1．7．3　数字调制

数字调制是在发送端对编码后信息进行处理，使其变为适合传输的形式的过程，即是把基带信号（编码后信息）转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号。带通信号叫做已调信号，而基带信号称为调制信号。

解调则是将基带信号从已调信号中提取出来以便预定的接收者（信宿）处理和理解的过程。

1．7．3．1　调制方式的选择

数字调制是用正弦高频信号为载波，用基带信号控制载波的三个基本参量（幅度、相位、频率），使载波的幅度、相位、频率随基带信号的变化而变化，从而携带基带信号的信息。相对应的三种调制方式是最基本的数字调制方式，称为幅度键控（ASK）、频率键控（FSK）、和相位键控（PSK），如图1．31所示。

移动通信面临一系列的无线信道问题，如多径衰落、干扰、频率资源有限。所以移动通信对调制解调技术的要求如下：频谱资源有限要求调制有高的带宽效率；用户终端小要求调制有高的功率效率，抗非线性失真能力强；系统存在邻道干扰要求调制有低的带外辐射；多径信道传播要求调制对多径衰落不敏感，抗衰落能力强；干扰受限的信道要求调制有强抗干扰能力；产业化问题要求调制解调器成本低，易于实现。

图1．31　三种调制方式

1．二进制调制

对于二进制调制，三种调制方式：幅度键控（2ASK）、频率键控（2FSK）、相位键控（2PSK），哪种更适合移动通信呢？下面做一比较。

①误码率

若信噪比一定，2PSK系统的误码率低于2FSK系统，2FSK系统的误码率低于2ASK系统。因此，从抗加性白噪声上讲，2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最差。

②频带宽度

2ASK系统和2PSK（2DPSK）系统频带宽度相同，均是码元传输速率的二倍；而2FSK系统，因为有两种载波成分，其频谱有两个峰值，每个频谱的宽度近似为码元传输速率的二倍，故2FSK系统频带宽度是码元传输速率的二倍与二个载波频率差值的和，大于2ASK系统和2PSK（2DPSK）系统的频带宽度。因此，从频带利用率上看，2FSK调制系统最差。

③对信道特性变化的敏感性

信道特性变化的灵敏度对最佳判决门限有一定的影响。在2FSK系统中，是通过比较两路解调输出的大小来做出判决的，不需人为设置的判决门限。在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限为0，与接收机输入信号的幅度无关。因此，判决门限不随信道特性的变化而变化，接收机总能工作在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为输入信号的幅度的一半，它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度将随之发生变化，从而导致最佳判决门限随之而变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，误码率将会增大。因此，从对信道特性变化的敏感程度上看，2ASK调制系统最差。

④设备的复杂程度

就设备的复杂度而言，2ASK、2PSK及2FSK发端设备的复杂度相差不多，而接收端的复杂程度则与所用的调制和解调方式有关。对于同一种调制方式，相干解调时的接收设备比非相干解调的接收设备复杂。

通过从以上几个方面对各种二进制数字调制系统进行比较可以看出，在选择调制和解调方式时，要考虑的因素是比较多的。只有对系统要求做全面的考虑，并且抓住其中最主要的因素才能做出比较正确的选择。如果抗噪声性能是主要的，则应考虑2PSK，而2ASK最不可取；如果带宽是主要的因素，则应考虑2PSK以及2ASK，而2FSK最不可取；如果设备的复杂性是一个必须考虑的重要因素，则非相干方式比相干方式更为适宜。所以，在强干扰环境下的衰落严重的移动信道中，2ASK是绝对不适合的；考虑到移动通信频谱资源的宝贵性，2PSK是最佳、最普遍的选择，2FSK是无奈的选择。目前，大容量的移动通信网，只有GSM选择了2FSK的改进形式——高斯最小移频键控，其他的，例如N－CDMA、3G都选择了2PSK或多进制的PSK以及它们的改进形式。

2．多进制数字调制

所谓多进制数字调制，就是利用多进制数字基带信号去调制高频载波的某个参量，如幅度、频率或相位的过程。根据被调参量的不同，多进制数字调制可分为多进制幅度键控（MASK）、多进制频移键控（MFSK）以及多进制相移键控（MPSK）。也可以把载波的两个参量组合起来进行调制，如把幅度和相位组合起来得到多进制幅相键控（MAPK）或它的特殊形式——多进制正交幅度调制（MQAM）等。

由于多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个取值，因此，与二进制数字调制相比，多进制数字调制有以下几个特点：在码元速率（传码率）相同条件下，可以提高信息速率（传信率），使系统频带利用率增大。码元速率相同时，M进制数传系统的信息速率是二进制的log₂M倍。在实际应用中，通常取M＝2^k，k为大于1的正整数。在信息速率相同条件下，可以降低码元速率，以提高传输的可靠性。信息速率相同时，M进制的码元宽度是二进制的log₂M倍，这样可以增加每个码元的能量，并能减小码间串扰影响等。

正是基于这些特点，使多进制数字调制方式得到了广泛的使用。不过，获得以上几点好处所付出的代价是信号功率需求增加和实现复杂度加大。当然在移动网中，多进制数字调制也只是采用多进制相位调制。

GSM系统采用GMSK调制，IS－95CDMA系统的下行信道采用QPSK调制，其上行信道采用OQPSK调制。第三代蜂窝移动通信系统将采用MQAM、QPSK或8PSK调制。

1．7．3．2　二进制相移键控（2PSK）

绝对相移是利用载波的相位（指初相）直接表示数字信号的相移方式。二进制相移键控中，通常用相位0和π来分别表示“0”或“1”。2PSK已调信号的时域表达式为

这里，s（t）为双极性数字基带信号，其波形如图1．32所示。

图1．32　2PSK信号的典型波形

2PSK信号的调制方框图如图1．33所示。图1．33（a）是产生2PSK信号的模拟调制法框图；图1．33（b）是产生2PSK信号的键控法框图。

2PSK信号的解调，不能采用包络检测的方法，只能进行相干解调，其方框图如图1．34所示。

图1．33　2PSK调制器框图

图1．34　2PSK信号接收系统方框图

由于2PSK信号实际上是以一个固定初相的末调载波为参考的，因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载波的相位发生变化，如0相位变为π相位或π相位变为0相位，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。这种因为本地参考载波倒相，而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒π”现象或“反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，造成反向工作。这也是它实际应用较少的主要原因。

1．7．3．3　二进制差分相移键控（2DPSK）

二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。相对移相信号可以看作是把数字信息序列（称为绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。相对码，就是差分码，其是按相邻符号不变表示原数字信息“0”，相邻符号改变表示原数字信息“1”的规律由绝对码变换而来的。

假设相对载波相位值用相位偏移Δ表示，并规定数字信息序列与Δφ之间的关系为

绝对码｛a_n｝和相对码｛b_n｝是可以互相转换的，其转换关系为

这里，＋表示模二和。实现相对调相的最常用方法是：首先对数字信号进行差分编码，即由绝对码表示变为相对码（差分码）表示，然后再进行2PSK调制（绝对调相）。2PSK调制器可用前述的模拟调制法（如图1．35（a）所示），也可用键控法（如图1．35（b）所示）。

图1．35　2DPSK调制器框图

2DPSK信号的解调也是2PSK解调加差分译码，其方框图如图1．36所示。2PSK解调器将输入的2DPSK信号还原成相对码｛b_n｝，再由差分译码器（码反变换器）把相对码转换成绝对码，输出｛a_n｝。

图1．36　2DPSK解调器框图

1．7．3．4　四进制绝对移相键控

在M进制数字相位调制中，四进制绝对移相键控（4PSK，又称QPSK）和四进制差分相位键控（4DPSK，又称QDPSK）用得最为广泛。

4PSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元，习惯上把双比特的前一位用a代表，后一位用b代表。

（1）4PSK信号的产生

多相制信号常用的产生方法有：直接调相法及相位选择法。

相位选择法：在一个码元持续时间T_b内，4PSK信号为载波四个相位中的某一个。因此，可以用相位选择法产生4PSK信号，其原理如图1．37所示。图中，四相载波发生器产生4PSK信号所需的四种不同相位的载波。输入的二进制数码经串／并变换器输出双比特码元。按照输入的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波。例如，双比特码元ab为11时，输出相位为0°的载波；双比特码元ab为01时，输出相位为90°的载波等，双比特码元ab为00时，输出相位为180°的载波；双比特码元ab为10时，输出相位为270°的载波。

图1．37　相位选择法产生4PSK信号方框图

4PSK信号也可以采用正交调制的方式产生。4PSK时的原理方框图如图1．38（a）所示。它可以看成是由两个载波正交的2PSK调制器构成，分别形成图1．38（b）中的虚线矢量，再经加法器合成后，得图1．38（b）中实线矢量图。

图1．38　直接调相法产生4PSK信号方框图

（2）4PSK信号的解调

由于4PSK信号可以看作是两个载波正交的2PSK信号的合成，因此，对4PSK信号的解调可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行。图1．39是4PSK信号相干解调器的组成方框图。图中两个相互正交的相干载波分别检测出两个分量a和b，然后，经并／串变换器还原成二进制双比特串行数字信号，从而实现二进制信息恢复。此法也称为极性比较法。

图1．39　4PSK信号的相干解调

在2PSK信号相干解调过程中会产生“倒π”即“180°相位模糊”现象。同样，对于4PSK信号相干解调也会产生相位模糊问题，并且是0°、90°、180°和270°四个相位模糊。因此，在实际中更常用的是四相相对移相调制，即4DPSK。

1．7．3．5　交错正交相移键控

前面讨论过QPSK信号，它的频带利用率较高，理论值达1（bit／s）／Hz。但当码组为0011或0110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，增加对相邻波道的干扰。为了消除180°的相位跳变，在QPSK基础上提出了交错正交相移键控（OQPSK）调制方式。

OQPSK是在QPSK基础上发展起来的一种恒包络数字调制技术。这里，所谓恒包络技术是指已调波的包络保持为恒定，它与多进制调制是从不同的两个角度来考虑调制技术的。恒包络技术所产生的已调波经过发送带限后，当通过非线性部件时，只产生很小的频谱扩展。这种形式的已调波具有两个主要特点，其一是包络恒定或起伏很小；其二是已调波频谱具有高频快速滚降特性，或者说已调波旁瓣很小，甚至几乎没有旁瓣。采用这种技术已实现了多种调制方式，OQPSK以及本节以下各部分所讨论的数字调制技术都属于恒包络调制技术。

一个已调波的频谱特性与其相位路径有着密切的关系（因为ω＝dθ（t）／dt），因此，为了控制已调波的频率特性，必须控制它的相位特性。恒包络调制技术的发展正是始终围绕着进一步改善已调波的相位路径这一中心进行的。

OQPSK也称为偏移四相相移键控（offset－QPSK），是QPSK的改进型。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，不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此，OQPSK信号相位只能跳变0°、±90°，不会出现180°的相位跳变。

OQPSK信号的产生原理可由图1．40来说明。图中Tb／2的延迟电路是为了保证I、Q两路码元偏移半个码元周期。LPF的作用是形成QPSK信号的频谱形状，保持包络恒定。除此之外，其他均与QPSK作用相同。

图1．40　OQPSK信号产生

OQPSK信号可采用正交相干解调方式解调，其原理如图1．41所示。由图看出，它与QPSK信号的解调原理基本相同，其差别仅在于对Q支路信号采样判决时间比I支路延迟了Tb／2，这是因为在调制时Q支路信号在时间上偏移了Tb／2，所以采样判决时刻也应偏移Tb／2，以保证对两支路交错抽样。

图1．41　OQPSK信号解调

OQPSK克服了QPSK的180°的相位跳变，信号通过LPF后包络起伏小，性能得到了改善，因此受到了广泛重视。但是，当码元转换时，相位变化不连续，存在90°的相位跳变，因而高频滚降慢，频带仍然较宽。

1．7．3．6　八相绝对调制

八相绝对调制（8PSK）是有效地提高频谱利用率的一种方式。

8PSK是利用载波的8种不同相位来表征数字信息。它把输入的二进制信号序列经过串并变换，每次把一个3bit的码组映射为一个符号的相位，通过载波的8种相位来进行传递。输入的二进制串行比特序列进行串并变换形成并行的三信道输出（A为同相信道，B为正交信道，C为控制信道）。在B、A信道中的两个比特进入2／4转换器，在A路就产生两个四电平基带信号；在B信道中的两个比特进入2／4转换器，也产生两个四电平基带信号。两路四电平基带信号分别再对载波进行调制，相加后即得到8PSK信号。如图1．42所示。

图1．42　正交法产生8PSK的方框图

8PSK信号解调的方框图如图1．43所示。解调过程正好是调制的反过程，其原理不再赘述。

图1．43　正交法产生8PSK电路方框图

1．7．3．7　正交幅度调制

随着通信技术的发展，频带利用率一直是人们关注的焦点。由调相原理知道，增加载波调制的相位数可以提高信息传输速率，即增加信道的传输容量。但是，单纯靠增加相数，不仅会使设备复杂化，而且会使误码率随之增加，于是就提出了具有较好性能的正交幅度调制（QAM）方式。正交幅度调制是一种频带利用率很高的数字调制方式，越来越受到人们的重视。正交幅度调制是一种双重数字调制，它用载波的不同幅度及不同相位表示数字信息，如图1．44所示。

图1．44　16PSK和16QAM方式的点群图

QAM调制方法与其不同，它的已调波可由每个正交通道上的调幅信号任意组合，这样已调波的矢量端点也就不被限制在一个圆上，故QAM调制是既调幅又调相的一种方式，如图1．45所示。

图1．45　8QAM调制方框图

8QAM是M＝8的多进制数字调制技术，8QAM调制实现的原理方框图如图1．45所示，它与8PSK实现的方框图1．42的唯一差别是C支路与B支路之间省略了反向器。8QAM的相位矢量及星座图如图1．46所示。

图1．46　8QAM相位图、星座图

QAM频带利用率高于PSK。因此，在频带受限系统中，它是一种很有发展前途的调制方式。