调制技术的分类及应用

（一）调制技术的分类

1.按调制信号性质分类

按照调制信号的性质可以把调制技术分为模拟调制和数字调制，这也是最基本的、最常见的调制技术分类方法。模拟调制一般指调制信号和载波都是连续波（信号）的调制方式，它有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种基本的形式。数字调制一般指调制信号是离散的，而载波是连续信号的调制方式。

数字信号的调制与解调是移动通信中的一项关键技术，对改善信道的传输性能起着重要的作用。数字调制的原理就是用基带信号（数字信号）去控制载波的某个参数，使之随着基带信号的变化而变化。传输数字信号时有三种基本的调制方式：幅度键控、频移键控、相移键控。若调制信号（即基带信号）为二进制数字信号时，载波的幅度、频率或相位只有两种变化，此时，数字调制技术被分别称为二进制幅度键控、二进制频移键控、二进制相移键控，数字调制技术的分类如图2-11所示。

图2-11　数字调制技术的分类

2.按照载波形式分类

按照载波的形式调制技术可分为连续波调制和脉冲调制两类。脉冲调制是指用脉冲信号控制高频振荡信号的参数。此时，调制信号是脉冲序列，载波是高频振荡信号的连续波。脉冲调制可分为模拟式和数字式两类。模拟式脉冲调制是指用模拟信号对脉冲序列参数进行调制，有脉幅调制（PAM）、脉宽调制（PDM）、脉位调制（PPM）和脉频调制（PFM）等。数字式脉冲调制是指用数字信号对脉冲序列参数进行调制，有脉码调制（PCM）和增量调制（△M）等。

3.按照传输特性分类

按照传输特性可以把调制技术分为线性调制和非线性调制。广义的线性调制，是指已调波中被调参数随调制信号成线性变化的调制过程。狭义的线性调制,是指把调制信号的频谱搬移到载波频率两侧而成为上、下边带的调制过程。此时只改变频谱中各分量的频率，但不改变各分量振幅的相对比例，使上边带的频谱结构与调制信号的频谱相同，下边带的频谱结构则是调制信号频谱的镜像。狭义的线性调制有调幅（AM）、抑制载波的双边带调制（DSB-SC）和单边带调制（SSB）。

（二）调制技术在移动通信系统中的应用

目前，调制技术在移动通信系统中的应用见表2.2。

表2.2　调制技术在移动通信系统中的应用

（三）常见数字调制技术简介

1.最小移频键控（MSK）

在数字信号的载波传输中，如果已调信号的包络恒定，就会对信道的非线性不敏感，不会因为信道的非线性作用而发生明显的频谱扩散，从而减小已调信号带外频谱对相邻信道的干扰。为了提高数字调制的频率利用率，基本的方法是减小信号所占的带宽，使其信号频谱的主瓣窄，信号功率谱密度集中在频带之内。要使信号带外的剩余能量尽可能低，副瓣占的功率谱密度小，相位连续变化起着举足轻重的作用。对于像数字移动通信这类通信来说，包络恒定、相位连续变化的数字调制技术是人们所寻求的。最小频移键控（MSK），就是这样一种数字调制技术。MSK相位连续且具有最小调频指数0.5的频移键控信号，满足两个信号正交的条件，频偏最小，包络恒定，故被称之为最小频移键控（MSK）。

MSK是一种特殊的2FSK，也是用两个不同的频率分别传送二进制数字信息，其特点是除了它的最小调频指数为0.5以外，它的两种频率的信号在一个码元期间内所积累的相位差必须严格地等于π/2，以保证在码元转换时刻已调信号的相位是连续的。

MSK已调信号的时域表达式可表示为

式中Tb表示输入数据流的比特宽度。

MSK信号的调制原理图如图2-12所示。MSK信号的解调，可以采用相干解调，也可采用非相干解调，电路形式亦有多种。非相干解调不需复杂的载波提取电路，但性能稍差。相干解调电路，必须产生一个本地相干载波，其频率和相位必须与载波频率和相位保持严格的同步。

图2-12　产生MSK信号的正交调制器

2.高斯滤波最小频移键控（GMSK）

MSK信号虽然具有频谱特性和误码性能好的优点，但就移动通信的应用而言，它占用带宽仍然较宽。此外，其频谱的带外衰减仍不够快，以致在25 kHz信道间隔内传输16 kb/s的数字信号时，不可避免地会产生邻频道干扰。因此，必须设法对MSK的调制方式进行改进，使其在保持MSK信号基本特性的基础上，尽可能加速信号带外频谱的衰减。

为了解决这一问题，用高斯型滤波器（这个滤波器通常称为“预调滤波器”）先对原始数据进行滤波，再进行MSK调制，这就是所谓“高斯滤波最小频移键控”，简记为GMSK，如图2-13所示。用这种方法可以做到在25 kHz信道间隔内传输16 kb/s的数字信号时，邻频道辐射功率低于-60～-70 dBm，并保持较好的误码性能。

为了抑制高频成分、防止过量的瞬时频率偏移以及进行相干检测，高斯低通滤波器必须满足一下要求：

（1）带宽窄，且是锐截止的。

（2）具有较低的过脉冲响应。

（3）能保持输出脉冲的面积不变。

图2-13　采用直接FM构成的GMSK发射的原理框图

GMSK信号的解调与MSK信号完全相同

图2-14所示表示出了GMSK信号的功率谱密度。图中，横坐标为归一化频率（f-fc）T，纵坐标为归一化功率谱密度，参变量BbTb为高斯低通滤波器的归一化3dB宽度Bb与码元长度T的乘积。BbTb=∞的曲线是MSK信号的功率谱密度。由此可见，GMSK信号的频谱随着BbTb值的减小变得紧凑起来。

需要指出的是，GMSK信号频谱特性的改善是通过降低误比特率性能来换取的。前置滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，误比特率性能变得越差。不过，当BbT＝0.25时，误比特率性能的下降并不严重。

高斯滤波最小频移键控（GMSK）方式实现简单，在MSK调制器前端设置高斯滤波器即可实现。应用于TDMA数字移动通信系统，是GSM的优选方案。

图2-14　GMSK信号的功率谱密

3.二进制相移键控（BPSK或2PSK）

二进制相移键控调制其相位变化是以未调制载波的相位作为参考基准，利用载波相位的绝对值传送数字信号“1”和“0”，故又称为二进制绝对相移键控。

若二进制相移键控已调信号的时域表达式为

式中，an为双极性数字信号，有

在某个信号间隔内观察BPSK已调信号，若g(t)是幅度为1，宽度为Ts的矩形脉冲，则有

当数字信号传输速率(1/TS)与载波频率有确定的倍数关系时，典型的波形如图2-15所示。

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图2-15　BPSK信号的典型波形

BPSK调制器可以采用相乘器，也可以用相位选择器来实现，如图2-16所示。

图2-16　BPSK调制器

BPSK解调必须采用相干解调。在相干解调中，如何得到同频同相的载波是个关键的问题。由于BPSK信号是抑制载波双边带信号，不存在载频分量，因而无法从已调信号中直接用滤波法提取本地载波，只有采用非线性变换才能产生载波分量。常用的载波恢复电路有两种，一种是图2-17（a）所示的平方环电路；另一种是图2-17（b）所示的科斯塔斯环（Costas）电路。

图2-17　载波恢复电路

在BPSK的接收过程中，若恢复的载波相位发生变化（0°变为π或π变为0°），则恢复的数字信息就会发生0变1，或1变0，从而造成错误的恢复，这就是相位模糊问题。在BPSK系统中这一现象称为倒π现象或反向工作现象，如图2-18所示。在实际中经常用差分相移键控来解决这个问题。

图2-18　BPSK接收电路

相移键控在数据传输中，尤其是在中速和中高速的数传机（2 400～4 800 b/s）中有广泛的应用。相移键控有很好的抗干扰性，在有衰落的信道中也能获得很好的效果。二进制相移键控主要应用于IS-95蜂窝移动通信系统的下行链路调制。

4.偏移四相相移键控（OQPSK）

1）四相相移键控QPSK的基本原理

四相相移键控QPSK具有较高的频谱利用率，很强的抗干扰性及较高的性能价格比。QPSK是利用载波初相位在（0，2π）中以π/2等间隔取四种不同值来表征四进制码元的四种状态信息，它的一般表达式为

其中，φn是代表信息的相位参数，它共有四种相位取值，在任一码元的持续时间内，φn将取其一。当,n＝0，1，2，3时，QPSK系统称为QPSK系统。当,n＝0，1，2，3时，该系统称为QPSK系统。无论哪种系统，QPSK系统均可以看成是载波相位相互正交的两个BPSK信号之和，即

式中

把φn与二进制信息对应，可得如下的对应关系：

根据式（2.9）、式（2.10）以及相位与二进制信息的对应关系，可得π/4 QPSK系统调制器的方框图如图2-19所示，图中略去了相乘器前电平变换电路。其中串/并变换电路将串行输入的二进制信息序列变换成两路并行的二进制序列｛bk｝、｛ck｝。显然QPSK信号包含同相与正交两个分量，每个分量都是用宽度为Ts的二进制序列分别进行键控。码元宽度Ts为输入信息序列｛ak｝比特宽度Tb的两倍。

图2-19　π/4 QPSK调制器

QPSK相干解调器的工作原理如图2-20所示。输入QPSK已调信号s(t)送入两个正交乘法器，载波恢复电路产生与接收信号载波同频同相的本地载波，并分为两路，其中一路经移相90°后产生正交相干载波。将此两路信号分别送入两个正交乘法器，经低通、取样判决后产生两路码流｛bk｝、｛ck｝，再经并/串转换后恢复数据流｛ak｝。取样判决器的判决准则是根据调制器的工作原理确定的。

图2-20　QPSK相干解调器

2）偏移四相相移键控调制OQPSK的基本原理

OQPSK信号产生时，是将输入数据经数据分路器分成奇偶两路。并使其在时间上相互错开一个码元间隔，然后再对两个正交的载波进行BPSK调制，叠加成为OQPSK信号，调制过程如图2-21所示。

图2-21　OQPSK信号调制器

OQPSK在其中一条支路上加入了一个比特的时延，使得两个支路的数据不会同时发生变化，因而OQPSK不可能像QPSK那样产生±π的相位跳变，仅产生±π/2的相位跳变，因此OQPSK的频谱旁瓣要低于QPSK信号的旁瓣，OQPSK信号对邻道的辐射要小，抗干扰能力强，但传输速率低，主要应用于IS-95蜂窝移动通信系统的上行链路调制。

5.π/4差分四相相移键控（π/4 DQPSK）

π/4 DQPSK是对QPSK信号的特性进行改进的一种调制方式，改进之一是将QPSK的最大相位跳变±π，降为±3π/4，从而改善了π/4 DQPSK的频谱特性。改进之二是解调方式，QPSK只能用于相干解调，而π/4 DQPSK既可以用相干解调也可以采用非相干解调。

π/4 DQPSK信号产生原理图如图2-22所示，输入数据经串/并转换之后得到同相通道I和正交通道Q的两种非归零脉冲序列SI和SQ。通过差分相位编码，使得在kTS≤t＜（k+1）TS时间内，I通道的信号Ik和Q通道的信号Qk发生相应的变化，再分别进行正交调制之后合成为π/4 DQPSK信号（这里TS是SI和SQ的码宽，TS＝2Tb）

π/4 DQPSK的信号表达式为：

其中I(t)、Q(t)分别为数字脉冲Ik、Qk通过低通滤波器所得信号，且有

式中　　θk=θk-1+Φk

Φk与I、Q路支信号SI、SQ的关系：

SI、SQ＝1、1，Φk＝π/4

SI、SQ＝－1、1，Φk＝3π/4

SI、SQ＝－1、－1，Φk＝－3π/4

SI、SQ＝1、－1，Φk＝－π/4

π/4 DQPSK调制技术主要应用于美国的IS-136数字蜂窝系统、日本的个人数字蜂窝系统PDC和美国的个人接入通信系统PACS中。

图2-22　π/4 DQPSK信号的产生原理框图