移動通信の原理に関する研究ノート第2部-移動通信における変復調技術

モバイル通信における変調および復調技術

• 第3章移動通信における変調および復調技術
  • 3.1概要
    • 変調は、メッセージのソース情報をエンコードするプロセスであり、その目的は、情報を運ぶ信号をチャネル特性と一致させ、チャネルを効果的に使用することです。
    • マルチパスフェージング、ドップラー周波数拡張、ユーザー数の増加、およびワイヤレスチャネルスペクトルの混雑は、変調方式の選択に大きな影響を与えます
    • 変調方式の選択に影響を与える主な要因
      • 周波数帯域の利用率：デジタル変調では、帯域幅効率ηbは一般に、スペクトルリソースの利用効率を表すために使用されます。これは、ηb= Rb / Bとして定義されます。ここで、Rbはビットレート、Bは無線信号の帯域幅です。
      • 電力効率：情報の正確性を維持するために必要な最小信号電力（または最小信号対雑音比）を指します
      • 変調信号の一定のエンベロープ
      • 簡単な復調
      • 帯域外放射：一般に-70〜-60dBに到達するために必要
  • 3.2最小周波数シフトキーイングMSK
    • 連続フェーズのFSK
      • 2FSK信号
        
        
      • 注：同じ変調指数hの下では、CPFSKの帯域幅は2FSKの帯域幅よりも狭くなります。これは、前者の方が後者よりも周波数帯域効率が高いことを意味します。変調指数hが増加すると、信号の帯域幅も増加します。周波数帯域の効率を考慮すると、変調指数hは大きすぎてはいけません。しかし、2つの信号周波数が近すぎるため、小さすぎると信号検出に役立ちません。したがって、それらは相関係数と信号帯域幅から考慮する必要があります
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    • MSK信号の位相パス、周波数、パワースペクトル
      • フェーズパス
        
      • MSK頻度の関係
        
      • MSKパワースペクトル
        
      • MSK信号の生成と復調
        
        
      • MSK変調器の動作プロセス
        • ①入力バイナリデータ信号の差分エンコード
        • ②シリアル/パラレル変換後、1つのシンボル幅でインターリーブされた2つの信号IkとQkに分割されます。
        • ③2つのデータ信号に重み関数cos（πt/ 2Ts）とsin（πt/ 2Ts）を使用します
        • Qkで重み付け
        • ④2つの重み付けされた信号は、それぞれ直交キャリアcosωctとsinωctに変調されます。
        • obtained取得した2つの変調信号を追加し、バンドパスフィルターを通過させてMSKを取得します
        • 信号
  • 3.3ガウス最小周波数シフトキーイングGMSK
    • 3.3.1ガウシアンフィルターの透過特性
      • GMSKは、ガウスローパスフィルターを通過するベースバンド信号のMSKです。
        
      • 周波数特性H（f）とインパルス応答h（t）
        
        
    • 3.3.2 GMSK信号波形と位相パス
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    • 3.3.3 GMSK信号の変調と復調
      • 変調
        
      • 復調
        • GMSKは、コヒーレント方式または非コヒーレント方式で復調できます。ここでは、1ビット遅延差動復調方式（非コヒーレント復調）を紹介します。 
          
          
    • 3.3.4 GMSKパワースペクトル
      
  • 3.4 QPSK変調
    • 3.4.1 2相変調BPSK
      
      • パワースペクトルBPSK信号は線形変調であり、ベースバンド波形がNRZコードの場合、そのパワースペクトルを図3.23に示します。
        
    • 3.4.2 4相変調QPSK
      
      • QPSK信号生成
      • QPSK復調
      • QPSK信号のパワースペクトルと帯域幅
      • QPSK信号のエンベロープ特性と位相ジャンプ
    • 3.4.3オフセットQPSK—OQPSK
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    • 3.4.4π/ 4-QPSK
      • π/ 4-QPSKの概要
        • π/ 4-QPSK変調は、実際の最大位相変化でのOQPSKとQPSKの間の妥協です。p / 4-QPSKでは、最大位相変化は±135度に制限されますが、QPSKは±180度、OQPSKは±90度です。したがって、帯域制限されたp / 4-QPSK信号は、帯域制限されたQPSKよりも良好な一定のエンベローププロパティを持っていますが、OQPSKよりもエンベロープの変化に敏感です。
        • マルチパスの拡散とフェージングの場合、p / 4-QPSKはOQPSKよりもパフォーマンスが優れています。
        • π/ 4-QPSKは、コヒーレントまたは非コヒーレントな方法を使用して復調できます。非コヒーレント検出は、受信機の設計を大幅に簡素化します。差分エンコーディングを使用した後、p / 4-QPSKはp / 4-DQPSKになる可能性があります。
        • π/ 4-QPSK信号は、優れたスペクトル特性、高い電力効率、強力な干渉防止能力などの特性を備えています。
      • π/ 4-DQPSK信号生成
        
      • 位相微分符号化
        
      • π/ 4-DQPSK信号の位相ジャンプ
        
      • pi / 4-DQPSKの復調
        
  • 3.5高次変調 
    • 3.5.1デジタル変調信号空間の原理
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      • エネルギーが制限されたM個の信号がN次元のベクトル空間にマッピングされる場合、空間内のM個のマッピングポイントはコンスタレーションポイントと呼ばれ、ベクトル空間は信号空間と呼ばれます。ベクトル空間では、ビットエラーのパフォーマンスを測定する2つのインジケーター、つまり信号間の相関とユークリッド距離を記述するのは簡単です。シンボル間の相関が大きいほど、ユークリッド距離が短くなり、エラーパフォーマンスが低下します。一般に、変調次数が高いほど、ユークリッド距離は短くなります。ただし、周波数リソースの制限により、変調方式では比較的高次を使用する必要があります。高いスペクトル効率でリンクのパフォーマンスを確保するために、強力なエラー制御テクノロジーや電力の増加などの手段を使用して、エラーパフォーマンスを補正できます。M-aryデジタル変調は、一般に、メモリのない線形変調であるMASK、MPSK、MQAM、およびMFSKに分割できます。信号のベクトル空間表現と組み合わせると、これらの異なる変調方法は、直交関数の異なるセットの使用によるものであることが理解できます。一般に、次数は高次変調であると考えられています。情報レートとM値が同じ場合、3つの変調モードMASK、MQAM、およびMPSKは同じスペクトル使用率を持ちます。MPSKのアンチノイズパフォーマンスはMASKよりも優れているため、2PSKおよびQPSKが広く使用されています。また、ASK信号はキャリアの振幅を変調するため、フェージングチャネルには適していません。当時、MQAMのノイズ対策性能はMPSKよりも優れているため、高次変調は一般にQAMの形式になります。
    • 3.5.2 M-aryデジタル変調と高次変調
      • 。M-ary位相シフトキーイング（MPSK）
        
        
      • 2.直交振幅変調（QAM）
        • MASK信号のベクトル空間は1次元、MPSK信号のベクトル空間は2次元であり、変調次数が増加すると、シンボル間のユークリッド距離が減少します。次に、2次元ベクトル空間の平面を完全に利用できる場合、ユークリッド距離を減少させずにコンスタレーションのポイント数を増やすと、スペクトル利用率が向上し、キャリアの振幅と位相を共同で制御する直交振幅変調方式QAMになります。QAM方式は、高次変調でも最も使用されています。
          
    • 3.5.3 3Gおよび4Gでの高次変調の適用
      •     高速データ伝送システムには、高次変調の多くの用途があります。スペクトル効率を向上させるために、高次変調は、LTE、HSPA、802.11nなどのブロードバンド無線通信システムで広く使用されています。これらの変調技術は、チャネルコーディングと組み合わせて、適応変調コーディング（AMC）スキームを形成します。これは、B3Gおよび4Gモバイル通信の主要なテクノロジーになっています。以下に、各変調方式について、移動体通信規格アプリケーションの観点から説明します。
      • 1986年以降、実用的なリニアハイパワーアンプは飛躍的な進歩を遂げたため、人々は再びシンプルで簡単なBPSKとQPSKに注意を向けました。GSMの進化として、EDGEは8PSK変調を採用しています。
      • 3G標準のcdma20001x、WCDMA、およびTD-SCDMAはすべてQPSKを使用し、TD-SCDMAも8PSKを導入しています。エラー制御技術の開発に伴い、HSPAステージに進化したとき、TDDシステムとFDDシステムの両方で高次16QAMおよび64QAM変調方式が導入されました。cdma20001xからEV-DOステージへの進化により、8PSK、16QAM、64QAMおよびその他の高次変調方式も導入されました。B3Gの主流の標準として、LTEは16QAMおよび64QAM変調方式を導入してスペクトル利用データチャネルを改善し、制御チャネルはBPSKおよびQPSK変調方式を採用しています
  • 3.6直交周波数分割多重
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    • 実際のアプリケーションでは、OFDMシステムはサブキャリアの伝送品質を自動的にテストし、それに応じてサブチャネルの送信電力と送信ビット数を調整して、各サブチャネルの伝送速度が最適な状態になるようにします。
    • OFDMは、デジタル加入者ループのADSL、ワイヤレスローカルエリアネットワークのIEEE802.11aおよびHIPERLAN-2などの有線またはワイヤレスチャネルでの高速データ伝送、デジタル放送、高解像度テレビ、第4世代モバイル通信（ 4G、主にLTE-AおよびIEEE802.16m）システムなどを含む
    • OFDMには、送信信号のピークパワーと平均パワー比（PAR）が大きすぎるという問題と、ドップラースペクトルの広がりによってサブキャリアの直交性が損なわれるという問題があります。