第3章 数字调制方法

《计算机网络与应用》第3单元数据通信基础3.2 数字调制技术主讲人：杜煜duyu@ 数字数据的调制对数字数据调制的基本方法有三种：幅移键控、频移键控和相移键控。

公用电话网调制解调器计算机计算机调制解调器数字编码(NRZ、曼彻斯特等)数字数据数字信号(数字信道)调制(ASK、FSK、PSK等)数字数据模拟信号(模拟信道)脉冲编码调制PCM 模拟数据数字信号(数字信号)调制（AM、FM、PM等）模拟数据模拟信号(模拟信道)《计算机网络与应用》杜煜No.2幅移键控、频移键控和相移键控⏹幅移键控ASK （Amplitude Shift Keying ）ASK 是通过改变载波信号的幅度值表示数字信号“1”、“0”，以幅度A1表示数字信号的“1”，用载波幅度A2表示数字信号的“0”（通常A1取1，A2取0），而载波信号的参数f 和φ恒定。

⏹频移键控FSK （Frequency Shift Keying ）FSK 是通过改变载波信号频率的方法表示数字信号“1”、“0”，用f 1表示数字信号“1”，用f 2表示数字信号“0”，而载波信号的A 和φ不变。

⏹相移键控PSK （Phase Shift Keying ）PSK 是通过改变载波信号的相位值表示数字信号“1”、“0”，而载波信号的A 和f 不变。

PSK 包括两种类型： 绝对调相◆绝对调相使用相位的绝对值，φ为0表示数字信号“1”，、φ为π表示数字信号“0”。

相对调相◆相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为0时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移π。

《计算机网络与应用》杜煜No.3数字数据的调制示例频移键控FSK绝对相移键控PSK相位φ=πφ=0φ=πφ=0φ=0φ=π相位φ=0相对相移键控PSK偏移πφ=πφ不变φ=π偏移πφ=0偏移πφ=πφ不变φ=π幅移键控ASK01011数字数据《计算机网络与应用》杜煜No.4多相调制⏹ASK 、FSK 和PSK 都是最基本的调制技术，实现容易，技术简单，抗干扰能力差，调制速率不高，为了提高数据传输速率，也可以采用多相调制的方法。

数字信号调制的三种基本方法
数字信号调制是数字通信中的重要技术之一，它将数字信息转换为模拟信号或数字信号，以便在信道中传输或存储。

目前，数字信号调制有三种基本方法，分别是脉冲编码调制、正交振幅调制和频移键控调制。

1. 脉冲编码调制
脉冲编码调制（Pulse Coded Modulation，PCM）是一种将模拟
信号数字化的方法，它将连续的模拟信号离散化后通过调制器进行数字信号调制。

在PCM中，原始信号通过采样、量化和编码处理后转换为数字信号。

这种方法具有简单、效率高、误差小等优点，广泛应用于电话、广播、电影、电视等领域。

2. 正交振幅调制
正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是一种将数字信号调制为模拟信号的方法。

在QAM中，数字信号通过正交振幅调制器进行调制，将信号分为实部和虚部两个部分，再通过合并器合并成一个复杂信号。

这种方法具有高效率、抗干扰性强等优点，被广泛应用于数字电视、无线通信、卫星通信等领域。

3. 频移键控调制
频移键控调制（Frequency Shift Keying，FSK）是一种将数字
信号调制为模拟信号的方法，它通过改变信号的频率来传输数字信息。

在FSK中，数字信号通过频移键控调制器进行调制，将信号分为两个不同频率的正弦波，并通过信道传输。

这种方法具有抗噪声干扰性强、
误码率低等优点，被广泛应用于蓝牙、无线电、遥控等领域。

总之，数字信号调制是数字通信中不可缺少的技术，不同的调制方法适用于不同的应用场景，我们需要选择合适的调制方式来提高通信效率和可靠性。

数字调制技术数字调制技术调制技术概述调制基础信号的表示方法IQ调制实现方式基本数字调制：ASK、FSK、PSK FSK、MSK和GMSKPSK调制BPSKQPSKOQPSKQAM调制正交频分复用OFDM各种调制的应用调制调制——就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配以及有效的利用信道。

多径衰落、多普勒频率扩展；日益增加的用户数目，无线信道频谱的拥挤这些因素对调制方式的选择都有重大的影响。

信号的表示I/Q信号基础I/Q是什么？--I/Q调制过程基带复信号表示方法I/Q调制实现过程数字调制基本类型U MOD(t)=ÛC(t)cos[ C t+ C(t)]AMConventional ModulationDigital ModulationASK,Amplitude Shift KeyingU 01110数字调制基本类型U MOD(t)=ÛC(t)cos[ C t+ C(t)]FMConventional ModulationDigital Modulation FSK,Frequency Shift KeyingU11100tPSK,Phase Shift Keying 数字调制基本类型tU0000111U MOD (t)=ÛC (t)cos [ C t + C (t)]MConventional Modulation Digital ModulationFSKs 2FSK (t )b (t )f 1f 1f 1f 2f 2f 2111000(a )相位不连续的FSK波形22cos()t +11cos()t +(b )相位连续的FSK波形b (t )111s 2FSK (t )c (t )f 1f 1f 1f 2f 2f 2()t （载波）图3.32FSK信号的波形MSK-最小相移键控MSK的频谱frequency:500MHz,bitrate:270kBit/sec,data:PRBS-sequence (511Bits)MSK特点MSK信号是恒包络信号码元转换时刻，信号的相位是连续的，以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内线性的变化+/-90度。

现代移动通信系统2.数字调制技术Modern Mobile Communication现代移动通信系统2-1-1现代移动通信系统现代移动通信系统第二章数字调制技术2-1-2现代移动通信系统本节讲述的主要内容2.1 数字调制技术基础2.2 线性调制技术2.3 恒包络调制技术2.4 线性和恒包络相结合的调制技术2-1-3现代移动通信系统2.1 数字调制技术基础⏹调制的概念：对信号源的信息进行处理，使其变为适合传输形式的过程。

⏹调制的目的：使所传送的信息能更好地适应于信道特性，以达到最有效和最可靠的传输。

⏹移动通信系统的调制技术包括用于第一代移动通信系统的模拟调制技术(FM)和用于现今及未来系统的数字调制技术。

2-1-4现代移动通信系统一、移动通信对数字调制的要求⏹移动通信对数字调制技术的要求：①抗干扰性能要强，如采用恒包络角调制方式以抗严重的多径衰落影响；②要尽可能地提高频谱利用率；③占用频带要窄，带外辐射要小；④在占用频带宽的情况下，单位频谱所容纳的用户数要尽可能多；⑤同频复用的距离小；⑥具有良好的误码性能；⑦能提供较高的传输速率，使用方便，成本低。

2-1-5现代移动通信系统二、数字调制的性能指标⏹数字调制的性能常用功率效率（Power Efficiency ）和带宽效率（Spectral Efficiency ）来衡量。

功率效率反映调制技术在低功率情况下保持数字信号正确传送的能力，可表述成在接收机端特定的误码概率下，每比特的信号能量与噪声功率谱密度之比：⏹带宽效率描述了调制方案在有限的带宽内容纳数据的能力，它反映了对分配的带宽是如何有效利用的，可表述成在给定带宽内每赫兹数据速率的值：p ηB η0bp E N η=bps/Hz B RBη=B ηpη2-1-6现代移动通信系统二、数字调制的性能指标⏹带宽效率有一个基本的上限，由香农定理：⏹可见在一个任意小的错误概率下，最大的带宽效率受限于信道内的噪声，从而可推导出最大可能的为：2log (1)SC B N=+B M A X η2log (1)BMAXC SB Nη==+2-1-7现代移动通信系统三、目前所使用的主要调制方式⏹目前所使用的主要调制方式有线性调制技术：BPSK 、QPSK 、OQPSK π/4DQPSK等调制恒包络调制技术：BFSK 、MSK 、GMSK 调制 “线性”和“恒包络”相结合的调制技术：QAM 调制 扩频调制技术：直接序列扩频、跳频 编码调制相结合技术：TCM 调制 多载波技术：OFDM 调制2-1-8CPMBFSK(二进制频移键控）MFSK （多进制频移键控）FSK (频移键控）QAM ASK(幅移键控）（正交幅度调制）MQAM （星座调制）非恒定包络OQPSK(参差QPSK ）л/4QPSKDQPSK （差分QPSK ）QPSK(正交四相相移键控）DPSK （差分二进制相移键控）BPSK （二进制相移键控）PSK （相移键控）（连续相位调制）MSK （最小频移键控）GMSK （高斯成型MSK ）TFM （平滑调频）恒定包络数字调制现代移动通信系统所谓调制，就是按调制信号（基带信号）的变化规率去改变载波某些参数的过程。

第三章调制解调主要内容：●掌握调制、解调的概念；●掌握数字调制解调的分类；●掌握2PSK的调制、解调原理及其实现方法，已调信号的频谱特性；●掌握QPSK的调制、解调原理及其实现方法，已调信号的频谱特性；-QPSK与QPSK相比的特点；●了解OQPSK与/4●了解QAM的原理及实现方法；●掌握2FSK的调制、解调原理及实现方法，已调信号的频谱特性，带宽计算公式；●了解MSK、GMSK的调制、解调原理，与2FSK的区别；●了解多载波调制的概念；●掌握正交频分复用(OFDM)调制的概念，调制、解调的原理及实现方法。

重点、●2PSK调制原理及实现方法●2PSK信号解调原理及其实现方法●2PSK已调信号的频谱特性；●QPSK调制原理及实现方法●QPSK信号解调原理及其实现方法●QPSK已调信号的频谱特性；●2FSK调制原理及实现方法●2FSK信号解调原理及其实现方法●2FSK已调信号的频谱特性；●2FSK已调信号带宽计算；●正交频分复用(OFDM)的调制、解调的原理及实现方法。

难点：●相干解调的原理及分析过程；●2PSK已调信号的频谱特性；●QPSK已调信号的频谱特性；●2FSK已调信号的频谱特性；●2FSK已调信号带宽计算分析；●正交频分复用(OFDM)的概念及实现原理；3.1 概述调制是在发送端把要传输的模拟信号或数字信号（信源信号或基带信号）变换成适合信道传输的高频信号（带通信号）的过程。

其中，信源信号或基带信号称为调制信号，调制完成后的带通信号称为已调信号。

解调是调制的反过程，在接收端将已调信号还原成要传输的原始信号。

按照调制信号的形式，调制可分为模拟调制（或连续调制）和数字调制。

模拟调制指利用输入的模拟信号直接调制（或改变）载波（正弦波）的振幅、频率或相位，从而得到调幅（AM）、调频（FM）或调相（PM）信号，第一代的模拟移动通信系统中主要使用的是模拟调制。

而数字调制指利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位，主要用于2G、3G及未来的系统中。

数字调制技术简介Brief Introduction to Digital Modulation Technology目录第一章为何采用数字调制第二章采用IQ调制传送信息第三章数字调制类型3.1数字传输基本概念3.2 数字调制基本类型3.3 现代数字调制技术3.4 自适应调制技术3.5常用移动通信系统中的调制技术第四章数字发射和接收4.1 匹配滤波器4.2 数字发射机和接收机第五章观察数字调制5.1星座图5.2眼图第六章数字调制质量的测试第一章为何采用数字调制现代通信技术的发展，使得各种性能的无线通信系统不断涌现。

频谱逐渐成为希缺资源，而管理当局对无线发射功率的限制也加强了。

对无线通信系统的研发者来说，面临着如下的设计约束条件：可用的带宽，容许的功率和系统内部的噪声水平。

故人们必须致力于新技术的研发。

数字调制可以提供更高的信息容量、与先进的数据业务的兼容性较好，还有较高的数据安全性和较好的通信质量。

在1990年90年代，调制方式已全面从模拟的调幅、调频及调相转换到新的数字调制技术，如：QPSK、 FSK、 MSK 和QAM。

目前常用的数字通信传输信道仍为模拟信道，即接收机的输入和发射机的输出信号均为模拟信号，经过模拟/数字转换，信号的中间处理过程是数字化的，最后处理好的数字信号经数字/模拟转换后被调制到模拟载波信道上发送出去。

而各种多址技术（FDMA、TDMA 和CDMA）的普遍采用使得蜂窝电话、无线局域网等系统迅速走向成熟和实用。

值得注意的是，随着通信技术的进一步发展，软件无线电逐渐走入人们的视野，其发送端和接收端的射频信号均是数字化的。

虽然数字接收机的三个基本元素仍是：本振、混频器和滤波器，但与模拟系统有很大的不同，这是一个专门的领域，不在此讨论。

返回目录第二章采用IQ调制传送信息为在空间传输信号，有三个主要步骤：1．在发射端产生一个纯的载波；2．在载波上调制要发射的信息。

任何稳定的可检测的信号特性的变化可以携带信息；3．在接收端，解调和检测信号的变化。

基本数字调制什么是数字调制？在通信领域中，数字调制（Digital Modulation）是一种将数字信号转换成模拟信号的过程。

在数字通信中，信息以离散的形式传输，因此需要将数字信号转换为模拟信号以便在信道中传输。

数字调制技术所做的就是通过将数字信号调制到高频载波上，使其能够在信道中传输。

数字调制可以分为基带调制和带通调制两种方式。

基带调制是将数字信号直接调制到基带频率上，这种方式适用于短距离传输。

而带通调制则是将数字信号调制到射频频率带上，这样可以实现远距离传输和抗干扰能力强。

基本数字调制的分类基本数字调制主要包括以下四种调制方式：1.ASK（Amplitude Shift Keying）调制： ASK调制是一种将数字信号调制到载波上的调制方式。

在ASK调制中，载波的幅度会根据数字信号的取值而变化。

即当传输的比特为1时，载波的幅度为A，当传输的比特为0时，载波的幅度为0。

这种调制方式简单易实现，但对噪声和干扰比较敏感。

2.FSK（Frequency Shift Keying）调制： FSK调制是一种将数字信号调制到载波频率上的调制方式。

在FSK调制中，载波的频率会根据数字信号的取值而改变。

即当传输的比特为1时，载波的频率为f1，当传输的比特为0时，载波的频率为f2。

这种调制方式在抗干扰能力方面较好，但调制复杂度较高。

3.PSK（Phase Shift Keying）调制： PSK调制是一种将数字信号调制到载波相位上的调制方式。

在PSK调制中，载波的相位会根据数字信号的取值而改变。

即当传输的比特为1时，载波的相位为θ1，当传输的比特为0时，载波的相位为θ2。

这种调制方式适用于高速传输，但对抗多径传播的干扰较为敏感。

4.QAM（Quadrature Amplitude Modulation）调制： QAM调制是一种将数字信号同时调制到载波的幅度和相位上的调制方式。

在QAM调制中，载波的幅度和相位会根据数字信号的取值而变化。