1、1第第11章章 數字調制與解調數字調制與解調主要內容：主要內容： 11.1 概述概述 11.2 振幅鍵控振幅鍵控 11.3 移頻鍵控移頻鍵控 11.4 移相鍵控移相鍵控 11.5 正交調幅與解調正交調幅與解調 11.6 其他形式的數字調制其他形式的數字調制2 1.理解數字通信的基本概念及其優點；理解數字通信的基本概念及其優點； 2.理解振幅鍵控、移頻鍵控與移相鍵控的調制與解調的基理解振幅鍵控、移頻鍵控與移相鍵控的調制與解調的基本方法；本方法； 3.了解正交調制與解調。了解正交調制與解調。本章重點：本章重點：1.移頻鍵控與解調；移頻鍵控與解調；2.移相鍵控與解調。移相鍵控與解調。本章難點：移相鍵

2、控與解調。本章難點：移相鍵控與解調。主要掌握和了解的內容：主要掌握和了解的內容：311.1 概述概述 出了前面兩章介紹出了前面兩章介紹和討論的模擬信號調和討論的模擬信號調制外，還有一類數字制外，還有一類數字調制。調制方式有三調制。調制方式有三類：類： 1.振幅鍵控振幅鍵控ASK 2.移頻鍵控移頻鍵控FSK 3.移相鍵控移相鍵控PSK圖圖11.1.1 二進制調制波形圖二進制調制波形圖調制信號調制信號振幅鍵控振幅鍵控ASK移頻鍵控移頻鍵控FSK移相鍵控移相鍵控PSK差分移相差分移相鍵控鍵控PSK1100(a)(b)(c)(d)(e)4 數字通信系統常用到兩個指標是：碼元傳輸速率與信息數字通信系統常

3、用到兩個指標是：碼元傳輸速率與信息傳輸速率。傳輸速率。 1.碼元傳輸速率碼元傳輸速率RB 碼元傳輸速率又稱傳碼率或波特率，是指單位時間內通碼元傳輸速率又稱傳碼率或波特率，是指單位時間內通信系統所傳輸的碼元數目，記作信系統所傳輸的碼元數目，記作RB，單位為波特。，單位為波特。 2.信息傳輸速率信息傳輸速率Rb 信息傳輸速率信息傳輸速率Rb又稱傳信率，是單位時間內通信系統所又稱傳信率，是單位時間內通信系統所傳送的信息量，單位為比特每秒（傳送的信息量，單位為比特每秒（bit/s,或或b/s）。）。 他們之間關系：他們之間關系：RB=Rblog2M5圖圖11.1.2 取樣判決過程中各點的波形取樣判決過

4、程中各點的波形0t(b)解調后信號解調后信號0t(c)時鐘信號時鐘信號0t( d)取樣后信號取樣后信號0t( e)判決后信號判決后信號0t(f)重現波形重現波形10TS2TS4TSt(a)原數字信號原數字信號011 與模擬調制系統對比，數與模擬調制系統對比，數字調制的突出優點之一，是字調制的突出優點之一，是抗干擾能力強。抗干擾能力強。 易于保密；隨著電子技術易于保密；隨著電子技術的日益成熟，數字電子設備的日益成熟，數字電子設備越來越容易制造，成本低、越來越容易制造，成本低、體積小、可靠性高。體積小、可靠性高。 缺點：占據信道寬；必須缺點：占據信道寬；必須具備同步系統，因而系統復具備同步系統，因

5、而系統復雜。雜。611.2 振幅鍵控振幅鍵控 設未調制的載波電壓為：設未調制的載波電壓為：tVtvoomo sin)( 數字脈沖序列為：數字脈沖序列為： )()(snnTtgatSASK已調波為：已調波為：tVnTtgatvtStvomsnoASK sin)()()()(0 圖圖11.1.1 二進制調制波形圖二進制調制波形圖調制信號調制信號振幅鍵控振幅鍵控ASK1100(a)(b)7圖圖11.3.1 產生產生FSK信號的獨立振蕩器方法信號的獨立振蕩器方法振蕩器振蕩器f1振蕩器振蕩器f2二進制二進制電碼電碼FSK信號輸出信號輸出vFSK(t）壓控開關壓控開關11.3 移頻鍵控移頻鍵控 移頻鍵控信

6、號產生的方法通常有兩種：獨立振蕩器和調頻移頻鍵控信號產生的方法通常有兩種：獨立振蕩器和調頻法。法。 獨立振蕩器法原理框圖見圖獨立振蕩器法原理框圖見圖11.3.1。圖圖11.1.1 二進制調制波形圖二進制調制波形圖移頻鍵控移頻鍵控FSK1100(c)8 調頻法是直接用數字信號對載波振蕩進行調制的，它與第調頻法是直接用數字信號對載波振蕩進行調制的，它與第10章所討論的調頻方法基本相同。章所討論的調頻方法基本相同。 二元移頻鍵控信號可以采用相干解調，也可采用非相干解二元移頻鍵控信號可以采用相干解調，也可采用非相干解調。圖調。圖11.3.2是想干解調方框圖。是想干解調方框圖。圖圖11.3.2 2FSK

7、信號的相干解調電路的方框圖信號的相干解調電路的方框圖抽樣抽樣判決判決積積分分器器二進制電碼二進制電碼S(t）積積分分器器乘乘法法器器乘乘法法器器tVom)cos(tVom)cos()(tv9 若輸入的移頻鍵控信號為若輸入的移頻鍵控信號為 ，則上面，則上面的積分器輸出為的積分器輸出為tVtvo)cos()(sToTAtdtAs2)(cos02 下面積分器的輸出為下面積分器的輸出為sToTTooTAtdtAtdtAtdttAsss2sin42cos22cos2)cos()cos(000 上述積分為零。通過分析，抽樣判決電路就可判決出輸上述積分為零。通過分析，抽樣判決電路就可判決出輸入碼為入碼為1，

8、否則為，否則為0 。10圖圖11.3.3 窄帶濾波器法方框圖窄帶濾波器法方框圖整形整形電路電路S(t)輸出輸出vFSK(t)輸入輸入前置前置濾波器濾波器限幅器限幅器比較器比較器窄帶窄帶濾波器濾波器窄帶窄帶濾波器濾波器包絡包絡檢波器檢波器包絡包絡檢波器檢波器 非相干解調除采用以前介紹的鑒頻器外，最簡單的方法非相干解調除采用以前介紹的鑒頻器外，最簡單的方法是窄帶濾波器法是窄帶濾波器法 。該方法見圖。該方法見圖11.3.3所示。所示。11圖圖11.3.4 濾波積分法方框圖濾波積分法方框圖整形整形電路電路二進制二進制電碼輸出電碼輸出二進制二進制vFSK(t)信號輸入信號輸入前置前置濾波器濾波器限幅器限

9、幅器積分器積分器窄帶濾窄帶濾波器波器f1包絡包絡檢波器檢波器包絡包絡檢波器檢波器窄帶濾窄帶濾波器波器f2積分器積分器抽樣抽樣判決判決 此外，由于窄帶濾波器的通頻帶較窄，因而對信號的頻此外，由于窄帶濾波器的通頻帶較窄，因而對信號的頻率穩定度要求較高率穩定度要求較高 。為了克服上述缺點，可以采用下述的。為了克服上述缺點，可以采用下述的濾波積分法解調。該方法見圖濾波積分法解調。該方法見圖11.3.3所示。所示。1211.4 移相鍵控移相鍵控 移相鍵控有二相與多相之分。因而在移相鍵控有二相與多相之分。因而在PSK前面加入代號，前面加入代號，如：二相如：二相PSK則記為則記為2PSK或或BPSK；四相則

10、記為；四相則記為4PSK或或QPSK。下面介紹這兩種。下面介紹這兩種PSK。11.4.1 二相移相鍵控二相移相鍵控圖圖11.4.1 二相移相鍵控信號波形二相移相鍵控信號波形V100(a)-Vt001111v0(t)0(b)t0(c)tvBPSK(t) 二相移相鍵控是指：二相移相鍵控是指：1狀狀態時，載波相移為零；態時，載波相移為零；0狀狀態時，載波相移位態時，載波相移位180o。一。一般情況下，二相移相鍵控般情況下，二相移相鍵控信號可表示為：信號可表示為：13nosnomoBPSKtnTtgaVtvtStvsin)()()()(圖圖11.4.1 二相移相鍵控信號波形二相移相鍵控信號波形V100

11、(a)-Vt001111v0(t)0(b)t0(c)tvBPSK(t) 由上述公式和右圖表明，由上述公式和右圖表明，二相移相鍵控實際上可等二相移相鍵控實際上可等效為由調制信號效為由調制信號S(t)和載波和載波相乘的雙邊帶調幅。相乘的雙邊帶調幅。 因此，二相移相鍵控信因此，二相移相鍵控信號可以用平衡調制器產生。號可以用平衡調制器產生。圖圖11.4.2 BPSK產生電路產生電路平衡平衡調制器調制器帶通帶通濾波器濾波器vBPSK(t)S(t)vo(t)14圖圖11.4.3 BPSK相干解調電路相干解調電路低頻低頻放大器放大器乘法器乘法器tosinttSvtvooBPSKsin)()()(tvo)(t

12、vM抽樣抽樣判決電路判決電路時鐘時鐘提取電路提取電路)(tS平平方方帶通帶通濾波濾波分分頻頻)(tvBPSKto2sinto2sinof2 它的解調電路可它的解調電路可以用同步以用同步(相干相干)檢檢波器檢出波器檢出S(t)，見，見圖圖11.4.3.。圖圖11.4.2 BPSK產生電路產生電路平衡平衡調制器調制器帶通帶通濾波器濾波器vBPSK(t)S(t)vo(t)15 必須指出，在接收端，為了判斷發送的是哪種相位的波必須指出，在接收端，為了判斷發送的是哪種相位的波形，就應事先獲得載波的初始相位，作為參考。形，就應事先獲得載波的初始相位，作為參考。 但得到載波的初始相位是非常困難的，因而可能造

13、成誤但得到載波的初始相位是非常困難的，因而可能造成誤判。為了解決這一問題，可采用下面介紹的差分移相鍵控判。為了解決這一問題，可采用下面介紹的差分移相鍵控DPSK。圖圖11.4.4 二相差分移相鍵控信號波形二相差分移相鍵控信號波形0t)(tS1100101000t)(tvBDPSK16圖圖11.4.5 BDPSK信號產生電路信號產生電路邏輯邏輯電路電路調相調相電路電路延時延時電路電路TS)(tvBDPSKkakb1kb0tka11001010t)(tvBDPSK0tkb17低通低通濾波器濾波器延時延時TSx y乘乘法法器器x y)(tvBDPSK)(tS圖圖11.4.6 差分相干解調電路差分相干

14、解調電路10t)(tvBDPSK0t)(SBDPSKTtv0t)(tS0t011001811000(0,0)(0,1)(1,0)(1,1)223431(1,0)100(1,1)(0,1)(0,0)4443圖圖11.4.7 四相調相的矢量圖四相調相的矢量圖11.4.2 四相移相鍵控四相移相鍵控 在數字調相制中，還廣泛應用多相制，例如：四相調制、在數字調相制中，還廣泛應用多相制，例如：四相調制、八相調制、十六相調制等。這里介紹四相調制的概念。八相調制、十六相調制等。這里介紹四相調制的概念。 四相調相的四個相位可以有不同的選擇。如圖四相調相的四個相位可以有不同的選擇。如圖11.4.7。 從圖上看，一

15、個四相調從圖上看，一個四相調相信號等于兩個兩相調相相信號等于兩個兩相調相信號之和。信號之和。 因此，采用兩個兩相調因此，采用兩個兩相調相器就可以構成一個四相相器就可以構成一個四相調相電路。如圖調相電路。如圖11.4.8(a)。19平衡平衡調制器調制器平衡平衡調制器調制器帶通帶通濾波器濾波器帶通帶通濾波器濾波器串并串并變換變換)(tSB)(tSA)(tStosintocos)(tvQPSK/2 0t1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0)(tS0t)(tSA1 1 1 1 0 0 0t)(tSB1 0 1 0 1 0 圖圖11.4.8 QPSK信號產生電路信號產生電路基帶信號偶數碼元

16、奇數碼元ttStvttStvoBBoAAcos)()(sin)()( 兩者在相加器中相加，就可以得到四相調相信號。兩者在相加器中相加，就可以得到四相調相信號。200t1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0)(tS0t)(tSA1 1 1 1 0 0 0t)(tSB1 0 1 0 1 0 圖圖11.4.9 QPSK信號解調電路信號解調電路同步同步檢波器檢波器同步同步檢波器檢波器抽樣抽樣判決器判決器數據數據選擇器選擇器)(tSB)(tSA)(tStosintocos)(tvQPSK/2 載波提載波提取電路取電路抽樣抽樣判決器判決器 圖圖11.4.9(a)為四相移相鍵控為四相移相鍵控(Q

17、PSK)信號的解調電路。信號的解調電路。 在在QPSK信號中，載波移相是由二位碼組成的監控，二信號中，載波移相是由二位碼組成的監控，二位碼組的速率為碼元速率的一半，因此與位碼組的速率為碼元速率的一半，因此與BPSK比較，在比較，在相同的頻譜寬度時，碼速可提高一倍。相同的頻譜寬度時，碼速可提高一倍。21 如果輸入碼流中，每三位作一組，則可由有如果輸入碼流中，每三位作一組，則可由有8種組合。用種組合。用8種組合對載波相移鍵控，就可構成八相調相。種組合對載波相移鍵控，就可構成八相調相。 如以此類推，還可構成如以此類推，還可構成16相、相、32相等移相鍵控信號。移相等移相鍵控信號。移相數目越多，電路實

18、現就越困難。實際上，多相調制一般相數目越多，電路實現就越困難。實際上，多相調制一般都用軟件實現，比較方便。都用軟件實現，比較方便。 11.4.3 移相鍵控與移頻鍵控的簡單比較移相鍵控與移頻鍵控的簡單比較(自學自學)22 正交調幅正交調幅(簡稱簡稱QAM)是利用兩個頻率相同，但是相位相是利用兩個頻率相同，但是相位相差差90o的正弦波作為載波，以調幅的方法同時傳送兩路互相的正弦波作為載波，以調幅的方法同時傳送兩路互相獨立的信號的一種調制方式。獨立的信號的一種調制方式。 這種調制方式的已調波信號所占頻帶僅為兩路信號中的這種調制方式的已調波信號所占頻帶僅為兩路信號中的較寬者，而不是兩路頻帶之和，因而可以節省帶寬。較寬者，而不是兩路頻帶之和，因而可以節省帶寬。 隨著數字調制技術的進步，正交調幅與解調的概念已擴隨著數字調制技術的進步，正交調幅與解調的概念已擴展到展到MQAM，其中，其中M可取可取4、16、32、64、128和和256等，等，最