移动通信技术调制方式和空中接口技术脉络梳理

LucidaXu

前言：
　　对于一个非通信专业毕业的工作人员，经常会遇到GMSK、QPSK、16QAM、TDMA、OFDM等等字眼，再联系到GSM、CDMA、TD-SCDMA、WCDMA等等系统里面，时常搅的非专人员头昏眼花，在此，根据最近知识梳理的结果，做一个整理，供自己构建框架，也为大家提供一个参考，如发现有误的地方，可反馈讨论，鄙人非常乐意接受大家的意见，Email：xah0908@163.com .
　　
调制方式
　　当今移动通信系统都是用电磁波以无线的方式传播。我们的低频信号(例如：语音)需要以高频信号作为载体，在空中传播。为什么需要以高频信号作为载体？理由如下：
　　1.为了和信道匹配。无线通信的信道相当于大气层，在大气层里面，低频信号传输的时候衰减很严重。
　　2.与天线尺寸匹配。天线尺寸与电磁波波长相近时(大于1/10波长，一般取1/4波长)产生谐振，信号传输效率最高。低频信号的波长很长，从而导致天线尺寸很长(L=3*10^8/f，假设4Khz信号，则取1/4之后，L=18750m，何其壮观。)
　　3.高频信号更容易频分复用。
　　根据以上理由，所以我们必须要以高频信号作为载体。低频信号加载在高频信号上面的过程就是调制。可以从哪几个方面进行调制？
　　任何复杂的、周期的、非周期的信号，划分到最小单元，都是基础正弦信号的叠加。我们只需要以基础的正弦信号为研究对象，其他的复杂信号就是利用基础正弦信号进行运算的过程(那是伟大的傅里叶、拉普拉斯等等的事情)。
　　正弦信号的三要素：1.幅度；2.频率；3.相位。调制过程集中在这三个参数上面。由此可得：
　　幅移键控(ASK)，调幅；
　　频移键控(FSK)，调频；
　　相移键控(PSK)，调相。
　　所有的调制方式都是以ASK、FSK、PSK为基础拓展出来的，例如GMSK高斯频移键控，调频；例如QPSK四相相移键控，调相；GMSK、QPSK都是单个参数变化，而QAM(有16QAM，64QAM等)正交幅度调制既调幅又调相。
　　注：当下移动通信系统都采用数字调制，所以ASK、FSK、PSK都是数字方式，对应的模拟方式就是AM、FM、PM，我们主要叙述数字方式，对模拟方式感兴趣的可以自行查看相关资料，或者以收音机为雏形进行研究，然后扩展到第一代模拟通信上去。
ASK
　　2ASK：二进制幅移键控
　　MASK：多进制幅移键控
　　与二进制幅移键控相比，多进制幅移键控具有两个特点：1.在相同的信道码源调制中，每个符号可以携带log2M比特信息，因此，当信道频带受限时可以使信息传输率增加，提高了频带利用率，但由此付出的代价是增加信号功率和实现上的复杂性；2.在相同的信息速率下，由于多进制方式的信道传输速率可以比二进制的低，因而多进制信号码源的持续时间要比二进制的宽，加宽码元宽度，就会增加信号码元的能量，也能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。MASK是一种高效率的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道(例如线缆属于恒参信道，电磁波属于变参信道)下采用。
FSK
　　2FSK：二进制频移键控
　　MFSK：多进制频移键控
　　MSK(FFSK快速频移键控)：最小频移键控，以最小的调制指数(0.5)获得正交信号，对于给定的频带，它能比PSK传送更高的比特速率。MSK信号在带外产生的干扰非常小。信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。
　　GMSK：高斯滤波频移键控。在MSK调制器之前插入高斯低通预调制滤波器，调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤，因此GSMK调制的信号频谱紧凑、误码特性好，提高了频谱利用率和通信质量，而且带外辐射小。
PSK
　　2PSK(BPSK)：二进制相移键控
　　QPSK：四相相移键控(正交相移键控)，有较高的频谱利用率和较强的抗干扰能力。
　　DQPSK：四相相对相移键控，是北美和日本使用的第二代通信技术调制标准。
　　OQPSK：偏移四相相移键控，属于恒包括(以调波的包络保持为恒定)数字调制技术，
　　MPSK：多进制相移键控
　　HPSK(OCQPSK)：正交混合相移键控
混合调制
　　16QAM：16进制的正交振幅调制，是一种振幅相位联合键控信号。16QAM是用两路独立的正交4ASK信号叠加而成，4ASK是用多电平信号去键控载波而得到的信号。它是2ASK体制的推广，和2ASK相比，这种体制的优点在于信息传输速率高。
　　64QAM：64进制的正交振幅调制，对干扰信号敏感，所以一般不适用与嘈杂的上行传输，在通信系统中一般用在下行。调制效率高，对传输途径的信噪比要求高，具有带宽利用率高的特点。其他还有OFDM(正交频分技术)等。
　　对以上调制方式感兴趣的，可以根据这个脉络去查看大学数字通信或者通信原理等课程里面相关的理论解释，研究信号的包络、功率谱、带宽、相应的解调方式、解调的误码率等等，并将各种调制技术的参数进行对比，再运用到具体使用的通信系统里面，就能清楚的理解各个通信系统的优缺点。
空中接口技术
　　空中接口技术的核心就是多址技术。
　　蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，在电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题。
　　多址技术的本质就是：怎样把空中的资源合理的分配给用户，从而让更多的用户接入或者已经接入的用户达到更高的速率。常用的有FDMA，TDMA，CDMA以及他们混合技术。
　　FDMA：频分多址，以传输信号的载波频率来区分信道，将一段频谱划分成更小的频谱，用户独占该小频谱，直至结束，这属于一个维度的重用，早期的模拟通信就是采用FDMA的多址接入方式。FDMA的频谱利用率低，为了避免相互干扰，不同信道之间需要一定的间隔，往往一段频谱可接入的用户才几十个，很有限。
　　TDMA：时分多址，以传输信号存在的时间不同来区分信道，在FDMA的基础上，将小的频谱分割成多个时隙，每个用户在通信中独占一个时隙，这属于两个维度的重用，GSM采用的就是TDMA的多址接入方式，每个频谱分为8个时隙，每个时隙时间577us。
　　CDMA：码分多址，以传输信号的码型不同来区分信道，在TDMA的基础上，在一个时隙内，通过不同的码字(需要正交码)区分用户，达到3个维度的重用。CDMA标准由美国高通公司提出，在3G标准中，都是使用CDMA标准，正是因为这个原因，才致使高通公司的崛起，成了典型的“一流公司做标准”的例子。
　　OFDMA：正交频分多址，LTE下行链路主流多址方式。OFDMA将整个频带分割成许多子载波，将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道，从而能够有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落。由于子载波重叠占用频谱，OFDM能够提供较高的频谱利用率和较高的信息传输速率。OFDMA可支持两种子载波分配模式：分布式和集中式。在子载波分布式分配的模式中，可以利用不同子载波的频率选择性衰落的独立性而获得分集增益。
　　SC-FDMA：单载波频分多址，LTE上行链路主流多址方式。与OFDMA相比之下具有较低的PAPR（峰值/平均功率比），比多载波的PAPR低1-3dB左右（PAPR是由于多载波在频域叠加引起）。更低的PAPR可以使移动终端在发送功效方面得到更大的好处，并进而延长电池使用时间。
调制方式和空中接口技术在通信系统中的应用
　　GSM使用GMSK调制，空中接入技术包含了FDMA和TDMA。
　　EDGE的MCS1—MCS4使用GMSK调制，MCS5—MCS9使用8PSK调制。
　　WCDMA上行使用BPSK、下行使用QPSK调制，空中接入基础技术为CDMA。
　　TD-SCDMA使用8PSK、QPSK调制，空中接入基础技术为CDMA。
　　CDMA2000使用HPSK、QPSK调制，空中接入基础技术为CDMA。
　　LTE使用QPSK、QAM调制，空中接入技术上行为SC-FDMA，下行为OFDMA。

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【参考资料：大话移动通信  丁奇 阳桢 著】                  

zxzhao

学习了，呵呵！