第12章 数字调制新技术

12.3最小频移键控（MSK）
OQPSK 由于在正交支路引入 Tb/2 的偏移，
QPSK 中的 180°的相位突跳现象， 但每隔 b/2 信号可能发生
±90°的相位变化。最小频移键控追求信号相位路径的连续性， 是二进制连续相位FSK(CPFSK)的一种。
MSK又称快速频移键控 (FFSK)，“快速”二字指的是这种
现象呢？为了回答这个问题，我们先分析一下QPSK信号的相
位转移图。
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图12-8QPSK信号限带前后的波形 （a）理想的QPSK;（b）滤波后的QPSK
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表12-1输入数据的串/并变换
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图12-9信号的相位关系(图中的-1代表0) (a)QPSK信号；(b)OQPSK信号
调制方式对于给定的频带，它能比 2PSK 传输更高速的数据； 而最小频移键控中的“最小”二字指的是这种调制方式能以最 小的调制指数(h=0.5)获得正交的调制信号。
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可以得到不同的幅度和相位的已调QAM输出信号y(t)。
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图12-1 QAM (a) QAM调制方框图； (b) QAM解调方框图
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在解调器中，输入信号分成两路分别与本地恢复的两个正 交载波相乘，经过低通滤波器、多电平判决和 L 电平到二电
平转换，再经过并/串变换就得到了输出数据序列。
中的大 1dB ，比图 12-4(c) 的大 1.6dB 。对于 M=16 来说，若要求
最小信号空间距离为 2A ，则有多种分布形式的信号空间。两 种具有代表意义的信号空间如图12-5所示。
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在图 12-5(a) 中，信号点的分布成方型，故称之为方型 QAM 星座，它也被称为标准型 QAM 。在图 12-5(b) 中，信号点 的分布成星型，故称之为星型 QAM 星座。利用式 (12-3) ，可
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12.1 正交振幅调制(QAM) 12.2 交错正交相移键控(OQPSK) 12.3 最小频移键控(MSK) 12.4 正弦频移键控(SFSK)
12.5 平滑调频(TFM)
12.6 高斯滤波的最小频移键控(GMSK)
12.7 无码间串扰和相位抖动的正交相移键控(IJF－OQPSK)
图 12-4(a) ～ (d) 中的平均功率分别为 6A2 、 6A2 、 6.83A2 和
。因此，在信号功率相等的条件下，图12-4(d)中的最
小信号距离最大，其次为图12-4(a)和图12-4(b)中的，图12-4(c) 中的最小。图12-4(d)中的最小信号距离比图12-4(a)和图12-4(b)
正交的载波叠加而成的，每路载波被一组离散的振幅 {Am}、
{Bm}所调制，故称这种调制方式为正交振幅调制。其振幅Am 和Bm可以表示成

Am d m A Bm em A
(12-2)
式中 , A是固定的振幅，与信号的平均功率有关。 (dm,em)表示 QAM调制信号矢量端点在信号空间的坐标， 由输入数据决定。
0
0
0
0° t2 Q t1
0
0Байду номын сангаас
1
＋90 °
＋90°
－90 °
－90°
I Q I
Q I 0 1 1
－90 °
t2
－90°
t1 Q I
1
1
0
＋90 °
t1
＋90°
t2 Q I
0
1
0
0° t1 ,t2
1
1
1
0° t1 ,t2
* t0 ＝2 KTb
t1 ＝(2 K＋1) Tb
t2 ＝(2 K＋2) Tb
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图12-3 16PSK、16QAM和16APK星座图 (a)16PSK;(b)16QAM;(c)16APK
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图12-4 8QAM的信号空间
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A2 Pav M
4.73A2
2 2 ( d e m m) m 1
M
(12-3)
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图 12 2 4
QAM -
调 制 解 调 时 图 12 1 中 各 点 波 形
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12.1.2 QAM的星座图
信号矢量端点的分布图称为星座图。以十六进制调制为 例，采用 16PSK 时，其星座图如图 12-3(a) 所示。若采用振幅 与相位相结合的 16 个信号点的调制，两种可能的星座如图 12 － 3(b) 、 (c) 所示，其中，图 12-3(b) 为正交振幅调制，记作 16QAM ；图 12-3(c) 是话路频带 (300 ～ 3400Hz) 内传送 9600b/s 的一种国际标准星座图，常记作16APK。 QAM信号的结构不是惟一的。例如，在给定信号空间中的 信号点数目为M=8时，要求这些信号点仅取两种振幅值，信号 点之间的最小距离为 2A 的情况下，几种可能的信号空间如图 12-4所示。
1 I信道 2
1 1 OQPSK I : ,Q : 2 2
Q信道
1 2
图12-12 OQPSK波形及矢量图
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图12-13 QPSK、OQPSK、MSK信号的功率谱密度
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12.1 正交振幅调制(QAM)
12.1.1 QAM调制解调原理 正交振幅调制的一般表达式为
y(t ) Amcosct Bmsin ct , 0 t Tb
(12-1)
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式中,Tb为码元宽度，Am和Bm为离散的振幅值，m=1,2,…,M, M 为Am和Bm的个数。由上式可以看出，已调信号是由两路相互
图12-2给出了四电平QAM的调制解调原理框图中各点的 基本波形。 从 4QAM 的调制解调过程可以看出，系统可在一路 ASK 信 号频率带宽的信道内完成两路信号的同时传输。所以，利用
正交载波调制技术传输 ASK 信号，可使频带利用率提高一倍，
达到 2b/(s·Hz) 。如果将其与多进制或其他技术结合起来， 还可进一步提高频带利用率。
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12.2.2OQPSK的基本原理 OQPSK是在QPSK基础上发展起来的一种恒包络数字调制技 术，是QPSK的改进型，也称为偏移四相相移键控(OffsetQPSK), 有时又称为参差四相相移键控(SQPSK)或双二相相移键控 (Double QPSK)等。它与QPSK有同样的相位关系，也是把输入 码流分成两路，然后进行正交调制；不同点在于它将同相和正 交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。由于两支路码 元半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻转，因此不会 发生两支路码元同时翻转的现象。所以，OQPSK信号相位只能 跳变0°或±90°,不会出现180°的相位跳变。这就使得星座图 中的信号点只能沿正方形的四个边移动，不再会出现对角线移 动。为了说明这点，表12－2给出了同相支路中码元转换时刻 的相位变化，表中矢量是两路矢量的合成。
方型QAM
Pav= (A2/16) (4×2+8×10+4×18)=10A2
星型QAM
(12-4)
Pav=(A2/16) (8×2.612+8×4.612)=14.03A2
(12-5)
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图12-6MQAM星座图
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假设已调信号的最大幅度为 1，不难算出MPSK时星座图 上信号点的最小距离为
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对16QAM来说 ,L=4, 所以k16QAM=1.8。至于 16PSK 信号的平 均功率就等于它的最大功率 ( 恒定包络 ) ，因而 k16PSK=1, 这说 明 k16QAM 大于 k16PSK 约 2.55dB 。这样，以平均功率相等为条件，
16QAM的相邻信号距离超过 16PSK约4.19dB。
d MPSK
2 sin M
(12-6)
而MQAM时，若星座为矩形，则最小距离为
d MQAM
2 L 1
2 M 1
(12-7)
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由式(12-6) 及 (12-7) 可知，当M=4 时， d4PSK=d4QAM。事实 上，4PSK与4QAM的星座图相同。但当M>4 时，例如M=16，
则可算出 d16PSK=0.39, d16QAM=0.47 。 d16QAM>d16PSK ，
16QAM的抗干扰能力优于16PSK。 当信号的平均功率受限时，MQAM 的优点更为显著，因 为MQAM信号的峰值功率与平均功率之比为
k
L( L 1)
L/2 i 1
2
2 (2i 1)2
(12-8)
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1
I信道 e(t){a 2 k}
2

1 2

1 2
t
OQPSK 矢量图
OQPSK
I : 1 ,Q : 1 2 2 OQPSK
1 1 OQPSK I : ,Q : 2 2
I : 1 ,Q : 1 2 2
第表 1212-2 章 数字调制新技术 同相支路中码元转换时刻的相位变化
数据序列
I t0 Qt1 I t2
OQPSK 信 号在 t2 时的 相位变化 信号矢 量 Q 0
数据序列
I t0 Qt1 I t2
OQPSK 信 号在 t2 时的 相位变化
初始
初始 t1 ,t2 I 1 0 1 0° t1 1 I 0 0 Q t1 ,t2 Q I t2
图12-7给出了M进制方型QAM的误码率曲线。
(12-9)
式中，M=L2；Eb为每比特码元能量；n0为噪声单边功率谱密度。
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图12-7 M进制方型QAM的误码率曲线
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12.2交错正交相移键控（OQPSK）
12.2.1OQPSK的提出 前面讨论过 QPSK 信号，它的频带利用率较高，理论值达 2b/(s·Hz)。但是，如图12-8所示，滤波后的QPSK信号其包络 的最大值与最小值之比为无穷大，这种现象是必须加以避免 的。那么，是否能够对 QPSK 信号加以适当改造，以克服这一
12.2.3OQPSK的产生与解调 OQPSK信号的产生原理可由图12-10来说明。图中Tb/2的 延迟电路是为了保证I、Q两路码元能偏移半个码元周期。 BPF的作用是形成OQPSK信号的频谱形状，保持包络恒定。 除此之外，其他均与QPSK的作用相同。
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图12-10
OQPSK调制器方框图
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随着输入数据的不同， QPSK 信号的相位会在这四种相 位上跳变，每相隔2Tb,相位跳变量可能为±90°或±180°，
如图12-9(a)中的箭头所示。当码组由00→11或01→10，即发
生对角过渡时，产生 180°的载波相位跳变。这种相位跳变 引起包络起伏，当通过非线性部件后，使已经滤除的带外分 量又被恢复出来，导致频谱扩展，增加对邻波道的干扰。为 了消除180°的相位跳变，在QPSK基础上提出了OQPSK调制 方式。
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图12-11
OQPSK解调器方框图
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＋1
输入数据 T
－1
＋1
＋1
－1
＋1
＋1
－1
－1
＋1
t
奇数据 {a2 k－1 }
＋1
＋1
2T
＋1 －1 －1
t
偶数据 {a2 k}
＋1 －1
1 2
＋1 －1
＋1
t
Q信道 s(t){a 2 k－1 }
t
图12-12 OQPSK波形及矢量图
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12.1.3QAM的抗噪性能 对于方型 QAM ，可以看成是由两个相互正交且独立的 多电平ASK信号叠加而成的。因此，利用多电平信号误码率 的分析方法，可得到M进制QAM的误码率为
E 1 3 log L b 2 Pe 1 erfc 2 L 1 n0 L
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QAM的调制和相干解调的原理方框图如图 7- 47 所示。 在 调制器中，输入数据经过串/并变换分成两路，再分别经过二电 平到L电平的变换，形成Am和Bm。为了抑制已调信号的带外辐 射， Am和Bm要通过预调制低通滤波器; 再分别与相互正交的两
路载波相乘， 形成两路ASK调制信号; 最后将两路信号相加就