移動通訊調製技術的進展 轉

摘要：移動通訊發展過程當中，特別是第3代移動通訊發展中，移動通訊調製技術相比傳統的無線通訊調製技術已有至關的變革和進展。文章就現代移動通訊調製技術：相位調製技術、頻率調製技術、多進制調製技術、自適應調製技術進行討論，並對相關技術性能和應用進行分析，最後提出對進一步發展的見解。

關鍵詞：相位控制 頻率調製 多進制調製 自適應調製

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.

Key words:Phase modulation Frequency modulation Multi－frequency modulat ion Adaptive modulation

文章編號：1009－6868(2001)03－0052－05 文獻標識碼：A 中圖分類號：TN929 .5 　　調製就是把要傳送的信息數據(或信息信號)進行處理，使其變爲適合於無線傳輸的信號形態 的過程。通常來講，就是把信息基帶信號變爲適合傳輸的高頻帶通訊號的處理過程。調製是 各類通訊都必不可少的最基本內容，但不一樣的通訊系統和通訊環境有不一樣的調製和解調技術 。調製技術的性能經常使用它的功率效率和帶寬效率來衡量。 　　移動通訊是通訊條件和通訊環境最苛刻最惡劣的，但也是應用和市場發展最快的。一個 好的調製方法和技術，要能在低的接收信噪比條件下提供低誤比特率解調性能，在移動環境 下抗無線信道衰落能力強，佔用帶寬最小，容易實現，價格低。數字調製技術大致能夠分爲 ：相位調製技術、頻率調製技術、多進制調製技術、擴頻調製技術。若是更廣義地來看待調 制問題，移動通訊中的信號成型(濾波)技術、編碼技術、時空分集技術也是實現上述3個要 求的調製處理技術。擴頻調製技術是目前使用普遍的CDMA技術，已另有論述，本文將就現代 移動通訊調製技術：相位調製技術、頻率調製技術、多進制調製技術、自適應調製技術進行 討論，並對相關技術性能和應用進行分析，最後提出對進一步發展的見解。 　　1 相位調製技術 　　(1)二進制相移鍵控(BPSK)調製 　　BPSK調製是最基本、最多見的相位調製方式。BPSK信號能夠用平衡調製器產生。解調必須使用相干(或同步)解調方法同步恢復載波的相位和頻率，從而得到好的接收性能。 　　(2)差分相移鍵控(DPSK)調製 　　DPSK是相移鍵控的非相干形式，它不須要在接收端有相干參考信號。非相干接收機實現 容易且價格低，所以，在無線通訊系統中普遍使用。雖然DPSK信號採用非相干解調有下降接 收機複雜度的優勢，但它的能量效率比相干接收低3dB。 　　(3)四相相移鍵控(QPSK)調製 　　採用QPSK調製技術，一次調製能傳輸2比特數據，所以，它的帶寬效率比BPSK高1倍。 　　QPSK調製在無線通訊中被普遍應用。爲了得到穩定的解調性能，改進的OQPSK調製和π/ 4 QPSK調製被應用在移動通訊系統中。 　　QPSK信號的幅度很是恆定，然而，當QPSK進行波造成型(濾波)時，它們將失去恆包絡的性質。偶爾發生的180° 相移，會致使信號的包絡在瞬間經過零點。爲了減輕這個問題的有害影響，一種稱爲偏移或參差QPSK(OQPSK)調製方式被提出，它能支持比較高效的放大器。 　　OQPSK調製信號的奇比特流和偶比特流在時間上錯開1個比特，消除了相位跳變。OQPSK信號即便在非線性放大後仍能保持其帶限的性質，這就很是適合移動通訊系統。當接收機由 於解調噪聲形成相位抖動時，OQPSK信號的性能比QPSK要好。在第2代移動通訊系統IS－95中 ，上行鏈路就是採用的OQPSK調製方式。 　　π/4QPSK調製是一種正交相移鍵控調製技術，從最大相位跳變來看，它是OQPSK和QPSK 的折衷，爲±135°，所以，帶限π/4 QPSK信號比帶限QPSK有更好的恆包絡性質。π/4 QPS K最吸引人的特性是它可以非相干解調，這使得接收機的設計大大簡化。π/4 QPSK信號差分 檢測(非相干解調)的BER性能比QPSK低3dB；而用相干解調時，其BER性能與QPSK相同。 這種方法已在日本的第2代移動通訊系統中應用。 　　2 頻率調製技術 　　目前，許多實際的移動通訊系統都使用頻率調製方法，無論調製信號如何改變，載波的幅度是恆定的。恆包絡調製具備能夠知足多種應用環境的優勢：(1)可使用功率效率高的C 類放大器，不會使信號佔用的頻譜增大；(2)帶外輻射低，可達－60dB到－70dB；(3)可用限 幅器－鑑頻器檢測，從而簡化接收機的設計，並能很好地克服隨機噪聲和有瑞利衰落引發的 信號波動。但恆包絡調製佔用的帶寬比線性調製的大。典型的頻率調製技術有： 　　(1)二進制頻移鍵控(BFSK)調製 　　在BFSK調製中，幅度恆定不變的載波信號頻率隨着兩個信息狀態改變(1或0)而切換。常 用的產生FSK信號的方法是使用信號波形對單一載波振盪器進行頻率調製。相似於產生模擬FM信號，只是調製信號爲二進制波形，載波相位函數與調製信號的積分紅比例，於是是連續的，可是非線形的。 　　因爲FSK信號的復包絡是調製信號的非線性函數，因此肯定FSK信號的頻譜至關困難。BFSK信號能夠採用相干或非相干的檢測方法。 　　(2)最小頻移鍵控(MSK)調製 　　MSK是一種特殊的連續相位的頻移鍵控(CPFSK)調製技術，其最大頻移爲數據比特率的1/4，也就是說，MSK是調製係數爲0.5的連續相位FSK調製。所以，MSK是一種高效的調製方法，具備恆包絡、頻譜利用率高、誤比特率低和自同步等特色，特別適合在移動通訊系統中使用。 　　實際上，MSK信號能夠當作是一類特殊形式的OQPSK，它用半正弦脈衝代替了OQPSK中的基帶矩形脈衝。MSK信號也可當作是一種特殊形式的連續相位FSK信號。於是，MSK信號有多 種表達形式。 　　(3)高斯最小頻移鍵控(GMSK)調製 　　GMSK調製是由MSK演變而來的一種簡單的二進制調製方法。因爲脈衝成型並不會引發平均相位曲線的偏離， GMSK信號能夠做爲MSK信號進行相干檢測，或者做爲一個簡單的FSK信 號進行非相干檢測。儘管預調製高斯濾波器在發射信號中會引發符號間的干擾。但若是濾波 器的3dB帶寬與數據比特週期的乘積(BT)大於0.5，其BER性能的降低並不嚴重。所以，GMSK 調製是以犧牲BER性能而獲得良好的功率效率和頻譜效率，倍受第2代移動通訊系統GSM青睞，併爲第3代移動通訊系統TD－CDMA的標準化建議採用。 　　GMSK的預調製高斯濾波器能夠由BT徹底肯定。所以，習慣上使用BT乘積來定義GMSK，BT越小，因符號間干擾形成的系統性能降低越多。GMSK的誤碼率是BT的函數，在BT=0.5887時 ，由濾波器引發的符號間干擾形成的系統BER性能降低值最小，所須要的信噪比僅增長0.14dB。 　　3 多進制調製技術 　　現代調製技術的進展，已經開始走出僅僅對相位或頻率單一調製的方式，而經過同時改 變發射載波的包絡和相位(或頻率)來傳輸基帶數字信號。因爲包絡和相位的改變提供了兩個自由度，這樣的調製技術能夠將基帶信息數據映射到4種或更多參數改變的射頻載波信號上 ，所以，這種調製技術稱之爲多進制調製，它與單獨的相位調製或頻率調製相比，有更高的信息數據傳送能力。多進制調製技術特別適合於追求頻帶利用率的帶寬受限的通訊信道。 　　在多進制調製方式中，按載波被調製的是幅度、相位仍是頻率，分別稱爲多進制頻率調製、多進制相位調製和多進制正交幅度調製。同時改變載波的幅度和相位的調製方法是目前移動通訊調製技術研究的熱門課題。 　　(1)多進制頻率(MFSK)調製 　　MFSK調製信號爲： 　　 　　其中，對於某些固定的ncfc=nc/2Ts。M個傳輸信號具備相同的能量和時間長度，信號頻率彼此間隔1/2TsHz，相互正交。MFSK信號能夠用相干或非相干的方法檢測。MFSK信號的 帶寬效率隨着M的增長而下降。若是它的M個信號都是正交的，互不干擾，功率效率隨着M增長而增長。另一個優勢是MFSK信號可用非線性放大器進行放大，不會引發性能下降。 　　目前，採用正交頻分複用(OFDM)方式做爲提供高功率效率和高傳輸速率的多址接入技術，能夠說是正交MFSK調製技術的演進，啓發人們將公式(1)中的每個頻率都採用二進制數 據調製，這樣就構成多路並行載波，每一個載波都攜帶了用戶的信息，所以，它可在一個信道 內傳送大量用戶的信息。 　　(2)多進制相位(MPSK)調製 　　MPSK調製是多進制相位調製，載波相位按信息數據比特，取M個可能相位值中的一個，即θi=2(i－1)π/M,i=1,2,…M。那MPSK一次調製可傳送log2M比特的信息數據，調製信號爲： 　　 　　其中，Es=(log2M)Eb是每一個符號(至關於一次調製所能傳送的比特數)的能量，Ts=(log2M)Tb是符號週期，和是兩個基本正交信號。所以，調製信號的星座圖是二維的，全部信號點均勻分佈在以原點爲中心，爲半徑的圓周上。 　　MPSK信號功率譜密度能夠用相似處理BPSK和QPSK調製的方法獲得，矩形脈衝的MPSK信號功率譜密度爲： 　　 　　從上式(3)可知，在數據速率不變的狀況下，MPSK信號的主瓣隨着M的增長而減少，即帶 寬效率隨之增長。但M增長意味着星座圖上的點更加緊密，功率效率於是下降。爲此，若是 在移動通訊系統中採用GMSK調製方式，須要使用導頻或均衡，須要有比BPSK等一維調製信號 更高的解調處理能力。因此，在目前的移動系統中，MPSK調製方式並無應用。 　　(3)多進制正交幅度調製(QAM) 　　在MPSK調製中，因爲傳輸信號的幅度保持恆定，它的星座圖是圓形的。隨着M的增大 ，星座圖上矢量端點之間的最小距離隨之減少，會形成解調性能降低。若是咱們充分利用整 個星座平面，將矢量端點合理分佈，則有可能在不減小最小距離的狀況下增長信號矢量的端 點數目，從而提升信息數據傳輸能力。基於上述概念能夠同時改變載波的相位和幅度，得到 一種新的調製方法，稱爲QAM。 　　QAM調製方式與MPSK調製方式同樣具備很高的頻譜利用率，其功率譜和帶寬效率也與MPSK調製方式相同，而功率效率優於MPSK。可是，QAM調製方式存在載波恢復和自動增益控制方面的問題，在無線通訊系統中必須使用導頻信號或均衡處理，所以現有的蜂窩移動通訊系統 沒有采用。隨着無線IP通訊業務的高速數據速率的傳輸需求，採用微蜂窩和微微蜂窩，使得 無線信道的傳輸特性發生了很大的變化，在發射機和接收機之間就容易建構很強的主徑信號 份量，如今正被普遍研究。 　　應該看到，在瑞利衰落環境中，即便信噪比高，QAM傳輸也會由於無線信道的深衰落而形成解調產生突發錯誤。爲此，能夠採用功率控制技術，根據信道狀況改變傳輸信號功率，使得傳輸過程當中的星座圖上矢量端點改變儘可能小，改善解調性能，稱爲可變功率QAM調製方式。可是，增長髮射功率會增長同信道干擾，形成系統容量降低。對此，提出了根據信道情 況改變調製的電平數量，即信道條件好時，增長星座圖上矢量端點數，而在衰落時，減小星 座圖上矢量端點數，使得系統的誤碼性能保持穩定，發射功率也基本恆定的自適應QAM調製 方式及可變速率QAM調製方式。這意味着在快衰落時，爲保持 BER近似不變，而減少數據速 率；在慢衰落時，增長數據速率。在平坦衰落信道中，自適應調製能夠達到高的系統通訊流量。可變速率、可變功率的QAM方式與非自適應調製方式相比，能夠有20dB的功率增益。 　　4 自適應調製技術 　　因爲採用多進制調製技術提升傳輸速率和頻帶利用率，須要增長星座圖上信號點的數量 。然而，增長信號點意味着信號間的歐幾里德距離減少，這會形成系統解調的BER性能降低 。多進制自適應調製方法是在正常的信號調製星座圖中，根據各類狀況(信道特性、信息業 務、QOS要求、實時性能等)改變星座圖中信號點的數量，以達到改變數據速率和改善傳輸質 量的目的。目前，第3代移動通訊的發展，須要系統傳送不一樣的多媒體業務，若是僅僅採用上述的單項調製技術，或單項調製技術的自適應方式，會形成系統BER性能的降低。最近，較多的研究考慮把多進制調製與其餘信號處理方式結合起來，如功率控制、信道編碼、接入監控等，得到穩定的通訊質量和高的傳輸效率，特別是各類自適應信道編碼調製技術。這些方法都是將信道編碼技術和數字調製技術結合起來，以提供好的系統性能。 　　E. Okamoto等人提出了採用20QAM－BCM(分組編碼調製)的方法，編碼增益由多電平的編 碼獲得，每一個電平的數據被編碼，編碼後的比特被映射成星座圖上的信號端點後傳輸。BCM 用來增大星座圖上信號端點之間最小的歐幾里德距離。這種方法能夠提供可變速率的數據傳 輸和好的BER性能。 　　P. Moqvist提出了將頻率響應爲2RC和3RC的低複雜度連續相位調製(CPM)與不一樣編碼速 率的卷積碼結合，構成爲二進制、四進制、八進制和十六進制，頻率響應爲2RC、3RC的CPM 與外速率爲1/二、2/3和3/4的卷積碼結合的低複雜度串行連鎖連續相位調製(SCCPM)系統，它 們能提供比之前任何系統都好的功率/帶寬效率。提供的模擬結果代表，總的來講，調製指 數高的方式產生低的BER，而頻率響應爲2RC的性能比3RC的好。 　　L.J.Zhang等人考慮在傳輸前採用圖像壓縮方法期待高的頻譜效率，同時但願克服圖像 對信道噪聲比較敏感的問題，提出了將Reed－Solomon(RS)碼與MPSK相結合的編碼調製方式 ，用於Rayleigh衰落信道中壓縮圖像的傳輸。理論分析和模擬結果代表，在帶寬和功率受限 的移動通訊系統中，RS－MPSK編碼調製方法能顯著提升系統性能。 　　A.J. Goldsmmith 等人提出了加上Trellis編碼的自適應調製的方法，能夠將編碼增益 提升5dB左右。P. Robertson 等人提出了加上Trubo編碼的調製方法，在高斯和衰落信道中 都有很是好的特性。S. Vishwanath等人進一步提出了自適應Trubo編碼調製方法，此方法的優化問題是一個NP－徹底問題，在必定的狀況下，它比傳統的Trubo編碼調製的增益高3dB。 　　5 結束語 　　將來的移動通訊系統的一個重要標誌是能提供極大的系統容量，而無線資源是很是有限 的，這就須要研究帶寬效率和功率效率都很高的新的調製技術，實現自適應調製的編碼調製 方式就是爲了達到這個目的。此外，發射分集技術的興起，採用時空編碼提升通訊能力，爲 自適應調製技術的研究提供了新的發展空間，把時空編碼與多進制調製結合起來，加上自適 應處理，將會有使人關注的新結果，它將是移動通訊調製技術研究的新課題。