数字调制系统

1、第六章 数字调制系统一、数字调制与模拟信号调制类比，如果调制信号是数字脉冲序列就称为数字调制，或称数字载波调制。在微波无线通信和光通信等通信系统中信道是带通型的，所以需要把数字基带信号的频谱搬移到相应的频段再送入信道传输。因此，数字调制系统又称为频带传输系统。二、数字调制的三种基本方式幅移键控ASK、频移键控FSK和相移键控PSK。6.1 二进制数字调制系统一、二进制幅移键控2ASK1定义：用数字基带信号对正弦载波的幅度进行控制的方式称为幅移键控。记为2ASK。2数学表达式 3波形与输入序列1001相对应的输出波形如图所示。4产生方式（1）模拟法 如图（a）所示 SASK (t) A cos0

2、tf (t) (b)BPFA cos0tf (t) SASK (t) (a)（2）键控法 如图（b）所示 “1”码作为“电键”打开通路，送出载波；“0”码关闭通路，输出0电平。5解调方法幅移键控的解调方法有两种.（1） 相干解调LPFCos(0t+j)定时抽样SASK (t) 抽样判决BPF输出(a)（2） 为非相干解调定时抽样SASK (t) 抽样判决BPF输出包络检波LPF(b)二、二进制频移键控FSK1定义：用数字基带信号对正弦载波的频率进行控制的方式称为幅移键控。记为2FSK。2数学表达式 3波形输入序列为1001时，已调2FSK的输出波形如图所示，图中f1代表“1”，f2代表“0”。

3、4产生方式SFSK(t)门振荡器振荡器倒相门f2f1(b)f(t)（1）模拟法 如图（a）所示 f (t) VCOSFSK (t) （a）（2）键控法 如图（b）所示采用键控法时，二进制矩形脉冲序列中的“1”和“0”分别控制两个独立的载波发生器，“1”码时输出载波频率f1 ；“0”码时输出载波频率f2。5解调方法2FSK的解调也有相干解调和非相干两种，其基本原理与2ASK相同,只是使用了两套电路而已。(1)相干解调 如图(a)所示（a）（2）非相干解调 如图(b)所示（b）（c）考虑到成本等综合因素，在2FSK系统中也很少使用相干解调，以图(b)非相干解调原理框图为例画出了各点波形如图(c)所

4、示。图中的抽样判决电路是一个比较器，在判决时刻对上下两支路低通滤波器送出的信号电平进行比较，如果上支路输出的信号大于下支路，判为“1”码；反之判为“0”码。（3）过零检测法过零检测法的基本思想是，利用不同频率的正弦波在一个码元间隔内过零点数目的不同，来检测已调波中频率的变化。其原理框图及各点波形如图所示。图中限幅器将接收序列整形为矩形脉冲，送入微分整流器，得到尖脉冲（尖脉冲的个数代表了过零点数），在一个码元间隔内尖脉冲数目的多少直接反映着载波频率的高低，所以只要将其展宽为具有相同宽度的矩形脉冲，经低通滤波器滤除高次谐波后，两种不同的频率就转换成了两种不同幅度的信号（见图中f点的波形），送入抽样

5、判决器即可恢复原信息序列。 三、二进制相移键控2PSK相移键控是用载波的相位变化来传递信息，它有两种工作方式：绝对相移键控（2PSK）和相对相移键控（2DPSK）。 1，二进制绝对相移键控2PSK在2PSK中，以载波的固定相位为参考，通常用与载波相同的0相位表示“1”码；相位表示“0”码。 （1）2PSK表达式 （2）波形若1个码元内只画1个载波周期（设载波初相位为0），则对应于输入序列1011001的已调波形如图所示。（3）产生方法模拟法Acos0tf (t) 单/双SPSK (t) 相移键控法SPSK (t) 0f (t) 振荡器移相 p（4）解调2PSK信号同样可采用相干解调的方法如图(

6、a)所示。另一种方法与模拟调相波的解调一样，采用鉴相器进行解调如图(b)所示。鉴相器的作用实质上是把输入已调信号与本地载波信号的极性进行比较，这种解调方法通常称为极性比较法。LPFAcos(0t+j)定时抽样SPSK (t) 抽样判决BPF输出(a)定时抽样SPSK (t) 抽样判决BPF输出鉴相器Acos(0t+j)(b)（5）PSK的“倒”现象在绝对调相方式中，发送端是以某一个相位作基准，然后用载波相位相对于基准相位的绝对值(0或)来表示数字信号。因而在接收端也必须有这样一个固定的基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化(0 或0)，则恢复的数字信号也就会发生错误(“1” “0”或“0”“

7、1”)。这种现象通常称为2PSK方式的“到现象”或“反向工作”。为了克服这种现象，实际中一般不采用2PSK方式，而采用相对调相2DPSK方式。2，二进制相对相移键控2DPSK2DPSK信号能够克服相位倒置现象，实现起来也不困难，只需在PSK调制器的输入端加一级差分编码电路，因此DPSK又可称为差分相移。2DPSK对信息序列码元所取相位的定义如下：以前一码元的末相为参考，序列中出现“1”码时，输出载波相位变化；序列中出现“0”码时，输出载波相位不变。波形：输入序列为10010110，已调2DPSK的输出波形如图所示。产生方法2DPSK的产生基本上类似于2PSK，只是调制信号需要经过码型变换，将绝

8、对码变为相对码。(a)模拟法S DPSK (t) 0f (t) (b)振荡器移相 p码变换 0p(a)ACos0tf (t) 单/双SDPSK (t) 码变换(b)键控法解调2DPSK信号的解调方法基本上同2PSK，但解调后的信号为相对码，需进行码型变换，将相对码变换成为绝对码。DPSK解调采用最多的方法是差分相干解调，如图所示。此方法不需要恢复本地载波，只需将DPSK信号延迟一个码元间隔TS，然后与DPSK信号本身相乘。相乘结果反映了码元的相对相位关系，经过低通滤波器后可直接进行抽样判决恢复出原始数字信息，而不需要差分译码。LPFc定时SDPSK (t) 抽样判决输出BPFTsbadeft(

9、a)SDPSK(t)10011111000t(b)0Tst(c)0t(d)0t(e)0t(f)1001111000图中抽样判决器的判决原则：抽样值大于0时判“0”，抽样值小于0时判“1”。比较这两种解调方案，它们的解调波形虽然一致，都不存在相位倒置问题，但差分相干解调电路中不需本地参考载波和差分译码，是一种经济可靠的解调方案，得到了广泛的应用。要注意的是调制端的载波频率应设置成码元速率的整数倍。6.2 二进制数字调制系统的频谱分析一、ASK信号的功率谱二进制序列幅移键控已调信号的功率谱密度如图所示。由图可见，传输2ASK信号的带宽是基带脉冲波形带宽的两倍 二、FSK信号的功率谱二进制序列频移键

10、控信号的功率谱如图所示。图中两个连续谱的峰-峰距离由两个载频之差决定，若差值小于fs则出现单峰（如波形b），波形a为差值等于2fs的情况，此时的两个载频f1、f2分别为fc+fs和fc-fs 。传输由单极性矩形脉冲序列调制产生的2FSK信号所需的带宽近似为 三、PSK信号的功率谱与模拟调制类比，2ASK相当于标准调幅AM，而2PSK相当于抑制载波双边带调幅DSB。因此2PSK功率谱如图所示。f-f0PPSK( f )f00其带宽与2ASK相同，即6.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能数字信号的频带传输系统的抗噪声性能是用误码率来衡量的。下图示出了各种二进制频带传输系统误码率Pe与输入信噪比r的

11、关系曲线。 一、误码率观察图可见，r增大，Pe下降。对于同一种调制方式, 相干解调的误码率小于非相干解调系统, 但随着r的增大，二者差别减小。当解调方式相同调制方式不同时，在相同误码率条件下，相干PSK系统要求的信噪比r比FSK系统小3dB，FSK系统比ASK系统要求的r也小3dB，并且FSK、PSK、DPSK的抗衰落性能均优于ASK系统。二、判决门限 在2FSK系统中，不需要人为设置判决门限，仅根据两路解调信号的大小作出判决；2PSK和2DPSK系统的最佳判决门限电平为0，稳定性也好；ASK系统的最佳门限电平与信号幅度有关，当信道特性发生变化时，最佳判决门限电平会相应地发生变化，不容易设置，

12、还可能导致误码率增加。 三、频带宽度 当传码率相同时，PSK、DPSK、ASK系统具有相同的带宽，而FSK系统的频带利用率最低。 四、设备复杂性三种调制方式的发送设备其复杂性相差不多。接收设备中采用相干解调的设备要比非相干解调时复杂，所以除在高质量传输系统中采用相干解调外，一般应尽量采用非相干解调方法。综合以上，在选择调制解调方式时，就系统的抗噪声性能而言，2PSK系统最好，但会出现倒相问题，所以2DPSK系统更实用。如果对数据传输率要求不高（1200b/s或以下），特别是在衰落信道中传送数据，则2FSK系统又可作为首选。 6.4 多进制数字调制系统定义：用多进制（M2）数字基带信号去控制载波

13、不同参数的调制，称为多进制数字调制。多进制数字调制系统的优点：（1）传信率高，Rb=RBlog2M （b/s）；（2）在传信率相同的情况下与二进制数字调制系统作比较，相当于节省了带宽。采用多进制的缺点：设备复杂，判决电平增多，误码率高于二进制数字调制系统。一、MASK调制原理1波形：MASK调制波形示于下图中，图(b)波形是由图(c)中诸波形的叠加构成，即MASK信号是由M个不同振幅的2ASK信号叠加而成。2带宽：MASK信号的功率谱结构虽然复杂，但所占带宽却与每一个2ASK信号相同。 3产生方法：MASK信号与2ASK信号产生的方法相同，可利用乘法器实现，不过由发送端输入的k位二进制数字基带

14、信号需要经过一个电平变换器，转换为M电平的基带脉冲再送入调制器。解调也与2ASK信号相同，可采用相干解调和非相干解调两种方式。二、MFSK调制原理1多进制数字频率调制简称多频制，它基本上是二进制数字频率键控方式的直接推广。对于相位不连续的多频制系统，其原理框图如图所示。图中串/并转换和逻辑电路负责把位二进制码转换成进制码，然后由逻辑电路控制选通开关，在每一码元时隙内只输出与本码元对应的调制频率，经相加器衔接,送出MFSK已调波形。多频调制信号的解调器由多个带通滤波器、包络检波器以及抽样判决器、逻辑电路和并/串转换器组成。M个带通滤波器的中心频率与M个调制频率相对应，这样当某个调制频率到来时，只

15、有一个BPF有信号加噪声通过，而其它的BPF中输出的只有噪声。所以抽样判决器在判决时刻，要比较各BPF送出的样值，选最大者作为输出, 逻辑电路再将其转换成k位二进制并行码，最后由并/串转换器转换成串行的二进制信息序列。MFSK信号也可以采用分路滤波、相干解调方式。2相位不连续的MFSK已调信号带宽 式中为M个载波中的最高载频，为M个载波中的最低载频，为码元速率。 由式可见，MFSK系统的频带利用率较低，只能用于调制速率不高的传输系统中。 三、多进制相移键控1多进制绝对移相（MPSK）（1）定义：利用载波的多个相位表示多个数字信息。MASK信号的幅度不等，不能充分利用设备的功率能力，而MPSK信

16、号载波的幅度不变，使信号的平均功率可达到发送设备的极限。多进制调相常用的有4PSK，8PSK，16PSK等等。它的应用使系统的有效性大大提高。（2）MPSK的矢量图MPSK信号还可以用矢量图来描述，在矢量图中通常以0 0载波相位作为参考矢量。下图分别画出M = 2，M = 4，M = 8的三种情况下的矢量图。当采用相对移相时，矢量图所表示的相位为相对相位差。因此图中将基准相位用虚线表示，在相对移相中，这个基准相位也就是前一个调制码元的相位。对同一种相位调制也可能有不同的方式，如图中(a)和(b)方式。例如，四相制可分为(a)p/2相移系统和(b)p/4相移系统。(a)(b)（3）4PSK(QP

17、SK)的波形图四相制是用载波的四种不同相位来表征四种数字信息。首先将二进制变为四进制。将二进码元的每两个比特编为一组，可以有四种组合(00，10，01，11)，然后用载波的四种相位来分别表示它们。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。下表是双比特码元与载波相位的对应关系。4PSK的波形如图所示。表6.5-1 双比特码元与载波相位的关系双比特码p/2相移系统p/4相移系统0003p/410p/2p/411pp/401-p/23p/4t(a)011000101f (t)101双比特码元t(b)载波t(c)4PSK/2系统t(d)4PSK/4系统（4）MPSK的带宽

18、MPSK信号可以等效为两个正交载波进行多电平双边带调幅所产生的已调波之和，故多相调制的带宽计算与多电平振幅调制时相同。 又因为调相时并不改变载波的幅度，所以与MASK相比，MPSK大大提高了信号的平均功率，是一种高效的调制方式。（5）产生方法：4PSK的产生方法可采用调相法和相位选择法。B(1)A(1) (1,1) (1,0)B(0)A(0) (0,1) (0,0)S4PSK(t)单/双极性变换sin w0tcos w0tp / 2串/并转换B11A10 0 A 1p 0 p/2 1 B-p/2 0单/双极性变换1101调相法：输入ABAB相位选择法：如图所示。图中，四相载波发生器分别输出调相

19、所需的四种不同相位的载波。按照串/并变换器输出的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应的载波。输入 输出逻辑选相电路p / 2BPF串/并变换四相载波发生器p 3p /20（6）解调四相绝对移相信号可以看作是两个正交2PSK信号的合成，可采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调。用两个正交的相干载波分别对两路2PSK进行相干解调，如图所示，然后经并/串变换器将解调后的并行数据恢复成串行数据。输出并 / 串变 换S4PSK(t)LPFLPFSin w0tcos w0tp / 2抽样判决抽样判决定时2多进制的相对移相MDPSK MPSK仍然同2PSK一样，在接收机解调时由于相干载波的相位不确定性，

20、使得解调后的输出信号不确定。为了克服这种缺点，在实际通信中通常采用多进制相对移相系统。（1）波形所谓四相相对移相调制也是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。若以前一码元相位作为参考，并令作为本码元与前一码元相位的初相差，双比特码元对应的相位差的关系仍采用上表所列形式。4DPSK的信号波形如图所示。t(a)011000101f (t)101双比特码元0t4DPSK/2系统0(b)t4DPSK/4系统0(c)（2）产生与解调方法在讨论2PSK信号调制时，我们已经知道，为了得到2DPSK信号，可以先将绝对码变换成相对码，然后用相对码对载波进行绝对移相。4DPSK也可先将输入的双比特码经码变

21、换后变为相对码，用双比特的相对码再进行四相绝对移相，所得到的输出信号便是四相相对移相信号。4DPSK的产生方法基本上同4PSK，仍可采用调相法和相位选择法，只是这时需将输入信号由绝对码转换成相对码。6.5 现代数字调制技术前面我们讨论了数字调制的三种基本方式：数字幅度调制、数字频率调制和数字相位调制。这三种数字调制方式是数字调制的基础。然而，这三种数字调制方式都存在某些不足，如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为了改善这些不足，近几十年来人们陆续提出一些新的数字调制技术，以适应各种新的通信系统的要求。这些调制技术的研究，主要是围绕着寻找频带利用率高，同时抗干扰能力强

22、的调制方式而展开的。1. 正交振幅调制（QAM）把多进制与正交载波技术结合起来，还可进一步提高频带利用率。能够完成这种任务的技术称为正交振幅调制（QAM）。QAM是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输。该调制方式通常有二进制QAM（4QAM）、四进制QAM（l6QAM）、八进制QAM（64QAM）、 ，对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图，如图5-44（a）所示，分别有4、16、64、个矢量端点。由图5-44（b）可以看出，电平数和信号状态之间的关系是。对于4QAM，当两路信号幅度相等时，

23、其产生、解调、性能及相位矢量均与4PSK相同。QAM信号的同相和正交分量可以独立地分别以ASK方式传输数字信号。如果两通道的基带信号分别为和，则QAM信号可表示为式中上式为多进制码元间隔。为了传输和检测方便，和一般为双极性进制码元，例如取为1，3，（-l）等。 通常，原始数字数据都是二进制的。为了得到多进制的QAM信号，首先应将二进制信号转换成进制信号，然后进行正交调制，最后再相加。图5-45示出了产生多进制QAM信号的数学模型。图中由序列a1，a2，ak 组成，由序列b1，b2，bk 组成，它们是两组互相独立的二进制数据，经2/变换器变为进制信号和。经正交调制组合后可形成QAM信号。QAM产

24、生 QAM解调QAM信号采取正交相干解调的方法解调，其数学模型如图5-46所示。解调器首先对收到的QAM信号进行正交相干解调。低通滤波器LPF滤除乘法器产生的高频分量。LPF输出经抽样判决可恢复出电平信号和。因为和取值一般为1，3，（-l），所以判决电平应设在信号电平间隔的中点，即0，2，4，（-2）。根据多进制码元与二进制码元之间的关系，经/2转换，可将电平信号转换为二进制基带信号和。2. 最小频移键控（MSK）一种能够产生恒定包络、连续信号的调制称为最小移频键控，常简记为MSK。MSK是2FSK的一种特殊情况，它具有正交信号的最小频差，在相邻符号交界处相位保持连续。 在一个码元时间内，这类连续相位FSK（CPFSK）可表示为当为时间的连续函数时，已调波相位在所有时间上是连续的。若传0码时载频为，传1码时载频为，它们相对于未调载波的偏移为，上式又可写为式中在一个码元时间内，相角式中，为初相角，取决于过去码元调制的结果，它的选择要防止相位的任何不连续性。（1）MSK的表达式MSK波形的表达式利用三角等式展开上式，并注意到，有式中 （2）MSK信号的产生MSK信号可采取正交调制的方法产生。当两支路码元互相偏离时，恰好使和错开1/4周期，这保证了MSK信号相位的连续性。与产生过程相对应，MSK信号可采取正交相干解调的方法恢复原信息码。3.高斯