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1、,第8章 数字载波传输系统,8.1 概述 8.2 二进制数字已调信号及其功率谱 8.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能分析 8.4 各种数字调制系统的性能比较 8.5 多进制数字调制系统 8.6 改进型数字调制系统 8.7 数字信号的最佳接收 8.8 数字调制系统性能比较 本章仿真实验举例 习题,8.1 概 述 数字传输系统分为基带传输系统和载波传输系统。为了适应某种需要(如无线信道传输及多路信号复用等)，大部分通信系统采用载波传输方式。这时在发射端需将数字基带信号对高频载波进行调制得到高频已调信号，高频已调信号经信道传输后，在接收端经解调后恢复为数字基带信号。基带信号不适合直接在带通型信道上
2、传输，需要将其进行调制，使传输频带适合信道的通频带。频带传输系统与基带传输系统的区别在于：在发送端增加了调制装置，在接收端增加了解调装置，以完成信号频谱的变换。,8.2 二进制数字已调信号及其功率谱 最常用的二进制数字调制方式有幅度键控(2ASK)、移频键控(2FSK)及移相键控(2PSK及2DPSK)等。下面分别讨论这些二进制数字已调信号的产生方法、功率谱及解调过程。,8.2.1 2ASK信号 2ASK信号的产生模型如图8.1(a)所示，即数字基带信号与高频载波相乘，再通过带通滤波器(BPF)后输出2ASK信号。 设数字基带信号为sD(t)，载波为A cos0t，则输出信号s2ASK(t)为
3、 s2ASK(t)=sD(t)A cos0t (8.1),图8.1 2ASK信号产生原理及波形,一般情况下，数字基带信号sD(t)可写为 (8.2) 式中: T为码元宽度；g(t)是宽度为T、高度为1的矩形脉冲；an为二进制码元，且 (8.3),设数字基带信号sD(t)的频谱为SD()，则式(8.1)的傅立叶变换为 (8.4) 设SD(0)与SD(+0)在频率轴上不重叠，则式(8.4)对应的功率谱密度为 (8.5),式中， PD()是数字基带信号sD(t)的功率谱。由于sD(t)为单极性不归零矩形脉冲序列，因此根据第7章对数字基带随机脉冲序列功率谱的分析，可得PD()为 (8.6) 式中: G
4、()为g(t)的傅立叶变换；T=2fT=2/T。,对矩形脉冲g(t)来说，有: (8.7) 假定 ，即序列中码元1与0等概出现，则有: (8.8),将式(8.8)代入式(8.5)中，得到: (8.9),P2ASK()如图8.2所示。由图8.2可以看出，2ASK信号的功率谱就是把数字基带信号sD(t)的功率谱加权后分别搬移到0处，所以2ASK信号的带宽是数字基带信号带宽的两倍。若只考虑数字基带信号频谱的主瓣，则2ASK信号的带宽为 B=2fT (8.10) 式中， fT=1/T为码元速率。所以2ASK信号的频带利用率为 。,图8.2 2ASK信号的功率谱,对2ASK信号的解调，可以像对模拟幅度调
5、制信号一样，采用相干解调和包络检波两种方式。所不同的是，二进制数字信号传输系统中，由于被传输的信号只有1和0两种，因此需在每个码元的间隔内作出判决，这由抽样判决电路来完成。图8.3(a)和(b)分别画出了2ASK信号的解调框图。其中，图8.3(a)为相干(同步)解调；图8.3(b)为非相干(包络检波法)解调。,图8.3 2ASK信号的解调方式,8.2.2 2FSK信号 移频键控(FSK)是用不同频率的载波来传送数字信号的。二进制移频键控(2FSK)用两个不同频率的载波来代表数字信号1和0。1对应于载波频率f1，0对应于载波频率f2。相位不连续 的数字调频信号可以看成是两个数字调幅信号之和，即信
6、号s2FSK(t)可表示为 (8.11),其中: ; ; an为第n个数据符号的幅度，且有 ; an是an的反码。 2FSK信号波形可看做两个2ASK信号波形的合成。2FSK信号的典型波形如图8.4所示。,图8.4 2FSK信号的典型波形,2FSK信号的产生方法有两种: 直接调频法和键控法。 直接调频法即用数字脉冲直接控制振荡器的某个参数， 从而实现调频。例如，相位连续的2FSK信号可通过一只电压控制的振荡器实现，一般可用数据信号的不同电压控制半导体二极管，通过改变振荡器电路的元件参数来改变振荡频率，如图8.5(a)所示。这种方法产生的调频信号其相位是连续的，且产生容易，但频率稳定度较差。,图
7、8.5 2FSK信号的产生原理图,键控法即用数字基带信号sD(t)去控制两个载波f1和f2的通断，如图8.5(b)所示。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是两个独立的振荡源，因此输出的信号相位一般不连续，如图8.5(c)所示。 FSK属于非线性调制，频谱的分析比较复杂。分析2FSK信号的频谱一般有两种方法，即相位连续分析法和相位不连续分析法。相位连续分析法过程复杂且不易理解，这里采用相位不连续分析法。相位不连续的2FSK信号的功率谱密度可以利用2ASK的功率谱密度分析。,对于相位不连续的2FSK信号，在一定的近似条件下，可以把2FSK信号s2FSK(t)
8、(见图8.4)看成是载频为f1和f2的两个2ASK信号之和，即信号s2FSK(t)可表示为式(8.11)，即,且有:,s2FSK(t)的功率谱密度P2FSK()可由自相关函数求傅立叶变换得到，但这里可直接引用2ASK信号的功率谱得到P2FSK()。由式(8.9)有: (8.12),P2FSK()(单边谱)如图8.6所示。 图中， 为两个载频的平均值。 由图8.6可见，2FSK的功率谱密度由连续谱和离散谱组成，连续谱由两个双边谱组成，离散谱出现在两个载频的位置上，当两个载频之差f1f2变小时(如小于fT)，连续谱将由双峰(图中的a)变为单峰(图中的b)。,图8.6 2FSK信号功率谱,由图8.6
9、还可看出，2FSK信号的带宽约为 (8.13) 式中， fT=1/T为码元传输速率; |f1f2|为两个载频的差值，通常选为fT的整数倍，即 (8.14) 式中， m为正整数。将式(8.14)代入式(8.13)得到： (8.15),当m=1时，2FSK信号具有最小带宽，为 (8.16) 可见，2FSK信号的最小带宽为码元传输速率的三倍，这时系统的频带利用率为 ，比2ASK系统的频带利用率低。相位不连续的2FSK信号存在载波谱线，浪费功率，只用于设备要求简单的通信场合。,数字调频信号的解调常采用相干解调和非相干解调方式。2FSK信号的解调分别如图8.7(a)和(b)所示，其原理与2ASK信号的解
10、调相同，只是包含了上、下两路而已，此时的抽样判决器用来判定哪一路输入样值大，不需要设置门限电平。,图8.7 2FSK信号的解调,此外，2FSK信号还可以用非线性变换法解调，如基带信号延迟相乘法、平方变换法、 微分整流法等(也称为鉴频法)、差分检波法及过零点检测法等。鉴频法在模拟调频中已经讲过，这里不再重复。差分检波法有一定的条件限制，一般较少采用。 过零点检测法是常用的一种方法，其基本思想是用2FSK信号的过零数来检测2FSK信号的频率变化。将2FSK信号经限幅、微分、整流得到与频率变化相应的单极脉冲序列(该序列就代表调频波的过零点数)，然后经过脉冲形成电路形成一定宽度的脉冲，经LPF(低通滤
11、波器)后得到相应的数字信号。其原理框图及各点波形如图8.8所示。,图8.8 2FSK信号的过零点检测法,基带信号延迟相乘法是将已调信号延时后再与原信号相乘，将高频载波经过低通滤波后即可得到原基带信号。2FSK信号延迟检测解调原理如图8.9所示。 其输出: 令cos0=0(低通滤波)，则检测输出为(A2/2)sin。,图8.9 2FSK信号延迟检测解调原理,8.2.3 2PSK与2DPSK信号 数字调相(移相键控)通常分为两种：绝对调相，记为PSK；相对调相，记为DPSK。二进制的绝对调相记为2PSK，二进制的相对调相记为2DPSK。所谓绝对调相，即PSK，是利用载波的不同相位去直接传送数字信息
12、的一种方式。对于二进制信号，假设用载波相位j1=0代表“0”码， 用j2=代表“1”码(当然，码元与相位的对应关系也可以相反)，则受控载波在0、两个相位上变化。2PSK信号波形如图8.10(c)所示。,图8.10 2PSK波形及其产生原理图,例如， 数字信息(绝对码)为：0 1 0 0 1 0 1 1 0， 则 2DPSK信号相位为： 0 0 0 0 0 2DPSK信号波形如图8.11所示。,图8.11 2DPSK信号波形,DPSK信号也可以认为是将绝对码变为差分码(即相对码)之后，再用差分码(相对码)按绝对调相的方式进行调制得到的信号。图8.11中的差分码由绝对码变换得到，即图8.11所示的
13、2DPSK信号波形可由图中的差分码按绝对调相方式得到。2DPSK信号与差分码之间是绝对调相关系。绝对码an与差分码bn之间的关系如下: 或 即绝对码本身的值决定了传输的数字信息，与前后码元无关，而相对码却是用前后脉冲的差别来传输数字信息的。绝对码与相对码(差分码)之间的关系以及2PSK和2DPSK信号波形如图8.12所示。,图8.12 绝对码与相对码的关系以及2PSK和2DPSK信号波形,由2PSK信号产生的原理图可以看出， s2PSK(t)是一种在双极性数字基带信号调制下的抑制载波的双边带调幅信号，时域表示式如下: (8.17) 式中， sD(t)为双极性数字基带信号，电平取+1或1，码元宽
14、度为T。 如果sD(t)是由绝对码转换成的相对码，那么式(8.17)表示的s2PSK(t)就是相对调相信号s2DPSK(t)。,由2PSK、2DPSK的波形和s2PSK(t)的表达式(8.17)可以看出，2PSK与2DPSK信号有相同的功率谱。若 2PSK信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与正弦载波相乘，则2PSK信号的功率谱很容易求得。由于sD(t)是双极性数字信号，所以s2PSK(t)中应无直流分量。设sD(t)的功率谱为PD()，则由式(8.17)可直接写出： (8.18),若sD(t)为取值+1或1的矩形脉冲(码元宽为T)，则 (8.19),由式(8.19)可以看出， P2PSK()中并无离散
