数字通信系统第5章 数字调制传输

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1、第5章 数字调制传输 第5章 数字调制传输 5.1 引言 5.2 幅度键控(ASK) 5.3 频移键控(FSK) 5.4 二相调制键控 5.5 四相调制系统 5.6 其他调制方式 5.7 各种调制方式的信道频带利用率及误码性能比较习题与思考题 第5章 数字调制传输 5.1 引 言 上一章我们已经较详细地讨论了数字基带传输系统。 由于大多数数字基带信号是低通型的, 而实际信道多为带通型, 因此这种信道不能直接传送基带信号, 必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制, 使载波的这些参量随基带信号的变化而变化, 即所谓 的调制。 第5章 数字调制传输 也就是说, 在发送端把数字基带信号频谱搬移到带

2、通型信道的通带之内, 以便信号在信道中传输。 相应地, 在接收端需要解调, 即把已调信号还原为原基带信号。 以正弦波作为载波的模拟调制系统在高频电子线路中有较详细的讨论, 这里, 我们只讨论以正弦波作 为载波的数字调制系统。 数字调制系统的原理如图5.1所示。 第5章 数字调制传输 图5.1 数字调制系统原理 第5章 数字调制传输 图5.2 三种数字调制波形和产生简图(a) 幅度键控; (b) 频移键控; (c) 相移键控 第5章 数字调制传输 5.2 幅度键控5.2.1 调制与解调原理数字调幅是用数字信号去控制载波幅度变化的, 即信息完全载荷在载波的幅度上。 二进制数据电平“1”和“0”码相

3、当于载波的发送与不发送, 能像开关一样控制载波的有无, 因此二进制的ASK方式又叫通断键控(OOK)。 图5.3给出了单极性基带信号(矩形脉冲)对载波进行通断键控的调制器、 解调器简化方框图和调制波形图。 第5章 数字调制传输 图 5.3 幅度键控示意图(a) 调制器; (b) 调制波形图; (c) 包络检波; (d) 相干检波第5章 数字调制传输 图中的f(t)是单极性基带码, 占空比为100%, 即脉冲持续时间等于码元周期T。 载波由中频(如卫星通信中频为70 MHz)余弦波振荡器产生, 相乘器就是ASK的调制器, 实际上相当于一个门电路。 其中, “1”码表示开门, “0”码表示不开门。

4、 ASK方式已调波用s(t)表示, 即 s(t)=f(t) cos(ct) (5.1) 第5章 数字调制传输 ASK已调波的解调可用非相干解调和相干解调两种方法。 包络检波法是常用的一种非相干解调的方法 , 如图5.3(c)所示。 包络检波器往往是半波或全波整流器, 整流后通过低通滤波器滤波(平滑), 即可 获得原基带信号f(t)。 第5章 数字调制传输 相干解调又称同步解调, 如图5.3(d)所示。 要实现相干解调, 在接收端要有一个与发送端载波同频同相的载波信号, 称为同步载波。 通过相乘器(即解调器)解调出原基带信号, 然后通过低通滤波器即可滤出基带信号。 设接收的已调波为s(t)=f(

5、t) cos(ct)通过接收端相乘器后, 有第5章 数字调制传输 5.2.2 ASK信号与功率谱现在再从信号的频域上进行分析。 从频谱图上可以方便又清楚地表示出该信号所包含的各频率分量和各分量幅值的大小。 由频谱图可看出信号能量在频率轴上的分布, 确定出信号所占的频带, 估计出邻近波道的干扰等。 第5章 数字调制传输 在第2章中已经介绍过单个矩形脉冲的频谱函数曲线, 如图5.4所示。 图5.4(a)是矩形脉冲电压u(t)的波形, 常用符号f(t)表示。 这个时间变化的波形可表示为(5.2) 根据傅里叶正变换, 可求出该矩形脉冲的频谱函数为(5.3 ) 第5章 数字调制传输 根据式(5.3)的积

6、分式可画出图5.4(c)所示的频谱, 频谱图中F()的幅度及相位随频率变化的曲线是各个频率分量幅度顶点的包络线。 当然, 负频率实际是不存在的。 这里的负频率及其频谱是在进行数学分析时得到的结果, 用以表示一种数学形式。 通常信 号的频谱图只需画出0的部分(正频率部分)就可以了, 见图5.4(b)。 第5章 数字调制传输 图5.4 单个矩形脉冲频谱(a) 单个矩形脉冲; (b) 单边频谱函数曲线;(c) 双边频谱函数(指数形式)曲线 第5章 数字调制传输 式(5.1)的s(t)是ASK方式已调波的电压表示式, 它是两个信号相乘的结果。 为了知道s(t)所含频率成分的组成情况及已调波需要的信道传

7、输带宽, 就应该对 s(t)进行频谱分析。 由于 s(t)=f(t) cos(ct)且s(t)是基带数字信号与一个余弦信号相乘的结果, 因此傅氏变换的移频特性表示为:若 则 第5章 数字调制传输 因为 (5.4) 式(5.4)说明, 一个信号在时域中与频率为c的余弦信号相乘等效于在频域中将其频谱同时向正负两个方向 各搬移频率c, 见图5.5。 第5章 数字调制传输 图 5.5 ASK已调波的频谱 第5章 数字调制传输 现在我们需要知道ASK已调波信号的功率谱, 为了省掉繁琐的公式推导, 下面引用帕斯瓦尔定理。 令 周期性信号的平均功率为P, 有所以, 其双边频谱可写成 (5.5) 第5章 数字

8、调制传输 下面再对ASK已调波的功率谱进行定量分析。 假 定载波频率为fc, 单极性二进制码元的分布概率为1或 0, 载波振幅为A/2。 经公式推导(省略)可得ASK已调波的功率谱表示为(5.6)第5章 数字调制传输 式(5.6)所表示的ASK已调波的功率谱示于图5.6, 其功率谱由连续谱和离散谱组成。连续谱取决于单个矩形脉冲经线性调制后的双边带谱, 而离散谱则由载波分量确定。 此功率谱的包络为抽样函数的平方 Sa(x)2。 式(5.6)的第二项是离散谱, 共有两条谱线, 分别在载波频率fc和-fc处, 这两个频率点是整个功率谱密的最大点。 第5章 数字调制传输 图 5.6 ASK已调波的功率

9、谱第5章 数字调制传输 图中画出的仅是f0一侧的功率谱。 由图5.6可以看出, 在f0的一侧, ASK已调波的功率谱也是分布在载波两侧的双边谱。 在载波两边, 第一个零点之间的 频宽为2fB, 因此二进制ASK已调波占用的最小信道带宽为2fB。 此外, 基带信号中单极性码的直流分量经ASK调制后变成了载波成分(频率为fc)。 可见, ASK方式能比较容易地传输基带信号的直流分量。第5章 数字调制传输 5.3 频移键控 5.3.1 FSK信号和功率谱 频移键控的原理图如图5.7(a)所示。 基带信号1、 0码控制两个载波信号fc1和fc2。 相乘器是一个门电路, 基带信号的“1”码和“0”码(“

10、0”码经过倒相器变换为“1”码, 送给下面的相乘器)分别控制两个门电路就可获得FSK已调波, 如图5.7(b)所示。 第5章 数字调制传输 图5.7 频移键控原理图(a) 频移键控方框图; (b) FSK方式波形图第5章 数字调制传输 FSK信号可认为是由两个交替的ASK波形合成的。 设两个载波频率分别为fc1和fc2, 且fc1fc2, 则有fc1= fc + f, fc2 = fc - f设f1(t)为f(t)中的“1”码序列; f2(t)为f(t)中的“0”码序列。 则FSK已调波s(t)可写成s(t)=f1(t) cos(c1t) + f2(t) cos(c2t) (5.7)第5章 数

11、字调制传输 式(5.7)原是频移键控已调波的表示式, 但其第一项相当于基带信号“1”码键控的ASK信号; 第二项相当于基带信号“0”码键控的另一个载波频率的ASK信号。 若“1”和“0”码出现的概率相同, 则可效仿式(5.6)写出FSK已调波的功率谱(5.8) 第5章 数字调制传输 图 5.8 FSK已调波的功率谱 第5章 数字调制传输 图5.8中假定两个载波频率之差fc1- fc2= fB, 此频差较大时, 功率谱会出现双峰; 频差较小时, 功率谱会 出现单峰。 图中虚线部分是两个ASK已调波功率谱合成的情况, 整个实线的谱线包络为FSK的功率谱曲线。 FSK已调波所需的信道带宽为fc2-

12、fc1 + 2fB。 显然FSK已调波占用的信道频宽较宽。 第5章 数字调制传输 5.3.2 FSK 的产生和解调频移键控已调波的解调一般采用非相干解调, 具体实现有过零检测法和鉴频法。 这里主要介绍过零检测法。 过零检测法的原理如图5.9所示。 若发端基带信号为1101, a点的接收信号经限幅后产生矩形脉冲流, 再经微分整流后就形成与载波频率变化相对应的微分脉冲流, 整流后的脉冲流经过脉冲展宽后成为具有一定占空比的矩形脉冲, 再经低通滤波器滤掉高次谐波, 经判决就能得到原基带脉冲信号。 第5章 数字调制传输 图 5.9 FSK信号过零检测法原理第5章 数字调制传输 5.4 二相调制键控5.4

13、.1 绝对移相和相对移相移相键控分为绝对移相(2PSK)和相对移相(2DPSK)两种形式。 绝对移相利用载波信号的不同相位去传输数字信号的“1”码和“0”码。 图5.10(a)是一组数字基带信号, 图5.10(b)是绝对移相信号波形。 第5章 数字调制传输 移相只改变载波信号的相位, 即对应不同的基带码载波起始相位不同。 在绝对移相(PSK)中, 载波起始相位与基带码的关系是: 载波0相位对应基带信号的“1”码; 载波相位对应基带信号的“0”码。 第5章 数字调制传输 图5.10 2PSK和两种定义的DPSK波形 第5章 数字调制传输 5.4.2 调制信号的产生1. 绝对移相信号的产生产生调制

14、信号的方法有直接调相法和相位选择法两种, 如图5.11所示。 第5章 数字调制传输 图 5.11 二进制绝对移相信号的产生电路(a) 直接调相法; (b) 相位选择法第5章 数字调制传输 直接调相法是采用环行调制器产生调制信号的方法, 在图5.11(a)中, 下端接双极性基带信号, D1、 D2、 D3、 D4起着倒接开关的作用。 当基带信号为正时, D1、D3导通, 输出载波与输入同相; 当基带信号为负时, D2、 D4导通, 输出载波与输入载波反相, 从而实现了2PSK调制。 第5章 数字调制传输 图5.11(b)是相位选择法的方框图, 首先由载波倒相器将载波移相, 从而准备了具有0相位和

15、相位的两种载波信号。 基带信号的“1”码控制(选择)0相位载波信号输出; “0”码(通过基带码倒相器变为“1”码)控制相位载波信号输出。 从而获得了绝对移相的已调信号。 第5章 数字调制传输 2. 相对移相信号的产生相对移相信号的产生电路是在绝对移相电路的基础上发展起来的, 这种电路明显分成两个部分: 码型变化部分和调制器部分。 也就是说, 先将要调制的单极性基带码变换成差分码, 然后再对差分码进行绝对移相, 其调制出来的信号就为相对移相信号。 显然, 相对移相信号的产生区别于绝对移相信号的产生的关键在于码形变换部分, 这个过程也称差分编码。 因其调制部分与绝对移相的方法相同, 这里就 不再赘

16、述了。下面着重介绍用模2加法器进行差分编码, 如图5.12所示。 第5章 数字调制传输 图5.12 用模2加法器进行差分编码 第5章 数字调制传输 模2加的法则是0 0=0 1 1=01 0=1 0 1=1 图5.12电路差分编码的逻辑关系是: 本时刻的差分码bn (相对码)等于本时刻的基带码an(绝对码)与本时刻差分码经延迟1 bit的bn-1进行模2加; 即 第5章 数字调制传输 以图5.12所示的基带码为例, 有 第5章 数字调制传输 5.4.3 二相调制信号的功率谱无论是PSK还是DPSK的已调波波形, 均可用两个ASK的已调波合成, 如图5.13所示。根据式(5.6)可直接写出PSK的功率

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