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1、,第7章 数字调制系统,通信系统原理,第7章 数字调制系统,7.1引言 7.2二进制数字调制原理 7.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能 7.4 多进制数字调制系统 7.5 现代数字调制技术 7.6* 数字调制技术的应用,7.1 引言,数字通信系统有两种方式，即数字基带传输系统和数字频带传输系统。由于数字基带信号具有低通性质，要求信道也具有低通形式的传输特性，才能实现数字信号的直接传输。而某些带通性质的信道，如：无线信道，往往不能直接传输数字信号，需要采用调制技术，将数字基带信号通过调制技术变换为适于信道传输的数字频带信号才能进行传输，因此数字频带传输系统也叫数字调制系统。 数字调制系统可以采
2、用键控方法实现，根据已调信号参数改变类型的不同，数字调制系统可以分为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。其中幅移和相移键控属于线性调制，而频移键控属于非线性调制。,7.2二进制数字调制原理,理论上，只要把数字信号看成一般的模拟信号进行调制，在接收端再无失真地恢复出来，就可以实现数字信号的载波传输。从原理上讲，数字调制可以采用模拟调制方法，数字调制是用载波信号的某些参数的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相应参量进行检测，从而判决发送的是什么数字信息。 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）：幅度携带数字信息。 频移键控
3、（FSK）：频率携带数字信息。 相移键控（PSK）：相位携带数字信息。,图7-1 二进制数字调制的三种形式,7.2.1 二进制振幅键控(2ASK),12ASK信号的产生与时域表达 2ASK信号的产生方法有两种，如图7-2所示。一种是模拟调制法，即按照模拟调制原理来实现数字调制，只需将调制信号由模拟信号改成数字信号。另一种是键控调制法，即根据数字信号的不同控制信号的有和无来表征数字信号。,图7-2 2ASK信号的两种产生方法,2ASK信号的表达式,根据图7-2（a）可知，表达式的形式为,式中,是矩形函数。,（7-1）,22ASK信号的波形 二进制幅移键控（2ASK）是指高频载波的幅度受调制信号的
4、控制，而频率和相位保持不变。用二进制数字信号的“1”和“0”控制载波的通和断，所以又称通断键控OOK（OnOff Keying），其时域波形如图7-3所示。,图7-3 2ASK信号波形,图7-4是实测波形。载波频率为2.2MHz，码元速率为170.5kbit/t。从图中可以看出，已调信号成通断状态，并且，载波频率远远高于码元速率，在一个码元时间内，有多个载波周期，且载波周期与码元宽度没有整倍数的关系，这是实际应用时常见的波形。,图7-4 2ASK信号实测波形,32ASK信号的频谱 根据前面章节的讨论，一个由单极性不归零码（NRZ）表示的二进制数字信号，其功率谱结构如图7-5所示。要研究2ASK
5、信号的功率谱，可对式(7-1) 进行分析。 2ASK信号的功率谱如图7-5（b）所示，图中（a）是调制信号的功率谱，图中（b）是已调信号的功率谱，2ASK信号经过载频搬移，处于载频附近，并占据一定的带宽。,图7-5 2ASK信号的功率谱,(7-3),从图7-5中可见，2ASK信号的功率谱包含连续谱和离散谱，其中，连续谱是数字基带信号s(t)经线性调制后的双边带频谱，而离散频谱为载波分量，出现在fc处；2ASK信号的频带宽度B2ASK，可以通过数字基带信号的功率谱来确定。假定数字基带信号的传码率为RB，则NRZ码元持续时间为,从而得到2ASK信号的带宽为的倒数来计算，即数字基带信号带宽的2倍,(
6、7-4),图7-6 2ASK信号功率谱,在实际系统中，测量信号的功率谱可以确定信号的频率范围。图7-6给出了用频谱分析仪测得的2ASK信号功率谱图。,RB,2RB,3RB,（a）2ASK系统非相干接收原理框图,(b) 对应(a)中各点的波形,图7-7 2ASK信号非相干接收原理框图及各点波形,42ASK信号的解调,(a)原理框图,(b)对应（a）中各点的波形,图7-8 2ASK信号相干接收原理框图及各点波形,7.2.2 二进制频移键控(2FSK),12FSK信号的时域表达 二进制频移键控（2FSK）是指载波的频率受调制信号的控制，而幅度和相位保持不变。其表达式为：,(7-6),这里，,和,是,
7、的取反。,分别表示第n个码元信号的初始相位，,则2FSK信号可以表示另一种形式为,(7-7),22FSK信号的产生 由式（7-7）可知，一个2FSK信号可看作两个不同频率2ASK信号的合成。同样也存在两种产生方法，即模拟调制方法产生2FSK信号和键控方法产生2FSK信号，如图7-9所示。,(a)模拟调制方法 (b)键控方法 图7-9 2FSK信号的两种产生方式,图7-10 2FSK信号的产生,图7-11为2FSK的实测波形。数字“1”的频率，数字“0”的频率，两个频率差别较大。在数字码元变化使频率转换时，波形的过渡不平滑，即频率切换的过程导致波形不连续。,图7-11 2FSK信号的实测波形,3
8、2FSK信号的功率谱,2FSK信号的功率谱可根据2ASK信号功率谱的表达式得到，用两个分别位于中心频率为f1和f2的2ASK来表示，即：,（7-8）,（a）2FSK信号的频谱,(1),(2),(3),(b) 两个频率差对功率谱的影响 图7-12 2FSK信号的功率谱,图7-12（a）是2FSK信号的功率谱。特点是，第一：2FSK信号的功率谱与2ASK信号的功率谱相似，同样包含连续谱和离散谱。,其中，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置,和,的位置；,第二：连续谱的形状随着 差值的大小而异。,观察图7-12(b)图中的（1）、（2）和（3），其形状有什么区别呢？,当 出现单峰，
9、 出现双峰，只有 时双峰完全分离。通信中，常见的是的 情况，分开的双峰便于采用带通滤波器来分离两个频率，以减少相互影响，实现正确接收。,由图7-12我们可以定义2FSK的频谱宽度为,(7-9),RB为传码率。,图7-13是实测2FSK的功率谱图。数字“1”的频率f1=2.21kHz，数字“0”的频率是f2=1.105kHz，两个频率差别较大，其功率谱的范围也非常宽。,RB,2RB,3RB,图7-13 2FSK信号的实测功率谱,42FSK信号的解调,2FSK的解调也可以分为非相干接收法（包络检波）和相干接收法，以及过零点检测法，分别如图7-14、图7-15和图7-16所示。非相干接收法（包络检波
10、）和相干接收法其原理和2ASK解调时相同，只是这里使用两套电路。各点的波形可以参考ASK解调的结果。,图7-14 2FSK非相干解调方框图,图7-15 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7-16（a）和（b）所示。,(a)过零点检测解调2FSK框图,（b）各点波形 图7-16 2FSK信号的过零检测法,7.2.3 二进制相移键控(2PSK),相移键控是利用载波相位的变化来传输数字信息，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。 12PSK信号时域表达 一般地，如果二进制数字信号为“1”和
11、“0”，分别用载波固定的相位0和这两个离散值（或者相反的规定）来表示，而其幅度和频率保持不变，这种调制方式就称为二进制绝对相移键控。2PSK信号的表达式为,(7-10),式中：,如图7-17所示。图中所有数字信号“1”码对应载波信号的0相位，而“0”码对应载波信号的 相位（也可以相反地规定）。,图7-17 2PSK信号的典型时间波形,(a)2PSK实测波形,(b)2PSK波形展开 图7-18 2PSK实测波形,图7-18为实测的2PSK波形。图7-18（a）中的载波频率为fc=2.2MHz，码元速率为170.5kbit/s。在相位发生跳变的点不一定刚好赶上载波过零点，只有数字信号的持续时间Ts
12、与载波周期之间为整数倍时，才能出现图7-17画出的波形。,22PSK信号的产生,(a) 模拟调制方法 (b)键控方法 图7-19 2PSK的实现方式,2PSK信号的产生可以采用两种方法实现。一种是如图7-19（a）所示的模拟调制法，二进制数字序列经码型变换，由单极性码形成双极性不归零码，与载波相乘而产生2PSK信号。另一种是如图7-19（b）所示的键控法。 注意：绘制已调波形时，每一个码元起始时刻的相位取决于载波的相位，而与上一个码元的末相无关。,32PSK信号的频谱特性,2PSK信号是否可以看成特殊的2ASK信号？当然可以，只是把2ASK时的数字基带信号的单极性码变换为双极性码即可。因此，其
13、频率谱表达式为 (7-12) 上式中是数字基带信号波形的功率谱密度，为双极性矩形脉冲序列。2PSK的信号带宽与2ASK信号相同,(7-13),图7-20 2PSK信号的实测功率谱图,图7-20是2PSK实际功率谱图，对应图7-18的信号波形，中心频率为fc=2.2MHz，码元速率为170.5kbit/s。纵坐标的刻度为每格10dB。,42PSK信号的解调,2PSK信号的解调采用相干解调，2PSK相干解调原理框图和各点波形分别如图7-21（a）和（b）所示。同样，在图7-21（b）的波形图中，d点的波形与发送的波形对比也是失真的，但是，经判决之后恢复出来的数字信号与发端的完全相同。,（a）原理框
14、图,（b）各点波形 图7-21 2PSK信号接收原理框图及各点波形,5二进制相对移相键控（2DPSK）,绝对调相方式中，发送端是以未调载波相位作基准，然后用已调载波相位相对于基准相位的绝对值（0或1）来表示数字信号，因而在接收端也必须有这样一个固定的基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化（0或0），则恢复的数字信号也就会发生错误（“1” “0”或“0” “1”）。这种现象通常称为2PSK方式的“倒现象”或“反相工作方式”。 采用相对移相键控（2DPSK）可以克服反相工作。相对移相键控（2DPSK）是利用前后相邻码元载波相位的相对变化来表示数字信号。,图7-22 2DPSK波形与2PSK的波形
15、的对比,图7-23 2DPSK信号的实测波形,图7-23是2DPSK信号的实测波形。其载波频率为fc=2.2MHz，码元速率为170.5kbit/s，从图中可以看出，数字信号为“1”（高电平）时，已调信号发生相位跳变，而数字信号为“0”（低电平），没有发生相位跳变。 相对码与绝对码（原始信息）之间的关系满足前面章节介绍的规则，即,（7-14）,（7-15）,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。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。图7-24是两种产生2DPSK信号原理框图。也有两种方法，即模拟调制法和键控法。,（a）模拟调制方法 （b
16、） 键控方法 图7-24 2DPSK的实现方式,相干解调法的原理,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进制数字信息，如图7-25所示。,(a) 原理框图,(b) 各点波形 图7-25 2DPSK的相干解调及各点波形,差分相干解调,图7-26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7-26（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过程，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，因此属于一种非相干解调方法。,(a)原理框图,（b）各点波形 图7-26 2DPSK的差分相干解调及各点波形,7.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能,7.3.1 2ASK系统的抗噪声性能,在2ASK系统中，设
