现代数字调制技术最新进展

中国人民解放军理工大学通信工程学院全军卫星重点实验室现代无线数字调制技术报告人：陈建华副教授报告内容电信技术发展历史需求选择了数据通信数字调制技术的最新进展现代数字调技术的发展展望1一、电信技术发展历史电信技术发展历史2-11830‘sGauss与Weber共同开发出第一台小规模的电报系统：telegraphsystem(tele=distant,graph=writing)1840SamuelMorse设计出实用的电报系统1844Morse设计出在

Washington,DC,与

Baltimore之间达40-mile电报线路1876BellandThomasA.Watson申请了电话专利

telephone(tele=distant,phone=voice).电信技术发展历史2-11878Bell成立了BellTelephoneCompany并在NewHaven成立了第一个交换局。1878ThomasWatson申请了电话振铃器专利1881Bell公司一员工发明了二线本地环路1887Hertz用人工方法产生了电磁波1887CharlesVernonBoys提出了通过玻璃纤线传输光电信技术发展历史2-11890具有本地二线有线用户＋端局交换＋长途传输线路＋长话局的信网诞生1892AlmonB.Strowger发明并安装了第一个自动交换机(原因：他的竞争对手的夫人是接线员)1896GuglielmoMarconi开发出第一个无线电报以系统1926第一个纵横制交换机在设计完成电信技术发展历史2-11927第一个无线电报业务在英国与美国进行1939提出PCM，其是数字话音通信的奠基石1940‘s纵横制交换机在美国流行1946无线汽车电话在St.Louis试用

1946通过FDM技术为在3对同轴电缆支持了1800话路的

L1-载波系统开始运行电信技术发展历史2-11948Shannon发表了划时代意义的两篇学术论文，其为数字压缩及信道编码提供了理论指导。1950支持2400电路的TD-2微波通信系统装机运行1956第一个穿越大西洋的电话电缆辅设完成1950‘s具有“push-to-talk”移动电话系统在出租车、警察部门开始使用1950‘s第一个paging系统设立电信技术发展历史2-11950‘s美国电话电报公司（AT&T）采用FSK技术开发出300-bps调制解调器(Bell103)和1200-bpsmodem(Bell202)1960‘s开发出theImprovedMobileTelephoneSystem(IMTS)，其具有双工功能，同时容纳更多有用户，提供更大的功率1960‘sAT&T采用QPSK调制方式设计出能支持2400-bps有调制解调器(Bell201)1962第一个通信卫星Telstar发射入轨电信技术发展历史2-11962半导体激光器发明1963标准ASCII标准提出1964国际卫星组织(INTELSAT)建立，并在1965成功发射第一颗

EarlyBird静止通信卫星1964国际电信联盟ITU-T‘s提出全球电话编号标准E.163电信技术发展历史2-11968CCITT(现在的ITU-T)定义了第一个传真机标准："Group1"1968DARPANET委托BBN(Bolt,Beranak,andNewman)开发设计

ARPANET1960年代后期采用8PSK技术设计的4800

bps及采用QAM技术设计的9600

bpsMODEM设备问世1970低损耗光纤（20dB/km）研制成功电信技术发展历史2-11970‘s分组交换技术及

X.25标准的出现1976RobertMetcalf提出Ethernet技术及1-Mbpsto10-Mbps的IEEE802.3标准的提出1977Bell实验室采用蜂窝技术设计出模拟AMPS移动通信系统1978通过10对同轴电缆支持132,000

电路的L5E-载波系统投入运行1979 NMTat450MHz(Scandinaviancountries)1982开始GSM标准的制定电信技术发展历史2-1瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT—450移动通信网，频段为450MHz。1983北美AMPS(AdvancedMobilePhone System,analog)投入运营1983作为

ARPANET

网络的传输协议TCP/IP提出1984欧洲的CT-1无线电话开通1984美国AT&T分裂：1)AT&T长话公司及23家Bell营运公司(BOCs)电信技术发展历史2-11984国际标准化组织CCITT着手进行ISDN标准的制定1985BellCore,theRBOCs

进行(SONET)标准制定80年代中期

565-Mbps光纤在公用交换网中换网中运用1986年低耗光纤损耗达到0.154dB/km,接近0.13dB/km的硅质极限80年代未低速语音编码技术迅速发展电信技术发展历史2-11989CCITT提出了SONET标准

G.707,G.708,G.7091990Motorola申请发射77颗(后修改为66颗)低轨卫星通信系统IridiumSystem1991对DECT标准开始制定19921百万主机接入Internet网1992开始

GSM移动网络的使用（900MHz,124channels）1993

Internet传输协议版本4(IPv4)提出电信技术发展历史2-11993采用多音技术设计出ADSL传输路由1994德国的E-Netz网络采用GSM技术在

1800MHz频段上以小蜂窝方式使用1997无线局域网标准IEEE802.11制定1998

SprintCorp宣布同时在电话线中支持话音、数据、图像技术1998Ericsson,IBM,Intel,Nokia,andToshiba宣布进行Bluetooth技术相关的设备开发电信技术发展历史2-11998开始制定GSM下一代移动通信标准UMTS(UniversalMobileTelecommunicationSystem)1999提出了无线局域肉标准802.11b（2.4-2.5GHz,11Mbit/s）蓝芽技术开始运用（2.4Ghz,<1Mbit/s）开始无线接入协议的研究WAP(WirelessApplicationProtocol)电信技术发展历史2-12000年GSM开始提供高速数据：HSCSDoffersupto57,6kbit/s；GPRS试验开始传输50kbit/s的分组数据2001开始3G系统研究Cdma2000inKorea,UMTSinEurope,Foma(almostUMTS)inJapan电信技术发展历史2-1交换网络技术促进了电信网的飞速发展标准化工作为全球设备互连互通提供前提光纤通信为信息化提供了高速路由调制技术与语音编码技术的发展引发的移动通信上的革命数据网络技术飞速发展信息处理技术水平获得极大提高历史发展特点:二、需求选择了数据通信现代通信系统对信息的处理方式2-1信息表示信息贮存信息传输信息加工无线数字通信系统的基本组成及其功能2-1信源信源编码加密信道编码数字调制发送设备信道接收设备信道译码解密信源译码数字解调信宿同步设备噪声无线通信技术近代发展总结2-1蜂窝电话卫星通信无线局域网无绳电话1992:GSM1994:

DCS18002001:IMT-20001987:

CT1+1982:Inmarsat-A1992:Inmarsat-BInmarsat-M1998:Iridium1989:CT21991:DECT199x:proprietary1997:IEEE802.111999:802.11b,Bluetooth1988:Inmarsat-Canaloguedigital1991:D-AMPS1991:CDMA1981:NMT4501986:NMT9001980:

CT01984:

CT11983:AMPS1993:PDC4G–fourthgeneration:whenandhow?2000:

GPRS2000:IEEE802.11a200?:FourthGeneration(Internetbased)通信系统目前研究的主要领域2-1三、数字调制技术的最新进展数字调制技术的发展2-1数字调制技术发展历史数字调制技术分类设计目标各种调制技术一、数字调制技术发展历史2-150年代末出现了FSK与二相相移键控(BPSK)技术。60年代为提高信道频带利用率，提出了四相相移键控(QPSK)：在码元转点存在90度与180度的相位突跳，使得频谱高频滚降性能差，带外辐射大；2-1到60年代末提出交错正交相移键控(OQPSK)：它克服了180度相位突跳的问题，在码元转换点上仍可能有90度的相位突跳；70年代初提出的最小频移键控(MSK)：相邻码元之间的相位变化不再有突变，而应该在一个码元时间内逐渐累积末完成；一、数字调制技术发展历史2-11975年：SFSK、SFOQ；1977年：TFM1979：GMSK、IJF—OQPSK、PR-ISFOQPSK、XPSK近20年：QAM、CDMA、OFDM、MCM等调制技术一、数字调制技术发展历史二、数字调制的分类：按包络的特性分类2-1二、数字调制的分类：按抗衰落性能分类2-1无抗衰落性能：ASK、BPSK、QPSK、QAM、OQPSK具有一般性的抗衰落性能：FSK、DBPSK、DQPSK、/4-

DQPSK具有很强的抗衰落性能：DS／CDMA、FH／CDMA、MC、MT、OFDM二、数字调制的分类：按频带有效性分类2-1低频带利用率：ASK、FSK、BPSK中等频带利用率：QPSK、GMSK、/4-

DQPSK高频带利用率：QAM、MC、MT、OFDM三、数字调制解调器设计的目标2-1在保证业务所要求的一定误码率和情况下：（1）功率有效性；（2）频带有效性；（3）对环境的适应性；（4）成本不同的应用系统对这四方面要求不尽一致带宽有效性功率有效性成本环境适应性各种调制技术1、模拟调制方式：AM、FM2-1简单、在传输过程中具有噪声积累，多用户复用性能差、不灵活。2、数字调制框图2-13、频移键控FSK2-1最简单、原始的调制方式。通过传号与空号对应不同的频率来实现对码流信号的传输FSK信号检测简单，传输速率低。在数据通信业务的初期在电话MODEM中、HF信道中获得了广泛应用3、频移键控FSK2-1计算机FSKmodem(Originate)计算机FSKmodem(Answer)DigitaldataPSTNDialupphonelinef1=1270Hzf2=1070Hzf1=2225Hzf2=2025Hz300bpsFSKMODE在PSTN网络中的运用3、频移键控FSK2-14、相移键控PSK2-1在有限的带下，PSK具有更高的频带效率，其中BPSK具有较好的抗噪声能力与较简单的接收机结构，在卫星通信中获得运用。QPSK具有实现复杂性不高，同时以具有较高的频带利用率。在Bell212AMODEM在采用PSK调制方式实现最简单、原始的调制方式1200bps的调制器4、相移键控PSK2-1PSK信号用载波的相位携带信息。MPSK信号的载波相位共有M个可能的取值，每一个载波相位对应着M个符号集中的一个符号，在某一个符号间隔内载波的相位取该符号对应的相位值当M=2时就是BPSK信号，M=4时就是QPSK信号。随着M的增加，已调信号的频谱效率增加，而功率效率则下降。(k-1)T0

tkT02-11000011011BPSK和QPSK信号相位转移图（a）BPSK信号（b）QPSK信号(k-1)TS

t

kTS4、相移键控PSK2-1成形滤波器cosctS(t)90成形滤波器串／并+{aj}图2-3BPSK和QPSK调制器方框图（b）QPSK调制器成形滤波器cosctS(t)（a）BPSK调制器{aj}4、相移键控PSK2-1带通CR90STR门限判决门限判决并／串t=kTst=kTsS(t){aj}4、相移键控PSKQPSK信号的包络起伏与相位路径2-15、/4-

DQPSK调制2-1利用载波相位的绝对变化来传送数字信息巧妙地设计DQPSK信号的相位逻辑，可以使已调信号具有较好的性能。π/4-DQPSK的相位逻辑改善了已调信号的包络起伏更加适用于非线性信道（包括衰落信道）。5、/4-

DQPSK调制2-1偶数符号奇数符号(b)/4-DBPSK信号/4-DQPSK信号包络起伏的最大值约为QPSK信号包络起伏最大值的60%，是OQPSK包络起伏最大值的两倍。6、OQPSK调制2-1BPSK和QPSK信号的相位转移有可能经过原点，这意味着BPSK和QPSK信号经过滤波器的带限后，其包络将在相位矢量过原点的相应时刻为零。原因：当I和Q支路的符号同时发生跳变时相位路径过原点。如果使I支路在和Q支路有一定的相对时延，就可以使这两个支路分时跳变，避免相位路径过原点，也就消除了滤波后信号包络过零点的现象，这就是OQPSK(offsetQPSK)调制的基本思想。6、OQPSK调制2-100011011OQPSK信号相位矢量图OQPSK信号包络起伏的最大值仅有QPSK信号包络起伏最大值的30%，这一点可以从包络波动图中看到6、OQPSK调制2-1成形滤波器cosctS(t)90成形滤波器串／并{aj}BPF(a)OQPSK调制方框图Tb6、OQPSK调制方式2-1带通CR90STR判决判决并/串匹配滤波器匹配滤波器TbS(t)+n(t)（b）OQPSK解调方框图{aj}7、MSK调制方式MSK：已调信号的相位路径是连续的，在一个比特间隔Tb内，信号的相位线性地增加或减少/2，MSK信号彻底消除了相位突跳，从而确实保证了包络恒定。（a）MSK信号相位矢量图（b）MSK相位路径01101007、MSK调制方式成形滤波器cosctS(t)90成形滤波器串／并U(t)BPF(a)MSK调制方框图ikqkI(t)Q(t)C(t)7、GMSK调制方式2-1GMSK调制的原理是先对输入数据脉冲信号进行预滤波，预滤波器具有高斯低通特性，然后再进行MSK调制，因此GMSK信号也称高斯滤波的最小频移键控（Gaussian-filteredMSK）。GaussionLPFFM调制器h=0.5直接调频产生GMSK信号7、GMSK调制方式2-1谱密度归一化频率(f-fc)TbGMSK的功率谱GMSK信号频谱8、QAM调制方式2-1QAM就是振幅调制与相位调制相结合的正交振幅调制方式。特点：包络不恒定，不适合于有较强幅度衰落的移动通信。8、QAM调制方式2-1ITUV.34标准的MODEM，其具有33.6kb/s，全双工、V.90标准使数据速率达到理论极限56kb/s、三类传真…等等均采用了QAM传输技术8、QAM调制方式2-1QAM就是振幅调制与相位调制相结合的正交振幅调制方式。特点：包络不恒定，不适合于有较强幅度衰落的移动通信。8、QAM调制方式2-1QAM就是振幅调制与相位调制相结合的正交振幅调制方式。特点：包络不恒定，不适合于有较强幅度衰落的移动通信。8、QAM调制方式2-1QAM就是振幅调制与相位调制相结合的正交振幅调制方式。特点：包络不恒定，不适合于有较强幅度衰落的移动通信。9、CDMA调制方式2-1

寻找一种有效的多址方式：FDMA、TDMA80年代开发出CDMA用于军用目的90年代CDMA用于移动通信：IS95CDMA的分类2-1CDMA的信号处理流程具有对干扰平均化能力对信道性能平均化信号具有隐蔽性信号具有多址能力CDMA的特点：DS发送框图DS发射信号变化过程DS调制信号频谱变化过程DS信号处理基带示意图DS接收框图DS多用户工作示例DS在多用户环境下对信号的接收FH跳频示意图：FH发送框图FH接收框图10、OFDM调制方式：发展（1）1966年，Bell实验室Chang等提出OFDM概念（2）1971年，对OFDM的FFT提出实现方式（3）1980年，Peled提出周期性前缀技术（4）1985年，Cimini研究了OFDM在衰落信道下性能（5）1987年，Alard将OFDM运用于数字TV传输（6）1989年，LeFloch将OFDM运用于DAB（7）90年代早期，Cioffi等将OFDM运用于ADSL、VDSL

并取名为多音调制（MT）（8）1996年，Sony,Telia,对OFDM在3G环境下探讨（9）1997年，DVB-T标准提出（10）2000年，802.16无线城域网中采用OFDM技术（11）2002年，802.20在无线移动城域网中OFDM技术10、OFDM调制方式：为什么？目的：（1）在频率选择性衰落信道下，能减少ISI；（2）提高频谱利用率；（3）在高速数据传输环境下对定时不敏感定义：将数据流分裂成N路数据，每一路单独在各个子载波上进行传输，这些子载波相互正交10、OFDM调制方式：定义10、OFDM调制方式：频点分布示意图10、OFDM调制方式：调制框图10、OFDM调制方式：频差、定时对系统性能的影响有频差与定时误差的星座图存在定时误差