第3章数字调制解调技术
数字信号处理中的调制与解调技术
数字信号处理中的调制与解调技术数字信号处理技术在现代通信中扮演着至关重要的角色。
它可以对信号进行调制与解调，使得信号可以在不同的载体(比如无线电波、光纤等)传输和传递。
本文将介绍数字信号处理中的调制与解调技术。
一、调制技术调制技术是将基带信号(即未调制的信号)转换为能够在载体中传输的信号的过程。
它可以用来改变信号的频率、幅度和相位等属性。
常见的调制技术包括幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)等。
1. 幅度调制(AM)幅度调制是最简单的调制技术之一，它通过将基带信号和一个高频载波信号进行乘法运算，来改变信号的幅度。
结果可以用下式表示:s(t) = Ac[1 + m(t)]cos(2πfct)其中，Ac是载波的幅度，f是载波频率，m(t)是基带信号，s(t)为调制后的信号。
可以看出，载波信号的幅度随着基带信号而变化，从而实现了对信号幅度的调制。
2. 频率调制(FM)频率调制是一种常见的调制方式，在广播电台、卫星通信等领域得到广泛应用。
它是通过改变载波频率的大小，来反映出基带信号的变化。
这个过程可以用下式表示:s(t) = Ac cos[2πfc t + kf∫m(τ)dτ]其中，kf是调制指数，m(t)是基带信号，∫m(τ)dτ是对基带信号的积分。
这里，频率调制实质是将基带信号的斜率值转化为频率的变化，从而体现了基带信号的变化。
3. 相位调制(PM)相位调制是另一种常见的调制方式，它通过改变相位来反映出基带信号的变化。
相位调制可以用下式表示:s(t) = Ac cos[2πfct + βm(t)]其中，β是调制指数，m(t)是基带信号。
可以看出，相位调制实质上是将基带信号的变化转化为相位的变化。
二、解调技术解调技术是将调制后的信号还原为原始基带信号的过程。
它在通信中起着至关重要的作用，可以保证信息的正确传递。
1. 相干解调相干解调是最常见的解调方式，它是通过连续时间信号的乘法运算来分离出基带信号的。
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)
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
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1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
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)。
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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
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
rfid原理及应用第3章编码和调制
5V
D1
PR
D
Q
7474
CLK
Q
CL
1
5V D2
PR
CLK
Q
7474
数据输出
非
D
Q
CL
1
R 非
125kHz 时钟
Reset
Q7
CLK 10 进计数器 4017
CLKen
单稳 74121
至 MCU
FSK解调电路原理图
27
3 编码和调制
脉冲调制 FSK解调工作原理如下： 触发器D1将输入FSK信号变为窄脉冲。触发器 D1采用74HC74，当Ǭ端为高时，FSK上跳沿将Q 端置高，但由于此时Ǭ为低，故CL端为低，又使Q 端回到低电平。Q端的该脉冲使十进计数器4017复 零并可重新计数。
33
3 编码和调制
副载波与副载波调制解调 TYPE A中的副载波调制
S 字节（8 位） P 字节 P …… CRC-1 P CRC-2 P E
标准帧的结构
NRZ 码
副载波 fs
曼彻斯特码 副载波 调制信号
副载波调制波形
34
3 编码和调制
副载波与副载波调制解调 TYPE B中的副载波调制 ： 位编码采用不归零NRZ编码，副载波调制采用 BPSK方式，逻辑状态的转换用副载波相移180° 来表示，θ0表示逻辑1，θ0＋180°表示逻辑0，副 载波频率fs=847 kHz，数据传输速率为106 kbps。
谱是离散的。模拟信号用来表示模拟数据。 数字信号是一种电压脉冲序列，数据取离散值，
通常可用信号的两个稳态电平来表示，一个表示二 进制的0，另一个表示二进制的1。
3
3 编码和调制
传输介质 传输介质是数据传输系统里发送器和接收器之
电路基础原理数字信号的调制与解调
电路基础原理数字信号的调制与解调数字信号的调制与解调是电路基础原理中的重要概念。
调制是将数字信号转化为模拟信号的过程，解调则是将模拟信号还原为数字信号的过程。
本文将介绍数字信号的调制与解调原理及其应用。
一、调制的基本原理调制是为了将数字信号传输到远距离时，能够克服传输噪声、提高信号质量而进行的一种技术。
数字信号经过调制后，会转化为模拟信号，其特点是连续的波形。
1.频移键控调制(FSK)FSK是一种基本的数字信号调制方式，它通过改变信号的频率来表示不同的数字。
在FSK中，使用两个频率来分别代表二进制的0和1。
2.相移键控调制(PSK)PSK是一种通过改变信号的相位来表示不同的数字的调制方式。
在PSK中，使用不同的相位来表示二进制的0和1。
3.正交幅度调制(QAM)QAM是一种通过改变信号的振幅和相位来表示不同的数字的调制方式。
在QAM中，通过改变信号的振幅和相位的组合来表示多个二进制数字。
二、解调的基本原理解调是将模拟信号还原为数字信号的过程，其目的是还原接收到的信号，以便后续的数字信号处理。
1.频移解调频移解调是将经过FSK调制的信号还原回数字信号的过程。
解调器需要检测接收到的信号的频率，并根据频率的不同判断出二进制的0和1。
2.相移解调相移解调是将经过PSK调制的信号还原为数字信号的过程。
解调器需要检测接收到信号的相位，并根据相位的变化来判断出二进制的0和1。
3.幅度解调幅度解调是将经过QAM调制的信号还原为数字信号的过程。
解调器需要测量接收到信号的振幅和相位，并根据这些信息来判断出二进制的0和1。
三、调制与解调的应用调制与解调技术广泛应用于通信领域，特别是在无线通信中。
1.无线电广播无线电广播使用调制技术将音频信号转化为无线电信号，并通过无线电波传输到接收器中，然后通过解调技术将无线电信号还原为音频信号。
2.移动通信移动通信中的调制与解调技术被用于将数字信号通过无线电信道传输，以实现声音、图像和数据的无线传输。
调频广播发射机的数字调制与解调技术
调频广播发射机的数字调制与解调技术调频广播发射机作为广播传输的主要设备之一，起着将音频信号转化为无线电信号并传输到接收端的重要作用。
在调频广播发射机的设计与运行中，数字调制与解调技术发挥着关键的作用。
本文将介绍数字调制与解调技术在调频广播发射机中的应用及其相关原理。
一、数字调制技术在调频广播发射机中的应用数字调制技术通过将模拟信号转化为数字信号，实现信号的高效编码和传输。
在调频广播发射机中，数字调制技术可以较好地抗干扰、提高传输效率和扩大频谱利用率。
以下是一些常见的数字调制技术在调频广播发射机中的应用：1. 正交幅度调制（QAM）：正交幅度调制技术通过将调幅和调相结合，在相同的带宽内传输更多的信息。
调频广播发射机使用QAM技术可以提高数据传输速率和抗干扰能力。
2. 倍频调制（FM）：倍频调制是调频广播发射机中最常见的调制技术之一。
通过改变频率的变化速度，将音频信号转化为无线电信号。
使用数字调制技术，可以实现更精确的频率控制和调制效果。
3. 正交频分复用（OFDM）：正交频分复用技术将高速数据流分为多个较低速率的子流，分别调制到不同的子载波上，然后将它们合并为一个复合信号进行传输。
OFDM技术可在有限的频谱内传输更多的数据，并提高系统的容错能力。
4. 直接数字频率合成（DDS）：DDS技术可用于产生高精度的频率合成信号。
通过数字控制，可以实现频率的实时调整和稳定性的优化，提高调频广播发射机的性能和效率。
二、数字解调技术在调频广播发射机中的应用数字解调技术是将数字信号转化为对应的模拟信号的过程，用于从接收到的信号中还原原始的音频信号。
以下是一些常见的数字解调技术在调频广播发射机中的应用：1. 直接数字解调（DDC）：直接数字解调技术通过将收到的数字信号经过基带处理和滤波，直接还原原始的音频信号。
DDC技术可以提高抗干扰性能和解调精度，并消除传统解调器中的模拟处理环节。
2. 程序控制解调器（DPU）：程序控制解调器是一种通过软件实现的数字信号解调设备。
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。
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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。
调制解调技术的原理与应用
调制解调技术的原理与应用随着数字通信技术的不断发展，人们对数据传输效率和传输质量的要求越来越高。
而调制解调技术作为数字通信领域中的重要技术之一，则成为了实现这一目标的重要技术手段。
本文将介绍调制解调技术的原理和应用。
调制解调技术是指将原始信息信号（比如人说话、电子信号等）按照一定的方式转换为适合传输的信号，称为载波信号。
这种转换方式就叫做调制，相应地，将接收到的载波信号重新还原成原始信号的过程就称为解调。
从原理上来讲，调制解调技术是一个模拟信号转数字信号的过程。
在传输过程中，数字信号会遭受种种噪声的干扰，如电磁干扰、信道衰落、多径传播等，这些噪声会影响信号的传输效率和质量，从而导致传输误码率的提高。
调制就是为了克服这些干扰而开发出的一种技术。
调制解调技术在通信领域有着广泛的应用，比如：1. 无线电通信：无线电通信中，常用的调制方式有幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）等。
它们常用于广播、电视、对讲机、移动通信、雷达等方面。
2. 光纤通信：调制解调技术也被广泛应用于光纤通信中。
这是因为，在光波导中，光信号的传输方式与电信号有所不同。
信号时域的等效信号可以用脉冲时间调制（PAM）信号表征，频域的等效信号可以用正交振幅调制（QAM）信号表征。
3. 数字电视：在数字电视中，将数字信号调制为一定的模拟信号，再进行传输。
这样既能够达到数字信号的传输效率和传输质量要求，又能够实现对前一代模拟电视节目的兼容。
4. 数字音频：在数字音频中，通过调制技术将音频信号压缩，降低数据传输量，同时又能保证音频质量和数据传输的效率。
总的来说，调制解调技术具有传输效率高、传输质量好等优点，因此得到了广泛的应用。
总结：本文介绍了调制解调技术的原理和应用，在通信领域中，调制解调技术得到了广泛的应用。
随着数字通信技术的不断发展，调制解调技术也将不断的发展和创新，以满足人们对于数据传输效率和质量的要求。
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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。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-7 MSK信号的功率谱
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第3章 移动通信中的调制解调技术
3.2.3 高斯滤波的最小频移键控（GMSK）
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第3章 移动通信中的调制解调技术
3.2.3 高斯滤波的最小频移键控（GMSK） 尽管MSK信号已具有较好的频谱和误比特率性能，但仍不能
的输入及相位常数有关。在给定输入序列{ak} MSK 的相位轨迹如图3-5所示。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-5 MSK的相位轨迹
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第3章 移动通信中的调制解调技术
2. MSK 信号的特点
MSK 信号具有如下特点：
·已调信号振幅是恒定的。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
3.2.2 最小频移键控(MSK) 1.最小频移键控的原理 MSK是一种特殊形式的FSK，其频差是满足两个相互
正交（即相关函数等于零）的最小频差，并要求FSK信号
h f1 f2 f 0.5
fb
fb
MSK信号的表达式为
SM SK(t)cos(ct2Tbaktk)
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-3 FSK信号的波形及其功率谱
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-4 相位不连续的2FSK信号波形与频谱
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第3章 移动通信中的调制解调技术
该功率谱有如下特点：
（1）2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其 中，连续谱由两个双边带谱叠加而成，而离散谱出现在f1和 f2两个载频位置上。
第3章 移动通信中的调制解调技术
第3章数字调制解调技术
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第3章 移动通信中的调制解调技术
3.1 概 述
要使数字信号在有限带宽的信道中传输，就必须用数 字信号对载波进行调制，即用数字信号来调制某一较高频 率的正弦或脉冲载波，使已调信号能通过带限信道传输。 这种用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换 为频带数字信号的过程称为数字调制。在接收端通过解调 器把频带数字信号还原成基带数字信号，这种数字信号的 逆变换过程称为解调。通常，把数字调制与解调合起来称 为数字调制，把包括调制和解调过程的传输系统称为数字 信号的频带传输系统。
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第3章 移动通信中的调制解调技术 ①恒包络调制技术（不管调制信号如何变化，载波振
幅保持恒定）。恒包络调制技术有2FSK、MSK、GMSK、 TFM和GTFM等。恒包络调制技术的功率放大器工作在C 类，具有带外辐射低、接收机电路简单等优点，但其频带 利用率比线性调制技术稍差一些。
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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。
(3.4)
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第3章 移动通信中的调制解调技术
式中， ak 为输入序列，取“＋1”或“－1”；Tb 为输入数据流的比
特宽度； k 是为了保证t kTb 时相位连续而加入的相位常量。令
k
2Tb
akt
k
kTb ≤ t ≤ (k 1)Tb
（3.5)
上式为一直线方程，斜率为 ，截距为 k 。所以，
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-1 各类二进制调制原理波形图
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第3章 移动通信中的调制解调技术 移动信道的基本特征如下： ①带宽有限，它取决于可使用的频率资源和信道的传
播特性； ②干扰和噪声的影响较大，这主要是由移动通信工作
的电磁环境所决定的； ③存在着多径衰落。
第3章 移动通信中的调制解调技术
其中,
k
k1 k1
k
ak ak1 ak ak1
Ik为同相分量，Qk为正交分量。它们都与输入数据有关。Ik支 路数据和Qk支路数据并不是每隔Tb秒就可能改变符号，而是 每隔2Tb秒才有可能改变符号。Ik支路和Qk支路的码元在时间 上错开Tb秒。若输入数据dk经过差分编码（ak=dkdk-1）后，再 进行MSK调制，则只要对cosφk和akcosφk交替取样，就可恢复 输入数据dk。MSK信号也可以将非归零的二进制序列直接送 入FM调制器中来产生（要求调制器的调制指数为0.5）。
满足功率谱在相邻频道的取值（即邻道辐射）低于主瓣峰值60dB 以上的要求。
这就要求在保持MSK基本特性的基础上，对MSK的带外频谱
实际上，MSK信号可以由FM调制器来产生，MSK信号在码 元转换时刻虽然保持相位连续，但相位变化是折线，在码元转换 时刻会产生尖角，使其频谱特性的旁瓣滚降缓慢，带外辐射还相 对较大。为了解决这一问题，可将数字基带信号先经过一个高斯 滤波器整形（预滤波），得到平滑后的某种新的波形后再进行调 频，从而得到良好的频谱特性，调制指数仍为0.5，如图3-8示。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
图3-8 GMSK信号的产生原理
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第3章 移动通信中的调制解调技术 高斯低通滤波器的冲击响应为
2T b
在一个比特区间内，相位线性地增加或减少 / 2 。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
为了保证相位连续，在t=kTb时应有下式成立:
从而有
k 1(kbT )kkbT k k1(ak1ak)k2
（3.6）
设φ0=0，则φk=0或±kπ。式(3.6)表明：本比特内的相位 常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内
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第3章 移动通信中的调制解调技术 由于相位不连续的2FSK信号存在载频线谱，浪费功率，
因此只用于设备比较简单的通信场合。 对于相位连续的2FSK信号，由于前后码元是相关的，
因此功率谱密度分析比较复杂。可以得到的结论是：如偏 移指数h不是整数，则功率谱密度中无离散线谱，且当h＜ 0.7时，大部分功率谱位于2fb频带内；当h较大时，大部分 功率谱位于(2+h)fb频带内；如h是整数，则出现载频线谱。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
（3）能接受差分检测，易于解调。由于移动通信系统 接收信号的衰落和时变特性，相干解调性能明显变差，而 差分检测不需载波恢复，能实现快速同步，获得好的误码 性能，因而差分检测的数字调制方案被越来越多地应用于 数字蜂窝移动通信系统中。
一般的数字调制技术，如幅移键控（ASK）、相移键 控（PSK）和频移键控（FSK），因传输效率低而无法满足 移动通信的要求。为此，需要专门研究一些抗干扰性能强、 误码性能好、频谱利用率高的调制技术，尽可能地提高单 位频带内传输数据的比特速率，以适应移动通信的要求。 目前已在数字移动通信系统中得到广泛应用的数字调制方 案分为如下两类：
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第3章 移动通信中的调制解调技术
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第3章 移动通信中的调制解调技术
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第3章 移动通信中的调制解调技术 由于基带信号是数字信号，因此相应地有三种基本调
制方式，即幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）、频 移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）和相移键控 （PhaseShiftKeying，PSK）。其他调制方式，如差分（相 对）相移键控（DifferentialPSK，DPSK）、正交（四相） 相移键控（QuatemaryPSK，QPSK）和交错（偏置）正交 （四相）相移键控（OffsetQPSK，OQPSK）都是PSK的改 型；而高斯型最小频移键控（GMSK）是FSK的改型。各 类二进制调制原理的波形如图3-1所示。
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第3章 移动通信中的调制解调技术 相位不连续的2FSK信号，只要利用数据信号来选通两
个独立的振荡源,便可获得所需的调频信号；相位连续的 2FSK信号可通过一只电压控制的振荡器来实现。FSK信号 可采用包络检波法、相干解调法和非相干解调法等方法解 调。
需要指出的是，FSK调制在中、低速数字通信（如寻 呼系统）中应用较广。
②线性调制技术（已调信号的幅度随调制信号线性变 化）。
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第3章 移动通信中的调制解调技术
使用多电平调制可以提高频谱效率。例如，在理想条件下， 8PSK和16QAM系统的频谱效率分别可以达到3b/s/Hz和4b/s/Hz。 若采用64QAM，低于模拟语音的频带宽度。但是，当频谱效率 提高时，解调器的复杂度和比特差错率（BER）的增大已明显变 成了制约因素。移动通信环境对利用幅度和相位携带信息的 QAM也是一个严峻的挑战。为了寻求频谱效率和BER性能之间 的折中，多载波调制（MCM）已成为移动通信应用研究的热点。 其中，多载波16QAM调制技术将载波频道分为M个子信道，按 频分设计M 个16QAM信道，能适应多径时延扩散且不需构造 复杂的均衡器，已经在数字移动通信中使用；正交频分复用 （OFDM）、多载波码分多址（MC-CDMA）等，亦已成为受到 广泛关注的调制策略。图3-2所示为数字调制技术的分类。