移動通信中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)與畢業(yè)論文

1、畢業(yè)設(shè)計說明書移動通信中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)與仿真實(shí)現(xiàn)信息與通信工程學(xué)院學(xué)生姓名： 學(xué)號： 通信工程學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2012年 6 月移動通信中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)與仿真實(shí)現(xiàn)摘要調(diào)制技術(shù)是任何頻帶通信中最重要的一項(xiàng)技術(shù)?，F(xiàn)代移動通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)，數(shù)字調(diào)制技術(shù)的改進(jìn)也是通信系統(tǒng)性能提高的重要途徑。本文首先研究了幾種基本的數(shù)字調(diào)制方式和廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代移動通信中的新型數(shù)字調(diào)制技術(shù)。然后，運(yùn)用仿真軟件MATLAB對其進(jìn)行編程仿真，通過仿真圖形觀察了調(diào)制解調(diào)過程中各環(huán)節(jié)的時域波形，并結(jié)合數(shù)字調(diào)制技術(shù)的調(diào)制原理，跟蹤分析了各個環(huán)節(jié)對調(diào)制性能的影響及仿真模型的可靠性。最后，在仿真的基礎(chǔ)上分析比

2、較了各種調(diào)制技術(shù)的性能。關(guān)鍵詞：移動通信；數(shù)字調(diào)制；分析與仿真；MATLAB移動通信中的數(shù)字調(diào)制技術(shù)與仿真實(shí)現(xiàn)AbstractModulation of any frequency band communications is the most important technology. Modern mobile communication systems use digital modulation, using digital modulation techniques to improve communication system performance is also an impo

3、rtant way to improve. This paper studies several basic digital modulation methods and which widely used in modern mobile communication in the new digital modulation techniques. Then, using simulation software MATLAB be programmed simulation to observe the modulation and demodulation process of drawi

4、ng each part of the time domain waveforms, and modulation combined with digital modulation principle, track and analyze the performance of each part of the impact on the modulation and simulation reliability of the model. Finally, analysising and comparing the performance of various modulation techn

5、iques based on the simulation.Key words: mobile communications; digital modulation; analysis and simulation; MATLAB目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327097824 1 緒論 PAGEREF _Toc327097824 h 1 HYPERLINK l _Toc327097825 1.1 移動通信技術(shù)概述 PAGEREF _Toc327097825 h 1 HYPERLINK l _Toc327097826 1.2 調(diào)制技術(shù) PAGEREF _

6、Toc327097826 h 1 HYPERLINK l _Toc327097827 1.2.1 調(diào)制技術(shù)的概念 PAGEREF _Toc327097827 h 1 HYPERLINK l _Toc327097828 1.2.2 調(diào)制技術(shù)的分類 PAGEREF _Toc327097828 h 1 HYPERLINK l _Toc327097829 1.3 數(shù)字調(diào)制的意義 PAGEREF _Toc327097829 h 2 HYPERLINK l _Toc327097830 1.4 MATLAB在移動通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc327097830 h 2 HYPERLINK l

7、 _Toc327097831 2 基本數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理 PAGEREF _Toc327097831 h 4 HYPERLINK l _Toc327097832 2.1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的原理 PAGEREF _Toc327097832 h 4 HYPERLINK l _Toc327097833 2.1.1 二進(jìn)制幅度鍵控（2ASK） PAGEREF _Toc327097833 h 4 HYPERLINK l _Toc327097834 2.1.2 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK） PAGEREF _Toc327097834 h 5 HYPERLINK l _Toc327097835 2.1.3 二進(jìn)

8、制相移鍵控（2PSK） PAGEREF _Toc327097835 h 5 HYPERLINK l _Toc327097836 2.1.4 二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK） PAGEREF _Toc327097836 h 5 HYPERLINK l _Toc327097837 2.2 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 PAGEREF _Toc327097837 h 6 HYPERLINK l _Toc327097838 2.3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式的性能比較 PAGEREF _Toc327097838 h 6 HYPERLINK l _Toc327097839 3 新型調(diào)制系統(tǒng)的原理 PAGEREF _Toc32

9、7097839 h 8 HYPERLINK l _Toc327097840 3.1 最小頻移鍵控（MSK） PAGEREF _Toc327097840 h 8 HYPERLINK l _Toc327097841 3.1.1 MSK信號的基本原理 PAGEREF _Toc327097841 h 8 HYPERLINK l _Toc327097842 3.1.2 MSK信號的產(chǎn)生 PAGEREF _Toc327097842 h 10 HYPERLINK l _Toc327097843 3.1.3 MSK信號的解調(diào) PAGEREF _Toc327097843 h 11 HYPERLINK l _To

10、c327097844 3.2 高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK） PAGEREF _Toc327097844 h 11 HYPERLINK l _Toc327097845 3.2.1 GMSK調(diào)制原理 PAGEREF _Toc327097845 h 12 HYPERLINK l _Toc327097846 3.3 四相相移鍵控（QPSK） PAGEREF _Toc327097846 h 15 HYPERLINK l _Toc327097847 3.3.1 QPSK的基本原理 PAGEREF _Toc327097847 h 15 HYPERLINK l _Toc327097848 3.3.2 QP

11、SK的調(diào)制原理 PAGEREF _Toc327097848 h 17 HYPERLINK l _Toc327097849 QPSK解調(diào)原理 PAGEREF _Toc327097849 h 18 HYPERLINK l _Toc327097850 3.4 交錯正交相移鍵控（OQPSK） PAGEREF _Toc327097850 h 19 HYPERLINK l _Toc327097851 3.4.1 OQPSK基本原理 PAGEREF _Toc327097851 h 19 HYPERLINK l _Toc327097852 3.4.2 OQPSK的調(diào)制原理 PAGEREF _Toc327097

12、852 h 20 HYPERLINK l _Toc327097853 3.5 正交頻分復(fù)用（OFDM） PAGEREF _Toc327097853 h 20 HYPERLINK l _Toc327097854 3.5.1 OFDM概述 PAGEREF _Toc327097854 h 20 HYPERLINK l _Toc327097855 OFDM的基本原理 PAGEREF _Toc327097855 h 21 HYPERLINK l _Toc327097856 3.5.3 OFDM的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc327097856 h 23 HYPERLINK l _Toc327097857

13、 3.6 數(shù)字調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用 PAGEREF _Toc327097857 h 25 HYPERLINK l _Toc327097858 4 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的仿真和結(jié)果分析 PAGEREF _Toc327097858 h 27 HYPERLINK l _Toc327097859 4.1 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的仿真分析 PAGEREF _Toc327097859 h 27 HYPERLINK l _Toc327097860 4.2 MSK信號仿真 PAGEREF _Toc327097860 h 28 HYPERLINK l _Toc327097861 MSK信號仿真思路 PAGEREF _Toc327097

14、861 h 28 HYPERLINK l _Toc327097862 4.2.2 MSK信號的仿真結(jié)果分析 PAGEREF _Toc327097862 h 30 HYPERLINK l _Toc327097863 QPSK信號仿真 PAGEREF _Toc327097863 h 31 HYPERLINK l _Toc327097864 4.3.1 QPSK信號的仿真思路 PAGEREF _Toc327097864 h 31 HYPERLINK l _Toc327097865 QPSK信號仿真結(jié)果分析 PAGEREF _Toc327097865 h 33 HYPERLINK l _Toc3270

15、97866 5 結(jié) 論 PAGEREF _Toc327097866 h 34 HYPERLINK l _Toc327097867 附錄1 PAGEREF _Toc327097867 h 35 HYPERLINK l _Toc327097868 附錄2 PAGEREF _Toc327097868 h 44 HYPERLINK l _Toc327097869 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc327097869 h 52 HYPERLINK l _Toc327097870 致 謝 PAGEREF _Toc327097870 h 541 緒論 移動通信技術(shù)概述移動通信技術(shù)是在20世紀(jì)80年代開始發(fā)展

16、起來的，移動通信技術(shù)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過固定網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，普及范圍相當(dāng)廣泛。ITU預(yù)計2010年全球移動蜂窩用戶數(shù)量將達(dá)到50億，人們對移動通信的需求推動了移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，至今，移動通信已經(jīng)歷了20世紀(jì)80年代的第一代模擬技術(shù)（1G）和90年代的第二代窄帶數(shù)字技術(shù)（2G）這兩個發(fā)展階段。近些年來，隨著無線通信寬帶化技術(shù)的突破，移動通信正在向以CDMA為基礎(chǔ)，以寬帶化通信為特征的第三代3G技術(shù)發(fā)展，伴隨著第三代移動通信技術(shù)（3G）逐步實(shí)施，移動通信未來的發(fā)展及演進(jìn)問題成了研究熱點(diǎn)，因此第四代移動通信技術(shù)（4G）被提出。移動通信經(jīng)歷了1G和2G，完成了從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的過渡，現(xiàn)正在向3G過渡

17、和走向更遠(yuǎn)的4G，把移動通信從窄帶推向?qū)挕?.2 調(diào)制技術(shù)1.2.1 調(diào)制技術(shù)的概念在移動通信中，信源產(chǎn)生的原始信號絕大部分需要經(jīng)過調(diào)制，變換為適合于在信道內(nèi)傳輸?shù)男盘枺拍茉诰€路中傳輸。把輸入信號變換為適合于通過信道傳輸?shù)牟ㄐ?，這一變換過程成為調(diào)制。通常把原始信號稱為調(diào)制信號，也稱基帶信號；被調(diào)制的高頻周期性脈沖起運(yùn)載原始信號的作用，因此稱載波1。調(diào)制技術(shù)其實(shí)也就是實(shí)現(xiàn)了信源與信道的頻帶匹配。 調(diào)制技術(shù)主要有一下3個方面的功能：1.頻率變換：為了采用無線傳送方式，如將（0.3MHz3.4kHz）有效帶寬內(nèi)的信號調(diào)制到高頻段上去。2.實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用：例如將多路型號互不干擾地安排在同一物理信道中傳

18、輸。3.提高抗干擾性：抗干擾性（即可靠性）與有效性互相制約，通常可通過犧牲有效性來提高抗干擾性，如FM替代AM。1.2.2 調(diào)制技術(shù)的分類數(shù)字信號調(diào)制的基本類型分為振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、和相移鍵控（PSK）此外許多基本 調(diào)制類型改進(jìn)或綜合而獲得的新型調(diào)制技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，有兩類用得最多的數(shù)字調(diào)制技術(shù)方式11： (1) 線性調(diào)制技術(shù)，主要包括：移相鍵控（PSK）,四相移鍵控（QPSK）,差分四相移相鍵控（DQPSK）,偏置鍵控-四相移相鍵控（OK-QPSK）,4-DQPSK和多電平（移相鍵控）PSK等。 (2) 恒定包絡(luò)(連續(xù)相位)調(diào)制技術(shù),主要包括：最小移頻鍵控（MSK）、

19、高斯濾波最小移頻鍵控（GMSK）、高斯濾波的移頻鍵控（GFSK）和平滑調(diào)頻（TFM）等。1.3 數(shù)字調(diào)制的意義現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)。現(xiàn)有的通信系統(tǒng)都在由模擬方式向數(shù)字方式過渡，數(shù)字通信具有很多模擬通信不可比擬的優(yōu)勢，數(shù)字通信技術(shù)采用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行加密和差錯控制，便于集成。因此這里我們重點(diǎn)討論數(shù)字調(diào)制技術(shù)。 數(shù)字調(diào)制是指用數(shù)字基帶信號對載波的某些參量進(jìn)行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化。根據(jù)控制的載波參量的不同，數(shù)字調(diào)制有調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻三種基本形式，并可以派生出多種其他形式。由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內(nèi)特性的原因，基帶信號不適合在各種信道上進(jìn)行長距離傳輸。為了進(jìn)行

20、長途傳輸，必須對數(shù)字信號進(jìn)行載波調(diào)制，將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。因此，大部分現(xiàn)代通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)1、3。另外，由于數(shù)字通信具有建網(wǎng)靈活，容易采用數(shù)字差錯控制技術(shù)和數(shù)字加密，便于集成化，并能夠進(jìn)入綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN網(wǎng)），所以通信系統(tǒng)都有由模擬方式向數(shù)字方式過渡的趨勢。因此，對數(shù)字通信系統(tǒng)的分析與研究越來越重要，數(shù)字調(diào)制作為數(shù)字通信系統(tǒng)的重要部分之一，對它的研究也是有必要的。通過對調(diào)制系統(tǒng)的仿真，我們可以更加直觀的了解數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能及影響性能的因素，從而便于改進(jìn)系統(tǒng),獲得更佳的傳輸性能。 MATLAB在移動通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用隨著通信系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，傳統(tǒng)手工分析

21、與電路板試驗(yàn)等分析設(shè)計方法已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)展的需要，通信系統(tǒng)計算機(jī)模擬技術(shù)日益顯示出其巨大的優(yōu)越性。計算機(jī)仿真是根據(jù)被研究的真實(shí)系統(tǒng)的模型。利用計算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。它具有利用模型進(jìn)行仿真的一系列的模型優(yōu)點(diǎn)如費(fèi)用低，易于進(jìn)行真實(shí)系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)各種試驗(yàn)，以及易于實(shí)現(xiàn)完全相同條件下重復(fù)試驗(yàn)等。Matlab仿真軟件就是分析通信系統(tǒng)常用的工具之一。MATLAB是一種交互式的，以矩陣為基礎(chǔ)的軟件開發(fā)環(huán)境,它用于科學(xué)和工程的計算與可視化。其編程功能簡單,并且很容易擴(kuò)展和有創(chuàng)造新的命令與函數(shù)。應(yīng)用可方便地解決復(fù)雜數(shù)值計算問題。具有強(qiáng)大的Simulink動態(tài)仿真環(huán)境,可以實(shí)現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互

22、用和數(shù)據(jù)交換。Simulink支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng),也支持多種采樣速率的多速率系統(tǒng);Simulink為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口,它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用差分方程和微分方程建模相比,更直觀、方便和靈活。用戶可以在和Simulink兩種環(huán)境下對自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。用于實(shí)現(xiàn)通信仿真的通信工具包(Communication toolbox,也叫Commlib,通信工具箱)是語言中的一個科學(xué)性工具包,提供通信領(lǐng)域中計算、研究模擬發(fā)展、系統(tǒng)設(shè)計和分析的功能,可以在環(huán)境下獨(dú)立使用,也可以配合Simulink使用。另外，MATLAB的圖形界面功能GUI（Graphi

23、cal User Interface）能為仿真系統(tǒng)生成一個人機(jī)交互界面，便于仿真系統(tǒng)的操作。因此，在通信系統(tǒng)仿真中得到了廣泛應(yīng)用，本文也選用該工具對數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行仿真7。2 基本數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理 調(diào)制的目的的是把要傳輸?shù)哪M信號或數(shù)字信號變換成適合信道傳輸?shù)母哳l信號。該信號成為已調(diào)信號。調(diào)制過程用于通信系統(tǒng)的發(fā)端。在接收端將已調(diào)信號，該過程稱為解調(diào)。移動通信是數(shù)字移動通信，其中的關(guān)鍵技術(shù)之一是數(shù)字調(diào)制技術(shù)。對數(shù)字調(diào)制的主要要求是已調(diào)信號的頻譜窄和帶外衰減快（即所占頻帶窄，或者說頻譜利用率高）；易于采用相干或非相干解調(diào)；抗噪聲和抗干擾的能力強(qiáng)；以及適宜在衰落信道中的傳輸。 數(shù)字調(diào)制的目的是使

24、所傳送的信息能夠很好地適應(yīng)于信道特性，以達(dá)到最有效、最可靠的傳播。在移動通信中，由于顛簸傳輸?shù)臈l件極其惡劣，是接收信號幅度發(fā)生很大的變化，衰減幅度達(dá)到最小。因此，在移動通信中必須采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。調(diào)頻制在抗干擾和抗衰落性能上優(yōu)于調(diào)幅制，但調(diào)頻制也存在著固有的缺點(diǎn)，需要占用較大的帶寬，同時還存在著門限效應(yīng)。當(dāng)然要同時實(shí)現(xiàn)這些最佳的特性是不可能的，因?yàn)槊糠N特性都有其局限性，且互相之間會有矛盾。例如，要獲得較高的帶寬效率，可選用多電平調(diào)制，但它要求線性放大，因此會使功率效率降低，而且已調(diào)波的包絡(luò)變化大。如果采用恒包絡(luò)調(diào)制，因要求非線性放大，所以它具有高的功率效率，但又會引起較大的帶外輻射。

25、因此，只能折中考慮上述要求。總之，采用調(diào)制技術(shù)的最終目的，就是使調(diào)制以后的調(diào)制信號對于干擾有較強(qiáng)的抵抗作用，同時對相鄰的信道信號干擾較小，解調(diào)方便且易于集成。數(shù)字調(diào)制可以分為二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制，多進(jìn)制調(diào)制是二進(jìn)制調(diào)制的推廣。近年來隨著移動通信的快速發(fā)展，調(diào)制技術(shù)也隨之快速發(fā)展，基礎(chǔ)的調(diào)制技術(shù)已不能滿足現(xiàn)代移動通信的要求，因此在原有調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來的調(diào)制技術(shù)有MSK、GMSK、QPSK、OQPSK、OFDM等。下面介紹二進(jìn)制調(diào)制方式以及新型的調(diào)制方式。2.1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的原理2.1.1 二進(jìn)制幅度鍵控（2ASK）振幅鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持

26、不變。載波在數(shù)字信號1或0的控制下通或斷，在信號為1的狀態(tài)載波接通，此時傳輸信道上有載波出現(xiàn)；在信號為0的狀態(tài)下，載波被關(guān)斷，此時傳輸信道上無載波傳送。那么在接收端我們就可以根據(jù)載波的有無還原出數(shù)字信號的1和0。2ASK信號功率譜密度的特點(diǎn)如下5：（1）由連續(xù)譜和離散譜兩部分構(gòu)成；連續(xù)譜由傳號的波形g(t)經(jīng)線性調(diào)制后決定，離散譜由載波分量決定；（2）已調(diào)信號的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的二倍。2.1.2 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK） 頻移鍵控是利用兩個不同頻率f1和f2的振蕩源來代表信號1和0，用數(shù)字信號的1和0去控制兩個獨(dú)立的振蕩源交替輸出。在2FSK中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩

27、個頻率點(diǎn)間變化。對二進(jìn)制的頻移鍵控調(diào)制方式，其有效帶寬為B=2xF+2Fb,xF是二進(jìn)制基帶信號的帶寬也是FSK信號的最大頻偏，由于數(shù)字信號的帶寬即Fb值大，所以二進(jìn)制頻移鍵控的信號帶寬B較大，頻帶利用率小。2FSK功率譜密度的特點(diǎn)如下5： (1) 2FSK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分構(gòu)成,離散譜出現(xiàn)在和位置；(2) 功率譜密度中的連續(xù)譜部分一般出現(xiàn)雙峰。若兩個載頻之差，則出現(xiàn)單峰。2.1.3 二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）在相移鍵控中，載波相位受數(shù)字基帶信號的控制，如在二進(jìn)制基帶信號中為0時，載波相位為0或，為1時載波相位為或0，從而達(dá)到調(diào)制的目的。2PSK信號的功率密度有如下特點(diǎn)1、5：

28、 (1) 由連續(xù)譜與離散譜兩部分組成；(2) 帶寬是絕對脈沖序列的二倍； (3) 與2ASK功率譜的區(qū)別是當(dāng)P1/2時，2PSK無離散譜，而2ASK存在離散譜。 2.1.4 二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）前面討論的2PSK信號中，相位是以未調(diào)載波的相位作為參考基準(zhǔn)的。由于它利用載波相位的絕對數(shù)值表示數(shù)字信息，所以又稱為絕對相移。2PSK在進(jìn)行相干解調(diào)時，由于載波恢復(fù)中相位有0、模糊性，導(dǎo)致解調(diào)過程中出現(xiàn)“反向工作”現(xiàn)象，恢復(fù)出的數(shù)字信號“1”和“0”倒置，從而使2PSK難以實(shí)際應(yīng)用。為了克服此缺點(diǎn)，提出了二進(jìn)制差分?jǐn)?shù)字相移鍵控（2DPSK）方式1。2.2 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制上面所討論的都是在二進(jìn)

29、制數(shù)字基帶信號的情況，在實(shí)際應(yīng)用中，我們常常用一種稱為多進(jìn)制（如4進(jìn)制，8進(jìn)制，16進(jìn)制等）的基帶信號。多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制載波參數(shù)有M種不同的取值，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制比二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制有兩個突出的優(yōu)點(diǎn)：一是由于多進(jìn)制數(shù)字信號含有更多的信息使頻帶利用率更高；二是在相同的信息速率下持續(xù)時間長，可以提高碼元的能量，從而減小由于信道特性引起的碼間干擾?，F(xiàn)實(shí)中用得最多的一種調(diào)制方式是多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）。多進(jìn)制相移鍵控又稱為多相制，因?yàn)榛鶐盘栍蠱種不同的狀態(tài)，所以它的載波相位有M種不同的取值，這些取值一般為等間隔。多進(jìn)制相移鍵控有絕對移相和相對移相兩種，實(shí)際中大多采用四相絕對移相鍵控（4PSK也稱QPSK

30、），四相制的相位有0、/2、3/2四種，分別對應(yīng)四種狀態(tài)11、01、00、10。2.3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式的性能比較2ASK和2PAK所需要的帶寬是碼元速率的2倍；2FSK所需的帶寬比2ASK和2PAK都要高。各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率取決于解調(diào)器輸入信噪比r。在抗加性高斯白噪聲方面，相干2PSK性能最好，2FSK次之,2ASK最差。ASK是一種應(yīng)用最早的基本調(diào)制方式。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，頻帶利用率較高；缺點(diǎn)是抗噪聲性能差，并且對信道特性變化敏感，不易是抽樣判決器工作在最佳判決門限狀態(tài)。FSK是數(shù)字通信中不可或缺的一種調(diào)制方式。其優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力較強(qiáng),不受信道參數(shù)變化的影響，因此FSK特別適

31、合應(yīng)用于衰落信道；缺點(diǎn)是占用頻帶較寬，尤其是MFSK，頻帶利用率較低。目前，調(diào)頻體制主要應(yīng)用于中，低速數(shù)據(jù)傳輸中。PSK和DPSK是一種高傳輸效率的調(diào)制方式，其抗噪聲能力比ASK和FSK都強(qiáng)，且不易受信道特性變化的影響，因此在高、中速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。絕對相移（PSK）在相干解調(diào)時存在載波相位模糊度的問題，在實(shí)際中很少采用于直接傳輸，MDPSK應(yīng)用更為廣泛5。和ASK、FSK、PSK、和DPSK對應(yīng)，分別有MASK、MFSK、MPSK和MDPSK。這些多進(jìn)制數(shù)字鍵控的一個碼元中包括更多的信息量。但是，為了得到相同的誤比特率，它們需要使用更大的功率或占用更寬的頻率。3 新型調(diào)制系統(tǒng)的原

32、理 最小頻移鍵控（MSK） MSK信號的基本原理MSK波形有多種表示形式。下面是其中一種 St=Acos2ft+at (3.1)f為載波頻率，A為振幅，信號的功率E與A2成正比，相位a(t)攜帶了所有的信息，其中 at=a0+20.5dqt-nT，KTtk+1T (3.2)a0為初始相位，我們認(rèn)為它是已知的。0.5為調(diào)制指數(shù)，它決定了一個符號帶來的相位變化, ,qt為相位平滑函數(shù)，它很大程度上決定了信號的形狀繼而影響到性能5。給定輸入序列at，MSK的相位軌跡如圖3.1所示。各種可能的輸入序列所對應(yīng)的所有可能路徑如圖3.2所示11。圖3.1 MSK的相位序列 圖3.2 MSK可能的相位軌跡qt

33、為一個分段函數(shù):當(dāng)t0時，qt=0，當(dāng)tLT時，qt=0.5。其中L可以被看作調(diào)制方法的記憶長度，它決定了每一個符號究竟影響到該符號以后的多少個符號間隔。實(shí)際上MSK屬于連續(xù)相位調(diào)制(CPM)的一種，在CPM中L=1時被稱作全響應(yīng)調(diào)制，當(dāng)L時被稱作部分響應(yīng)調(diào)制。MSK屬于全響應(yīng)調(diào)制3，即L=1。從MSK的表達(dá)式可以得知，MSK的相位是由兩部分組成的，一部分是載波隨時間連續(xù)增加的相位2ft，另外一部分是攜帶信息的附加相位，它與原始數(shù)據(jù)息息相關(guān)，可以被稱為基帶相位。一般移頻鍵控(2FSK)兩個信號波形具有以下的相關(guān)系數(shù)8: R=sin2Fk-FtT2Fk-FtT+sin4FcTsin4FcT (3

34、.3)其中Fc=Fk+Ft2 (3.4)因?yàn)镸SK是一種正交調(diào)制，其信號波形的相關(guān)系數(shù)等于零，所以上式等號右側(cè)的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)均應(yīng)為零。第一項(xiàng)等于零的條件是sin2Fk-FtT=k,（K=1，2，3）令k等于其最小值1，則得到 Fk-Ft=12T=12Fb (3.5)即傳號頻率和空號頻率在一個符號周期內(nèi)的相位累計嚴(yán)格的相差180。式(3.3)中等號右側(cè)第二項(xiàng)等于零的條件是4FcT=nFc=n4Fb。綜上所述得到的頻率約束關(guān)系: Fc=n4Fb，n4；Fk=n+14Fb，n4； Ft=n4Fb，n4 (3.6)在一個符號周期內(nèi)必須包含四分之一載波周期的整數(shù)倍。載波頻率和傳號頻率相差四分之一符號速

35、率，與空號頻率也相差四分之一的符號速率:Fk-Ft=14Fb；Fc-Ft=14Fb；Fk-Ft=14Fb (3.7)從(3.2 )式可以看出，在一個碼元周期內(nèi)，其基帶相位總是線性累積2，因此碼元終止位與起始相位之差也是2。如果一個碼元是“1”那么在該碼元周期內(nèi)，基帶相位均勻增加2，在碼元末尾處基帶相位比碼元開始處基帶相位要大2。相反如果一個碼元是“0”，那么在該碼元周期內(nèi)，基帶相位均勻減小2，即在碼元末尾處基帶相位比碼元開始處基帶相位要小2，這是MSK的一個重要特征，也是差分解調(diào)的依據(jù)。所謂“連續(xù)”是指當(dāng)前所要討論的碼元。ak范圍kTb-kTb+1內(nèi)，其起始相位等于與ak相鄰的前一個碼元的終一

36、止相位(對應(yīng)于t=kTb時的相位)。對于任何一個碼元來說，它在一個碼元間隔內(nèi)，相對于載波相位差雖然只變化2，但在這個碼元內(nèi)，相對于載波相位的實(shí)際數(shù)值卻是千變?nèi)f化的，這與它前面己經(jīng)發(fā)送過的碼流有關(guān)。相對于載波相位來說，由式(3.2)可知基帶相位值與時間t之間存在著一定的關(guān)系。at又稱為附加相位函數(shù)，它是MSK信號的總相位減去隨時間線性增長的載波相位而得到的剩余相位。At的尾的基帶相位。此外，隨著k值的不同，dk是取值為1的隨機(jī)數(shù)，所以dkTb也是分段線表達(dá)式（3.2 )是一直線方程式，直線的斜率是dkTb，截距是上個碼元末的相位函數(shù)以碼元寬度Tb為段。在任意碼元期間，此函數(shù)的變化量總是2。當(dāng)dk

37、=1，增大2；當(dāng)dk=-1時，減少2。 MSK信號的產(chǎn)生MSK是一種在無線移動通信中很有吸引力的數(shù)字調(diào)制方式，是由2FSK信號的改進(jìn)而來，因?yàn)樗幸韵聝煞N主要的特點(diǎn):（1）信號能量的99.5%被限制在數(shù)據(jù)傳輸速率的倍的帶寬內(nèi)。譜密度隨頻率(遠(yuǎn)離信號帶寬中心)倒數(shù)的四次冪而下降，而通常的離散相位FSK信號的譜密度卻隨頻率倒數(shù)的平方下降。因此，MSK信號在帶外產(chǎn)生的干擾非常小。這正是限帶工作情況下所希望有的寶貴特點(diǎn)。（2）信號包絡(luò)是恒定的，系統(tǒng)可以使用廉價高效的非線性器件。從相位路徑的角度來看，MSK屬于線性連續(xù)相位路徑數(shù)字調(diào)制，是連續(xù)相位頻移鍵控(CPFSK)的一種特殊情況，有時也叫做最小頻移鍵

38、控(MSK)，MSK的“最小(Minimum )”二字指的是這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù))獲得正交的調(diào)制信號。MSK信號表達(dá)式可正交展開為下式，其調(diào)制和解調(diào)框圖如3.3和3.4所示11。St=cosct+2Tbakt+xk=cosxkcost2Tbcosct-akcosxksint2Tbsinct (3.8)圖3.3 MSK信號的產(chǎn)生方法之一 MSK信號的解調(diào) 差分譯碼并串轉(zhuǎn)換90積分清洗判決相關(guān)載波判決積分清洗MSK輸入數(shù)據(jù)輸出實(shí)際解調(diào)器往往需要解決載波恢復(fù)時的相位模糊問題，因此在編碼器中，采用差分編碼的預(yù)編碼是必要的，同時在接收端必須在正交相干解調(diào)器輸出段也要附加一個差分譯碼器。MSK解

39、調(diào)器的原理框圖如圖3.4所示11。圖中，Xt=bItcost2Tbcos0t+bQtsint2Tbsin0t。定時時鐘速率為12Tb，需要一個專門的同步電路來提取，如用平方環(huán)、判決反饋環(huán)、逆調(diào)制環(huán)等。圖3.4 MSK相干解調(diào)框圖3.2 高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）GSKM作為一種高效的調(diào)制技術(shù)，是從OQPSK，MSK調(diào)制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種數(shù)字調(diào)制方式，GMSK的很多方面都優(yōu)于OQPSK和MSK，比如頻帶更窄，實(shí)現(xiàn)起來更簡單，抗干擾能力更強(qiáng)。其特點(diǎn)是在數(shù)據(jù)流送交頻率調(diào)制器前先通過一個Gauss濾波器(預(yù)調(diào)制濾波器)進(jìn)行預(yù)調(diào)制濾波，以減小兩個不同頻率的載波切換時的跳變能量，使得在相同的數(shù)據(jù)

40、傳輸速率時頻道間距可以變得更緊密，因此GMSK信號比MSK信號具有更窄的帶寬。由于數(shù)字信號在調(diào)制前進(jìn)行了Gauss預(yù)調(diào)制濾波，調(diào)制信號在交越零點(diǎn)不但相位連續(xù)，而且平滑過濾。GMSK調(diào)制的信號頻譜緊湊、誤碼特性好，在數(shù)字移動通信中得到了廣泛使用12。GMSK信號是在MSK調(diào)制信號的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，MSKFSK信號。盡管MSK它具有包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、相對較窄的帶寬和能相干解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，但它不能滿足某些通信系統(tǒng)對帶外輻射的嚴(yán)格要求。為了壓縮MSK信號的功率譜，在MSK調(diào)制前增加一級預(yù)調(diào)制濾波器，從而有效的抑制了信號的帶外輻射。預(yù)調(diào)制濾波器應(yīng)具有的特性：帶寬窄而帶外截止尖銳，以抑制不需要的高頻分量；

41、脈沖響應(yīng)的過沖量較小，防止調(diào)制器產(chǎn)生不必要的瞬時頻偏；輸出脈沖響應(yīng)曲線的面積應(yīng)對應(yīng)于1/2的相移量，使調(diào)制指數(shù)為1/2。因此，GMSK采用滿足以上條件的高斯濾波器作為脈沖形成的濾波器。數(shù)據(jù)通過高斯濾波器，然后進(jìn)行MSK調(diào)制，濾波器的帶寬由時間帶寬常數(shù)BT決定。在沒有載波漂移以及鄰道的帶外輻射功率相對與總功率小于60dB的情況下，選擇BT0.28比較適合于常規(guī)的(IEEE定義頻段為3001000MHz)移動無線通信系統(tǒng)。預(yù)制濾波器的引入使得信號的頻譜更為緊湊，但是它同時在時域上展寬了信號脈沖，引入了碼間干擾(ISI)，具體的說，預(yù)調(diào)制濾波器使得脈沖展寬，使得波形在時域上大于碼元時間T。因此，有時

42、候?qū)MSK信號歸入部分響應(yīng)信號。 GMSK調(diào)制原理高斯低通濾波器的脈沖響應(yīng)h(t)可以表示為ht=12Texp-t222T2 （3.9）其中=ln22BT，B是濾波器的3dB帶寬。GMSK調(diào)制信號為11：st=2EbTbcoswot+-dn-g-nTbd+ dn=-+1, 0tLTb （3.10）gt=12TbrecttTb*hg=12TbQ2Bt-Tb2ln2-Q2Bt+Tbln2-Q2Bt+Tb2ln2Qt=t12e-22d （3.11）其中dn為發(fā)送信號序列，Eb為碼元能量，Tb為符號周期，L為高斯濾波沖擊響應(yīng)長度，hgt為預(yù)高斯成形函數(shù)，B為高斯濾波器的3dB帶寬，wo為載波頻率，為

43、載波相位。對于BTbsbt=N=-expjhn=-Ndn+Cot-NTb +n=-NK=17expjhn=-NAk,N+ckt-NTb （3.12）其中：Cot=n=03sint+nTbsinht=-tgd，tLTbh-t-LTbgd，tLTb （3.13）其中Ak,N為系數(shù)。Cot的能量占GMSK信號能量的99.38%，對于更大的BTb，Cot項(xiàng)所占的比重更大，故可以忽略Sbt的后半部分，GMSK基帶信號近似表示為：sbtN=-expjhn=-Ndn+c0t-NTb=k=0wkc0t-kTb+jk=0zkc0t-kTsbtUfC0f （3.14）預(yù)編碼高斯低通濾波器MSK調(diào)制器帶輸入數(shù)據(jù)序列

44、GMSK調(diào)制的IF信號其中wk=cos2n=0kdn+,zk=-sin2n=0kdn+,C0f為C0t的頻域響應(yīng)協(xié)議GSM05.04V8.0.0中定義了GMSK調(diào)制方式，如圖3.5所示。 圖3.5 GMSK信號產(chǎn)生原理高斯濾波器的輸出脈沖經(jīng)MSK調(diào)制得到GMSK信號，其相位路徑由脈沖的形狀決定。由于高斯濾波后的脈沖無陡峭沿，也無拐點(diǎn)，因此，相位路徑得到進(jìn)一步平滑，如圖3.6所示11。圖3.6 GMSK的相位路徑實(shí)現(xiàn)GMSK調(diào)制的關(guān)鍵是濾波器的設(shè)計。為了方便GMSK的解調(diào)，在調(diào)制之前需要對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行差分預(yù)編碼。設(shè)輸入數(shù)據(jù)為di0,1，di_diff=didi-1 (di0,1) ai=1-2d

45、i-diff (ai-1,1) （3.15）其中代表模2加，將差分編碼之后的不歸零數(shù)據(jù)ai，通過高斯低通濾波器和VCO，即可輸出GMSK調(diào)制信號。高斯預(yù)調(diào)制濾波器的傳遞函數(shù)為：H2f=exp-2f2 （3.16）式中*Bb=ln22=0.5887。Bb是濾波器的3dB帶寬，BbTb為系統(tǒng)中可變參數(shù)，BbTb取的小，能夠使調(diào)制后的帶寬變窄，但會引起碼間干擾。BbTb=時即為MSK調(diào)制。高斯預(yù)調(diào)制濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)為： ht=exp-t222Tb22*Tb （3.17） 式中=ln22BbTb。 高斯預(yù)調(diào)制濾波器的矩形脈沖響應(yīng)為:gt=ht*rectt其中函數(shù)rectt=1,fortTb20,o

46、therwise,其中*代表卷積。將上式代入上上式中，得到： gt=Q2Bbln2t-Tb2-Q2Bbln2t+Tb2 （3.18）式中，Qt=t12e-22d。在歐洲GSM標(biāo)準(zhǔn)中，信道傳輸速率為:1Tb=16256ksymb/s=270.833ksymb/s=16256kbit/s BbTb=0.3 （3.19）當(dāng)BbTb=0.3時，橫坐標(biāo)每格表示1個碼元寬度。gt的積分滿足：-+gtdt=Tb據(jù)式(3.18)可得GMSK信號的表達(dá)式為xt=cosct+2Tb-taig-iTb-Tb2d （3-20）式中：c為載波角頻率；Tb為比特寬度；ai為輸入的不歸零數(shù)據(jù)3。 四相相移鍵控（QPSK）

47、四相相移鍵控信號簡稱“QPSK”， 意為正交相移鍵控，是一種數(shù)字調(diào)制方式。它分為絕對相移和相對相移兩種。由于絕對相移方式存在相位模糊問題，所以在實(shí)際中主要采用相對移相方式QDPSK。它具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線通信中，成為現(xiàn)代通信中一種十分重要的調(diào)制解調(diào)試4。 QPSK的基本原理在數(shù)字相位調(diào)制中，M個信號波形可表示為 Smt=Regtej2m-1Mej2ft =gtcos2fct+2Mm-1 =gtcos2Mm-1cos2fct-gtsin2Mm-1sin2fct （m=1,2,，M，0t=0.5) r(i)=1; else r(i)=-1; end;end; %將這9999

48、個數(shù)整數(shù)化為 1，-1for i=1:n-count % 取9900個 R(i)=r(i-1)-mod(i-1),count)/count+1);end; %a(1)=1;for i=2:N if r(i-1)=1 a(i)=-a(i-1); else a(i)=a(i-1); end;end;for i=1:n A(i)=a(i-1)-mod(i-1),count)/count+1);end;for i=1:N if(mod(i,2) l(i)=a(i); l(i+1)=a(i); else q(i)=a(i); q(i-1)=a(i); end;end;for i=1:n I(i)=l(i

49、-1)-mod(i-1),count)/count+1);end;for i=1:n Q(i)=q(i-1)-mod(i-1),count)/count+1);end; ts=0.0001; Ts=ts*count; fs=1/ts; fc=5/(2*Ts); t0=Ts*N-ts; f=1/(4*Ts); df=0.3; tI=-Ts:ts:t0-Ts; tQ=0:ts:t0; tQ_R=0:ts:t0-Ts; c=2*pi*f; u=I.*cos(c*tI); v=Q.*sin(c*tQ); U=u.*cos(2*pi*fc*tI); V=v.*sin(2*pi*fc*tQ); for i

50、=count+1:n W(i)=U(i)+V(i-count); end; figure subplot(4,1,1); plot(tQ_R,R,k);axis(-Ts,0.1,-2,2); title(數(shù)字信號); grid on subplot(4,1,2); plot(tI,A,k);axis(-Ts,0.1,-2,2); title(差分編碼后的信號); grid on subplot(4,1,3); plot(tI,I,k);axis(-Ts,0.1,-2,2); title(同相調(diào)制信號I); grid on subplot(4,1,4); plot(tQ,Q,k);axis(-T

51、s,0.1,-2,2); title(正交調(diào)制信號Q); grid onfigure subplot(3,1,1); plot(tI,U,k);axis(-Ts,0.1,-2,2); title(Icos(wct)cos(wt);grid on subplot(3,1,2); plot(tQ,V,k);axis(-Ts,0.1,-2,2); title(Qsin(wct)sin(wt);grid on subplot(3,1,3); plot(tI,W,k);axis(-Ts,0.1,-2,2); title(MSK信號);grid on noise=0.15*randn(1,n); S=W+

52、noise; S1,s,df1=fftseq(S,ts,df); S1=S1/fs; f=0:df1:df1*(length(s)-1)-fs/2; n_cutoff=100; H=zeros(size(f); for i=floor(fc-n_cutoff)/df1):floor(fc+n_cutoff)/df1) H(i)=1; end; for i=(65536-floor(fc-n_cutoff)/df1):-1:(65536-floor(fc+n_cutoff)/df1), H(i)=1; end; DEM=S1.*H; dem=real(ifft(DEM)*fs; dm=dem(1

53、:length(tQ); ds1=dm.*cos(2*pi*fc*tQ+pi*tQ/(2*Ts); ds2=dm.*cos(2*pi*fc*tQ-pi*tQ/(2*Ts); DW1,ww,df1=fftseq(ds1,ts,df); DW2,ww,df1=fftseq(ds2,ts,df); DW1=DW1/fs; DW2=DW2/fs; n_cutoff1=floor(200/df1); f1=0:df1:df1*(length(ww)-1)-fs/2; H1=zeros(size(f1); H1(1:n_cutoff1)=2*ones(1,n_cutoff1); H1(length(f1)

54、-n_cutoff1+1:length(f1)=2*ones(1,n_cutoff1); DEM1=H1.*DW1; DEM2=H1.*DW2; s1=real(ifft(DEM1)*fs; s11=s1(1:length(tQ); s2=real(ifft(DEM2)*fs; s22=s2(1:length(tQ); for i=1:n if (s11(i)=0.95)|(s11(i)=0.95)|(s22(i)=0.5) r(i)=1; else r(i)=-1; end;end;r(1:10)=1 -1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1;for i=1:n-count, R(i)=

55、r(i-1)-mod(i-1),count)/count+1);end;a(1)=1;for i=2:N if r(i-1)=1 a(i)=-a(i-1); else a(i)=a(i-1); end;end;for i=1:n A(i)=a(i-1)-mod(i-1),count)/count+1);end;for i=1:N if(mod(i,2) l(i)=a(i); l(i+1)=a(i); else q(i)=a(i); q(i-1)=a(i); end;end;for i=1:n I(i)=l(i-1)-mod(i-1),count)/count+1);end;for i=1:n

56、Q(i)=q(i-1)-mod(i-1),count)/count+1);end; ts=0.0001; Ts=ts*count; fs=1/ts; fc=3/(2*Ts); t0=Ts*N-ts; f=1/(4*Ts); df=0.3; tI=-Ts:ts:t0-Ts; tQ=0:ts:t0; tQ_R=0:ts:t0-Ts; c=2*pi*f; u=I.*cos(c*tI); v=Q.*sin(c*tQ); U=u.*cos(2*pi*fc*tI); V=v.*sin(2*pi*fc*tQ); for i=count+1:n W(i)=U(i)+V(i-count); end; figur

57、e subplot(3,1,1); plot(tQ_R,R,k);axis(0,0.1,-2,2); %title(數(shù)字信號); grid on subplot(3,1,2); plot(tI,W,k);axis(0,0.1,-2,2); %title(MSK信號);grid on附錄2 QPSK仿真程序%信源為雙極性不歸零碼（NRZ），取樣點(diǎn)數(shù)自己定義QPSKglobal dt df t f N T %定義全局變量close all %關(guān)閉以前的應(yīng)用窗口clear Eb_N0 Pe% % k=input(取樣點(diǎn)數(shù)2k, k=13:); %采樣點(diǎn)數(shù)自定義，默認(rèn)為213 % if k=, k=1

58、3; end% alpha=input(滾降系數(shù));% db=input(請選擇輸出眼圖信噪比0-14:);% if db= | db14 | db0% db=10;% end;% fc=input(調(diào)制頻率 in MHz:);%調(diào)制信號頻率% A=input(輸入載波幅度);k=13;alpha=0.5;db=10;fc=10;A=1;N=2k; %總的取樣點(diǎn)數(shù)L=64;%L為每個碼元的取樣點(diǎn)數(shù)M=N/L;%M碼元總數(shù)Rb=2;%碼元速率Rb=2Mb/sTs=1/Rb;%碼元寬度Tsdt=Ts/L;%時域取樣間隔df=1/(N*dt);%頻域取樣間隔T=N*dt; %時間截斷長度Bs=N*d

59、f/2; %帶寬Na=4; %示波器掃描寬度為4個碼元%alpha=0; %升余弦滾降系數(shù)t=linspace(-T/2,T/2,N); %頻域橫坐標(biāo)f=linspace(-Bs,Bs,N)+eps;%時域橫坐標(biāo)%升余弦hr1=sin(pi*t/Ts)./(pi*t/Ts);hr2=cos(alpha*pi*t/Ts)./(1-(2*alpha*t/Ts).2);hr=hr1.*hr2;HR=abs(t2f(hr); %變?yōu)镠(w),取模 GT=sqrt(HR);GR=GT;%。兩個載波m=A*cos(2*pi*fc*t);n=-A*sin(2*pi*fc*t); EP=zeros(size(

60、f); %發(fā)送功率譜EPa=zeros(size(f); EPt=zeros(size(f);EPtq=zeros(size(f);EPti=zeros(size(f);EPtb=zeros(size(f);for loop1=1:15 %作誤碼率曲線時用到 Eb_N0(loop1)=2*(loop1-1); %Eb/N0 in dB eb_n0(loop1)=10(Eb_N0(loop1)/10); Eb=0.25;%單位比特能量（相當(dāng)于能量譜） n0=Eb/(eb_n0(loop1); %信道的噪聲譜密度 sita=n0*Bs; %信道中噪聲功率 n_err=0; %誤碼計數(shù) for lo