《现代通信技术 第3版 教学课件 ppt 作者 谭中华 第5章 数字信号的频带传输》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代通信技术 第3版 教学课件 ppt 作者 谭中华 第5章 数字信号的频带传输（165页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、现代通信技术,机械工业出版社.北京,内容简介,第一章 现代通信技术概述 第二章 模拟通信 第三章 模拟信号数字化 第四章 数字信号的基带传输 第五章 数字信号的频带传输 第六章 信道复用和多址方式 第七章 同步原理 第八章 通信技术在移动通信系统中应用举例,第章 数字信号的频带传输 5.1二进制数字振幅调制 5.2二进制数字频率调制 5.3二进制数字相位调制 5.3.1 二相绝对移相调制 5.3.2 二相相对移相调制（2DPSK） 5.4 二进制数字调制系统抗噪声性能 5.4.1 二进制振幅键控（2ASK）系统的抗噪声性能 5.4.2 二进制频移键控（2FSK）系统的抗噪声性能 5.4.3 二
2、进制绝对移相键控(2PSK)及相对移相健控(2DPSK)系统的抗噪声性能 5.5 多进制数字调制,第章 数字信号的频带传输,5.5.1 MASK系统 5.5.2 MFSK系统 5.5.3 MPSK系统 5.5.4 多进制数字调制系统的性能 5.6 现代数字调制技术 5.6.1 正交振幅调制（QAM） 5.6.2 交错四相相移键控OQPSK 5.6.3 /4-QPSK 5.6.4 最小频移键控MSK 5.6.5 离散多音频调制DMT 5.6.6 扩展频谱通信 本章小结 习题,第章 数字信号的频带传输,本章要点 二进制数字振幅键控(2ASK)调制 二进制数字频移键控(2FSK)调制 二进制数字相移
3、键控(2PSK)调制 二进制数字调制系统的抗噪声性能 多进制数字调制系统的调制 现代数字调制技术的调制,目前大多数信道并不适合传输基带信号。基带信号一般都包含有频率较低，甚至是直流的分量，很难通过有限尺寸的天线得到有效辐射，因而无法利用无线信道来直接传播。对于大量有线信道，由于线路中多半串接有电容器或并接有变压器等隔直流元件，低频或直流分量就会受到很大限制。因此，为了使基带信号能利用这些信道进行传输，必须使代表信息的原始基带信号变换成一种新的信号，这种变换就是调制。一般选正弦信号为基准信号，称为载波信号。代表所传信息的原始信号，是调制载波的信号，称为调制信号。信号经调制后再传输的方式又叫频带传
4、输。,若已调信号等于调制信号与载波信号之积，则称这样的调制为线性调制，否则叫非线性调制。振幅调制是线性调制，调频调相都属于非线性调制。而实现这些调制过程的设备叫调制器。从已调波中恢复调制信号的过程叫解调，相应的设备叫解调器。一般将调制器和解调器做成一个设备，可用于双向传输，称为调制解调器（modem）。,调制信号是模拟信号的叫模拟调制，模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制；而数字调制则是用载波的某些离散状态来表征所传输的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。二进制数字调制所用调制信号由代表“0”“1”的数字信号脉冲序列组成。因此，数字调制信号也称为键控信号。在二进制振幅调制、
5、频率调制和相位调制分别称为振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)、移相键控(PSK)。数字调制产生模拟信号，其载波参量的离散状态是与数字数据相对应的，这种信号适宜于在带通型的模拟信道上传输。,5.1二进制数字振幅调制,1. 调制信号及其形成 二进制振幅键控ASK(Amplitude Shift Keying)系统所用的基带信号是表示二进制数据的原始矩形脉冲信号。设二进制数字信号为单极性不归零脉冲，以s(t)表示，载波以Acosct表示。那么，二进制振幅键控信号由s(t)与载波信号相乘而得到，如图5-1所示。 从图中看出，基带信号s(t)相当于开关，当其值取“1”时，载波原样输出，当其为“0”时
6、，则没有载波输出。整个过程相当于一个电子开关的开关控制，因此这种调制称为振幅键控调制。图5-1所示的调制波形仅是2ASK信号中典型的一种。,图5-2中描述的是一种产生2ASK信号的实用键控电路。这是一个平衡调制器，通常也把它表示为一个乘法器。电路由二极管和变压器组成。T1的次极和T2的初级具有对称的中心抽头。AB端所加载波信号的电压足够小，而EF端所加数据基带信号的电压应足够大（这里，基带信号中的直流分量去除），并能保证在s(t)为“0”时，二极管都截止，在s(t)为“1”时，二级管都导通，即s(t)信号相当于一个开关控制载波信号的输出。因此在CD瑞得到随s（t）变化的已调2ASK信号。,图5
7、-2 2ASK调制的一种电路 综上所述，一个典型的二进制ASK信号为 （5-1） 即 发“1”码 发“0”码 顺便指出，此时基带信号也可视具体需要而选择各种不同的波形和码型，为了便于讨论，假设基带信号为单极性或双极性矩形码（不归零码），但所得结论也适合于其它波形和码型。,2. 2ASK信号的频谱 为了简化推导，取载波的初相c=0。于是，对于已调信号,其频谱为 （5- 2） 式中,S(+c)和S(-C)是s(t)的频谱S()搬移c的结果。 因为s（t）是随机的基带脉冲序列，所以其频谱不能用单个基带波形的频谱表示方法，而应该用随机序列的功率谱密度来表示。假设S(+c)和S(-C)在频率轴上没有重叠
8、，则可把式（5-2）改写成功率谱密度的形式，即 或写成,式中，PE(f)和Ps(f)分别是eASK(t)和s(t)的功率谱密度，只要知道Ps(f)就能求得PE(f)。 假设s(t)是单极性不归零的随机脉冲序列，其功率谱密度为 式中，G(f)为宽度为Ts的矩形脉冲的傅立叶变换，fs=1/Ts，Ts为码元宽度。那么,当P=0.5时，上式为 图5-3示出的是构成s(t）的持续时间为Ts的矩形脉冲g(t)，其频谱G(f）为 所以,那么 (5-9) 此功率谱密度的如下图所示。,由式（5-9）可知，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，第一项连续谱取决于g(t)的双边带谱，第二项离散谱
9、则由载波分量确定。同时，二进制ASK信号的带宽是原基带信号带宽的两倍，故频带利用率仅有直接传输基带信号的一半。 3. 已调信号的解调 从已调信号中恢复基带信号的过程叫解调，解调是调制的逆过程。二进制振幅键控信号的解调方法主要有两种：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检波法）。相应的接收系统方框图如图5-4所示。,（1）非相干解调 常用的非相干解调是包络检波法，简单的包络检波器电路示于图5-5，它能够得到一个与输入信号瞬时振幅大小成正比的输出电压。由于这种检波器比较简单，并具有稳定性好、可靠性高和价格便宜等优点，所以ASK接收机中用得最广泛。 检波的过程很简单，即电容充电放电的过程，检波器
10、输出波形示于图5-5(b)。为了使检波出来的基带信号接近于方波，电路中元件应满足于：二极管正向电阻足够小，反向电阻足够大（后者一般为前者的几十倍），二极管的极间电容要小，RC值要远大于载波的周期，而又必须比基带信号的码元间隔足够小。,(2) 相干解调法 常用的相干解调法是同步检波法，同步检波器主要是由由乘法器和低通滤波器组成，按照图5-4(b)，输入已调信号e(t)与一个由本机产生的正弦振荡信号Acos(Lt+L)在乘法器中相乘，并通过一个低通滤波器输出。若设输入信号为 则乘法器输出应为 高频率成分C+L被低通滤波器滤除，故输出信号可用式(5-11)表示 式中kc为低通滤波器的电压传输系数。,
11、在同步的情况下，即相干情况下，本地振荡信号与接收信号应同频同相, 即C=L，L=C，则 通常也称同步检波器为相干检波器或相干解调器, 并称本机振荡信号为相干振荡信号。相应地，包络检波器显然为非相干解调器。相干解调器是因解调过程中利用了与发送信号同频同相的振荡信号而得名。 采用同步解调法接收端必须提供一个与ASK信号的载波保持同频同相的相干振荡信号否则会造成解调后的波形失真。通常，接收端本身是无法独立产生这种相干信号的。而此相干信号原则上可以通过窄带滤波（如果已调信号中含有载波分量）或锁相环路来提取。但是实现起来还是比较困难，将给设备增加复杂性。 因此，目前在实际设备中很少采用同步检波法来解调A
12、SK信号。,5.2二进制数字频率调制,二进制频移键控(FSK)调制，它是继振幅键控信号之后出现比较早的一种调制方式。由于它的抗噪声、抗衰减性能优于ASK，设备又不算复杂，实现也比较容易，所以一直在很多场合，例如在中低速数据传输，尤其在有衰减的无线信道中广泛应用。 频移键控信号(2FSK)及其调制 二进制频移键控(2FSK)用靠近载波的两个不同频率表示两个二进制数。信号具有如下形式： 这里f1和f2通常偏离载波频率相等并且是相反的量。一般情况下，f1f2即“0”码频率比“1”码频率高。1和2分别代表“1”码及“0”码的振荡信号的初相角。称f0=( f1+f2)/2为标称载频，而称f= |f2-f
13、1|为频移宽度(简称频移)。,频率选择法产生的一般是相位不连续的FSK信号，如图5-7(b)，相位不连续FSK信号一般由两个不同频率的振荡器产生，由基带信号控制这两个频率信号的输出。由于这两个振荡器是相互独立的，因此在f1转换为f2或相反的过程中，不能保证f1与f2之间相位的连续。图5-6示出了频率键控调制的波形。 本节主要介绍相位不连续的FSK信号。,FSK信号有两种产生方法：载波调频法和频率选择法。 载波调频法产生的是相位连续的FSK信号, 相位连续FSK信号一般由一个振荡器产生，用基带信号改变振荡器的参数，使振荡频率发生变化，这时相位是连续的，其原理如图5-7(a)所示。,从图5-6（c
14、）中看出，相位不连续FSK信号可视为由两路频率不同且相位不连续的ASK信号叠加而成，因而其频谱特性或功率谱密度都将与ASK信号对应，即FSK信号可表示为,(1)相位不连续FSK信号的功率谱与ASK信号相似，由连续谱和离散谱组成。其中连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在f1和f2这两个频率位置，并对称于标称载频f0。 (2)若两个载频相隔较远，则连续谱出现双峰，峰值对应干这两个载频位置。当f减少时，双峰随之靠近，最后并为单峰，其峰值对应于标称载频f0的位置。 (3)如果仅计及FSK信号频谱第一个零点之间的频率间隔，那么相位不连续FSK信号的频带宽度F为 F=| f2-f1 |+2f (5-
15、20),(4)引入两个参量：相对频偏（频率偏移率）D=(f2-f1)/fs和归一化频率x=(f-f0)/fs。 如果假设概率p0.5，那么式（5-19）可以写成如下简化的单边功率谱密度 (5-21) 其中连续谱为,(5) 相位连续的FSK信号的带宽要小于相位离散的FSK信号的带宽。当相对频偏D大于2时，两种FSK信号的带宽基本相同，此时二进制FSK信号的带宽大于二进制ASK信号的带宽。当D1时，相位连续FSK信号的带宽小于相位不连续FSK信号的带宽。例如，当D=0.81时，相位连续FSK信号带宽为2.5fs ，相位不连续FSK信号的带宽为2.8fs。,2.频移键控信号的产生与解调 相位不连续的
16、FSK信号的产生是利用数据信号来选通两个不同频率的振荡源来获得所需的调频信号，如图5-7(b)所示，这种方法称为频率选择法。在图5-7(b)中画的是两个独立的振荡器，实际上，往往用一个频率合成器提供这两种频率的标准振荡信号，这时得到的FSK信号频率具有很高的准确度和稳定性，而且两种频率信号的幅度可以保持一致。,相位连续的FSK信号则利用数字基带信号直接控制振荡器的电路参数来获得。例如，基带信号控制一个电容器接入或不接入振荡器，从而改变振荡器中的电容值，而改变振荡频率，这样可以得到相位的连续性的FSK信号。 FSK信号的解调方法很多。由于从FSK信号中提取相干载波较困难，因此目前大多采用非相干解调。非相干解调法又有鉴频法、零交点法、分路滤波包终检波法等。这里仅介绍两种方法。,如图5-9所示。当FSK的频偏较大时，即f2-f1(35)fs ，或D35时，可以把F
