第八章__现代数字调制技术

图8-1 QPSK和OQPSK信号的相位关系
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如图 8-1（b）所示。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 信号有本质的区别。
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。
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图8-14 多载波传输系统原理框图
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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。
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8.4.3 MSK信号的产生与解调
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图8-7 MSK信号的产生方框图
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图8-8 MSK解调器原理框图
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8.4.4 MSK信号的频谱特性
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图8-9 MSK、GMSK和OQPSK等信号的功率谱密度
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8.5高斯最小频移键控（GMSK）
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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。
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
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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。
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间有 1/2 重叠，OFDM 信号的频谱结构示意图如图 8-17 所 示。
图8-17 OFDM信号的频谱结构示意图
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在接收端，对 S m t 用频率为 f n 的正弦载波在0,Ts 进
行相关运算。就可得到各子载波上携带的信息 An ，然后通
过并/串变换，恢复出发送的二进制数据序列。由此可得如 图 8-18 所示的 OFDM 的解调原理框图。
进制信号将得到 MQAM 信号，其中 M L2 。
矢量端点的分布图称为星座图。通常可以用星座图来描述 QAM 信号 的信号空间分布状态。MQAM 目前研究较多，并被建议用于数字通信中的 是 十 六 进 制 的 正 交 幅 度 调 制 （ 16QAM ） 或 六 十 四 进 制 的 正 交 幅 度 调 制 （64QAM），下面重点讨论 16QAM。
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为了减小包络起伏，这里做一改进：在对 QPSK 做正交调制时，将正交分
量 Qt 的基带信号相对于同相分量 I t 的基带信号延迟半个码元间隔
Ts / 2 （一个比特间隔）。这种调制方法称为偏移四相相移键控（OQPSK）。
（a）QPSK信号的相位关系
（b）OQPSK信号的相位关系
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8.6.2 MQAM信号的产生和解调
MQAM 信号调制原理图如图 8-12 所示。图中，输入的二进制序列经 过串/并变换器输出速率减半的两路并行序列，再分别经过 2 电平到 L 电平
的变换，形成 L 电平的基带信号 mI (t) 和 mQ (t) ，再分别对同相载波和正交
载波相乘，最后将两路信号相加即可得到方型星座的 MQAM 信号。
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）。
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。
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图8-11 MQAM信号的星座图
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。
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图8-15 子载波的两种设置方案
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8.7.2 正交频分复用技术
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图8-16 OFDM调制原理框图
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OFDM 信号由 N 个信号叠加而成，每个信号频谱为
Sa Ts 函数（中心频率为子载波频率），相邻信号频谱之
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。
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图8-12 QAM信号调制原理图
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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。
图8-13 MQAM信号相干解调原理图
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8.6.3 MQAM信号的频带利用率
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8.6.4 MQAM信号的抗噪性能分析
图8-18 OFDM解调原理框图
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图8-19 用DFT实现OFDM的原理框图
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8.3 π/4四相相移键控
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图8-3 π/4 -QPSK信号的星座图
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8.4 最小频移键控（MSK）
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8.4.1 MSK信号的正交性
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8.4.2 MSK信号的相位连续性
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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。
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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。
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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
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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
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8.7 正交频分复用（OFDM）
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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。
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。
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一、时域表示
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二、矢量图
如果 QAM 信号的在信号空间中的坐标点数目（状态数） M 4 ，记
为 4QAM，它的同相和正交支路都采用二进制信号；如果同相和正交支路 都采用四进制信号将得到 16QAM 信号。以此类推，如果两条支路都采用 L