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1、第6章 正弦载波数字调制系统6.1 学习指导6.1.1要点本章的要点有数字调制的基本类型；二进制数字调制解调原理；二进制调制信号的频谱特性和传输带宽；二进制调制系统的抗噪声性能及其性能比较；最佳判决门限的概念、物理意义和计算方法；多进制数字调制的基本概念；4PSK、4DPSK信号的调制解调原理.矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。1. 数字调制的基本类型(1 ) 二进制调制：载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态；相应的调制方式有振幅键控2ASK、频移键控2FSK、相移键控2PSK/2DPSK.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。(2) 多进制调制：载波的幅度、频率或相位有M种变化状态；相应的调制方式有MASK、MFSK
2、、MPSK/MDPSK.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。2.二进制数字调制解调原理(1) 二进制振幅键控（2ASK）a. 2ASK信号的时域表达式2ASK是利用载波的振幅变化传递数字信息的，而频率和相位保持不变.也就是说，用二进制数字信号的“1”和“0”控制载波的通和断，所以又称通断键控信号OOK(On-Off Keying).其时域表达式为酽锕极額閉镇桧猪訣锥。(6-1)其中s(t)为单极性非归零信号，其表达式为(6-2)这里，Ts为码元持续时间；g(t)是高度为1，宽度等于Ts的矩形脉冲；an是第个符号的电平均值，.2ASK信号的时间波形如图6-1所示.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。b. 2ASK信号的产生
3、2ASK信号的产生方法有两种：模拟调制法和键控法，如图6-2所示.c. 2ASK信号的解调2ASK信号有两种解调方法：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法），其相应的接收机组成框图如图6-3所示.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。d. 2ASK信号的功率谱与带宽设二进制单极性基带信号s(t)的功率谱密度为Ps(f)，则2ASK信号的功率谱密度为(6-3)由此可见，2ASK信号大的功率谱P2ASK(f)是基带信号s(t)的功率谱Ps(f)的线性搬移.也就是说，2ASK信号属线性调制.厦礴恳蹒骈時盡继價骚。对于单极性全占空矩形脉冲序列，其功率谱密度表达式为(6-4)因此(6-5)当概率时，并考虑到，
4、则2ASK信号的功率谱密度为(6-6)2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣（main lobe）（第一个谱零点位置），则有茕桢广鳓鯡选块网羈泪。(6-7)即2ASK信号的传输带宽是码元速率的2倍.特别：式(6-7)是在数字基带信号s(t)用单极性矩形脉冲波形表示的前提下得到的结论.当数字基带信号用滚降系数为的升余弦滚降脉冲波形表示时，和数字基带系统一样，数字调制系统也应该无码间串扰，则鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。此时对应数字调制系统的频带利用率为B/Hz(2) 二进制移频键控（2FSK）a. 2FSK信号的时域表达式在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变
5、化.故其表达式为(6-8)2FSK信号的时间波形如图6-4所示.有图可见，2FSK信号可分解为两个不同的频率的2ASK信号的叠加.因此，2FSK信号的时间表达式又可写成籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。(6-9)式(6-9)中，是的反码，即若=1，则=0.b. 2FSK信号的产生图6-5给出了键控法产生2FSK信号的原理图c. 2FSK信号的解调2FSK信号的常用解调方法有非相干解调（包络检波）、相干解调和过零检测法等.图6-6给出了包络检波和相干解调的原理框图.預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。注意：在图6-6中，其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调.其中的抽样判决是直接比较两路信号抽样
6、值的大小，可以不专门设置门限.判决规则应与调制规则相呼应.例如，若调制时规定“1”载频f1，则接收时应规定：上支路样值下支路样值判为“1”；反之则为“0”.渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。d. 2FSK信号的功率谱与带宽2FSK信号的功率谱可以看作是两个2ASK信号的功率谱的叠加，即 (6-10)2FSK信号的带宽定义为：两个频峰外侧的第一个零点间的距离，因此 (6-11)特别：式(6-11)是在数字基带信号s(t)用单极性矩形脉冲波形表示的前提下得到的结论.当数字基带信号用滚降系数为的升余弦滚降脉冲波形表示时，和数字基带系统一样，数字调制系统也应该无码间串扰，则铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。 (6-12)此时
7、 (6-13)(3).二进制（绝对）相移键控（2PSK）a. 2PSK信号的时域表达式在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”，而其幅度和频率保持不变，故其表达式为(6-14)由于表示两种码元的信号波形相同、极性相反，所以2PSK信号的时间表达式又可以写成(6-15)其中为双极性全占空（非归零）矩形脉冲序列；第个符合的电平取值为(6-16)2PSK信号的时间波形如图6-7所示.b. 2PSK信号的产生2PSK信号的产生方法与2ASK相同，有乘积法与键控法两种.调制原理框图分别如图6-8(a)和(b)所示，其中的码型变换输出的是双极性基带信号，单刀双掷开关有数字基带信号控制s
8、(t).擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。C. 2PSK信号的解调2PSK信号的解调方法是相干解调法，其相干接收机原理框图和各点时间波形分别如图6-9和6-10所示.2PSK方式存在“倒”现象或“反相工作”.原因是在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180的相位模糊.在实际中，常采用一种实用的数字调相体制2DPSK来克服这一缺点.贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。(4).二进制差分相移键控（2DPSK）2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息的，所以又称相对相移键控.假设当前码元与前一码元的载波相位差为，可定义一种数字信息与之间的关系为坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。(6-17)例如：二进制数字信息：1101
9、00112DPSK信号相位：0000或00000a. 2DPSK信号产生的原理框图2DPSK信号的产生方法：将绝对码进行码变换（差分编码）得到相对码（差分码），然后进行绝对调相，即可产生2DPSK信号.2DPSK信号的调制器原理图如图6-11所示.蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。 b. 2DPSK信号的解调2DPSK信号的调制方法之一：相干解调(极性比较法)加码反变换法.其解调原理是：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息.在解调过程中，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”倒置，但经差分译码（码反变换）得到的绝
10、对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊性带来的问题.買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2DPSK的相干解调器原理图和各点波形如图6-12(a)和(b)所示.2DPSK信号的另一种解调方法：差分相干解调(相位比较）法.其接收机原理框图和各点时间波形如图6-13(a)和(b)所示.綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。(b) 各点时间波形图图6-13 差分相干解调原理框图和各点时间波形图注意：这种解调方法不需要专门的相干载波.相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经低通滤波和抽样判决后，即可直接恢复原始数字信息，故不需要码反变换器.驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。c. 2PSK和2DPSK信号的功率谱密
11、度和带宽2DPSK的表达式与2PSK信号表达式形式完全相同（不同的是在2PSK中，an是绝对码序列；在2DPSK中，应把an改为相对码序列bn），所以2DPSK和2PSK的频谱相同.猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2PSK信号的表达式与2ASK信号的表达式形式完全一样（区别仅在于基带信号s(t)不同，前者为单极性，后者为双极性），所以2PSK信号功率谱密度的公式与2ASK相同，即锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。(6-18)注意，这里的是双极性（而不是单极性）基带信号的功率谱.对于双极性全占空矩形随机脉冲序列，其功率谱密度为(6-19)因此(6-20)等概（）时，并考虑到矩形脉冲的频谱，则2PSK信号的功率谱密度为
12、 (6-21)结论：2PSK/2DPSK信号的频谱特性与2ASK的十分相似，区别仅在于当时，其谱中无离散谱（即载波分量），此时2PSK信号实际上相当于抑制载波的双边带信号.構氽頑黉碩饨荠龈话骛。带宽也是基带信号带宽的2倍，即(6-22)3. 二进制数字调制系统的抗噪声性能在数字通信系统中，衡量系统抗噪声性能的重要指标是误码率.因此，分析数字系统的抗噪声性能，也就是分析在信道噪声干扰下系统的误码性能.輒峄陽檉簖疖網儂號泶。分析条件：在假设信道特性是恒参信道，且在信号的频带范围内具有理想矩形的传输特性；噪声是零均值、方差为n2的加性高斯白噪声；并默认发送“0”和“1”的概率相等的条件下，求得各种二
13、进制调制系统的误码率Pe.尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。在信道高斯白噪声的干扰下，各种二进制数字调制系统的误码率如表6-1所列.表6-1 二进制数字调制系统的误码率公式一览表类型相干解调非相干解调条件2ASK2FSK2PSK时，最佳判决门限2DPSK注：为解调器输入端的信噪比；为解调器输入端噪声功率结论：(1) 对同一种调制方式而言，采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率.(2) 总体而言，几种系统依据误码率性能按从优到劣的排序为：相干PSK，相干DPSK，差分相干DPSK，相干FSK，非相干FSK，相干OOK，非相干OOK.识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。(3) DPSK略差于PSK，但没有“
14、反相工作”问题.当信道质量好时，相干或差分相干的DPSK与相干PSK的性能几乎相同.凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。(4) FSK是一种性能一般的传输方式，当信道质量好时，非相干的FSK与相干FSK的性能几乎相同.4. 多进制数字调制原理与二进制调制相比，多进制调制系统具有以下特点：(1) 在相同的码元速率下，多进制数字调制系统的信息传输速率高于二进制数字调制系统；(2) 在相同的信息速率下，多进制数字调制系统的码元传输速率低于二进制调制系统.(3)在相同的噪声下，多进制调制系统的抗噪声性能低于二进制调制系统.换言之，若想得到相同的误码率，需要更大的发送信号功率，且采用多进制数字调制的另外缺点是设备复杂
15、.恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。多进制键控可以看作是二进制键控体制的推广.基本的多进制键控类型有MASK、MFSK、MPSK和MDPSK.鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。MASK信号的带宽和2ASK信号的带宽相同；MPSK信号的带宽和MASK信号的带宽相同.因此，它们的频带利用率是2ASK、2PSK的log2M倍.硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。MASK虽是一种高效率的传输方式，但由于它的抗噪声能力，尤其是抗衰落能力较低，因而它一般只适宜在恒参信道中传输.阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。MFSK系统的抗衰落能力强，但占用的带宽大，因而一般用于调制速率不高的衰落信道传输中.MFSK信号的带宽定义为B=fM-f1+f，其中f1为最低载频，fM为最高载频，f为单个码元的带宽，它决定于信号传输速率.氬
