz 或3.75MHz 调制 (前向链路) QPSK (1bit/符号) QPSK (1bit/符号) QPSK QPSK/8PSK/ 16QAM 3载波 QPSK 调制 (反向链路) OQPSK (1bit/符号) OQPSK (1bit/符号) HPSK HPSK HPSK 语音编/解码器 8kbps可变速率CELP 或13kbps可变速率CELP 或8kbps可变速率EVRC 8kbps可变速率CELP 或13kbps可变速率CELP 或8kbps可变速率EVRC 8kbps可变速率CELP 或13kbps可变速率CELP 或8kbps可变速率EVRC 未应用 8kbps可变速率CELP 或13kbps可变速率CELP 或8kbps可变速率EVRC 调制滤波器 Chebychev 低通FIR Chebychev 低通FIR Chebychev 低通FIR Chebychev 低通FIR Chebychev 低通FIR 标准来源 IS-95A TIA/EIA-95B 3GPP2 3GPP2 3GPP2 主要业务 高移动性蜂窝话音/数据业务 高移动性蜂窝话音/数据业务 高移动性蜂窝话音/数据业务 仅移动数据业务,非实时 高移动性蜂窝话音/数据业务 最大数据速率 9.6/14.4kbps 64kbps 307.2kbps 25Mbps(前向) 307kbps(反向) 1Mbps (室内2Mbps) 交换方式 分组/电路交换 分组/电路交换 分组/电路交换 分组/电路交换 分组/电路交换 备注 容量为IS-95的两倍, 特点是: 1) 具有快速的功率控制,在前向链路中采用正交相移键控(QPSK); 2) 具有可以保证同步解调的导频信号和反向链接中的混合相移键控(HPSK)扩展。 混合相移键控(HPSK)是复杂扰码的一个变种。它可产生信号的峰值/平均功率比。低的峰值/平均功率比会提高功放的效率,对手机来说,可减少手机电池的耗电量,提高手机的待机时间。 容量为IS-95的6至10倍 1(EV-DV能支持话音和数据 3G系列: 技术 WCDMA(FDD) WCDMA(TDD) WCDMA(low chip rate TDD) TD-SCDMA 说明 宽带CDMA (频分双工) 宽带CDMA (时分双工) 宽带CDMA (1.28Mcps) 时分双工 时分-同步 CDMA 地理区域 韩日欧美及亚洲 韩日欧美及亚洲 韩日欧美及亚洲 中国 推出时间 2001 2003或更晚 2003或更晚 2003或更晚 频率范围 IMT-2000频段: 1920-1980(UE) 2110-2170(BS) PCS 1900频段: 1850-1910MHz(UE) 1930-1990MHz(BS) DCS 1800频段: 1710-1785MHz(UE) 1805-1880MHz(BS) 1900-1920MHz(UE/BS) 2010-2025MHz(UE/BS) 1910-1930MHz(UE/BS) PCS 1900频段: 1850-1910MHz(UE/BS) 1930-1990MHz(UE/MS) UE: User Equipment TD-SCDM模式为: 2010-2025MHz GSM模式为 GSM900频段和 DCS 1800频段 多址技术 CDMA TDMA/CDMA TDMA/CDMA TDMA/CDMA 频率复用模式 (小区(扇区) 1(1 1(1 1(1 1(1 码片速率 3.84Mcps 3.84Mcps 1.28Mcps 1.28Mcps 信道间隔 5MHz 5MHz 1.6MHz 1.6MHz 调制 (前向链路) QPSK QPSK QPSK 初期QPSK 后期8PSK 调制 (反向链路) HPSK HPSK HPSK 初期QPSK 后期8PSK 语音编/解码器 AMR 自适应多速率编码器 AMR AMR EFR 增强全速率语音编码 调制滤波器 平方根升余弦 ((=0.22) 平方根升余弦 ((=0.22) 平方根升余弦 ((=0.22) 平方根升余弦 ((=0.22) 标准来源 3GPP 3GPP 3GPP Rel-4 CWTS(中国) 主要业务 高移动性话音/数据业务 高移动性话音/数据业务 低移动性话音/数据业务 高移动性话音/数据业务 最大数据速率 384kbps (室内2Mbps) 384kbps (室内2Mbps) 384kbps 384kbps第一阶段 2Mbps第二阶段 交换方式 电路/分组交换 电路/分组交换 电路/分组交换 电路/分组交换 备注 容量为IS-95的两倍 容量为IS-95的两倍 容量为IS-95的两倍 容量为IS-95的两倍 返回目录 第四章 数字发射和接收 4.1 匹配滤波器 任何信号的快速变换,不管是幅度、相位还是频率,需要较宽的频带。任何可以降低信号特征参量变化的技术可以降低占用带宽。滤波可以平滑信号特征参量的转换,这一方面降低了信号占用带宽,提高了数字系统的频谱效率,也同时减少信号或发射机对其它信道的干扰。在发射机端,滤波减少了发射机中相邻信道的功率辐射,及对其它发射机的潜在干扰。在接收机端,变窄的占用带宽反射了更多的噪声和干扰,因而也提高了系统的灵敏度。在3GPP UMTS规范中明确确定了调制信号必须经过脉冲成型滤波处理。 可以用数字方法来实现滤波器功能(如理想的零和Hilbert变换,若用模拟滤波器来实现就很困难,这是因为模拟滤波器的元件容限、漂移和大小所致)。常用的滤波方式有:升余弦(Nyquist)滤波、平方根升余弦(RRC)和高斯滤波器。平方根升余弦滤波器是在传输通道的有限带宽内抑制码元相互干扰的一种可行方法。在发射端和接收端分别专门的形成了平方根升余弦滤波器。滤波器形状及其系数用QEDesign 1000软件辅助开发。 但在选用滤波时,人们必须作某些折衷。一方面,在许多情况下,某些类型的滤波会导致信号轨迹(状态间的转换路径)过冲,如Nyquist 滤波。过冲路径表示的是载波的功率和相位,过冲需要从发射机的放大器中分流部分的功率,而减少或消除过冲所采用的削波或限幅会使载波频谱再次扩展。因为减少频谱的占用带宽是使用滤波的初衷,故在使用滤波时有一个折衷平衡点。 另一方面,滤波的使用增加了无线通信系统的复杂程度,设备的体积也会增大,对于模拟系统尤为如此。滤波同时也会产生符号间干扰(ISI),使得符号间产生模糊,各个符号相互影响。ISI的影响程度取决于滤波器的时域响应或脉冲响应。 在实际通信系统中采用的匹配滤波器的作用是消除放大器及其它部件(如光纤)引起的信号波形失真,使噪声及码间干扰减到最小。下图是在接收机和发射机中使用匹配滤波器的示意图。 返回目录 4.2 数字发射机和接收机 数字通信发射机 下图是数字通信发射机链路的简单框图。在发射机开始端和最后发射端的信号均为模拟信号。链路的第一步就是通过A/D转换电路将连续的模拟信号转换为离散的数字信号,这个过程称为数字化过程。下一步是加入语音编码用于数据压缩,然后加入信道编码。信道编码是为了减少数据在通信信道传输过程中所受的噪声及干扰的影响。信道编码在输入的数据流上增加了额外的比特并去除了多余的比特。这些增加的比特用于纠错,有时也用于发送训练序列用于识别和均衡,可以使得接收机的同步(或发现符号时钟)来得容易。符号时钟表示的是单个符号发射的频率和精确计时 发射机的下一步是滤波。滤波是取得好的频带利用率的基础。没有滤波,信号状态间的变化将会非常快,占用了非常宽的频谱(大大高于发送信息所需的带宽)。在框图上,为简便起见,仅画出了一个滤波器,实际上在I、Q通道中各有一个滤波器。滤波产生了紧凑的频谱效率较高的能够放置在载波上的信号。 从信道编码器的输出就被馈送到调制器。由于在无线电信号中有各自独立的IQ分量,所要发送的信息一半从I信道,另一半从Q通道发送。 发射链路的其它部分则类似典型的射频及微波发射机:信号被转换成较高的中频(IF),然后再被变换至更高的射频(RF),然后滤除在上变频过程中产生的不需要的信号。 数字通信接收机 接收机链路功能正好与发射链路功能相反。进入的RF信号经第一次变频转换到IF,然后进行解调。信号解调的能力受环境噪声、多路径及衰减诸因素的妨碍。 通常,解调包括下列步骤: 1. 载波频率恢复 2. 符号时钟恢复 3. 信号分解成IQ分量 4. 确定每个符号的IQ值 5. 解码和解交织 6. 扩展成原来的数据流 7. 数字/模拟转换 然而,在现今有些系统是全数字化的,就是从数字开始,处理过程及最后的结果均是数字化的。这种系统在接收机和发射机方面的主要不同在于载波和时钟的恢复。 符号时钟的频率是固定的,对发射机和接收机均是如此。难点在于使它们的相位和定时对准。有许多的技术来处理这些问题,大多数系统会采用二到更多个。若在调制过程中信号的幅度变化,接收机能够测试这种变化。发射机能够发送特殊的同步信号或一个预订的比特序列(训练比特)来“训练”接收机的时钟。在具有脉冲载波的系统中,可通过载波功率的通断来对准符号时钟。 在发射机中,人们知道射频载波和数字数据时钟的所在-它们就在发射机的内部。然而,对接收机来说,要对载波和符号时钟进行恢复。接收机设计的难点在于设计载波和时钟恢复的电路和算法,而发射机采用信道编码会对这种恢复工作大有帮助。 返回目录 第五章 观察数字调制 有许多不同的方法来观察数字调制信号。要观察发射机是如何通断的,功率时间测试是在观察脉冲或突发载波的功率电平变化是非常有用的。例如,非常快速的功率变化会导致频谱扩散或频谱再生,这些也被称为频谱毛刺。而非常慢的功率变化浪费了宝贵的发射时间,也会在突发脉冲的开始时导致较高的误码率。另外,必须仔细了解峰值和平均功率,因为对放大器的过分功率要求会导致功率压缩或削波。这会导致调制信号的失真和频谱再生。 返回目录 5.1星座图 数字调制用“星座图”来描述,星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数:1)信号分布;2)与调制数字比特之间的映射关系。星座图中规定了星座点与传输比特间的对应关系,这种关系称为“映射”,一种调制技术的特性可由信号分布和映射完全定义,即可由星座图来完全定义。 调制技术的可靠性可由相邻星座点之间的最小距离来衡量,最小距离越大,抵抗噪声等干扰的能力越强,当然前提是信号的平均功率相同。当噪声等干扰的幅度小于最小距离的1/2时,解调器不会错判,即不会发生传输误码;当噪声等干扰的幅度大于最小距离的1/2时,将发生传输误码。 PSK只利用了载波的相位,它所有的星座点只能分布在半径相同的圆周上。当星座点较多时,星座点之间的最小距离就会很密,非常容易受到噪声干扰的影响。因此PSK一般只用在8PSK以下,常用的是BPSK和QPSK。当星座点进一步增加时,也即需要更高的频带利用率时,就要采用QAM调制了。QAM是幅度、相位联合调制的技术,它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特,因此在最小距离相同的条件下,QAM星座图中可以容纳更多的星座点,即可实现更高的频带利用率,目前QAM星座点最高已可达256QAM。   16QAM中规定了16种载波幅度和相位的组合。16QAM中每次调制可传输4个信息比特,这些信息比特是通过载波的16种幅度和相位组合来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的幅度和相位来判断发送端发送的信息比特。QAM也是二维调制技术,在实现时也采用正交调幅的方式,某星座点在I坐标上的投影去调制同相载波的幅度,在Q坐标上的投影去调制正交载波的幅度,然后将两个调幅信号相加就是所需的调相信号。   与PSK调制相比,QAM可传送更多的信息,频带利用率较高;但QAM会受到载波幅度失真的影响,其可靠性不如PSK。 返回目录 5.2眼图 在实际系统中,完全消除码间串扰是十分困难的,而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律,还不能进行准确计算。为了衡量数字传输系统的性能优劣,在实际测试中,通常用示波器或频谱仪来观察接收信号波形,以此来码间串扰和噪声对系统性能的影响,这就是通常所述的眼图分析法。 观察数字调制信号的另一方法是眼图。可以各分离的眼图:一个可表示I通道的数据,另一个表示Q通道的数据。眼图以无限的持久回扫模式显示IQ幅度与时间的关系。 如果将输入波形输入示波器的Y轴,并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时,在示波器上显示的图形很象人的眼睛,因此被称为眼图。二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”,当传输三元码时,会显示两只“眼睛”。眼图是由各段码元波形叠加而成的,眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻,位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。 在无码间串扰和噪声的理想情况下,波形无失真,“眼”开启得最大。当有码间串扰时,波形失真,引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响,则使眼图的线条变得模糊,“眼”开启得小了,因此,“眼”张开的大小表示了失真的程度。由此可知,眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响,可评价一个数字传输系统性能的优劣。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整,以减小码间串扰和改善系统的传输性能。通常眼图可以用上图所示的图形来描述。由此图可以看出:(1)眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。显然,最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。(2)眼图斜边的斜率,表示系统对定时抖动(或误差)的灵敏度,斜边越陡,系统对定时抖动越敏感。(3)眼图左(右)角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围,称为零点失真量,在许多接收设备中,定时信息是由信号零点位置来提取的,对于这种设备零点失真量很重要。(4)在抽样时刻,阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。(5)在抽样时刻上、下两阴影区间隔的一半是最小噪声容限,噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决;(6)横轴对应判决门限电平。 返回目录 第六章 数字调制质量的测试 EVM测试 在数字通信系统中调制质量的一个指标是EVM。在进行EVM测试时,分析仪对发射机的输出取样,以俘获真实的信号轨迹。通常信号被解调,并通过数学方法计算出参考信号。误差向量就是在特殊时间的理想参考信号与测试所得信号的向量差,它是一个复数量,具有幅度和相位分量。重要的是不要将误差向量的幅度与幅度误差混淆,不要将误差向量的相位与相位误差混淆。 调制分析测试仪 这里仅简单介绍Agilent ESA-E系列频谱分析仪 带有调制分析测量专用件(选件229)的Agilent ESA-E系列频谱分析仪提供组合数值和可视工具的通用频谱分析仪的灵活性,可帮助按所有主要蜂窝标准迅速识别和定量对数字调制信号的损伤。现在,ESA-E能在同一测量工具内提供频谱和矢量测量,从而可不需要其它测试设备,保证测量精度和最小化系统开发时间。 可对任何使用QPSK、OQPSK、II/4 DQPSK和EDGE(8PSK)基带调制制式的信号进行矢量调制分析。适用标准有cdmaOne、cdma2000、W-CDMA、NADC、EDGE、PDC和TETRA。 可用ESA-E系列频谱分析仪调制分析测量专用件测量衡量数字通信系统调制质量的最常用参数差错矢量幅度(EVM)。以及相关的I/Q幅度、I/Q相位、I/Q频率、I/Q偏置(载波馈通)和幅度下垂。显示工具包括I和Q眼图、极坐标矢量和星座图、幅度差错 - 符号显示、相位差错 - 符号显示和EVM - 符号显示。 返回目录 Base Station Transmitter Q I QPSK Mobile Station Transmitter Q I Offset QPSK � EMBED Equation.3 ��� _1101448866.unknown
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