移动通信中的数字调制技术与毕业论文

移动通信中的数字调制技术与毕业论文内容摘要：

() 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 sin2π (Fk − Ft)T=kπ ,（ K=1， 2， 3„„） 令 k 等于其最小值 1，则得到 Fk − Ft = 12T = 12 Fb () 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()中等号右侧第二项等于零的条件是 4πFcT = nπFc = n4 Fb。 综上所述得到的频率约束关系 : Fc = n4 Fb， n ≥ 4； Fk = n+14 Fb， n ≥ 4； Ft = n4 Fb， n ≥ 4 () 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 : Fk − Ft = 14Fb； Fc −Ft = 14 Fb； Fk −Ft = 14 Fb () 从 ( )式可以看出，在一个码元周期内，其基带相位总是线性累积 177。 π 2 ，因此码元终止位与起始相位之差也是 177。 π 2。 如果一个码元是“ 1” 那么在该码元周期内，基带相位均匀增加 π 2 ，在码元末尾处基带相位比码元开始处基带相位中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 10 页 共 54 页 要大 π 2。 相反如果一个码元是“ 0”，那么在该码元周期内，基带相位均匀减小 π 2 ，即在码元末尾处基带相位比码元开始处基带相位要小 π 2 ，这是 MSK 的一个重要特征，也是差分解调的依据。 所谓“连续”是指当前所要讨论的码元。 ak范围 ,kTb −kTb+1内，其起始相位等于与 ak相邻的前一个码元的终一止相位 (对应于 t = kTb时的相位 )。 对于任何一个码元来说，它在一个码元间隔内，相对于载波相位差虽然只变化 177。 π 2 ，但在这个码元内，相对于载波相位的实际数值却是千变万化的，这与它前面己经发送过的码流有关。 相对于载波相位来说，由式 ()可知基带相位值与时间 t 之间存在着一定的关系。 a(t)又称为附加相位函数，它是 MSK 信号的总相位减去随时间线性增长的载波相位而得到的剩余相位。 A(t)的尾的基带相位。 此外，随着 k值的不同， dk是取值 为 1 的随机数，所以 dk π Tb 也是分段线 表达式 {（ )是一直线方程式，直线的斜率是 dk π Tb ，截距是上个码元末的相位函数以码元宽度 Tb为段 }。 在任意 码元期间，此函数的变化量总是 π 2。 当 dk = 1，增大 π 2 ；当 dk = −1时，减少 π 2。 MSK 信号的产生 MSK 是一种在无线移动通信中很有吸引力的数字调制方式， 是由 2FSK 信号的改进而来， 因为它有以下两种主要的特点 : （ 1） 信号能量的 %被限制在数据传输速率的 倍的带宽内。 谱密度随频率 (远离信号带宽中心 )倒数的四次幂而下降，而通常的离散相位 FSK 信号的谱密度却随频率倒数的平方下降。 因此， MSK 信号在带外产生的干扰非常小。 这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点。 （ 2） 信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。 从相位路径的角度来看， MSK 属于线性连续相位路径数字调制，是连续相位频移键控(CPFSK)的一种特殊情况，有时也叫做最小频移键控 (MSK)， MSK 的“最小(Minimum )”二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数 (h=)获得正交的调制信号。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 11 页 共 54 页 MSK 信号表达式可正交展开为下式，其调制和解调框图如 和 [11]。 S(t) = cos(ωct+ π2Tbakt+x(k)) = cosx(k)cos. πt2Tb/cosωct −ak cosxksin. πt2Tb/sinωct () 图 MSK信号的产生方法之一 MSK 信号的解调 实际解调器往往需要解决载波恢复时的相位模糊问题，因此在编码器中，采用差分编码的预编码是必要的，同时在接收端必须在正交相干解调器输出段也要 附加一个差分译码器。 MSK 解调器的原理框图如图 [11]。 图中， (t = (t))cos(πt 2Tb )cosω (t) + Q(t)sinπt 2Tb sinω (t)。 定时时钟速率为 1 2Tb ，需要一个专门的同步电路来提取，如用平 方环、判决反馈环、逆调制环等。 图 MSK相干解调框图 高斯滤波最小频移键控 （ GMSK） GSKM 作为一种高效的调制技术，是从 OQPSK， MSK 调制的基础上发展起来的一种数字调制方式， GMSK 的很多方面都优于 OQPSK 和 MSK，比如频带更c o s （ t ）π2 Tbc o s ωcts i n （ t ）π2 Tbs i n ωctΣ串 / 并TbTb差 分 编 码akakyM S K( t )+差 分 译 码 并串转换 90176。 积分清洗 判决 相关载波 判决 积分清洗 MSK输入 数据输出 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 12 页 共 54 页 窄，实现起来更简单，抗干扰能力更强。 其特点是在数据流送交频率调制器前先通过一个 Gauss 滤波器 (预调制滤波器 )进行预调制滤波，以减小两个不同频率的载波切换时的跳变能量，使得在相同的数据传输速率时频道间距可以变得更紧密，因此 GMSK 信号比 MSK 信号具有更窄的带宽。 由于数字信号在调制前进行了Gauss 预调制滤波，调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤。 GMSK调制的信号频谱紧凑、误码特性好，在数字移动通信中得到了广泛使用 [12]。 GMSK 信号是在 MSK 调制信号的基础上发展起来的， MSK 信号可以看成是调制指数为 的连续相位 FSK 信号。 尽管 MSK 它具有包络恒定、相位连续、相对较窄的带宽和能相干解调的优点，但它不能满足某些通信系统对带外辐射的严格要求。 为了压缩 MSK 信号的功率谱，在 MSK 调制前增加一级预调制滤波器，从而有效的抑制了信号的带外辐射。 预调制滤波器应具有的特性： ①带宽窄而带外截止尖锐，以抑制不需要的高频分量； ②脉冲响应的过冲量较小，防止调制器产生 不必要的瞬时频偏； ③输出脉冲响应曲线的面积应对应于 1/2的相移量，使调制指数为 1/2。 因此， GMSK 采用满足以上条件的高斯滤波器作为脉冲形成的滤波器。 数据通过高斯滤波器，然后进行 MSK 调制，滤波器的带宽由时间带宽常数 BT 决定。 在没有载波漂移以及邻道的带外辐射功率相对与总功率小于－ 60dB 的情况下，选择 BT＝ (IEEE定义频段为 300～ 1000MHz)移动无线通信系统。 预制滤波器的引入使得信号的频谱更为紧凑，但是它同时在时域上展宽了信号脉冲，引入了码间干扰 (ISI)，具体的说，预调制滤波器使得脉冲展宽，使得波形在时域上大于码元时间 T。 因此，有时候将 GMSK 信号归入部分响应信号。 GMSK 调制原理 高斯低通滤波器的脉冲响应 h(t)可以表示为 h(t) = 1√2πσT exp. −t22σ2T2/ （ ） 其中 σ = √ln 22πBT， B是滤波器的 3dB 带宽。 GMSK 调制信号为 [11]： 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 13 页 共 54 页 s(t) = √2EbTbcos[wot+π∑dn ∫ g(τ−nTb)dτ+ θ∞−∞∞−∞] dn= 1−+ , 0≤ t ≤ LTb （ ） g(t) = 12Tb Tb⁄ /∗ hg = 12Tb*Q(2πBt−Tb2⁄√ln2 )−Q(2πBt+Tb√ln2)−Q(2πBt+Tb 2⁄√ln2 )+ Q(t) = ∫ 1√2π∞t e−τ22 dτ （ ） 其中 {dn}为发送信号序列， Eb为码元能量， Tb为符号周期， L 为高斯滤波冲击响应长度， hg(t)为预高斯成形函数， B 为高斯滤波器的 3dB 带宽， wo为载波频率，θ为载波相位。 对于 BTb=， L=4， h= 的 GMSK 调制其基带信号可以表示为 sb(t) = ∑ exp[jπh ∑ dn +θNn=−∞]Co(t− NTb) ∞N=−∞ +∑ ∑ exp[jπh∑ Ak,N +θNn=−∞ ]ck(t −NTb)7K=1Nn=−∞ （ ） 其中： Co(t)=∏ sin(ψ(t+nTb))sin(hπ)3n= ψ(t) = {π∫ g(τ)dτ， t 𝐿Tbt−∞hπ− π∫ g(τ)t−LTb−∞ dτ， t ≥ LTb （ ） 其中 Ak,N为系数。 Co(t)的能量占 GMSK信号能量的 %，对于更大的 BTb， Co(t)项所占的比重更大，故可以忽略 Sb(t)的后半部分， GMSK 基带信号近似表示为：sb(t) ≈ ∑ exp,jπ h∑ dnNn=−∞ + θ c (t−NTb) = ∑ wkc (t− kTb)+∞k= ∞N=−∞j∑ zkc (t −kT)∞k= sb(t) ≈ U(f)C (f) （ ） 其中 wk = ∑ dn +θkn= /,zk = − ∑ dn + θkn= /,C (f)为 C (t)的频域响应协议 中定义了 GMSK 调制方式，如图 所示。 图 GMSK 信号产生原理 高斯滤波器的输出脉冲经 MSK 调制得到 GMSK 信号，其相位路径由脉冲的预编码 高斯低通滤波器 MSK调制器 带输入数 据序列 GMSK 调制的IF信号 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 14 页 共 54 页 形状决定。 由于高斯滤波后的脉冲无陡峭沿，也无拐点，因此，相位路径得到进一步平滑，如图 [11]。 图 GMSK的相位路径 实现 GMSK 调制的关键是滤波器的设计。 为了方便 GMSK 的解调，在调制之前需要对输入数据进行差分预编码。 设输入数据为 di,0,1， di_diff = di ⊕di−1 (di ∈ *0,1+) ai = 1 −2di−diff (ai ∈ *−1,1+) （ ） 其中 ⨁代表模 2 加，将差分编码之后的不归零数据 ai，通过高斯低通滤波器和 VCO，即可输出 GMSK 调制信号。 高斯预调制滤波器的传递函数为： H2(f) = exp(−α 2f2) （ ） 式中 α ∗Bb = √ln 22 =。 Bb是滤波器的 3dB 带宽， BbTb为系统中可变参数，BbTb取的小，能够使调制后的带宽变窄，但会引起码间干扰。 BbTb = ∞ 时即为MSK 调制。 高斯预调制滤波器的冲击响应函数为： h(t) =exp4 −t22δ2Tb25√(2π)∗δ∗Tb （ ） 式中 δ = √ln 22πBbTb。 高斯预调制滤波器的矩形脉冲响应为 :g(t) = h(t)∗rect(t)其中函数rect(t) = 81,for|t| Tb20,otherwise,其中 *代表卷积。 将上式代入上上式中，得到： g(t) = 2Q02πBb√ln 2 .t− Tb2 /1−Q02πBb√ln2 .t+ Tb2 /13 （ ） 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 15 页 共 54 页 式中， Q(t) = ∫ 1√2πe−π2 2⁄∞t dτ。 在欧洲 GSM 标准中，信道传输速率为 : 1Tb =16256 ksym /s= /s =16256 k it/s BbTb = （ ） 当 BbTb = ，横坐标每格表示 1 个码元宽度。 g(t)的积分满足：∫。