现代移动通信中调制技术的研究.docx

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现代移动通信中调制技术的研究

毕业设计说明书（论文）

设计（论文）题目:

现代移动通信中调制技术的研究

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二〇一三年五月九日

gnhfhr职业技术学院毕业设计（论文）任务书

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现代移动通信中调制技术的研究

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设计（论文）内容；

对现代移动通信中调制技术进行分析研究，要求如下：

1、介绍几种基本数字调制系统原理；2、介绍广泛应用在现代移动通信中新型数字调制系统原理；3、分析各种调制技术在现代移动通信中性能；4、撰写详细的毕业论文，观点明确，论据充足，层次清楚，不少于五千字。

进度安排：

2013.2.1－2013.2.8，接受任务、消化任务；

2013.2.9－2013.2.18，查阅、手机资料，酝酿方案；

2013.2.19－2013.2.28，整理资料；

2013.3.1－2013.3.8，中期检查；

2013.3.9－2013.4.19整理思路，撰写论文；

2013.4.20－2013.4.30，检查修改完善论文；

2013.5.1－2013.5.9，准备答辩；

2013.5.9答辩

主要参考文献、资料（写清楚参考文献名称、作者、出版单位）：

[1]孙震强．电信与电信系统．人民邮电出版社，2001

[2]林晓焕．现代通信技术．西安交通大学出版社，2004

[3]易波．现代通信导论．北京国防科技大学出版社，1997

[4]秦瑞新．现代通信概论．北京国防工业出版社，2005

[5]张绍诚．计算机通信网络．北京理工大学出版社，2001

[6]张文冬．通信基础知识．高等教育出版社，2005

[7]杨亚玲．移动通信技术．北京电子科技大学出版，2002

审

批

意

见

教研室负责人：

年月日

目　录

摘　要

调制技术是任何频带通信中最重要的一项技术。

现代移动通信系统都使用数字调制技术，数字调制技术的改进也是通信系统性能提高的重要途径。

本文首先研究了几种基本的数字调制方式和广泛应用在现代移动通信中的新型数字调制技术。

把基带信号变换成传输信号的技术。

基带信号是原始的电信号，一般是指基本的信号波形，在数字通信中则指相应的电脉冲。

在无线遥测遥控系统和无线电技术中调制就是用基带信号控制高频载波的参数（振幅、频率和相位），使这些参数随基带信号变化。

用来控制高频载波参数的基带信号称为调制信号。

未调制的高频电振荡称为载波（可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、脉冲序列等）。

调制方式按照调制信号的性质分为模拟调制和数字调制两类；按照载波的形式分为连续波调制和脉冲调制两类。

模拟调制有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。

数字调制有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）、移相键控（PSK）和差分移相键控（DPSK）等。

关键词　移动通信；数字调制；模拟调制

第1章　绪　论

移动通信是当今世界上技术进步最迅速，最活跃的领域之一，移动网与通信系统的发展日新月异。

人类的社会生活离不开信息的交流——通信。

移动通信作为国民经济和社会发展的基础设施，是国家神经系统，同衣食住行一样是现代人类生存的必要条件，是国经济的命脉，同时也是衡量一个家安全系数大小的重要标志，现在其重要性已得到公认，美国作家奈斯比特在《大趋势》中指出，推动美国前进的两大发明是火车，电报电话。

而现在地球变成地球村的梦想正由交通和通信来实现。

克服距离，时间上的障碍，有效而可靠地传递信息是通信的基本任务。

狭义通信一般指信息传送和交换。

如谈话，书信等；而广义的通信包括交通运输等。

通信，电信是利用有线电，无线电光学或其他电磁系统对于符号，信号文学，影像声音及任何性质的信息的传输，发射，接收。

通信系统指完成这一任务的软硬件总称。

第2章　调制的基本信息

2.1调制的基本概念

调制就是对信号源的编码信息进行处理，把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号的过程。

通常的调制过程是指把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率较高的带通信号。

这个带通信号叫做已调信号，而基带信号则叫做被调信号或者调制信号。

调制可以通过使高频载波随信号的变化而改变载波的幅度、相位或者频率来实现。

调制过程用于通信系统的发送端，在接收端需要将已调信号还原成传输的原始调制信号，该过程称为解调。

解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者处理和理解的过程。

二进制调制是最简单的调制方式，+1、-1分别用特定的波形表示。

2.2调制方式应该遵循的原则

（1）调制方案频谱效率尽可能高。

（2）相邻信道的干扰尽可能小。

（3）要求信号频谱带外滚降要快，滤波。

（4）对噪声敏感度要低。

（5）对时延和多普勒扩展的鲁棒性要尽可能大。

（6）波形易于硬件实现。

第3章　模拟调制技术

按照调制器输入信号（即调制信号）的形式，调制可分为模拟调制和数字调制。

模拟调制泛指用连续方式对信号进行调制，一般可以分为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种方式。

调幅方式表示的就是系统中高频载波的幅度大小随调制信号幅度的改变而改变。

调幅信号的调制指数定义为信号峰值与载波峰值之比。

在模拟调制中，若幅值为常数，而相位与基带信号成比例，则得到所谓的角度调制。

角度调制的正弦载波信号的角度随基带调制信号的幅度变化而改变，而载波的幅度保持恒定不变。

角度调制中最重要的两类就是调频和调相。

调频（FM）调制中，载波信号的瞬时频率随基带信号呈线性变化。

调频调制的重要特点是具有恒包络特性。

调相（PM）调制中，载波信号的角度随基带信号变化而改变，FM信号可以被看为调制信号在调制前先积分的PM信号。

调相与调频之间的主要区别是指被调制波形（相对于载波）的相位在调相中与输入信号成正比，而在调频中与输入的积分成正比。

第4章　线性数字调制技术

与模拟调制相比，数字调制具有许多优点：

抗噪声性能更好，抗信道能力损耗更强，复用各种不同形式的信息（如语音、数据和视频图像等）更容易，通信的安全性也更好。

数字传输系统适应于检查或纠正传输差错的数字差错控制编码，并且支持复杂的信号条件和处理技术，例如，信源编码、加密技术，以及用来提高整个通信链路性能的均衡技术。

在数字无线通信系统中，调制信号（如信息）可表示为码元或脉冲的时间序列，其中每个码元可以有m种有限的状态。

每个码元代表n比特的信息，n=log2m比特/码元。

理想的调制方式能够使通信在低信噪比情况下提供低的误码率，在多径和衰落条件下能很好地工作，并且容易实现。

数字调制技术可以分为线性和非线性线性调制技术中，传输信号的幅度s（t）随调制数字信号m（t）的变化而呈线性变化。

载波幅度随调制信号呈线性变化。

线性调制方案一般来说都不是恒包络。

有些非线性调制的载波，既可能是线性包络也可能是恒包络，这取决于基带波形是否经过脉冲成型处理。

调制信号为二进制数字信号时的调制方式统称二进制数字调制。

二进制数字调制中，载波的某个参数（如幅度、频率或相位）只有两种变化状态。

由于两种状态的切换与通断键控相当，所以二进制调制分为幅度键控、频移键控和相移键控三种。

4.1　几种基本数字调制系统

4.1.1　二进制幅度键控（2ASK）

振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。

载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。

那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。

2ASK信号功率谱密度的特点如下：

由连续谱和离散谱两部分构成；连续谱由传号的波形g（t）经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；

已调信号的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。

4.1.2　二进制频移键控（2FSK）

频移键控是利用两个不同频率f1和f2的振荡源来代表信号1和0，用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。

在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。

对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B=2xF+2Fb,xF是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以二进制频移键控的信号带宽B较大，频带利用率小。

2FSK功率谱密度的特点如下：

2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分构成,离散谱出现在和位置；

功率谱密度中的连续谱部分一般出现双峰。

若两个载频之差，则出现单峰。

4.1.3　二进制相移键控（2PSK）

在相移键控中，载波相位受数字基带信号的控制，如在二进制基带信号中为0时，载波相位为0或π，为1时载波相位为π或0，从而达到调制的目的。

2PSK信号的功率密度有如下特点：

（1）由连续谱与离散谱两部分组成；

（2）带宽是绝对脉冲序列的二倍；

（3）与2ASK功率谱的区别是当P＝1/2时，2PSK无离散谱，而2ASK存在离散谱。

4.1.4　二进制差分相移键控（2DPSK）

前面讨论的2PSK信号中，相位是以未调载波的相位作为参考基准的。

由于它利用载波相位的绝对数值表示数字信息，所以又称为绝对相移。

2PSK在进行相干解调时，由于载波恢复中相位有0、模糊性，导致解调过程中出现“反向工作”现象，恢复出的数字信号“1”和“0”倒置，从而使2PSK难以实际应用。

为了克服此缺点，提出了二进制差分数字相移键控（2DPSK）方式。

4.2　多进制数字调制

上面所讨论的都是在二进制数字基带信号的情况，在实际应用中，我们常常用一种称为多进制（如4进制，8进制，16进制等）的基带信号。

多进制数字调制载波参数有M种不同的取值，多进制数字调制比二进制数字调制有两个突出的优点：

一是由于多进制数字信号含有更多的信息使频带利用率更高；二是在相同的信息速率下持续时间长，可以提高码元的能量，从而减小由于信道特性引起的码间干扰。

现实中用得最多的一种调制方式是多进制相移键控（MPSK）。

多进制相移键控又称为多相制，因为基带信号有M种不同的状态，所以它的载波相位有M种不同的取值，这些取值一般为等间隔。

多进制相移键控有绝对移相和相对移相两种，实际中大多采用四相绝对移相键控（4PSK，也称QPSK），四相制的相位有0、π/2、π、3π/2四种，分别对应四种状态11、01、00、10。

4.3　二进制数字调制方式的性能比较

2ASK和2PAK所需要的带宽是码元速率的2倍；2FSK所需的带宽比2ASK和2PAK都要高。

各种二进制数字调制系统的误码率取决于解调器输入信噪比r。

在抗加性高斯白噪声方面，相干2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最差。

ASK是一种应用最早的基本调制方式。

其优点是设备简单，频带利用率较高；缺点是抗噪声性能差，并且对信道特性变化敏感，不易是抽样判决器工作在最佳判决门限状态。

FSK是数字通信中不可或缺的一种调制方式。

其优点是抗干扰能力较强，不受信道参数变化的影响，因此FSK特别适合应用于衰落信道；缺点是占用频带较宽，尤其是MFSK，频带利用率较低。

目前，调频体制主要应用于中，低速数据传输中。

PSK和DPSK是一种高传输效率的调制方式，其抗噪声能力比ASK和FSK都强，且不易受信道特性变化的影响，因此在高、中速数据传输中得到了广泛的应用。

绝对相移（PSK）在相干解调时存在载波相位模糊度的问题，在实际中很少采用于直接传输，MDPSK应用更为广泛。

和ASK、FSK、PSK、和DPSK对应，分别有MASK、MFSK、MPSK和MDPSK。

这些多进制数字键控的一个码元中包括更多的信息量。

但是，为了得到相同的误比特率，它们需要使用更大的功率或占用更宽的频带。

第5章　广泛应用在现代移动通信中新型数字调制系统原理

5.1　最小频移键控（MSK）

5.1.1　MSK信号的产生

MSK是一种在无线移动通信中很有吸引力的数字调制方式，是由2FSK信号的改进而来，因为它有以下两种主要的特点:

（1）信号能量的99.5%被限制在数据传输速率的1.5倍的带宽内。

谱密度随频率（远离信号带宽中心）倒数的四次幂而下降，而通常的离散相位FSK信号的谱密度却随频率倒数的平方下降。

因此，MSK信号在带外产生的干扰非常小。

这正是限带工作情况下所希望有的宝贵特点。

（2）信号包络是恒定的，系统可以使用廉价高效的非线性器件。

从相位路径的角度来看，MSK属于线性连续相位路径数字调制，是连续相位频移键控（CPFSK）的一种特殊情况，有时也叫做最小频移键控（MSK）。

MSK的“最小（Minimum）”二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数（h=0.5）获得正交的调制信号。

5.1.2　MSK信号的解调

实际解调器往往需要解决载波恢复时的相位模糊问题，因此在编码器中，采用差分编码的预编码是必要的，同时在接收端必须在正交相干解调器输出段也要附加一个差分译码器。

需要一个专门的同步电路来提取，如用平方环、判决反馈环、逆调制环等。

5.2　高斯滤波最小频移键控（GMSK）

GMSK作为一种高效的调制技术，是从OQPSK，MSK调制的基础上发展起来的一种数字调制方式，GMSK的很多方面都优于OQPSK和MSK，比如频带更窄，实现起来更简单，抗干扰能力更强。

其特点是在数据流送交频率调制器前先通过一个Gauss滤波器（预调制滤波器）进行预调制滤波，以减小两个不同频率的载波切换时的跳变能量，使得在相同的数据传输速率时频道间距可以变得更紧密，因此GMSK信号比MSK信号具有更窄的带宽。

由于数字信号在调制前进行了Gauss预调制滤波，调制信号在交越零点不但相位连续，而且平滑过滤。

GMSK调制的信号频谱紧凑、误码特性好，在数字移动通信中得到了广泛使用。

GMSK信号是在MSK调制信号的基础上发展起来的，MSK信号可以看成是调制指数为0.5的连续相位FSK信号。

尽管MSK它具有包络恒定、相位连续、相对较窄的带宽和能相干解调的优点，但它不能满足某些通信系统对带外辐射的严格要求。

为了压缩MSK信号的功率谱，在MSK调制前增加一级预调制滤波器，从而有效的抑制了信号的带外辐射。

预调制滤波器应具有的特性：

（1）带宽窄而带外截止尖锐，以抑制不需要的高频分量；

（2）脉冲响应的过冲量较小，防止调制器产生不必要的瞬时频偏；

（3）输出脉冲响应曲线的面积应对应于1/2的相移量，使调制指数为1/2。

因此，GMSK采用满足以上条件的高斯滤波器作为脉冲形成的滤波器。

数据通过高斯滤波器，然后进行MSK调制，滤波器的带宽由时间带宽常数BT决定。

在没有载波漂移以及邻道的带外辐射功率相对与总功率小于－60dB的情况下，选择BT＝0.28比较适合于常规的（IEEE定义频段为300～1000MHz）移动无线通信系统。

预制滤波器的引入使得信号的频谱更为紧凑，但是它同时在时域上展宽了信号脉冲，引入了码间干扰（ISI），具体的说，预调制滤波器使得脉冲展宽，使得波形在时域上大于码元时间T。

因此，有时候将GMSK信号归入部分响应信号。

5.2.1　GMSK信号的产生

图5-1　GMSK信号产生原理

高斯滤波器的输出脉冲经MSK调制得到GMSK信号，其相位路径由脉冲的形状决定。

由于高斯滤波后的脉冲无陡峭沿，也无拐点，因此，相位路径得到进一步平滑。

5.2.2　GMSK解调原理

GMSK信号的解调可以分为两类，即相干解调与非相干解调。

两者的差别在于需不需要恢复载波相位，需要恢复载波相位的方法属于相干解调，这是由于收发两端的载波完全一致，有相干的效果而得名。

在移动或是室内的无线应用中，由多径引起的衰落会使相干解调的性能严重下降，出现较高的误码门限。

在这种条件下，非相干的方法更为适合，一方面，非相干的方法通常具有更简单的硬件结构，另一方面，非相干的方法也具有更低的误码门限。

使用相干解调技术，接收机需要知道参考相位，或者进行精确的载波恢复。

这也要求接收机拥有本振、锁相环路、以及载波恢复电路等部分，这些都使得接收机的复杂程度和成本增加。

GMSK信号可以类似的采用MSK正交平衡调制方案，因此可以并行的实现对它的解调。

通过分别对同相部分和正交部分进行相干解调来达到性能的优化，由接收机前端来的分别与相干载波相乘，经低通滤波后得到基带信号，然后作相位计算。

调制器表示如图5-2所示。

图5-2　GMSK相干解调框图

5.3　四相相移键控（QPSK）

四相相移键控信号简称“QPSK”，意为正交相移键控，是一种数字调制方式。

它分为绝对相移和相对相移两种。

由于绝对相移方式存在相位模糊问题，所以在实际中主要采用相对移相方式QDPSK。

它具有一系列独特的优点，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方。

5.3.1　QPSK的基本原理

QPSK信号可以看成是对两个正交的载波进行多电平双边带调制后所得信号的叠加，因此可以用正交调制的方法得到QPSK信号。

QPSK信号的星座如图5-3所示：

图5-3　QPSK信号星座图

MPSK调制中最常用的是4PSK又称QPSK。

数字相位调制（PSK）是角度调制、恒定幅度数字调制的一种方式，通过改变发送波的相位来实现，除了其输入信号以及输出的相位受限制以外，PSK与传统的相位调制相似。

5.3.2　QPSK的调制原理

四相相位键控（QPSK）也称之为正交PSK，其调制及解调原理如图5-4所示。

从图（5-4）中可以看出：

如果输入的二进制信息码流（假设+1V为逻辑1，-1V为逻辑0）串行进入比特分离器，产生2个码流以并行方式输出，分别被送入I（正交支路）通道及Q（同相支路）通道，又各自经过一个平衡调制器，与一个和参考振荡器同频的正交的载波调制形成了四相相移键控信号即得到平衡调制器的输出信号后，经过一个带通滤波器，然后再进行信号叠加，可以得到已经调制的QPSK信号。

图5-4　QPSK调制原理

MPSK也可以采用其他方法实现调制。

如QPSK的相位选择法调制器。

另一种调制方法是脉冲插入法。

5.3.3　QPSK解调原理

QPSK的4种（I，Q组合为[00]，[01]，[10]和[11]）输出相位有相等的幅度，而且2个相邻的相位相差值为90度，信号相位移可以偏移45度和-45度，接收端仍可以得到正确的解码。

实际中数字输入电压必须比峰值载波电压高出很多，以确保平衡调制器的正常工作。

经过调制的信号通过信道传输到达用户端，需要进行解调，这一过程是与调制相类似的逆过程。

首先，QPSK信号经过功率分离器形成两路相同的信号，进入乘积检波器，用两个正交的载波信号实现相干解调，然后各自通过一个低通滤波器得到低频和直流的成分，再经过一个并行-串行变换器，得到解调信号。

5.4　交错正交相移键控（OQPSK）

5.4.1　OQPSK基本原理

交错正交相移键控（OQPSK）是继QPSK之后发展起来的一种恒包络数字调制技术，是OQPSK的一种改进形式，也称为偏移四相相移键控（offset-QPSK）。

它和QPSK有眷同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。

随着数字通信技术的发展和广泛应用，人们对系统的带宽、频谱利用率和抗干扰性能要求越来高。

而与普通的OQPSK比较，交错正交相移键控的同相与正交两支路的数据流在时问上相互错开了半个码元周期，而不像OQPSK那样I、Q两个数据流在时间上是一致的（即码元的沿是对齐的）。

由于OQPSK信号中的I（同相）和Q（正交）两个数据流，每次只有其中一个可能发生极性转换，所以，每当一个新的输入比特进入调制器的I或Q信道时，其输出的OQPSK信号中只有0°、±90°三个相位跳变值，而根本不可能出现180°相位跳变。

所以频带受限的OQPSK信号包络起伏比频带受限的QPSK信号要小，而经限幅放大后的频带展宽也少，因此，OQPSK性能优于QPSK。

实际上，OQPSK信号也叫做时延的QPSK信号。

一般情况下QPSK信号两路正交的信号是码元同步的，而OQPSK信号与QPSK信号的区别在于其正交的信号错开了半个码元。

对于恒包络调制技术，由于一个已调制的信号频谱特性与其相位路径有着密切的关系。

因此，为了控制已调制的信号频率特性，就必须控制它的相位特性。

恒包络调制技术的发展正是围绕着进一步改善已调制的相位路径这一中心进行的。

5.4.2　OQPSK的调制原理

图5-5　OQPSK信号产生原理图

OQPSK信号的产生原理可用图5-5来说明。

在图5-5中，Tb/2的延迟电路用于保证I、Q两路码元能偏移半个码元周期。

BPF的作用则是形成QPSK信号的频谱形状，并保持包络恒定。

5.4.3　OQPSK的解调原理

OQPSK信号可采用正交相干解调方式解调，其解调原理如图5-6所示。

由图5-6可以看出，OQPSK与QPSK信号的解调原理基本相同，其差别仅在于对Q支路信号抽样判决时间比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，所以抽样判决时刻也相应偏移Tb/2，以保证对两支路的交错抽样。

图5-6　OQPSK解调原理图

5.5　正交频分复用（OFDM）

5.5.1　OFDM概述

正交频分复用，多载波调制的一种。

将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。

正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。

每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。

而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

在向3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。

随着要求传输的码元速率不断提高，传输带宽也越来越宽。

今日多媒体通信的信息传输速率要求已经达到若干Mb/s，并且移动通信的传输信道可能是在大城市中多径衰落严重的无线信道。

为了解决这个问题，并行调制的体制再次受到重视。

正交频分复用（OFDM）就是在这种形势下得到发展的。

OFDM也是一类多载波并行调制的体制。

它和20世纪50年代类似系统的区别主要有：

（1）为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调信号频谱有部分重叠；

（2）各路已调信号是严格正交的，以便接收端能完全地分离各路信号；

（3）每路子载波的调制是多进制调制；

（4）每路子载波的调制制度可以不同，根据各个子载波处信道特性的优劣不同采用不同的体制。

OFDM的缺点主要有两个：

对信道产生的频率偏移和相位噪声很敏感；

信号峰值功率和平均功率的比值较大，这将会降低射频功率放大器的效率。

5.5.2　OFDM的基本原理

OFDM信号采用多进制、多载频、并行传输的主要优点是使传输码元的的持续时间大为增长，从而提高了信号的抗多径传输能力。

为了进一步克服码间串扰的影响，一般利用计算IDFT时添加一个循环前缀的方法，在OFDM的相邻码元之间增加一个保护间隔，使相邻码元分离。

5.6　正交幅度调制（QAM）

我们在单独使用振幅或相位携带信息时，不能充分地利用信号平面。

采用多进制振幅调制时，矢量端点在一条轴上分布，采用多进制相位调制时，矢量端点在一个圆上分布。

随着进制数M的增大，这些矢量断点之间的最小距离也随之减小。

为了充分地利用整个平面。

将矢量端点重新合理地分布，在不减小最小距离的情况下，增加信号矢量的端点数目。

我们可以采用振幅与相位相结合的调制方式，这种方式常称为数字复合调制方式。

一般的复合调制称为幅相键控（APK）。

两个正交载波