1、调制的概念
调制就是对信源的低频信号(也称为基带信号)进行处理,使其变成适合于信道传输的信号形式。

调制过程:用低频调制信号控制高频载波信号的参数(振幅、频率或相位),使载波信号的某一个或几个参数按低频调制信号的规律变化。
解调就是从已调制信号中将基带信号提取出来送到指定接收者的过程。
2、数字调制
数字调制与模拟调制相比有许多优点,其中包括更好的抗噪声性能、更强的抗信道衰耗能力、更容易复用各种不同形式的信息(如声音、数据和视频图像等)和更好的安全性等等。
在实际的移动通信系统中,究竟选择哪种数字调制技术会受到很多因素的影响。一个适合的调制方式要能在较低信噪比的条件下提供很低的比特误码率、对抗多径衰落的性能良好、占用最小的信道带宽,并且容易实现、价格低廉。现有的调制技术很难同时满足这些要求,有的比特误码率性能好但带宽效率比较低,也有的比特误码率性能和带宽效率都很好,但技术复杂、成本高等等。
调制方式的性能常用它的功率效率和带宽效率来衡量,对于具体的应用,在选择具体的数字调制方式时需要在这两个方面进行折衷。
功率效率:也称作能量效率,它描述的是一种调制技术在低功率情况下保持数字信息正确传送的能力。通常表示为在接收机输入端特定的误码率下(比如10-5),每比特信号能量和噪声功率谱密度的比值(Eb/N0),在射频信号上表现为信噪比(S/N)。比如,某种调制解调器采用QPSK数字调制方式时,要达到10-5的 比特误码率,需要的Eb/N0 = 6.2dB,对应的射频载波的S/N = 7.8dB。
带宽效率:也称为频谱效率,它描述的是一种调制技术在有限的带宽内传输数据的能力。带宽效率反映了分配带宽是如何有效利用的,它定义为在给定的分配带宽内,每Hz频带内可以传输的数据速率的吞吐量值。如果R是每秒传输的数据率,单位是bps(bit/s);B是已调制射频信号占用的频率带宽,则带宽效率ηB表示为:ηB = R/B bps/Hz
理想的数字信号的频谱是矩形的,但实际的信号频谱由于“发散”是梯形的,数字信号的绝对带宽定义为信号的非零值功率谱在频率上占用的范围。

3、线性调制
数字调制技术可以大致分为线性调制技术和非线性调制技术。在线性调制技术中,传输信号的幅度S(t)随着数字调制信号m(t)的变化而线性变化。线性调制技术带宽效率高,在无线通信系统中广泛采用。
线性调制方案有很好的带宽效率,但传输中必须使用功率效率低的线性放大器,用功率效率高的非线性放大器会导致已滤除的旁瓣再生,造成严重的相邻信道干扰,使线性调制得到的带宽效率全部丢失,在实际应用中已经有好的方法来克服这些困难。
最典型的线性调制技术是BPSK和QPSK。
在数字调制技术中,四进制相移键控QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)是一种最常用的数字调制方式,它具有较高的频谱利用率和较强的抗干扰能力,在电路上实现也比较简单。QPSK是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息,QPSK是在M = 4时的调相技术,它规定了四种载波相位,分别为0、π/2、π、3π/2,调制器输入的数据是二进制数字序列。
为了能和四进制的载波相位配合起来,需要把二进制数据变换为四进制数据,也就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组,共有四种组合,即:00、01、10、11,其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成,它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特。
QPSK的比特误码率与BPSK基本相同,但是在同样的带宽内可以传输的数据速率是BPSK的两倍,因此与BPSK相比,QPSK在同样的功率效率情况下,带宽效率提高了两倍。与BPSK类似,QPSK也可以通过差分编码来进行非相干解调。
QPSK是一种频谱利用率较高、抗干扰性强的数字调制方式,它被广泛应用于各种通信系统中。例如,在新一代的数字卫星电视DVB-S2标准中,采用QPSK调制方式,信道解调门限Eb/No低到4.5dB,传输速率达到45Mbps,同时保证了信号传输的效率和误码性能。
4、星座图
数字调制技术从输入调制器的信息比特的一组有限的信号波形中选取特定的信号波形或符号。在一个矢量空间中观察调制信号集的元素对于调制技术的分析很有帮助,调制信号的矢量空间提供了对特定调制方案很有价值的深入了解。矢量空间的概念非常普遍,可以用于任何一种数字调制方式。这种提供了每种可能符号状态的复包络对应的空间信号矢量端点的分布图称为“星座图”。星座图的X轴表示复包络的同相分量,Y轴表示复包络的正交分量。星座图上信号间的距离与信号调制波形的差异和当有随机噪声时接收机区分符号的能力有关。

5、高阶调制
1)恒包络调制
许多移动无线通信系统都采用非线性调制技术,这时不管调制信号如何改变,载波的幅度是恒定的,因此也称为“恒包络调制”。这种调制方式具有很多可以满足不同实际应用环境的优点,在移动通信系统中被广泛采用。
2)OQPSK
QPSK信号的幅度非常恒定,然而,当QPSK进行波形成形时,它将会失去恒包络的性质,偶尔发生的弧度为π的相移,会导致信号的包络在瞬时间通过零点。任何一种在过零点的硬限幅或非线性放大,都将会由于信号在低电压时的失真而在传输过程中带来已被滤除的旁瓣。为了防止旁瓣的再生和频谱扩展,必须使用效率较低的线性放大器开放大QPSK信号。
OQPSK(偏移四进制相移键控)的调制方式,对这些有害的影响则不那么敏感,能支持更高效的放大器。OQPSK是在QPSK基础上发展起来的一种恒包络数字调制技术,也就是相对移相方式的四进制相移键控,全称为Offset-QPSK。OQPSK具有独特的优点,已经广泛应用于无线通信系统中,成为现代通信中十分重要的调制解调方式。 第二代移动通信系统(2G)中的窄带CDMA系统CDMA-IS95使用的就是OQPSK的调制方式。
OQPSK是QPSK的改进型,它与QPSK有同样的相位关系,也是把输入码流分成两路,然后进行正交调制。不同之处在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。由于两支路码元半周期的偏移,每次只有一路可能发生极性翻转,不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此,OQPSK信号相位只能跳变0°、±90°,不会出现180°的相位跳变。

3)MSK
OQPSK虽然消除了QPSK信号中的180°相位突变,但并没有从根本上解决包络起伏问题。最小频移键控(MSK)是一种能够产生恒定包络、连续相位信号的调制技术,MSK是2FSK的一种特殊情况,它具有正交信号的最小频差,在相邻符号交界处的相位保持连续。
MSK信号的旁瓣比QPSK信号低。主瓣比QPSK信号的主瓣宽,因此在以主瓣带宽作比较时,MSK的带宽效率比相移键控技术要低。

4)GMSK
高斯滤波最小频移键控(GMSK)一种是由MSK演变来的改进的二进制调制方法。在GMSK中,将调制的不归零(NRZ)数据通过预调制高斯脉冲成形滤波器,使其频谱上的旁瓣水平进一步降低。基带的高斯脉冲成形技术平滑了MSK信号的相位曲线,稳定了信号的频率变化,进一步降低了发射频谱的旁瓣水平。
GMSK由于具有很好的功率效率和带宽效率。GMSK牺牲了较少的误码性能,而获得了极好的带宽效率和恒定包络特性。由于移动无线信道本身也会产生误码,因而只要GMSK产生的误码率小于移动无线信道,GMSK就会是一个很好的选择。第二代移动通信系统(2G)中应用最广的GSM系统使用的就是GMSK调制方式。
5)多进制调制
因为幅度和角度提供了两个自由度,现代调制技术可通过同时改变发射载波的幅度和角度来传输数字基带数据,将基带数据映射到更多的射频载波的信号特征上,这样的调制技术称之为多进制调制。在同样的带宽下,多进制调制可以比单独使用幅度或相位调制表示更多的信息,进一步提高带宽效率。
多进制调制具有很高的带宽效率,特别适合于带宽受限的信道。但是由于它对定时抖动的敏感性(即符号在星座图位置的距离变小而引起定时误差增加),会导致误码率的升高,这也限制了进制的进一步提高和在实际无线环境中的应用。多进制调制技术在获得更好的带宽效率的同时,也牺牲了功率效率。要传输同样的比特速率,8PSK调制技术要求的带宽比BPSK要小log28 = 3倍,但是要达到同样的误码率所需要S/N比BPSK高很多,这是因为信号在星座图上彼此靠得太近。
随着通信技术的发展,已经有了很多改善功率效率和误码率的技术手段,更高进制的调制方式已经得到越来越广泛应用。GSM系统中EDGE(增强型GPRS)技术就使用了8PSK调制方式,因此比GPRS具有更高的数据吞吐量。
通过同时改变相位和幅度,我们获得一种新的调制方法,称为正交幅度调制(QAM),QAM的星座图由信号点方格组成。

多进制频率调制(MFSK)与MPSK信号不同,MFSK信号的带宽效率随着M的增加而降低,因此,MFSK信号的带宽效率较低。但是由于所有的M信号都是正交的,信号彼此不占用空间,功率效率随着M的增加而增加。另外,MFSK信号可使用非线性放大器进行放大,不会引起性能降低。研究人员利用MFSK信号的正交特性,开发出了可以有效提高功率效率的正交频分复用(OFDM)技术,可以在一个信道内容纳大量的用户,提供多路并行载波,每个载波包括部分用户数据。OFDM技术在无线通信领域已经得到广泛应用。
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