3.2 调制与解调技术
调制与解调的名词解释
调制与解调是通信领域中广泛应用于模拟和数字信号处理的核心技术。
本文将以深入、全面的方式探讨调制与解调的概念、原理、分类和应用。
一、调制与解调的概念调制（Modulation）指的是将原始信号通过改变调制信号的一个或多个参数，使得原始信号能够在载波上传输的过程。
解调（Demodulation）则是将调制信号恢复为原始信号的过程。
通过调制与解调技术，可以将低频信号转化为高频信号进行传输，从而实现远距离、高效率的信息传输。
二、调制的原理调制的原理是通过改变载波的频率、相位或幅度，将原始信号信号嵌入到载波中。
常见的调制方式有幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。
2.1 幅度调制（AM）幅度调制是通过改变载波信号的幅度来传输信息的一种调制方式。
其原理是通过调制信号的幅度变化来对载波信号的幅度进行调制。
在幅度调制中，调制指数的大小决定了调制信号的幅度对载波信号的影响程度，进而实现信息传输。
2.2 频率调制（FM）频率调制是通过改变载波信号的频率来传输信息的一种调制方式。
其原理是根据调制信号的波形来改变载波信号的频率。
频率调制中，调制信号的频率越高，载波频率的改变幅度越大，从而传输更多的信息。
2.3 相位调制（PM）相位调制是通过改变载波信号的相位来传输信息的一种调制方式。
其原理是通过改变调制信号的相位来改变载波信号相位。
相位调制中，调制信号的相位变化越大，载波信号相位的改变幅度越大，传输的信息量也就越大。
三、调制的分类根据调制信号的特点和应用需求，调制可以分为模拟调制和数字调制两种方式。
模拟调制是指将连续时间和连续振幅的模拟信号通过调制技术嵌入到连续时间和连续振幅的模拟载波中。
模拟调制技术主要应用于模拟通信系统、广播电视等领域。
常见的模拟调制方式有幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。
3.2 数字调制数字调制是指将数字信号通过调制技术转化为模拟信号进行传输。
数字调制是一种离散时间和离散振幅的信号处理技术，广泛应用于数字通信、无线通信等领域。
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）
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。
调制与解调的名词解释
调制与解调的名词解释调制和解调是在通信中常用的两种信号处理技术。
调制是指在通信过程中，通过改变一个信号（称为基带信号）的某些特性，将其转换为适用于传输和传递的信号（称为载波信号），以便能够有效地在媒介（例如空气中的无线电波或光纤中的光信号）中传输。
调制主要用于将信息通过传输介质传播给接收端。
调制技术的目的是在不增加功率和频带宽度的情况下，提高信息传输的可靠性、效率和距离。
解调是指在接收端将调制后的信号恢复成起始的基带信号的过程。
解调技术是调制技术的逆向过程，目的是恢复出原始的信息，以便于后续的信号处理和解读。
解调器通常会处理噪声、干扰和失真等问题，以保持准确性和可靠性。
调制和解调是通信系统中必不可少的两个环节，主要作用是实现可靠的信息传输和接收。
常见的调制和解调技术包括：幅度调制（AM）、频率调制（FM）、相位调制（PM）、振幅移键调制（ASK）、频移键调制（FSK）、相移键调制（PSK）等。
幅度调制（AM）是调制信号的幅度和幅度波动与基带信号的振幅及变化相关的一种调制技术。
在AM调制中，基带信号的振幅对应调制波的振幅，它的变化则反映了基带信号的变化。
解调器将AM信号转换为原始的基带信号，在接收端进行解码。
频率调制（FM）是调制信号的频率和频率波动与基带信号的振幅及变化相关的一种调制技术。
在FM调制中，基带信号的振幅对应调制波的振幅，但是基带信号的变化对应调制波的频率的变化，即频率和振幅成正比。
解调器将FM信号转换为原始的基带信号，在接收端进行解码。
相位调制（PM）是调制信号的相位和相位波动与基带信号的振幅及变化相关的一种调制技术。
在PM调制中，基带信号的振幅对应调制波的振幅，但是基带信号的变化对应调制波的相位的变化，即相位和振幅成正比。
解调器将PM信号转换为原始的基带信号，在接收端进行解码。
振幅移键调制（ASK）是将数字信号转换为模拟信号的一种调制技术。
ASK调制器根据待传输的数字信号（比特流）的高低电平来决定于载波的信号在该时间段内为高电平还是低电平。
调制与解调
ea
ec
O
f0 fn
O
f
f
O
t
t
ec
O
t
t
（b）频率电压特性曲线
传感器与测试技术
传感器与测试技术
O
t
调制与解调
调制是指利用被测缓变信号来控制或改变高频振荡波的某个参数（幅值、
e
频率或相位），使其按被测信号的规律变化，以利于信调号制的信放号 大与传输。
一般把控制高频振荡波的缓变信号称为O 调制波；载送缓变信号的高频t
振荡波称为载波；经过调制的高频振荡波称为已调波，根据调制原理不同，
x(t)
x A (t )
xm(t)
x 0(t )
A
O
tO
tO
tO
t )
x(t)
A
tO
tO
tO
tO
t
x A (t )
A tO
3．相敏检波
y(t)
相敏检波常用的有半波相敏检波和全
O
波相敏检波。图a所示为一开关式全波相
t
敏检波电路。输出信号x0(t)如图b所示。
u(t)
f0
O
f0
f
原来调制时的相同而使第二 次“搬移”后的频谱有一部 分“搬移”到原点处，所以 频谱中包含有与原调制信号 相同的频谱和附加的高频频
Y(f )
1 2
f0
O
X m( f )Y ( f )
1
2
f0
f
低通滤波
谱两部分，其结果如图所示。
2 f 0
fc
O
fc
fm fm
同步解调
2f0 f
2．包络检波
包络检波在时域内的流程如图所示。调幅波经过包络检波（整流、滤 波）就可以恢复偏置后的信号xA(t)，最后再将所加直流分量去掉，就可以 恢复原调制信号x(t)。
名词解释调制与解调
调制与解调1. 引言调制与解调是数字通信领域中重要的技术，用于将数字信号转换为模拟信号进行传输，以及将模拟信号转换为数字信号进行处理。
在现代通信系统中，调制与解调技术被广泛应用于无线通信、有线通信、光纤通信等各种通信方式中。
本文将详细介绍调制与解调的概念、原理、分类和应用，并探讨其在现代通信系统中的重要性和未来发展趋势。
2. 调制的概念和原理2.1 调制的概念调制是指在传输过程中，将原始信息信号（基带信号）通过改变载波的某些特性（如频率、相位、幅度等），使其能够适应传输媒介或实现特定的传输要求，从而使信息能够有效地传输。
调制过程可以看作是在载波上叠加了原始信息信号。
2.2 调制的原理调制的原理基于两个基本概念：载波和原始信息信号。
•载波：载波是指一种具有固定频率和振幅的电磁波。
在调制过程中，载波起到传输信息的作用，可以通过改变载波的某些特性来携带原始信息信号。
•原始信息信号：原始信息信号是指待传输的信息，可以是声音、图像、视频等各种形式的数据。
调制过程中，原始信息信号被转换为与载波相乘或叠加的形式，从而改变了载波的某些特性。
最常见的调制方式有频率调制（FM）、相位调制（PM）和振幅调制（AM）。
3. 调制的分类根据不同的调制方式和应用场景，调制可以分为以下几种类型：3.1 模拟调制模拟调制是指将连续时间和连续幅度的模拟信号进行调制。
常见的模拟调制方式有：•调幅（AM）：将原始信号的幅度变化应用到载波上。
•调频（FM）：将原始信号的频率变化应用到载波上。
•调相（PM）：将原始信号的相位变化应用到载波上。
模拟调制主要应用于广播、电视等模拟通信系统中。
3.2 数字调制数字调制是指将离散时间和离散幅度的数字信号进行调制。
常见的数字调制方式有：•正交振幅调制（QAM）：将原始信号分为实部和虚部，分别调制到正交的两个载波上。
•正交频分多路复用（OFDM）：将原始信号分为多个子载波，在频域上进行并行调制。
数字调制主要应用于数字通信系统中，如无线局域网（WLAN）、移动通信等。
调制和解调
1 2
1 2
时变
最大功率值 最小功率值
1 2 2 P V ( 1 m MAX cm a) 2 1 2 2 P V ( 1 m ) MIN cm a 2
在调制信号一周内的平均功率值
11 1 1 2 2 2 2 P V ( 1 m cos t ) d t V ( 1 m ) cm a cm a 2 2 2 2 0
结论：DSB 节省了功率，但没有节省频带
③表达式与波形
( t ) V cos t 载波信号 v c cm c
( t ) V cos t , (c ) 调制信号 v m
v ( t ) AV V cos t cos t m cm c 1 1 AV V cos( ) t AV V cos( ) t m cm c m cm c 2 2
2
②从频谱计算功率 载频功率
调制前 调制后
两个旁频功率 1 1 2 12 P 2 ( m V ) m P a cm a c 2 2 2 总功率
1 2 P Vcm c 2
12 12 P P P V ( 1 m ) c c m a 2 2
与时域计算相同
比较：
旁频功率 载频功率
结论： 由于 携带信息的频谱分量的能量占总能量的比例很小
1 2 ma 2 m a ＜1，因此在AM调制中，
怎么办？
2.抑制载波的双边带调幅（DSB-SC）
为什么要抑制载波 ①频谱与带宽 载波不携带信息 载频占据的功率最多
BW = 2F ②功率 DSB信号功率为两旁频功率之和
msk调制与解调
msk调制与解调引言：在现代通信系统中，调制和解调是基本的信号处理技术。
而在调制和解调的方法中，最常用的之一就是Minimum Shift Keying (MSK)调制和解调技术。
本文将深入探讨MSK调制与解调的原理、特点以及应用。
一、MSK调制的原理MSK调制是一种连续相位调制技术，其基本原理是通过改变载波的相位来传输数字信号。
MSK调制的关键在于选择合适的载波频率和相位变化规律。
1.1 载波频率选择在MSK调制中，载波的频率应该满足一定的条件，即与数据速率相等或是其整数倍。
这样可以确保每个数据比特对应一个载波周期，避免信息的混叠和交叠。
1.2 相位变化规律MSK调制的特点之一是相位变化为连续的线性函数，即相位在每个符号周期内以恒定的速率线性变化。
这种相位变化规律使得MSK信号的频谱特性更加优良，有利于抗干扰和传输性能的提高。
二、MSK调制的特点MSK调制具有许多优点，使其成为现代通信系统中广泛使用的调制技术。
2.1 频谱效率高由于MSK调制的相位变化规律为线性连续变化，其频谱特性非常优秀。
相邻的频带之间没有交叠，使得频谱利用率更高，频谱效率更大。
2.2 抗多径衰落能力强MSK调制对于多径衰落的抗干扰能力较强，能够有效地抑制多径衰落引起的码间干扰，提高信号的传输质量。
2.3 抗相位偏移干扰由于MSK调制的相位变化规律为线性连续变化，相位偏移对于信号的影响较小。
因此，MSK调制对于相位偏移干扰具有较好的抗干扰能力。
三、MSK解调的原理MSK解调是将调制信号还原为原始数字信号的过程，其原理与调制相对应。
3.1 相干解调相干解调是MSK解调的一种常用方法。
它通过与接收信号进行相干检测，提取出信号的相位信息，从而实现解调。
3.2 频率鉴别解调频率鉴别解调是另一种常见的MSK解调方法。
它通过对接收信号的频率进行鉴别，来实现解调。
四、MSK的应用MSK调制与解调技术在许多通信系统中被广泛应用。
4.1 无线通信系统在无线通信系统中，MSK调制与解调技术被广泛应用于GSM、CDMA等数字通信系统中，以提高信号的传输质量和抗干扰能力。
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两个已调信号合成产生一个QPSK信号。QPSK信号在调 制器输出端滤波以进一步限制其功率谱，阻止其溢出至邻 信道，也可滤除调制过程中的带外寄生信号，图3-6为相 干QPSK解调器框图。
图3-6
相干QPSK解调器
图3-6为相干QPSK解调器框图。输入带通滤波器滤除带 外噪声和邻道干扰，滤波器输出端信号分成两部分，分别用 同相和正交载波相干解调，之后两路信号通过低通滤波、1 比特模拟／数字(A／D)转换器再生出同相和正交基带信号。 这两个信号流通过一个并/串(P/S)变换器再组合形成最初的 比特流。图3-6中载波恢复环路提供与接收未调信号同步的 同相正交载波。
图3-8 QPSK信号的功率谱密度
由图3-8可知QPSK信号带宽为 故谱效率为 （式3-2）
可见，最小带宽情况，即 时，QPSK系统的理论谱效率为2bit/s/Hz。目前的技术可使 实际滤波器的滚降系数降到 ，则谱效率实际可达17bit/s/Hz左右。
π/4移位QPSK(π/4-QPSK)调制 移位QPSK(π/4 3.2.2 π/4移位QPSK(π/4-QPSK)调制
图3-10
基带差分检测器
(2)中频差分检测：图3-11为π/4移位QPSK中频差分检 测器框图。差分解码是在接收的中频信号上完成的，使用了 一个延迟线和两个乘法器。该方案的优点是不需本机振荡器 。为使符号间干扰和噪声影响减至最小，其中BPF和LPF的带 宽选为0.57/T。
图3-11
中频差分检测器
(3)限幅FM鉴频器检测：如图3-12所示。FM鉴频器提取 接收信号的瞬时频偏。积分-泄放电路对每一符号持续期上 的频偏积分，积分取两个抽样瞬相位差。最后，用4-电平门 限比较器检测输出相位差。
图3-12
限幅FM鉴频检测器
若存在同波道干扰和高斯噪声时，可通过适当选取电路 元器件，使以上三种方案的性能相同。
3.2.1四相移相键控（QPSK） 3.2.1四相移相键控（QPSK）调制 四相移相键控
QPSK技术应用广泛，是一种正交相移键控。图3-5为传 统QPSK调制器框图.
图3-5
QPSK调制器
其基本工作原理如下： 比特率为fb的输入单级二进制码流通过串/并(S/P)变转 换器转换成比特率为fs= fb /2的两个比特流(同相和正交码 流)。单双(U/B)变换器把两个比特流变换成两个双极二进制 信号，之后通过频谱形成滤波器，再被同相和正交载波调制 。其中调制使用了双边带载波抑制幅度调制(DSS-SC-AM)技 术。
图3-9
π/4移位QPSK和 输出端的第k个同相和正交脉冲由它的前一个 脉冲电平Ik-1 、Qk-1及输入符号ak 、bk决定。 （式3-3） （式3-4） 而ak、bk反过来与已调信号的相位变化有关，如表3-3，该调 制器的其它部分同QPSK调制器。
表3-3
调制解调技术的宗旨是为了使通信系统的抗干扰、抗衰 落性能得到提高并使频率资源得到更充分的利用。一般在通 信系统的发端进行调制，调制后的信号称为已调信号。 解调制或解调：接收机端要将已调信号还原成要传输的 原始信号。
通过调制解调可以实现以下的主要功能： (1)便于传输：将所需传送的基带信号进行频谱搬移至 相应频段的信道上以便于传输； (2)抗干扰：调制后具有较小的功率谱占用率（即功率 的有效性），从而提升抗干扰能力； (3)提高系统有效性：单位频带内传送尽可能高的信息 率(bit/s/Hz)，即提高频谱有效性。
图3-13
MSK调制器
GMSK调制器的一个简单实现方法就是用带调制前加高 斯成形LPF，用VCO来实现，如图3-14所示，由图可见，VCO 输出已调波的频谱由LPF的特性来决定， LPF的输出直接对 VCO调频，以保持已调波包络恒定和相位连续。
图3-14
GMSK调制器
LPF的脉冲响应函数为 （式3-5） 式中
（式3-1）
式中为通过电阻的归一化平均信号功率， 为比特持续时间。
假定调制器中使用了具有升余弦函数均方根特性、滚降 系数为 (最佳特性时)的频谱成形滤波器，则很容易得到 QPSK信号滤波后的频谱，如图3-8所示。图3-8中曲线(a)是 未滤波QPSK频谱，曲线(b)是带幅度均衡器的滚降系数为α 的升余弦函数的幅度响应，曲线(c)是已滤波QPSK频谱只存 在加性高斯白噪声(AWGN)，且无符号间干扰(ISI)时的幅度 响应。
大多数实际的载波恢复电路在恢复载波过程中将产生一 个相位模糊度。对QPSK系统很可能出现四相位模糊，产生严 重的误比特率。 为清除相位模糊，可在调制器中使用差分编码器，在 解调器中使用差分解码器。图3-7给出了差分QPSK解调器框 图。
图3-7
QPSK差分解调器框图
一个未滤波QPSK信号的功率谱密度为
图3-15
PLL型GMSK调制器
GMSK的解调可采用类似于MSK方式的正交相干解调技术 ，也可使用非相干检测解调技术，如差分解调和鉴频器解调 等。泛欧数字蜂窝移动通信系统(GSM)采用了的GMSK调制。 该系统突发信号速率为270Kbit/s,带宽为200KHz,带宽效率 为1.356bit/s/Hz。
3.2 调制与解调技术
学习目标
理解四相移相键控（QPSK）调制技术 理解π/4移位QPSK（π/4-QPSK）调制技术 理解高斯最小移频键控（GMSK）技术
3.2 调制与解调技术
3.2.1 四相移相键控（QPSK）调制 3.2.2 π/4移位QPSK（π/4-QPSK）调制 3.2.3 高斯最小移频键控（GMSK）
π/4QPSK系统相移与信息比特关系
信息比特ak bk
0 0 π/4
0 1
1 1
1 0
相移Qk
3π/4 5π/4 7π/4
π/4移位QPSK的解调可用下面差分检测方法之一实现。 (1)基带差分检测： 该方法的差分解码是在已恢复的同 相和正交基带信号上进行的，如图3-10所示。它须使用本机 振荡器，但不需相位相干检测．因为相位误差已在基带差分 检测中去掉。
3.2.3 高斯最小移频键控(GMSK)
GMSK是一种恒包络调制方案，其优点是能在保持谱效率 的同时维持相应的同波道和邻波道干扰，且包络恒定，所以 可用简单高效的C类放大器实现。
GMSK的基本原理是: 基带信号先经过高斯滤波器成形，再进行最小移频键控 调制(MSK)。MSK是二进制连续相位移频键控(FSK)的一个特 例，而GMSK主要是改进了它的带外特性，使衰减速度加快。 MSK调制器可用压控振荡器(VCO)或正交形式实现(如图3-13 所示)，解调器可用相干检测实现,也可用非相干检测实现, 如一比特差分检测和二比特差分检测等。
π/4 移位QPSK技术是在QPSK基础上通过载波相位移动 ±π/4和±3π/4得到的。 主要优点: 它可使用非相干检测(差分检测或FM鉴频器)，用低复杂 性的接收机就可完成。而且，当存在多径衰落时，它的工作 性能优。
同QPSK相比，包络起伏比较小(它的最大相变为1350)， 故有较好的输出谱特性。 π/4移位QPSK的信号元素可看成 是从两个彼此相移π/4的信号星座图中交替选样出来的。 π/4移位QPSK调制器框图示于图3-9。输入比特流经串/并 (S/P)变换器转换成两个并行流(ak，bk),并行流的符号率为 输入比特流的一半。
σ = ln 2 / 2πBT
为滤波器3dB带宽，
为比特持续时间。 然而，由于VCO的线性和灵敏度受到限制，要使中心频 率精确地保持在规定值上，是很困难的。
为克服此缺点，可选用锁相环(PLL)型GMSK调制器，如图 3-15所示，其中π/2相移BPSK调制器确保每个码元的相位变 化为±π/2，锁相环对BPSK的相位突跳进行平滑，以使码元 转换点相位连续，且无尖角。该调制器的关键是要设计好 PLL的传输函数，以满足输出功率谱特性的要求。