移动通讯调制技术的进展 转

摘要：移动通讯发展过程当中，特别是第3代移动通讯发展中，移动通讯调制技术相比传统的无线通讯调制技术已有至关的变革和进展。文章就现代移动通讯调制技术：相位调制技术、频率调制技术、多进制调制技术、自适应调制技术进行讨论，并对相关技术性能和应用进行分析，最后提出对进一步发展的见解。

关键词：相位控制 频率调制 多进制调制 自适应调制

Abstract:In the development process of mobile communications especially the third－ge neration mobile communications, the modulation technique has undergone great evo lution from the traditional radio modulation. The paper discusses some modern mo dulation techniques: Phase Modulation, Frequency Modulation and Multi－Frequency Modulation, with analyses of their technical features and applications. Persona l views on the further development of the modulation technique are also provided at the end of the paper.

Key words:Phase modulation Frequency modulation Multi－frequency modulat ion Adaptive modulation

文章编号：1009－6868(2001)03－0052－05 文献标识码：A 中图分类号：TN929 .5 　　调制就是把要传送的信息数据(或信息信号)进行处理，使其变为适合于无线传输的信号形态 的过程。通常来讲，就是把信息基带信号变为适合传输的高频带通讯号的处理过程。调制是 各类通讯都必不可少的最基本内容，但不一样的通讯系统和通讯环境有不一样的调制和解调技术 。调制技术的性能经常使用它的功率效率和带宽效率来衡量。 　　移动通讯是通讯条件和通讯环境最苛刻最恶劣的，但也是应用和市场发展最快的。一个 好的调制方法和技术，要能在低的接收信噪比条件下提供低误比特率解调性能，在移动环境 下抗无线信道衰落能力强，占用带宽最小，容易实现，价格低。数字调制技术大致能够分为 ：相位调制技术、频率调制技术、多进制调制技术、扩频调制技术。若是更广义地来看待调 制问题，移动通讯中的信号成型(滤波)技术、编码技术、时空分集技术也是实现上述3个要 求的调制处理技术。扩频调制技术是目前使用普遍的CDMA技术，已另有论述，本文将就现代 移动通讯调制技术：相位调制技术、频率调制技术、多进制调制技术、自适应调制技术进行 讨论，并对相关技术性能和应用进行分析，最后提出对进一步发展的见解。 　　1 相位调制技术 　　(1)二进制相移键控(BPSK)调制 　　BPSK调制是最基本、最多见的相位调制方式。BPSK信号能够用平衡调制器产生。解调必须使用相干(或同步)解调方法同步恢复载波的相位和频率，从而得到好的接收性能。 　　(2)差分相移键控(DPSK)调制 　　DPSK是相移键控的非相干形式，它不须要在接收端有相干参考信号。非相干接收机实现 容易且价格低，所以，在无线通讯系统中普遍使用。虽然DPSK信号采用非相干解调有下降接 收机复杂度的优势，但它的能量效率比相干接收低3dB。 　　(3)四相相移键控(QPSK)调制 　　采用QPSK调制技术，一次调制能传输2比特数据，所以，它的带宽效率比BPSK高1倍。 　　QPSK调制在无线通讯中被普遍应用。为了得到稳定的解调性能，改进的OQPSK调制和π/ 4 QPSK调制被应用在移动通讯系统中。 　　QPSK信号的幅度很是恒定，然而，当QPSK进行波造成型(滤波)时，它们将失去恒包络的性质。偶尔发生的180° 相移，会致使信号的包络在瞬间经过零点。为了减轻这个问题的有害影响，一种称为偏移或参差QPSK(OQPSK)调制方式被提出，它能支持比较高效的放大器。 　　OQPSK调制信号的奇比特流和偶比特流在时间上错开1个比特，消除了相位跳变。OQPSK信号即便在非线性放大后仍能保持其带限的性质，这就很是适合移动通讯系统。当接收机由 于解调噪声形成相位抖动时，OQPSK信号的性能比QPSK要好。在第2代移动通讯系统IS－95中 ，上行链路就是采用的OQPSK调制方式。 　　π/4QPSK调制是一种正交相移键控调制技术，从最大相位跳变来看，它是OQPSK和QPSK 的折衷，为±135°，所以，带限π/4 QPSK信号比带限QPSK有更好的恒包络性质。π/4 QPS K最吸引人的特性是它可以非相干解调，这使得接收机的设计大大简化。π/4 QPSK信号差分 检测(非相干解调)的BER性能比QPSK低3dB；而用相干解调时，其BER性能与QPSK相同。 这种方法已在日本的第2代移动通讯系统中应用。 　　2 频率调制技术 　　目前，许多实际的移动通讯系统都使用频率调制方法，无论调制信号如何改变，载波的幅度是恒定的。恒包络调制具备能够知足多种应用环境的优势：(1)可使用功率效率高的C 类放大器，不会使信号占用的频谱增大；(2)带外辐射低，可达－60dB到－70dB；(3)可用限 幅器－鉴频器检测，从而简化接收机的设计，并能很好地克服随机噪声和有瑞利衰落引发的 信号波动。但恒包络调制占用的带宽比线性调制的大。典型的频率调制技术有： 　　(1)二进制频移键控(BFSK)调制 　　在BFSK调制中，幅度恒定不变的载波信号频率随着两个信息状态改变(1或0)而切换。常 用的产生FSK信号的方法是使用信号波形对单一载波振荡器进行频率调制。相似于产生模拟FM信号，只是调制信号为二进制波形，载波相位函数与调制信号的积分红比例，于是是连续的，可是非线形的。 　　因为FSK信号的复包络是调制信号的非线性函数，因此肯定FSK信号的频谱至关困难。BFSK信号能够采用相干或非相干的检测方法。 　　(2)最小频移键控(MSK)调制 　　MSK是一种特殊的连续相位的频移键控(CPFSK)调制技术，其最大频移为数据比特率的1/4，也就是说，MSK是调制系数为0.5的连续相位FSK调制。所以，MSK是一种高效的调制方法，具备恒包络、频谱利用率高、误比特率低和自同步等特色，特别适合在移动通讯系统中使用。 　　实际上，MSK信号能够当作是一类特殊形式的OQPSK，它用半正弦脉冲代替了OQPSK中的基带矩形脉冲。MSK信号也可当作是一种特殊形式的连续相位FSK信号。于是，MSK信号有多 种表达形式。 　　(3)高斯最小频移键控(GMSK)调制 　　GMSK调制是由MSK演变而来的一种简单的二进制调制方法。因为脉冲成型并不会引发平均相位曲线的偏离， GMSK信号能够做为MSK信号进行相干检测，或者做为一个简单的FSK信 号进行非相干检测。尽管预调制高斯滤波器在发射信号中会引发符号间的干扰。但若是滤波 器的3dB带宽与数据比特周期的乘积(BT)大于0.5，其BER性能的降低并不严重。所以，GMSK 调制是以牺牲BER性能而获得良好的功率效率和频谱效率，倍受第2代移动通讯系统GSM青睐，并为第3代移动通讯系统TD－CDMA的标准化建议采用。 　　GMSK的预调制高斯滤波器能够由BT彻底肯定。所以，习惯上使用BT乘积来定义GMSK，BT越小，因符号间干扰形成的系统性能降低越多。GMSK的误码率是BT的函数，在BT=0.5887时 ，由滤波器引发的符号间干扰形成的系统BER性能降低值最小，所须要的信噪比仅增长0.14dB。 　　3 多进制调制技术 　　现代调制技术的进展，已经开始走出仅仅对相位或频率单一调制的方式，而经过同时改 变发射载波的包络和相位(或频率)来传输基带数字信号。因为包络和相位的改变提供了两个自由度，这样的调制技术能够将基带信息数据映射到4种或更多参数改变的射频载波信号上 ，所以，这种调制技术称之为多进制调制，它与单独的相位调制或频率调制相比，有更高的信息数据传送能力。多进制调制技术特别适合于追求频带利用率的带宽受限的通讯信道。 　　在多进制调制方式中，按载波被调制的是幅度、相位仍是频率，分别称为多进制频率调制、多进制相位调制和多进制正交幅度调制。同时改变载波的幅度和相位的调制方法是目前移动通讯调制技术研究的热门课题。 　　(1)多进制频率(MFSK)调制 　　MFSK调制信号为： 　　 　　其中，对于某些固定的ncfc=nc/2Ts。M个传输信号具备相同的能量和时间长度，信号频率彼此间隔1/2TsHz，相互正交。MFSK信号能够用相干或非相干的方法检测。MFSK信号的 带宽效率随着M的增长而下降。若是它的M个信号都是正交的，互不干扰，功率效率随着M增长而增长。另一个优势是MFSK信号可用非线性放大器进行放大，不会引发性能下降。 　　目前，采用正交频分复用(OFDM)方式做为提供高功率效率和高传输速率的多址接入技术，能够说是正交MFSK调制技术的演进，启发人们将公式(1)中的每个频率都采用二进制数 据调制，这样就构成多路并行载波，每一个载波都携带了用户的信息，所以，它可在一个信道 内传送大量用户的信息。 　　(2)多进制相位(MPSK)调制 　　MPSK调制是多进制相位调制，载波相位按信息数据比特，取M个可能相位值中的一个，即θi=2(i－1)π/M,i=1,2,…M。那MPSK一次调制可传送log2M比特的信息数据，调制信号为： 　　 　　其中，Es=(log2M)Eb是每一个符号(至关于一次调制所能传送的比特数)的能量，Ts=(log2M)Tb是符号周期，和是两个基本正交信号。所以，调制信号的星座图是二维的，全部信号点均匀分布在以原点为中心，为半径的圆周上。 　　MPSK信号功率谱密度能够用相似处理BPSK和QPSK调制的方法获得，矩形脉冲的MPSK信号功率谱密度为： 　　 　　从上式(3)可知，在数据速率不变的状况下，MPSK信号的主瓣随着M的增长而减少，即带 宽效率随之增长。但M增长意味着星座图上的点更加紧密，功率效率于是下降。为此，若是 在移动通讯系统中采用GMSK调制方式，须要使用导频或均衡，须要有比BPSK等一维调制信号 更高的解调处理能力。因此，在目前的移动系统中，MPSK调制方式并无应用。 　　(3)多进制正交幅度调制(QAM) 　　在MPSK调制中，因为传输信号的幅度保持恒定，它的星座图是圆形的。随着M的增大 ，星座图上矢量端点之间的最小距离随之减少，会形成解调性能降低。若是咱们充分利用整 个星座平面，将矢量端点合理分布，则有可能在不减小最小距离的状况下增长信号矢量的端 点数目，从而提升信息数据传输能力。基于上述概念能够同时改变载波的相位和幅度，得到 一种新的调制方法，称为QAM。 　　QAM调制方式与MPSK调制方式同样具备很高的频谱利用率，其功率谱和带宽效率也与MPSK调制方式相同，而功率效率优于MPSK。可是，QAM调制方式存在载波恢复和自动增益控制方面的问题，在无线通讯系统中必须使用导频信号或均衡处理，所以现有的蜂窝移动通讯系统 没有采用。随着无线IP通讯业务的高速数据速率的传输需求，采用微蜂窝和微微蜂窝，使得 无线信道的传输特性发生了很大的变化，在发射机和接收机之间就容易建构很强的主径信号 份量，如今正被普遍研究。 　　应该看到，在瑞利衰落环境中，即便信噪比高，QAM传输也会由于无线信道的深衰落而形成解调产生突发错误。为此，能够采用功率控制技术，根据信道状况改变传输信号功率，使得传输过程当中的星座图上矢量端点改变尽可能小，改善解调性能，称为可变功率QAM调制方式。可是，增长发射功率会增长同信道干扰，形成系统容量降低。对此，提出了根据信道情 况改变调制的电平数量，即信道条件好时，增长星座图上矢量端点数，而在衰落时，减小星 座图上矢量端点数，使得系统的误码性能保持稳定，发射功率也基本恒定的自适应QAM调制 方式及可变速率QAM调制方式。这意味着在快衰落时，为保持 BER近似不变，而减少数据速 率；在慢衰落时，增长数据速率。在平坦衰落信道中，自适应调制能够达到高的系统通讯流量。可变速率、可变功率的QAM方式与非自适应调制方式相比，能够有20dB的功率增益。 　　4 自适应调制技术 　　因为采用多进制调制技术提升传输速率和频带利用率，须要增长星座图上信号点的数量 。然而，增长信号点意味着信号间的欧几里德距离减少，这会形成系统解调的BER性能降低 。多进制自适应调制方法是在正常的信号调制星座图中，根据各类状况(信道特性、信息业 务、QOS要求、实时性能等)改变星座图中信号点的数量，以达到改变数据速率和改善传输质 量的目的。目前，第3代移动通讯的发展，须要系统传送不一样的多媒体业务，若是仅仅采用上述的单项调制技术，或单项调制技术的自适应方式，会形成系统BER性能的降低。最近，较多的研究考虑把多进制调制与其余信号处理方式结合起来，如功率控制、信道编码、接入监控等，得到稳定的通讯质量和高的传输效率，特别是各类自适应信道编码调制技术。这些方法都是将信道编码技术和数字调制技术结合起来，以提供好的系统性能。 　　E. Okamoto等人提出了采用20QAM－BCM(分组编码调制)的方法，编码增益由多电平的编 码获得，每一个电平的数据被编码，编码后的比特被映射成星座图上的信号端点后传输。BCM 用来增大星座图上信号端点之间最小的欧几里德距离。这种方法能够提供可变速率的数据传 输和好的BER性能。 　　P. Moqvist提出了将频率响应为2RC和3RC的低复杂度连续相位调制(CPM)与不一样编码速 率的卷积码结合，构成为二进制、四进制、八进制和十六进制，频率响应为2RC、3RC的CPM 与外速率为1/二、2/3和3/4的卷积码结合的低复杂度串行连锁连续相位调制(SCCPM)系统，它 们能提供比之前任何系统都好的功率/带宽效率。提供的模拟结果代表，总的来讲，调制指 数高的方式产生低的BER，而频率响应为2RC的性能比3RC的好。 　　L.J.Zhang等人考虑在传输前采用图像压缩方法期待高的频谱效率，同时但愿克服图像 对信道噪声比较敏感的问题，提出了将Reed－Solomon(RS)码与MPSK相结合的编码调制方式 ，用于Rayleigh衰落信道中压缩图像的传输。理论分析和模拟结果代表，在带宽和功率受限 的移动通讯系统中，RS－MPSK编码调制方法能显著提升系统性能。 　　A.J. Goldsmmith 等人提出了加上Trellis编码的自适应调制的方法，能够将编码增益 提升5dB左右。P. Robertson 等人提出了加上Trubo编码的调制方法，在高斯和衰落信道中 都有很是好的特性。S. Vishwanath等人进一步提出了自适应Trubo编码调制方法，此方法的优化问题是一个NP－彻底问题，在必定的状况下，它比传统的Trubo编码调制的增益高3dB。 　　5 结束语 　　将来的移动通讯系统的一个重要标志是能提供极大的系统容量，而无线资源是很是有限 的，这就须要研究带宽效率和功率效率都很高的新的调制技术，实现自适应调制的编码调制 方式就是为了达到这个目的。此外，发射分集技术的兴起，采用时空编码提升通讯能力，为 自适应调制技术的研究提供了新的发展空间，把时空编码与多进制调制结合起来，加上自适 应处理，将会有使人关注的新结果，它将是移动通讯调制技术研究的新课题。