第四讲
移动通信的基本技术（二）
2
主要内容
? 调制与解调技术
? 多址技术
调制与解调技术
4
高斯最小频移键控 (GMSK)
最小频移键控 (MSK)调制是调制指数 (βFM)为 0.5的二元
数字频率调制,其调频带宽较窄,且具有恒定的包络,因而
可以在接收端采用相干检测法进行解调 。 但是对于数字移
动通信系统,对信号带外辐射功率的限制十分严格,如带外
衰减要求在 70~80 dB以上,再采用 MSK就不能满足要求了 。
这时,可采用 MSK的改进型 ——GMSK作为替代的调制方
法 。
5
高斯最小频移键控 (GMSK)
前置
滤 波 器
输入 M S K
调 制 器
输出
以高斯低通滤波器的归一化 3 dB带宽 BbTs为参变量 (Ts
为码元宽度,T=1/fb),以归一化频差 (f-fc)·Ts为横坐
标 (fc为载波功率 )的功率谱特性曲线如图所示。由图可
知,BbTs越小,功率谱越集中，当 BbTs=0.2时,GMSK
的频谱与平滑调频 (TFM)的频谱几乎相同 ; 当 BbTs=∞
时,GMSK就蜕变为 MSK。
6
高斯最小频移键控 (GMSK)
2, 52, 01, 51, 00, 50
－ 120
－ 100
－ 80
－ 60
－ 40
－ 20
0
归 一 化 频 率 (f － f
c
) T
s
频谱密度
f
/
d
B
0, 5 0
0, 3 0
0, 1 6
0, 2 0
0, 2 5
B
b
T
s
＝ ∞ ( M S K )
7
高斯最小频移键控 (GMSK)
需要指出的是,GMSK信号的频谱特性的改善是通过降低误
码率性能换来的。 前置滤波器的带宽越窄,输出功率谱就
越紧凑,但误码率性能就变得越差。
GMSK信号的解调可采用正交相干解调,也可采用鉴相器或
差分检测器。
GMSK在移动通信中有着广泛的应用,如 GSM系统就采用
这种方法。 GSM的信道传输速率 1/Ts=1625/6kb/s,
BbTs=0.3。研究证明,当 BbTs=0.3时,GMSK的功率谱
完全满足 GSM标准的要求。
8
四相相移键控 (QPSK)
QPSK调制器的原理框图如图所示 。 它可以看成由
两个 BPSK调制器构成,输入的串行二进制信息序
列经串 /并变换,分成两路速率减半的序列,电平发
生器分别产生双极性电平信号 I(t)和 Q(t),然后分
别对 A cosωct和 A sinωct进行调制,相减后即得
QPSK信号 。
9
四相相移键控 (QPSK)
电平
产生
I ( t )
A c o s ?
c
t
载波
发 生 器
90°
移相
电平
产生
Q ( t )
A s in ?
c
t
已 调 信 号串 / 并
转换
二 进 制 信 息
QPSK调制器原理框图
10
四相相移键控 (QPSK)
1
－ 1
Q ( t )
0
1 1
0
1
1
－ 1
I ( t )
0
1 1 11
1 0 0 1 1 1 1 0 1 1
t
t
t
信号波形图
11
该 QPSK调制器的原理, 把相继两个二进制码元 (an,
an-1)的四种组合对应于正弦波 si(t)=A cos(ωct+Qi)
的四个相位 (其中 -T/2≤t≤T/2),则调制器的输出为
四相相移键控 (QPSK)
s1(t)=A cos(ωct+Q1) Q1=+π/4; (an,an-1)=(+1,+1)
s2(t)=A cos(ωct +Q2) Q2=-π/4; (an,an-1)=(-1,+1)
s3(t)=A cos(ωct +Q3) Q3=+3π/4; (an,an-1)=(-1,-1)
s4(t)=A cos(ωct +Q4) Q4=-3π/4; (an,an-1)=(+1,-1)
12
π/4-QPSK
π/4-QPSK是 QPSK的改进型,改进之一是将 QPSK的最大相位跳变由 ± π降为
± 3/4π,从而减小了信号的包络起伏,改善了频谱特性 。 具体来看,π/4-QPSK可
以看成是在 QPSK的基础上,每个码元周期内其相位旋转 π/4而形成的 。 QPSK共
有四个状态,由其中一个状态可以转换为其他三个状态中的任何一个,因而存在
180° 的相位变化 (即相位迁移通过原点 )。 π/4-QPSK共有八个状态,分为两组,
相位相差 45°,在图中分别以白点和黑点表示 。 π/4-QPSK矢量转换,只能在这两
组之间进行,也就是说,如果现在的码元周期内,相位状态是白点中的一个,在下一
个码元周期内相位状态只能是黑点中的某一个 。 可见 π/4-QPSK中可能出现的最
大相位变化是 135° 。 因此,π/4-QPSK已调信号的包络起伏比原型 QPSK要小,
经非线性放大后的频谱特性也优于原型 QPSK。
13
π/4-QPSK
同 相 轴
正 交 轴
同 相 轴
正 交 轴
π/4QPSK星座图和相位转移图
14
π/4-QPSK对 QPSK的改进之二是解调方式。 QPSK只能
采用相干解调,而 π/4-QPSK 既可以采用相干解调,也可
以采用非相干解调,如差分检测和鉴频器检测等。
π/4-QPSK相位调制技术是近几年来移动通信中使用较多
的一种调制方式,美国的 IS-136数字蜂窝系统、日本的个
人数字蜂窝系统 (PDC)和美国的个人接入通信系统 (PACS)
都采用这种调制技术。
π/4-QPSK
15
正交振幅调制 (QAM)
正交振幅调制是二进制 PSK和四进制 QPSK调制的进
一步推广,通过相位和振幅的联合控制,可以得到更
高频谱效率的调制方式,从而可在限定的频带内传输
Y(t)＝ Am cosωt+Bm sinωt,0＜ t＜ Ts
上式由两个相互正交的载波构成,每个载波被一组离
散的振幅 {Am},{Bm}所调制,故称这种调制方式
为正交振幅调制。式中,Ts为码元宽度,m＝ 1,
2,…M; 而 M为 Am和 Bm的电平数。
16
正交振幅调制 (QAM)
多 电 平 判 决
定 时 恢 复载 波 恢 复
L - 2
电 平 转 换
Y ( t )
L P F
多 电 平 判 决L P F
A
m
B
m
L - 2
电 平 转 换
并 / 串 转 换
( b )
( a )
2 - L
电 平 转 换
串 / 并 转 换
预 调 制
L P F
A
m
c o s ? t
2 - L
电 平 转 换
预 调 制
L P F
B
m
s i n ? t
Y ( t )
已 调 信 号 输 出
QAM
17
正交振幅调制 (QAM)
经分析可知,QAM具有更高的频谱效率,这是由于它具有更大的符号数 。
对于给定的系统,所需要的电平数为 2n,这里 n是每个电平的比特数 。 每个
电平包含的比特 (基本信息单位 )越多,效率就越高 。 如 16QAM在 25kHz信
道中可实现 64 kb/s的传输速率,其频谱利用率高达 2.56 b/s·Hz; 而
64QAM的频带利用率可达 5 b/s·Hz。 但需要指出的是,QAM的高频带利
用率是以牺牲其抗干扰性来获得的,电平数越大,信号星座点数越多,其抗干
扰性能就越差 。 因为随着电平数的增加,电平间的间隔减小,噪声容限减小,
同样噪声条件下误码也就增加 。
多址技术
19
多址技术的含义
所谓多址技术就是使多个用户接入并共享同一个无线通信信道,以提高频谱利用率的技术。即把同一个无线信道按照时间,
频率等进行分割,使不同的用户都能够在不同的分割段中使用
这一信道,而又不会明显地感觉到他人的存在,就好像自己在
专用这一信道一样。 占用不同的分割段就像是拥有了不同的
地址,使用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地址。这
就是多址技术,亦称多址接入技术。 如在蜂窝移动通信系统中,
多个移动用户要同时通过一个基站和其他移动用户进行通信,
就必须对基站和不同的移动用户发出的信号赋予不同的特征,
使基站能从众多移动用户的信号中区分出是哪一个移动用户
发来的信号,同时各个移动用户又能够识别出基站发出的信号
中哪个是发给自己的。
20
频分多址 (FDMA)
频分多址技术按照频率来分割信道,即给不同的用户分配
不同的载波频率以共享同一信道。 频分多址技术是模拟载波
通信,微波通信、卫星通信的基本技术,也是第一代模拟移
动通信的基本技术。
在 FDMA系统中,信道总频带被分割成若干个间隔相等
且互不相交的子频带 (地址 ),每个子频带分配给一个用户,每
个子频带在同一时间只能供给一个用户使用,相邻子频带之间
无明显的干扰。
21
频分多址 (FDMA)
基站
W
T
F
1
…
移 动 台
F
1
F
2
f
1
f
2
f
m
F
m
…
F
1
F
2
F
3
F
4
F
m
…
f
W
22
时分多址技术按照时隙来划分信道,即给不同的用户分
配不同的时间段以共享同一信道。 时分多址技术是数字数
据通信和第二代移动通信的基本技术。
在 TDMA系统中,时间被分割成周期性的帧,每一帧再分
割成若干个时隙 (地址 )。 无论帧或时隙都是互不重叠的。
然后,根据一定的时隙分配原则,使各个移动台在每帧内只
能按指定的时隙向基站发送信号,在满足定时和同步的条件
下,基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而互不
混扰。同时,基站发向多个移动台的信号都按顺序安排,在
预定的时隙中传输。各移动台只要在指定的时隙内接收,就
能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。
时分多址 (TDMA)
23
时分多址 (TDMA)
基站
…
…
T
W
T
1
T
m
T
1
T
2
T
3
T
4
T
m
t
1 帧
移动 台
…
T
1
T
1
T
1
… …
T
2
T
2
T
2
… …
T
m
T
m
… …
24
与 FDMA技术相比,TDMA具有如下特性,
(1) 每载频多路。 TDMA系统能够在每一载频上产生多个时隙,而每个
时隙都是一个信道,因而能够进一步提高频谱利用率,增加系统容量。
(2) 传输速率高。 每一载频含有时隙多,则频率间隔宽,传输速率就高。
(3) 对新技术开放。例如当因语音编码算法的改进而降低比特速率时,
TDMA系统的信道 很容易重新配置以接纳新技术
(4) 共享设备成本低。 由于每一载频为许多客户提供业务,因此 TDMA
系统共享设备的每客户平均成本与 FDMA系统相比是大大降低了。
(5) 不存在频率分配问题。对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理
与分配简单而经济，所以,TDMA系统更容易进行时隙的动态分配。
(6) 基站可以只用一台发射机。 可以避免像 FDMA系统那样因多部不同
频率的发射机同时工作而产生的互调干扰。
时分多址 (TDMA)
25
时分多址 (TDMA)
同时,TDMA也具有一定的缺陷,
(1) 必须有精确的定时和同步。
(2) 移动台较复杂。
(3) 传输开销大。
26
码分多址 (CDMA)
码分多址技术按照码序列来划分信道,即给不同的用户
分配一个不同的编码序列以共享同一信道。 码分多址技术是
第二代移动通信的演进技术和第三代移动通信的基本技术。
在 CDMA系统中,每个用户被分配给一个惟一的伪随机
码序列 (扩频序列 ),各个用户的码序列相互正交,因而相关性
很小,由此可以区分出不同的用户。与 FDMA划分频带和
TDMA划分时隙不同,CDMA既不划分频带又不划分时隙,而
是让每一个频道使用所能提供的全部频谱,因而 CDMA采用的
是扩频技术,它能够使多个用户在同一时间、同一载频以不同
码序列来实现多路通信。 CDMA示意图如图所示。
27
码分多址 (CDMA)
基站 C
m
C
2
C
1
移动 台
…
…
码 C
m
码 C
3
码 C
2
fW
码 C
1
T
W
…
28
码分多址 (CDMA)
以上三种多址技术相比较,CDMA技术的频谱利用
率最高,所能提供的系统容量最大,它代表了多址
技术的发展方向 ; 其次是 TDMA技术,目前技术比
较成熟,应用比较广泛 ; FDMA技术由于频谱利用
率低,将逐渐被 TDMA和 CDMA所取代,或者与后
两种方式结合使用,组成 TDMA/FDMA,
CDMA/FDMA方式。
移动通信的基本技术（二）
2
主要内容
? 调制与解调技术
? 多址技术
调制与解调技术
4
高斯最小频移键控 (GMSK)
最小频移键控 (MSK)调制是调制指数 (βFM)为 0.5的二元
数字频率调制,其调频带宽较窄,且具有恒定的包络,因而
可以在接收端采用相干检测法进行解调 。 但是对于数字移
动通信系统,对信号带外辐射功率的限制十分严格,如带外
衰减要求在 70~80 dB以上,再采用 MSK就不能满足要求了 。
这时,可采用 MSK的改进型 ——GMSK作为替代的调制方
法 。
5
高斯最小频移键控 (GMSK)
前置
滤 波 器
输入 M S K
调 制 器
输出
以高斯低通滤波器的归一化 3 dB带宽 BbTs为参变量 (Ts
为码元宽度,T=1/fb),以归一化频差 (f-fc)·Ts为横坐
标 (fc为载波功率 )的功率谱特性曲线如图所示。由图可
知,BbTs越小,功率谱越集中，当 BbTs=0.2时,GMSK
的频谱与平滑调频 (TFM)的频谱几乎相同 ; 当 BbTs=∞
时,GMSK就蜕变为 MSK。
6
高斯最小频移键控 (GMSK)
2, 52, 01, 51, 00, 50
－ 120
－ 100
－ 80
－ 60
－ 40
－ 20
0
归 一 化 频 率 (f － f
c
) T
s
频谱密度
f
/
d
B
0, 5 0
0, 3 0
0, 1 6
0, 2 0
0, 2 5
B
b
T
s
＝ ∞ ( M S K )
7
高斯最小频移键控 (GMSK)
需要指出的是,GMSK信号的频谱特性的改善是通过降低误
码率性能换来的。 前置滤波器的带宽越窄,输出功率谱就
越紧凑,但误码率性能就变得越差。
GMSK信号的解调可采用正交相干解调,也可采用鉴相器或
差分检测器。
GMSK在移动通信中有着广泛的应用,如 GSM系统就采用
这种方法。 GSM的信道传输速率 1/Ts=1625/6kb/s,
BbTs=0.3。研究证明,当 BbTs=0.3时,GMSK的功率谱
完全满足 GSM标准的要求。
8
四相相移键控 (QPSK)
QPSK调制器的原理框图如图所示 。 它可以看成由
两个 BPSK调制器构成,输入的串行二进制信息序
列经串 /并变换,分成两路速率减半的序列,电平发
生器分别产生双极性电平信号 I(t)和 Q(t),然后分
别对 A cosωct和 A sinωct进行调制,相减后即得
QPSK信号 。
9
四相相移键控 (QPSK)
电平
产生
I ( t )
A c o s ?
c
t
载波
发 生 器
90°
移相
电平
产生
Q ( t )
A s in ?
c
t
已 调 信 号串 / 并
转换
二 进 制 信 息
QPSK调制器原理框图
10
四相相移键控 (QPSK)
1
－ 1
Q ( t )
0
1 1
0
1
1
－ 1
I ( t )
0
1 1 11
1 0 0 1 1 1 1 0 1 1
t
t
t
信号波形图
11
该 QPSK调制器的原理, 把相继两个二进制码元 (an,
an-1)的四种组合对应于正弦波 si(t)=A cos(ωct+Qi)
的四个相位 (其中 -T/2≤t≤T/2),则调制器的输出为
四相相移键控 (QPSK)
s1(t)=A cos(ωct+Q1) Q1=+π/4; (an,an-1)=(+1,+1)
s2(t)=A cos(ωct +Q2) Q2=-π/4; (an,an-1)=(-1,+1)
s3(t)=A cos(ωct +Q3) Q3=+3π/4; (an,an-1)=(-1,-1)
s4(t)=A cos(ωct +Q4) Q4=-3π/4; (an,an-1)=(+1,-1)
12
π/4-QPSK
π/4-QPSK是 QPSK的改进型,改进之一是将 QPSK的最大相位跳变由 ± π降为
± 3/4π,从而减小了信号的包络起伏,改善了频谱特性 。 具体来看,π/4-QPSK可
以看成是在 QPSK的基础上,每个码元周期内其相位旋转 π/4而形成的 。 QPSK共
有四个状态,由其中一个状态可以转换为其他三个状态中的任何一个,因而存在
180° 的相位变化 (即相位迁移通过原点 )。 π/4-QPSK共有八个状态,分为两组,
相位相差 45°,在图中分别以白点和黑点表示 。 π/4-QPSK矢量转换,只能在这两
组之间进行,也就是说,如果现在的码元周期内,相位状态是白点中的一个,在下一
个码元周期内相位状态只能是黑点中的某一个 。 可见 π/4-QPSK中可能出现的最
大相位变化是 135° 。 因此,π/4-QPSK已调信号的包络起伏比原型 QPSK要小,
经非线性放大后的频谱特性也优于原型 QPSK。
13
π/4-QPSK
同 相 轴
正 交 轴
同 相 轴
正 交 轴
π/4QPSK星座图和相位转移图
14
π/4-QPSK对 QPSK的改进之二是解调方式。 QPSK只能
采用相干解调,而 π/4-QPSK 既可以采用相干解调,也可
以采用非相干解调,如差分检测和鉴频器检测等。
π/4-QPSK相位调制技术是近几年来移动通信中使用较多
的一种调制方式,美国的 IS-136数字蜂窝系统、日本的个
人数字蜂窝系统 (PDC)和美国的个人接入通信系统 (PACS)
都采用这种调制技术。
π/4-QPSK
15
正交振幅调制 (QAM)
正交振幅调制是二进制 PSK和四进制 QPSK调制的进
一步推广,通过相位和振幅的联合控制,可以得到更
高频谱效率的调制方式,从而可在限定的频带内传输
Y(t)＝ Am cosωt+Bm sinωt,0＜ t＜ Ts
上式由两个相互正交的载波构成,每个载波被一组离
散的振幅 {Am},{Bm}所调制,故称这种调制方式
为正交振幅调制。式中,Ts为码元宽度,m＝ 1,
2,…M; 而 M为 Am和 Bm的电平数。
16
正交振幅调制 (QAM)
多 电 平 判 决
定 时 恢 复载 波 恢 复
L - 2
电 平 转 换
Y ( t )
L P F
多 电 平 判 决L P F
A
m
B
m
L - 2
电 平 转 换
并 / 串 转 换
( b )
( a )
2 - L
电 平 转 换
串 / 并 转 换
预 调 制
L P F
A
m
c o s ? t
2 - L
电 平 转 换
预 调 制
L P F
B
m
s i n ? t
Y ( t )
已 调 信 号 输 出
QAM
17
正交振幅调制 (QAM)
经分析可知,QAM具有更高的频谱效率,这是由于它具有更大的符号数 。
对于给定的系统,所需要的电平数为 2n,这里 n是每个电平的比特数 。 每个
电平包含的比特 (基本信息单位 )越多,效率就越高 。 如 16QAM在 25kHz信
道中可实现 64 kb/s的传输速率,其频谱利用率高达 2.56 b/s·Hz; 而
64QAM的频带利用率可达 5 b/s·Hz。 但需要指出的是,QAM的高频带利
用率是以牺牲其抗干扰性来获得的,电平数越大,信号星座点数越多,其抗干
扰性能就越差 。 因为随着电平数的增加,电平间的间隔减小,噪声容限减小,
同样噪声条件下误码也就增加 。
多址技术
19
多址技术的含义
所谓多址技术就是使多个用户接入并共享同一个无线通信信道,以提高频谱利用率的技术。即把同一个无线信道按照时间,
频率等进行分割,使不同的用户都能够在不同的分割段中使用
这一信道,而又不会明显地感觉到他人的存在,就好像自己在
专用这一信道一样。 占用不同的分割段就像是拥有了不同的
地址,使用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地址。这
就是多址技术,亦称多址接入技术。 如在蜂窝移动通信系统中,
多个移动用户要同时通过一个基站和其他移动用户进行通信,
就必须对基站和不同的移动用户发出的信号赋予不同的特征,
使基站能从众多移动用户的信号中区分出是哪一个移动用户
发来的信号,同时各个移动用户又能够识别出基站发出的信号
中哪个是发给自己的。
20
频分多址 (FDMA)
频分多址技术按照频率来分割信道,即给不同的用户分配
不同的载波频率以共享同一信道。 频分多址技术是模拟载波
通信,微波通信、卫星通信的基本技术,也是第一代模拟移
动通信的基本技术。
在 FDMA系统中,信道总频带被分割成若干个间隔相等
且互不相交的子频带 (地址 ),每个子频带分配给一个用户,每
个子频带在同一时间只能供给一个用户使用,相邻子频带之间
无明显的干扰。
21
频分多址 (FDMA)
基站
W
T
F
1
…
移 动 台
F
1
F
2
f
1
f
2
f
m
F
m
…
F
1
F
2
F
3
F
4
F
m
…
f
W
22
时分多址技术按照时隙来划分信道,即给不同的用户分
配不同的时间段以共享同一信道。 时分多址技术是数字数
据通信和第二代移动通信的基本技术。
在 TDMA系统中,时间被分割成周期性的帧,每一帧再分
割成若干个时隙 (地址 )。 无论帧或时隙都是互不重叠的。
然后,根据一定的时隙分配原则,使各个移动台在每帧内只
能按指定的时隙向基站发送信号,在满足定时和同步的条件
下,基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而互不
混扰。同时,基站发向多个移动台的信号都按顺序安排,在
预定的时隙中传输。各移动台只要在指定的时隙内接收,就
能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。
时分多址 (TDMA)
23
时分多址 (TDMA)
基站
…
…
T
W
T
1
T
m
T
1
T
2
T
3
T
4
T
m
t
1 帧
移动 台
…
T
1
T
1
T
1
… …
T
2
T
2
T
2
… …
T
m
T
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… …
24
与 FDMA技术相比,TDMA具有如下特性,
(1) 每载频多路。 TDMA系统能够在每一载频上产生多个时隙,而每个
时隙都是一个信道,因而能够进一步提高频谱利用率,增加系统容量。
(2) 传输速率高。 每一载频含有时隙多,则频率间隔宽,传输速率就高。
(3) 对新技术开放。例如当因语音编码算法的改进而降低比特速率时,
TDMA系统的信道 很容易重新配置以接纳新技术
(4) 共享设备成本低。 由于每一载频为许多客户提供业务,因此 TDMA
系统共享设备的每客户平均成本与 FDMA系统相比是大大降低了。
(5) 不存在频率分配问题。对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理
与分配简单而经济，所以,TDMA系统更容易进行时隙的动态分配。
(6) 基站可以只用一台发射机。 可以避免像 FDMA系统那样因多部不同
频率的发射机同时工作而产生的互调干扰。
时分多址 (TDMA)
25
时分多址 (TDMA)
同时,TDMA也具有一定的缺陷,
(1) 必须有精确的定时和同步。
(2) 移动台较复杂。
(3) 传输开销大。
26
码分多址 (CDMA)
码分多址技术按照码序列来划分信道,即给不同的用户
分配一个不同的编码序列以共享同一信道。 码分多址技术是
第二代移动通信的演进技术和第三代移动通信的基本技术。
在 CDMA系统中,每个用户被分配给一个惟一的伪随机
码序列 (扩频序列 ),各个用户的码序列相互正交,因而相关性
很小,由此可以区分出不同的用户。与 FDMA划分频带和
TDMA划分时隙不同,CDMA既不划分频带又不划分时隙,而
是让每一个频道使用所能提供的全部频谱,因而 CDMA采用的
是扩频技术,它能够使多个用户在同一时间、同一载频以不同
码序列来实现多路通信。 CDMA示意图如图所示。
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码分多址 (CDMA)
基站 C
m
C
2
C
1
移动 台
…
…
码 C
m
码 C
3
码 C
2
fW
码 C
1
T
W
…
28
码分多址 (CDMA)
以上三种多址技术相比较,CDMA技术的频谱利用
率最高,所能提供的系统容量最大,它代表了多址
技术的发展方向 ; 其次是 TDMA技术,目前技术比
较成熟,应用比较广泛 ; FDMA技术由于频谱利用
率低,将逐渐被 TDMA和 CDMA所取代,或者与后
两种方式结合使用,组成 TDMA/FDMA,
CDMA/FDMA方式。
