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1、第 7 章 数字带通传输系统 7.0 引言 7.2 二进制数字调制系统抗噪声性能 7.1 二进制数字调制原理 7.3 二进制数字调制系统的性能比较 1 7.0 引言在实际信道中，大多数信道具有带通传 输特性，数字基带信号不能直接在这种信道 中传输，因此，必须用数字基带信号对载波 进行调制，产生已调数字信号，才能在无线 信道、光纤信道等媒质中传输。类似于模拟 调制，有数字振幅调制、数字频率调制和数 字相位调制。 2数字调制是把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。利用数字脉 冲信号对载波进行开关形式的控制而实现， 故称数字键控。载波的波形是任意的，但大多数的数字调制系统都选择单频信号
2、作为载波，因为便于 产生与接收。常用的载波信号为 。1、概念32、数字调制分类(1) 根据控制载波波形参量不同，分为： v 振幅键控(ASK)用数字消息控制载波的振幅 v频移键控(FSK)用数字消息控制载波的频率 v相移键控(PSK)用数字消息控制载波的相位 (2) 根据已调信号频谱结构特点不同，分为：v线性调制(如ASK) 频谱结构相同，只不过搬 移了一个频率位置，无新的频率成分出现。 v非线性调制(如FSK) 频谱结构不同，有新的 频率成分出现。 43、数字载波调制与模拟调制的异同 相同点：调制目的相同，都是进行频谱搬移 ，以适合信道传输；调制种类相同，都是通 过改变载波的幅度、相位或频率
3、达到调制的目的； 不同点：模拟调制是以模拟信号对载波参量 作连续调制；数字调制是以数字信号对载波 参量作离散调制。57.1 二进制数字调制原理7.1.1二进制振幅键控（2ASK)7.1.2二进制频移键控（2FSK)7.1.3二进制相移键控（2PSK)7.1.4二进制差分相移键控（2DPSK) 67.1.1二进制振幅键控（2ASK)ASK: Amplitude Shift Keying 振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制 时，则为二进制振幅键控。 设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发 送1符号的概率为P，发送0符号的概率为1-P，且相互独立。该二
4、进制符号序列可表示为：7其中: 发送概率为P发送概率为1-P 2ASK信号时域表达式g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲82ASK信号波形2ASK信号波形 92ASK 调制方式 模拟调制方式 键控方式 也称 OOK 信号开关K的动作由s(t) 决定， 乘法器S( t ) e2ASK( t ) 滤波器cosc t10e2ASK( t ) cosc tK当s(t ) = 0 K 接01 K 接1102ASK 解调方式 非相干解调l 带通滤波器（BPF）恰好使2ASK信号完整地 通过。l 低通滤波器（LPF）的作用是滤除高频杂波 ，使基带信号（包络）通过。l 抽样判决器 包括抽样、判决及码元形成器。1
5、1122ASK 解调方式 相干解调相干解调就是同步解调，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号 ，称其为同步载波或相干载波。1314相干解调低通滤波器的截止频率与基带数字 信号的最高频率相等。 152ASK频谱设 e2ASK(t)的功率谱为P2ASK(f)，s(t)的功率谱为Ps(f)，则： 式（7.17）推导单极性的随即脉冲序列功率谱的一般表达式：16设 s( t ) 的功率谱密度为Ps ( f ), e0( t ) 的功率谱密 度为 PE( f ) 非严格推导：证毕17矩形波形g(t)的频谱为： 当P=1/2时（7.110）182ASK频谱P2ASK(f)cfffc+fscf-
6、0fc-fs-fc+fs-fc-fs19v2ASK信号的功率谱密度由离散谱和连续谱 两部分组成。连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量确定。v2ASK信号的带宽B2ASK是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣，则有 B2ASK=2B=2fs =2*1/RB2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。v2ASK系统的频带利用率为:20例 已知某OOK系统的传码率为103B，所用的 载波信号为Acos(4103t)。(1)设传送数字信息 为011001，画出相应的2ASK信号波形; (2)求 2ASK信号的带宽。(2)二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍解：
7、(1)217.1.2二进制频移键控（2FSK)(Frequency Shift-Keying)在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随 二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化， 则产生二进制频移键控信号(2FSK信号) 。“1” f1 “0” f2 FSK是用不同频率的载波来传递数字消息的。221、 2FSK信号的表示若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为: 23是 an 的反码 其中 :1 以1-p为概率出现 0 以 p为概率出现an = 0 1将一路 2FSK信号看成两路 2ASK信号的合成S1( t )为单极性信号二进制
8、移频键控信号的时域表达式为: 242FSK 信号波形1 0 0 1 0 1 1+ E VS( t )载波w12FSK- E VS1( t )S1( t )+ E V 0 V+ E V 0 V载波w2252、2FSK 调制方式模拟调制方式：键控方式 0 K 接0开关K的动作由s(t)决定， 当s( t ) = 1 K 接1s( t ) e2FSK( t ) 压控 VCO 1e0( t ) cos1 tK0cos2t2FSK信号的产生，可采用模拟调频电路来实现，也可采用数字键控的方法来实现。26273、2FSK 解调方法v 非相干解调法（包络检波）（一路2FSK视为2路2ASK信号的合成）v 相干
9、解调法v 鉴频法v 过零检测法（2FSK特有）v 差分检测法283.1 2FSK 包络检波法解调条件：| f1 - f2 | 2 fs 抽样 判决e0 ( t )S( t ) 定时脉冲 2 fs带通 2 包络检波 带通 1 2 fs包络检波 两个带通滤波器带宽皆为相应的2ASK信号带 宽（中心频率不同)，起分路作用； 包络检测后分别取出它们的包络s(t) 及 ； 抽样判决器 起比较器作用。演示29若上、下支路 及 的抽样值分别用v1、v2 表示，则抽样判决器的判决准则为：30图 2FSK非相干解调过程的时间波形 111000001012FSK 信号v1下支路全 波整流输出v2上支路全 波整流3
10、13.2 2FSK 相干解调条件：| f1 - f2 | 2 fs 抽样 判决e0 ( t )S( t ) 定时脉冲 带通 1 低通 cos1 t2 fs带通 2 低通 cos2 t2 fs带通滤波器的作用同包络检波法，起分路作用;抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值 进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。323.3 2FSK信号的鉴频法原理：鉴频器输出电压与输入信号频率偏移成正比。带通滤波 器鉴频 器 低通滤波 器抽样判 决333.4 2FSK 过零检测法特点：“1”、“0” 码元对应的载波频率不同，即在单位时间内载波的过零点数目不同，利用 此特点，还原
11、基带信号。 e0 ( t )整形 微 分 宽脉冲 发生器 整流 S( t )abcdef判决 低通 思路：把过零数目不同转换为电压不同。34f0 0 1 1 0 0各 点 波 形 示 意 图图 7-10 过零检测法原理图和各点时间波形35 输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列； 微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点； 尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的 频率； 低通滤波器得到脉冲波的直流分量。完成频率 幅度变换，根据直流分量幅度还原出“1” “0”。363.5 2FSK 差分检波法抽样 判决带通低通2
12、fs + | f1 - f2 |e0 ( t )S( t )e( t )延时 差分检波法基于输入信号与其延迟的信号相 比较,信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。 实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延 迟失真时，其检测性能优于鉴频法。 37近似分析法：2 路 2ASK 信号的叠加 4、2FSK 频谱结构 且 S1( t )、 均为 NRZ 信号，脉宽为Ts 当 p = 时, （7.1-21）38频谱图f1f2f139v 相位不连续的2FSK信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成； v 离散谱位于载频f1和f2处；连续谱由两个中 心位于f1
13、和f2处的双边谱叠加形成； v 若|f1-f2|fs，连续谱在fc处出现单峰；若|f1-f2|fs，则连续谱出现双峰。 v 所需传输带宽BFSK=|f1 -f2|+2 fs 40例 设某2FSK调制系统的码元传输速率为1000B， 已调信号的载频为1000Hz或2000Hz：1）发送数字信息为011010，画出相应的2FSK信号波形；2）这时的2FSK信号应选择怎样的解调方法。解： 1）设载频1000Hz对应“1”,2000Hz对应“0”。41解： 2）由于2FSK载波频差|f2-f1|=1000=fs, 功率谱密度会出现单峰，频谱有较大重叠，用包络检 测法不合适，上下两支路有较大串扰，调制性
14、能 降低，所以可以用相干解调或过零检测法解调。例 设某2FSK调制系统的码元传输速率为1000B， 已调信号的载频为1000Hz或2000Hz：1）发送数字信息为011010，画出相应的2FSK信号波形；2）这时的2FSK信号应选择怎样的解调方法。427.1.3相移键控信号( 2PSK)PSK(Phase shift-keying) 模拟调相：载波的相位随调制信号的变化而变化 数字相移：以载波不同的初始相位值去表示 不同的数字信号。一、相移原理43 载波初相 ：每个码元起始时刻对应的载波相位二进制相移键控（2PSK） 在二进制数字调制中，当正弦载波的相位( 初相)随二进制数字基带信号离散变化时
15、，则 产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常用已调 信号载波的0和180分别表示二进制数字基带 信号的0和1。442PSK信号的时域表达式为： 式中，n表示第n个符号的绝对相位：因此，上式可以改写为：由于两种码元的波形相同，极性相反，故 2PSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉 冲序列与一个正弦载波的相乘。45式中这里，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特性为发送二进制符号“0”时(an取+1), e2PSK(t)取0相位; 发送二进制符号“1”时(an取 -1)，e2PSK(t)取相位。以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字 信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。 462PSK ：绝对移相信号0 表示 “0” 表示 “1”载波初相1 0 0 1 0 1 1+ ES( t ) - E 0 0 0 47模拟调制的方法 键控法 2PSK信号的调制器原理方框图482PSK信号
