QPSK、0QPSK、兀／4．QPSK和兀/4-DQPSK调制

3．6_2 QPSK、0QPSK、兀／4．QPSK和兀/4-DQPSK调制

1 正交移相键控(Quadrature PSK，QPSK)调制

正交移相键控(QPSK)，也称四相移相键控(4PSK)，它具有4种相位状态，各对应于四进制的4组数据，即00，01，10，ll，如图3_28所示。

    从图3．28(a)可见，QPSK实际上是两个互相正交的BPSK之和。输入数据经串／并电路之后分为两个支路，一路为奇数码元，一路为偶数码元。这时每个支路的码元宽度为原码元宽度T的两倍。每个支路再按BPSK的方法进行调制。然而由于两个支路的载波相位不同，互为正交，即相差90。，其中一个称为同相支路，即l支路；另一称为正交支路，即Q支路。这两个支路分别调制，再将调制后的信号合并相加，就得到QPSK或4PSK。QPSK的四相各相差90。，但它们仍然是不连续的相位调制，它的频谱形状和二相调制的一样，仍是(sinx／x)2的形式，只是4相调制中经串／并变换后，每一符号宽度已变为2Tb，频谱的第一零点在flfb=0．5处，而不是像二相在f/f=I处(fb=1／T为信码传输的比特速率)，因而在f码速相同的条件下，四相的频谱占用宽度只是_二相的u+半，频谱效率提高一倍，即l b／s／Hz。但同样存在相位模糊问题。实际上大都采用差分编码，即I，Q支路分别采用DPSK方法编码，再合成输出就是DQPSK。

    2．交错正交(或四相)移相键控(Offset Quadrature PSK，0QPSK)调制

    交错正交移相键控(OQPSK)调制是I、Q两支路在时间上错开一个码元的时间T进行调制，这样可避免在QPSK两支路中码元转换总是同时的，使载波可能会产生±Ⅱ的相位跳变。在OQPSK中，两支路码元不可能同时转换，因而它最多只能有_+9／2相位的跳变。相位跳变小，频谱特性比QPSK好，即旁瓣的幅度要比QPSK小一些，其他特性均与QPSK差不多。图3．29是QPSK和OQPSK的星座图和相位转移图，从中可以看出OQPSK只能产生±州2相位跳变，而QPSK有可能产牛±Ⅱ的相位跳变。

    3．n／4四相移相键控(Ⅱ／4．QPSK)调制

    州QPSK调制是在移动通信上获得较多应用的一种调制。是相位只有+rff4，±3州的四相调制。在相位上虽然只是QPSK的旋转"／_[／4，但它并不是简单地把QPSK的载波相位移相矾，因为旋转Ⅱ，4仍是QPSK，这可以从图3．28中QPSK的相位看到。它们的主要不同在于相移路径不同，在QPSK中，相位跳变+re，故频谱特性差。而兀，4-QPSK的相移路径即使要从+N4变到37r．／4，其路径也不是按7c直接跳交的，而是经过两段的变化，这样就缓和了相位的跳变，因而频谱特性就好得多。这一点和OQPSK相似(按+Ⅱ／2跳变)。同时在解调时不像OOPsK只能用相干解调，还可以用非相干解调和鉴频器解调，也可用非线性放大，得到高效率的功放。因此在卫星通信及陆上移动通信的系统巾应用较多。7t／4一QPSK虽然在20世纪60年代初就已经提出，但它的应用却在80年代末。7t／4一QPSK调制的相位和相移路径表示在图3．30中。

    首先二进制的数据经串／并变换为两个并行的数据流，此并行数据流通常各自经过差分编码器以构成差分n．QPSK，或叫做n一DQPSK。并行的两个信号流St及sQ通过信号形成电路，输出Uk与v在信号的每一比特周期中，除和Sl和s有关外，还和前一比特状态 nl，bl有关，即：

    这就是最后n，4所应达到的相位。从图3．30(b)可以看出，图中有8个相位，4个标有“x”符号的相位是调制应到达的相位。调制过程中相移的路径要先经过图中4个标记为“O”的相位之一。但是经过哪一个，还要看酉一符号的位置和要达到的相位，就是要使它的相位变化路径最小。例如信号从“l0”变至“ll”，则相移路径从“l0”先到A点旋转45。，再到“11”点，(又旋转45。)。如信号从“l0”变到“01”，则相移路径先由“l0”转到8点，(变化l35。)，再从B点旋转45。到“Ol”点。总之，在调制时相移路径避免了 QPSK中180。的不连续相位变化。因此它的频谱特性较QPSK有改善，经过实测，在距载波20kHz处的辐射比QPSK低10dB左右。经过低通滤波器滤波之后，性能还会更好些。

    4．7t／4差分四相移相键控(n／4一DQPSK)调制

    7r．／4．DQPSK是对QPSK信号特性改进后的一种调制方式。主要是将QPSK的最大相位跳变±n，降为±37t／4，这样就改善了n／4一DQPSK的频谱特性。同样还改进了解调方式， QPSK只能用相干解调，而n／4-DQPSK既可以用相干解调也可以用非相干解调。目前N／4一 DQPSK已应用于较多的系统中，如美国的DAMPS(IS t36)数字蜂窝通信系统、美国的个人接入通信系统(PACS)、日本的(个人)数字蜂窝系统(PDC)等，TETRA数字集群通信系统的数字调制也采用了这种方式。

    图3．32是n／4一DQPSK调制器原理框图，输入数据经串／并变换后得到同相信道I和正交信道Q的两种非归零脉冲序列s和s0。通过差分相位编码，使得在KT≤f<(K+1)T时间内 I信道的信号U和Q信道的信号K发生相应的变化，再分别进行正交调制之后的合成信号成为71：／4．DQPSK信号。(T是S和S0的码宽，T=2Tb。)

    由于re／4一DQPSK是一种线性调制，所以它具有较高的频谱利用率，但其包络不恒定。若在发射中采用非线性功率放大器，就会使已调信号的频谱展宽，从而降低了频谱利用率，而且不能满足邻道干扰功率电平比本信道的功率电平低60～70 dB的要求。若采用线性功率放大器，其功率效率较差。为改善功率放大器的动态范围，一些实用的rd4-DQPSK发射机已经研制出来，可供使用。如采用笛卡尔坐标负反馈控制和AB类功率放大器等，已使带外辐射降低到一60 dB。因此，只要合理地设计发射机结构，就可以使n／4，DQPSK发射信号的功率谱满足移动通信系统的要求。

    首先，n／4-DQPSK是在QPSK和OQPSK基础上发展起来的一种调制方式。它综合了这两种调制方式的优点，降低了QPSK的包络波动，并可以进行有效的非相干解调(差分检测和限幅鉴频)。n／4一DQPSK是线性调制，与恒定包络的数宁调制GMSK及TFM相比，具有更高的频谱效率，实现起来比较简单。n／4一DQPSK中的载波相移限制为±n／4和±3rc／4，信号星座的转换不经过原点，相位没有瞬间的±丁c变化(如在QPSK中有)，因此其包络波动人大降低，具有更好的输出频谱特性。其次，在快衰落信道中，差分检测或鉴频器检测差错比特速率比相干检测低，相干系统在静态加性高斯白噪声(AWGN)环境下的性能较好。理论上功率效率存Rayleigh和Rician衰落移动系统中较高。但其性能在受到多径衰落、多普勒频移和其他形式的相位噪声干扰时会急剧下降。这些效应在设计相对窄带的数字无线移动通信系统时受到越来越多的重视。第三，rd4-DQPSK差分检测避免了载波恢复的要求，获得了快速同步。对需要快速同步的窄带TDMA信道和突发工作模式的TDMA系统差分检测都非常合适。第四，用鉴频器检测可以容易实现双模接收机。由于鉴频器既可以用于模拟FM也可用于数字n／4．DQPSK的解调，所以可从模拟系统平滑地过渡到数字系统。