常见数字调制方式简述

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,常见数字调制方式简述,调制技术,调制,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。即是把基带信号（信源）转变为一个相对基带信号而言频率非常高的带通信号。带通信号叫做,已调信号,，而基带信号叫做,调制信号,。调制可以通过改变调制后载波的幅度，相位或者频率来实现,。,数字调制,调制技术的分类,按照调制信号的性质分为模拟调制和数字调制两类,模拟调制,指调制信号和载波都是连续波的调制方式。它有调幅、调频和调相三种基本形式,数字调制,一般指调制信号是离散的，而载波是连续波的调制方式。,各种数字调制方式,ASK-,又称幅移键控法。这种调制方式是根据信号的不同，调节正弦波的幅度。,PSK-,在相移键控中，载波相位受数字基带信号的控制，如二进制基带信号为,0,时，载波相位为,0,，为,1,时载波相位为,载波,各种数字调制方式,相位和基带信号有一一对应的关系。,FSK-,称频移键控法,就是用数字信号去调制载波的频率。,QAM-,又称正交幅度调制法。根据数字信号的不同，不仅载波相位发生变化，而且幅度也变化,ASK-,数字幅度调制,二进制信号的数字幅度调制的数学表达式：,其中,=,数字幅度调制波,A/2=,未调载波幅度（,V,）,=,调制二进制信号（,V,）,载波角频率（,rad/s,）,ASK-,数字幅度调制,对于逻辑,1,输入，,=+1,之前表达式简化为：,=A,ASK-,数字幅度调制,对于逻辑,0,输入而言，则有,=-1,，之前表达式简化为,=0,ASK-,数字幅度调制波形图,FSK-,频移键控,频移键控（,FSK,）是一种相对简单的数字调制，二进制,FSK,基本表达式为：,其中，,=,二进制,FSK,波形,=,载波幅度峰值（,V,）,=,频率偏移量峰值（,Hz,）,=,二进制输入调制信号（,1,）,FSK-,频移键控,调制信号是一个普通二进制波形 ，其中逻辑,1=+1,，逻辑,0=-1,。这样，对于逻辑,1,输入，,=+1,，之前基本表达式可以写为：,FSK-,频移键控,对逻辑,0,输入而言，,=-1,，基本表达式可以写成：,频移键控原理图,BPSK-,二进制相移键控,采用二进制相移键控（,BPSK,），一个载波频率可以有两个输出相位。一个相位输出代表逻辑,1,，另一个代表逻辑,0,。当输入数字信号改变状态，两个角度的输出载波的相位偏移相差,180,度。,BPSK,也可称为相位反转键控（,PRK,）和双相调制。,BPSK,真值表,二进制输入,输出相位,逻辑,0,逻辑,1,180,度,0,度,BPSK,相位图,BPSK,星座图,BPSK,调制器的输出相位和时间关系,QPSK-,四相相移键控,四相相移键控（,QPSK,），或称为正交,PSK,，是另一种角度调制、等幅数字调制形式。采用,QPSK,，一个载波上可能有四个输出相位。因为有四个不同的输出相位，必须有四个不同的输入,QPSK-,四相相移键控,条件，就要采用多于一个输入位。用二位时有四个可能的条件：,00,、,01,、,10,、,11,。所以采用,QPSK,，二进制输入数据被合并成两比特一组，称为双比特组，每个双比特组码产生,4,个可能输出相位中的一个。因此，对于每个两比特的双比特组依序进入调制器，,QPSK-,四相相移键控,会生成一个输出变化。输出端的变化速率（波特率）是,1/2,的输入比特率。,QPSK,真值表,二进制输入,QPSK,输出相位,Q I,0 0,0 1,1 0,1 1,-135,度,-45,度,+135,度,+45,度,QPSK,相位图,QPSK,星座图,QPSK,四相相移键控,由星座图和相位图可见，,QPSK,的,4,个输出相位有相等的幅度。等幅的特点是,PSK,区别,QAM,的最重要的特点。同样，从星座图中可以看到，通常,QPSK,两个相邻相位的差值为,90,度，因此，在传输时,QPSK,信号也可以相位偏移,45,度和,45,度，接收端解码仍可得到正确的解码信息。,QPSK,调制器输出相位和时间关系图,8PSK-8,相相移键控,8PSK,有,8,个可能的输出相位。对,8,个不同的相位进行编码，输入比特以每组,3,比特划分，又称,3,比特组,(2,的三次方是,8),8PSK,真值表,二进制输入,8PSK,输出相位,Q I C,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,-112.5,度,-157.5,度,-67.5,度,-22.5,度,+112.5,度,+157.5,度,+67.5,度,+22.5,度,8PSK,相位图,8PSK,星座图,8PSK,8,相相移键控,由相位图和星座图可以看出，任意两个相邻相量的夹角是,45,度，是,QPSK,的,1/2,。因此，,8PSK,信号在传输时几乎偏移,22.5,度，但仍可保持其完整性。同样，每个相量的大小是相同的，其,3,比特组条件仅仅包含在信号的相位中。,1.307,和,8PSK,8,相相移键控,0.541,只是相对值。只要它们的比是,0.541/1.307,以及反正切等于,22.5,度，任何电平都可以使用。例如，如果它们的电平加倍为,2.614,和,1.082,尽管相量的大小会成比例增加，但得到的相位角也不会改变,8PSK,调制器输出相位与时间关系,16PSK-16,相相移键控,16PSK,有,16,种不同的相位输出。一个,16PSK,调制器可以将输入数据以,4,比特为,1,组划分（,2,的,4,次方是,16,），称为,4,比特组。采用,16PSK,，相邻输出相位的夹角是,22.5,度。,16PSK,真值表,比特编码 相位,比特编码 相位,0000 11.25,度,0001 33.75,度,0010 56.25,度,0011 78.75,度,0100 101.25,度,0101 123.75,度,0110 146.25,度,0111 168.75,度,16PSK,真值表,比特编码 相位,比特编码 相位,1000 191.25,度,1001 213.75,度,1010 236.25,度,1011 258.75,度,1100 281.25,度,1101 303.75,度,1110 326.25,度,1111 348.75,度,16QPSK,星座图,QAM-,正交幅度调制,正交幅度调制（,QAM,）是数字调制的一种方式，数字信息包含在发送载波的幅度和相位内。,8QAM,与,8PSK,不同，,8QAM,调制器输出的信号不是一个等幅信号。,8QAM,真值表,二进制输入,8QAM,输出,Q I C,幅度 相位,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,0.765V -135,度,1.848V -135,度,0.765V -45,度,1.848V -45,度,8QAM,真值表,二进制输入,8QAM,输出,Q I C,幅度 相位,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,0.765V +135,度,1.848V +135,度,0.765V +45,度,1.848V +45,度,8QAM,相位图,8QAM,星座图,8QAM,输出相位及幅度,-,时间关系,16QAM,16QAM,输入数据以,4,比特划分为一组（,2,的,4,次方是,16,）,.,和,8QAM,一样，它发送的载波的相位和幅度是可变的。,16QAM,真值表,二进制输入,16QAM,输出,Q Q,I I,0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0.311V -135,度,0.850V -165,度,0.311V -45,度,0.850V -15,度,16QAM,真值表,二进制输入,16QAM,输出,Q Q,I I,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,0 1 1 1,0.850V -105,度,1.161V -135,度,0.850V -75,度,1.161V -45,度,16QAM,真值表,二进制输入,16QAM,输出,Q Q,I I,1 0 0 0,1 0 0 1,1 0 1 0,1 0 1 1,0.311V +135,度,0.850V +165,度,0.311V +45,度,0.850V +15,度,16QAM,真值表,二进制输入,16QAM,输出,Q Q,I I,1 1 0 0,1 1 0 1,1 1 1 0,1 1 1 1,0.850V +105,度,1.161V +135,度,0.850V +75,度,1.161V +45,度,16QAM,相位图,16QAM,星座图,M,元编码的最小带宽,M,元是指该种调制方式的可能输出状态为,M,种，如,BPSK,中,M,2,，,QPSK,中,M,4,，,8PSK,和,8QAM,中,M,8,，,16PSK,和,16QAM,中,M,16,。编码比特数的数学表达式为：,M,元编码的最小带宽,其中,N,为该调制方式下每种状态对应的编码比特数,通过,M,元数字调制载波的所需最小带宽为：,M,元编码的最小带宽,其中，,B,最小带宽（,Hz,）,f,b,=,输入比特率（,b/s,）,M=,输出状态数（无单位）,M,元编码的最小带宽,由上式可以推算出各种调制方式所需最小带宽（假设输入比特率,f,b,）,调制方式,M,最小带宽,BPSK,QPSK,8PSK,16PSK,8QAM,16QAM,2,4,8,16,8,16,f,b,f,b,/2,f,b,/3,f,b,/4,f,b,/3,f,b,/4,各种调制方式带宽效率比较,由之前介绍可知传输速率,10Mb/s,的信号所需的最小带宽如下：,调制方案,最小带宽（,MHz,）,BPSK,QPSK,8PSK,16QAM,10,5,3.33,2.5,各种调制方式带宽效率比较,代入公式 带宽效率,=,传输率,/,最小带宽，得到带宽效率如下：,BPSK,：带宽效率,=(10Mb/s)/10MHz,=1,比特,/,周期,QPSK,：带宽效率,=(10Mb/s)/5MHz,=2,比特,/,周期,各种调制方式带宽效率比较,8PSK,：带宽效率,=(10Mb/s)/3.33MHz,=3,比特,/,周期,16QAM,：带宽效率,=(10Mb/s)/2.5MHz,=4,比特,/,周期,结果说明,BPSK,的带宽效率最低，而,16QAM,最高，在相同输入比特率下，,16QAM,所需带宽等于,BPSK,的,1/4,PSK,误码性能,各种多相制数字调制系统的误比特率性能是与星座图中各点之间的距离有直接关系。,BPSK,误码区,BPSK,误码,从,BPSK,状态空间图上可以看到，对于给定功率电平的两个信号点（逻辑,1,和逻辑,0,）有最大间隔（,d,）。而且一个,BPSK,信号状态是另一个状态的负值。如图示，噪声相量,V,N,与信号相量,V,S,合成，形成相位偏移角度的信号码元,V,SE,。如果相位偏移超过正负,90,度，信号码元即偏移到超过阈值进入误码区。,BPSK,误码,对,BPSK,而言，如果产生大于,90,度的相位偏移，就会产生一个误码，,90,度就是,BPSK,的阈值。,PSK,系统中，阈值的一般公式是：,其中，,M,是信号状态数,QPSK,误码区,QPSK,误码,从图可以知道，,QPSK,只允许正负,45,度相移。由,PSK,阈值公式可知，,8PSK,和,16PSK,的最大相移分别是正负,22.5,度和正负,11.25,度。,M,元,PSK,系统的误比特率,一个,M,元,PSK,系统的误比特率的一般表达式：,M,元,PSK,系统的误比特率,其中，,erf=,误差函数,M,元,PSK,系统的误比特率,从以上各式可以得出,2,、,4,、,8,、,16,、,32PSK,系统,E,b,/N,0,函数的误码性能。,E,b,是单个比特能量（,J/b,）,其值等于载波功率,/,比特率。,N,0,是噪声功率密度（,W/Hz,），其值等于热噪声功率,/,带宽,E,b,/N,0,等于载噪功率比,（带宽,/,比特率）,QAM,误码性能,L,QAM,系统的误比特率的表达式为：,其中，,erfc(z),是补误差函数。,QAM,误码性能,QAM,误码性能,下图给出,4,、,16,、,32,、,64QAM,系统,E,b,/N,0,函数的误码性能,。,L-QAM,系统,E,b,/N,0,函数的误码性能,各种数字调制方式的性能比较,调制 技术,C/N,比（,dB,）,E,b,/N,0,比（,dB,）,BPSK,QPSK,4QAM,8QAM,8PSK,16PSK,16QAM,32QAM,64QAM,10.6,13.6,13.6,17.6,18.5,24.3,20.5,24.4,26.6,10.6,10.6,10.6,10.6,14,18.3,14.5,17.4,18.8,以下是达到,10,6,误码率所需信噪比和每比特与能量噪声功率密度比,END,谢谢各位,各类二进制调制原理图,