第二章 数字信号的调制及解调

1、 主要讲述的内容：主要讲述的内容： 信息传递方式一般分为基带传输和频信息传递方式一般分为基带传输和频带传输两种。带传输两种。 基带传输是指无需进行基带频谱搬移基带传输是指无需进行基带频谱搬移就能以基带信号形式传输的方式。就能以基带信号形式传输的方式。 频带传输若将基带信号的频谱搬移到频带传输若将基带信号的频谱搬移到某个载波频带内进行传输的方式。某个载波频带内进行传输的方式。 预备知识预备知识2.0微波与卫星通信中的调制、微波与卫星通信中的调制、 解调技术的特点和种类解调技术的特点和种类2.1时分复用与数字信号的调制与解调时分复用与数字信号的调制与解调2.3相干解调的载波跟踪技术相干解调的载波跟

2、踪技术2.4频分复用与模拟信号的调制频分复用与模拟信号的调制2.2 2.0.1为什么要调制？为什么要调制？ 1无线电通信使用空间辐射方式，无线电通信使用空间辐射方式，把信号从发射端传送到接收端。根把信号从发射端传送到接收端。根据电磁波理论，发射天线尺寸为被据电磁波理论，发射天线尺寸为被发射信号波长的十分之一或更大些，发射信号波长的十分之一或更大些，信号才能有效地被发射出去信号才能有效地被发射出去（=c/f）。）。 假如要发射一个假如要发射一个300Hz的音频信号的音频信号（其波长为（其波长为106m），则就必须要用），则就必须要用100km长的天线，这是无法实现的。长的天线，这是无法实现的。

3、2另外，大气层对基带信号迅另外，大气层对基带信号迅速衰减，对较高频率范围的信号则速衰减，对较高频率范围的信号则能传播很远的距离，因此，要通过能传播很远的距离，因此，要通过大气层远距离传送基带信号，就需大气层远距离传送基带信号，就需要极高频率的载波信号来携带被传要极高频率的载波信号来携带被传送的基带信号，这就是调制。送的基带信号，这就是调制。 2.0.2调制定理调制定理 1调制的概念调制的概念 所谓调制是指用基带信号对载波（通所谓调制是指用基带信号对载波（通常为余弦或正弦）波形的某些参数（如幅常为余弦或正弦）波形的某些参数（如幅度、相位和频率）进行控制，使这些参数度、相位和频率）进行控制，使这些

4、参数随基带信号的变化而变化。通常是将调制随基带信号的变化而变化。通常是将调制信号调制到中频（信号调制到中频（70MHz或或140MHz），），然后在频谱搬移到射频（此时不调制）。然后在频谱搬移到射频（此时不调制）。 2调制的分类调制的分类 根据调制信号的性质，调制又可分为根据调制信号的性质，调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。模拟信号调制和数字信号调制。 模拟信号调制：所调制的基带信号为模拟信号调制：所调制的基带信号为模拟信号时的调制就是模拟信号调制。模拟信号时的调制就是模拟信号调制。 数字信号调制：所调制的基带信号为数字信号调制：所调制的基带信号为数字信号时的调制就是数字信号调制。数字信

5、号时的调制就是数字信号调制。 模拟调制与数字调制的基本区别就在模拟调制与数字调制的基本区别就在于其基带信号的形式不同。于其基带信号的形式不同。 但是都采用余弦波作为载波信号，由但是都采用余弦波作为载波信号，由于余弦信号有幅度、相位和频率三种基本于余弦信号有幅度、相位和频率三种基本参量，因此可以构成调幅、调相和调频三参量，因此可以构成调幅、调相和调频三种基本调制方式种基本调制方式 3调制定理调制定理 在通信系统中，常常会遇到基带信号在通信系统中，常常会遇到基带信号f(t)和余弦信号相乘的情况。和余弦信号相乘的情况。 信号的频谱由一个频率位置搬移到另信号的频谱由一个频率位置搬移到另一个频率位置上。

6、一个频率位置上。 概念：概念： 上边带：位于上边带：位于c之上的部分之上的部分 下边带：位于下边带：位于c之下的部分之下的部分 4解调原理解调原理 解调也叫检波，其作用就是从接收到解调也叫检波，其作用就是从接收到的已调波中无失真地恢复出调制信号。调的已调波中无失真地恢复出调制信号。调幅信号的解调技术可大致分为两类：相关幅信号的解调技术可大致分为两类：相关解调和非相关解调。解调和非相关解调。 相关解调（又称同步检波）：需要在相关解调（又称同步检波）：需要在接收端知道发射载波的频率和相位（恢复接收端知道发射载波的频率和相位（恢复相干载波以用于与接收的已调信号相乘）。相干载波以用于与接收的已调信号相

7、乘）。其中乘机检波器也叫鉴相器，是将输入的其中乘机检波器也叫鉴相器，是将输入的带通信号变为基带信号的下变频电路。带通信号变为基带信号的下变频电路。 非相关解调（又称包络检波）：即不非相关解调（又称包络检波）：即不需要知道有关的信息，它的输出信号与输需要知道有关的信息，它的输出信号与输入信号实际包络成正比。入信号实际包络成正比。 2.0.3复用复用 1复用的概念复用的概念 通常我们把在同一信道中能够同时传通常我们把在同一信道中能够同时传输多路信息的方式称为多路复用。输多路信息的方式称为多路复用。 2两种复用方式两种复用方式 频分复用和时分复用。频分复用和时分复用。 所谓频分复用（所谓频分复用（F

8、DM）是指按频率分）是指按频率分割信号的方法，时分复用（割信号的方法，时分复用（TDM）则是指）则是指按时间分割的方法。按时间分割的方法。 TDM与与FDM的差别在于：的差别在于： TDM是从时域的角度进行分析，使各是从时域的角度进行分析，使各路信号在时间上彼此分开；而在频域上彼路信号在时间上彼此分开；而在频域上彼此混叠在一起。此混叠在一起。FDM是从频域的角度进行是从频域的角度进行分析，使各路信号在频率上彼此分开；而分析，使各路信号在频率上彼此分开；而在时域上彼此混叠在一起。在时域上彼此混叠在一起。 2.1.1 微波通信中的调制、解调微波通信中的调制、解调技术的特点和种类技术的特点和种类 数

9、字微波通信系统：用脉冲形式的基数字微波通信系统：用脉冲形式的基带序列对中频频率带序列对中频频率70MHz或或140MHz进行进行调制后，再变换（只是进行频谱的直接搬调制后，再变换（只是进行频谱的直接搬移，不再进行调制处理）到微波频率。移，不再进行调制处理）到微波频率。 具有以下特点：具有以下特点： 调制信号的功率谱较窄调制信号的功率谱较窄 具有较高频谱效率具有较高频谱效率 相对短波而言，具有较好的传输特相对短波而言，具有较好的传输特性性 数字微波的发展方向：既扩大容量，数字微波的发展方向：既扩大容量，又不占用较大的信道带宽又不占用较大的信道带宽 采用多进制编码的调制方式采用多进制编码的调制方式

10、 采用多载频的传输方式采用多载频的传输方式 从前在低速数字微波通信系统设备中，从前在低速数字微波通信系统设备中，一个波道的发信机（或收信机）只使用一一个波道的发信机（或收信机）只使用一个载频（即射频）。由于在数字微波通信个载频（即射频）。由于在数字微波通信中存在多径衰落，而且所采用的数字信号中存在多径衰落，而且所采用的数字信号频谱又宽，因而如何将传输频谱变窄是惟频谱又宽，因而如何将传输频谱变窄是惟一一种有效的方法。一一种有效的方法。 在在SDH数字微波通信系统中，采用多数字微波通信系统中，采用多进制编码的进制编码的64QAM（正交幅度调制正交幅度调制）、）、128QAM、256QAM和和512

11、QAM调制方式，调制方式，同时还采用多载频的传输方式。同时还采用多载频的传输方式。 例如采用例如采用4个载频，使每个载频都用个载频，使每个载频都用256 QAM调制方式去传输调制方式去传输100Mbit/s信息，信息，这样一个波道的这样一个波道的4个载频同时传送，就可以个载频同时传送，就可以传输传输4倍这样的信息。倍这样的信息。 而其占用的频谱却与只用一个载频传而其占用的频谱却与只用一个载频传输时所占用的频谱相当。同样对于输时所占用的频谱相当。同样对于1024QAM系统，一个波道可以使用更多载系统，一个波道可以使用更多载频，使数字微波朝着既扩大容量，又不占频，使数字微波朝着既扩大容量，又不占用

12、较大的信道带宽方向发展。用较大的信道带宽方向发展。 2.1.2卫星通信中的调制、解调卫星通信中的调制、解调技术的特点和运用种类技术的特点和运用种类 在卫星通信系统中，既采用了模拟调在卫星通信系统中，既采用了模拟调制，也采用了数字调制。制，也采用了数字调制。 模拟调制：采用频率调制的目的是为模拟调制：采用频率调制的目的是为了增加传输带宽，得到大的调制制度增益，了增加传输带宽，得到大的调制制度增益，有利于地球站接收机获得较高的载躁比有利于地球站接收机获得较高的载躁比（CNR），或给定），或给定CNR可以减少卫星转发可以减少卫星转发器的功率。器的功率。 数字调制：数字调制： 综上所述，在卫星系统中，

13、要求数字综上所述，在卫星系统中，要求数字调制具有以下特点。调制具有以下特点。 不主张采用不主张采用ASK技术（抗干扰性差，技术（抗干扰性差，误码率高）误码率高） 选择尽可能少地占用射频频带，而选择尽可能少地占用射频频带，而又能高效利用有限频带资源，抗衰落和干又能高效利用有限频带资源，抗衰落和干扰性能强的调制技术扰性能强的调制技术 采用的调制信号的旁瓣应较小以减采用的调制信号的旁瓣应较小以减少相邻通道之间干扰少相邻通道之间干扰 本章将针对上述叙述，首先讨论模拟本章将针对上述叙述，首先讨论模拟调制（调制（FM），然后讨论现代数字卫星通信），然后讨论现代数字卫星通信所使用的各种调制方式：一部分为功率

14、有所使用的各种调制方式：一部分为功率有效的调制技术，如四相相移键控效的调制技术，如四相相移键控（QPSK）、偏置四相相移键控（）、偏置四相相移键控（OQPSK）和最小移频键控（和最小移频键控（MSK）；另一部分为频）；另一部分为频谱有效的调制技术，如多电平幅度调制谱有效的调制技术，如多电平幅度调制（MQAM）。）。 2.2.1 频分复用原理频分复用原理 我们需要传送我们需要传送n个信号，每个信号的频个信号，每个信号的频谱限制在（谱限制在（-m，m）以内。）以内。 我们将这几个信号分别调制在载波我们将这几个信号分别调制在载波c1、c2、c n上。为了不使各个频上。为了不使各个频谱重叠，故每个载波

15、与相邻载波之间至少谱重叠，故每个载波与相邻载波之间至少要求相隔要求相隔2m。 在接收端进行信息接收时各路信号应在接收端进行信息接收时各路信号应严格地限制在本信道通带之内。这样当信严格地限制在本信道通带之内。这样当信号经过带通滤波器之后就可提取出各自信号经过带通滤波器之后就可提取出各自信道的已调波，然后通过解调器、低通滤波道的已调波，然后通过解调器、低通滤波器之后，可获得原信号。器之后，可获得原信号。 频分复用系统中的主要问题在于各路频分复用系统中的主要问题在于各路信号之间存在相互干扰。这是由于系统非信号之间存在相互干扰。这是由于系统非线性器件的影响使各路信号之间产生组合线性器件的影响使各路信号

16、之间产生组合波，当其落入本波道通带之内时，就构成波，当其落入本波道通带之内时，就构成干扰。干扰。 特别值得注意的是在信道传输中的非特别值得注意的是在信道传输中的非线性所造成的干扰是无法消除的，因而频线性所造成的干扰是无法消除的，因而频分复用系统中对系统线性的要求很高，同分复用系统中对系统线性的要求很高，同时还必须合理地选择各路载波频率，并在时还必须合理地选择各路载波频率，并在各路载波频带之间增加保护带来减小干扰。各路载波频带之间增加保护带来减小干扰。 2.2.2 模拟信号的调制模拟信号的调制 我们这里仅介绍常用的我们这里仅介绍常用的FDM/FM（频（频分多路复用分多路复用/调频）系统中的调频信

17、号的产调频）系统中的调频信号的产生与解调原理。生与解调原理。 1调频信号的产生调频信号的产生 产生调频信号的方法有两种。一种是产生调频信号的方法有两种。一种是直接法，另一种是倍频法。直接法，另一种是倍频法。 直接法：用基带信号直接改变载波的直接法：用基带信号直接改变载波的频率。频率。 倍频法：是一种间接方法。先将基带倍频法：是一种间接方法。先将基带信号积分，然后去实施窄带调频（因为窄信号积分，然后去实施窄带调频（因为窄带调相时，振荡器可以采用高稳定度的石带调相时，振荡器可以采用高稳定度的石英振荡器，从而提高了载频稳定度。它的英振荡器，从而提高了载频稳定度。它的定义是），然后再用倍频的方法将其变

18、换定义是），然后再用倍频的方法将其变换成宽带信号。成宽带信号。 (1) 窄带调频窄带调频 调频的概念调频的概念 频率或相位的变化都可以看成是载波频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化。角度的变化。 任何一个余弦型的时间函数，如果它任何一个余弦型的时间函数，如果它的振幅是不变的，则可用下式表示：的振幅是不变的，则可用下式表示： tAtfcos 由调频的概念可以得出已调频信号由调频的概念可以得出已调频信号f(t) 与调制信号与调制信号s（t）之间的关系，即）之间的关系，即 通常将由调频引起的最大瞬时相位偏通常将由调频引起的最大瞬时相位偏移远小于移远小于30的情况称为窄带调频，此时的情况称为窄带

19、调频，此时近似有下列关系成立：近似有下列关系成立： 并可采用图并可采用图2-1中虚线部分所示的结构中虚线部分所示的结构来实现窄带调频。来实现窄带调频。 如果设调制信号如果设调制信号s（t）的最高频率为）的最高频率为Fm（相当于前面的（相当于前面的m）；）； 载波对频率为载波对频率为c的载波进行调制以后，的载波进行调制以后，载波的频率会随着信号载波的频率会随着信号s（t）的变化而变）的变化而变化，则变化的载波频率与标称频率化，则变化的载波频率与标称频率c的差的差值，称为频偏，用值，称为频偏，用 表示，表示，f (2) 倍频法实现宽带调频倍频法实现宽带调频 倍频器是一个非线性器件。其输入、倍频器是

20、一个非线性器件。其输入、输出端之间的关系为：输出端之间的关系为： （2-3） 2调频信号的解调调频信号的解调 在图在图2-2中给出了调频信号的解调过程中给出了调频信号的解调过程（只看虚线框及以后的部分）。（只看虚线框及以后的部分）。 用于解调用于解调FM信号的电路成为鉴频器，信号的电路成为鉴频器，它的输出电压与输入频偏成它的输出电压与输入频偏成 正比。正比。f 鉴频器实质由一个起微分作用的微分鉴频器实质由一个起微分作用的微分器和一个包络检波器组成。限幅器起到保器和一个包络检波器组成。限幅器起到保持中频载波包络恒定的作用。持中频载波包络恒定的作用。 由式（由式（2-3）可知微分器的输出为：）可知

21、微分器的输出为：tfcfcddsKttsKAts0)(2sin()(2)( 可见这是一个调幅调频信号。当该信可见这是一个调幅调频信号。当该信号经过包络检测器时，直流分量将被滤除，号经过包络检测器时，直流分量将被滤除，从而获得与从而获得与s（t）成正比的包络信息，然）成正比的包络信息，然后再经过低通滤波器，将基带之外的高频后再经过低通滤波器，将基带之外的高频分量滤除。分量滤除。 在虚框之前的部分是进行从射频到中在虚框之前的部分是进行从射频到中频的下变频变换，对应于发送端调制到中频的下变频变换，对应于发送端调制到中频后进行的从中频到射频的变换，与调频频后进行的从中频到射频的变换，与调频信号的解调无

22、关。信号的解调无关。 3卫星通信中调频信号的调制与卫星通信中调频信号的调制与解调解调 解调图：解调图： 图图2-2 LNA：低噪声放大器：低噪声放大器 当信号在大气中传输时，由于某种因当信号在大气中传输时，由于某种因素的影响，会在有用信号中夹杂着噪声，素的影响，会在有用信号中夹杂着噪声，这样当接收天线收到这样当接收天线收到FM信号时，也接收到信号时，也接收到噪声信号，这些噪声信号同样经过低噪声噪声信号，这些噪声信号同样经过低噪声放大器和下变频器变成中频频率，并同有放大器和下变频器变成中频频率，并同有用信号一起进入中频带通滤波器。用信号一起进入中频带通滤波器。 如果该滤波器带宽选择合适就能够滤如

23、果该滤波器带宽选择合适就能够滤出带外噪声。出带外噪声。 低通滤波器，将基带之外的高频分量低通滤波器，将基带之外的高频分量滤除，最后得到的是频分多路复用信号。滤除，最后得到的是频分多路复用信号。 4频率调制信号系统的传输特性频率调制信号系统的传输特性 在卫星通信中信号首先被调制到中频在卫星通信中信号首先被调制到中频（一般（一般70MHz），然后利用上变频器将其），然后利用上变频器将其变换到射频（只是频谱的简单搬移）。变换到射频（只是频谱的简单搬移）。 最后由发射天线进行发射，当卫星转最后由发射天线进行发射，当卫星转发器接收到此信号之后，将其转发到相应发器接收到此信号之后，将其转发到相应的地球站所

24、对应的下行链路之中，并由接的地球站所对应的下行链路之中，并由接收地球站进行接收。下面就对此过程中的收地球站进行接收。下面就对此过程中的几个问题进行讨论。几个问题进行讨论。(1) 调频信号（频分多路复用信号）调频信号（频分多路复用信号）的带宽的带宽只要系统所提供的传输带宽（只要系统所提供的传输带宽（B ）足）足以容纳调频波频谱能量的以容纳调频波频谱能量的98%以上时，以上时，就可忽略信号失真的影响，我们把此就可忽略信号失真的影响，我们把此时的带宽称为射频传输带宽。时的带宽称为射频传输带宽。 据分析资料显示，当调频指数据分析资料显示，当调频指数mf 1 时，载波和（时，载波和（mf +1）个边带所

25、携带的能量）个边带所携带的能量占调频波总能量的占调频波总能量的98%以上，因此此时可以上，因此此时可认为传输带宽为认为传输带宽为 （2-4）mfFmB) 1(2 由于由于FDM信号的波形与热噪声的波形信号的波形与热噪声的波形很相似，其峰值频偏对应于信号的峰值电很相似，其峰值频偏对应于信号的峰值电压，而信号的峰值电压与峰值因数压，而信号的峰值电压与峰值因数 有有关，所谓峰值因数关，所谓峰值因数 ，它是峰值电压与，它是峰值电压与有效电压的比值。有效电压的比值。 pFpF 所以峰值频偏可表示为：所以峰值频偏可表示为： （2-6） rppflFf 式中，式中， 为测试音的有效频偏，它是为测试音的有效频

26、偏，它是指在多路电话信号的相对电平为指在多路电话信号的相对电平为0 dB点传点传送送1mW测试音信号时，频率调制器输出端测试音信号时，频率调制器输出端所产生的有效值频偏。所产生的有效值频偏。 rf 为负载因数，实际上是反映多路电为负载因数，实际上是反映多路电话信号有效电压的参数，所以话信号有效电压的参数，所以 就就表示了多路电话信号的有效值频偏。表示了多路电话信号的有效值频偏。 lrfl 为多路信号的峰值因数。在卫星通为多路信号的峰值因数。在卫星通信中其取值范围为信中其取值范围为 =3.164.45 (相当于相当于1013dB)。pFpF (2) 调频解调器输出信噪比调频解调器输出信噪比 信噪

27、比是衡量系统传输质量的一种重信噪比是衡量系统传输质量的一种重要参数，其数值上等于信号功率与噪声功要参数，其数值上等于信号功率与噪声功率之比。率之比。 进入接收端的接收功率用进入接收端的接收功率用Si表示和噪表示和噪声功率用声功率用Ni表示表示 解调信噪比增益（解调器输出与输入解调信噪比增益（解调器输出与输入信噪比之比）信噪比之比） （2-8） 由上式可知，当输入端的信噪比一定由上式可知，当输入端的信噪比一定时，所获得的输出端的信噪比越大，系统时，所获得的输出端的信噪比越大，系统的解调信噪比增益越大。例如卫星系统中的解调信噪比增益越大。例如卫星系统中常取常取mf=5，那么此时解调信噪比增益达到，

28、那么此时解调信噪比增益达到450。 【例【例2-1】在采用】在采用FDM/FM方式工作的方式工作的卫星通信系统中，已知工作频率为卫星通信系统中，已知工作频率为6GHz，试计算一个载波传输试计算一个载波传输252路电话信号时所需路电话信号时所需的传输带宽和信噪比增益。的传输带宽和信噪比增益。 调频信号的传输带宽调频信号的传输带宽B 设每一话路占设每一话路占4KHz的带宽，考虑到相的带宽，考虑到相邻话路之间留出邻话路之间留出5%的间隔，的间隔， 基带信号最高频率基带信号最高频率 Fm4（1+5%）n =4.2252 =1058kHz 调频信号的传输带宽调频信号的传输带宽 =2（3.162.8257

29、7+1058）kHz =12.4MHz)(2mrpFflFB 式中取多路电话信号的峰值因数式中取多路电话信号的峰值因数Fp=3.16，负载因数，负载因数 =2.82，测试音有效，测试音有效频偏频偏 =577kHz。lrf 通常考虑到卫星转发器设计时，给各通常考虑到卫星转发器设计时，给各载波都留有载波都留有1025%的保护带宽（的保护带宽（卫星通信卫星通信中的频分多址中的频分多址），故取），故取B=15MHz。 2.3.1 时分复用与数字调制时分复用与数字调制 1TDM方式：时分复用方式：时分复用 在数字通信中，信道中所传输的是数在数字通信中，信道中所传输的是数字信号，因而首先应按字信号，因而首

30、先应按PCM或其他模拟信或其他模拟信号数字化处理技术，将模拟的话音信号变号数字化处理技术，将模拟的话音信号变换成数字信号，然后以时间分割信号的方换成数字信号，然后以时间分割信号的方法，使多路信号能够利用同一条信道进行法，使多路信号能够利用同一条信道进行独立的传输，这种方法就是时分复用。独立的传输，这种方法就是时分复用。 可见时分复用是利用不同的时隙来传可见时分复用是利用不同的时隙来传送各路不同信号的。送各路不同信号的。 由于采用了由于采用了TDM方式，因而也给系统方式，因而也给系统提出了新的课题，这就是时钟同步问题。提出了新的课题，这就是时钟同步问题。 所谓同步是指接收端能够从所接收的所谓同步

31、是指接收端能够从所接收的数据中正确识别出各路信号，因此要求接数据中正确识别出各路信号，因此要求接收端有定时提取电路。收端有定时提取电路。 2数字调制数字调制 (1) 数字调制的概念及分类数字调制的概念及分类 数字调制：当用以调制的信号是数字数字调制：当用以调制的信号是数字信号时信号时,我们称这种调制为数字调制。我们称这种调制为数字调制。 在数字调制中仍然采用余弦波作为载在数字调制中仍然采用余弦波作为载波信号，由于余弦信号有幅度、相位和频波信号，由于余弦信号有幅度、相位和频率三种基本参量，因此可以构成数字调幅、率三种基本参量，因此可以构成数字调幅、数字调相和数字调频三种基本调制方式，数字调相和数

32、字调频三种基本调制方式，如图如图2-3 所示。所示。 数字调幅：以基带数字信号控制一个数字调幅：以基带数字信号控制一个载波的幅度，称为数字调幅，又称幅移键载波的幅度，称为数字调幅，又称幅移键控，简写为控，简写为ASK。二进制幅移键控（基带。二进制幅移键控（基带信号是二进制信号）用信号是二进制信号）用2ASK表示。表示。 数字调相：以基带数字信号控制一个数字调相：以基带数字信号控制一个载波的相位，称为数字调相，又称相移键载波的相位，称为数字调相，又称相移键控，简写为控，简写为PSK（DPSK：相对调相）。：相对调相）。二进制相移键控用二进制相移键控用2PSK表示。表示。 数字调频：以基带数字信号

33、控制一个数字调频：以基带数字信号控制一个载波的频率，称为数字调频，又称频移键载波的频率，称为数字调频，又称频移键控，简写为控，简写为FSK。二进制频移键控用。二进制频移键控用2FSK表示。表示。 (2) 功率谱特性功率谱特性 研究数据序列频谱特性的目的是找出研究数据序列频谱特性的目的是找出数据序列的能量分布特性，以便决定信道数据序列的能量分布特性，以便决定信道的频带特性。的频带特性。 由于数据序列是随机的，即为随机信由于数据序列是随机的，即为随机信号序列，研究随机信号不能用傅立叶变换号序列，研究随机信号不能用傅立叶变换方法来确定其频谱，只能用随机信号的分方法来确定其频谱，只能用随机信号的分析方

34、法研究它的功率谱，从而揭示了信号析方法研究它的功率谱，从而揭示了信号的时域和频域的关系。的时域和频域的关系。 2.3.2 PSK 我们将介绍我们将介绍2PSK（二进制移相键控）、（二进制移相键控）、QPSK（四相移相键控）的调制原理及它（四相移相键控）的调制原理及它们的几种改进形式。们的几种改进形式。 1绝对调相和相对调相绝对调相和相对调相 绝对调相是利用载波信号的不同相位绝对调相是利用载波信号的不同相位去传输数字信号的去传输数字信号的“1”和和“0”码，其变换码，其变换规则是：数据信号的规则是：数据信号的“1”对应于已调信号对应于已调信号的的0相位；数据信号的相位；数据信号的“0”对应于已调

35、信对应于已调信号的号的180相位，如图相位，如图2-5(b)所示，或反之。所示，或反之。 图中的图中的0和和180是以未调载波是以未调载波0作参考相位的。作参考相位的。 相对调相是利用载波信号相位的相对相对调相是利用载波信号相位的相对关系表示数字信号的关系表示数字信号的“1”和和“0”码，其变码，其变换规则是：数据信号的换规则是：数据信号的“1”使已调信号的使已调信号的相位变化相位变化180相位；数据信号的相位；数据信号的“0”使已使已调信号的相位变化调信号的相位变化0相位，如图相位，如图2-5(c）所示，或反之。所示，或反之。 图中的图中的0和和180的变化是相对于已的变化是相对于已调信号的

36、前一码元的相位，或者说，这里调信号的前一码元的相位，或者说，这里的变化是以已调信号的前一码元相位作参的变化是以已调信号的前一码元相位作参考相位的。考相位的。 2调相信号的产生与解调调相信号的产生与解调 (1) 绝对调相（绝对调相（2PSK）信号的产生）信号的产生与解调与解调 调制：调制： 其产生方法有直接调相法和相位选择其产生方法有直接调相法和相位选择法两种，如图法两种，如图2-6 所示。所示。 直接调相法（图直接调相法（图a）就是采用大家所熟）就是采用大家所熟悉的环行调制器（平衡调制器）产生调制悉的环行调制器（平衡调制器）产生调制信号的方法。信号的方法。 这时，注意作为控制开关用的基带信这时

37、，注意作为控制开关用的基带信号应是双极性脉冲，即把原号应是双极性脉冲，即把原“1”码变为码变为+1电位；把电位；把“0”码变为码变为-1电位，这只要加上电位，这只要加上直流移位电压即可做到。直流移位电压即可做到。 图图2-6（a）移相的原理是：当基带信）移相的原理是：当基带信号为号为“+1”时，上、下两个二极管导通。时，上、下两个二极管导通。 根据变压器同名端（图中根据变压器同名端（图中者为同名端）者为同名端）的原理，此时输出端载波的初始相位与输的原理，此时输出端载波的初始相位与输入端相同；当基带信号为入端相同；当基带信号为“-1”时，中间两时，中间两个二极管导通（上、下两个二极管截止），个二

38、极管导通（上、下两个二极管截止），此时输出端载波的初始相位与输入端反相，此时输出端载波的初始相位与输入端反相，从而达到了移位的目的。从而达到了移位的目的。 图图2-6（b）是相位选择法的方案图，）是相位选择法的方案图，首先发出载波，其相位为首先发出载波，其相位为0，再经倒相器将，再经倒相器将载波移相载波移相，从而准备了具有，从而准备了具有0相位和相位和相相位的两种载波信号。位的两种载波信号。 基带信号中的基带信号中的“1”码控制（相乘）码控制（相乘）0相相位载波信号再输出；位载波信号再输出；“0”码（通过基带码码（通过基带码倒相器变为倒相器变为“1”码）控制（相乘）码）控制（相乘）相位载相位载

39、波信号再输出。从而获得了绝对移相的已波信号再输出。从而获得了绝对移相的已调信号。调信号。 解调：解调： 相干解调方式：需要在接收端知道发相干解调方式：需要在接收端知道发射载波的频率和相位（恢复相干载波以用射载波的频率和相位（恢复相干载波以用于与接收的已调信号相乘）。由于于与接收的已调信号相乘）。由于2PSK信信号中无载波频率分量，所以无法从接收的号中无载波频率分量，所以无法从接收的已调信号中直接提取相干载波。一般采用已调信号中直接提取相干载波。一般采用倍频倍频/分频法。分频法。 下面介绍一种可解调下面介绍一种可解调2PSK信号的相干信号的相干检测法，又称为极性比较法，电路原理方检测法，又称为极

40、性比较法，电路原理方框图见图框图见图2-7（a）。）。 将输入将输入2PSK信号信号s(t)作全波整流，使整作全波整流，使整流后的信号中含有流后的信号中含有2fc频率的周期波，再利频率的周期波，再利用窄带滤波器取出用窄带滤波器取出2fc频率的周期信号，再频率的周期信号，再经限幅、二分频电路得到载波经限幅、二分频电路得到载波fc，最后经，最后经过相乘器再经低通滤波进行相干解调即可过相乘器再经低通滤波进行相干解调即可得输出基带信号。图中的低通滤波器常指得输出基带信号。图中的低通滤波器常指积分器。积分器。 这种这种2PSK信号的解调存在一个问题，信号的解调存在一个问题，即即2分频器电路输出存在相位不

41、定性或称相分频器电路输出存在相位不定性或称相位模糊问题。位模糊问题。 当二分频器电路输出的相位不定时，当二分频器电路输出的相位不定时，相干解调的输出基带信号就会存在相干解调的输出基带信号就会存在0或或1倒倒相现象，这就是相现象，这就是2PSK方式不能直接应用的方式不能直接应用的原因所在。解决这一问题的方法就是采用原因所在。解决这一问题的方法就是采用相对调相，即相对调相，即2DPSK方式。方式。 (2) 相对调相信号的产生与解调相对调相信号的产生与解调 调制：调制： 根据前面的知识点可知，根据前面的知识点可知，2DPSK信号信号与与2PSK信号之间存在着内在的联系。信号之间存在着内在的联系。 只

42、要将输入的基带数据序列变换成相只要将输入的基带数据序列变换成相对序列，即差分码序列，然后用相对序列对序列，即差分码序列，然后用相对序列去进行绝对调相，便可得到去进行绝对调相，便可得到2DPSK信号，信号，如图如图2-8（a）所示。）所示。 设设an，Dn，分别表示绝对码序列和差，分别表示绝对码序列和差分码序列，其相应关系为分码序列，其相应关系为 (2-9)1nnnDaD 式中，式中， 为模为模2加。按上式计算时，初加。按上式计算时，初始值始值Dn-1可以任意假定。按式可以任意假定。按式(2-9)应有：应有：当当an =1时，时，DnDn-1；当；当an =0时，时，Dn = Dn-1。例如：。

43、例如： 上例中的两个上例中的两个Dn 序列都可以作为差分序列都可以作为差分码序列，不管用哪一个序列，最后的结果码序列，不管用哪一个序列，最后的结果都是一样的。都是一样的。 解调：解调： 2DPSK的解调有两种方法：极性比较的解调有两种方法：极性比较法和相位比较法。图法和相位比较法。图2-8（b）所示是极性）所示是极性比较法的实现原理框图。比较法的实现原理框图。 极性比较法是对极性比较法是对2DPSK信号先进行信号先进行2PSK解调，然后用码变换器将差分码变为解调，然后用码变换器将差分码变为绝对码。在进行绝对码。在进行2PSK解调时，可能会出现解调时，可能会出现“1”，“0”倒相现象，但由差分码

44、变换为倒相现象，但由差分码变换为绝对码后的码序列是唯一的，即与倒相无绝对码后的码序列是唯一的，即与倒相无关。关。 接收端码变换器的功能是完成接收端码变换器的功能是完成Dn an。由式由式(2-9)运算，应有运算，应有 （2-10）1nnnDDa 可见不论倒相与否，可见不论倒相与否，Dn与与Dn-1总是相总是相与的关系。与的关系。 2DPSK信号的另一种解调方法是相位信号的另一种解调方法是相位比较，又称差分相干解调法。比较，又称差分相干解调法。 3PSK (1) 多相调相的概念多相调相的概念 即用多种相位或相位差来表示数字数即用多种相位或相位差来表示数字数据信息。据信息。 如果把输入二进制数据的

45、每如果把输入二进制数据的每k比特变成比特变成一组，则构成所谓的一组，则构成所谓的k比特码元，每一个比特码元，每一个k比特码元都有比特码元都有2k种不同状态，因而必须用种不同状态，因而必须用M=2k种不同相位或相位差来表示，称为种不同相位或相位差来表示，称为M相调相。即用一种相位去携带一组二进制相调相。即用一种相位去携带一组二进制信息码，如图信息码，如图2-9（b）、（）、（c）所示。）所示。 四相调相，既可以表示为四相调相，既可以表示为QPSK，也，也可以表示为可以表示为4PSK，它是用载波的四种不同，它是用载波的四种不同相位来表征传送的数据信息，如图相位来表征传送的数据信息，如图2-9（b）

46、所示。所示。 在在QPSK调制中，首先对输入的二进调制中，首先对输入的二进制串数据按二位数字编成一组，我们把由制串数据按二位数字编成一组，我们把由两个二进制码组成的码元称为双比特码元，两个二进制码组成的码元称为双比特码元，其组合共有其组合共有22种：种：00、01、10、11，即有，即有22=4种不同状态，故可以用种不同状态，故可以用M22=4种不种不同相位或相位差来表示，这里同相位或相位差来表示，这里M22=4，故称为四相调相。故称为四相调相。 八相调制方式时，在一个码元时间内八相调制方式时，在一个码元时间内可传送可传送3位码，其组合共有位码，其组合共有23种，即有种，即有23种种不同状态：

47、不同状态：000、001、010、011、100、101、110、111，故可以用，故可以用M23种不同相种不同相位或相位差来表示，这里位或相位差来表示，这里M23=8，故称，故称为八相调相。为八相调相。 采用多相调制的级数愈多，系统的传采用多相调制的级数愈多，系统的传输速率愈高，但相邻载波之间的相位差愈输速率愈高，但相邻载波之间的相位差愈小，接收时要区分它们的困难程度就愈大，小，接收时要区分它们的困难程度就愈大，将使误码率增加。将使误码率增加。 (2) 四相调制的两种调相关系四相调制的两种调相关系 四相调制相是用载波（连续波）的四四相调制相是用载波（连续波）的四种相位（起始相位）与两位二进制

48、信息码种相位（起始相位）与两位二进制信息码（双比特码）的组合（双比特码）的组合（00、01、11、10）对应。对应。 其中两位二进制信息码，前一位信息其中两位二进制信息码，前一位信息比特用比特用A代表，后一位信息比特用代表，后一位信息比特用B代表，代表，用用AB表示双比特码，且相邻双比特码之间，表示双比特码，且相邻双比特码之间，只有一位不同，这种排列关系叫格雷码，只有一位不同，这种排列关系叫格雷码，也叫循环码。也叫循环码。 在多相调制信号进行解调时，这种码在多相调制信号进行解调时，这种码型有利于减少相邻相位误判而造成的误码，型有利于减少相邻相位误判而造成的误码，可提高数字信号频带传输的可靠性。

49、可提高数字信号频带传输的可靠性。 若在载波的一个周期（若在载波的一个周期（2）内均匀地）内均匀地分成四种相位，可有两种方式，即（分成四种相位，可有两种方式，即（0、/2，3/2）和（）和（/4，3/4，5/4，7/4）两种。两种。 故四相调相电路与这两种方式对应，故四相调相电路与这两种方式对应，就有就有/2调相系统和调相系统和/4调相系统之分。两调相系统之分。两个系统双比特码与已调波起始相位的对应个系统双比特码与已调波起始相位的对应关系示于表关系示于表2-1。 根据表根据表2-1的相位关系，可画出四相调的相位关系，可画出四相调相已调波在两种调相系统中的矢量图，分相已调波在两种调相系统中的矢量图

50、，分别示于图别示于图2-10 的（的（a）、（）、（b）。图）。图2-10 （c）、（）、（d）是两种调相系统已调波的起）是两种调相系统已调波的起始相位点位置的示意图。始相位点位置的示意图。 (3) 四相调相的方式四相调相的方式 四相调相也有绝对调相和相对调相两四相调相也有绝对调相和相对调相两种方式，分别记作种方式，分别记作4PSK和和4DPSK。 绝对调相的载波起始相位与双比特码绝对调相的载波起始相位与双比特码之间有一种固定的对应关系；之间有一种固定的对应关系； 相对调相的载波起始相位与双比特码相对调相的载波起始相位与双比特码之间就没有固定的对应关系，它是以前一之间就没有固定的对应关系，它是

51、以前一时刻双比特码对应的相对调相的载波相位时刻双比特码对应的相对调相的载波相位为参考而确定的。为参考而确定的。 (4) QPSK信号的产生与解调信号的产生与解调 调制：调制： 四相调相的电路有很多种，常见的有四相调相的电路有很多种，常见的有正交调制法和相位选择法。其中正交调制正交调制法和相位选择法。其中正交调制法使用得最为普遍，图法使用得最为普遍，图2-12（a）就是用这）就是用这种方法产生种方法产生4PSK信号的原理图。信号的原理图。 用串并变换电路将输入的二进制序用串并变换电路将输入的二进制序列依次分为两个并行的序列。每一对列依次分为两个并行的序列。每一对AB即即为一个双比特码元。为一个双

52、比特码元。 双极性双极性A和和B数据脉冲分别经过平衡调数据脉冲分别经过平衡调制器，对载波制器，对载波 和与之正交的载波和与之正交的载波 进行二相调相，其中上、下通进行二相调相，其中上、下通路就是路就是2PSK的直接调相法，其中平衡调制的直接调相法，其中平衡调制器即环行调制器。基带信号应是双极性脉器即环行调制器。基带信号应是双极性脉冲。冲。tccos2costc 上通路中，载波相位为上通路中，载波相位为0 当当A信号为信号为“+1”时，此时输出端载波时，此时输出端载波的初始相位与输入端相同（的初始相位与输入端相同（0）；当基带信）；当基带信号为号为“-1”时，输出端载波的初始相位与输时，输出端载

53、波的初始相位与输入端反相（入端反相（），下通路中，载波相位变化），下通路中，载波相位变化/2 当当B信号为信号为“+1”时，此时输出端载波时，此时输出端载波的初始相位与输入端相同（的初始相位与输入端相同（/2）；当基带）；当基带信号为信号为“-1”时，输出端载波的初始相位与时，输出端载波的初始相位与输入端反相（输入端反相（3/2），图），图213（a）所示）所示四相信号的矢量表示图中虚线向量表示两四相信号的矢量表示图中虚线向量表示两路相位关系，将两路输出叠加，即得图路相位关系，将两路输出叠加，即得图213（a）中的实线向量。）中的实线向量。 可见一个可见一个4PSK信号可以看作两种载波信号可以

54、看作两种载波正交的正交的2PSK信号的合成。信号的合成。 注意：我们知道注意：我们知道AB二码元的组合有二码元的组合有00，01，11和和10四种。四种。 当序列由当序列由00到到01，然后到，然后到11，再到，再到10，最后回到最后回到00的过程，其相位路径是沿正方的过程，其相位路径是沿正方形边界变化，只有两个码同时出现改变时，形边界变化，只有两个码同时出现改变时，相位路径将沿对角线变化，即过原点，如相位路径将沿对角线变化，即过原点，如图图2-13（b）所示。）所示。 解调：解调： 由于一个由于一个4PSK信号可以看作两种正交信号可以看作两种正交的的2PSK信号的合成，所以，它可以采用与信号

55、的合成，所以，它可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调。信号类似的解调方法进行解调。 前面已经指出，前面已经指出，2PSK的解调方法采用的解调方法采用相干解调方式，因此相干解调方式，因此4PSK就要用两个正交就要用两个正交的相干载波分别来解调两个分量的相干载波分别来解调两个分量A和和B。 因此图因此图2-12(b)中，上、下两个支路分中，上、下两个支路分别是别是2PSK信号解调器，它们分别用来检测信号解调器，它们分别用来检测双比特码元中的双比特码元中的A和和B码元，然后通过并码元，然后通过并串变换电路还原为串行数据信息。串变换电路还原为串行数据信息。 4OQPSK (1) OQPSK（o

56、ffset:偏移量）信号偏移量）信号 OQPSK称为参差（偏移）四相移相键称为参差（偏移）四相移相键控，它是在控，它是在QPSK基础之上发展起来的。基础之上发展起来的。 从从QPSK的相位矢量图（图的相位矢量图（图2-13）中可）中可以看出，当两位码同时变化时，以看出，当两位码同时变化时，QPSK信信号的相位矢量必将经过原点，这意味着号的相位矢量必将经过原点，这意味着QPSK信号经过滤波器后，其包络将在相信号经过滤波器后，其包络将在相位矢量过原点时为位矢量过原点时为0（此时没有信号），如（此时没有信号），如图图2-16所示，可见此时包络起伏性最大。所示，可见此时包络起伏性最大。 如果再加上卫星

57、信道的非线性及如果再加上卫星信道的非线性及AM/PM效应的影响，那么这种包络的起伏效应的影响，那么这种包络的起伏性将转化为相位的变化，从而给系统引入性将转化为相位的变化，从而给系统引入了相位噪声，严重时会影响系统通信质量，了相位噪声，严重时会影响系统通信质量，因此应尽可能地使调制后的波形具有等幅因此应尽可能地使调制后的波形具有等幅包络特性。包络特性。OQPSK正是在此思路的基础之正是在此思路的基础之上发展起来的。上发展起来的。 由于在由于在QPSK调制中只是当调制中只是当A和和B路的路的符号同时发生变化时，相位路径才会通过符号同时发生变化时，相位路径才会通过原点，因而如果人为地让原点，因而如果

58、人为地让A与与B支路间存在支路间存在一定的时延，那么将使两个支路的跳变时一定的时延，那么将使两个支路的跳变时刻彼此错开（先变刻彼此错开（先变A再变再变B），从而避免相），从而避免相位路径过原点的现象，再也就彻底地消除位路径过原点的现象，再也就彻底地消除了滤波后信号包络过零点的情况。了滤波后信号包络过零点的情况。 此时此时OQPSK的相位矢量变化将如图的相位矢量变化将如图2-17所示。所示。 (2) OQPSK信号的产生与解调信号的产生与解调 调制：调制： 在图在图2-18中给出中给出OQPSK调制解调器的调制解调器的原理示意图，在与图原理示意图，在与图2-12的的QPSK调制解调调制解调进行比

59、较后，我们可以得出这样的结论。进行比较后，我们可以得出这样的结论。 这就是它们之间的区别仅仅在于这就是它们之间的区别仅仅在于OQPSK调制解调器的调制解调器的B支路增加了一个延支路增加了一个延时器，所延时的时间时器，所延时的时间Tb为符号间隔的一为符号间隔的一半，即半，即 。20TTb 本图中即延时本图中即延时1bit。即同相和正交载。即同相和正交载波进行调制的两路二进制码序列，在时间波进行调制的两路二进制码序列，在时间上错开半个码长，所以称这种调相方式为上错开半个码长，所以称这种调相方式为偏移四相移相键控。偏移四相移相键控。 解调：解调： OQPSK信号的相干解调原理也与信号的相干解调原理也

60、与QPSK的相干解调原理相同，同样存在相的相干解调原理相同，同样存在相位模糊问题（通过加入差分编码器解决），位模糊问题（通过加入差分编码器解决），而且由而且由A和和B支路的彼此独立性决定了支路的彼此独立性决定了OQPSK 的相干解调误码性能也与的相干解调误码性能也与QPSK相相同。同。 2.3.3 QAM QAM是正交幅度调制的英文缩写，又是正交幅度调制的英文缩写，又称正交双边带调制。它是将两路独立的基称正交双边带调制。它是将两路独立的基带波形分别对两个相互正交的同频载波进带波形分别对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，所得到的两路行抑制载波的双边带调制，所得到的两路已调信号再进行