第八章 现代数字调制技术 8.1 引言 8.2 偏移四相相移键控 8.3 π/4四相相移键控 8.4 最小频移键控 第八章 现代数字调制技术 8.1 引言 8.2 偏移四相相移键控 8.3 π/4四相相移键控 8.4 最小频移键控 8. 5 高斯最小频移键控 8.6 正交幅度调制 8.7 正交频分复用

8.1 引言 在第6章中已经讨论了几种基本数字调制技术的调制和解调原理。随着数字通信的迅速发展，各种数字调制方式也在不断地改进和发展，现代通信系统中出现了很多性能良好的数字调制技术。 本章我们主要介绍目前实际通信系统中常使用的几种现代数字调制技术。首先介绍几种恒包络调制，包括偏移四相相移键控（OQPSK）、 π/4四相相移键控（ π/4 -QPSK）、最小频移键控（MSK）和高斯型最小频移键控（GMSK）；然后介绍正交幅度调制（QAM），它是一种不恒定包络调制。在介绍了这几种单载波调制后，再引入多载波调制，着重介绍其中的正交频分复用（OFDM）。

8.2 偏移四相相移键控（OQPSK） 在数字调制中，假设QPSK信号的每个码元的包络为矩形方波，则高频信号也具有恒包络特性，但这时已调信号的频谱将为无穷大，而实际上信道带宽总是有限的，为了对QPSK信号的带宽进行限制，先将基带双极性矩形不归零脉冲序列先经过基带成形滤波器进行限带，然后再进行QPSK调制。问题是：通过带限处理后的QPSK信号将不再是恒包络了。而且当码组，或时，会产生的载波相位跳变，这种相位跳变会引起带限处理后的QPSK信号包络起伏，甚至出现包络为0的现象。这种现象必须避免，这是因为当通过非线性器件后，包络起伏很大的限带QPSK信号的功率谱旁瓣增生，导致频谱扩散，增加对相邻信道的干扰。为了消除的相位跳变，在QPSK的基础上提出了OQPSK。

（a）QPSK信号的相位关系 （b）OQPSK信号的相位关系 图8-1 QPSK和OQPSK信号的相位关系

由于OQPSK信号也可以看作是由同相支路和正交支路的2PSK信号的叠加，所以OQPSK信号的功率谱与QPSK信号的功率谱形状相同。 如果采用相干解调方式，理论上OQPSK信号的误码性能与相干解调的QPSK相同。但是，频带受限的OQPSK信号包络起伏比频带受限的QPSK信号小，经限幅放大后频谱展宽的少，所以OQPSK的性能优于QPSK。在实际中，OQPSK比QPSK应用更广泛。

8.3 π/4四相相移键控

图8-3 π/4 -QPSK信号的星座图

8.4 最小频移键控（MSK）

8.4.1 MSK信号的正交性

8.4.2 MSK信号的相位连续性

8.4.3 MSK信号的产生与解调

图8-7 MSK信号的产生方框图

图8-8 MSK解调器原理框图

8.4.4 MSK信号的频谱特性

图8-9 MSK、GMSK和OQPSK等信号的功率谱密度

8.5高斯最小频移键控（GMSK）

8.6正交幅度调制（QAM） 正交振幅调制（QAM）是一种幅度和相位联合键控（APK）的调制方式。它可以提高系统可靠性，且能获得较高的信息频带利用率，是目前应用较为广泛的一种数字调制方式。

8.6.1正交振幅调制的信号表示 正交振幅调制是用两路独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。

一、时域表示

二、矢量图

对于M=16的16QAM来说，有多种分布形式的信号星座图。 两种具有代表意义的信号星座图如图8-10所示。在图8-10（a）中， 信号点的分布成方型，故称为矩形16QAM星座，也称为标准型16QAM。在图8-10（b）中，信号点的分布成星型，故称为星型16QAM星座。 图8-10 16QAM的星座图

由此可见，方型和星型16QAM两者功率相差1.4dB。另外，两者的星座结构也有重要的差别，一是星型16QAM只有两个振幅值，而方型16QAM有三种振幅值；二是星型16QAM只有8种相位值，而方型16QAM有12种相位值。这两点使得在衰落信道中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。 但是由于方型星座QAM信号所需的平均发送功率仅比最优的QAM星座结构的信号平均功率稍大，而方型星座的MQAM信号的产生及解调比较容易实现，所以方型星座的MQAM信号在实际通信中得到了广泛的应用。当M=4, 16, 32, 64时MQAM信号的星座图如图8-11所示。

图8-11 MQAM信号的星座图

8.6.2 MQAM信号的产生和解调

图8-12 QAM信号调制原理图

MQAM信号可以采用正交相干解调方法，其解调器原理图8-13所示。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测。

8.6.3 MQAM信号的频带利用率

8.6.4 MQAM信号的抗噪性能分析 在矢量图中可以看出各信号点之间的距离，相邻点的最小距离直接代表噪声容限的大小。比如，随着进制数M的增加，在信号空间中各信号点间的最小距离减小，相应的信号判决区域随之减小，因此，当信号受到噪声和干扰的损害时，接收信号错误概率将随之增大。下面我们从这个角度出发，来比较一下相同进制数时PSK和QAM的抗噪性能。

8.7 正交频分复用（OFDM）

8.7.1 多载波调制技术 多载波调制技术是一种并行体制，它将高速率的数据序列经串/并变换后分割为若干路低速数据流，每路低速数据采用一个独立的载波调制，叠加在一起构成发送信号，在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收，获得低速率信息数据后，再通过并/串变换得到原来的高速信号。多载波传输系统原理框图如图8-14所示。

图8-14 多载波传输系统原理框图

在多载波调制方式中，子载波设置主要有3种方案。图8-15（a）为传统的频分复用方案，它将整个频带划分为N个互不重叠的子信道。在接收端可以通过滤波器组进行分离。图8-15（b）为偏置QAM方案，它在3dB处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的。 第三种方案为正交频分复用（OFDM）方案，要求各子载波保持相互正交。

图8-15 子载波的两种设置方案

8.7.2 正交频分复用技术

图8-16 OFDM调制原理框图

图8-17 OFDM信号的频谱结构示意图

图8-18 OFDM解调原理框图

图8-19 用DFT实现OFDM的原理框图