1.5 数字移动通信的主要技术

1.5.1 数字调制技术

数字调制是为了使在信道上传送的信号特性与信道特性相匹配的一种技术。就话音业务而言，经过话音编码所得到的数字信号必须经过调制才能实际传输。在无线通信系统中是利用载波来携带话音编码信号，即利用话音编码后的数字信号对载波进行调制，当载波的频率按照数字信号“1”、“0”变化而对应地变化时，则称为移频键控（FSK）；相应地，若载波相位按照数字信号“1”、“0”变化而对应地变化，则称之为移相键控（PSK）；若载波的振幅按照数字信号“1”、“0”变化而对应地变化，则称之为振幅键控（ASK）。然而通常的FSK在频率转换点上的相位一般并不连续，这会使载波信号的功率谱产生较大的旁瓣分量。为克服这一缺点，一些专家先后提出了一些改进的调制方式，其中有代表性的调制方式是最小移频键控（MSK）和高斯预滤波最小移频键控（GMSK）。

众所周知，移动通信必须占用一定的频带，然而可供使用的频率资源却非常有限。因此，在移动通信中，有效地利用频率资源是至关重要的。为了提高频率资源的利用率，除采用频率复用技术外，通过改善调制技术而提高频谱利用率也是我们必须慎重考虑的一个问题。鉴于移动通信的电波传播条件极其恶劣，衰落导致接收信号电平的急剧变化，移动通信中的干扰问题也特别严重，除邻道干扰外，还有同频道干扰和互调干扰，所以移动通信中的数字调制技术必须具有优良的频谱特性和抗干扰、抗衰落性能。

目前在数字移动通信系统中广泛使用的调制技术主要有以下两大类。

1.连续相位调制技术

连续相位调制技术的射频已调波信号具有确定的相位关系且包络恒定，也称为恒包络调制技术。它具有频谱旁瓣分量低，误码性能好，可以使用高效率的C类功率放大器等特点。属于这一类的调制技术有平滑调频（TFM）、最小移频键控（MSK）和高斯预滤波最小移频键控（GMSK）。其中，高斯预滤波最小移频键控（GMSK）的频谱旁瓣低，频谱利用率高，而其误码性能与差分移相键控（DPSK）差不多，因而得到了广泛的应用。

2.线性调制技术

线性调制技术包括二相移相键控（BPSK）、四相移相键控（QPSK）和正交调幅（QAM）等。这类调制技术频谱利用率较高但对调制器和功率放大器的线性要求非常高，因此设计难度和成本较高。近年来，由于放大器设计技术的发展，实现了高效而实用的线性放大器，这才使得线性调制技术在移动通信中得到实际应用。

上述两类调制技术在数字移动通信系统中都有应用，欧洲的GSM系统采用的是GMSK调制技术，而美国和日本的数字移动通信系统则采用了QPSK调制技术。

1.5.2 多址方式

使用多址方式旨在使许多移动用户同时分享有限的信道资源（如无线电频谱资源），即将可用的资源（如可用的信道数目）同时分配给众多用户共同使用，以达到较高的系统容量。多址系统的设计主要有两个问题：一是多路复用，也就是将一条通路变成多个物理信道；二是信道分配，即将单个用户分配到某一具体信道上去。

在移动通信系统中，常用的三种多址方式是频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。

1.频分多址（FDMA）

FDMA是按照频率的不同给每个用户分配单独的物理信道，这些信道根据用户的需求进行分配。在用户通话期间，其他用户不能使用该物理信道。在频分全双工（FDD）情形下，分配给用户的物理信道是一对信道（占用两段频段），一段频段用做前向信道，另一段频段用于反向信道。TACS系统和AMPS系统均采用FDMA/FDD方式工作，如图1-17所示。

FDMA方式有以下特点：

（1）FDMA信道的带宽相对较窄（25～30kHz），但相邻信道间要留有防护带。

（2）同TDMA系统相比，FDMA移动通信系统的复杂度较低，容易实现。

（3）FDMA系统采用单路单载波（SCPC）设计，需要使用高性能的射频（RF）带通滤波器来减少邻道干扰，因而成本较高。FDMA的成本较TDMA系统高。

2.时分多址（TDMA）

TDMA系统把使用某一频率的载波所构成的一条通路通过按时间划分成若干时隙的方法分成为若干个物理信道，每个时隙仅允许一个用户发射或接收信号。每个用户占用一个周期性重复的时隙，如图1-18所示。每条物理信道可以看做是每一帧中的特定时隙。在TDMA系统中N个时隙组成一帧，每帧由前置码、消息码和尾比特组成，如图1-19所示。在TDMA/FDD系统中，相同或相似的帧结构单独用于前向（下行）或反向（上行）传输。一般情况下，前向（下行）信道和反向（上行）信道的载波频率不同。

在一个TDMA的帧中，前置码中包括地址和同步信息，以便基站和用户都能彼此识别对方信号。采用保护时间后可使接收机在不同时隙和帧之间同步。TDMA有如下一些特点：

（1）TDMA系统中几个用户共享单一的载频，其中，每个用户使用彼此互不重叠的时隙。每帧中的时隙数取决于几个因素，例如调制方式、可用带宽等。

（2）TDMA系统中的数据发射不是连续的，而是以突发的方式发射。由于用户发射机可以在不用的时间（绝大部分时间）关掉，因而耗电较少。

（3）由于TDMA系统发射是不连续的，移动台可以在空闲的时隙里监听其他基站，从而使其越区切换过程大为简化。通过移动台在TDMA帧中的空闲时隙监听，可以给移动台增加链路控制功能，如使之提供移动台辅助越区切换等。

（4）同FDMA信道相比，TDMA系统的传输速率一般较高，故需要采用自适应均衡。

（5）TDMA必须留有一定的保护时间（或相应的保护比特）。但是，如果为了缩短保护时间而使时隙边缘的发送信号压缩过快，则发射频谱将展宽，并将对相邻信道构成干扰。

（6）由于采用突发式发射，TDMA系统需要更大的同步报头。TDMA的发射是分时隙的，这就要求接收机对每个数据突发脉冲串保持同步。此外，TDMA需要有保护时隙来分隔用户，这使其与FDMA系统相比有更大的报头。

（7）TDMA系统的一个优点是在每帧中可以分配不同的时隙数给不同的用户。这样，通过基于优先级对时隙进行链接或重新分配，可以满足不同用户的带宽需求。

3.码分多址（CDMA）

在码分多址（CDMA）系统中，所有移动台使用相同载频，并可以同时发射，如图1-20所示。每个移动台都有自己的地址码，与其他移动台的地址码近似正交。接收机则进行时间相关操作以检测期望的特定地址码，而其他地址码字均被接收机当做噪声。

在CDMA系统中，接收机接收的多个用户功率决定了去相关后的噪声大小。如果在一个小区内不对每个用户的功率加以控制，那么它们在基站接收机处是功率不等的，这将会产生远近效应。所以，CDMA系统中，必须采用严格的功率控制技术。最常用的码分技术是基于以下两种扩频通信方式。

（1）跳频（FH）

跳频通信是指载波频率受一组伪随机码控制而进行离散变化的通信方式。这种方式与二进制FSK类似，只不过跳频通信是通过一组不同码字的集合来控制频率，因此是一种多进制移频键控方式。

（2）直接序列扩频（DS）

直接序列扩频是最早发展的扩频通信方式。这种扩频方式与常规数字通信的不同之处在于发信端和收信端各增加了一个环节。即在发信端，首先把信码与伪随机序列进行“模二加”处理，由于伪随机序列的速率远大于信码的速率，故已调信号的频谱被扩展。而在接收端采用一个与发端码型完全相同的伪随机序列码。在严格同步的条件下，该序列码以及本振信号一起与接收信号进行混频、解扩，从而得到窄带的且仅受信码调制的中频信号，然后此信号经中放滤波，解调后恢复成原来的信码。直接序列扩频通信是在收、发两端的伪随机序列码的结构相同且同步的条件下才能通信，否则收到的只是噪声。

CDMA有如下一些特点：

（1）CDMA系统中许多用户共享同一频率，既可用TDD方式，又可用FDD方式。

（2）与TDMA或FDMA不同，CDMA系统的容量极限是所谓的软极限。CDMA系统用户数目的增加只是以线性方式增加背景噪声。这样，CDMA系统中的用户数目没有绝对的限制。然而，用户数目的增加会使系统性能逐渐降低，而用户数减少则能使系统性能逐渐变好。

（3）由于信号扩展到较大的频谱范围内，多径衰落的影响会显著减小。如果扩谱带宽大于信道的相干带宽，则内在的频率分集会缓解小范围衰落的影响。

（4）CDMA系统中的信道传输速率非常高，因而时隙的持续时间非常短，通常远小于信道的时延扩散。由于PN序列具有较低的自相关性，超过一个时隙以上的多径分量将被作为噪声处理。通过采集接收信号的各个时延分量，使用RAKE接收机可以提高接收性能。

（5）由于CDMA采用同信道小区，因而可以用宏观空间分集的方法来提供软切换。软切换可以通过由MSC同时监控来自两个或更多基站的特定用户来实现。在任意时刻MSC可以选择最佳信号而不用改变频率。

（6）CDMA系统存在自阻塞问题。当不同用户的扩展序列不是彼此严格正交时，对特定PN码的解扩而言，接收机对所需信号的判决统计受到来自系统其他用户的发射信号的非零贡献的影响，从而引起自阻塞。

（7）如果对所期望用户信号检测到的功率小于其他不期望的用户，则CDMA接收机会产生远近效应。

1.5.3 话音编码

通信系统中的话音编码在很大程度上决定着话音的质量和系统的容量，因此具有十分重要的地位。标准的有线传输采用脉冲编码调制（PCM），每秒钟抽样8000次，每次抽样值用8bit来表示，总的码率是64kbps。由于PCM对抽样值之间的关系不进行任何假设性分析，因此包含许多冗余信息，编码效率较低。在移动通信系统中，频率资源是非常宝贵的，话音信号编码的速率越低，则在给定频带内可容纳的话音信道就越多。

为了满足带宽受限的移动通信系统的要求，人们利用语音过程本身的冗余度、听力特性等知识提出许多高效话音编码方法，这些话音编码的目的都是尽可能减小传输速率和提高话音质量。

各种话音编码所用的方法不同，目前话音编码大致可以分成两大类，即波形编码和参数编码。常用的波形编码有脉冲编码调制（PCM）、增量调制（DM）和自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）等。参数编码主要有线性预测编码及其改进型（如规则脉冲激励长期预测编码RLP-LTP、矢量和激励线性预测编码VSELP等）。

1.5.4 均衡、分集和信道编码

移动通信系统需采用一些信号处理技术以改善通信质量。均衡、分集和信道编码作为提高通信质量的三种技术，既可以各自单独运用，又可以组合在一起使用。

均衡、分集和信道编码这三种技术均可用于提高移动通信的质量（即降低比特差错率），但在实际的移动通信系统中，其各自的实现方法、成本、复杂程度及效果差别较大。

1.均衡

由于实际的传输信道特性的不理想而引起数字信号的线性畸变，可以对信道的频域或时域的某些特性进行补偿来尽量减小这种线性畸变，而这就是均衡的基本概念。均衡器可分为频域均衡器和时域均衡器，也可分为人工均衡器和自动均衡器（自适应均衡器）。

2.分集

分集是为了减小由于衰落而造成通信质量恶化的一种技术。分集通常分为显分集和隐分集两大类。前者主要有空间分集、角分集、极化分集、频率分集、时间分集等；后者主要通过一些抗衰落（主要是抗频率选择性衰落）的编码调制技术，如时频相编码等来实现。目前应用最为广泛而效果较好的是空间分集。所谓空间分集就是采用两副以上的天线，相隔一定距离，分别进行接收，然后把收到的互相独立的信号进行合并，从而改善接收信号的质量。

3.信道编码

信道编码就是在所传送的数字信号流中增加一些冗余比特，进行纠错编码，以减小传输过程中所产生的比特差错率。通常用于信道编码的纠错编码方式有两种，即分组码和卷积码。按传统方式在进行信道编码时一般不考虑所要采用的调制方式，即信道编码与调制方式分开考虑，但新出现的网格编码调制方法则将编码与调制放在一起来考虑，可实现较大的编码增益。