现代移动通信中的调制技术研究Word文档格式.doc
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Abstract
Modulationofanyfrequencybandcommunicationsisthemostimportanttechnology.Modernmobilecommunicationsystemsusedigitalmodulation,usingdigitalmodulationtechniquestoimprovecommunicationsystemperformanceisalsoanimportantwaytoimprove.Thispaperstudiesseveralbasicdigitalmodulationmethodsandwhichwidelyusedinmodernmobilecommunicationinthenewdigitalmodulationtechniques.Then,usingsimulationsoftwareMATLABbeprogrammedsimulationtoobservethemodulationanddemodulationprocessofdrawingeachpartofthetimedomainwaveforms,andmodulationcombinedwithdigitalmodulationprinciple,trackandanalyzetheperformanceofeachpartoftheimpactonthemodulationandsimulationreliabilityofthemodel.Finally,analysisingandcomparingtheperformanceofvariousmodulationtechniquesbasedonthesimulation.
Keywords:
mobilecommunications;
digitalmodulation;
analysisandsimulation;
MATLAB
目录
第1章绪论 7
1.1移动通信技术概述 7
1.2调制技术 7
1.2.1调制技术的概念 7
1.2.2调制技术的分类 7
1.3数字调制的意义 8
1.4MATLAB在通信系统仿真中的应用 8
第2章基本数字调制系统的原理 8
2.1二进制数字调制的原理 8
2.1.1二进制幅度键控（2ASK） 8
2.1.2二进制频移键控（2FSK） 8
2.1.3二进制相移键控（2PSK） 8
2.1.4二进制差分相移键控（2DPSK） 8
2.2多进制数字调制 8
2.3二进制数字调制方式的性能比较 8
第三章新型调制系统的原理 8
3.1最小频移键控（MSK） 8
3.1.1MSK信号的基本原理 8
3.1.2MSK信号的产生 8
3.1.3MSK信号的解调 8
3.2高斯滤波最小频移键控（GMSK） 8
3.2.1GMSK调制原理 8
3.2.2GMSK解调原理 8
3.2.3GMSK的功率谱密度 8
3.3四相相移键控（QPSK） 8
3.3.1QPSK的基本原理 8
3.3.2QPSK的调制原理 8
3.3.3QPSK解调原理 8
3.4交错正交相移键控（OQPSK） 8
3.4.1OQPSK基本原理 8
3.4.2OQPSK的调制原理 8
3.4.3OQPSK的解调原理 8
3.5正交频分复用（OFDM） 8
3.5.1OFDM概述 8
3.5.2OFDM的基本原理 8
3.5.3OFDM的实现 8
3．6正交幅度调制（QAM） 8
3.6.1QAM表示式 8
3.6.2MQAM的信号的矢量表示 8
3.6.3QAM的星座图 8
3.6.4星座图的选择参数 8
3.6.5矩形星座MQAM信号的产生 8
3.6.616QAM的调制信号调制原理 8
3.7数字调制技术的应用 8
第4章数字调制系统的仿真和结果分析 8
4.1数字调制系统的仿真分析 8
4.2MSK信号仿真 8
4.2.1MSK信号仿真思路 8
4.2.2MSK信号的仿真结果分析 8
4.3QPSK信号仿真 8
4.3.1QPSK信号的仿真思路 8
4.3.2QPSK信号仿真结果分析 8
4.4QAM信号仿真 8
4.4.116QAM的仿真思路 8
4.4.216QAM仿真结果分析 8
结论 8
参考文献 8
致谢 8
附录 8
第1章绪论
1.1移动通信技术概述
移动通信技术是在20世纪80年代开始发展起来的，移动通信技术的发展速度远远超过固定网络技术，普及范围相当广泛。
ITU预计2010年全球移动蜂窝用户数量将达到50亿，人们对移动通信的需求推动了移动通信技术的快速发展，至今，移动通信已经历了20世纪80年代的第一代模拟技术（1G）和90年代的第二代窄带数字技术（2G）这两个发展阶段。
近些年来，随着无线通信宽带化技术的突破，移动通信正在向以CDMA为基础，以宽带化通信为特征的第三代3G技术发展，伴随着第三代移动通信技术（3G）逐步实施，移动通信未来的发展及演进问题成了研究热点，因此第四代移动通信技术（4G）被提出。
移动通信经历了1G和2G，完成了从模拟技术向数字技术的过渡，现正在向3G过渡和走向更远的4G，把移动通信从窄带推向宽。
1.2调制技术
1.2.1调制技术的概念
在移动通信中，信源产生的原始信号绝大部分需要经过调制，变换为适合于在信道内传输的信号，才能在线路中传输。
把输入信号变换为适合于通过信道传输的波形，这一变换过程成为调制。
通常把原始信号称为调制信号，也称基带信号；
被调制的高频周期性脉冲起运载原始信号的作用，因此称载波。
调制技术其实也就是实现了信源与信道的频带匹配。
调制技术主要有一下3个方面的功能。
1.频率变换：
为了采用无线传送方式，如将（0.3MHz～3.4kHz）有效带宽内的信号调制到高频段上去。
2.实现信道复用：
例如将多路型号互不干扰地安排在同一物理信道中传输。
3.提高抗干扰性：
抗干扰性（即可靠性）与有效性互相制约，通常可通过牺牲有效性来提高抗干扰性，如FM替代AM。
1.2.2调制技术的分类
调制器模型如图1-1所示。
图1-1调制系统模型
图1-1中，是源信号通常用于调制载波的幅度、频率、相位，也称调制信号；
是载波信号；
是已调信号，可能是调幅信号，也可能是调频信号等。
调制技术自从产生到现在为止，经历了很多代的变化，新型调制技术层出不穷。
调制技术的分类方法有很多种，一般来讲，可以从以下几个角度对调制技术进行分类，如表1-1所列。
表1-1调制技术的分类
按信号的不同分
模拟调制，特点：
是连续信号
数字调制，特点：
是数字信号
按载波信号不同分
连续波调制，特点：
连续，如
脉冲调制，特点：
为脉冲，如周期矩形脉冲序列
按调制器功能的功能分
幅度调制，特点：
用改变的幅度，如AM、DSB、SSB、VSB
频率调制，特点：
用改变的频率，如FM
相位调制，特点：
用改变的相位，如PM
按调制器传输函数来分
线性调制，特点：
调制前后的频谱呈现线性搬移关系
非线性调制,特点：
无上述关系，且调制后产生许多新成份
1.3数字调制的意义
现代移动通信系统都使用数字调制技术。
现有的通信系统都在由模拟方式向数字方式过渡，数字通信具有很多模拟通信不可比拟的优势，数字通信技术采用数字技术进行加密和差错控制，便于集成。
因此这里我们重点讨论数字调制技术。
数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。
根据控制的载波参量的不同，数字调制有调幅、调相和调频三种基本形式，并可以派生出多种其他形式。
由于传输失真、传输损耗以及保证带内特性的原因，基带信号不适合在各种信道上进行长距离传输。
为了进行长途传输，必须对数字信号进行载波调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。
因此，大部分现代通信系统都使用数字调制技术。
另外，由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入综合业务数字网（ISDN网），所以通信系统都有由模拟方式向数字方式过渡的趋势。
因此，对数字通信系统的分析与研究越来越重要，数字调制作为数字通信系统的重要部分之一，对它的研究也是有必要的。
通过对调制系统的仿真，我们可以更加直观的了解数字调制系统的性能及影响性能的因素，从而便于改进系统，获得更佳的传输性能。
1.4MATLAB在通信系统仿真中的应用
MATLAB是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。
其编程功能简单,并且很容易扩展和有创造新的命令与函数。
应用可方便地解决复杂数值计算问题。
具有强大的Simulink动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。
Simulink支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统;
Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。
用户可以在和Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。
用于实现通信仿真的通信工具包（Communicationtoolbox,也叫Commlib,通信工具箱）是语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在环境下独立使用,也可以配合Simulink使用。
另外，MATLAB的图形界面功能GUI（GraphicalUserInterface）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。
因此，在通信系统仿真中得到了广泛应用，本文也选用该工具对数字调制系统进行仿。
第2章基本数字调制系统的原理
数字调制的目的是使所传送的信息能够很好地适应于信道特性，以达到最有效、最可靠的传播。
在移动通信中，由于颠簸传输的条件极其恶劣，是接收信号幅度发生很大的变化，衰减幅度达到最小。
因此，在移动通信中必须采用抗干扰能力强的调制方式。
调频制在抗干扰和抗衰落性能上优于调幅制，但调频制也存在着固有的缺点，需要占用较大的带宽，同时还存在着门限效应。
当然要同时实现这些最佳的特性是不可能的，因为每种特性都有其局限性，且互相之间会有矛盾。
例如，要获得较高的带宽效率，可选用多电平调制，但它要求线性放大，因此会使功率效率降低，而且已调波的包络变化大。
如果采用恒包络调制，因要求非线性放大，所以它具有高的功率效率，但又会引起较大的带外辐射。
因此，只能折中考虑上述要求。
总之，采用调制技术的最终目的，就是使调制以后的调制信号对于干扰有较强的抵抗作用，同时对相邻的信道信号干扰较小，解调方便且易于集成。
数字调制可以分为二进制调制和多进制调制，多进制调制是二进制调制的推广。
近年来随着移动通信的快速发展，调制技术也随之快速发展，基础的调制技术已不能满足现代移动通信的要求，因此在原有调制技术的基础之上发展而来的调制技术有MSK、GMSK、QPSK、OQPSK、OFDM等。
下面介绍二进制调制方式以及新型的调制方式。
2.1二进制数字调制的原理
2.1.1二进制幅度键控（2ASK）
振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。
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。
那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。
2ASK信号功率谱密度的特点如下：
（1）由连续谱和离散谱两部分构成；
连续谱由传号的波形g（t）经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；
（2）已调信号的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。
2.1.2二进制频移键控（2FSK）
频移键控是利用两个不同频率f1和f2的振荡源来代表信号1和0，用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。
在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。
对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B=2xF+2Fb,xF是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以二进制频移键控的信号带宽B较大，频带利用率小。
2FSK功率谱密度的特点如下：
（1）2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分构成,离散谱出现在和位置；
（2）功率谱密度中的连续谱部分一般出现双峰。
若两个载频之差|，则出现单峰。
2.1.3二进制相移键控（2PSK）
在相移键控中，载波相位受数字基带信号的控制，如在二进制基带信号中为0时，载波相位为0或π，为1时载波相位为π或0，从而达到调制的目的。
2PSK信号的功率密度有如下特点：
（1）由连续谱与离散谱两部分组成；
（2）带宽是绝对脉冲序列的二倍；
（3）与2ASK功率谱的区别是当P＝1/2时，2PSK无离散谱，而2ASK存在离散谱。
2.1.4二进制差分相移键控（2DPSK）
前面讨论的2PSK信号中，相位是以未调载波的相位作为参考基准的。
由于它利用载波相位的绝对数值表示数字信息，所以又称为绝对相移。
2PSK在进行相干解调时，由于载波恢复中相位有0、模糊性，导致解调过程中出现“反向工作”现象，恢复出的数字信号“1”和“0”倒置，从而使2PSK难以实际应用。
为了克服此缺点，提出了二进制差分数字相移键控（2DPSK）方式。
2.2多进制数字调制
上面所讨论的都是在二进制数字基带信号的情况，在实际应用中，我们常常用一种称为多进制（如4进制，8进制，16进制等）的基带信号。
多进制数字调制载波参数有M种不同的取值，多进制数字调制比二进制数字调制有两个突出的优点：
一是由于多进制数字信号含有更多的信息使频带利用率更高；
二是在相同的信息速率下持续时间长，可以提高码元的能量，从而减小由于信道特性引起的码间干扰。
现实中用得最多的一种调制方式是多进制相移键控（MPSK）。
多进制相移键控又称为多相制，因为基带信号有M种不同的状态，所以它的载波相位有M种不同的取值，这些取值一般为等间隔。
多进制相移键控有绝对移相和相对移相两种，实际中大多采用四相绝对移相键控（4PSK，也称QPSK），四相制的相位有0、π/2、π、3π/2四种，分别对应四种状态11、01、00、10。
2.3二进制数字调制方式的性能比较
2ASK和2PAK所需要的带宽是码元速率的2倍；
2FSK所需的带宽比2ASK和2PAK都要高。
各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比r。
在抗加性高斯白噪声方面，相干2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最差。
ASK是一种应用最早的基本调制方式。
其优点是设备简单，频带利用率较高；
缺点是抗噪声性能差，并且对信道特性变化敏感，不易是抽样判决器工作在最佳判决门限状态。
FSK是数字通信中不可或缺的一种调制方式。
其优点是抗干扰能力较强，不受信道参数变化的影响，因此FSK特别适合应用于衰落信道；
缺点是占用频带较宽，尤其是MFSK，频带利用率较低。
目前，调频体制主要应用于中，低速数据传输中。
PSK和DPSK是一种高传输效率的调制方式，其抗噪声能力比ASK和FSK都强，且不易受信道特性变化的影响，因此在高、中速数据传输中得到了广泛的应用。
绝对相移（PSK）在相干解调时存在载波相位模糊度的问题，在实际中很少采用于直接传输，MDPSK应用更为广泛。
和ASK、FSK、PSK、和DPSK对应，分别有MASK、MFSK、MPSK和MDPSK。
这些多进制数字键控的一个码元中包括更多的信息量。
但是，为了得到相同的误比特率，它们需要使用更大的功率或占用更宽的频带。
第三章新型调制系统的原理
3.1最小频移键控（MSK）
3.1.1MSK信号的基本原理
MSK波形有多种表示形式。
下面是其中一种：
（3.1）
f为载波频率，A为振幅，信号的功率E与成正比，相位a（t）携带了所有的信息，其中
，（3.2）
为初始相位，我们认为它是已知的。
0.5为调制指数，它决定了一个符号带来的相位变化,,为相位平滑函数，它很大程度上决定了信号的形状继而影响到性能。
给定输入序列，MSK的相位轨迹如图3-1所示。
各种可能的输入序列所对应的所有可能路径如图3-2所示。
图3-1MSK的相位序列
图3-2MSK可能的相位轨迹
为一个分段函数:
当时，，当时，。
其中L可以被看作调制方法的记忆长度，它决定了每一个符号究竟影响到该符号以后的多少个符号间隔。
实际上MSK属于连续相位调制（CPM）的一种，在CPM中L=1时被称作全响应调制，当L时被称作部分响应调制。
MSK属于全响应调，即L=1。
从MSK的表达式可以得知，MSK的相位是由两部分组成的，一部分是载波随时间连续增加的相位，另外一部分是携带信息的附加相位，它与原始数据息息相关，可以被称为基带相位.
一般移频键控（2FSK）两个信号波形具有以下的相关系数:
（3.3）
其中
（3.4）
因为MSK是一种正交调制，其信号波形的相关系数等于零，所以上式等号右侧的第一项和第二项均应为零。
第一项等于零的条件是=,（K=1，2，3……）令k等于其最小值1，则得到
（3.5）
即传号频率和空号频率在一个符号周期内的相位累计严格的相差180。
式（3-3）中等号右侧第二项等于零的条件是Þ
。
综上所述得到的频率约束关系:
，；
，；
，（3.6）
在一个符号周期内必须包含四分之一载波周期的整数倍。
载波频率和传号频率相差四分之一符号速率，与空号频率也相差四分之一的符号速率:
；
（3.7）
从（3.2）式可以看出，在一个码元周期内，其基带相位
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