第11章数字调制与解调

1、1第第11章章 数字调制与解调数字调制与解调主要内容：主要内容： 11.1 概述概述 11.2 振幅键控振幅键控 11.3 移频键控移频键控 11.4 移相键控移相键控 11.5 正交调幅与解调正交调幅与解调 11.6 其他形式的数字调制其他形式的数字调制2 1.理解数字通信的基本概念及其优点；理解数字通信的基本概念及其优点； 2.理解振幅键控、移频键控与移相键控的调制与解调的基理解振幅键控、移频键控与移相键控的调制与解调的基本方法；本方法； 3.了解正交调制与解调。了解正交调制与解调。本章重点：本章重点：1.移频键控与解调；移频键控与解调；2.移相键控与解调。移相键控与解调。本章难点：移相键

2、控与解调。本章难点：移相键控与解调。主要掌握和了解的内容：主要掌握和了解的内容：311.1 概述概述 出了前面两章介绍出了前面两章介绍和讨论的模拟信号调和讨论的模拟信号调制外，还有一类数字制外，还有一类数字调制。调制方式有三调制。调制方式有三类：类： 1.振幅键控振幅键控ASK 2.移频键控移频键控FSK 3.移相键控移相键控PSK图图11.1.1 二进制调制波形图二进制调制波形图调制信号调制信号振幅键控振幅键控ASK移频键控移频键控FSK移相键控移相键控PSK差分移相差分移相键控键控PSK1100(a)(b)(c)(d)(e)4 数字通信系统常用到两个指标是：码元传输速率与信息数字通信系统常

3、用到两个指标是：码元传输速率与信息传输速率。传输速率。 1.码元传输速率码元传输速率RB 码元传输速率又称传码率或波特率，是指单位时间内通码元传输速率又称传码率或波特率，是指单位时间内通信系统所传输的码元数目，记作信系统所传输的码元数目，记作RB，单位为波特。，单位为波特。 2.信息传输速率信息传输速率Rb 信息传输速率信息传输速率Rb又称传信率，是单位时间内通信系统所又称传信率，是单位时间内通信系统所传送的信息量，单位为比特每秒（传送的信息量，单位为比特每秒（bit/s,或或b/s）。）。 他们之间关系：他们之间关系：RB=Rblog2M5图图11.1.2 取样判决过程中各点的波形取样判决过

4、程中各点的波形0t(b)解调后信号解调后信号0t(c)时钟信号时钟信号0t( d)取样后信号取样后信号0t( e)判决后信号判决后信号0t(f)重现波形重现波形10TS2TS4TSt(a)原数字信号原数字信号011 与模拟调制系统对比，数与模拟调制系统对比，数字调制的突出优点之一，是字调制的突出优点之一，是抗干扰能力强。抗干扰能力强。 易于保密；随着电子技术易于保密；随着电子技术的日益成熟，数字电子设备的日益成熟，数字电子设备越来越容易制造，成本低、越来越容易制造，成本低、体积小、可靠性高。体积小、可靠性高。 缺点：占据信道宽；必须缺点：占据信道宽；必须具备同步系统，因而系统复具备同步系统，因

5、而系统复杂。杂。611.2 振幅键控振幅键控 设未调制的载波电压为：设未调制的载波电压为：tVtvoomo sin)( 数字脉冲序列为：数字脉冲序列为： )()(snnTtgatSASK已调波为：已调波为：tVnTtgatvtStvomsnoASK sin)()()()(0 图图11.1.1 二进制调制波形图二进制调制波形图调制信号调制信号振幅键控振幅键控ASK1100(a)(b)7图图11.3.1 产生产生FSK信号的独立振荡器方法信号的独立振荡器方法振荡器振荡器f1振荡器振荡器f2二进制二进制电码电码FSK信号输出信号输出vFSK(t）压控开关压控开关11.3 移频键控移频键控 移频键控信

6、号产生的方法通常有两种：独立振荡器和调频移频键控信号产生的方法通常有两种：独立振荡器和调频法。法。 独立振荡器法原理框图见图独立振荡器法原理框图见图11.3.1。图图11.1.1 二进制调制波形图二进制调制波形图移频键控移频键控FSK1100(c)8 调频法是直接用数字信号对载波振荡进行调制的，它与第调频法是直接用数字信号对载波振荡进行调制的，它与第10章所讨论的调频方法基本相同。章所讨论的调频方法基本相同。 二元移频键控信号可以采用相干解调，也可采用非相干解二元移频键控信号可以采用相干解调，也可采用非相干解调。图调。图11.3.2是想干解调方框图。是想干解调方框图。图图11.3.2 2FSK

7、信号的相干解调电路的方框图信号的相干解调电路的方框图抽样抽样判决判决积积分分器器二进制电码二进制电码S(t）积积分分器器乘乘法法器器乘乘法法器器tVom)cos(tVom)cos()(tv9 若输入的移频键控信号为若输入的移频键控信号为 ，则上面，则上面的积分器输出为的积分器输出为tVtvo)cos()(sToTAtdtAs2)(cos02 下面积分器的输出为下面积分器的输出为sToTTooTAtdtAtdtAtdttAsss2sin42cos22cos2)cos()cos(000 上述积分为零。通过分析，抽样判决电路就可判决出输上述积分为零。通过分析，抽样判决电路就可判决出输入码为入码为1，

8、否则为，否则为0 。10图图11.3.3 窄带滤波器法方框图窄带滤波器法方框图整形整形电路电路S(t)输出输出vFSK(t)输入输入前置前置滤波器滤波器限幅器限幅器比较器比较器窄带窄带滤波器滤波器窄带窄带滤波器滤波器包络包络检波器检波器包络包络检波器检波器 非相干解调除采用以前介绍的鉴频器外，最简单的方法非相干解调除采用以前介绍的鉴频器外，最简单的方法是窄带滤波器法是窄带滤波器法 。该方法见图。该方法见图11.3.3所示。所示。11图图11.3.4 滤波积分法方框图滤波积分法方框图整形整形电路电路二进制二进制电码输出电码输出二进制二进制vFSK(t)信号输入信号输入前置前置滤波器滤波器限幅器限

9、幅器积分器积分器窄带滤窄带滤波器波器f1包络包络检波器检波器包络包络检波器检波器窄带滤窄带滤波器波器f2积分器积分器抽样抽样判决判决 此外，由于窄带滤波器的通频带较窄，因而对信号的频此外，由于窄带滤波器的通频带较窄，因而对信号的频率稳定度要求较高率稳定度要求较高 。为了克服上述缺点，可以采用下述的。为了克服上述缺点，可以采用下述的滤波积分法解调。该方法见图滤波积分法解调。该方法见图11.3.3所示。所示。1211.4 移相键控移相键控 移相键控有二相与多相之分。因而在移相键控有二相与多相之分。因而在PSK前面加入代号，前面加入代号，如：二相如：二相PSK则记为则记为2PSK或或BPSK；四相则

10、记为；四相则记为4PSK或或QPSK。下面介绍这两种。下面介绍这两种PSK。11.4.1 二相移相键控二相移相键控图图11.4.1 二相移相键控信号波形二相移相键控信号波形V100(a)-Vt001111v0(t)0(b)t0(c)tvBPSK(t) 二相移相键控是指：二相移相键控是指：1状状态时，载波相移为零；态时，载波相移为零；0状状态时，载波相移位态时，载波相移位180o。一。一般情况下，二相移相键控般情况下，二相移相键控信号可表示为：信号可表示为：13nosnomoBPSKtnTtgaVtvtStvsin)()()()(图图11.4.1 二相移相键控信号波形二相移相键控信号波形V100

11、(a)-Vt001111v0(t)0(b)t0(c)tvBPSK(t) 由上述公式和右图表明，由上述公式和右图表明，二相移相键控实际上可等二相移相键控实际上可等效为由调制信号效为由调制信号S(t)和载波和载波相乘的双边带调幅。相乘的双边带调幅。 因此，二相移相键控信因此，二相移相键控信号可以用平衡调制器产生。号可以用平衡调制器产生。图图11.4.2 BPSK产生电路产生电路平衡平衡调制器调制器带通带通滤波器滤波器vBPSK(t)S(t)vo(t)14图图11.4.3 BPSK相干解调电路相干解调电路低频低频放大器放大器乘法器乘法器tosinttSvtvooBPSKsin)()()(tvo)(t

12、vM抽样抽样判决电路判决电路时钟时钟提取电路提取电路)(tS平平方方带通带通滤波滤波分分频频)(tvBPSKto2sinto2sinof2 它的解调电路可它的解调电路可以用同步以用同步(相干相干)检检波器检出波器检出S(t)，见，见图图11.4.3.。图图11.4.2 BPSK产生电路产生电路平衡平衡调制器调制器带通带通滤波器滤波器vBPSK(t)S(t)vo(t)15 必须指出，在接收端，为了判断发送的是哪种相位的波必须指出，在接收端，为了判断发送的是哪种相位的波形，就应事先获得载波的初始相位，作为参考。形，就应事先获得载波的初始相位，作为参考。 但得到载波的初始相位是非常困难的，因而可能造

13、成误但得到载波的初始相位是非常困难的，因而可能造成误判。为了解决这一问题，可采用下面介绍的差分移相键控判。为了解决这一问题，可采用下面介绍的差分移相键控DPSK。图图11.4.4 二相差分移相键控信号波形二相差分移相键控信号波形0t)(tS1100101000t)(tvBDPSK16图图11.4.5 BDPSK信号产生电路信号产生电路逻辑逻辑电路电路调相调相电路电路延时延时电路电路TS)(tvBDPSKkakb1kb0tka11001010t)(tvBDPSK0tkb17低通低通滤波器滤波器延时延时TSx y乘乘法法器器x y)(tvBDPSK)(tS图图11.4.6 差分相干解调电路差分相干

14、解调电路10t)(tvBDPSK0t)(SBDPSKTtv0t)(tS0t011001811000(0,0)(0,1)(1,0)(1,1)223431(1,0)100(1,1)(0,1)(0,0)4443图图11.4.7 四相调相的矢量图四相调相的矢量图11.4.2 四相移相键控四相移相键控 在数字调相制中，还广泛应用多相制，例如：四相调制、在数字调相制中，还广泛应用多相制，例如：四相调制、八相调制、十六相调制等。这里介绍四相调制的概念。八相调制、十六相调制等。这里介绍四相调制的概念。 四相调相的四个相位可以有不同的选择。如图四相调相的四个相位可以有不同的选择。如图11.4.7。 从图上看，一

15、个四相调从图上看，一个四相调相信号等于两个两相调相相信号等于两个两相调相信号之和。信号之和。 因此，采用两个两相调因此，采用两个两相调相器就可以构成一个四相相器就可以构成一个四相调相电路。如图调相电路。如图11.4.8(a)。19平衡平衡调制器调制器平衡平衡调制器调制器带通带通滤波器滤波器带通带通滤波器滤波器串并串并变换变换)(tSB)(tSA)(tStosintocos)(tvQPSK/2 0t1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0)(tS0t)(tSA1 1 1 1 0 0 0t)(tSB1 0 1 0 1 0 图图11.4.8 QPSK信号产生电路信号产生电路基带信号偶数码元

16、奇数码元ttStvttStvoBBoAAcos)()(sin)()( 两者在相加器中相加，就可以得到四相调相信号。两者在相加器中相加，就可以得到四相调相信号。200t1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0)(tS0t)(tSA1 1 1 1 0 0 0t)(tSB1 0 1 0 1 0 图图11.4.9 QPSK信号解调电路信号解调电路同步同步检波器检波器同步同步检波器检波器抽样抽样判决器判决器数据数据选择器选择器)(tSB)(tSA)(tStosintocos)(tvQPSK/2 载波提载波提取电路取电路抽样抽样判决器判决器 图图11.4.9(a)为四相移相键控为四相移相键控(Q

17、PSK)信号的解调电路。信号的解调电路。 在在QPSK信号中，载波移相是由二位码组成的监控，二信号中，载波移相是由二位码组成的监控，二位码组的速率为码元速率的一半，因此与位码组的速率为码元速率的一半，因此与BPSK比较，在比较，在相同的频谱宽度时，码速可提高一倍。相同的频谱宽度时，码速可提高一倍。21 如果输入码流中，每三位作一组，则可由有如果输入码流中，每三位作一组，则可由有8种组合。用种组合。用8种组合对载波相移键控，就可构成八相调相。种组合对载波相移键控，就可构成八相调相。 如以此类推，还可构成如以此类推，还可构成16相、相、32相等移相键控信号。移相等移相键控信号。移相数目越多，电路实

18、现就越困难。实际上，多相调制一般相数目越多，电路实现就越困难。实际上，多相调制一般都用软件实现，比较方便。都用软件实现，比较方便。 11.4.3 移相键控与移频键控的简单比较移相键控与移频键控的简单比较(自学自学)22 正交调幅正交调幅(简称简称QAM)是利用两个频率相同，但是相位相是利用两个频率相同，但是相位相差差90o的正弦波作为载波，以调幅的方法同时传送两路互相的正弦波作为载波，以调幅的方法同时传送两路互相独立的信号的一种调制方式。独立的信号的一种调制方式。 这种调制方式的已调波信号所占频带仅为两路信号中的这种调制方式的已调波信号所占频带仅为两路信号中的较宽者，而不是两路频带之和，因而可以节省带宽。较宽者，而不是两路频带之和，因而可以节省带宽。 随着数字调制技术的进步，正交调幅与解调的概念已扩随着数字调制技术的进步，正交调幅与解调的概念已扩展到展到MQAM，其中，其中M可取可取4、16、32、64、128和和256等，等，最