移动通信调制技术的进展 转
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摘要：移动通信发展过程中，特别是第3代移动通信发展中，移动通信调制技术相比传统的无线通信调制技术已有相当的变革和进展。文章就现代移动通信调制技术：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看法。
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关键词：相位控制 频率调制 多进制调制 自适应调制
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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.
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Key words:Phase modulation Frequency modulation Multi－frequency modulat ion Adaptive modulation
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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。一般来说，就是把信息基带信号变为适合传输的高频带通信号的处理过程。调制是 各种通信都必不可少的最基本内容，但不同的通信系统和通信环境有不同的调制和解调技术 。调制技术的性能常用它的功率效率和带宽效率来衡量。 移动通信是通信条件和通信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。数字调制技术大体可以分为 ：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。如果更广义地来看待调 制问题，移动通信中的信号成型(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广泛的CDMA技术，已另有论述，本文将就现代 移动通信调制技术：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看法。 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、最常见的相位调制方式。BPSK信号可以用平衡调制器产生。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，从而获得好的接收性能。 (2)差分相移键控(DPSK)调制 DPSK是相移键控的非相干形式，它不需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，因此，在无线通信系统中广泛使用。虽然DPSK信号采用非相干解调有降低接 收机复杂度的优点，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，因此，它的带宽效率比BPSK高1倍。 QPSK调制在无线通信中被广泛应用。为了获得稳定的解调性能，改进的OQPSK调制和π/ 4 QPSK调制被应用在移动通信系统中。 QPSK信号的幅度非常恒定，然而，当QPSK进行波形成型(滤波)时，它们将失去恒包络的性质。偶尔发生的180° 相移，会导致信号的包络在瞬间通过零点。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信号即使在非线性放大后仍能保持其带限的性质，这就非常适合移动通信系统。当接收机由 于解调噪声造成相位抖动时，OQPSK信号的性能比QPSK要好。在第2代移动通信系统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°，因此，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能够非相干解调，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代移动通信系统中应用。 2 频率调制技术 目前，许多实际的移动通信系统都使用频率调制方法，不管调制信号如何改变，载波的幅度是恒定的。恒包络调制具有可以满足多种应用环境的优点：(1)可以使用功率效率高的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起的 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。类似于产生模拟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成比例，因而是连续的，但是非线形的。 由于FSK信号的复包络是调制信号的非线性函数，所以确定FSK信号的频谱相当困难。BFSK信号可以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。因此，MSK是一种高效的调制方法，具有恒包络、频谱利用率高、误比特率低和自同步等特点，特别适合在移动通信系统中使用。 实际上，MSK信号可以看成是一类特殊形式的OQPSK，它用半正弦脉冲代替了OQPSK中的基带矩形脉冲。MSK信号也可看成是一种特殊形式的连续相位FSK信号。因而，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。由于脉冲成型并不会引起平均相位曲线的偏离， GMSK信号可以作为MSK信号进行相干检测，或者作为一个简单的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起符号间的干扰。但如果滤波 器的3dB带宽与数据比特周期的乘积(BT)大于0.5，其BER性能的下降并不严重。因此，GMSK 调制是以牺牲BER性能而得到良好的功率效率和频谱效率，倍受第2代移动通信系统GSM青睐，并为第3代移动通信系统TD－CDMA的标准化建议采用。 GMSK的预调制高斯滤波器可以由BT完全确定。因此，习惯上使用BT乘积来定义GMSK，BT越小，因符号间干扰造成的系统性能下降越多。GMSK的误码率是BT的函数，在BT=0.5887时 ，由滤波器引起的符号间干扰造成的系统BER性能下降值最小，所需要的信噪比仅增加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，而通过同时改 变发射载波的包络和相位(或频率)来传输基带数字信号。由于包络和相位的改变提供了两个自由度，这样的调制技术可以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 ，因此，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信信道。 在多进制调制方式中，按载波被调制的是幅度、相位还是频率，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信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： 目前，采用正交频分复用(OFDM)方式作为提供高功率效率和高传输速率的多址接入技术，可以说是正交MFSK调制技术的演进，启发人们将公式(1)中的每一个频率都采用二进制数 据调制，这样就构成多路并行载波，每个载波都携带了用户的信息，因此，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： MPSK信号功率谱密度可以用类似处理BPSK和QPSK调制的方法得到，矩形脉冲的MPSK信号功率谱密度为： (3)多进制正交幅度调制(QAM) 在MPSK调制中，由于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小，会造成解调性能下降。如果我们充分利用整 个星座平面，将矢量端点合理分布，则有可能在不减少最小距离的情况下增加信号矢量的端 点数目，从而提高信息数据传输能力。基于上述概念可以同时改变载波的相位和幅度，获得 一种新的调制方法，称为QAM。 QAM调制方式与MPSK调制方式一样具有很高的频谱利用率，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。但是，QAM调制方式存在载波恢复和自动增益控制方面的问题，在无线通信系统中必须使用导频信号或均衡处理，因此现有的蜂窝移动通信系统 没有采用。随着无线IP通信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 分量，现在正被广泛研究。 应该看到，在瑞利衰落环境中，即使信噪比高，QAM传输也会因为无线信道的深衰落而造成解调产生突发错误。为此，可以采用功率控制技术，根据信道情况改变传输信号功率，使得传输过程中的星座图上矢量端点改变尽量小，改善解调性能，称为可变功率QAM调制方式。但是，增加发射功率会增加同信道干扰，造成系统容量下降。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，增加星座图上矢量端点数，而在衰落时，减少星 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，而减小数据速 率；在慢衰落时，增加数据速率。在平坦衰落信道中，自适应调制可以达到高的系统通信流量。可变速率、可变功率的QAM方式与非自适应调制方式相比，可以有20dB的功率增益。 4 自适应调制技术 由于采用多进制调制技术提高传输速率和频带利用率，需要增加星座图上信号点的数量 。然而，增加信号点意味着信号间的欧几里德距离减小，这会造成系统解调的BER性能下降 。多进制自适应调制方法是在正常的信号调制星座图中，根据各种情况(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代移动通信的发展，需要系统传送不同的多媒体业务，如果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，会造成系统BER性能的下降。最近，较多的研究考虑把多进制调制与其他信号处理方式结合起来，如功率控制、信道编码、接入监控等，获得稳定的通信质量和高的传输效率，特别是各种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 码得到，每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。这种方法可以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)与不同编码速 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1/2、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 们能提供比以前任何系统都好的功率/带宽效率。提供的模拟结果表明，总的来说，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，同时希望克服图像 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表明，在带宽和功率受限 的移动通信系统中，RS－MPSK编码调制方法能显著提高系统性能。 A.J. Goldsmmith 等人提出了加上Trellis编码的自适应调制的方法，可以将编码增益 提高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 都有非常好的特性。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－完全问题，在一定的情况下，它比传统的Trubo编码调制的增益高3dB。 5 结束语 未来的移动通信系统的一个重要标志是能提供极大的系统容量，而无线资源是非常有限 的，这就需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，采用时空编码提高通信能力，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，将会有令人关注的新结果，它将是移动通信调制技术研究的新课题。 |
和
是两个基本正交信号。因此，调制信号的星座图是二维的，所有信号点均匀分布在以原点为中心，
为半径的圆周上。
