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1、第六章 数字信号的载波传输,6.1 引言 6.2 二进制数字调制原理 6.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能 6.4 多进制数字调制系统,数字信号的载波传输从原理上讲，与模拟调制几乎没有区别。但是模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制，在接收端对载波信号的调制参量连续地进行估值；而数字信号的载波传输是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也只是对载波信号的离散调制参量进行检测。数字信号的载波传输信号也称为键控信号。 根据已调信号参数改变类型的不同，数字调制可以分为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。其中幅移键控属于线性调制，而频移键控属于非线性调制。 本章
2、重点讨论二进制数字调制系统的原理及其抗噪声性能。另外，我们也将简单介绍多进制数字调制系统基本原理及相关知识。,6.1 引言,6.2二进制数字调制原理,调制信号为二进制数字信号时的调制方式统称为二进制数字调制。在这类调制中，载波的某个参数（例如幅度、频率或相位）只有两种变化状态。二进制调制常分为幅移键控（2ASK）、频移键控（2FSK）和相移键控（2PSK和2DPSK）三种。下面我们分别介绍这三种数字调制方式的基本原理。,6.2.1 二进制幅移键控（2ASK）,图6-1 2ASK信号时间波形,图6-2 2ASK信号的产生,2、2ASK信号的产生 2ASK信号的产生方法有两种，如图6-2所示。图（
3、a）是通过二进制基带信号序列与载波直接相乘而产生2ASK信号的模拟调制法；图（b）是一种键控法，这里的电子开关受调制信号的控制。,（a）模拟调制法 （b）键控法,图6-3 2ASK信号的功率谱,2ASK信号的功率谱如图6-3所示，图6-3（a）是调制信号的功率谱，图6-3（b）是已调信号的功率谱。,4、2ASK信号的解调 2ASK信号的解调可以采用非相干解调（包络检波）和相干解调两种方式来实现。如图6-4和图6-5所示。,图6-4 （a）原理框图,图6-4 （b）各点波形图,6-5（a）原理框图,图6-5 （b）各点波形图,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,2、2FSK信号的产生,通常2
4、FSK信号可以由两种电路实现。,图6-7 2FSK信号的产生,（a）模拟调频法 （b）键控法,3、2FSK信号的功率谱及带宽,图6-8 2FSK信号的功率谱,4、2FSK信号的解调,2FSK的解调也可以分为非相干（包络检波）和相干解调，分别如图6-9和图6-10所示，其原理和2ASK解调时相同，只是这里使用两套电路。,图6-9 2FSK包络检波方框图,图6-10 2FSK相干解调方框图,2FSK另外一种常用而简便的解调方法是过零检波解调法，其解调原理框图及各点时间波形如图6-11（a）和（b）所示。其基本原理是：二进制移频键控信号的过零点数随载波频率不同而异，通过检测过零点数从而得到频率的变化
5、。在图6-11中，输入信号经过限幅后产生矩形波，经微分、整流、脉冲波形成形后得到与频率变化相关的矩形脉冲波，再经低通滤波器滤除高次谐波，便恢复出与原数字信号对应的数字基带信号。,图6-11 2FSK信号的过零检测法,6.2.3 二进制相移键控（2PSK）和 二进制差分移相键控（2DPSK）,相移键控是利用载波相位的变化来传递数字信息，通常可以分为绝对相移键控（2PSK）和相对相移键控（2DPSK）两种方式，下面分别讨论。,1、二进制绝对相移键控（2PSK）,图6-12 2PSK波形,2PSK信号的典型时间波形如图6-12所示，图中所有数字信号“1”码对应载波信号的相位，而“0”码对应载波信号的
6、0相位（也可以反之）。,图6-13 2PSK的实现方式,2PSK信号可以采用两种方法实现。一种是如图6-13（a）所示的模拟调制法，二进制数字序列经码型变换，由单极性码形成幅度为的双极性不归零码，与载波相乘而产生2PSK信号。另一种是如图6-13（b）所示的键控法。,6-14（a）原理框图,2PSK信号的解调一般采用相干解调。2PSK相干解调原理框图和各点波形分别如图6-14（a）和（b）所示。,图6-14 （b）各点波形,2、二进制相对移相键控（2DPSK）,图6-15 2DPSK的波形,图6-16 2DPSK的实现方式,2DPSK的产生基本类似于2PSK，只是调制信号需要经过码型变换，将绝
7、对码变为相对码。2DPSK产生的原理框图如图6-16所示，图（a）为模拟调制法，图（b）为键控法。,（a）模拟调制法 （b）相移键控法,从上面分析可见，无论接收信号是2DPSK还是2PSK信号，单从接收端看是区分不开的。因此，2DPSK信号的功率谱密度和2PSK信号的功率谱密度是完全一样的。,下面讨论2DPSK信号的解调。2DPSK信号可以采用相干解调法(极性比较法)和差分相干解调法(相位比较法)。图6-17为相干解调法，解调器原理图和解调过程各点时间波形如图6-17（a）和（b）所示。其解调原理是：先对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二
8、进制数字信息。在解调过程中，若相干载波产生180相位模糊，解调出的相对码将产生倒置现象，但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊的问题。,图6-17 2DPSK的相干解调,图6-18所示是2DPSK信号的差分相干解调 (相位比较)法，解调器原理图和解调过程各点时间波形如图6-18（a）和（b）所示。其解调原理是：直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用，故解调器中不需要码反变换器。同时差分相干解调方式不需要专门的相干载波，因此是一种非相干解调方法。,图6-18 2DPSK的差分相干解调,6.3 二进制数字调制
9、系统的抗噪声性能,通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。在数字通信中，信道的加性噪声能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。与数字基带系统一样，分析二进制数字调制系统的抗噪声性能，也就是要计算系统由加性噪声产生的总误码率。,6.3.1 2ASK的抗噪声性能,图6-19 2ASK相干解调和非相干解调模型,1、相干解调性能分析,2、非相干解调（包络检波）性能分析,比较式（6.3-17）和式（6.3-29）可以看出，在相同的大信噪比下，2ASK信号相干解调的误码率低于非相干解调的误码率，但两者的误码性能相差并不大。然而，由于非相干解调时不需要稳定的本地载波信号，故在电路上要比
10、相干解调时简单。,6.3.2 2FSK的抗噪声性能,2FSK的解调同样可以采用相干解调和非相干解调。但是由于2FSK中有两个不同的频率，因此我们在利用图6-19分析其抗噪声性能时，可以认为有两路不同频率的2ASK信号通过图中各部分，显然图中带通滤波器的中心频率以及本地载波频率必须和两路已调信号的载频一致，最后判决器根据上下两个支路解调输出样值的大小作出判决，从而解调出原始数字基带信号。,1、相干解调性能,2、非相干解调性能,6.3.3 2PSK和2DPSK的抗噪声性能,3、2DPSK的相干解调性能分析,2DPSK的相干解调电路参见图6-17（a）所示，它是在如图6-14 所示2PSK相干解调电
11、路的输出端再加码反变换器构成，所以前面讨论的2PSK相干解调系统的误码率公式（6.3-48）不是它的最终结果。理论分析可以证明，接入码反变换器后会使误码率增加（12倍）。仅就抗噪声性能而言，2DPSK的相干解调误码率指标仍优于差分相干解调系统，但是，由于2DPSK系统的差分相干解调电路比相干解调电路简单得多，因此2DPSK系统中大都采用差分相干解调。,6.3.4 二进制数字调制系统的性能比较,1、误码率 表6.3-1列出了本章中讨论的各种二进制数字调制系统的误码率计算公式。由表6.3-1和前面的分析可知，对同一种调制方式，在接收机输入信噪比r较小时，相干解调的误码率小于非相干解调的误码率；在r
12、1时，由于指数项起主要作用，相干解调与非相干解调的误码率几乎相等。 根据表6.3-1 所画出的三种数字调制系统的误码率Pe与信噪比r的关系曲线如图6-22所示。可以看出，在相同的信噪比r下，相干解调的2PSK系统的误码率Pe最小；对不同的调制方式，当信噪比r相同时，2PSK、2DPSK的误码率小于2FSK，而2FSK系统的误码率又小于2ASK系统；在误码率相同条件下，相干2PSK要求最小，2FSK系统次之，2ASK系统要求r最大，它们之间分别相差3dB。,表6.3-1 二进制数字调制系统的误码率,图6-22,6.4 多进制数字调制系统,为更有效地利用通信资源，提高信息传输效率，现代通信往往采用
13、多进制数字调制。多进制数字调制是利用多进制数字基带信号去控制载波的幅度、频率或相位。因此，相应地有多进制数字幅移键控、多进制数字频移键控以及多进制数字相移键控等三种基本方式。与二进制调制方式相比，多进制调制方式的特点是：（1）在相同码元速率下，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。采用多进制数字调制的缺点是设备复杂，判决电平增多，误码率高于二进制数字调制系统。,6.4.1 多进制幅移键控（MASK）,图6-23 MASK的调制波形,2、MASK系统的抗噪声性能,图6-24 MASK系统的性能曲线,6
14、.4.2 多进制频移键控（MFSK）,多进制数字频移键控是用多个频率的正弦振荡分别代表不同的数字信息。它基本上是二进制数字频率键控方式的直接推广。大多数的MFSK系统可用图6-25表示。,图6-25 多进制频移键控系统框图,图6-26 MFSK系统的性能曲线,6.4.3 多进制相移键控,1、多进制绝对移相（MPSK）,MPSK信号还可以用矢量图来描述，在矢量图中通常以未调载波相位作为参考矢量。图6-27分别画出M=2，M=4，M=8时3种情况下的矢量图。当采用相对移相时，矢量图所表示的相位为相对相位差。因此图中将基准相位用虚线表示，在相对移相中，这个基准相位也就是前一个调制码元的相位。相位配置
15、常用两种方式：A方式如图6-27（a）所示和B方式如图6-27（b）所示。,图6-27 多进制的两种矢量图,四相相移键控4PSK(QPSK),四相制是用载波的4种不同相位来表征数字信息。由于4种不同相位可代表4种不同的数字信息，因此，对输入的二进制数字序列先进行分组，将每两个比特编为一组，可以有四种组合（00，10，11，01），然后用载波的四种相位来分别表示它们。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。表6.4-1是双比特码元与载波相位的一种对应关系。,图6-28 调相法产生B方式4PSK信号,4PSK的产生方法可采用调相法和相位选择法。图6-28所示为调相法产生B方式4PSK信号的原理框图。,
