常见数字调制方式简述

1、 常见数字调制方式简述常见数字调制方式简述调制技术调制技术n调制调制是对信号源的编码信息进行处理，是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合传输的形式的过程。即使其变为适合传输的形式的过程。即是把基带信号（信源）转变为一个相是把基带信号（信源）转变为一个相对基带信号而言频率非常高的带通信对基带信号而言频率非常高的带通信号。带通信号叫做号。带通信号叫做已调信号已调信号，而基带，而基带信号叫做信号叫做调制信号调制信号。调制可以通过改。调制可以通过改变调制后载波的幅度，相位或者频率变调制后载波的幅度，相位或者频率来实现来实现。数字调制数字调制n调制技术的分类调制技术的分类 按照调制信号的性质分为模拟

2、调制和数字按照调制信号的性质分为模拟调制和数字调制两类调制两类n模拟调制模拟调制 指调制信号和载波都是连续波的调制方式。指调制信号和载波都是连续波的调制方式。它有调幅、调频和调相三种基本形式它有调幅、调频和调相三种基本形式n数字调制数字调制 一般指调制信号是离散的，而载波是连续一般指调制信号是离散的，而载波是连续波的调制方式。波的调制方式。各种数字调制方式各种数字调制方式nASK-ASK-又称幅移键控法。这种调又称幅移键控法。这种调制方式是根据信号的不同，调节制方式是根据信号的不同，调节正弦波的幅度。正弦波的幅度。nPSK-PSK-在相移键控中，载波相位在相移键控中，载波相位受数字基带信号的控

3、制，如二进受数字基带信号的控制，如二进制基带信号为制基带信号为0 0时，载波相位为时，载波相位为0 0，为为1 1时载波相位为时载波相位为, ,载波载波各种数字调制方式各种数字调制方式n相位和基带信号有一一对应的关相位和基带信号有一一对应的关系。系。nFSK-FSK-称频移键控法称频移键控法, ,就是用数字就是用数字信号去调制载波的频率。信号去调制载波的频率。nQAM-QAM-又称正交幅度调制法。根又称正交幅度调制法。根据数字信号的不同，不仅载波相据数字信号的不同，不仅载波相位发生变化，而且幅度也变化位发生变化，而且幅度也变化ASK-数字幅度调制二进制信号的数字幅度调制的数学表达式：其中 =数

4、字幅度调制波 A/2=未调载波幅度（V） =调制二进制信号（V） 载波角频率（rad/s） )cos(2)(1 )(tAtvtvcmam)(tvam)(tvmcASK-数字幅度调制n对于逻辑1输入， =+1,之前表达式简化为： =A )(tvm)cos(211 )(tAtvcam)cos(tcASK-数字幅度调制n对于逻辑0输入而言，则有 =-1，之前表达式简化为 =0 )(tvm)cos(211 )(tAtvcamASK-数字幅度调制波形图FSK-频移键控频移键控 频移键控（频移键控（FSKFSK）是一种相对简单的数字）是一种相对简单的数字调制，二进制调制，二进制FSKFSK基本表达式为：基

5、本表达式为： 其中，其中， = =二进制二进制FSKFSK波形波形 = =载波幅度峰值（载波幅度峰值（V V） = =频率偏移量峰值（频率偏移量峰值（HzHz） = =二进制输入调制信号（二进制输入调制信号（1）)(2cos)(tftvfVtvmccfsk)(tvfskcV)(tvmfFSK-频移键控频移键控 调制信号是一个普通二进制波形 ，其中逻辑1=+1，逻辑0=-1。这样，对于逻辑1输入， =+1，之前基本表达式可以写为：)(tvm2cos)(tffVtvccfskFSK-频移键控频移键控 对逻辑0输入而言， =-1，基本表达式可以写成：)(tvm2cos)(tffVtvccfsk频移键

6、控原理图 BPSK-二进制相移键控 采用二进制相移键控（BPSK），一个载波频率可以有两个输出相位。一个相位输出代表逻辑1，另一个代表逻辑0。当输入数字信号改变状态，两个角度的输出载波的相位偏移相差180度。BPSK也可称为相位反转键控（PRK）和双相调制。BPSK真值表二进制输入输出相位逻辑0逻辑1180度0度BPSK相位图 BPSK星座图 BPSK调制器的输出相位和时间关系 QPSK-四相相移键控 四相相移键控（QPSK），或称为正交PSK，是另一种角度调制、等幅数字调制形式。采用QPSK，一个载波上可能有四个输出相位。因为有四个不同的输出相位，必须有四个不同的输入QPSK-四相相移键控

7、条件，就要采用多于一个输入位。用二位时有四个可能的条件：00、01、10、11。所以采用QPSK，二进制输入数据被合并成两比特一组，称为双比特组，每个双比特组码产生4个可能输出相位中的一个。因此，对于每个两比特的双比特组依序进入调制器，QPSK-四相相移键控 会生成一个输出变化。输出端的变化速率（波特率）是1/2的输入比特率。QPSK真值表二进制输入QPSK输出相位Q I0 00 11 01 1-135度-45度+135度+45度QPSK相位图 QPSK星座图 QPSK四相相移键控n由星座图和相位图可见，QPSK的4个输出相位有相等的幅度。等幅的特点是PSK区别QAM的最重要的特点。同样，从星

8、座图中可以看到，通常QPSK两个相邻相位的差值为90度，因此，在传输时QPSK信号也可以相位偏移45度和45度，接收端解码仍可得到正确的解码信息。QPSK调制器输出相位和时间关系图 8PSK-8相相移键控 8PSK有8个可能的输出相位。对8个不同的相位进行编码，输入比特以每组3比特划分，又称3比特组(2的三次方是8)8PSK真值表二进制输入8PSK输出相位Q I C0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1-112.5度-157.5度-67.5度-22.5度+112.5度+157.5度+67.5度+22.5度8PSK相位图 8PSK星座图n 8PSK8相相

9、移键控n由相位图和星座图可以看出，任意两个相邻相量的夹角是45度，是QPSK的1/2。因此，8PSK信号在传输时几乎偏移22.5度，但仍可保持其完整性。同样，每个相量的大小是相同的，其3比特组条件仅仅包含在信号的相位中。1.307和8PSK8相相移键控n0.541只是相对值。只要它们的比是0.541/1.307以及反正切等于22.5度，任何电平都可以使用。例如，如果它们的电平加倍为2.614和1.082尽管相量的大小会成比例增加，但得到的相位角也不会改变8PSK调制器输出相位与时间关系 16PSK-16相相移键控 16PSK有16种不同的相位输出。一个16PSK调制器可以将输入数据以4比特为1

10、组划分（2的4次方是16），称为4比特组。采用16PSK，相邻输出相位的夹角是22.5度。16PSK真值表比特编码 相位比特编码 相位0000 11.25度0001 33.75度0010 56.25度0011 78.75度0100 101.25度0101 123.75度0110 146.25度0111 168.75度16PSK真值表比特编码 相位比特编码 相位1000 191.25度1001 213.75度1010 236.25度1011 258.75度1100 281.25度1101 303.75度1110 326.25度1111 348.75度16QPSK星座图 QAM-正交幅度调制n正交

11、幅度调制（QAM）是数字调制的一种方式，数字信息包含在发送载波的幅度和相位内。8QAMn与8PSK不同，8QAM调制器输出的信号不是一个等幅信号。8QAM真值表二进制输入8QAM输出Q I C幅度 相位0 0 00 0 10 1 00 1 10.765V -135度1.848V -135度0.765V -45度1.848V -45度8QAM真值表二进制输入8QAM输出Q I C幅度 相位1 0 01 0 11 1 01 1 10.765V +135度1.848V +135度0.765V +45度1.848V +45度8QAM相位图 8QAM星座图 8QAM输出相位及幅度-时间关系 16QAMn

12、16QAM输入数据以4比特划分为一组（2的4次方是16）.n和8QAM一样，它发送的载波的相位和幅度是可变的。16QAM真值表二进制输入16QAM输出Q Q I I0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10.311V -135度0.850V -165度0.311V -45度0.850V -15度16QAM真值表二进制输入16QAM输出Q Q I I0 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 10.850V -105度1.161V -135度0.850V -75度1.161V -45度16QAM真值表二进制输入16QAM输出Q Q I I1 0 0 01 0 0 11

13、0 1 01 0 1 10.311V +135度0.850V +165度0.311V +45度0.850V +15度16QAM真值表二进制输入16QAM输出Q Q I I1 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10.850V +105度1.161V +135度0.850V +75度1.161V +45度16QAM相位图 16QAM星座图 M元编码的最小带宽nM元是指该种调制方式的可能输出状态为M种，如BPSK中M2，QPSK中M4，8PSK和8QAM中M8，16PSK和16QAM中M16。编码比特数的数学表达式为： MN2logM元编码的最小带宽n其中N为该调制方式下每种状态对应

14、的编码比特数n通过M元数字调制载波的所需最小带宽为： MfBb2logM元编码的最小带宽n其中，B最小带宽（Hz） fb=输入比特率（b/s） M=输出状态数（无单位） M元编码的最小带宽n由上式可以推算出各种调制方式所需最小带宽（假设输入比特率fb） 调制方式调制方式M最小带宽最小带宽BPSKQPSK8PSK16PSK8QAM16QAM24816816fbfb/2fb/3fb/4fb/3fb/4各种调制方式带宽效率比较 由之前介绍可知传输速率10Mb/s的信号所需的最小带宽如下：调制方案最小带宽（MHz）BPSKQPSK8PSK16QAM1053.332.5各种调制方式带宽效率比较n代入公式

15、 带宽效率=传输率/最小带宽，得到带宽效率如下： BPSK：带宽效率=(10Mb/s)/10MHz =1比特/周期 QPSK：带宽效率=(10Mb/s)/5MHz =2比特/周期各种调制方式带宽效率比较n8PSK：带宽效率=(10Mb/s)/3.33MHz =3比特/周期 16QAM：带宽效率=(10Mb/s)/2.5MHz =4比特/周期 结果说明BPSK的带宽效率最低，而16QAM最高，在相同输入比特率下，16QAM所需带宽等于BPSK的1/4PSK误码性能n各种多相制数字调制系统的误比特率性能是与星座图中各点之间的距离有直接关系。BPSK误码区BPSK误码n从BPSK状态空间图上可以看到

16、，对于给定功率电平的两个信号点（逻辑1 和逻辑0）有最大间隔（d）。而且一个BPSK信号状态是另一个状态的负值。如图示，噪声相量VN与信号相量VS合成，形成相位偏移角度的信号码元VSE。如果相位偏移超过正负90度，信号码元即偏移到超过阈值进入误码区。BPSK误码n对BPSK而言，如果产生大于90度的相位偏移，就会产生一个误码，90度就是BPSK的阈值。PSK系统中，阈值的一般公式是： 其中，M是信号状态数MTPQPSK误码区QPSK误码n从图可以知道，QPSK只允许正负45度相移。由PSK阈值公式可知，8PSK和16PSK的最大相移分别是正负22.5度和正负11.25度。M元PSK系统的误比特

17、率n一个M元PSK系统的误比特率的一般表达式： )(log1)(2zerfMePM元PSK系统的误比特率n其中，erf=误差函数 dxezerfzx022)()(log(sin02NEMMzbM元PSK系统的误比特率n从以上各式可以得出2、4、8、16、32PSK系统Eb/N0函数的误码性能。nEb是单个比特能量（J/b）,其值等于载波功率/比特率。nN0是噪声功率密度（W/Hz），其值等于热噪声功率/带宽nEb/N0等于载噪功率比（带宽/比特率） QAM误码性能nLQAM系统的误比特率的表达式为： 其中，erfc(z)是补误差函数。 )()1(log1)(2zerfcLLLePQAM误码性能ztdtezerfc22)(021logNELLzbQAM误码性能n下图给出4、16、32、64QAM系统E