QPSK和OQPSK調制

1、n DPSK調制原理 差分相移鍵控（DPSK）是利用相鄰二個碼元的載波信 號初始相位的相對變化來表示所傳輸?shù)拇a元。 例如，在二進制中傳輸“1”碼時，則與此碼元所對應 的載波信號初始相位相對于前一碼所對應的載波信號初始 相位有 或弧度的變化;，傳輸“0”碼時，與此碼元所對 應的載波信號的初始相位相對于前一碼元所對應的載波信 號初始相位無變化（“1變0不變” ）；當然反過來也是可 以的。 180 初相為0相 初相為相 相位差與初相無關 表：數(shù)字信息序列與已調載波相位關系 表41 數(shù)字碼元 101100101 2PSK000 00 1 0 0 00 2 00000 0 已調載 波每個 碼元的 相位

2、2DPSK 0 000 （1）1001000110 相對碼 （2）0110111001 k b k a o 舉例 若定義為2DPSK方式下本碼元初相與前一碼元初相之差， 并設相“1”、 0相“0”，為了比較，設2PSK方式 下相“0”、 0相“1”，則數(shù)字信息序列與2PSK、 2DPSK信號的碼元相位關系如表所示。 初相為0相 初相為相 的相位絕對碼 k a )0(相初相為 的相位相對碼 k b n DPSK調制原理 2DPSK同樣存在A、B方式矢量圖，圖中虛線表示的參考 矢量代表前一個碼元已調載波的相位。B方式下，每個碼 元的載波相位相對于參考相位可取 ，所以其相鄰碼元 之間必然發(fā)生載波相位

3、的跳變，接收端可以據(jù)此確定每個 碼元的起止時刻（即提供碼元定時信息），而A方式卻可 能存在前后碼元載波相位連續(xù)。 90 0 0 參考矢量 2 2 0 參考矢量 圖 二相移相信號矢量圖 （a）方式A (b)方式B n 2DPSK信號的產(chǎn)生 在2PSK方式中，由于解調過程中會出現(xiàn)“倒”現(xiàn)象， 即相位模糊現(xiàn)象（相干接收PSK信號需要提供穩(wěn)定的本地 載波，它的初始相位是0相或是相，完全是隨機的，因此 很可能使相干載波與接收到的信號載波反相，于是恢復出 與發(fā)送碼元相反的碼序列)。因此，在實際中經(jīng)常采用 2DPSK方式。 用源碼序列 對載波進行相對（差分）相移鍵控，等效 于將源碼序列 轉換為差分碼形式 ，

4、之后對載波進行 絕對相移鍵控。 絕對碼和相對碼之間的關系為 2DPSK信號的功率譜密度和帶寬相同于2PSK信號的功率 譜密度和帶寬 k a k b k a 2PSK(bk) 2DPSK(ak) 2PSK調制 k a 1k b s T k b 1 kkk bab n 2DPSK信號的解調 n 相干解調（同步檢測法或極性比較法） bk 1 1 0 0 1 0 ak 0 0 1 0 1 1 b(t) c(t) d(t) cp(t) e(t) f(t) a -a a(t) 信息代碼（發(fā)ak） 011100 設bk-1=1； 2PSK方式下： 相“0” 0相“1” cp(t) a b cedf ak b

5、k-1 2PSK解調 碼反變換 bk BPF 載波同步 LPF 抽樣判決 位同步 TS 已調2DPSK信號 t c cos n 差分相干解調（相位比較法） a cde b cp(t) BPF Ts LPF 抽樣判決 位同步 已調2DPSK信號 00110 0011 a(t) b(t) c(t) d(t) cp(t) e(t) 信息代碼（發(fā)ak） 設bk-1=1； 則：bk 1 1 0 1 1 相“0” 0相“1” 2PSK方式下: 0 1 0)( s kTd接收端判決規(guī)則為： n 舉例：DPSK調制、解調過程 設源碼序列為 =11010001011101 ，假設無傳輸差錯 k a 0 1 k

6、b k a k b 1k b k a 恢復 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 kkk bab 1 kkk bba n 多進制數(shù)字調制的概念、特點 n 用多進制數(shù)字基帶信號去調制載波的振幅、頻率和相 位，稱為多進制數(shù)字調制。分為多進制數(shù)字振幅調制、 多進制數(shù)字頻率調制以及多進制數(shù)字相位調制三種基本 方式。 n 多進制數(shù)字調制系統(tǒng)的特點 w 在相同的碼元傳輸速率下（此時多元頻帶調制信號占在相同的碼元傳輸速率

7、下（此時多元頻帶調制信號占 用與二元信號相等帶寬用與二元信號相等帶寬 ，多進制數(shù)字調制系統(tǒng)的信息，多進制數(shù)字調制系統(tǒng)的信息 傳輸速率高于二進制數(shù)字調制系統(tǒng)傳輸速率高于二進制數(shù)字調制系統(tǒng), ,因此提高了信道帶因此提高了信道帶 寬利用率。寬利用率。 w 在相同的信息傳輸速率下，多進制數(shù)字調制系統(tǒng)的碼在相同的信息傳輸速率下，多進制數(shù)字調制系統(tǒng)的碼 元傳輸速率低于二進制數(shù)字調制系統(tǒng)元傳輸速率低于二進制數(shù)字調制系統(tǒng) w 多進制數(shù)字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能低于二進制數(shù)字調多進制數(shù)字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能低于二進制數(shù)字調 制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。 n 多進制數(shù)字相位調制的原理 n 多進制數(shù)字相位調制，它是利用載波的多種不

8、同相位 （或相位差）來表征數(shù)字信息的調制方式。 用M種相位 來表k比特碼元的 種狀態(tài)。假設相位數(shù) ， 比特碼 元的持續(xù)時間為 。則M相調制波可以表示為 式中， 為受調相位，可有 種不同取值； 下面主要討論四相絕對相移調制，記為4PSK或QPSK和 四相相對相移調制，記為4DPSK或QDPSK。 k M2 k 2k s T k kcs tnTtgte)cos()()( 0 tkTtgbtkTtga c kk skcsk sin)(cos)( k M,cos kk a kk bsin n 四相絕對相移鍵控QPSK 四進制碼元又稱為雙比特碼元。它的前一信息用a代表， 后一信息比特稱用b代表，雙比特碼

9、元中兩個信息比特ab 提出按照格雷碼（即反射碼）排列的。它與載波相位的 關系如下表示。矢量圖如下。 雙比特碼元 載波相位（ k ） ab A方式 B 方式 000 o 45 o 0190 o 135 o 11180 o 225 o 10270 o 315 o 00 11 參考相位 01 10 參考相位 45 00 01 11 10 n QPSK信號的產(chǎn)生 n 調相法（B方式） w 注：串/并輸入信號碼速率等于 ,輸出信號碼速率等 于 ，a支路和b支路信號的碼元寬度為 ， 為 二進制信號碼元寬度。 串/并 變換 平衡 調制器 平衡 調制器 載波 振蕩 相加移相 2 輸入 同向支路a 正交支路b

10、t c cos t c sin 輸出 (a) (b) b(0) b(1) a(0)a(1) (1,0) (1,1) (0,1) (0,0) b R b R2/1 s T2 s T 1 1 0 1 0 0 1 0 ab cosct-cosct -cosct cosct I(t) -sinct-sinct sinct sinct Q(t) 4PSK移相 45135225 315 表 QPSK 信號相位編碼邏輯關系 a1001 b1100 a 平衡調制器輸出0o180 o 180 o 0o b 平衡調制器輸出270 o 270 o 90 o 90 o 合成相位315o225 o 135 o 45 o

11、 n QPSK信號的產(chǎn)生 n 相位選擇法 w QPSK信號的特點：在信號空間（星座圖）有4個均勻分 布在同圓上（恒包絡）上的信號點（星點），4個不同相 位載波互為正交。即說明：已調信號的幅度相等，依靠 不同相位來區(qū)分各信號 串/并 變換 輸入 邏輯選相電路 四相載波發(fā)生器 帶通 濾波器 輸出 45 135 225 315 n QPSK信號的功率譜特性 串并變換器將輸入的二進制序列依次分為兩個并行的雙 極性序列。a序列和b序列的碼元周期為輸入的二進制序列碼 元周期的2倍，碼元傳輸速率為輸入的二進制序列碼元傳輸速 率的1/2。 設輸入的二進制序列的碼元傳輸速率為 ，則QPSK的第一 個零點以內的頻

12、帶寬度為 。此時的頻帶利用率為1B/Hz。 s f s fB c f2/ sc ff 2/ sc ff f n QPSK信號的解調 n 相干解調 QPSK可以看作兩個正交的2PSK的合成，因此QPSK解調器由 兩個2PSK信號相干解調器構成 平衡 調制器 平衡 調制器 相干 載波 移相 2 t c cos t c sin 輸出 低通 濾波器 低通 濾波器 抽樣 判決 抽樣 判決 定時 定時 并/串 變換 a b 已調QPSK信號 n 四相差分相移鍵控DQPSK n 相對移相調制利用前后碼元之間的相對相位變化來表 示數(shù)字信息。 k D 雙比特碼元 載波相位（） ab A方式 B 方式 000 o

13、 45 o 0190 o 135 o 11180 o 225 o 10270 o 315 o 00 11 參考相位 01 10 參考相位 45 00 01 11 10 n DQPSK信號的產(chǎn)生 n 碼變換加調相法（A方式） 碼變換 平衡 調制器 平衡 調制器 載波 振蕩 相加 移相 4 輸入輸出 串/并 變換 移相 4 絕對碼 相對碼 碼變換器的功能：將絕對碼轉換成相對碼 (設QDPSK的參考相位為0，采用A方式矢量圖) n 舉例：DQPSK信號（差分碼及其相位） 輸入序列 0111001011011000 QPSK90 o 18 0 o 0 o 270 o 18 0 o 90 o 270 o

14、 0 o QDPSK90 o 270 o 270 o 18 0 o 0 o 90 o 0 o 0 o 相對序列 0110101100010000 絕對碼 相對碼 表 QDPSK信號相位編碼邏輯關系 雙比特碼元 載波相位變化 abA方式 000 o 0190 o 11180 o 10270 o )( k D 前一對碼元的相位狀態(tài)： 0 270 90 90 180 0 0 270 n DQPSK信號的產(chǎn)生 n 碼變換加相位選擇法（B方式） DQPSK信號相位選擇法與產(chǎn)生QPSK信號的框圖相同。區(qū)別 之處在于：這里的邏輯選相電路除了完成選擇載波的相位 外，還應實現(xiàn)將絕對碼轉換成相對碼的功能。 串/并

15、 變換 輸入 邏輯選相電路 四相載波發(fā)生器 帶通 濾波器 輸出 45 135 225 315 n DQPSK信號的解調 n 相干解調（極性比較法） 這里碼變換器的功能恰好與發(fā)送端的相反，它需要將判 決器輸出的相對碼恢復成絕對碼。 輸出 平衡 調制器 平衡 調制器 載波 振蕩 移相 4 已調DQPSK信號 移相 4 并/串 變換 碼變換 低通 濾波器 抽樣 判決 碼元 形成 定時 低通 濾波器 抽樣 判決 碼元 形成 定時 QPSK解調碼變換 n 差分相干解調（相位比較法） 相位比較法適用于接收A方式規(guī)定的相位關系的QDPSK信 號。這種解調方法與極性比較法相比，相位比較法解調的原 理就是直接比

16、較前后碼元的相位。 相乘器 相乘器 延遲 TS 移相 4 輸出 移相 4 并/串 變換 低通 濾波器 抽樣 判決 碼元 形成 定時 低通 濾波器 抽樣 判決 碼元 形成 定時 已調DQPSK信號 四相相移鍵控四相相移鍵控QPSKQPSK 2 ) 1(2cos 2 itf T E S c s s QPSK 4 , 3 , 2 , 10iTt s s T 是符號間隙是符號間隙, ,等于兩個比特周期等于兩個比特周期, ,上式可進一步寫上式可進一步寫 成：成： 2 ) 1sin()2sin( 2 ) 1cos()2cos( 2 )( itfitf T E tS cc s s QPSK QPSKQPSK

17、信號可寫成：信號可寫成： QPSKQPSK頻帶利用率比頻帶利用率比BPSKBPSK系統(tǒng)提高了一倍。而載波相位共有系統(tǒng)提高了一倍。而載波相位共有 四個可能的取值，對應于四個已調信號的矢量圖。四個可能的取值，對應于四個已調信號的矢量圖。QPSKQPSK信號信號 也可看成是載波相互正交的兩個也可看成是載波相互正交的兩個BPSKBPSK信號之和。信號之和。 450 450 Q I 圖圖4-5 QPSK4-5 QPSK信號矢量圖信號矢量圖 （a a） /4 /4 系統(tǒng)系統(tǒng) Q I （b b） /2 /2 系統(tǒng)系統(tǒng) 對于對于 /4/4系統(tǒng)系統(tǒng)QPSKQPSK也可用類似的方法實現(xiàn)。只要把兩也可用類似的方法實

18、現(xiàn)。只要把兩 個載波個載波coswctcoswct和和sinwctsinwct分別用分別用coscos（w wc ct+45t+450 0）和）和sinsin （w wc ct+45t+450 0）代替就可以了。）代替就可以了。 QPSKQPSK在加性白噪聲信在加性白噪聲信 道下與道下與BPSKBPSK的的誤碼性誤碼性 能相同。能相同。 )27. 4() 2 ( o b QPSK N E QPe 由于在相同的帶寬情況下，由于在相同的帶寬情況下，QPSKQPSK較較BPSKBPSK發(fā)送發(fā)送 數(shù)據(jù)多一倍。因此，數(shù)據(jù)多一倍。因此，QPSK QPSK 頻譜利用率高一倍頻譜利用率高一倍。 QPSKQPS

19、K信號的功率譜和帶寬為：信號的功率譜和帶寬為： )28.4() )(2 )(2 () )(2 )(2 ( 22 bc bc bc bc bQPSK Tff TffSin Tff TffSin EP 與與BPSKBPSK相似，相似，QPSKQPSK也可以通過差分編碼來進也可以通過差分編碼來進 行非相干解調。行非相干解調。 交錯正交四相相移鍵控（交錯正交四相相移鍵控（OQPSKOQPSK） nQPSKQPSK信號的幅度是恒定的，然而當信號的幅度是恒定的，然而當QPSKQPSK進行進行 波形成時，由于實際信道是帶限的，要經(jīng)過帶波形成時，由于實際信道是帶限的，要經(jīng)過帶 通濾波，所以限帶后的通濾波，所以

20、限帶后的QPSKQPSK將將失去恒包絡的失去恒包絡的 性質性質。并且偶爾發(fā)生的。并且偶爾發(fā)生的180180度的相移，會導致度的相移，會導致 信號的包絡在瞬時間信號的包絡在瞬時間通過零點通過零點，反映在頻譜方，反映在頻譜方 面，會出現(xiàn)邊瓣和頻譜加寬的現(xiàn)象。為了防止面，會出現(xiàn)邊瓣和頻譜加寬的現(xiàn)象。為了防止 旁瓣再生和頻譜擴展，必須使用效率較低的線旁瓣再生和頻譜擴展，必須使用效率較低的線 性放大器放大性放大器放大QPSKQPSK信號。對放大器線性度敏信號。對放大器線性度敏 感。感。 n交錯交錯QPSKQPSK（OQPSKOQPSK）對出現(xiàn)旁瓣和頻譜加寬）對出現(xiàn)旁瓣和頻譜加寬 等有害現(xiàn)象不敏感，可以得

21、到效率高的放大。等有害現(xiàn)象不敏感，可以得到效率高的放大。 QPSKQPSK由于兩個信道上的數(shù)據(jù)沿對齊，所以在碼元轉換點由于兩個信道上的數(shù)據(jù)沿對齊，所以在碼元轉換點 上，當兩個信道上只有一路數(shù)據(jù)改變極性時，上，當兩個信道上只有一路數(shù)據(jù)改變極性時，QPSKQPSK信號信號 的相位，將發(fā)生的相位，將發(fā)生9090突變；當兩個信道上數(shù)據(jù)同時改變極性突變；當兩個信道上數(shù)據(jù)同時改變極性 時，時，QPSKQPSK信號的相位將發(fā)生信號的相位將發(fā)生180180突變。突變。 QPSK的相位關系圖 OQPSKOQPSK信號產(chǎn)生時，是將輸入數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)分路器分成信號產(chǎn)生時，是將輸入數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)分路器分成 奇偶兩路。并使其在

22、時間上相互錯開一個碼元間隔，奇偶兩路。并使其在時間上相互錯開一個碼元間隔， 然后再對兩個正交的載波進行然后再對兩個正交的載波進行BPSKBPSK調制，疊加成為調制，疊加成為 OQPSKOQPSK信號，調制框圖如圖信號，調制框圖如圖4-104-10所示。所示。 OQPSK OQPSK信號調制器信號調制器 OQPSK OQPSK信號解調器信號解調器 I I信道和信道和Q Q信道的兩個數(shù)據(jù)流，每次只有其中一個可能發(fā)生信道的兩個數(shù)據(jù)流，每次只有其中一個可能發(fā)生 極性轉換。輸出的極性轉換。輸出的OQPSKOQPSK信號的信號的相位只有相位只有 跳變跳變，而沒，而沒 有有 的的 相位跳變，同時經(jīng)濾波及限幅

23、后的功率譜旁瓣較小，相位跳變，同時經(jīng)濾波及限幅后的功率譜旁瓣較小， 這是這是OQPSKOQPSK信號在實際信道中的頻譜特性優(yōu)于信號在實際信道中的頻譜特性優(yōu)于QPSKQPSK信號的信號的 主要原因。主要原因。 OQPSKOQPSK，I I，Q Q信道波形及相位路徑圖信道波形及相位路徑圖 2 OQPSK OQPSK相位關系圖相位關系圖 /4-QPSK/4-QPSK特點特點 n /4-QPSK/4-QPSK調制是調制是OQPSKOQPSK和和QPSKQPSK在實際最大相位變化進在實際最大相位變化進 行折衷。行折衷。在在 /4-QPSK/4-QPSK中，最大相位變化限制在中，最大相位變化限制在 135

24、135度，度， 而而QPSKQPSK是是180180度，度，OQPSKOQPSK是是9090度度。因此帶限。因此帶限 /4-/4- QPSKQPSK信號比帶限信號比帶限QPSKQPSK有更好的恒包絡性質，但是對包有更好的恒包絡性質，但是對包 絡變化方面比絡變化方面比OQPSKOQPSK要敏感。要敏感。 n /4-QPSK/4-QPSK可以用相干或非相干方法進行解調可以用相干或非相干方法進行解調。非相干檢。非相干檢 測將大大簡化接收機的設計。在采用差分編碼后，測將大大簡化接收機的設計。在采用差分編碼后， /4-/4- QPSKQPSK可成為可成為 /4-DQPSK/4-DQPSK。 n在多徑擴展

25、和衰落的情況下，在多徑擴展和衰落的情況下， /4-QPSK/4-QPSK比比OQPSKOQPSK的性的性 能更好。能更好。 n通常，通常， /4-QPSK /4-QPSK 采用采用差分編碼差分編碼，以便在恢復載波中存在，以便在恢復載波中存在 的相位模糊時，實現(xiàn)差分檢測或相干解調。的相位模糊時，實現(xiàn)差分檢測或相干解調。 /4-QPSK/4-QPSK信號的性能信號的性能 /4-QPSK/4-QPSK信號具有頻譜特性好，功率效率高，信號具有頻譜特性好，功率效率高， 抗干擾能力強等特點?？垢蓴_能力強等特點。 可以在可以在25KHz25KHz帶寬內傳輸帶寬內傳輸32 Kb/s32 Kb/s數(shù)字信息，從數(shù)

26、字信息，從 而有效地提高頻譜利用率，增大了系統(tǒng)容量。而有效地提高頻譜利用率，增大了系統(tǒng)容量。 對于大功率系統(tǒng)，易進入非線性，從而破壞了對于大功率系統(tǒng)，易進入非線性，從而破壞了 線性調制的特征，因而在數(shù)字移動通信中，特線性調制的特征，因而在數(shù)字移動通信中，特 別是小功率系統(tǒng)中得到了應用。別是小功率系統(tǒng)中得到了應用。 最小移頻鍵控(MSK)(MSK) nMSK MSK 是一種特殊的是一種特殊的CPFSKCPFSK（相位連續(xù)的移頻鍵（相位連續(xù)的移頻鍵 控方式），調制指數(shù)為控方式），調制指數(shù)為0.50.5 h=0.5 h=0.5時，滿足在碼元交替點相位連續(xù)的條時，滿足在碼元交替點相位連續(xù)的條 件件 h

27、=0.5 h=0.5是移頻鍵控為保證良好誤碼性能所是移頻鍵控為保證良好誤碼性能所 允許的最小調制指數(shù)允許的最小調制指數(shù) h=0.5 h=0.5時，波形相關系數(shù)為時，波形相關系數(shù)為0 0，信號是正，信號是正 交的交的 nMSKMSK也是一類特殊形式的也是一類特殊形式的OQPSKOQPSK，用半正弦，用半正弦 脈沖取代脈沖取代OQPSKOQPSK的基帶矩形脈沖的基帶矩形脈沖 圖圖4-21 MSK4-21 MSK信號波形信號波形 MSKMSK信號的產(chǎn)生信號的產(chǎn)生 MSKMSK的調制器的調制器 MSKMSK信號的解調信號的解調 nMSK信號的解調，可以采用相干解調，也可采 用非相干解調，電路形式亦有多

28、種。 n非相干解調不需復雜的載波提取電路，但性能 稍差。相干解調電路，必須產(chǎn)生一個本地相干 載波，其頻率和相位必須與載波頻率和相位保 持嚴格的同步。 n在MSK信號中，載頻分量已被抑制，故不能直 接采用鎖相環(huán)或窄帶濾波器從信號中提取，因 此必須對MSK信號進行某種非線性處理。 MSKMSK信號的特征 n已調制信號幅度是恒定的已調制信號幅度是恒定的 n在一個碼元周期內，信號包含在一個碼元周期內，信號包含1/41/4載波周載波周 期整數(shù)倍期整數(shù)倍 n 碼元轉換時，相位連續(xù)無突變碼元轉換時，相位連續(xù)無突變 n 信號頻偏嚴格等于信號頻偏嚴格等于 1/4 Tb 1/4 Tb，調制指數(shù)，調制指數(shù) 為為0.

29、50.5 n 信號相位在一個碼元周期內變化信號相位在一個碼元周期內變化/2/2 MSKMSK信號的功率譜密度 高斯濾波最小移頻鍵控高斯濾波最小移頻鍵控GMSKGMSK nMSKMSK調制方式已在一些通信系統(tǒng)中得到應調制方式已在一些通信系統(tǒng)中得到應 用。但是，就移動通信系統(tǒng)而言，通常要用。但是，就移動通信系統(tǒng)而言，通常要 在在25kHz25kHz的信道間隔中傳輸?shù)男诺篱g隔中傳輸16kbit/s16kbit/s的數(shù)字的數(shù)字 信號，鄰道輻射功率要求低于信號，鄰道輻射功率要求低于-70-70到到-80dB-80dB， 顯然顯然MSKMSK信號不能滿足。而另一種數(shù)字調信號不能滿足。而另一種數(shù)字調 制方式制方式GMSKGMSK能很好地滿足要求。能很好地滿足要求。 GMSK n要求帶外輻射功率為要求帶外輻射功率為-60-60-80dB-80dB nGMSKGMSK是是GSMGSM的優(yōu)選方案的優(yōu)選方案 1 1 實現(xiàn)簡單，在原實現(xiàn)簡單，在原MSKMSK調制器增加前置濾波器調制器增加前置濾波器 2 2 對前置濾波器的要求對前置濾波器的要求 帶寬窄且為銳截止型帶寬窄且為銳截止型 有較低的過脈沖響應有較低的過脈沖響應 保持輸出脈沖的面積不變保持輸出脈沖的面積不變 3 3 目的：抑制高頻分量，防止過量的瞬時頻率偏移、以目的：抑制高頻分量，防止過量的瞬時