現(xiàn)代移動(dòng)通信中的調(diào)制技術(shù)研究及Matlab實(shí)現(xiàn)

1、現(xiàn)代移動(dòng)通信中的調(diào)制技術(shù)研究及Matlab實(shí)現(xiàn)姓名：鄭雪 王璐 江丹摘要 調(diào)制技術(shù)是任何頻帶通信中最重要的一項(xiàng)技術(shù)。現(xiàn)代移動(dòng)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?，F(xiàn)代主要的調(diào)制技術(shù)有ASK、FSK、PSK，以及以這些基本調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)的新型調(diào)制系統(tǒng)QPSK、MSK、QAM等。下面我們將概述其中的新型調(diào)制技術(shù)。然后運(yùn)用matlab仿真軟件對(duì)其進(jìn)行編程仿真，通過(guò)仿真圖形觀察調(diào)制過(guò)程中各環(huán)節(jié)時(shí)域波形現(xiàn)代移動(dòng)通信中的調(diào)制技術(shù)研究及Matlab實(shí)現(xiàn) 四相相移鍵控(QPSK) 最小頻移鍵控(MSK) 正交幅度調(diào)制(QAM)QPSK也叫四進(jìn)制相位鍵控，該信號(hào)的正弦載波

2、有四個(gè)可能的離散相位狀態(tài)，每個(gè)載波相位攜帶2個(gè)二進(jìn)制符號(hào)QPSK產(chǎn)生的基本原理Si(t)=Acos(2ft+i） =Acos(2ft）cosi-Asin（2ft）sini 又cosi= 1/2 sini=1/2 Si(t)= A/2 I(t)cos(2ft)-Q(t) sin（2ft)星座圖基帶信號(hào)波形I（t）及Q(t)這兩路碼元在時(shí)間上是對(duì)齊的，稱(chēng)這兩支路為同相支路及正交支路，將它們分別對(duì)正交載波coswt和-sinwt進(jìn)行BPSK調(diào)制，兩路的BPSK相加即可得QPSK信號(hào)四相相位鍵控（QPSK）也稱(chēng)之為正交PSK，其調(diào)制及解調(diào)原理如上圖所示。從圖中可以看出：如果輸入的二進(jìn)制信息碼流（假設(shè)+

3、1V為邏輯1，-1V為邏輯0）串行進(jìn)入比特分離器，產(chǎn)生2個(gè)碼流以并行方式輸出，分別被送入I（正交支路）通道及Q（同相支路）通道，又各自經(jīng)過(guò)一個(gè)平衡調(diào)制器，與一個(gè)和參考振蕩器同頻的正交的載波()調(diào)制形成了四相相移鍵控信號(hào)即得到平衡調(diào)制器的輸出信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一個(gè)帶通濾波器，然后再進(jìn)行信號(hào)疊加，可以得到已經(jīng)調(diào)制的QPSK信號(hào)。調(diào)制原理電平產(chǎn)生載波發(fā)生器串并變換90度移相電平產(chǎn)生二進(jìn)制信息已調(diào)信號(hào)AcosfctAsinfctI(t)Q(t)QPSK調(diào)制原理將二進(jìn)制序列進(jìn)行串并變換，其實(shí)質(zhì)是完成二進(jìn)制與四進(jìn)制符號(hào)的變換。每一組雙比特碼與四進(jìn)制符號(hào)之一相對(duì)應(yīng)，而每個(gè)四進(jìn)制符號(hào)又與QPSK信號(hào)的載波相位i相對(duì)

4、應(yīng)將二進(jìn)制序列轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制不歸零序列注意QPSK相對(duì)于BPSK和DQPSK，OQPSK的優(yōu)缺點(diǎn)QPSK相對(duì)BPSK說(shuō)，從它的功率譜看大大節(jié)約了帶寬，主要是主瓣的帶寬縮短了一半，但是它和BPSK一樣要用相干解調(diào)，要恢復(fù)載波，就會(huì)存在相位模糊的問(wèn)題，所以引入DQPSK，OQPSK解決了這個(gè)問(wèn)題另外，QPSK的載波相位和雙比特碼之間的關(guān)系正好符合格雷碼的相位邏輯，這樣就減少了誤比特率 最小頻移鍵控（MSK） 最小頻移鍵控MSK(Minimum Shift Keying)信號(hào)是2FSK的改進(jìn)。 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)(h=0.5)獲得正交的調(diào)制信號(hào)

5、。信號(hào)的頻率間隔設(shè)f1與f2分別表示符號(hào)“0”與“1”的兩個(gè)FSK信號(hào)頻率，這兩個(gè)頻率的頻率間隔為=f1-f2。調(diào)制指數(shù)記為h,h= Tb=1/2,因此我們有f1=fc+1/2 =fc+1/(4Tb) ,表示符號(hào)1f2=fc-1/2 =fc-1/(4Tb) ,表示符號(hào)0其中，fc=(f1+f2)/2為兩個(gè)信號(hào)頻率中心。則f1-f2=1/(2Tb)為正交2FSK最小頻率間隔。一.MSK信號(hào)的基本原理 一.MSK信號(hào)的基本原理 波形表示形式。下面是其中一種： (2.1) f為載波頻率，A為振幅，相位a(t)攜帶了所有的信息，其中a(t)=a(0)+2(1/2 )t=a(0) (t)/(2Tb),

6、0t Tb (2.2)“+”號(hào)表示輸入符號(hào)“1”，“-”表示輸入符號(hào)“0”，a(0)為t=0時(shí)刻的相位。 一.MSK信號(hào)的基本原理 信號(hào)的相位連續(xù)性 從(2.2 )式可以看出，在一個(gè)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(gè)碼元是“1”那么在該碼元周期內(nèi)，2(f2-fc)Tb=/2,基帶相位均勻增加/2，在碼元末尾處基帶相位比碼元開(kāi)始處基帶相位要大/2。相反如果一個(gè)碼元是“0”， 2(f1-fc)Tb=/2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(kāi)始處基帶相位要小/2。 當(dāng)t=2nTb時(shí)，a(t)=0或，當(dāng)t=(2n+1

7、)Tb時(shí)，a(t)= /2或- /2,其中n為正整數(shù)。 二.MSK信號(hào)的產(chǎn)生 由(2.1)可知,MSK信號(hào)可以用兩個(gè)正交的分量表示： s(t)=b1a1(t)+b2a2(t) ,0tTb (2.3)其中，b1=cosa(0), b2=-sina(Tb) a1(t)=cos(t/2Tb)cos(2fct), -TbtTb a2(t)=sin(t/2Tb)sin(2fct), 0t2Tb 即s(t)圖2-1 MSK信號(hào)的產(chǎn)生方法之一 二.MSK信號(hào)的產(chǎn)生 三.MSK調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)總結(jié) MSK是一種在無(wú)線移動(dòng)通信中很有吸引力的數(shù)字調(diào)制方式，是由2FSK信號(hào)的改進(jìn)而來(lái)，因?yàn)樗幸韵聝煞N主要的優(yōu)點(diǎn):(一)信

8、號(hào)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(hào)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(hào)的譜密度卻隨頻率倒數(shù)的平方下降。因此，MSK信號(hào)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)。 三.MSK調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)總結(jié) (二)信號(hào)包絡(luò)是恒定的，系統(tǒng)可以使用廉價(jià)高效的非線性器件。 從相位路徑的角度來(lái)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(shí)也叫做最小頻移鍵控(MSK )。正交幅度調(diào)制（QAM）QAM與QPSK定義及特點(diǎn)表達(dá)式星座圖Matlab實(shí)現(xiàn)一、QAM定義及特點(diǎn) 定義：用兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形對(duì)

9、兩個(gè)相互正交 的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用這種已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜的正交性來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。正交載波 和 特點(diǎn)：各碼元之間不僅幅度不同，相位也不同，屬于幅度和相位相結(jié)合的調(diào)制方式。 一般表達(dá)式 設(shè)同相和正交支路的基帶數(shù)字信號(hào)分別是 和 ，則MQAM信號(hào)為： 其中 為碼元間隔， 和 為同相和正交支路的多電平碼元，一般取幅度間隔相等的雙極性碼，如 ，二、QAM表達(dá)式矢量表達(dá)示 MQAM信號(hào)波形可表示為兩個(gè)歸一化正交基函數(shù)的線性星座圖合，即其中，兩個(gè)歸一化正交基函數(shù)為MQAM信號(hào)波形的二維矢量二、QAM表達(dá)式三、QAM星座圖 信號(hào)矢量端點(diǎn)的分布圖稱(chēng)為星座圖。 MAQM信

10、號(hào)星座圖有圓形星座圖、不均勻圓形星座圖和矩形星座圖三大類(lèi)型。 三、QAM星座圖 產(chǎn)生矩形MQAM信號(hào)的原理框圖 如下： 輸入二進(jìn)制序列經(jīng)串并變換后成為速率減半的雙比特并行碼元，稱(chēng)為I路和Q路。在同相及正交支路又將速率為 的每 個(gè)比特碼元變換后變換為相應(yīng)的 電平幅值序列再經(jīng)成型濾波限帶后得到I(t)及Q(t)的 電平的PAM基帶信號(hào)（數(shù)學(xué)期望為0），然后將分I(t)及Q(t)別對(duì)正交載波進(jìn)行進(jìn)制傳輸ASK調(diào)制，二者之和即為矩形星座的QAM信號(hào)。三、QAM星座圖 16QAM星座圖如下： 其中L=四、Matlab仿真實(shí)現(xiàn)16QAM的產(chǎn)生有兩種方法 ：（1）正交調(diào)幅法：它是用兩路正交的四電平振幅鍵控信

11、號(hào)疊加而成。（2）復(fù)合相移法：它是用兩路獨(dú)立的四相移相鍵控信號(hào)疊加而成。四、Matlab仿真實(shí)現(xiàn)正交調(diào)幅法（1）隨機(jī)給出一個(gè)由0和1星座圖成的二進(jìn)制序列，此序列的長(zhǎng)度為4的整數(shù)倍，因?yàn)?6QAM傳輸?shù)氖?bit的碼元。序列設(shè)定為 Str=1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1（2）對(duì)給出的序列進(jìn)行分路，對(duì)應(yīng)調(diào)制時(shí)的原信號(hào)經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換器分為I，Q兩條支路，分路時(shí)根據(jù)原則：原信號(hào)序列數(shù)為奇數(shù)的星座圖成I路信號(hào)，原信號(hào)序列數(shù)為偶數(shù)的星座圖成Q路信號(hào)。分路后的信號(hào)應(yīng)為str1=1 0 1 0 0 0 0 1 1 0，str2=0 1 1 1 1 0 1 1 1

12、1 （3）對(duì)分路后的兩路信號(hào)分別進(jìn)行BPSK調(diào)制，即分別用兩個(gè)正交的余弦載波對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，程序中取載波幅度為A為1，頻率Fc為1，對(duì)每個(gè)比特采樣點(diǎn)數(shù)Fs設(shè)為50。（4）把用BPSK調(diào)制后的兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)加法器相加就得到QAM調(diào)制信號(hào)。四、Matlab仿真實(shí)現(xiàn)M = 16;X= 0:0.5:10;Err_vec = ;for i=1:length(X);SNR = X(i);Sim(QAM_16);err_vec(i) = Error_QAM16(1);end五、MQAM與QPSK （1）QPSK為恒包絡(luò)信號(hào)，星點(diǎn)均在一個(gè)同心圓上，而MQAM則為方行。因此，前者信息只載荷到載波的相位上，而M

13、QAM則為幅相調(diào)制，由幅度和相位共同載荷一個(gè)符號(hào)信息，它的已調(diào)波不是等幅包絡(luò)。（2）MQAM（當(dāng)M4）抗干擾能力優(yōu)于MPSK信號(hào)。從M=16時(shí)兩種調(diào)制方式的星座圖可以計(jì)算出來(lái)，相鄰最近星點(diǎn)的歐式距離為 MPSK:當(dāng)M=4時(shí)， 當(dāng)M=16時(shí)， MQAM:當(dāng)M=4時(shí)， 當(dāng)M=16時(shí)， 當(dāng)M4時(shí)，如M=16，QAM系統(tǒng)的鄰近星點(diǎn)距離較16PSK系統(tǒng)大，因此它比同樣M時(shí)的MPSK抗干擾性強(qiáng)。結(jié)論 通過(guò)對(duì)QPSK、MSK、QAM現(xiàn)代移動(dòng)通信中的新型調(diào)制技術(shù)的研究，了解了基本原理、調(diào)制解調(diào)原理、功率譜密度和誤碼率、Matlab實(shí)現(xiàn)，得出以下結(jié)論：信號(hào)波形的振幅非常穩(wěn)定，相移較小。解調(diào)后的時(shí)域波形和源信號(hào)相比，除了有幾個(gè)碼元的延遲外，其信號(hào)波形與源信號(hào)波