《通信原理 第3版 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 蒋青 于秀兰 范馨月 （改好）第六章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信原理 第3版 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 蒋青 于秀兰 范馨月 （改好）第六章（171页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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,6.1 引言,上一章讨论了数字信号的基带传输，而实际传输系统大多数都采用载波传输。主要原因是：一方面，我们知道，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道具有低通形式的传输特性。然而，实际通信中大多数信道都具有带通传输特性，不能直接传送基带信号，必须借助载波调制进行频率搬移，将数字基带信号变成适于信道传输的,数字频带信号；另一方面，由于通信系统可传输的信息容量与载波工作频率范围相关，因此，提高载波频率在理论上就可以增加传输带宽，通常也就可以提供大的信息传
2、输容量。因此，数字通信系统总是倾向于采用高频载波传输。,一般地，受调制载波的波形（信号表示式）可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输就可以了。但是实际上，在大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波。这主要是因为正弦信号形式简单，便于产生及接收。,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
3、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。,6.2二进制数字调制原理,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）,1、2ASK信号的时域表达 二进制幅
4、移键控（2ASK）是指高频载波的幅度受调制信号的控制，而频率和相位保持不变。也就是说，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）。,假定载波信号 ，设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制基带符号序列: 其中， 是二进制基带信号序列（码元）的时间间隔， 是调制信号的脉冲表达式，为方便讨论，这里设其是宽度 为的单极性脉冲波形且幅度为1.即：,(6.1),an是二进制数字信号，其取值服从下述关系：,(6.2),(6.3),由2ASK的定义可得其表达式为 可见，2ASK信号可
5、以表示为一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波相乘。一个典型的2ASK信号时间波形如图6-1所示（图中载波频率在数值上是码元速率的3倍）。,(6.4),图6-1 2ASK信号时间波形,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（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。,图6-2 2ASK信号的产生,（a）模拟调制法 （b）键控法,3、2ASK信号的功率谱及带宽 下面我们来分析2ASK信号的频谱特性。为便于表示，假定调制信号 是一个平稳随机序列信号，由于一个平稳随机过程
6、通过乘法器后，其输出过程的功率谱已经在2.7中给出，由式（2.129）可得2ASK信号的功率谱为：,(6.5),上式中Ps(f)是调制信号S(t)的功率谱。 当S(t)为0、1等概率出现的单极性矩形随机脉冲序列（码元间隔为Ts）时，由式（5.10）知其功率谱密度为：,(6.6),将上式代入式（6.5），得： 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。,(6.7),图6-3 2ASK信号的功率谱,由图6-3可以看出，第一：2ASK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谱，而离散谱为载波分量
7、。第二： 2ASK信号的频带宽度B2ASK为基带调制信号带宽fs的两倍： 上式中， 为码元传输速率。,(6.8),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）,1、2FSK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。设二进制数字信号的“1”对应载波频率f1，“0” 对应载波频率f2，而且f1和f2之间的改变是瞬间完成的。因
8、此，二进制频移键控信号可以看成是两个不同载波的二进制幅移键控信号的叠加。根据以上分析，得出2FSK信号的时域表达式为：,这里， 和 分别表示第n个信号码 元的初始相位， 是 的反码，有：,(6.9),一般地，将g(t)看作式宽度为Ts的单极性脉冲波形。设：,(6.10),2FSK信号表示为： 2FSK信号的典型时间波形如下图所示.,(6.11),图66 2FSK信号时间波形,2、2FSK信号的产生,通常2FSK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,由式（6.9）可知，一个2FSK信号可看作两个不同频率2ASK信号
9、的合成。在二进制移频键控信号中， 和 不携带信息，通常可令 和 为零。因此，式（6. 11）二进制移频键控信号的时域表达式可简化为： 式中，,(6.12),由式（6. 5）2ASK信号功率谱密度的表达式，可以得到2FSK信号功率谱密度的表达式为: 上式中,Ps1(f)和Ps2(f)分别是基带信号S1(t)和S2(t)的功率谱。,(6.13),当概率p1/2时，可以得2FSK信号功率谱的表达式为：,(6.14),图6-8 2FSK信号的功率谱,2FSK信号的功率谱如图6-8所示。图中,由图68可见，第一，2FSK信号的功率谱与2ASK信号功率谱相似，同样包含连续谱喝离散谱。其中，连续谱由两个双边
10、谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上。第二，连续谱的形状随着 的大小而异。当 出现双峰， 出现单峰，只有 时双峰完全分离。通信中，常见的是 的情况 。,同样，由68可以定义2FSK的频谱宽度为：,(6.15),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
11、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。,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）,一般地如果二进制序列的数字信号“1”和“0”，分别用载波的相位 和0这两个离散值来
12、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。也就是说，绝对相移键控是指已调信号的相位直接由数字基带信号控制。设二进制符号及其基带信号波形与前面假设一样，则2PSK信号的一般表达式为:,值得注意的是，虽然式（6.23）与2ASK的表示形式一样，但这里的an有着不同的含义，即：,(6.24),(6.23),不失一般性，仍然假定g(t)是一个宽度为Ts的单极性脉冲波形且幅度为1，则二进制绝对相移键控信号在一个码元周期Ts内可以表示为：,(6.25),即发送二进制符号“0”时（an取1）S2PSK (t)取0相位；发送二进制符号“1”时（an取1）S2PSK (t)取 相位。,
13、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0相位（也可以反之）。,图6-12 2PSK波形,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。,图6-13 2PSK的实现方式,下面我们来分析2PSK信号的频谱特性。由式（6.23）可以看出，2PSK信号实质上可以被看成是一个特殊的2ASK信号，即当数字信号为“0”时的取值an为1，当数字信号为“1”时an的取
14、值为1。也就是说，在2ASK中是g(t)单极性信号，而在2PSK中则可以看作是一个双极性信号。则求2PSK信号的功率谱，也可以采用与求2ASK信号功率谱相同的方法。所以，2PSK信号的功率谱也可以写成式（6.5）的形式，即:,式中，Ps(f)是调制信号S(t)的功率谱密度。 S(t)的功率谱密度为：,(6.26),(6.27),将上式代入式（6.26），得,(6.28),式（6.28）与2ASK信号的功率谱表达式（6.7）相比较可见，2PSK信号的功率谱与2ASK信号功率谱中的连续谱部分的形状相同。因此这两种信号的带宽相同。另一方面，当双极性基带信号以相等的概率出现时，2PSK信号的功率谱中无
15、离散谱分量，而此离散分量就是2ASK信号的载波分量。所以，2PSK信号可以看成是抑制载波的双边带幅移键控信号。,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,在绝对调相方式中，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 ）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( 或 ),2、二进制相对移相键控（2DPSK）,则恢复的数字信号也就会发生错误（“1”到“0”或 “0”到“1”）。这种现象通常称为2PS
16、K方式的“倒 现象”或“反向工作现象”。为了克服这种现象，实际中一般不采用2PSK方式，而采用相对移相键控（2DPSK）方式。,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。相对调相值 是指本码元的初相与前一码元的初相之差.并设：,2DPSK的典型时间波形如图6-15所示。,(6.29),图6-15 2DPSK的波形,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。,图6-16 2DPSK的实现方式,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
