第八章 数字调制系统数字调制系统的分类

1、第八章 数字调制系统知识结构- 数字调制系统的分类- 二进制数字调制系统（含2ASK/2FSK/2PSK/2DPSK）- 多进制数字调制系统（选讲4PSK/4DPSK/QAM部分内容）- 现代数字调制技术简介（选讲MSK/OQPSK部分内容）教学目的- 了解二进制数字调制系统的原理及其抗噪声性能- 掌握OOK、2FSK、2PSK、2DPSK、QPSK和4DPSK信号的调制与解调的原理、方框图及其各点波形- 了解MSK、OQPSK等的调制和解调原理教学重点- 二进制数字调制系统原理、波形、频谱、带宽- 现代调制系统的基本思想和发展趋势教学难点- 调制信号的波形和带宽的画法- 现代体制系统的原理教

2、学方法及课时- 多媒体授课（10学时）（分5个单元）备注本章是本课的重点章节之一 单元十七（2学时）§8.1 引言（数字调制的特点和分类）知识要点：数字调制的特点和分类我们曾在第一章给同学们讲过“数字通信系统”具有很多优点。其中最重要的一点是数字信号的再生性。数字调制将基带数字信号搬移到更适于传输的高频带，同时将数字信息加载到高频载波的某一参数上，从而在接收端实现再生。虽然从过程上，数字调制似乎与模拟调制类似，但二者最大的区别是，模拟信号在传输过程中引入的噪声是无法在接收端完全消除的。而数字调制则有可能（S/N比较好时）做到这一点。根据基带信号的电平数不同，数字调制分为二进制数字调制

3、和多进制数字调制；按载波携带信息的参数不同，数字调制又可分为幅度键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。数字调制还具有一个优点，就是上述几个参数可以结合使用。例如QAM本质上就是ASK与PSK的一种结合调制方式。§8.2 二进制数字幅度调制（2ASK）知识要点：2ASK的调制解调原理 2ASK信号波形 2ASK信号带宽§ 2ASK原理与实现方法 数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键控记作2ASK。2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示

4、发送“0”。借助于第3章幅度调制的原理，2ASK信号可表示为                                        （8-1）式中，为载波角频率，为单极性NRZ矩形脉冲序列 &

5、#160;                                    （8-2）其中，是持续时间为、高度为1的矩形脉冲，常称为门函数；为二进制数字       

6、0;                     （8-3）2ASK信号的产生方法（调制方法）有两种，如图8-1所示。图（a）是一般的模拟幅度调制方法，不过这里的由式（8-2）规定；图（b）是一种键控方法，这里的开关电路受控制。图（c）给出了及的波形示例。二进制幅度键控信号，由于一个信号状态始终为0，相当于处于断开状态，故又常称为通断键控信号（OOK信号）。图8-1 2ASK产生原理框图和示意波形2A

7、SK信号解调的常用方法主要有两种：包络检波法和相干检测法。包络检波法的原理方框图如图8-2所示。带通滤波器（BPF）恰好使2ASK信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。低通滤波器（LPF）的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。不计噪声影响时，带通滤波器输出为2ASK信号，即，包络检波器输出为。经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。图8-2 2ASK的包络（非相干）解调原理框图相干检测法原理方框图如图8-3所示。相干检测就是同步解调，要求接收机产

8、生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。利用此载波与收到的已调信号相乘，输出为图8-3 2ASK的相干解调原理框图经低通滤波滤除第二项高频分量后，即可输出信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。虽然2ASK信号中确实存在着载波分量，原则上可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波，但这会给接收设备增加复杂性。因此，实际中很少采用相干解调法来解调2ASK信号。§ 2ASK信号的功率谱及带前面已经得到，一个2ASK信号可以表示成  &#

9、160;                                      （8-4）这里，是代表信息的随机单极性矩形脉冲序列现设的功率谱密度为，的功率谱密度为，则由式（8-4）可以证得   

10、                        （8-5）可按照第7章中介绍的方法直接导出。对于单极性NRZ码，有                     &#

11、160;          （8-6）代入式（8-5），得2ASK信号功率谱           （5-7）其示意图如图8-4所示。图8-4  2ASK信号的功率谱（1）2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中，连续谱取决于数字基带信号经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定。（2）如同第5章分析过的双边带调制一样，2ASK信号的带宽是数字基带信号带宽的两倍

12、                                   （5-8）（3）因为系统的传码率（Baud），故2ASK系统的频带利用率为         

13、0;                       （5-9）这意味着用2ASK方式传送码元速率为的二进制数字信号时，要求该系统的带宽至少为（Hz）。 单元十八（2学时）§8.3 二进制数字频率调制（2FSK）知识要点：2FSK的调制解调原理 2FSK信号波形 2FSK信号带宽§8.3.1 2FSK原理与实现方法数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键

14、控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。2FSK信号的产生方法及波形示例如图8-5所示。图中为代表信息的二进制矩形脉冲序列，

15、即是2FSK信号。图8-5 2FSK产生原理框图和示意波形根据以上2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为                         （8-10）其中，为单极性非归零矩形脉冲序列            &

16、#160;                              （8-11）                   

17、                   （8-12）是持续时间为、高度为1的门函数；为对逐码元取反而形成的脉冲序列，即                         &#

18、160;                  （8-13）是的反码，即若=0，则=1；若=l，则=0，于是                           &

19、#160;          （8-14）分别是第个信号码元的初相位。一般说来，键控法得到的与序号无关，反映在上，仅表现出当与改变时其相位是不连续的；而用模拟调频法时，由于与改变时的相位是连续的，故不仅与第个信号码元有关，而且之间也应保持一定的关系。由式（8-10）可以看出，一个2FSK信号可视为两路2ASK信号的合成，其中一路以为基带信号、为载频，另一路以为基带信号、为载频。图8-6给出的是用键控法实现2FSK信号的电路框图，两个独立的载波发生器的输出受控于输入的二进制信号，按“1”或“0”分别选择一个

20、载波作为输出。图8-6 键控法实现2FSK信号的电路框图§8.3.1 2FSK信号的解调数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。鉴频法的原理已在第3章介绍过，下面仅就相干检测法、非相干检测法、过零检测法和差分检测法进行介绍。1. 滤波+包络检波法2FSK信号的包络检波法解调方框图如图8-7所示，其可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同，分别为、）起分路作用，用以分开两路2ASK信号，上支路对应，下支路对应，经包络检测后分别取出它们的包络及；抽样判决器起比较器作用，把两路

21、包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路及的抽样值分别用表示，则抽样判决器的判决准则为图8-7  2FSK信号包络检波方框图2. 相干检测法相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图8-8所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。图8-8  2FSK同步检测方框图3. 过零检测法单位时

22、间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。过零检测法方框图及各点波形如图8-9所示。2FSK输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列，经微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点。尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量。这样就完成了频率幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。图8-9&#

23、160; 过零检测法方框图及各点波形图§8.3.2 2FSK信号的功率谱及带宽式（8-10）告诉我们，一个2FSK信号可视为两个2ASK信号的合成                        （8-15）因此，2FSK信号的功率谱亦为两个2ASK功率谱之和。根据2ASK信号功率谱的表示式，并考虑到式（8-11）式（8-14）关于、的规定，可以得到

24、这种2FSK信号功率谱的表示式为      （8-16）其中，为基带信号的功率谱。当是单极性NRZ波形且“0”、“1”等概出现时，引用7.2节例7.1的结果，有                               

25、0;   （8-17）代入式（8-16），得2FSK信号的功率谱为            （8-18）其功率谱曲线如图8-10所示。图8-10  2FSK信号的功率谱从以上分析可见：（1）2FSK信号的功率谱与2ASK信号的功率谱相似，同样由离散谱和连续谱两部分组成。其中，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上，这表明2FSK信号中含有载波、的分量。（2）连续谱的形状随着的大小而异。出现双峰；出现单峰。（3）2FSK信

26、号的频带宽度为                                     （8-19）式中，是基带信号的带宽；为频偏；为偏移率（或频移指数）。可见，当码元速率一定时，2FSK信号的带宽比2ASK信号的带宽要宽。通常为了便于接收

27、端检测，又使带宽不致过宽，可选取，此时，是2ASK带宽的两倍，相应地系统频带利用率只有2ASK系统的1/2。 单元十九（2学时）§8.4 二进制数字相位调制（2PSK和2DPSK）知识要点：2PSK/2DPSK的调制解调原理 2PSK/2DPSK信号波形 2PSK/2DPSK信号带宽§ 二进制相移键控（2PSK）1. 2PSK的一般原理及实现方法绝对相移是利用载波的相位（指初相）直接表示数字信号的相移方式。二进制相移键控中，通常用相位0和来分别表示“0”或“1”。2PSK已调信号的时域表达式为       

28、;                          （8-20）这里，与2ASK及2FSK时不同，为双极性数字基带信号，即                   

29、;                  （8-21）式中，是高度为1，宽度为的门函数；                             

30、;   （8-22）因此，在某一个码元持续时间内观察时，有，或                （8-23）当码元宽度为载波周期的整数倍时，2PSK信号的典型波形如图8-11所示图8-11  2PSK信号的典型波形2PSK信号的调制方框图如图8-12示。图（a）是产生2PSK信号的模拟调制法框图；图（b）是产生2PSK信号的键控法框图。图8-12  2PSK调制器框图就模拟调制法

31、而言，与产生2ASK信号的方法比较，只是对要求不同，因此2PSK信号可以看作是双极性基带信号作用下的DSB调幅信号。而就键控法来说，用数字基带信号控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。2PSK信号属于DSB信号，它的解调，不再能采用包络检测的方法，只能进行相干解调，其方框图如图8-13。工作原理简要分析如下。图8-13 2PSK信号接收系统方框图不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为              

32、;             （8-24）式中为2PSK信号某一码元的初相。时，代表数字“0”；时，代表数字“1”。与同步载波相乘后，输出为       （8-25）经低通滤波器滤除高频分量，得解调器输出为                 &

33、#160;      （8-26）根据发端产生2PSK信号时（0或）代表数字信息（“1”或“0”）的规定，以及收端与的关系的特性，抽样判决器的判决准则为                               （8-28）其中为在抽样时刻的值。2

34、PSK接收系统各点波形如图8-14所示。图8-14 2PSK解调各点波形可见，2PSK信号相干解调的过程实际上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称为极性比较法解调。由于2PSK信号实际上是以一个固定初相的末调载波为参考的，因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载波的相位发生变化，如0相位变为相位或相位变为0相位，则恢复的数字信息就会发生“0”变“1”或“1”变“0”，从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相，而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒”现象或“反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，造成反向工作。由于习惯上画波形时以正弦形式画图较方便，

35、这与数学式常用余弦形式表示载波有些不一致，请同学们看图时注意。2. 2PSK信号的频谱和带宽比较式（8-20）和（8-1）可知，2PSK信号与2ASK信号的时域表达式在形式上是完全相同的，所不同的只是两者基带信号的构成，一个由双极性NRZ码组成，另一个由单极性NRZ码组成。因此，求2PSK信号的功率谱密度时，也可采用与求2ASK信号功率谱密度相同的方法。2PSK信号的功率谱密度可以写成                 

36、0;             （8-29）其中基带数字信号的功率谱密度可按照节中介绍的方法直接推出。对于双极性NRZ码，引用节例7.2的结果，有                            

37、                 （8-30）需要注意的是，该式是在双极性基带信号“0”、“1”等概（）出现的条件下获得的，一般情况下，当时，中将含有直流分量。将上式代入式（8-29），得                 （8-31）2PSK信号功率谱示意图如图8-15

38、所示。图8-15  2PSK信号的功率谱（1）当双极性基带信号以相等的概率（）出现时，2PSK信号的功率谱仅由连续谱组成。而一般情况下，2PSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中，连续谱取决于数字基带信号经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定。（2）2PSK的连续谱部分与2ASK信号的连续谱基本相同（仅差一个常数因子）。因此，2PSK信号的带宽、频带利用率也与2ASK信号的相同               

39、                  （8-32）                                

40、;  （8-31）其中，为数字基带信号带宽。这就表明，在数字调制中，2PSK（后面将会看到2DPSK也同样）的频谱特性与2ASK十分相似。相位调制和频率调制一样，本质上是一种非线性调制，但在数字调相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化。这样一来，数字调相同线性调制的数字调幅就联系起来了，为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。但是不能把上述概念推广到所有调相信号中去。§ 二进制差分相移键控（2DPSK）1. 一般原理及实现方法二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，

41、而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。假设相对载波相位值用相位偏移表示，并规定数字信息序列与之间的关系为图8-16 2DPSK的波形则按照该规定可画出2DPSK信号的波形如图8-16所示。由于初始参考相位有两种可能，因此2DPSK信号的波形可以有两种（另一种相位完全相反，图中未画出）。为便于比较，图中还给出了2PSK信号的波形。（1）与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破

42、坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。这就避免了2PSK方式中的“倒”现象发生。由于相对移相调制无“反问工作”问题，因此得到广泛的应用。（2）单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的，比如图8-16中2DPSK也可以是另一符号序列（见图中下部的序列，称为相对码，而将原符号序列称为绝对码）经绝对移相而形成的。这说明，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。这就为2DPSK信号的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。这里的相对码，就是4.1节中

43、介绍的差分码，其是按相邻符号不变表示原数字信息“0”，相邻符号改变表示原数字信息“1”的规律由绝对码变换而来的。 绝对码和相对码是可以互相转换的，其转换关系为                            （8-32）        

44、;                    （8-33）这里，表示模二和。使用模二加法器和延迟器（延迟一个码元宽度）可以实现上述转换，如图8-17（a）、（b）所示。其中，图（a）是把绝对码变成相对码的方法，称其为差分编码器；图（b）是把相对码变为绝对码的方法，称其为差分译码器。图8-17 绝对码和相对码的相互转换由以上讨论可知，相对相移本质上就是对由绝对码转换而来的差分码的数字信号序列的绝对相移。那么，2D

45、PSK信号的表达式与2PSK的形式（8-20）应完全相同，所不同的只是此时式中的信号表示的是差分码数字序列。即                         （8-34）这里               &#

46、160;          （8-35）实现相对调相的最常用方法正是基于上述讨论而建立的，如图8-18所示。首先对数字信号进行差分编码，即由绝对码表示变为相对码（差分码）表示，然后再进行2PSK调制（绝对调相）。2PSK调制器可用前述的模拟法如图8-18（a），也可用键控法 如图8-18（b）。图8-18 2DPSK调制器框图2DPSK信号的解调有两种解调方式，一种是差分相干解调，另一种是相干解调-码变换法。后者又称为极性比较码变换法。（1）相干解调-码变换法。此法即是2PSK解调加差分译码，其方框图见图

47、8-19。2PSK解调器将输入的2DPSK信号还原成相对码，再由差分译码器（码反变换器）把相对码转换成绝对码，输出。图8-19 相干解调-码变换法解调2DPSK框图（2）差分相干解调法。它是直接比较前后码元的相位差而构成的，故也称为相位比较法解调，其原理框图如图8-20（a）所示。图8-20 2DPSK差分相干解调框图及其各点波形这种方法不需要码变换器，也不需要专门的相干载波发生器，因此设备比较简单、实用。图中延时电路的输出起着参考载波的作用。乘法器起着相位比较（鉴相）的作用。图8-20（b）以数字序列=1011001为例，给出了2DPSK信号差分相干解调系统各点波形。据此，极易分析其工作原理

48、。2. 2DPSK信号的频谱和带宽由前讨论可知，无论是2PSK还是2DPSK信号，就波形本身而言，它们都可以等效成双极性基带信号作用下的调幅信号，无非是一对倒相信号的序列。因此，2DPSK和2PSK信号具有相同形式的表达式，所不同的是2PSK表达式中的是数字基带信号，2DPSK表达式中的是由数字基带信号变换而来的差分码数字信号。据此，有以下结论：（1）2DPSK与2PSK信号有相同的功率谱，如图8-15所示。（2）2DPSK与2PSK信号带宽相同，是基带信号带宽的两倍，即          &#

49、160;                     （8-36）（3）2DPSK与2PSK信号频带利用率也相同，为                        

50、          （8-37）§8.5 二进制数字调制系统的性能比较本节要点：几种二进制数字调制在误码率和带宽等方面的优劣本节我们将以前三节对二进制数字调制系统的研究为基础，对各种二进制数字调制系统的性能进行总结、比较。内容包括系统的误码率、频带宽度及频带利用率、对信道的适应能力、设备的复杂度等。1. 误码率在数字通信中，误码率是衡量数字通信系统最重要性能指标之一。表8-1列出了各种二进制数字调制系统误码率公式。表8-1 二进制数字调制系统误码率及信号带宽名称2DPSK2PSK2FSK2ASK

51、相干检测（相干-码变换）相干检测（）（相干-码变换）非相干检测带宽备注 应用这些公式时要注意的一般条件是：接收机输入端出现的噪声是均值为0的高斯白噪声；未考虑码间串扰的影响；采用瞬时抽样判决；要注意的特殊条件已在表的备注中注明。表8-1中所有计算误码率的公式都仅是的函数。式中，是解调器输入端的信号噪声功率比。对二进制数字调制系统的抗噪声性能做如下两个方面的比较：（1）同一调制方式不同检测方法的比较可以看出，对于同一调制方式不同检测方法，相干检测的抗噪声性能优于非相干检测。但是，随着信噪比的增大，相干与非相干误码性能的相对差别越不明显。另外，相干检测系统的设备比非相干的要复杂。（2）同

52、一检测方法不同调制方式的比较1）相干检测时，在相同误码率条件下，对信噪比的要求是：2PSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB；2）非相干检测时，在相同误码率条件下，对信噪比的要求是：2DPSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB。反过来，若信噪比一定，2PSK系统的误码率低于2FSK系统，2FSK系统的误码率低于2ASK系统。因此，从抗加性白噪声上讲，相干2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最差。2. 频带宽度各种二进制数字调制系统的频带宽度也示于表8-1中，其中为传输码元的时间宽度。可以看出，2ASK系统和2PSK（2DPSK）系统频带宽度相同，均为，是码元传输速率

53、的二倍；2FSK系统的频带宽度近似为，大于2ASK系统和2PSK（2DPSK）系统的频带宽度。因此，从频带利用率上看，2FSK调制系统最差。3. 对信道特性变化的敏感性信道特性变化的灵敏度对最佳判决门限有一定的影响。在2FSK系统中，是比较两路解调输出的大小来做出判决的，不需人为设置的判决门限。在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限为0，与接收机输入信号的幅度无关。因此，判决门限不随信道特性的变化而变化，接收机总能工作在最佳判决门限状态。对于2ASK 系统，判决器的最佳判决门限为（当时），它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度将随之发生变化，从而导致最佳判决门

54、限随之而变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，误码率将会增大。因此，从对信道特性变化的敏感程度上看，2ASK调制系统最差。当信道有严重衰落时，通常采用非相干解调或差分相干解调，因为这时在接收端不易得到相干解调所需的相干参考信号。当发射机有严格的功率限制时，则可考虑采用相干解调，因为在给定的传码率及误码率情况下，相干解调所要求的信噪比比非相干解调小。4. 设备的复杂程度就设备的复杂度而言，2ASK、2PSK及2FSK发端设备的复杂度相差不多，而接收端的复杂程度则和所用的调制和解调方式有关。对于同一种调制方式，相干解调时的接收设备比非相干解调的接收设备复杂；同为非相干解调时，2DPSK的接

55、收设备最复杂，2FSK次之，2ASK的设备最简单。通过从以上几个方面对各种二进制数字调制系统进行比较可以看出，在选择调制和解调方式时，要考虑的因素是比较多的。只有对系统要求做全面的考虑，并且抓住其中最主要的因素才能做出比较正确的选择。如果抗噪声性能是主要的，则应考虑相干2PSK和 2DPSK，而2ASK最不可取；如果带宽是主要的因素，则应考虑2PSK、相干2PSK、2DPSK以及2ASK，而2FSK最不可取；如果设备的复杂性是一个必须考虑的重要因素，则非相干方式比相干方式更为适宜。目前，在高速数据传输中，相干PSK及DPSK用得较多，而在中、低速数据传输中，特别是在衰落信道中，相干2FSK用得

56、较为普遍。 单元二十（2学时）§8.6 多进制数字调制本节要点：MASKMFSKMPSK(重点是4PSK/4DPSK)所谓多进制数字调制，就是利用多进制数字基带信号去调制高频载波的某个参量，如幅度、频率或相位的过程。根据被调参量的不同，多进制数字调制可分为多进制幅度键控（MASK）、多进制频移键控（MFSK）以及多进制相移键控（MPSK或MDPSK）。也可以把载波的两个参量组合起来进行调制，如把幅度和相位组合起来得到多进制幅相键控（MAPK）或它的特殊形式多进制正交幅度调制（MQAM）等。由于多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个取值，因此，与二进制数字调制相比，多进制数

57、字调制有以下几个特点：（1）在码元速率（传码率）相同条件下，可以提高信息速率（传信率），使系统频带利用率增大。码元速率相同时，进制数传系统的信息速率是二进制的倍。在实际应用中，通常取，为大于1的正整数。（2）在信息速率相同条件下，可以降低码元速率，以提高传输的可靠性。信息速率相同时，进制的码元宽度是二进制的倍，这样可以增加每个码元的能量，并能减小码间串扰影响等。正是基于这些特点，使多进制数字调制方式得到了广泛的使用。不过，获得以上几点好处所付出的代价是，信号功率需求增加和实现复杂度加大。§ 多进制数字幅度调制（MASK）1. MASK信号的波形及表示式多进制数字幅度调制（MASK）又

58、称为多电平调制，它是二进制数字幅度调制方式的推广。进制幅度调制信号的载波振幅有种取值，在一个码元期间内，发送其中的一种幅度的载波信号。MASK已调信号的表示式为                                 （8-38）这里，为进制数字基带信号 

59、60;                               （8-39）式中，是高度为1、宽度为的门函数；有种取值               

60、;                  （8-40）且。图8-21（a）、（b）分别为四进制数字基带信号和已调信号的波形图。图8-21 多（4）进制数字幅度调制波形图8-22多进制数字幅度调制波形的分解不难看出，图8-21（b）的波形可以等效为图8-22诸波形的叠加。而图8-22中的各个波形可表示为           

61、                    （8-41）式中                              （8

62、-42）均为2ASK信号，但它们幅度互不相等，时间上互不重叠。可以不考虑。因此，可以看作由时间上互不重叠的个不同幅度的2ASK信号叠加而成。即                             （8-43）2. MASK信号的频谱、带宽及频带利用率由式（8-43）可知，MASK信号的功率谱是这个2ASK信号的功率

63、谱之和，因而具有与2ASK功率谱相似的形式。显然，就MASK信号的带宽而言，与其分解的任一个2ASK信号的带宽是相同的，可表示为                            （8-44）其中是多进制码元速率。与2ASK信号相比较，当两者码元速率相等（记二进制码元速率为）时，即，则两者带宽相等，即  

64、                      （8-45）当两者的信息速率相等时，则其码元速率的关系为或                   （8-46）其中    

65、60;            （8-47）把式（8-46）代入（8-44）可得              （8-48）可见，当信息速率相等时MASK信号的带宽只是2ASK信号带宽的。通常是以信息速率来考虑频带利用率的，按定义有     （8-49）它是2ASK系统的倍。这说明MASK系统的频带利用率高于2ASK系统的频

66、带利用率。3. MASK信号的调制解调方法实现电平调制的原理框图如图8-23所示，它与2ASK系统非常相似相同。不同的只是基带信号由二电平变为多电平。为此，发送端增加了2-M电平变换器，将二进制信息序列每个分为一组（），变换为电平基带信号，再送入调制器。相应地，在接收端增加了M-2电平变换器。多进制数字幅度调制信号的解调可以采用相干解调方式，也可以采用包络检波方式。其原理与2ASK的完全相同。由于采用多电平，因而要求调制器为线性调制器，即已调信号幅度应与输入基带信号幅度成正比。图8-23  进制幅度调制系统原理框图除了图8-23所示的双边带幅度调制外，多进制数字幅度调制还有多电平残留

67、边带制、多电平单边带调制等，其原理与模拟调制时完全相同。MASK调制中最简单的基带信号波形是矩形，为了限制信号频谱也可以采用其它波形，例如升余弦滚降波形，部分响应波形等。§ 多进制数字频率调制（MFSK）l. MFSK调制解调原理多进制数字频率调制（MFSK）简称多频制，是2FSK方式的推广。它是用个不同的载波频率代表种数字信息。MFSK系统的组成方框图如图8-24所示。发送端采用键控选频的方式，接收端采用非相干解调方式。图8-24 多进制数字频率调制系统的组成方框图图中，串/并变换器和逻辑电路1将一组组输入的二进制码（每个码元为一组）对应地转换成有（）种状态的一个个多进制

68、码。这个状态分别对应个不同的载波频率（）。当某组位二进制码到来时，逻辑电路1的输出一方面接通某个门电路，让相应的载频发送出去，另一方面同时关闭其余所有的门电路。于是当一组组二进制码元输入时，经相加器组合输出的便是一个进制调频波形。 频制的解调部分由个带通滤波器、包络检波器及一个抽样判决器、逻辑电路2组成。各带通滤波器的中心频率分别对应发送端各个载频。因而，当某一已调载频信号到来时，在任一码元持续时间内，只有与发送端频率相应的一个带通滤波器能收到信号，其它带通滤波器只有噪声通过。抽样判决器的任务是比较所有包络检波器输出的电压，并选出最大者作为输出，这个输出是一位与发端载频相应的进制数。

69、逻辑电路2把这个进制数译成位二进制并行码，并进一步做并/串变换恢复二进制信息输出，从而完成数字信号的传输。2. MFSK信号的频谱、带宽及频带利用率键控法产生的MFSK信号，可以看作由个幅度相同、载频不同、时间上互不重叠的2ASK信号叠加的结果。设MFSK信号码元的宽度为，即传输速率（Baud），则频制信号的带宽为     （8-50）式中为最高选用载频，为最低选用载频。MFSK信号功率谱如图8-25所示。图8-25 MFSK信号的功率谱若相邻载频之差等于，即相邻频率的功率谱主瓣刚好互不重叠，这时的MFSK信号的带宽及频带利用率分别为 

70、;    （8-51）  （8-52）式中，。可见，MFSK信号的带宽随频率数的增大而线性增宽，频带利用率明显下降。与MASK的频带利用率比较，其关系为  （8-53）这说明，MFSK的频带利用率总是低于MASK的频带利用率。§ 多进制数字相位调制（MPSK）1. 多相制信号表达式及相位配置多进制数字相位调制又称多相制，是二相制的推广。它是利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息的调制方式。与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制（MPSK）和相对相位调制（MDPSK）两种。设载波为，则进制数字相位调制信号可表示为

71、（8-54）式中，是高度为1，宽度为的门函数；为进制码元的持续时间，亦即（）比特二进制码元的持续时间；为第个码元对应的相位，共有种不同取值（8-55）且由于一般都是在范围内等间隔划分相位的（这样造成的平均差错概率将最小），因此相邻相移的差值为令这样式（8-54）变为（8-56）这里分别为多电平信号。常把式（8-56）中第一项称为同相分量，第二项称为正交分量。由此可见，MPSK信号可以看成是两个正交载波进行多电平双边带调制所得两路MASK信号的叠加。这样，就为MPSK信号的产生提供了依据，实际中，常用正交调制的方法产生MPSK信号。 进制数字相位调制信号还可以用矢量图来描述，图8-26

72、画出了2、4、8三种情况下的矢量图。具体的相位配置的两种形式，根据CCITT的建议，图（a）所示的移相方式，称为A方式；图（b）所示的移相方式，称为B方式。图中注明了各相位状态及其所代表的比特码元。以A方式4PSK为例，载波相位有0、和四种，分别对应信息码元00、10、11和01。虚线为参考相位，对MPSK而言，参考相位为载波的初相；对MDPSK而言，参考相位为前一已调载波码元的初相。各相位值都是对参考相位而言的，正为超前，负为滞后。图8-26 MPSK 相位配置矢量图2. MPSK信号的频谱、带宽及频带利用率前已说过，MPSK信号可以看成是载波互为正交的两路MASK信号的

73、叠加，因此，MPSK信号的频带宽度应与MASK时的相同。即（8-57）其中是进制码元速率。此时信息速率与MASK相同，是2ASK及2PSK的倍。也就是说，MPSK系统的频带利用率是2PSK的倍。3. 4PSK信号的产生与解调在进制数字相位调制中，四进制绝对移相键控（4PSK，又称QPSK）和四进制差分相位键控（4DPSK，又称QDPSK）用的最为广泛。下面着重介绍多进制数字相位调制的这两种形式。4PSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。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，习惯上把双比特的前一位用代表，后一位用代表。（1）4PSK信号的产生多相制信号常用的

74、产生方法有：直接调相法及相位选择法。1）相位选择法由式（8-54）可以看出，在一个码元持续时间内，4PSK信号为载波四个相位中的某一个。因此，可以用相位选择法产生4PSK信号，其原理如图8-27所示。图中，四相载波发生器产生4PSK信号所需的四种不同相位的载波。输入的二进制数码经串/并变换器输出双比特码元。按照输入的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波。例如，B方式情况下，双比特码元为11时，输出相位为45?的载波；双比特码元为01时，输出相位为135?的载波等。图8-27  相位选择法产生4PSK信号（B方式）方框图图中产生的是B方式的4PSK信号。要想形成A

75、方式的4PSK信号，只需调整四相载波发生器输出的载波相位即可。2）直接调相法由式（8-56）可以看出，4PSK信号也可以采用正交调制的方式产生。B方式4PSK时的原理方框图如图8-28（a）所示。它可以看成是由两个载波正交的2PSK调制器构成，分别形成图8-28（b）中的虚线矢量，再经加法器合成后，得图（b）中实线矢量图。显然其为B方式4PSK相位配置情况。图8-28  直接调相法产生4PSK信号方框图若要产生4PSK的A方式波形，只需适当改变振荡载波相位就可实现。（2）4PSK信号的解调由于4PSK信号可以看作是两个载波正交的2PSK信号的合成，因此，对4PSK信号的解调

76、可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行。图8-29是B方式4PSK信号相干解调器的组成方框图。图中两个相互正交的相干载波分别检测出两个分量和，然后，经并/串变换器还原成二进制双比特串行数字信号，从而实现二进制信息恢复。此法也称为极性比较法。图8-29  4PSK信号的相干解调若解调4PSK信号（A方式），只需适当改变相移网络。在2PSK信号相干解调过程中会产生“倒”即“180°相位模糊”现象。同样，对于4PSK信号相干解调也会产生相位模糊问题，并且是0°、90°、180°和270°四个相位模糊。因此，在实际中更常用的是四相

77、相对移相调制，即4DPSK。4. 4DPSK信号的产生与解调（1）4DPSK信号的产生与2DPSK信号的产生相类似，在直接调相的基础上加码变换器，就可形成4DPSK信号。图5-41示出了4DPSK信号（A方式）产生方框图。图中的单/双极性变换的规律与4PSK情况相反，为0+1，1-1，相移网络也与4PSK不同，其目的是要形成A方式矢量图。图中的码变换器用于将并行绝对码转换为并行相对码，其逻辑关系比二进制时复杂的多，但可以由组合逻辑电路或由软件实现，具体方法可参阅有关参考书。图8-30 码变换-直接调相法产生4DPSK信号也可采用相位选择法产生，但同样应在逻辑选相电路之前加入码变换器。（2）4D

78、PSK信号的解调4DPSK信号的解调可以采用相干解调-码反变换器方式（极性比较法），也可采用差分相干解调（相位比较法）。4DPSK信号（B方式）相干解调-码反变换器方式原理图如图8-31所示。与4PSK信号相干解调不同之处在于，并/串变换之前需要加入码反变换器。图8-31  4PSK信号的相干解调-码反变换法解调4DPSK信号的差分相干解调方式原理图如图8-32所示。它也是仿照2DPSK差分检测法，用两个正交的相干载波，分别检测出两个分量和，然后还原成二进制双比特串行数字信号。此法又称为相位比较法。这种解调方法与极性比较法相比，主要区别在于：它利用延迟电路将前一码元信号延迟

79、一码元时间后，分别作为上、下支路的相干载波。另外，它不需要采用码变换器，这是因为4DPSK信号的信息包含在前后码元相位差中，而相位比较法解调的原理就是直接比较前后码元的相位。图8-32 4DPSK信号的差分相干解调方框图 单元二十一（2学时）§8.7 现代数字调制技术本节知识要点：QAM原理MSK调制原理§ 正交振幅调制（QAM）在2ASK系统中，其频带利用率是（1/2）b/s/Hz。若利用正交载波技术传输ASK信号，可使频带利用率提高一倍。如果再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