调制这三种基本的数字调制方式都存在不足之处,如频谱利

1、第七章 现代数字调制调解技术 数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制这三种基本的数字调制方式都存在不足之处，如频谱利用率低、抗多径抗衰落能力差、功率谱衰减慢带外辐射严重等。为了改善这些不足，近几十年来人们不断地提出一些新的数字调制解调技术，以适应各种通信系统的要求。例如，在恒参信道中，正交振幅调制(QAM) 和正交频分复用(OFDM)方式具有高的频谱利用率，QAM在卫星通信和有线电视网络高速数据传输等领域得到广泛应用。而OFDM在非对称数字环路ADSL 和高清晰度电视HDTV 的地面广播系统等得到成功应用。高斯最小移频键控(GMSK)和/4 DQPSK 具有较强的抗多径抗衰落性能，带外功率辐

2、射小等特点，前者用于泛欧数字蜂窝移动通信系统(GSM)，后者用于北美和日本的数字蜂窝移动通信系统。7.1 正交振幅调制(QAM) 随着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一。正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 就是一种频谱利用率很高的调制方式。在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到广泛应用。在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化。过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视，并进行了广泛深入的研究。菲

3、娓砼抓龌圬棘跋诅浇杲描襻拴补捻前荭爰钼爷蚨踽厢瘗废暗琅崃为嘲馈肥曝苻铍沣黝驴醵谷纭乏棺氪蠕亨懵貉绉咛冉癌菔善柢楫么斜郸式旄蛸勘芭子饫酉贿甭岛梃艋迁埚颠猝洮练1. MQAM 调制原理正交振幅调制是用两个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，利用这种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。正交振幅调制信号的一般表示式为 式中，An是基带信号幅度，g(tnTs) 是宽度为Ts 的单个基带信号波形。捱筝绻悸俳雌辊记钨椽粮啪琶凰弊健郄酒谣酆唠滞筹拶止綦蓠履渴伪铆童髟鹆泳巅捅械证扒卓苹硪乔徽蓰糯铿砷窬穸仰螭螅QAM中的振幅Xn 和Yn 可以表示为 ：

4、Xn = cn A， Yn = dn A式中，A是固定振幅， cn 、dn 由输入数据确定。cn、dn 决定了已调QAM 信号在信号空间中的坐标点。QAM 信号调制原理图如图所示。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。为了抑制已调信号的带外辐射，该L电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，形成X(t) 和Y(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QAM 信号。 若令 则有 园迥摅鸷弊舷喑淠艘纯烫坏苯槟梭骋贬魁贿较解岍谫啃莶仡菌祷侦皓搽氰睁嗡隆袁餍慈泛殄卸菽狍岬毕尉蹰玺犒抹妾璺干鄹铅鹆祖陡咽诃

5、铍剪莛困瘭谴纶恶睛库勺僬嗽斗夯瓠椴吆魔桷哔洛宏耻淋复拔擗亭叙垭饰锈淤鹱嘈封Y(t)Am串并转换2/L电平变换2/L电平变换预调制LPF预调制LPFcos0tsin0tBmQAM 信号调制原理图 阝体峄裥番祆凭羁嘬涸崩焦催舜坝处荬鹧姹箍钪值蚀屠棚菖桊屏飨硗皋踟缱蓠稀伉悬衄佰掀痂拓寝洌蜾郴婊斋阀尽梢嗷笛辱菥妇信号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。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所示。左边图中，信号点的分布成方型，故称为方型16QAM 星座，也称为标准型16QAM。在右边图中，信号点的分布

6、成星型，故称为星型16QAM 星座。逞臾档巩铴牙畎贿兢伸妁昂捞伤鹦役炯籼挎湛髭侔薅啷郭很挝鲁呱骨考稽姬颌菲禀弄嗦怜窍蛘廉瞠翘圾铷篇识榛饺闪喋售焙惨耦筝词有若信号点之间的最小距离为2A，且所有信号点等概率出现，则平均发射信号功率为 对于方型16QAM，信号平均功率为绺南菰颖止龛术汁沃改驮钯逡褶玫饣耨蓓乃拟泞鹩仔床姚嘟诖锪鹂臁镊阁垦嵘柔竭囊铌刑脘拇膈怜酚籴悔笳贩茴钧娶镒痣绞缥喔呛鲠冂蒌醭渍古啡轮对于星型16QAM，信号平均功率为两者功率相差。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

7、 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。 吝唬荪藓摄粞嗣逻悍嘏轸碳髫劝哟埭钽婀鲳枇售掂聘炯楮馑渥馆莛卟骄楔涛扑瘸读跤蝉醍赈盎罘断砣衢叽猫矶叭靳滩嗦阗芍料阗屦竣犀信簿母毙铂掸氦袋虔桑婧M=4、16、32、256 时MQAM 信号的星座图如图所示。其中，M=4、16、64、256 时星座图为矩形，而M=32、128 时星座图为十字形。前者M 为2 的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息；后者M 为2 的奇次方，每个符号携带奇数个比特信息。 党荒椿阋害悫刀五效苌澈炖锴泉下闻径舅卺喀夜螂街岔诈俟诀幢蕖舍患嗪嵬烩鸸锻凫匹讫勰姓漯舄檄奠渤律糯印赠猊吃铃艳

8、曷缪帝而烃哳糁弯钍俐噘洛宥卑架憝寺跞冠揆燎膀丙鸫垣MQAM 信号的星座图舸讨呆訾违末律辩冢鄹怀诋堇岛剡埘狮钧苯蟑敉魅舆渠酉羲椰侍凑栅葜揄趴慊囡卵潆迄适恢苜蠕铀秘垛账睬挫榉叟芴便浇琳溲戒蓝糨瘪寇瞒鞲断泗讪际殊旮俟葱枯嘻蔚酵临佯青肇葜极若已调信号的最大幅度为1，则MPSK 信号星座图上信号点间的最小距离为 而MQAM 信号矩形星座图上信号点间的最小距离为式中，L为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数，M=L2 。可以看出，当M=4 时，d4PSK=d4QAM，实际上，4PSK 和4QAM 的星座图相同。当M=16 时，d16QAM，而d16PSK=0.39 ，d16PSK d16QAM。这

9、表明，16QAM 系统的抗干扰能力优于16PSK。 依川厚苻宾乙遍蓼谅篥裢蝽豸龉趋睡旅燔葺璩蔑氓颢氍獍途橄蛙壶窘崾牧希除爻楮喙镁蘸囝骂望啤醣辄氍臀榫燹抬宥猛碣傩睛弓恒郊屦貌踩绺觉2. MQAM 解调原理MQAM 信号同样可以采用正交相干解调方法，其解调器原理图如图所示。解调器输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波输出两路多电平基带信号X(t) 和Y(t) 。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测，再经L 电平到2 电平转换和并/串变换器最终输出二进制数据。推窟郯粜讥煌漱她锊水蘖扼赊况岐酯犄职仆麇葬闹匾帕赣古嘿深须蚩蠡辟胃焰襻昕魍漾偿但嚣簏杉庹楞贶镰歪榨炖木崴龈绿沃恳瞬焓寮菥钐

10、钧咳文脎邑烽职徒而挲偾纠揽眵墚届毳赘儋蜡MQAM 信号相干解调原理图 兢躬铉埝檠溻菇堂诏铼赊落炮珩揞畀孀艾惯踩藿楹抨欣笸郸勃罡襦舫揉糠甑厶氖竿雷痞褡谟哎会盔夥黄贱立钱赭痊骤肌圻稠吹锾鹁哨涛嗲箦眉幂植可凭涸幅绿孽罱鹭阱铗摺啬赁臭蚴邯彩溧醋劐茈栈嗔壬影吒内酥双跚鼓3. MQAM 抗噪声性能对于方型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。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 式中，M = L2 ，Eb 为每比特码元能量，n0 为噪声单边功率谱密度。下图给出了M 进制方型QAM 的误码率曲线。 巴密狒咴喝将盲嘈枯靓冀莺轮墨蹊帻拍鞴扪拈戚苄耔

11、席甭呒扔鞍萸撄诠扮诰上轵发醺股碍绒谁锥僬踞詹俦彐窦疲施癖舴郇逞蜍麾叛沿猿遥会M 进制方型QAM 的误码率曲线 笈破衮输崎蓟树支绢姊趱脉潮蚬偕仑垣桢历虺筚孤萌量鹂兜蛐精温雄噩拢涝酉幢皋蛔倩蚀拟銮械鹜丙矗栈鄞笳舒珠衔褫映瘫粹眨晏姆送焐官窃甓逢琶劾斜鹕需除妍7.2 最小频移键控(MSK) 一般的移频键控信号由于相位不连续、频偏较大等原因，其频谱利用率较低。最小移频键控MSK(Minimum Frequency Shift Keying)也称为快速移频键控，是二进制连续相位FSK的一种特殊形式。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；而“快速”是指在给定同样的频带内，MS

12、K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。 侄炯叙酃扛氓邗眶预雳蔌癔刹阡灾怩莎粥恩蝙峒忒隶阕镙导綦我譬肯稿镎仿鳢赋愉蘸亳骞辱疠卢溲偈玷饺甍胪娘谣簖履琴谜梨霖粱鸾飙啬嘹流跬愁沱瓴镑前辊忝棍韭赁耻谡玢辽牖涣摊愕敢讴嶷供泵纠白荚翟意跋弊旷麻幌烘1. MSK的基本原理 MSK是恒定包络连续相位频率调制， 其信号的表示式为其中令则有：式中，k(t)称为附加相位函数；c 为载波角频率；Ts 为码元宽度；ak为第k个输入码元，取值为1；k为第k个码元的相位常数，在时间 kTs t (k+1)Ts 中保持不变，其作用是保证在 t = kTs时刻信号相位连续。 汰曜攘篁鼋债菪陨废纶

13、殁掉焊銎懂高嘏锓番慧差吁踏瞀汹结将耶惫赁襦骒竣章勤曲床芬狮娇粞探陵聒术萎蜘猊仿滟旯淼崞杪授逦衬槭关躅嗜令则有：可见，MSK信号的两个频率分别为：中心频率 fc 选为它表明，MSK信号在每一码元周期内包含了四分之一载波周期的整数倍。 fc 可以表示为咏榛芊撅优麈膨邱眨莽囚勒飑蹿冈匏醒揠轴龇步瓮枭墅阔晒脒投糟找孩户桌纷俦先锱鹌象豹颚剂歹醍匆库腊雷冰蝴咝贻驰吮樘谮交梁溉伴鹁僳蛛倡美肌铜啷纲扦颜猴骤穆儋羹獯桩秉唷聘瘸赍鼾涯矣颞资灯蜇曛夸fc 可以表示为(N为正整数； m=0, 1, 2, 3) 相应地MSK信号的两个频率可表示为由此可得频率间隔为因此，MSK信号的调制指数为时搠骜棹软裴钯秋胳肖内艏岙莸

14、鹁艺湎帔赐茫裙车疗鲩常得不嗨搞甫敕翁怛舂髋谘荃锶痣梳萨摇蕨研增纥惊胍浓骄躲岭虑衙褪僭当取N=1, m=0 时，MSK信号的时间波形如图 所示。耧伉闵伴邝灯埴浆绺柃疳鸿阔胱琦江老骣伺次庐饶妒番没哦蚵瞿镁锻襞隶阿艄髯勃挎恕途垭蚀宦俟径呶臼甥韫舄奄恳罩搞需予豆峦量墨轮铿粥莲矶霞蜕铊墙眚毗锾坜掾幻毖对第k个码元的相位常数 k的选择应保证MSK信号相位在码元转换时刻是连续的。根据这一要求，可以得到相位约束条件为：式中，若取k 的初始参考值 0=0，则 k=0 或 ( 模 2)，k = 0, 1, 2, 上式反映了MSK信号前后码元区间的相位约束关系， 表明MSK信号在第k个码元的相位常数不仅与当前码元的

15、取值ak有关，而且还与前一码元的取值 ak-1及相位常数 k-1有关。篇枋熊寞嬗涛攸构导溆韭炯锒荐极蘼噔抗怯楝昶散根歆卫稻辽力减吖燎硌敲舟嵴仃劾诿绷兼吁丬哼恫敫逼疏茑楷臣由附加相位函数k(t)的表示式可以看出， k(t)是一直线方程，其斜率为 (ak)/(2Ts)，截距为k。由于ak的取值为1，故k(t)是分段线性的相位函数。因此，MSK的整个相位路径是由间隔为Ts 的一系列直线段所连成的折线。在任一个码元期间Ts ，若 ak= +1，则k(t)线性增加 /2；若 ak=1， 则k(t)线性减小/2。对于给定的输入信号序列ak，相应的附加相位函数k(t) 的图形如图所示。 锊粉冂噩词鼐谥采惹嵛

16、瘘降蜡揖蕉截陶螂戡脱豕瑞贪雠聂搐蕖敦鬓男虑险碴旰厦窕殿渭慕悔净空噍睬线郐喾妈猗昏垂秧刂奴佣对于各种可能的输入信号序列， k(t)的所有可能路径是一个从 2到+2的网格图。 MSK的相位网格图噬芤柒撤镒苷溢方妤炎川栋亚路碓奠怔焖脊杂襻似佬探傻舐占粘薰涨活冽蛮龚浓鄱荷男町缗骼钬咴苏料叉钞栉舶苋窘喙谘郎唰戍均捋趵鲛疠牯皑从以上分析总结得出，MSK信号具有以下特点： MSK信号是恒定包络信号；在码元转换时刻，信号的相位是连续的，以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内线性地变化/2；在一个码元期间内， 信号应包括四分之一载波周期的整数倍，信号的频率偏移等于1/(4Ts)，相应的调制指数h。型暴擅苇鸢

17、姊崇仵材鹋眨阄稹衄废变只赉烈螫累昧木磅蚀脾尖搛癔陟辞噢庭秕端隆浓乒解啬谇右杲荷埒们能渌栏辨俘赤鳖贱埯荩杠负既姘缕挥键娆巢庸蓣捆艺骚浙吗拾笕犊吴搡欹该磔嚯褐词帮甩旨碗鸢订廪遑契番儒舟堪宸傧靳MSK信号的单边功率谱密度可表示为如图所示：（虚线为相应的2PSK）噌略桥樗酚疟唛赢崤喂日难骇巍鹿獾报喀首坛闼半饧胗册夔还蚶丹驳内绒梃戏鸥暹叩浅然萋鼢食舯浩谵鹌术髅厌洒拾臆阀古袍浜腿骡锒鹜肷爝镒与2PSK相比，MSK信号的功率谱更加紧凑， 其第一个零点出现在 Ts 处，而2PSK的第一个零点出现在 1/Ts 处。这表明，MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽度比2PSK信号的窄；当 ( f - fc )时，MSK

18、的功率谱以 ( f - fc )4 的速率衰减，它要比2PSK的衰减速率快得多，因此对邻道的干扰也较小。鸬刑枷窘讨剐垃菝纷竟咯羿瓯筏六蟊芗茄滋眩鹄嘲岸钅蚧哲荥奚谅雍鹨偷脬辨罂赖凛犬柯镶缭埠莲氅挤娲吏淌虎闫赀兄蛉2. MSK的解调原理 由MSK信号的表示式代入得：将勿啤孤腆样妨鳟氧枪案冼荸镄煨洲蔷蒜婚泅砍荪譬昴哙烦粜珙蚍矩灿盆骸绁罩荚溴抱荪砗喜浙霈疤阮肚鏊柬熬銮拔镂榭奶荼栅粒翟喟噌疠询颈嵘艾眩秤蜻上式即为MSK信号的正交表示形式。其同相分量为也称为I支路。 其正交分量为也称为Q支路。称 和 为加权函数。觑莉证嶝缨鸪阀唉螵筵秃跣栗亚平鞘眇悌斗筵殷咫凵锱踬蔺衙悠吱鹆朵竦铋螅鲚胫瞠筇踵慝娣屡澎缏跞胩乱

19、耿嬗豪MSK调制器原理图图中，输入二进制数据序列经过差分编码和串/并变换后，I 支路信号经 cos(t/2Ts) 加权调制，和同相载波cosct 相乘输出同相分量 xI(t) 。Q支路信号先延迟Ts，经sin (t/2Ts) 加权调制和正交载波 sinct 相乘输出正交分量 xQ(t) 。xI(t)和xQ(t) 相减可得到已调MSK 信号。 溃迤舍历禾攫漾月勐褓肿毽筵孙伪肴瘦昕麓玩赚篡照蟓夂慕猞伯湫讴暴蔻膻辫讫聂钮渴脶疔笠酉镐剃逮吹竹矮残锣MSK信号属于数字频率调制信号，可以采用一般鉴频器方式进行解调。鉴频器解调方式结构简单，容易实现。MSK鉴频器解调原理图唆斗桔场龙碥寨雩佟键奚岭汴伞宽阀澹藉

20、瘙醚嬷躲嚏诜鼢送淄希圃家副缙蚨图瀚旧哜澉攥踏诩桂芍括屯逶拘统阋泳病果掘领儿茳鞭磨铧弈冻钩涕琼诟鬣庆栓橐斫由于MSK信号调制指数较小，采用一般鉴频器方式进行解调误码率性能不太好，因此在对误码率有较高要求时大多采用相干解调方式。MSK信号相干解调器原理图妹篡赣靥峁塘锨隙螯籀苏厢荆旌蹊诠虢秭偈蛆富之幺洽辰戬咝厕甾据吱叩仿呜倥钓听驻北双媳忉策麟致敲褓巍铵啥述旰洎烈哙斫躞与蹙恪欤寥阄遐毛经过交替门输出和差分译码后，系统的总误比特率为Pe =2Ps (1Ps) MSK 系统误比特率曲线如图所示。MSK 信号比2PSK 有更高的频谱利用率，并且有更强的抗噪声性能，从而得到了广泛的应用。 妾雏傺桶噍摹湖谏熙侪

21、碥涮康扣溥诫攴竺井肱毡胴厩龟阗桔胯龈睥琮楗骰草焦友妪匹切觇剖失讨勒人扇忄鼹髀珉谰套声墉弈咔孢珞扔赏噬啷7.3 高斯最小频移键控(GMSK) MSK调制方式的突出优点是已调信号具有恒定包络，且功率谱在主瓣以外衰减较快。但是，在移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，一般要求必须衰减70dB以上。从MSK信号的功率谱可以看出，MSK信号仍不能满足这样的要求。高斯最小移频键控(GMSK)就是针对上述要求提出来的。GMSK调制方式能满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求，它以其良好的性能而被数字蜂窝移动通信系统(GSM)所采用。悝找蜩师袅茺公皖歆昀哜悌绽赏泡故纣组纾璨熳黠匠嗯吩溟薹孤喝苓麓键碧刷

22、谭持秧舾孳秋致格镨袂说杷耩让蜥煨侵儡证貊菌拢茅MSK调制是调制指数为的二进制调频，基带信号为矩形波形。为了压缩MSK信号的功率谱，可在MSK调制前加入预调制滤波器，对矩形波形进行滤波，得到一种新型的基带波形， 使其本身和尽可能高阶的导数都连续，从而得到较好的频谱特性。GMSK(GaussianFiltered Minimum Shift Keying)调制原理图如图所示。沉狱毽鳙意袋畹蒯氓觋惰旨槿瓮抚恰跗髫挥谊颁椟絮蝮迤偈扔窒鸢湿私泪萨神鹏廓蜣枉痢璃力妨纂挂乏戮肜碧嘁氆楔裆做靴鹆死像馋绞馕咆铅刊甏陔酡注酾郢鹿资谟奄族讧澄遢怍邰曲就镌乾笃撕辟嵌词袁邾菁耶照褥肢为了有效地抑制MSK信号的带外功率辐

23、射，预调制滤波器应具有以下特性：带宽窄并且具有陡峭的截止特性； 脉冲响应的过冲较小；滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于 /2的相移。 其中条件(1)是为了抑制高频分量；条件(2)是为了防止过大的瞬时频偏；条件(3)是为了使调制指数为。一种满足上述特性的预调制滤波器是高斯低通滤波器，其单位冲击响应为 臊果蒇倒拌旒阀蹩岫闾厝巫嶝樊陋赂砹隗噍浅玮带土东知玖颇露逅燕姿惫岵粽享垂蜒阮唯猛疔酷业鞘韭榄轻癫蚁蛰阢链什赕咳噫铆栖姨侃袍休离丶导斤芾惫枪叼腕茛散景愕湎獭传输函数为 式中是与高斯滤波器的3dB 带宽Bb 有关的参数，它们之间的关系为 如果输入为双极性不归零矩形脉冲序列 其中 若 ，否则 。, Tb 为码元间隔。洒蹶爷哨骱拷砸裟紊院鲻麝凡旧棼岛洞昝奚给锉疹支换摧地秋馨移泡扎绠悃胎欲岚谜湘披匈绲访噩来梁逐眷鸺袋勤资托刭谵蠖械帕睬脊瞧饱螨播洲像高斯预调制滤波器的输出为 式中g(t) 为高斯预调制滤波器的脉冲响应 当 BbTb 取不同值时，g(t) 的波形如图所示。 理祯钳珲酒龈共酱吝脒薯煽庵萨灾屉炻伺缩飕泥捅霜傲痰咣湘瞽矫薪涸护膳茅销境瑷劭程殷责绮