第八章 现代数字调制技术

所以，p/4 -QPSK日益得到重视，现在北美和日本的数 字蜂窝移动通信系统中已采用p/4 -QPSK调制方式。 10
8.4 最小频移键控（MSK） 1、最小频移键控（MSK）

OQPSK和p/4 -QPSK虽然避免了QPSK信号相位突变 180度的现象，改善了包络起伏，但是并没有从根本上 解决包络起伏问题。究其原因，包络起伏是由相位的 非连续变化引起的。因此，我们自然会想到使用相位 连续变化的调制方式，这种方式称为连续相位调制 (CPM)。
MSK是一种特殊的2FSK信号，它是二进制连续相位频 移键控（CPFSK）的一种特殊情况。 2FSK信号通常是由两个独立的振荡源产生的，在频率 转换处相位不连续，因此，会造成功率谱产生很大的旁 瓣分量，若通过带限系统后，会产生信号包络的起伏变 11 化，这种起伏是我们所不需要的。
最小频移键控（MSK） MSK称为最小移频键控，
有时也称为快速移频键控(FFSK)
所谓“最小”是指这种调制方式能以最小的调 制指数(0.5)获得正交信号； 所谓“快速”是指在给定同样的频带内，MSK 能比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频 谱分量要比2PSK衰减的快。
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2、MSK信号具有如下特点

(1)MSK信号的包络是恒定不变的；
调制前先利用高斯滤波器将基带信号成形为高斯型脉 冲，再进行MSK调制，这样的调制方式称为高斯最小频 移键控(GMSK)。
一、高斯最小移频键控（GMSK）方式
MSK调制方式的优点是信号具有恒定的振幅及信 号的功率谱在主瓣以外衰减比较快。然而，在一些通信 场合，例如移动通信中，对信号带外辐射功率的限制是 十分严格的，MSK信号不能满足这样苛刻的要求。提 出GMSK是在MSK调制器之前加入一高斯低通滤波器， 作为前臵滤波器。 21
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(OQPSK) 8.3 π/4四相相移键控(π/4-QPSK) 8.4 最小频移键控(MSK) 8.5 高斯最小频移键控(GMSK) 8.6 正交幅度调制(QAM) 8.7 正交频分复用(OFDM) 8.8 扩频调制
ak
2TS
t k ) sin c t
(cos (sin
ak
2TS
ak
2TS 2TS
t sin k ) cos c t t sin k ) sin c t
ak
2TS
t cos k cos
ak
ak 1
k 0或
S MSK (t ) cos k cos I k cos
4
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。
1、原理

QPSK信号是利用正交调制方法产生的，其原理：先 对输入数据作串/并变换，即将二进制数据每两比特分 成一组，得到四种组合：（1，1）、（-1，1）、（-1， -1）和（1，-1），每组的前一比特为同相分量，后一 比特为正交分量。然后利用同相分量和正交分量分别 对两个正交的载波进行2PSK调制，最后将调制结果叠 加，得到QPSK信号。
t
2Ts
cos c t ak cos k sin
t
2Ts
sin c t
t
2Ts
cos c t Qk sin
t
2Ts
sin c t
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(1) MSK信号的产生方框图
(2)
MSK解调器原理框图
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8.4.4 MSK信号的频谱
MSK信号功率的主瓣所占的频带比2PSK信号 窄，在主瓣带宽之外，功率谱下降也更快。MSK 信号比较适合在窄带信道中传输，对邻道的干扰 也较小。
为了减小包络起伏
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对QPSK做正交调制时，将正交分量Q(t)的基带信号相 对于同向分量I(t)的基带信号延迟半个码元间隔（TS/2 一个比特间隔）。这种方法称为偏移四相相移键控。
2、QPSK和OQPSK信号的相位关系
QPSK信号的相位关系
OQPSK信号的相位关系
3、偏移四相相移键控(OQPSK)
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）。 本章将介绍一种特殊的带宽调制技术----扩频调制，它 的载波采用宽带的伪噪声(PN)序列，它是用扩频频谱的 方法来换取信噪比的系统。

要满足这些特性，选择高斯型滤波器是合适的。此高 斯型滤波器的传输函数为
H ( f ) exp (ln 2 / 2)( f / B) 2
式中，B为高斯滤波器的3dB带宽
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2 2 h(t ) exp 2 t
高斯型脉冲
ln 2 / 2 / B

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8.1 引言
第6章已介绍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。 按照某一时刻是否只使用单一的频率的正弦载波，调 制分为单载波调制和多载波调制。 按照已调信号的包络是否保持不变，单载波又分为恒 定包络调制分为和不恒定包络调制。 ASK 、 FSK 、 PSK 都 属 于 单 载 波 调 制 ， 其 中 FSK 和 PSK信号的幅度是不变的，属于恒包络调制。 2
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8.4.3 MSK信号的产生与解调
MSK信号的解调与FSK信号相似，可以采用相干解调、 非相干解调的方式
S MSK (t ) cos k (t ) cos ct sin k (t ) sin ct cos(
ak
2TS
t k ) cos c t sin( t cos k sin

结论

需要指出的是，p/4 -QPSK的优势还在于它可以采用差 分检测，这是因为p/4 -QPSK信号内的信息完全包含在 载波的两个相邻码元之间的相位差中。差分检测是一 种非相干解调，这大大简化了接收机的设计。而且， 通过研究还发现，在存在多径和衰落时, p/4 -QPSK的 性能优于OQPSK。
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S MSK t cos c t k t ak cos c t t k 2Ts
k t ak
2Ts t k
kTs t k 1 Ts
除载波相位之外的附加相位 1 f1 f c 当ak=－1 时，信号的频率为 4Ts
8.2 偏移四相相移键控(OQPSK)
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模拟调制中恒包络调制(调频和调相)可以采用限幅的 方法去除干扰引起的幅度变化，具有较高的抗干扰能力。 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。

与OQPSK只有四个相位点不同， p/4 -QPSK信号已调 信号的相位被均匀地分配为相距 p/4 的八个相位点， 如图a）所示。
八个相位点被分为两组，分别用“●”和“○”
表示，如图（b）和（c）所示。
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如果能够使已调信号的相位在两组之间交替跳变，则 相位跳变值就只能有 p/4 和 ，从而避免了QPSK信 号相位突变的现象。而且相邻码元间至少有 的相位 变化，从而使接收机容易 进行时钟恢复和同步。 由于最大相移 比QPSK的 最大相移小，所以称为 移位QPSK，简称为 p/4 -QPSK。
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8.5 高斯最小频移键控（GMSK）
MSK信号虽然具有频谱特性和误码性能较好的特点， 然而，在一些通信场合，例如在移动通信中，MSK所 占带宽仍较宽。此外，其频谱的带外衰减仍不够快， 以至于在25kHz信道间隔内传输16kbit/s的数字信号时， 将会产生邻道干扰。

为此，人们设法对MSK的调制方式进行改进：
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2、运用范围：

3、调制原理：
ak 1
kTs
2TS
k 1 ak
kTs
2TS
k
k k 1 (ak 1 ak )
k
k 1 , k 1 k , 当ak ak 1时
2 当ak ak 1时
可见，MSK信号在第k个码元的起始相位不仅与当前的 ak 有关，还与前面的ak-1和 k 1 有关。
GMSK调制的原理方框图
对高斯低通滤波器的要求： 1）带宽窄。且是锐截止的 2）具有较低的过冲脉冲相应 3）能保持输出脉冲的面积不变
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8.6 正交幅度调制(QAM) 1、特点：

一种频谱利用率很高的调制方式。
中、大容量数字微波系统、有线电视传输、卫星通信 等领域。 用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进 行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在 同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传 输。
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经带通滤波器后，OQPSK信号中包络的最大值与最小 值之比约为 2 ，不再出现比值无限大的现象。也就是 说，滤波后的QPSK信号和OQPSK信号有本质区别。