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1、2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,1,41 数字调制与解调 42 频分多路复用 43 扩频技术,第4章 数字信号的频带传输,本章安排4次理论课，2次实验和1次习题课,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,2,第4章 数字信号的频带传输,前面我们已经学习了数字信号的基带传输，知道数字基带信号具有丰富的低频成分，只适合在低通型信道中传输（比如双绞线），但是在通信系统中实际使用的信道多为带通型，例如各个频段的无线信道、限定频率范围的同轴电缆等。为了使数字信号能在带通信道中传输，必须采用数字调制方式。搬到频谱较高的信道上进行传输。这就是我们今天要学习的数字信号的
2、频带传输。,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,3,那么为什么一定要在带通型信道中传输数字信号呢？主要原因是带通型信道比低通型信道带宽大得多，可以采用频分复用技术传输多路信号；另外，若要利用无线电信道，必须把低频信号“变”成高频信号。,第4章 数字信号的频带传输,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,4,4.1 数字调制与解调和模拟调制相似，数字调制所用的载波一般也是连续的正弦型信号，但调制信号则为数字基带信号。理论上讲，载波形式可以是任意的（比如三角波、方波等），只要适合在带通信道中传输即可。之所以在实际通信中多选用正弦型信号，是因为它具有形式简单、便于
3、产生和接收等特点。与模拟调制中的幅度调制、频率调制和相位调制相对应，数字调制也分为三种基本方式：幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。,4.1 数字调制与解调,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,5,根据已调信号的频谱结构特点的不同，数字调制也可分为线性调制和非线性调制。在线性调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同，只不过是频率位置搬移了；在非线性调制中，已调制信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同，不是简单的频谱搬移，而是有其他新的频率成分出现。振幅键控属于线性调制，而移频键控和移相键控属于非线性调制。这些特点与模拟调制是相同的。,4.1
4、 数字调制与解调,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,6,所谓“键控”是指一种如同“开关”控制的调制方式。比如对于二进制数字信号，由于调制信号只有两个状态，调制后的载波参量也只能具有两个取值，其调制过程就像用调制信号去控制一个开关，从两个具有不同参量的载波中选择相应的载波输出，从而形成已调信号。“键控”就是这种数字调制方式的形象描述。,4.1 数字调制与解调,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,7,4.,4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）,1、信号波形图 4-3 所示是一个ASK信号波形的例子。正弦载波受到信码控制。当信码为1时，ASK的波形是若干个
5、周期的高频等幅波（图中为1个周期）；当信码为0时，ASK信号的波形是零电平。,图4-3 ASK信号波形,4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,8,4.,4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）,高频等幅波的3个周期的 ASK的波形,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,9,2、2ASK调制与解调,（1） 产生二进制振幅键控信号的产生方法(调制方法)有两种，如图4-4所示。其中，图（a）采用模拟调制方式的ASK调制方法。相乘器将数字基带信号（单极性NRZ码）和高频载波相乘，得到ASK信号；图（b）采用数字键控方法，由数字基
6、带信号去控制一个开关电路。当出现1码时开关S闭合，有高频载波输出；出现0码时开关S断开，无高频载波输出。,4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）,图 4-4 ASK波形产生器框图,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,10,（2） 解调和模拟常规调幅信号的解调一样，2ASK信号也有包络检波和相干解调两种方式，两种解调器的方框图如下页图所示。由于被传输的是数字信号1和0，因此，在每个码元持续期间要用抽样判决电路对低通滤波器的输出作一次判决以确定信号取值。相干解调需要在接收端产生一个本地的相干载波，由于设备复杂，因此相干解调在2ASK系统中很少使用。对于含有载波分量的ASK信号，
7、可以采用包络检波法解调。对于抑制载波的双边带（DSB）信号和单边带（SSB）则只能采用相干解调，需要载波同步信号。,4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,11,图4-5 2ASK解调器,4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,12,3、2ASK信号的频谱ASK信号实际上是信码的单极性NRZ波形与高频载波的相乘。我们知道二进制NRZ波形的频谱如书上P58图4-6（a）所示，乘法器可以使信号的频谱搬移到载波的两边，因此可得到ASK信号的频谱如图4-6(b)所示，从中可以得到一个重要的结
8、论：ASK信号的频带宽度是基带信号的2倍。,由上式可知幅度键控信号的功率谱是基带信号功系谱的线性搬移，所以其频谱宽度是二进制基带信号的两倍。由于基带信号是矩形波，其频谱宽度从理论上来说为无穷大，以载波c为中心频率，在功率谱密度的第一对过零点之间集中了信号的主要功率，因此,通常取第一对过零点的带宽作为传输带宽，称之为谱零点带宽。,4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,13,2ASK信号的功率谱,4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,14,2ASK信号的带宽Bs=2fs，fs为基带信
9、号的带宽，在数量上与基带信号的码元速率Rs相同。这说明2ASK信号的传输带宽是码元速率的2倍。同时看出： 1)二进制ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成，其中连续谱取决于单个基带信号码元f(t)经线性调制后的双边带谱，离散谱则由载波分量决定。 2)二进制ASK信号的带宽是基带脉冲波形的两倍。二进制振幅键控方式是数字调制中出现较早的，也是最简单的。这种方法最早应用在电报系统，但由于它对抗噪声的能力较差，它的功率利用率和频带利用率都不高，故在数字通信中应用得不多，一般都是与具他种调制方式合用。,4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,
10、15,书上P58例4-1：假设电话信道具有理想的带通特性，频率范围为300-3400Hz，试问该信道在单向传输ASK信号时最大的传输码率为多少？ 解：电话信道带宽B=3400-300=3100（Hz）该信道在传送ASK信号时，由于ASK信号的带宽是基带信号的2倍，因此该信道的等效基带带宽为B/2=1550Hz。根据无码间串扰条件（奈奎斯特第一准则），基带带宽为1550Hz信道最高码元传输速率为 fB=2*1550=3100（b/s）为了限制频带宽度，可以采用带限信号作为基带信号。下页图给出基带信号为升余弦滚降信号时，2ASK信号的功率谱密度示意图。,4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）,20
11、18/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,16,升余弦滚降基带信号的2ASK信号功率谱,4.1.1 二进制振幅键控（2ASK）,11月3日讲的内容,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,17,我们在前面讲过，为什么要进行频带传输，再归纳一下： 1、现有通信网主要为传输模拟信号设计的，所以不能直接传输数字基带信号。 2、不能直接传输的原因： （1）现有信道为带通型，主要用来传输模拟话音频带0.3-3.4kHz，对于含有直流分量和低频分量的数字基带信号在现有网络上传输时波形会严重失真。 （2）数字基带信号抗干扰能力不强，传输可靠性不高。 （3）基带信号频带很宽，信道利用
12、率不高，不能和模拟通信兼容。 3、需要解决的问题数字信号在模拟信道中传输-调制 4、调制的目的，（1）满足信道的需要，（2）多路复用。,前面内容回顾,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,18,为什么说频带传输的是模拟信号？例如：在传真机中，我们利用2FSK调制，在主呼端用1170100Hz表示“1”和“0”。在信道上传输的不是1、0码，而是1170100Hz 的模拟正弦波信号。在从呼端用2125100Hz表示“1”和“0”码。调制（Modulation），用基带信号去控制正弦波的参数的过程，基带信号称为调制信号（ Modulating Signal），被调制的正弦波称为载波
13、（Carrier）。 解调，在接收端，接收设备要将原来的基带信号从已调信号中恢复，这一过程称为解调（Demodulation）。在双工通信中，调制和解调合在一起，称为调制解调器（Modem）。,前面内容回顾,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,19,4.1.2 二进制频移键控（2FSK）,1、信号波形,图4-7 FSK信号波形,频移键控（FSK）调制，是用数字信号来控制高频载波的频率变化，调制后的载波信号频率代表了要传递的数字信号。从图中可以看出，基带信号为高电平，对应的FSK信号是一个频率为f1的载波；基带信号为低电平，FSK信号则是一个频率为f2的载波。,4.1.2 二
14、进制频移键控（2FSK）,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,20,2、2FSK调制与解调 （1）产生实现数字频率调制的一般方法有两种：一种叫直接调频法；另一种叫键控法 (用单极性不归零码）。所谓直接调频法此方法是将输入的基带脉冲去控制一个振荡器的某种参数而达到改变振荡器频率的目的。这种方法产生的调频信号是相位连续的，且容易产生，但频率稳定度较差 ，应用少。,图4-8 FSK波形产生器,4.1.2 二进制频移键控（2FSK）,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,21,2FSK信号的另一种方法是键控法，即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率
15、源进行选通。该方法可用数字电路实现，转换速度快、波形好，频率稳定度高。但由于f1和f2是两个独立的振荡，因而使所输出的信号失去了相位的连续性，相位不连续，可能对邻道造成干扰，应用比较多。 以上两种产生方法及波形如图4-8所示，图中，s(t)代表信息的二进制矩形脉冲序列， e0(t)代表2F5K信号。FSK信号可以看成是两个ASK信号的组合。在FSK中f1和f2哪一频率高由收发双方通信协议确定。,4.1.2 二进制频移键控（2FSK）,（2）解调FSK信号的解调也有两种：相干解调（同步）和非相干解调。,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,22,图4-9 2FSK解调器,4.1
16、.2 二进制频移键控（2FSK）,2018/9/9,常州信息职业技术学院 电子系 张立中,23,相干解调同步检波（需要同步载波，所以应用少） 非相干解调：过零检测法-常用方法包络检测法-分路窄带滤波器（书上P59图4-9）鉴频法 过零检测法是一种常用而简便的解调方法。2FSK信号的过零点数随载频的变化而不同，因此，检测出过零点数就可以得到载频的差异，从而进一步得到调制信号的信息。过零检测法的原理框图及各点波形如下页图所示。FSK信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的脉冲序列，由此再形成相同宽度的矩形波。此矩形波的低频分量与数字信号相对应，由低通滤波器滤出低频分量，然后经抽样判决，即可得到原始的数字调制信号。,
