第三章 2 无线通信中的数字调制与解调(宽带无线常用数字调制方法)
无线通信中的调制解调
无线通信系统中的调制解调基础（一）：AM和FM作者： Ian PooleAdrio Communications Ltd第一部分解释了调幅（AM）和调频（FM）的基础，并阐述了优点和缺点。
第二部分解析了频移键控（PSK）和正交幅度调制（QAM）。
第三部分讨论扩频通信技术，包括被广泛应用的直接序列扩频通信（DSSS），和正交频分复用（OFDM）射频信号被用来传递信息，信息有可能是音频，数据或者其他格式，该信息被调制(modulate)到载波信号上，并通过射频传送到接收器，在接收器端，信息从载波上分离出来，这个被称为解调（demodulation）。
而载波本身并不带有任何信息。
调制方法多种多样，简单的一般有幅度调制，频率调制和相位调制，尽管调频和调相本质上是相同的。
每种调制方法都有其有缺点。
了解每种调制方法的基础是很重要的，尽管大家更为关注的是移动通信系统的调制方法。
复习这些简单技术可以让大家对它们的优缺点有更好的认识。
载波无线通信的基础是载波，基本的载波如图3-1所示，这个信号在发射器部分产生，并不带有任何信息，在接收器部分也作为不变的信号出现。
载波信号调幅调制最显而易见的的方式就是调幅了，通过调整信号幅度大小传递信息。
最简单的调制是OOK（on–off keying，开关键控），载波以开关的形式传递信息。
这个是数字调制的基础，并用在传递莫斯（Morse）电码上面，莫斯在早期的“无线”应用上广为采用，通过开或关的长度传递码元。
在音频或其他领域应用更为常见的是，整个信号的幅度通过载波体现，如图3-2，这个被称为幅度调制（AM）。
AM调制AM解调音频信号的过程十分简单，只需要一个简单的二极管包络检波电路就可以实现，如图3-3，在这个电路中二极管只允许无线信号的半波通过，一个电容被作为低通滤波器来去除信号的高频部分，只留下音频信号。
这个信号直接通过放大后输出至扬声器。
该解调电路十分简单和易于实现，在目前的AM收音机接收上面还在广泛采用。
无线通信中的信号调制技术
无线通信中的信号调制技术随着科技的不断进步，人们的通信方式也在不断地变化。
现在，无线通信已经成为我们日常中不可或缺的一部分。
而无线通信的基础就是信号调制技术。
信号调制技术是指将模拟信号或数字信息转换为适合载波信号传输的信号形式的技术。
本文将介绍无线通信中常用的信号调制技术。
一、模拟调制技术模拟调制技术是指将模拟信号转换成适合在载波上进行传输的信号形式。
常见的模拟调制技术有调幅（AM）、调频（FM）、单边带（SSB）等。
其中，调幅技术是将模拟信号通过幅度调制的方式转化为适合在载波上传输的信号形式。
调频技术则是将模拟信号通过频率调制的方式转化为适合在载波上传输的信号形式。
而单边带技术则是将信号的一个单边带（一半）通过滤波器去除，从而使其更适合在有限频带范围内进行传输。
二、数字调制技术数字调制技术指的是将数字信息转化为适合在载波上传输的信号形式。
数字调制技术常见的有ASK（振幅移位键控）、FSK（频率移位键控）、PSK（相位移位键控）、QAM（正交振幅调制）等。
其中，PSK技术是利用信号的相位进行调制，而ASK技术则是利用信号的振幅进行调制。
FSK技术则是利用不同频率进行调制，QAM技术则是采用相位和振幅的双重调制方式。
三、OFDM技术OFDM技术（正交频分复用技术）是一种在宽带传输系统中广泛应用的数字调制技术。
它将数据信号分为多个子信号，并在不同的频率上对不同的子信号进行调制。
OFDM技术可增加传输速率，提高信号的抗噪性能，减少传输时的误码率，因此其已成为4G和5G数字移动通信系统中常用的技术。
OFDM技术在实现高速数据传输、频谱利用率优化等方面发挥了重要作用。
结尾无线通信中的信号调制技术是通信技术中一个非常重要的部分。
通过了解以上几种常见的信号调制技术，我们可以更好地理解和使用无线通信设备。
信号调制技术与传输性能、功率和频率带宽密切相关，因此在实际应用中，需要根据通信环境、传输要求和技术条件进行合理的选择和运用。
无线通信技术3.2-无线调制技术
数字调制和解调技术
4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）
3、IDFT计算
为了用IDFT实现OFDM，首先令OFDM的最低子载波频率等于0，以满 足下式
右端第一项（即n = 0时）的指数因子等于1。为了得到所需的已 调信号最终频率位臵，可以用上变频的方法将所得OFDM信号的 频谱向上搬移到指定的高频上。 其次，我们令K = 2N，使IDFT的项数等于子信道数目N的两倍， 并用对称性条件，由N个并行复数码元序列{Bi}，(其中i = 0, 1, 2, …, N – 1)，生成K＝2N个等效的复数码元序列{Bn}，(其中n = 0, 1, 2, …, 2N – 1) ，即令{Bn}中的元素等于：
每比特的持续时间
数字调制和解调技术
cos(2 f t ), 0 t T 对该信号集，只有一个基： T 这样，BPSK信号集可表示为 S E (t ), E (t ) 星座图（信号集在矢量空间上的表示）： Q E E I 这种星座图为每一个可能的符号的复包络提供了一个直 观的图形：x轴代表复包络的同相分量，y轴代表复包络的 正交分量，这个概念可推广到M进制调制。 为了表示调制信号的完整集合需要的基底信号的数目称 为矢量空间的维数。从星座图可以推断： （1）调制信号占用带宽随矢量空间维数/点数的增加而减小； （2）比特错误率与星座图上最近的二点间的距离成反比。
数字调制和解调技术
4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）
数字调制和解调技术
4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）
OFDM系统的实现（以MQAM为例来讨论）
DFT回顾：
注意：
数字调制和解调技术
4.3 多载波调制（正交频分复用OFDM）
第三章 3 无线通信中的数字调制与解调(BPSK的误码率性能分析)
7/21
AWGN信道的BPSK性能
∫ P (e | s1 ) =
0 −∞
p
(r
|
s1
)
dr
∫ = 1
0
e−(r−
)2
εb
N0 dr
π N0 −∞
=
∫ 1
e dx − εb / N0 − x2 2
2π −∞
∫ 1 ∞
=
e− x2 2dx
2π εb / N0
= Q
2ε b
N0
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z 假设信道是频率非选择性的，且是慢衰落的，则信 号所有频率分量在通过信道传输时受到相同的衰减 和相移，且信道衰减和相移至少在一个信号传输间 隔内基本固定不变。
z 因此，若发送信号为sl(t)，在一个信号传输间隔内的 等效低通接收信号为
rl (t ) = α sl (t ) e− jφ + z (t ) 0 ≤ t ≤ T
出了BPSK的差错率
Pb = Q
2ε b
N0
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单径瑞利信道中BPSK的性能
z 将上面的差错率改写为下面的形式
( ) Pb (γb ) = Q 2γb
其中
γ b = α 2εb N0
z 将上式作为差错率，其条件是α为固定不变的。
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单径瑞利信道中BPSK的性能
AWGN信道的BPSK性能
z 其中，Q(x)是Q函数，类似的可以求出
P
(
e
|
s2
)
=
Q
2εb
N0
z 因为s1(t)和s2(t)是等概发送的，所以平均错误概率是
第3章数字调制解调技术
第3章 移动通信中的调制解调技术
3.2 数字频率调制
3.2.1 二进制数字频移键控（2FSK） 设输入到调制器的信号比特流为{an}，an=“1”或
“0” n=-∞~+∞。当输入为传号“1”时，输出频率为f1 的正弦波；当输入为空号“0”时，输出频率为f2的正弦波。 FSK信号分为相位连续的FSK信号和相位跳变的FSK信号。 FSK信号的波形及功率谱如图3-3所示。
电子信息工程系通信技术教研室
第3章 移动通信中的调制解调技术
移动通信中的数字调制技术应具有以下特点： （1）要有窄的功率谱和高的频谱利用率。移动通信是 一种多波道系统，调制信号功率谱带外辐射对邻道产生干 扰，使性能下降。为了保证数字信息传输质量，信号功率 与干扰功率之比应大于20dB，考虑到移动台运动时的衰落 深度可达20～40dB，所以要求已调信号在邻道的总辐射干 扰低于20～40dB。 （2）误码性能好。移动通信环境以衰落、噪声、干扰 为特点，包括多径瑞利衰落、频率选择性衰落、多普勒频 移和障碍物阻挡的联合影响。因此，必须根据抗衰落和干 扰能力来优选调制方案。误码性能的好坏实际上反映了信 号的功率利用率的高低。
MSK调制器的原理框图如图3-6所示。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-6 MSK调制器的原理框图
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第3章 移动通信中的调制解调技术 4.频谱特点 MSK信号的功率谱如图3-7所示，图中还给出了QPSK
信号的功率谱。从图中可以看出，与QPSK相比，MSK信号 的功率谱具有较宽的主瓣，其第一个零点出现在(f-fc)=0.75 处，而QPSK信号的第一个零点出现在(f-fc)=0.5处。当(ffc)→∞时，MSK的功率谱以［(f-fc)Tb］-4 QPSK的衰减速率［（f-fc)Tb］-2快得多。MSK信号可以采用 鉴频器解调，也可以采用相干解调。
无线通信中的信号传输和调制技术
无线通信中的信号传输和调制技术无线通信是指通过电磁波传输信息的通信方式，它在我们的生活中起到了至关重要的作用。
在无线通信中，信号传输和调制技术是至关重要的环节。
本文将详细介绍无线通信中的信号传输和调制技术，并分点列出步骤。
一、信号传输技术信号传输是将信息从发送端传输到接收端的过程。
在无线通信中，常用的信号传输技术有以下几种：1. 调幅传输（Amplitude Modulation，AM）调幅传输是利用载波的振幅调制的一种传输技术。
其步骤如下：- 将原始信号与较高频率的载波信号相乘，得到调制信号。
- 调制信号经过无线传输后，到达接收端。
- 在接收端，将接收到的调制信号与载波信号相乘，得到原始信号。
2. 调频传输（Frequency Modulation，FM）调频传输是利用载波的频率调制的一种传输技术。
其步骤如下：- 将原始信号与载波信号相加，得到调制信号。
- 调制信号经过无线传输后，到达接收端。
- 在接收端，通过对调制信号进行频率解调，得到原始信号。
3. 数字调制传输数字调制传输是将数字信号转换为模拟信号进行传输的一种传输技术。
其步骤如下：- 将数字信号经过数字调制技术转换为模拟信号。
- 模拟信号经过无线传输后，到达接收端。
- 在接收端，通过解调将模拟信号转换为数字信号。
二、调制技术调制技术是将原始信号转换为适合无线传输的信号的过程。
常用的调制技术包括以下几种：1. 幅度调制（Amplitude Modulation，AM）幅度调制是基于原始信号的振幅变化来调制载波信号的一种调制技术。
其步骤如下：- 将原始信号的振幅与载波信号的振幅进行乘积运算，得到调制后的信号。
2. 频率调制（Frequency Modulation，FM）频度调制是基于原始信号的频率变化来调制载波信号的一种调制技术。
其步骤如下：- 将原始信号的频率变化与载波信号的频率进行调制运算，得到调制后的信号。
3. 相位调制（Phase Modulation，PM）相位调制是基于原始信号的相位变化来调制载波信号的一种调制技术。
数字调制解调技术
抗多径干扰能力主要取决于调制解调 算法的设计和实现，以及信号处理技 术的运用。常用的抗多径干扰技术包 括RAKE接收、信道估计与均衡、多 天线技术等。这些技术的应用可以有 效抑制多径干扰的影响，提高数字信 号的传输质量和稳定性。
05
数字调制解调技术的未 来发展
高频谱效率的调制解调技术
总结词
随着通信技术的发展，对频谱效率的要求越来越高，高频谱效率的调制解调技术成为研 究热点。
02
通过将多个载波信号进行调制 ，多载波调制能够提高信号传 输的效率和可靠性。
03
多载波调制具有频谱利用率高 、抗多径干扰能力强等优点， 因此在无线通信、宽带接入等 领域得到广泛应用。
03
数字解调技术
相干解调
相干解调是一种基于相位的解调方法，它利用发送信号的相位信息来恢复原始信 号。在相干解调中，接收到的信号与本地振荡器产生的信号进行相位比较，以恢 复原始信号的相位信息。
抗多径干扰能力
抗多径干扰能力
总结词
详细描述
抗多径干扰能力是指数字调制解调技 术在存在多径干扰的情况下仍能保持 正常工作的能力。多径干扰是无线通 信中常见的问题，良好的抗多径干扰 能力能够提高通信质量。
抗多径干扰能力是评估数字调制解调 技术性能的重要指标，尤其在无线通 信中，它直接影响到通信的质量和稳 定性。
思路。
多模态调制解调技术
总结词
随着通信环境的多样化，多模态调制解 调技术成为研究的热点，以满足不同通 信环境下的需求。
VS
详细描述
多模态调制解调技术是指能够处理多种通 信模式的调制解调技术。目前已经出现了 一些多模态调制解调技术，如OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和SC-FDE （Single Carrier Frequency Domain Equalization，单载波频域均衡）等。这 些技术通过融合不同的通信模式，提高了 通信系统的灵活性和适应性，为未来通信 技术的发展提供了新的方向。
无线网络中的信号处理与调制技术
无线网络中的信号处理与调制技术近年来，无线网络技术的快速发展使得人们能够更加便捷地获取信息和进行交流。
无线网络的基础是信号传输技术，而信号处理和调制技术是其中关键的一环。
信号处理技术包括信号采集、信号增强、信号降噪、信号滤波等一系列操作。
在无线网络中，采用接收器对发送的信号进行采集。
采集到的信号可能会因为传输过程中的各种干扰而导致信号质量下降。
此时，信号增强技术可以对信号进行放大或者加噪，以提高信号质量。
同时，信号降噪技术可以对杂波进行抑制，以减少信号干扰。
信号滤波技术可以将不需要的信号部分滤除，使得接收器只接收到所需要的信号。
除了信号处理技术，调制技术也是无线网络中不可缺少的技术之一。
调制技术是将数字信号转化为模拟信号的过程。
通过调制技术，数字信号能够被传输到接收端，并且能够被正确解读。
调制技术的种类较多，常见的有AM调制、FM调制、PSK调制、QAM调制等。
AM调制是一种调制方式，它将模拟信号的幅度与数字信号进行关联，即调制信号的幅度变化与数字信号的数值变化相对应。
AM调制在无线通信中应用广泛，例如无线广播。
FM调制是一种将数字信号转换为模拟信号的调制方式，它将模拟信号中的频率与数字信号进行关联。
在FM调制中，数字信号的变化造成了载波频率的变化。
FM调制主要应用于音频信号的传输，例如无线电视信号和无线电话信号等。
PSK调制是一种数字调制方式，它将数字信号转化为一个相位变化，在传输中，信号的相位变化就代表数字信号的不同。
PSK调制常用于数字通信中，例如无线电视和电视信号的传输等。
QAM调制也是常用的数字调制方式，它将数字信号分成多个子信号，每个子信号都以不同的幅度和相位进行调制。
QAM调制广泛应用于现代无线通信，例如Wi-Fi、LTE等。
除了调制技术以外，还有一种广泛应用的信号处理技术，即正交频分复用技术（OFDM）。
OFDM技术可以将高速数字信息传输分成几个低速信号，然后把每个低速信号调制在不同的载波上，实现多路传输。
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引言 BPSK 2DPSK 多进制数字调制 QPSK 4DQPSK BFSK MSK GMSK QAM
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多进制数字调制
z
二进制数字调制系统是数字通信系统最基本的方 式，具有较好的抗干扰能力。
9 由于二进制数字调制系统频带利用率较低，使其在实际 应用中受到一些限制。 9 在信道频带受限时 为了提高频带利用率，通常采用多进 制数字调制系统。其代价是增加信号功率和实现上的复 杂性。
S2DPSK(t)
带通 滤波器
a
乘法器
c
低通 滤波器
d
抽样 判决器
e
输出
b
延迟Ts 2DPSK差分相干解调原理图 定时脉冲
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二进制差分相移键控(2DPSK)
a
b
c
d
e
0
0
1
0
1
1
0
2DPSK差分相干解调波形图
2006-10-2
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目录
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9 这种现象通常称为相位模糊现象。现实的无线通信接收 机需要采用信道估计技术校正这种模糊。
z
在某些信道中，信道估计是困难或不精确的，因 此，为了解决BPSK信号解调过程的反向工作问题， 提出了二进制差分相位键控(2DPSK)。
2006-10-2
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2006-10-2
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四相相移键控 (QPSK)
z
其相关解调原理如下图所示
⊗
cos ωc t
低通 滤波器
抽样 判决
a
并 / 串 变 换
SQPSK(t)
带通 滤波器
载波恢复
位定时
输出
sin ωc t
⊗
低通 滤波器 QPSK相干解调原理
抽样 判决
b
2006-10-2
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四相相移键控 (QPSK)
S(t)
码型变换 双极性非 归零码 乘法器
SBPSK(t)
cos ωc t cos ωc t 0
D
开关电路
SBPSK(t)
180 移相
D
π
S(t)
BPSK调制原理图
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二进制相移键控(BPSK)
SBPSK(t)
带通 滤波器
a
乘法器
c
低通 滤波器
d
抽样 判决器
e
输出
b
cos ωc t
z
在多进制数字调制中，每个符号时间间隔0≤t≤Ts， 可能发送的符号有M种，分别为s1(t), s2(t), …, sM(t)。
9 在实际应用中，通常取 M＝2N，N为大于1的正整数。
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多进制数字调制
z
常见的多进制调制：
9 多相调制，如MPSK
¾ 多进制数字相位调制又称多相调制，它是利用载 波的多种不同相位来表征数字信息的调制方式。 ¾ 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和差分相位调制两种。
目录
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2006-10-2
引言 BPSK 2DPSK 多进制数字调制 QPSK 4DQPSK BFSK MSK GMSK QAM
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引言
z
调制，就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。
9 一般来说，就是把基带信号(信源)转变为一个相对基带频 率非常高的带通信号。 9 通信系统中的调制有模拟调制和数字调制，模拟调制主 要用于第一代移动通信系统，而数字调制技术用于现在 和未来系统中。
2006-10-2
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四相相移键控 (QPSK)
z
QPSK正交调制原理如下图所示
a
串 / 并 变 换 载波振荡
⊗
cos ωc t
−π/2相移
S(t)
⊗
输出
sin ωc t b
⊗
QPSK正交调制器
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四相相移键控 (QPSK)
z
z
z
串/并变换器将输入的二进制序列分为速率减半的两 个 并 行 的 双 极 性 序 列 a 和 b， 然 后 分 别 对 cosωct 和 sinωct进行调制，相加后即可得到QPSK信号。 QPSK 信号可以看作两个载波正交 BPSK 信号的合成。 因此，对 QPSK 信号的解调可以采用与 BPSK 信号类 似的解调方法进行解调。 同相支路和正交支路分别采用相干解调方式解调， 得到 I(t) 和 Q(t)，经抽样判决和并 /串变换器，将上、 下支路得到的并行数据恢复成串行数据。
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二进制差分相移键控(2DPSK)
z
2DPSK信号调制和解调原理及波形
1
绝对码
0
0
1
0
1
1
0
1
相对码
1
1
0
0
1
0
0
载波
DPSK信号
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二进制差分相移键控(2DPSK)
S ( t)
差分编码 乘法器
S2DPSK(t)
输出
cos ωc t
2DPSK调制原理图
9 幅相调制，如QAM
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引言 BPSK 2DPSK 多进制数字调制 QPSK 4DQPSK BFSK MSK GMSK QAM
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四相相移键控 (QPSK)
z
四相相移键控利用载波的四种不同相位来表示数字 信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，因 此每个四进制码元可以用两个二进制码元的组合来 表示。
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二进制相移键控(BPSK)
z z
其中fc为载波频率，φc是基带数字序列作用下两个不 同的相位取值，通常为0或π。 用g(t)表示脉冲波形，用mk＝±1表示脉冲的正负，则 脉冲序列可表示为：
m(t ) =
k =−∞
∑ m g (t − kT )
k b
∞
其中Tb为脉冲持续时间，则传输信号可以表示为
9 这些技术的研究，主要是围绕充分节省频谱和高效率的 利用频带展开的。多进制调制，是提高频谱利用率的有 效方法。
z
数字调制技术可以大致分为线性和非线性的。
9 线性调制技术带宽效率高，所以非常适合用于有限频带 内要求容纳越来越多用户的无线通信系统。
2006-10-2
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引言
z
无论我们研究出什么调制方式其目的都是一样的， 即为了满足移动通信的数字调制和解调器技术的要 求。对移动通信的数字调制和解调器技术有以下的 要求：
2006-10-2
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引言 BPSK 2DPSK 多进制数字调制 QPSK 4DQPSK BFSK MSK GMSK QAM
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二进制相移键控(BPSK)
z
在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制 数字基带信号离散变化时，则产生二进制相移键控 (BPSK或者2PSK)信号。
z
在现代通信中，随着大容量和远距离数字通信技术 的发展，出现了一些新的问题，频谱资源日益紧张。
9 在无线通信的发展过程中，为了提高系统的容量，信道 间隔由原来的100KHz减小到25KHz，甚至更小，通信质 量主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响。
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引言
z
传统的数字调制方式，ASK、PSK和FSK因传输效率 低而无法满足移动通信的要求，需要采用新的数字 调制方式以减小信道对所传信号的影响，以便在有 限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。
9 通常用已调信号载波的0º和180º分别表示二进制数字基带 信号的1和0。
z
如果正弦载波的幅度为Ac，每比特能量Eb＝Ac2Tb/2， 则二进制相移键控信号的时域表达式为
2 Eb cos(2π f c t + φc ) Tb sBPSK (t ) = 2 Eb − T cos(2π f c t + φc ) b 0 ≤ t ≤ Tb (二进制的1) 0 ≤ t ≤ Tb (二进制的0)
S2DPSK(t)
带通 滤波器
a
乘法器
c
低通 滤波器
d
抽样 判决器
e
码(反) 变换器
f
输出
b
cos ωc t
2DPSK相干解调原理图
定时脉冲
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二进制差分相移键控(2DPSK)
a
b
c
d
e 0 f 0 1 0 1 1 0
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2DPSK相干解调波形图
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二进制差分相移键控(2DPSK)
z
信息传输速率Rb(比特率)、符号传输速率RB(波特率) 和进制数M之间的关系
Rb RB = log 2 M
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多进制数字调制
z
在信息传输速率不变的情况下，通过增加进制数 M，可以降低码元传输速率，从而减小信号带宽、 节约频带资源、提高系统频带利用率。
9 在码元传输速率不变的情况下，通过增加进制数 M，可 以增大信息传输速率，从而在相同的带宽中传输更多的 信息量。