第4章 数字调制传输

1、第四章数字调制传输，所谓调制就是根据调制信号(基带信号)的变化率来改变载波的某些参数的过程。调制信号控制载波参数的形式可分为：幅度调制：调制信号改变载波信号的幅度参数；调频：调制信号改变载波信号的频率参数；相位调制：调制信号改变载波信号的相位参数。所谓调制是根据调制信号(基带信号)的变化率来改变载波信号的一些参数的过程。根据调制信号控制载波参数的形式，可分为：调幅：调制信号改变调幅参数调频；改变频率参数相位调制的调制信号；调制信号改变载波信号的相位参数，在通信系统中起着非常重要的作用。它可以移动频谱，并将基带信号传输到所需的频段进行传输。它广泛应用于无线数字通信(如卫星通信、移动通信等)。)和

2、有线通信。模拟调制、4.1数字调制的基本原理(如四进制调幅)和数字调制可以看作是从M进制符号集到由M个载波组成的载波集的映射。载波集可以由m个不同幅度的正弦波、m个不同频率的正弦波和m个不同相位的正弦波组成。0，1，2，3，如四进制调幅，00，01，10，11，01，1，an 10110100，2ask，2fsk，2psk，4.1，数字调制的基本原理，二进制调制信号波形，载波集可以由m个不同幅度的正弦波、m个不同频率的正弦波和m个不同相位的正弦波组成。数字符号序列控制一个开关，该开关可以从载波(即所选载波)输出。这种开关控制方法称为键控法，所以数字信号的幅度调制通常称为幅度键控ASK；数字信号

3、的频率调制称为频移键控；数字信号的相位调制称为频移键控。使用多系统可以提高频带利用率。当二进制序列要被调制为M时，有必要将该序列转换为M调制，然后对其进行调制。也就是说，k个二进制位代表一个m进制符号。K=log2M。例如，载波集可以由m个振幅不同的正弦波组成。对于二进制调制，M=2，载波集中只有两个元素，可以形成相应的二进制调幅2ASK、调频2FSK和调相2PSK波形，如图所示。4.2数字调制方式和调制信号的频谱特性，4.2.1数字调制信号的频谱分析，平稳随机过程的功率谱密度是其自相关函数的傅里叶变换，计算随机信号的自相关函数，将调制信号或基带信号视为平稳随机信号，计算随机信号的功率谱函数，

4、一般调制信号的功率谱，傅里叶变换，一般调制信号，V(t)作为调制信号， 是一个平稳随机信号，在(0，2)上具有均匀分布V (t)和独立平稳随机过程EV(t1)V(t2)=RV()=t2-t1，调制信号的功率谱函数，调制信号的自相关函数，=0，正交调制信号，Vi(t)它们均匀分布在(0，2)上，与Vi(t)和Vq(t)无关。 正交调制信号的自相关函数，正交调制信号的功率谱，正交调制信号，Vi(t)和Vq(t)是联合平稳和统计独立的调制信号，并且EVi(t) Vq(t)=0。均匀分布在(0，2)上，正交调制信号的自相关函数，正交调制信号的功率谱，M元基带数字信号，基带数字信号的自相关函数、和是具有

5、彼此独立的平稳随机符号序列g(t)的时间宽度Ts的脉冲，基带数字信号的功率谱、连续谱、离散谱。安是数字调制的基本原理，其中相互独立的平稳随机符号序列g(t)是基带数字信号的时宽Ts、连续谱、离散谱、功率谱、和4.1的脉冲。数字调制可以看作是从多进制符号集到由多载波组成的载波集的映射。载波集可以由m个不同幅度的正弦波、m个不同频率的正弦波和m个不同相位的正弦波组成。前一课的重点，第4章数字调制传输，上边带，下边带，4.2数字调制方式和调制信号的频谱特性，4.2.1数字调制信号的频谱分析，V(t)是调制信号，它是一个平稳的随机信号，均匀分布在(0，2)上，相互独立，前一课的重点，前一课的重点，VI

6、它们均匀分布在(0，2)上，与Vi(t)和Vq(t)无关。an是在平稳随机符号序列g(t)中具有时间宽度Ts的脉冲，它们彼此独立，连续谱，离散谱，其中ma是数字信号的平均值，a2是数字信号的方差，前一课的重点，4.2数字调制方法和调制信号的谱特性，4.2.2幅度调制方法，1 2 0 3 2 0，幅度调制方法：携带载波幅度的所有信息。m元ASK的调制信号值属于集合0、1、2、m-1；Ts是符号间隔；G(t)是宽度为Ts的单极矩形脉冲。调幅方法携带了载波振幅的所有信息。通常，多进制ASK波形具有M个振幅值(包括零振幅状态)。振幅值集是0、1、2和M-1。M元ASK的调制信号可以表示为，其中一个值属

7、于集合0，1，2，M-1，Ts为符号间隔，g(t)为单极性不归零矩形脉冲，宽度为Ts。总之，s(t)是一个单极数字信号。ASK信号的功率谱分析，连续谱，离散谱，是一个具有独立样本的平稳随机序列，每个符号以相等的概率出现。m波段数字信号的均值、方差、功率谱、传输带宽Bt fs m波段数据速率r=fs=1/Ts二进制数据速率rb=r log2M波段利用率rb /BT=log2M比特/(s Hz)，带宽定义：信号带宽：一般指信号能量集中的带宽，通过幅频特性将带宽减小到中频的0，707倍。信道带宽：传输信道(包括发送和接收滤波器)占用的宽度，带外信号要求为0。以便避免对其他频带中的信道的干扰。数字信号

8、可以通过发射和接收滤波器传输信号的主要能量，而不影响接收端的判决。例如，脉冲信号d(t)，频谱D(w)=1，只要发射和接收滤波器被适当地设计成满足奈奎斯特定理，原始信号就可以在接收端恢复。当计算频带利用率时，信号带宽通常用于信号频谱，但是信道带宽用于发送和接收滤波器频带。二进制ASK的频带利用率为rb /BT=log2M比特/(秒赫兹)=1比特/(秒赫兹)，非常差，不利于高速数据输出和传输。传输用于数十至数百位的数据速率。2ASK的实现、2ASK的解调、相干解调必须是载波同步的，即接收机需要提取具有相同频率和相位的载波。当=/2时，输出为0。可以看出，相干解调必须实现载波同步，即提取具有相同频

9、率和相位的载波。所以它很少用于2ASK。相干解调、低通滤波器输出、低通滤波器输出、二进制QAM(4QAM)调制、正交调幅QAM、4QAM解调，另一种使用正交载波对两个信号进行ASK调制的调幅技术，是一种节省频带的数字调幅方法。相干解调需要载波同步，即以相同的频率和相位载波进行解调，否则解调结果会反相。多进制正交调幅调制解调，正交调幅正交调幅，其调制过程表明，正交调幅信号可以看作是两个正交调幅信号的叠加。它与ASK信号占用的带宽是一致的，但是它的速度加倍，频带利用率加倍。但与单边带ASK信号相比，其频谱效率相当。在幅度调制模式下，如果两个信号分别由正交载波进行ASK调制，将形成另一种幅度调制技术

10、，即正交幅度调制两个独立的基带信号是x(t)和y(t)，它们分别乘以载波cosc和sinc，然后相加得到QAM信号，这被称为正交幅度调制，因为载波cosc和-sinc之差为90。如果xk和yk都是二进制数，则得到二进制QAM(4QAM)。4QAM正交幅度调制和解调的框图如图所示。低通滤波器输出，如果xk和yk是M进制数，则得到M进制QAM。例如，四进制、八进制和多进制的原理框图如图所示。正交调幅解调、低通滤波器输出、相干解调必须是载波同步的，即同频同相载波解调。否则，解调结果将被反转。也就是说，相干解调存在相位模糊的问题。(稍后讨论)、矢量图、4qam、星座图、A路、B路、16QAM、星座图，

11、可以看出相邻点之间的距离相等，表明相邻电平之间的间隔相同，当发射信号的总功率不变时，可以尽可能降低采样判断的错误率。两点之间的距离越大，误判的概率就越小。但是所需的信号功率越大(两个向量的模)。，16QAM，矢量图(星座图)，采用双极性信号调制，QAM信号可视为两个正交抑制载波的双边带调幅信号的叠加。抑制载波会降低信号传输功率。并且具有较高的功率效率。如果(xk，yk)被看作二维空间中的一个向量，那么QAM信号就可以用信号空间中的向量来表示，这就叫做矢量图。如果用矢量的端点来表示，它们就叫做星座。4QAM信号的矢量图(星座图)。16QAM信号的矢量图(星座图)。如果两条路径的M进制码用交替标记

12、反转表示，则振幅分别为1、3。此时16QAM信号的矢量图(星座图)。从图中可以看出，相邻点之间的距离相等，表明相邻电平之间的间隔相同，这可以在发射信号的总功率不变的情况下，使采样判决的误码率最小。两点之间的距离越大，误判的概率就越小。但是所需的信号功率越大(两个向量的模)。调制过程表明，正交调幅信号可以看作是两个正交调幅信号的叠加。它与ASK信号占用的带宽是一致的，但是它的速度加倍，频带利用率加倍。但与单边带ASK信号相比，其频谱效率相当。如果采用双极性信号调制，QAM信号可以看作是两个正交抑制载波的双边带调幅信号的叠加。抑制载波会降低信号传输功率。并且具有较高的功率效率。载波的不同相位代表不

13、同的数字符号，4.2数字调制方式和调制信号的频谱特性，4.2.3相位调制方式，矢量图(星座图)，MPSK信号可视为双极性多电平信号，分别调制两个正交载波的幅度。矢量图(星座图)，0、0、1、I、q、MPSK信号可视为双极多电平信号，分别调制两个正交载波的幅度。矢量图(星座图)，0、0、1、I、q、MPSK信号可视为双极多电平信号，分别调制两个正交载波的幅度。PSK信号(M4、M2)的功率谱分析，基带信号的均值、方差、功率谱，PSK谱与ASK谱相同，但没有离散的载波分量。MPSK信号可视为双极性多电平信号，它分别对两个正交载波进行幅度调制。载波代表不同相位的不同数字符号。多进制PAK信号可以表示

14、为：为了保证给定的m值实现最大可能的相位调制，取归一化的A=1，并扩展上述公式，由此可见，MPSK信号可以视为两个正交载波的多级双频ASK调制。也就是说，双极多电平信号分别对两个正交载波进行幅度调制。上面的公式表明，MPSK可以通过QAM来实现，但同相基带信号Ik和正交基带的电平当M4、M2、PSK具有与ASK相同的频带利用率，而PSK具有与ASK相同的频带利用率而没有离散载波分量解调时，Rb /BT=log2M比特/(秒赫兹)。此时，2PSK只有同相分量，相当于双极码调制的2ASK，实现框图如投影图所示。如果=0，那么k=ak=0或实现，2PSK，交替标记反转，1 0 1 1 0 1 0 0

15、，ak，载波，2PSK信号，实现，2PSK解调，11010100，2PSK信号，载波，输出信号，低通输出2PSK解调，001011，相位模糊，2PSK解调必须采用相干解调，因为它是抑制载波的双边带调制，而且它的包络不再反映调制信息。然而，相干解调载波是从接收的调制信号中提取的，这导致相位模糊度为0或0。因此，解调信号0和1被反转。例如，ak=1，k=，ik=-1；Ak=0，k=0，Ik=-1，调制，cosct相干解调，低通输出为，cos(ct)相干解调，低通输出为，即k=0，Ik=-1，AK=1；而k=，Ik=1，ak=0。与原始调制信号的0和1相反。1 0 1 1 0 1 0、绝对相位调制2PSK、相对相位调制2PSK、双相调制(BPSK)、110100，为了克服相位模糊的问题，可以采用差分编码和差分相移。也就是说，每个符号的载波相位不是指固定相位，而是指前一个符号的相位。例如，当当前符号为“1”时，载波的相位相对于前一符号的相位而改变；当符号为“0”时，载波相位与前一个符号相同。绝对码ak、相对码dk和DK、2DPSK的实现，差分编码的规则如下：为了克服相位模糊的问题，可以采用差分编码和差分相移。也就是说，每个符号的载波相位不