1、第八章 現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù),8.1 引言 8.2 偏移四相相移鍵控 8.3 /4四相相移鍵控 8.4 最小頻移鍵控 8. 5 高斯最小頻移鍵控 8.6 正交幅度調(diào)制 8.7 正交頻分復(fù)用,8.1 引言,在第6章中已經(jīng)討論了幾種基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)的調(diào)制和解調(diào)原理。隨著數(shù)字通信的迅速發(fā)展，各種數(shù)字調(diào)制方式也在不斷地改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)代通信系統(tǒng)中出現(xiàn)了很多性能良好的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。 本章我們主要介紹目前實(shí)際通信系統(tǒng)中常使用的幾種現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)。首先介紹幾種恒包絡(luò)調(diào)制，包括偏移四相相移鍵控（OQPSK）、 /4四相相移鍵控（ /4 -QPSK）、最小頻移鍵控（MSK）和高斯型最小頻移鍵控（GMSK）；然后介紹

2、正交幅度調(diào)制（QAM），它是一種不恒定包絡(luò)調(diào)制。在介紹了這幾種單載波調(diào)制后，再引入多載波調(diào)制，著重介紹其中的正交頻分復(fù)用（OFDM）。,8.2 偏移四相相移鍵控（OQPSK）,在數(shù)字調(diào)制中，假設(shè)QPSK信號(hào)的每個(gè)碼元的包絡(luò)為矩形方波，則高頻信號(hào)也具有恒包絡(luò)特性，但這時(shí)已調(diào)信號(hào)的頻譜將為無窮大，而實(shí)際上信道帶寬總是有限的，為了對(duì)QPSK信號(hào)的帶寬進(jìn)行限制，先將基帶雙極性矩形不歸零脈沖序列先經(jīng)過基帶成形濾波器進(jìn)行限帶，然后再進(jìn)行QPSK調(diào)制。問題是：通過帶限處理后的QPSK信號(hào)將不再是恒包絡(luò)了。而且當(dāng)碼組，或時(shí)，會(huì)產(chǎn)生的載波相位跳變，這種相位跳變會(huì)引起帶限處理后的QPSK信號(hào)包絡(luò)起伏，甚至出現(xiàn)包絡(luò)

3、為0的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象必須避免，這是因?yàn)楫?dāng)通過非線性器件后，包絡(luò)起伏很大的限帶QPSK信號(hào)的功率譜旁瓣增生，導(dǎo)致頻譜擴(kuò)散，增加對(duì)相鄰信道的干擾。為了消除的相位跳變，在QPSK的基礎(chǔ)上提出了OQPSK。,QPSK信號(hào)是利用正交調(diào)制方法產(chǎn)生的，其原理是先對(duì)輸入數(shù)據(jù)作串/并變換，即將二進(jìn)制數(shù)據(jù)每?jī)杀忍胤殖梢唤M，得到四種組合：（1，1）、（-1，1）、（-1，-1）和（1，-1），每組的前一比特為同相分量，后一比特為正交分量。然后利用同相分量和正交分量分別對(duì)兩個(gè)正交的載波進(jìn)行2PSK調(diào)制，最后將調(diào)制結(jié)果疊加，得到QPSK信號(hào)。可知QPSK信號(hào)的相位有四種可能的取值，QPSK相位關(guān)系如圖8-1（a）所示。

4、隨著輸入數(shù)據(jù)的不同，QPSK信號(hào)的相位會(huì)在這四種相位上跳變，如圖8-1（a）中的箭頭所示。當(dāng)發(fā)生對(duì)角過渡，即產(chǎn)生的相移時(shí)，經(jīng)過帶通濾波器之后所形成的包絡(luò)起伏必然達(dá)到最大。,（a）QPSK信號(hào)的相位關(guān)系 （b）OQPSK信號(hào)的相位關(guān)系圖8-1 QPSK和OQPSK信號(hào)的相位關(guān)系,由于OQPSK信號(hào)也可以看作是由同相支路和正交支路的2PSK信號(hào)的疊加，所以O(shè)QPSK信號(hào)的功率譜與QPSK信號(hào)的功率譜形狀相同。 如果采用相干解調(diào)方式，理論上OQPSK信號(hào)的誤碼性能與相干解調(diào)的QPSK相同。但是，頻帶受限的OQPSK信號(hào)包絡(luò)起伏比頻帶受限的QPSK信號(hào)小，經(jīng)限幅放大后頻譜展寬的少，所以O(shè)QPSK的性能

5、優(yōu)于QPSK。在實(shí)際中，OQPSK比QPSK應(yīng)用更廣泛。,8.3 /4四相相移鍵控,圖8-3 /4 -QPSK信號(hào)的星座圖,8.4 最小頻移鍵控（MSK）,8.4.1 MSK信號(hào)的正交性,8.4.2 MSK信號(hào)的相位連續(xù)性,8.4.3 MSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),圖8-7 MSK信號(hào)的產(chǎn)生方框圖,圖8-8 MSK解調(diào)器原理框圖,8.4.4 MSK信號(hào)的頻譜特性,圖8-9 MSK、GMSK和OQPSK等信號(hào)的功率譜密度,8.5高斯最小頻移鍵控（GMSK）,MSK信號(hào)雖然具有頻譜特性和誤碼性能較好的特點(diǎn)，然而，在一些通信場(chǎng)合，例如在移動(dòng)通信中，MSK所占帶寬仍較寬。此外，其頻譜的帶外衰減仍不夠快，以至

6、于在25kHz信道間隔內(nèi)傳輸16kbit/s的數(shù)字信號(hào)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生鄰道干擾。為此，人們?cè)O(shè)法對(duì)MSK的調(diào)制方式進(jìn)行改進(jìn)：在頻率調(diào)制之前用一個(gè)低通濾波器對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波，它通過濾出高頻分量，給出比較緊湊的功率譜，從而提高譜利用率。 為了獲得窄帶輸出信號(hào)的頻譜，預(yù)濾波器必須滿足以下條件： （1）帶寬窄并且具有陡峭的截止特性； （2）脈沖響應(yīng)的過沖較??； （3）保證輸出脈沖的面積不變，以保證/2的相移。,8.6正交幅度調(diào)制（QAM）,正交振幅調(diào)制（QAM）是一種幅度和相位聯(lián)合鍵控（APK）的調(diào)制方式。它可以提高系統(tǒng)可靠性，且能獲得較高的信息頻帶利用率，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種數(shù)字調(diào)制方式。,8.6

7、.1正交振幅調(diào)制的信號(hào)表示,正交振幅調(diào)制是用兩路獨(dú)立的基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。,一、時(shí)域表示,二、矢量圖,圖8-10 16QAM的星座圖,對(duì)于M=16的16QAM來說，有多種分布形式的信號(hào)星座圖。 兩種具有代表意義的信號(hào)星座圖如圖8-10所示。在圖8-10（a）中， 信號(hào)點(diǎn)的分布成方型，故稱為矩形16QAM星座，也稱為標(biāo)準(zhǔn)型16QAM。在圖8-10（b）中，信號(hào)點(diǎn)的分布成星型，故稱為星型16QAM星座。,由此可見，方型和星型16QAM兩者功率相差1.4dB。另外，兩者的星座結(jié)構(gòu)也有重要的差

8、別，一是星型16QAM只有兩個(gè)振幅值，而方型16QAM有三種振幅值；二是星型16QAM只有8種相位值，而方型16QAM有12種相位值。這兩點(diǎn)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信號(hào)所需的平均發(fā)送功率僅比最優(yōu)的QAM星座結(jié)構(gòu)的信號(hào)平均功率稍大，而方型星座的MQAM信號(hào)的產(chǎn)生及解調(diào)比較容易實(shí)現(xiàn)，所以方型星座的MQAM信號(hào)在實(shí)際通信中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)M=4, 16, 32, 64時(shí)MQAM信號(hào)的星座圖如圖8-11所示。,圖8-11 MQAM信號(hào)的星座圖,8.6.2 MQAM信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào),圖8-12 QAM信號(hào)調(diào)制原理圖,圖8-13 MQAM信

9、號(hào)相干解調(diào)原理圖,MQAM信號(hào)可以采用正交相干解調(diào)方法，其解調(diào)器原理圖8-13所示。多電平判決器對(duì)多電平基帶信號(hào)進(jìn)行判決和檢測(cè)。,8.6.3 MQAM信號(hào)的頻帶利用率,8.6.4 MQAM信號(hào)的抗噪性能分析,在矢量圖中可以看出各信號(hào)點(diǎn)之間的距離，相鄰點(diǎn)的最小距離直接代表噪聲容限的大小。比如，隨著進(jìn)制數(shù)M的增加，在信號(hào)空間中各信號(hào)點(diǎn)間的最小距離減小，相應(yīng)的信號(hào)判決區(qū)域隨之減小，因此，當(dāng)信號(hào)受到噪聲和干擾的損害時(shí)，接收信號(hào)錯(cuò)誤概率將隨之增大。下面我們從這個(gè)角度出發(fā)，來比較一下相同進(jìn)制數(shù)時(shí)PSK和QAM的抗噪性能。,8.7正交頻分復(fù)用（OFDM）,前面介紹的ASK、PSK、FSK、MSK、QAM等調(diào)

10、制方式在某一時(shí)刻都只用單一的頻率來發(fā)送信號(hào)，而多載波調(diào)制是同時(shí)發(fā)射多路不同載波的信號(hào)。正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種多載波傳輸技術(shù)，它不是如今才發(fā)展起來的新技術(shù)，早期主要用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)，由于其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用。直到20世紀(jì)80年代，人們提出了采用離散傅里葉變換來實(shí)現(xiàn)多個(gè)載波的調(diào)制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得OFDM技術(shù)更趨于實(shí)用化。,8.7.1 多載波調(diào)制技術(shù),多載波調(diào)制技術(shù)是一種并行體制，它將高速率的數(shù)據(jù)序列經(jīng)串/并變換后分割為若干路低速數(shù)據(jù)流，每路低速數(shù)據(jù)采用一個(gè)獨(dú)立的載波調(diào)制，疊加在一起構(gòu)成發(fā)送信號(hào)，在接收端用同樣數(shù)量的載波對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相干接收，獲得低速率信息數(shù)據(jù)后，再通過并/串變換得到原來的高速信號(hào)。多載波傳輸系統(tǒng)原理框圖如圖8-14所示。,圖8-14 多載波傳輸系統(tǒng)原理框圖,在多載波調(diào)制方式中，子載波設(shè)置主要有3種方案。圖8-15（a）為傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方案，它將整個(gè)頻帶劃分為N個(gè)互不重疊的子信道。在接收端可以通過濾波器組進(jìn)行分離。圖8-15（b）為偏置QAM方案，它