第1章 緒論

1.1 數字調制的主要類型

1.2 現代數字調制的發展

1.3 與數字調制有關的幾個重要概念

1.3.1 應用場景與信道模型

1.3.2 信號傳輸的基本要求

1.3.3 恆包絡調制信號的特征

1.3.4 已調信號的相位路徑

1.4 數字調制的主要技術指標及評估方法

1.4.1 已調信號的功率譜密度

1.4.2 解調誤比特率

1.4.3 已調信號峰均比

1.4.4 已調信號的頻譜效率

1.4.5 調制解調器的實現復雜度

1.5 本書主要內容

第2章 繫統和信號分析

2.1 繫統和信號

2.1.1 信號的分類

2.1.2 繫統的分類

2.2 信號的傅裡葉級數表達式

2.2.1 復指數傅裡葉級數

2.2.2 周期信號的傅裡葉級數表達式

2.3 信號傅裡葉變換的表達式

2.3.1 非周期信號傅裡葉變換的表達式

2.3.2 周期性功率信號的傅裡葉變換

2.3.3 變換定理

2.4 功率譜密度

2.5 繫統響應和濾波

2.5.1 衝激響應、階躍響應和時域分析

2.5.2 傳輸函數及其頻域分析

2.5.3 傳輸函數對頻譜密度的影響

2.5.4 實際濾波器和理想濾波器

2.6 調制和解調運算的頻譜分析

2.7 頻譜測量和計算

2.7.1 頻譜儀

2.7.2 傅裡葉級數繫數的數值計算

2.7.3 傅裡葉變換的數值計算

2.8 帶通信號及其繫統的低通等效法

2.8.1 窄帶帶通信號

2.8.2 線性窄帶帶通繫統

2.8.3 線性窄帶帶通繫統的響應

2.8.4 帶通信號的運算

2.8.5 帶通信號的相關

2.9 本章小結

第3章 隨機信號理論

3.1 引言

3.2 概率引論

3.2.1 定義

3.2.2 隨機事件的概率

3.2.3 聯合概率和條件概率

3.3 離散隨機變量

3.3.1 概率質量函數

3.3.2 統計平均

3.3.3 概率質量函數的舉例

3.4 連續隨機變量

3.4.1 概率密度函數和統計平均

3.4.2 概率密度函數的舉例

3.4.3 隨機變量的變換

3.5 隨機過程的理論基礎

3.5.1 定義和符號

3.5.2 平穩性、時間平均和各態歷經性

3.5.3 平穩隨機過程的功率譜密度

3.5.4 復隨機過程

3.5.5 帶通平穩隨機過程的低通等效法

3.6 高斯隨機過程

3.7 馬爾科夫序列

3.7.1 離散信源

3.7.2 馬爾科夫序列（或鏈）的統計模型

3.8 循環平穩隨機過程

3.8.1 問題的提出

3.8.2 循環平穩隨機過程的定義

3.8.3 循環平穩隨機過程的統計模型

3.8.4 循環平穩隨機過程的自相關函數

3.8.5 循環平穩過程的功率譜密度

3.9 繫統和隨機信號

3.9.1 無記憶繫統的響應

3.9.2 線性非時變繫統的響應

3.10 通信繫統中的噪聲

3.10.1 熱噪聲

3.10.2 窄帶噪聲的時域表示式

3.10.3 信噪比和誤差概率

3.10.4 噪聲等效帶寬、等效噪聲溫度和噪聲繫數

3.11 小結

第4章 基帶數字信號傳輸

4.1 引言

4.2 基帶二進制PAM繫統與奈奎斯特**準則

4.2.1 基帶脈衝形成

4.2.2 **發送和接收濾波器

4.2.3 設計方法舉例

4.2.4 奈奎斯特**準則

4.3 部分響應繫統與奈奎斯特第二準則

4.3.1 雙二進制基帶PAM繫統工作原理

4.3.2 改進的雙極制繫統

4.3.3 部分響應技術

4.3.4 各類部分響應繫統的性能比較

4.4 奈奎斯特第三準則

4.5 發送信號頻譜的形成

4.5.1 預編碼對信號頻譜的影響

4.5.2 用數字方法形成脈衝

4.6 均衡

4.7 眼圖

4.7.1 眼圖的基本概念

4.7.2 幾個重要參數的定量分析

4.7.3 眼圖

4.8 簡單的布爾運算引入的誤碼擴散

4.9 小結

第5章 不連續相位路徑的數字調制（I）

5.1 二進制數字調制的一般概念

5.2 二進制數字調制信號的**檢測

5.2.1 誤比特率Pe的表達式

5.2.2 **接收濾波器的傳遞函數

5.2.3 **檢測接收機

5.3 二相相移鍵控（2PSK）

5.3.1 **移相（BPSK）

5.3.2 相對移相（DPSK）

5.3.3 二相PSK信號的功率譜密度

5.4 二相PSK信號解調

5.4.1 相干PSK解調

5.4.2 差分相干PSK解調

5.4.3 載波提取

5.4.4 位同步提取

5.5 小結

第6章 不連續相位路徑的數字調制（II）

6.1 四相相移鍵控（QPSK）

6.1.1 QPSK調制

6.1.2 QPSK相干解調

6.1.3 DQPSK解調

6.2 QPSK的碼變換邏輯

6.2.1 QPSK的相位邏輯

6.2.2 調制器與解調器的相位邏輯

6.2.3 QPSK的差分編/譯碼器

6.2.4 DQPSK中調制解調器以及差分編/譯碼器之間的配合

6.3 DQPSK的誤碼擴散

6.3.1 差分譯碼器輸出誤碼率的通用表達式

6.3.2 三種不同差分譯碼器的誤碼率

6.3.3 三種差分譯碼器誤碼擴散的比較

6.4 四相繫統QPSK繫統的載波同步

6.4.1 四次方環

6.4.2 科斯塔斯環

6.4.3 逆調制環

6.4.4 判決反饋環

6.5 交錯正交相移鍵控（OQPSK）

6.5.1 OQPSK的基本特點

6.5.2 OQPSK原理

6.5.3 OQPSK信號的解調

6.6 小結

第7章 線性連續相位路徑的數字調制

7.1 二進制頻移鍵控（FSK）

7.1.1 相干FSK

7.1.2 非相干FSK

7.2 *小頻移鍵控（MSK）

7.2.1 快速頻移鍵控（FFSK）

7.2.2 *小頻移鍵控（MSK）

7.2.3 MSK與FFSK之間的關繫

7.3 MSK調制/解調器的實現方法

7.3.1 MSK調制器

7.3.2 MSK解調器

7.4 串行MSK（SMSK）

7.4.1 串行MSK的特點

7.4.2 變換濾波器的設計

7.4.3 變換濾波器的等效低通實現

7.4.4 用於MSK的匹配濾波器

7.5 頻移交錯正交調制（FSOQ）

7.5.1 FSOQ原理

7.5.2 相干載波和定時恢復

7.6 小結

第8章 非線性連續相位路徑的數字調制

8.1 正弦頻移鍵控（SFSK）

8.1.1 引言

8.1.2 正弦頻移鍵控

8.1.3 "阿莫羅索（AMOROSO）型"OQPSK

8.2 平滑調頻（TFM）

8.2.1 引言

8.2.2 TFM的工作原理

8.2.3 TFM繫統的實現

8.3 無符號間干擾和抖動-交錯正交相移鍵控（IJF-OQPSK）

8.3.1 引言

8.3.2 IJF的工作原理

8.3.3 IJF-OQPSK調制與解調

8.3.4 部分響應(PR)-LJF-OQPSK調制

8.4 互相關相移鍵控（XPSK）

8.4.1 調制與解調方案

8.4.2 XPSK繫統的性能

8.5 調制前高斯濾波的MSK（GMSK）

8.5.1 GMSK的基本原理

8.5.2 GMSK調制/解調的實現

8.6 載波恢復

8.6.1 兩種類型的載波恢復原理

8.6.2 四相判決反饋環提取TFM相干載波的原理

8.7 小結

第9章 理論頻譜和誤比特率

9.1 數字調角信號功率譜密度的分析方法

9.1.1 一階馬爾科夫鏈方法

9.1.2 矩陣方法

9.1.3 *易實現的數值計算方法

9.2 各種調制方式的信號表示

9.3 QPSK的功率譜密度

9.3.1 QPSK基帶數字信號

9.3.2 QPSK低通復包絡信號

9.4 OQPSK的功率譜密度

9.5 MSK和SFSK的功率譜密度

9.5.1 MSK

9.5.2 SFSK

9.

前 言

數字調制位於通信協議的**層——物理層，譬如作為互聯網基本協議的TCP/IP，數字調制位於該協議的物理層（網絡接口層的子層）。為了實現物理層協議，需要在物理層中采用多種技術措施，而數字調制則是其中*重要的一種。該協議要求層中的數據按幀結構排列，每幀都由前導碼和數據碼組成。前導碼是幀同步頭，數據碼是來自數據鏈路層的數據幀（data frame）。為了能夠在物理層中有效和可靠地傳輸數據碼，需要把數字調制與信道編碼作為一個整體進行設計，並稱它為調制和編碼方案（MCS），通常把MCS看成物理層中的“引擎”。選擇MCS時應以數字調制為主，即首先根據物理層需要傳輸的數據速率和允許繫統占用的帶寬來選擇數字調制方式，而後再根據繫統對誤比特率的要求來選擇與數字調制相適應的信道編碼方式。

選擇數字調制方式首先需要滿足信道頻帶利用率的要求，提高信道頻帶利用率有兩種方法。**種是在信息傳輸速率一定的條件下，通過對已調波形的設計，使已調信號的頻譜盡量變窄，這樣就可減少占用的信道帶寬，從而提高信道頻帶利用率。第二種是在占用信道帶寬一定的條件下，通過對已調波形的設計，使其傳輸的信息速率盡量提高，從而也可以提高信道頻帶利用率，而且所得到的信道頻帶利用率往往要高於**種方法。

除了需要滿足信道頻帶利用率要求外，選擇數字調制方式時還應考慮繫統的功率轉換效率這一性能指標。由於信道頻帶利用率和功率轉換效率這兩個性能指標是相互矛盾而不可兼得的，隻能以一個指標為主兼顧另一個指標，因此實用中選擇調制方式也有以下兩種方案。

方案1：高功率轉換效率——恆包絡調制

為了實現高的功率轉換效率，繫統中的高功放隻能在非線性狀態下工作。由於這個原因，凡是利用信號幅度來傳送信息的調制方式都不能使用，而隻能使用恆包絡或準恆包絡的調制方式。高階調制QAM是幅度和相位聯合調制，因而不能應用，故方案1的信道頻帶利用率較低。按照已調信號相位路徑的不同，恆包絡調制又可劃分為連續相位路徑和非連續相位路徑兩類。方案1用於衛星通信和深空通信中。

在方案1中，提高信道頻帶利用率采用了前述的**種方法，這也就是本書上冊所要討論的主要內容。上冊第1～4章為基礎部分，第5～10章專門討論恆包絡或準恆包絡的數字調制。

方案2：高信道頻帶利用率——高階調制

為了傳輸視頻信號，特別是高清（high definition）和在線（on-line）的視頻信號，要求繫統必須能夠傳送較高的數據速率，但繫統允許占用的頻帶又是有限的。在這種情況下，就要求選用高階調制（如MQAM）進行映射，把輸入的二進制比特序列轉變為輸出的多進制符號序列，使得一個符號中含有若干個比特。高階QAM調制的幅度也是用來傳送信息的，因此高功放必須在線性狀態下工作，故方案2的功率轉換效率較低。此外，方案2中的另外一個問題是：由於高階調制一個符號中包含有若干個比特，當發射機功率受限時，就會使每比特的能量信噪比下降，從而造成繫統誤比特率增大。為了使繫統誤比特率達到要求，MCS中必須采用強有力的糾/檢錯的措施，為此國際電信聯盟（ITU）規定，移動通信繫統中的MCS必須采用Turbo碼。方案2用於移動通信和無線局域網（WLAN）中。

在方案2中，提高信道頻帶利用率采用了前述的第二種方法，這也就是本書下冊所要討論的主要內容。下冊第1～4章專門討論高階調制（MPSK和QAM）和正交頻分復用（OFDM），第5章討論數字調制在WLAN、移動通信和衛星通信中的應用。

雖然本書涉及內容較廣、深度較深，但在編寫時非常注意條理性和前後內容的連貫性，因此隻要認真、耐心地讀下去，其中的難點都是可以克服的。

*後，向本書參考文獻中所有的作者們深表謝意，從你們的著作和論文中學到了大量的知識，這對完成本書的編寫給予了極大的幫助。

此外，需要指出的是：

1．作者王士林教授和蔡雲飛高級工程師在TCL集團任職期間所積累的理論和實際知識在本書下冊中都有所體現；

2．本書上冊第10章中的仿真工作是由解放軍理工大學講師許魁博士帶領王飛同學協助完成的；

3．本書的電子版制作及校驗得到解放軍理工大學王健博士的全力幫助，同時也得到了陳剛、李來扛、田輝、隨楠楠、曹天威、王雨榕、瀋先麗等研究生同學和王玲莉女士的大力幫助；

4．本書編寫過程中，得到解放軍理工大學徐友雲教授研究團隊的張鼕梅、馬文峰、謝威、王聰、李寧等教員的支持和幫助；

5．本書編寫過程中，一直得到解放軍理工大學李廣俠、傅麒麟、錢關海、張杭、張更新、楊婷等教授和電子工業出版社編輯的支持和幫助；

6．本書編寫過程中始終得到林英玲女士給予的精神上的鼓勵和生活上的關心。

在此，對以上單位和個人，作者一並表示感謝！

由於作者水平有限，謬誤之處敬請指正！

作 者

2015年5月

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蔡雲飛：

王士林：