第七章现代数字调制
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现代数字调制技术
第七章 现代数字调制技术7.1 恒定包络调制方式7.1.1 最小频移键控(MSK)MSK 是一种特殊的2FSK 信号。
2FSK 信号通常是由两个独立的振荡源产生的，一般说来在频率转换处相位不连续，因此，会造成功率谱产生很大的旁瓣分量，若通过带限系统后会产生信号包络的起伏变化。
为了克服以上缺点，需控制在频率转换处相位变化是连续性的，这种形式的数字频率调制称为相位连续的频移键控(CPFSK)，MSK 属于CPFSK ，但因其调制指数最小，在每个码元持续时间T S 内，频移恰好引起π/2相移变化，所以称这种调制方式为最小频移键控MSK 。
(a)＋－－ ＋＋＋(b) (c)图7.1-1 MSK 信号的频率间隔与波形7.1.2 高斯最小频移键控(GMSK)为了获得窄带输出信号的频谱，预调滤波器必须满足以下条件：(1)带宽窄，且应具有良好的截止特性。
(2)为防止FM 调制器的瞬时频偏过大，滤波器应具有较低的过冲脉冲响应。
(3)为便于进行相干解调，要求保持滤波器输出脉冲面积不变。
187由图7.1-8可见，g(t)的波形随B b 的减小而越来越宽，同时幅度也越来越小。
可见带宽越窄，输出响应被展得越宽。
这样，一个宽度等于T s 的输入脉冲，其输出将影响前后各一个码元的响应；同样，它也要受到前后两个相邻码元的影响。
也就是说，输入原始数据在通过高斯型滤波器之后，已不可避免地引入码间串扰，如图7.1-9所示。
s s s s图7.1-8 高斯滤波器的输出响应 图7.1-9 高斯滤波器输出响应的码间串扰7.1.3 正弦频移键控 (SFSK)0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 归一化频率：(f -f c )T b 功率密度谱（）图7.1-11 GMSK 的功能谱密度 为了减少带外幅射，提高频带利用率，应使这些尖角变平滑。
SFSK 就是针对此问题提出的一种调制方式。
SFSK 的提出是为了改进MSK 频谱特性。
它从平滑MSK 的相位路径出发，将MSK 在一个码元线性变化内的相位特性，改造成在线性特性上迭加一个正弦波的特性。
现代数字调制解调技术要点
16QAM信号
三个幅值
12个不同的相位
3X4=12
5 最小频移键控（MSK）
利用频率选择法产生的FSK信号，一般情况下， 在频率转换点上的相位是不连续的，使信号功 率谱产生很大的旁瓣分量，带限后会引起包络 起伏。为了克服上述缺点，出现了FSK信号的 相位始终保持连续变化的调制方式，称为相位 连续的频移键控。
数字数据用模拟信号发送 - 调制
例如电话拨号
数字数据 - 数字信号
二进制编码
0
0
1
1
0+
0
正
不归零制编码
负
正 曼彻斯特编码
负
正 差分曼彻斯特编码
负
模拟数据 - 数字信号
模拟数据 采样
幅值量化
编码
数字
信道
数字信号
模拟数据
采样间隔
Ts 2 fc
时间量化
模拟数据
解码 恢复
数字信号
数字信号
000 001 010 011 100 101 110 111
例1：设发送数字信息为10110010，试分别画 出2ASK,2FSK,2PSK,2DPSK波形示意图。
数据发送方式分类
模拟数据用模拟信号发送 – 频谱变换
例如模拟电话
数字数据用数字信号发送 - 编码(近距离通信 才用，远距离使用其它三种方式)
模拟数据用数字信号发送 - 采样
例如IP电话
频率调制利用数字基带信号控制载波的频率来 传递信息。常用的频率调制方式有二进制频移 键控调制（2FSK）、多进制频移键控调制 （MFSK）及最小频移键控（MSK）等。对 于频率调制信号的解调方法分为相干解调和非 相干解调两类。非相干解调又包含最佳非相干 解调法、分路滤波法、鉴频器法、过零检测法 及差分检波法等多种方法。
数字调制
数字调制
用载波信号的某些离散状态表征所传送的信息
01 定义
03 分类 05 06 影响因素
数字调制是现代通信的重要方法，它与模拟调制相比有许多优点。数字调制具有更好的抗干扰性能，更强的 抗信道损耗，以及更好的安全性；数字传输系统中可以使用差错控制技术，支持复杂信号条件和处理技术，如信 源编码、加密技术以及均衡等。
技术指标
不同的调制方式，其调制特性是不同的，因此，在选择数字调制方式时，需要用一些技术指标来描述调制的 特性，如功率效率、带宽效率、误码率等。
功率效率 图1功率效率定义为：在接收机输入特定的误码概率下(如10)条件下，每比特信号能量与噪声功率谱密度之 比。其功率效率表示如图1所示： 式中：Eb为每比特信号的能量；N0为噪声功能率谱密度。 功率效率描述了在低功率的情况下一种调制技术保持数字信息信号正确传送的能力。 带宽效率 图2带宽效率定义为：在给定带宽内每赫兹数据率吞吐量的值。设R是每秒数据率，单位是比特，B是已调信 号占用的带宽，则带宽效率可表示如图2所示： 带宽效率描述了调制方案在有限的带宽内传输数据的能力。一般来说，数据传输速率的提高意味着降低了每 个数字信号的脉冲宽度。
分类
数字调制可以分为线性调制和非线性调制两大类。在线性调制技术中，传输信号的幅度随调制信号的变化而 线性地变化。线性调制技术有较高的带宽效率，所以非常适用于在有限频带内要求容纳更多用户的无线通信系统。
方法
常见的数字调制方法如： ASK ——幅移键控调制，把二进制符号0和1分别用不同的幅度来表示。 FSK ——频移键控调制，即用不同的频率来表示不同的符号。如2KHz表示0，3KHz表示1。 PSK——相移键控调制，通过二进制符号0和1来判断信号前后相位。如1时用π相位，0时用0相位。 GFSK——高斯频移键控，在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度。 GMSK ——高斯滤波最小频移键控，GSM系统所用调制技术。 QAM——正交幅度调制。 DPSK——差分相移键控调制。 mQAM——多电平正交调幅 mPSK——多相相移键控 TCM——格编码调制
用载波信号的某些离散状态表征所传送的信息
01 定义
03 分类 05 06 影响因素
数字调制是现代通信的重要方法，它与模拟调制相比有许多优点。数字调制具有更好的抗干扰性能，更强的 抗信道损耗，以及更好的安全性；数字传输系统中可以使用差错控制技术，支持复杂信号条件和处理技术，如信 源编码、加密技术以及均衡等。
技术指标
不同的调制方式，其调制特性是不同的，因此，在选择数字调制方式时，需要用一些技术指标来描述调制的 特性，如功率效率、带宽效率、误码率等。
功率效率 图1功率效率定义为：在接收机输入特定的误码概率下(如10)条件下，每比特信号能量与噪声功率谱密度之 比。其功率效率表示如图1所示： 式中：Eb为每比特信号的能量；N0为噪声功能率谱密度。 功率效率描述了在低功率的情况下一种调制技术保持数字信息信号正确传送的能力。 带宽效率 图2带宽效率定义为：在给定带宽内每赫兹数据率吞吐量的值。设R是每秒数据率，单位是比特，B是已调信 号占用的带宽，则带宽效率可表示如图2所示： 带宽效率描述了调制方案在有限的带宽内传输数据的能力。一般来说，数据传输速率的提高意味着降低了每 个数字信号的脉冲宽度。
分类
数字调制可以分为线性调制和非线性调制两大类。在线性调制技术中，传输信号的幅度随调制信号的变化而 线性地变化。线性调制技术有较高的带宽效率，所以非常适用于在有限频带内要求容纳更多用户的无线通信系统。
方法
常见的数字调制方法如： ASK ——幅移键控调制，把二进制符号0和1分别用不同的幅度来表示。 FSK ——频移键控调制，即用不同的频率来表示不同的符号。如2KHz表示0，3KHz表示1。 PSK——相移键控调制，通过二进制符号0和1来判断信号前后相位。如1时用π相位，0时用0相位。 GFSK——高斯频移键控，在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度。 GMSK ——高斯滤波最小频移键控，GSM系统所用调制技术。 QAM——正交幅度调制。 DPSK——差分相移键控调制。 mQAM——多电平正交调幅 mPSK——多相相移键控 TCM——格编码调制
现代数字调制调解技术.ppt
有关，而且还与前一码元的取值 ak-1及相位常数 k-1有关。
21
由附加相位函数k(t)的表示式可以看出， k(t)是一直线方程， 其斜率为 (ak)/(2Ts)，截距为k。由于ak的取值为±1，故 k(t)是分段线性的相位函数。因此，MSK的整个相位路径是
由间隔为Ts 的一系列直线段所连成的折线。在任一个码元期
制原理图如图所示。输入的二进制序列经过串/经过2电平到L电平的
变换，形成L电平的基带信号。为了抑制已调信号的带外
辐射，该L电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，
形成X(t) 和Y(t) ，再分别对同相载波和正交载波相乘。最
后将两路信号相加即可得到QAM 信号。
2
1. MQAM 调制原理
正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正 交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调
信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字 信息传输。
正交振幅调制信号的一般表示式为
MQAM (t) [ An g(t nTs )]cos(0t n )
周期的整数倍。 fc 可以表示为 18
fc 可以表示为
fc
(N
m) 1 4 TS
(N为正整数； m=0, 1, 2, 3)
相应地MSK信号的两个频率可表示为
f1
fc
1 4TS
(N
m 1) 1 4 TS
f2
fc
1 4TS
(N
m 1) 1 4 TS
由此可得频率间隔为
式中，M = L2 ，Eb 为每比特码元能量，n0 为噪声单边功 率谱密度。下图给出了M 进制方型QAM 的误码率曲线。
21
由附加相位函数k(t)的表示式可以看出， k(t)是一直线方程， 其斜率为 (ak)/(2Ts)，截距为k。由于ak的取值为±1，故 k(t)是分段线性的相位函数。因此，MSK的整个相位路径是
由间隔为Ts 的一系列直线段所连成的折线。在任一个码元期
制原理图如图所示。输入的二进制序列经过串/经过2电平到L电平的
变换，形成L电平的基带信号。为了抑制已调信号的带外
辐射，该L电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，
形成X(t) 和Y(t) ，再分别对同相载波和正交载波相乘。最
后将两路信号相加即可得到QAM 信号。
2
1. MQAM 调制原理
正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正 交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调
信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字 信息传输。
正交振幅调制信号的一般表示式为
MQAM (t) [ An g(t nTs )]cos(0t n )
周期的整数倍。 fc 可以表示为 18
fc 可以表示为
fc
(N
m) 1 4 TS
(N为正整数； m=0, 1, 2, 3)
相应地MSK信号的两个频率可表示为
f1
fc
1 4TS
(N
m 1) 1 4 TS
f2
fc
1 4TS
(N
m 1) 1 4 TS
由此可得频率间隔为
式中，M = L2 ，Eb 为每比特码元能量，n0 为噪声单边功 率谱密度。下图给出了M 进制方型QAM 的误码率曲线。
天津大学现代通信原理课后习题答案(5-9章)
题5-3图
解；
（1）∵“0”和“1”分别由g（t）和-g（t）组成 而其对应的频谱分别为G（f）和-G（f）故其双边功率谱为
其功率为
（2）因为矩形脉冲的频谱为
∵τ=TS故ωTs/2=Kπ时为零点
即f=Kfs时均为零点，故该序列不存在离散分量fs。
（3）∵τ=TS/2 故 ωTs/4=Kπ时为零点
即f=2Kfs时为零点，而fS的奇数倍时存在离散分量Fs。
(2) 若保持误码率Pe不变，改用非相干解调需要接收信号幅度A是多少?
解:
B=2RB=2×104HZ
Pe=2.055×10-5
(1)在相干解调时 ASK
(2)在非相干解调时
6-7 传码率为200波特的八进制ASK系统的带宽和信息速率。如果采用二进制ASK系统，其带宽和信息速率又为多少？
解:
(1) N=8时 B=2RB=2×200=400HZ
第六章 数字信号的频带传输
6-1 设数字信息码流为10110111001，画出以下情况的2ASK、2FSK和2PSK的 波形。
(1) 码元宽度与载波周期相同。
(2) 码元宽度是载波周期的两倍。
解:
（1）
（2）
6-2 已知数字信号{an}=1011010，分别以下列两种情况画出2PSK，2DPSK及相对码{bn}的波形(假定起始参考码元为1)。
(2)求匹配传递函数与冲激响应及t0；
(3)该信道噪声谱为n0=10-10W/Hz，信号幅度A=1V，持续时间T=1s，求输出最大信噪比；
(4)求输出信号表达式并画出其波形。
（1）解：
（2）解：
（3）
（4）
6-14若某二进制先验等概率FSK信号的最佳接收机，其输入信号能量与噪声功率密度之比为14分贝，试算其误码率。
解；
（1）∵“0”和“1”分别由g（t）和-g（t）组成 而其对应的频谱分别为G（f）和-G（f）故其双边功率谱为
其功率为
（2）因为矩形脉冲的频谱为
∵τ=TS故ωTs/2=Kπ时为零点
即f=Kfs时均为零点，故该序列不存在离散分量fs。
（3）∵τ=TS/2 故 ωTs/4=Kπ时为零点
即f=2Kfs时为零点，而fS的奇数倍时存在离散分量Fs。
(2) 若保持误码率Pe不变，改用非相干解调需要接收信号幅度A是多少?
解:
B=2RB=2×104HZ
Pe=2.055×10-5
(1)在相干解调时 ASK
(2)在非相干解调时
6-7 传码率为200波特的八进制ASK系统的带宽和信息速率。如果采用二进制ASK系统，其带宽和信息速率又为多少？
解:
(1) N=8时 B=2RB=2×200=400HZ
第六章 数字信号的频带传输
6-1 设数字信息码流为10110111001，画出以下情况的2ASK、2FSK和2PSK的 波形。
(1) 码元宽度与载波周期相同。
(2) 码元宽度是载波周期的两倍。
解:
（1）
（2）
6-2 已知数字信号{an}=1011010，分别以下列两种情况画出2PSK，2DPSK及相对码{bn}的波形(假定起始参考码元为1)。
(2)求匹配传递函数与冲激响应及t0；
(3)该信道噪声谱为n0=10-10W/Hz，信号幅度A=1V，持续时间T=1s，求输出最大信噪比；
(4)求输出信号表达式并画出其波形。
（1）解：
（2）解：
（3）
（4）
6-14若某二进制先验等概率FSK信号的最佳接收机，其输入信号能量与噪声功率密度之比为14分贝，试算其误码率。
第7章 现代数字调制技术
（7.2-5）
分别为同相和正交支路的 基带信号。
xn和yn一般为双极性m进制码元。 xn、yn决定QAM信号在信号空间
的M个坐标点。
2013-7-14
通信原理
6
第7章 现代数字调制技术
2. QAM信号的星座图 星座图----空间信号矢量端点分布图。
4QAM、l6QAM、64QAM星座图
l6QAM信号电平与信号状态关系
a1 a2 b1 b2 (0011)(0010)(0001)(0000)
x a1 a2
+3 0 0 +1 0 1 -1 1 0 -3 1 1
(0111)(0110)(0101)(0100)
(1011)(1010)(1001)(1000) (1111)(1110)(1101)(1100)
-3 1 1
-1 1 0
+1 0 1
+3 0 0
y
b1 b2
结论1：电平数m和信号状态M之间的关系是M =m2。
2013-7-14
四进制QAM （l6QAM）
7
通信原理
第7章 现代数字调制技术
结论2：当M>4时MQAM比MPSK具有更好的抗干扰能力。
例：M=16。假定16PSK和16QAM星座图表示的信号最大功率相等
10
第7章 现代数字调制技术
7.3 交错正交相移键控（OQPSK）
问题的提出：QPSK信号频带利用率高。但当码组00↔11或01 ↔ 10时，将产生180的载波相位跳变，引起包络起伏，导致频谱扩展， 增加对相邻波道的干扰。为此，提出一种OQPSK----恒包络数字调 制技术 。 恒包络：是指已调波的包络保持为恒定，它与多进制调制是从不 同的角度来考虑调制技术的 。恒包络已调波具有两个主要特点：
(完整版)通信原理——第七章
获得振幅键控、频移键控和相移键控三种基本的数字调制方式。
1
0
1
1
0
1
1
0
1
t
t
t
(a) 振幅键控 （ASK）
(b) 频移键控
(FSK) 正弦载波的三种键控波形
(c) 相移键控
(PSK)
绝对相移键控PSK 相对相移键控DPSK
7.1 二进制数字调制原理
7.1.1 二进制振幅键控（2ASK）
1
0
0
1
s(t)
课件
第7章
数字带通传输
通信原理（第7版） 樊昌信 曹丽娜 编著
本章内容:
第7章 数字调制
7.1 二进制数字调制原理 2ASK 2FSK 2PSK/2DPSK
7.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能
7.3 二进制数字调制系统的性能比较
7.4 多进制数字调制原理（了解）
7.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能（×）
➢ 数字调制：用数字信号控制载波某个参数的过程 ➢ 用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号 。 ➢ 数字带通传输系统（或 数字频带传输系统）：包括调制和解调过程的数
字传输系统 ➢ 调制的作用：
将信号频谱搬移至最佳频段 多路复用，高效利用信道 提高传输质量
数字调制方式：用数字基带信号改变 正弦型载波 的 幅度、频率 或 相
1. 2ASK基本原理
Ts
t
振幅键控是利用载波的幅度变化来
载波
t
传递数字信息，而其频率和初始相
位保持不变。
2ASK
t
2ASK信号的一般表达式可以写为
e2ASK (t) s(t) cosct 单极性
《数字调制》课件
误码率低
数字调制技术有效地减少了传输中 的误码率，提高了信息传输的可靠 性。
数字调制的挑战
频谱效率
数字调制技术需要更宽的 频带来传输相同的信息量， 对频谱资源的需求较大。
复杂性
部分数字调制方式的实现 较复杂，在工程实践中需 要解决复杂的算法和硬件 设计问题。
多径传播
数字调制受到多径传播等 信道特性的影响，需要采 取调制技术来抵消传播中 的失真。
3 PSK
4 QAM
将数字信号的不同状态映射到不同相位 的载波信号上，常用于无线通信。
将数字信号的多个位组合映射到不同幅 度和相位的载波信号上，常用于高速数 据传输。
数字调制的优点
1
灵活性高
2
数字调制可以根据需要灵活改变调
制方式和参数，适应不同的通信要
求。3Biblioteka 抗干扰能力强数字调制技术在传输过程中较好地 抵抗了信道噪声和干扰信号。
数字调制的未来发展趋势
5G通信技术
数字调制将在5G通信技术中 得到广泛应用，实现更高的 速率和更低的延迟。
物联网
数字调制将支持大规模的物 联网设备连接，实现智能化 和自动化的网络通信。
人工智能
数字调制与人工智能技术的 结合将推动通信系统的智能 化和自适应性。
原理
数字调制通过改变信号的 某些特性（如幅度、频率、 相位）来传输信息。
应用
数字调制广泛应用于无线 通信、数据传输、广播电 视等领域。
常用的数字调制方式
1 ASK
2 FSK
将数字信号的幅度直接映射到载波信号 上，常用于低速数据传输。
将数字信号的不同状态映射到不同频率 的载波信号上，常用于调频广播。
《数字调制》PPT课件
数字调制技术有效地减少了传输中 的误码率，提高了信息传输的可靠 性。
数字调制的挑战
频谱效率
数字调制技术需要更宽的 频带来传输相同的信息量， 对频谱资源的需求较大。
复杂性
部分数字调制方式的实现 较复杂，在工程实践中需 要解决复杂的算法和硬件 设计问题。
多径传播
数字调制受到多径传播等 信道特性的影响，需要采 取调制技术来抵消传播中 的失真。
3 PSK
4 QAM
将数字信号的不同状态映射到不同相位 的载波信号上，常用于无线通信。
将数字信号的多个位组合映射到不同幅 度和相位的载波信号上，常用于高速数 据传输。
数字调制的优点
1
灵活性高
2
数字调制可以根据需要灵活改变调
制方式和参数，适应不同的通信要
求。3Biblioteka 抗干扰能力强数字调制技术在传输过程中较好地 抵抗了信道噪声和干扰信号。
数字调制的未来发展趋势
5G通信技术
数字调制将在5G通信技术中 得到广泛应用，实现更高的 速率和更低的延迟。
物联网
数字调制将支持大规模的物 联网设备连接，实现智能化 和自动化的网络通信。
人工智能
数字调制与人工智能技术的 结合将推动通信系统的智能 化和自适应性。
原理
数字调制通过改变信号的 某些特性（如幅度、频率、 相位）来传输信息。
应用
数字调制广泛应用于无线 通信、数据传输、广播电 视等领域。
常用的数字调制方式
1 ASK
2 FSK
将数字信号的幅度直接映射到载波信号 上，常用于低速数据传输。
将数字信号的不同状态映射到不同频率 的载波信号上，常用于调频广播。
《数字调制》PPT课件
现代通信原理课件：现代数字调制技术
现代数字调制技术
图9－10 MSK 相干解调原理框图
现代数字调制技术
9.4.4 高斯最小频移键控 MSK 信号虽然包络恒定,带外功率谱密度下降快,但在
一些通信场合,例如在移动通 信中,MSK 所占带宽和频谱的 带外衰减速度仍不能满足需要,以至于在25kHz信道间隔 内 传输1Gb/s的数字信号时,会产生邻道干扰,因此应对 MSK 的 调制方式进行改进。在 频率调制之前,用一个高斯型低通滤 波器对基带信号进行预滤波,滤除高频分量,使得功 率谱更加 紧凑,这样的调制称为高斯最小频移键控(GMSK),GMSK 信 号的产生原理框图 如图9－11所示。
现代数字调制技术 9.4.1 MSK信号的正交性
现代数字调制技术
f1 和f2 的频差是2FSK 的两信号正交的最小频率间隔,所 以称为最小频移键控。
现代数字调制技术 9.4.2 MSK信号的相位连续性
现代数字调制技术
由式(9－10),θk(t)是时间的线性方程,斜率为πak/2Tb。在 一个码元间隔内,当ak= 1时,θk(t))增大π/2;当ak==-1时,θk(t)减小 π/2。θk(t)随t的变化规律如图9－7所示。 图中正斜率直线表 示传“1”码时的相位轨迹,负斜率直线表示传“0”码பைடு நூலகம்的 相位轨迹,这种 由相位轨迹构成的图形称为相位网格图,如图 9－7所示。
现代数字调制技术
图9－7 MSK 相位网格图
现代数字调制技术
例9－1 已知载波频率fc=1.75/Tb,初始相位φ0=0。 (1)当数字基带信号ak=±1时,MSK 信号的两个频率f1 和 f2 分别是多少? (2)对应的最小频差及调制指数是多少? (3)若基带信号为+1-1-1+1+1+1,画出相应的相位变化图 和 MSK 信号波形。
第七章 现代数字调制技术
令前一码元的两正交信号为：
Ik-1= cosθk-1，Qk-1= sinθk-1
则当前码元信号可表示为：
I k I k 1 cos k Qk 1 sin k
Qk Qk 1 cos k I k 1 sin k
由此可知，当前码元的信号（Ik，Qk）不仅与当
前码元相位跳变量有关，还与前一码元的信号（Ik-1，
达式为：
16Ts Ps ( f ) 2 π cos 2π( f f c )Ts 2 2 1 16( f f c ) Ts
2
式中，fc为载频，Ts为码元宽度。
按照上式可以画出MSK信号的功率谱曲线如下页图 所示。
图中实线为MSK功率谱曲线。图中横坐标是以载
而在MQAM的星座图上，端点间的距离却比MPSK大。
见下页图，假定已调信号最大幅值为1，对于
d 2 sin MPSK信号， MPSK 。 M
而对MQAM信号，有 d MQAM
2 2 L 1 。 M 1
当M=4时，有 d 4PSK = d 4QAM ；当M > 4 时，有：
I k cos k cos( k 1 k ) cos k cos k 1 sin k sin k 1
Qk sin k sin( k 1 k ) cos k sin k 1 sin k cos k 1
MSK信号的产生与解调 考虑到 ak 1 , k 0 或 π ，MSK信号可以用两个 正交分量表示为：
πt πt sMSK (t ) cos k cos cos ct ak cos k sin sin ct 2Ts 2Ts πt πt I k cos cos ct Qk sin sin ct 2Ts 2Ts
现代数字调制技术实验报告
现代数字调制技术实验报告一、实验目的1、了解数字调制的基本原理；2、掌握FSK数字调制技术的方法及其调制特点；3、掌握PSK数字调制技术的方法及其调制特点；4、掌握QPSK数字调制技术及其调制特点。
二、实验仪器数字信号发生器、示波器。
三、实验原理数字调制是将数字信号转换为模拟信号的技术。
数字调制在通信、广播、电视、雷达等领域有着广泛的应用。
1、FSK数字调制FSK数字调制是基于两个离散频率的数字调制技术。
在FSK数字调制中，数字信号会改变载波信号的频率，因此也叫频率键控调制。
FSK数字调制的调制特点是可以通过改变调制信号的频率来改变相应的载波信号的频率，从而实现信息的传输。
在FSK数字调制中，当数字信号为“1”时，载波信号的频率为较高的频率f1；当数字信号为“0”时，载波信号的频率为较低的频率f2。
2、PSK数字调制PSK数字调制是基于两个相位的数字调制技术。
在PSK数字调制中，数字信号会改变载波信号的相位，因此也叫相位键控调制。
PSK数字调制的调制特点是可以通过改变调制信号的相位来改变相应的载波信号的相位，从而实现信息的传输。
在PSK数字调制中，当数字信号为“1”时，相位为0度或180度；当数字信号为“0”时，相位为90度或270度。
3、QPSK数字调制QPSK数字调制是基于四个相位的数字调制技术。
在QPSK数字调制中，数字信号会改变载波信号的相位，但相位的变化不再基于180度的间隔，而是基于90度的间隔。
QPSK数字调制的调制特点是可以通过改变调制信号的相位来改变相应的载波信号的相位，从而实现信息的传输。
在QPSK数字调制中，当数字信号为“00”时，相位为0度；当数字信号为“01”时，相位为90度；当数字信号为“10”时，相位为180度；当数字信号为“11”时，相位为270度。
四、实验步骤1、准备实验仪器，将数字信号发生器和示波器连接好；2、根据实验要求，选择需要进行的数字调制技术；3、将数字信号发生器的输出信号连接到载波信号的输入端，将调制信号的输出信号连接到调制器的输入端；4、根据实验要求设置数字信号发生器的频率、幅度和波形；5、根据实验要求设置示波器的触发方式、扫描速率和水平垂直灵敏度；6、将示波器的探头连接到载波信号或调制信号的输入端；7、开启实验仪器并进行调试；8、调节数字信号发生器和示波器的参数，观察波形变化；9、记录实验结果并完成实验报告。
通信原理 第7章 现代数字调制技术
措施：主要围绕寻找频带利用率高，同时抗干扰能力强的 调制方式而展开。
2020/11/17
通信原理 2
第7章 现代数字调制技术
研究内容： 本章介绍目前实际通信系统中常用的几种现代数字调制技
术。
➢ 7.1 引言 ➢ 7.2 正交幅度调制（QAM） ➢ 7.3 交错正交相移键控（OQPSK） ➢ 7.4 最小频移键控（MSK） ➢ 7.5 高斯最小频移键控（GMSK） ➢ 7.6 正交频分复用（OFDM）
第7章 现代数字调制技术
通信原理
第7章 现代数字调制技术
2020/11/17
通信原理 1
第7章 现代数字调制技术
第7章 现代数字调制技术
7.1 引言
基础：第6章讨论了数字调制的三种基本方式----数字幅度 调制、数字频率调制和数字相位调制，这三种方式是数字调 制的基础。
问题：这三种数字调制方式都存在某些不足，如频谱利用 率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。
例：M=16。假定16PSK和16QAM星座图表示的信号最大功率相等
• •• • A
• •••
•
•
•d16QAM•
• •••
•
•
d 16PSK
• •
•• •
• •
• •
• A•
•
• •
则相邻信号点的最小距离 分别为
d16PSK
2Asin
16
0.39 A
d16QAM
2A M 1
2A 0.471A 16 1
高度为1、宽度为Tb的矩形脉冲。 APK信号的可能状态数为L×N。如，L=N=4则可合成
16APK信号。
展开式（7.2-1）
2020/11/17
通信原理 2
第7章 现代数字调制技术
研究内容： 本章介绍目前实际通信系统中常用的几种现代数字调制技
术。
➢ 7.1 引言 ➢ 7.2 正交幅度调制（QAM） ➢ 7.3 交错正交相移键控（OQPSK） ➢ 7.4 最小频移键控（MSK） ➢ 7.5 高斯最小频移键控（GMSK） ➢ 7.6 正交频分复用（OFDM）
第7章 现代数字调制技术
通信原理
第7章 现代数字调制技术
2020/11/17
通信原理 1
第7章 现代数字调制技术
第7章 现代数字调制技术
7.1 引言
基础：第6章讨论了数字调制的三种基本方式----数字幅度 调制、数字频率调制和数字相位调制，这三种方式是数字调 制的基础。
问题：这三种数字调制方式都存在某些不足，如频谱利用 率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。
例：M=16。假定16PSK和16QAM星座图表示的信号最大功率相等
• •• • A
• •••
•
•
•d16QAM•
• •••
•
•
d 16PSK
• •
•• •
• •
• •
• A•
•
• •
则相邻信号点的最小距离 分别为
d16PSK
2Asin
16
0.39 A
d16QAM
2A M 1
2A 0.471A 16 1
高度为1、宽度为Tb的矩形脉冲。 APK信号的可能状态数为L×N。如，L=N=4则可合成
16APK信号。
展开式（7.2-1）
现代数字调制技术
2Tb
为了方便，假定θ(0)=0, 同时，假定+号对应于 1 码，-号对应 于 0 码。当t>0时，在几个连续码元时间内，θ(t)的可能值示于 图 5 - 58中。传 1 码时，相位增加π/2，传 0 码时，相位减少 π/2。当t=Tb时，式(5 - 84)可写为
"1"
(t)
(0)
2
2
"0"
若将式(5 - 84)扩展到多个码元时间上可写为
上信号点的最小距离为
d MPSK
2 sin
M
而MQAM时，若星座为矩形，则最小距离为
d MQAM
2 L 1
2 M 1
当信号的平均功率受限时，MQAM的优点更为显著，因
为MQAM信号的峰值功率与平均功率之比为
L(L 1)2 k L/2
2(2i 1)2
i1
M＝256 M＝128 M＝64 M＝32 M＝16 M＝4
7
(a)
8
10 多电平转
LPF
换
5 sinωct
L到 2 电平变换
输出数据
QAM(t)
载波恢复
定时恢复
12 并/串变换
多电平判
9
LPF 11
决
L到 2 电平变换
(b)
图 5-47QAM (a) QAM调制框图； (b)QAM解调框图
10110100 1.
1
1
0
0
2.
0
1
1
0
3.
4.
5.
6.
7.
8. 高频
(0,-2 (2,-2
)
)
Pav=
A2（4×4+4×8) 8
为了方便，假定θ(0)=0, 同时，假定+号对应于 1 码，-号对应 于 0 码。当t>0时，在几个连续码元时间内，θ(t)的可能值示于 图 5 - 58中。传 1 码时，相位增加π/2，传 0 码时，相位减少 π/2。当t=Tb时，式(5 - 84)可写为
"1"
(t)
(0)
2
2
"0"
若将式(5 - 84)扩展到多个码元时间上可写为
上信号点的最小距离为
d MPSK
2 sin
M
而MQAM时，若星座为矩形，则最小距离为
d MQAM
2 L 1
2 M 1
当信号的平均功率受限时，MQAM的优点更为显著，因
为MQAM信号的峰值功率与平均功率之比为
L(L 1)2 k L/2
2(2i 1)2
i1
M＝256 M＝128 M＝64 M＝32 M＝16 M＝4
7
(a)
8
10 多电平转
LPF
换
5 sinωct
L到 2 电平变换
输出数据
QAM(t)
载波恢复
定时恢复
12 并/串变换
多电平判
9
LPF 11
决
L到 2 电平变换
(b)
图 5-47QAM (a) QAM调制框图； (b)QAM解调框图
10110100 1.
1
1
0
0
2.
0
1
1
0
3.
4.
5.
6.
7.
8. 高频
(0,-2 (2,-2
)
)
Pav=
A2（4×4+4×8) 8
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MSK的功率谱密度:
16 A2TS cos [2π ( f f 0 ) TS ] Sf ( f ) 2 π2 1 [ 4 ( f f ) T ] 0 S
QPSK的功率谱密度:
2
sin 2 π ( f f 0 )T S S f ( f ) 2 A 2 Ts 2 π ( f f 0 )Ts
5
7.1.1 最小频移键控(MSK)
MSK属于CPFSK。但因其调制指数最小， 在每个码元持续时间TS内，频移恰好引起 π/2相移变化，所以称这种调制方式为最小 频移键控MSK。 MSK Minimum Shift Keying MSK—Minimum
6
3
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一、MSK的表达式
S MSK (t ) cos (ω 0 t π ak t k ) 2 TS kTs t (k 1)TS
k mod (k，2π) Ik=cosk Qk=ak cosk
+1 +1 +1 +1 +1 -1 1
+1 +1 -1 1
+1 +1 +1 +1
17
差分编码得到的I、Q支路的数据
k ak dk=akak-1 Ik Qk 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
+1 +1 -1 +1 -1
由于ak取值为+1或-1，是分段线性相位函数。 若ak =1，(t)线性增加/2， ak =-1，增加-/2
12
6
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六、MSK相位变化曲线 (t)
-1
3 2
-1 +1
-1
+1 +1 +1
2
0
2
3 2
0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T
对于所有可能的输入信号序列，(t)所有可能的路径如 13 上图，是一个从- 2 到2 的网格图。
k (ak 1 ak )
k 1, 1 ( a 0 a1 )
πk k 1 2
1 0 (1 1) 0 0 2 2 2 2 1 [1 ( 1)] 0 2 k 2 , 2 ( a1 a 2 ) 2 2 16 ......
+1 +1 +1 +1
+1 +1 +1 +1
-1 -1 +1 -1
+1 -1 -1 1 -1
-1 +1 -1 1 +1
-1 -1 -1 1 +1
-1 +1 -1 1 +1
+1 +1 +1 +1
-1 -1 +1 -1
+1 -1 -1 1 -1
c (t ) I
c (t ) Q
f1
f1
f2
f1
f2
f2
f2
11
由
k (t ) a k
t 2TS
ak
k
是一个线性方程，斜率为： 2 T 截距为： S
k
一个码元从开始到码元结束，相位变化增量为：
（ [ k 1） T s ] [ kT s ] ak ( k 1)T s kT s ak ak 2T S 2T S 2
dk
差分编码 串并转换
cos(
t ) 2 T S cos0t
ak
Ik
Ts
c(t)I
s(t)I s(t)Q
+
SMSK(t)Qk Leabharlann (t)Qsin(-
t sin t ) 0 2T S
19
MSK正交调制原理图
• 这个结构与QPSK非常相似，分路后码元长 度为比特长度的两倍； • Q支路数据相对于I支路延时一个Ts，这点 又与OQPSK相似； • 对于MSK，基带脉冲一个正弦函数的半个 周期： t
2
24
12
2009/11/13
十、总结
MSK信号有以下特性： (1)已调信号包络恒定； (2) 在码元转换时刻信号的相位连续，附加相位在一个 码元期间线性地变化/2； (3)是调频信号，频偏严格地等于1/4Ts，相应调频指数 h = 0.5，为允许的最小值，称为最小移频键控（MSK). (4)在一个码元期间Ts内，信号应是四分之一载波周期的 整数倍。 (5)Q支路数据相对于I支路延时一个Ts，与OQPSK相似 。但 MSK 基带脉冲是一个正弦脉冲半个周期，故称为 正弦脉冲OQPSK。
结论：最小频差Δf 等于码元速率的一半 三、调制指数
fs 1 β f Ts f / f s 2 fs 2
调制指数等于1/2
8
4
2009/11/13
四、MSK的波形
f2 f0
(a)
1 4Ts
f0
1 2Ts
f2 f0
1 4Ts
(b)
＋
－
－
＋
＋
＋ t
(c)
t
MSK信号的频率间隔与波形
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第七章
现代数字调制技术
随着数字通信的迅速发展，各种数字调 制方式也在不断的改进和发展。为适应数字 移动通信、光纤通信和卫星通信的传输特性， 近几年，围绕充分地节省频谱和高效率地利 用频带，提出了许多新的调制方式。本章主 要介绍窄带数字调制中的恒定包络数字调制、 线性调制等几种现代数字调制技术。 线性调制等几种现代数字调制技术
f1
f2
f1
八、MSK的解调
积分 MSK 信号 BPF 抽样判决 2kTs
(2k+1)Ts
cos(
t ) cos 0 t 2T S
数据 输出 并/串 变换 差分 译码
积分
抽样判决
sin(
t ) sin 0 t 2T S
MSK信号的相干解调
22
11
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九、QPSK与MSK频谱比较
7.1 7.2
恒定包络调制方式 线性调制方式
1
7.1
恒定包络调制方式
恒定包络调制的主要特点是这类已调 信号具有幅度不变的特性，其发射机功率 放大器可以工作在非线性状态，而不引起 严重的频谱扩散；接收机可用限幅器消除 信号衰落的影响，从而提高抗干扰性能。 此外，这 类调制方式可采用非同步检测。 此外，这一类调制方式可采用非同步检测。 下面介绍目前数字通信中应用较多的几种 恒定包络调制方式。
2
1
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对于一般的用矩形脉冲调制的2FSK、BPSK、 QPSK之类信号在码元转换处，相位是不连续的，它 们的功率谱有很大的旁瓣分量。为了避免邻道或对别 的系统产生干扰，一般的通信系统在发送信号前，都 需要进行限带滤波，以降低带外辐射。
10
幅度 度(dB)
0
-10 -20 -30 -40 fc-2f fc fs s-fs fc fc+f c+2fs
9
五、相位连续的条件
S MSK ( t ) cos[ 0 t ( t )] cos [ ω 0 t πak t k ] 2 Ts t 2TS kT S t ( k 1)T S
k
(t ) a
k
若满足相位连续，则要求在t=kTS时， 结论：前后 两个码元相 k 1 ( kTs ) k ( kTs ) 同时，相位 相位 πkTs πkTs 不变，前后 k 1 ak k ak 1 2 Ts 2 Ts 两个码元相 反时，相位 πk 有， k k 1 (ak 1 ak ) 差k。 10 2
QPSK信号的频谱
3
但限带滤波的一个直接后果是使信号的包 络产生起伏变化，这类信号在通过衰落信道， 或非线性功率放大器时，会产生信号波形失 真 这就促使研究者寻找一些带外辐射小 真，这就促使研究者寻找一些带外辐射小， 且包络恒定的调制信号形式。
限带滤波后的QPSK信号波形
4
2
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为了克服以上缺点，需控制在频率转换处相 位变化是连续性的。 这种形式的数字频率调 制称为相位连续的频移键控(CPFSK)。 7.1.1 最小频移键控(MSK) 7.1.2 交错正交相移键控 (OQPSK)
当 a k 1时 ： f2 π 1 ) (ω 0 2T s 2π f 1 f0 s 4T S 4
当ak 1时 ： f1 π 1 (ω 0 ) 2π 2Ts f 1 f0 s 4TS 4
f0
f0
7
二、最小频差
f f 2 f1 1 f s 2Ts 2
七、MSK的调制原理 S MSK ( t ) cos[ 0 t ( t )]
cos ( t ) cos ω 0 t sin ( t ) sin ω 0 t
(t ) a t
k
k=k或0，所以sin k =0。
cos ( t ) cos( cos(
I k cos k Qk
a k cos k
Qk=akcosk=akIk ,ak=Ik Qk
15
• 在Ts给定后，cos(πt/2Ts)和sin(πt/2Ts)确定。 • 剩下的问题是，如何利用ak来确定Ik和Qk 。 • 分析表明： Ik和Qk是在差分编码后，经过串 并变换进入各支路的数据。 • 例：设k=0时，0=0，有：
5
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也就是，
k k 1 ( a k 1 a k )