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1、1指点教师:杨建国二零零七年十一月通讯原理课件25.1 调制与解调原理5.2 二进制数字调制5.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能5.4 多进制数字调制5.5 改良的数字调制技术第五章第五章 数字信号的频带传输数字信号的频带传输35.1 调制与解调原理p载波选用正弦型载波，基带信号为模拟信号，设正弦型载波为pst=Acosct+0p式中A载波的幅度pc载波角频率p0载波的初始相位4p1. 幅度调制的原理p假设基带信号为mt，那么幅度调制信号已调信号普通可表示成pSmt=Amtcosct+05p1 调幅AM信号p假设输入的基带信号mt带直流分量，那么它可以表示为m0与mt之和，其中， m0是mt
2、的直流分量，mt是表示音讯变化的交流分量。p2 双边带DSB信号p在图5-2中，假设输入的基带信号没有直流分量，或将直流分量抑制掉，且H同上，那么得到的输出信号便是无载波分量的双边带调制信号，或称双边带抑制载波DSB-SC调制信号，简称DSB信号。6图图5-2 线性调制器的普通模型线性调制器的普通模型7p3 单边带SSB信号p双边带调制信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息一样，因此，从信息传输的角度来思索，传输一个边带就够了。所谓单边带调制，就是只产生一个边带的调制方式。p4 残留边带VSB信号p残留边带调制是介于双边带与单边带之间的一种线性调制。它既抑制了双边带调制信号
3、占用频带宽的缺陷，又处理了单边带信号实现上的难题。8n2. 幅度调制信号的解调原理n对幅度调制信号，解调的根本方法有两种：一种是包络检波法，一种是相关解调或称同步解调。n1 包络检波法n对调幅AM信号，当满足m0mtmax时，不会发生过调制景象，此时用包络检波的方法很容易恢复原始基带信号mt。9p2 相关解调同步解调p双边带信号不能用包络检波来解调，可采用以下方法，将已调信号SDSBt乘上一个同频同相的载波，得p由上式可知，用一个低通滤滤器就可以将第1项与第2项分别，无失真地恢复出原始基带信号mt。105.2 二进制数字调制p数字调制信号，在二进制时有振幅键控ASK、移频键控FSK和移相键控P
4、SK三种根本信号方式，如图5-7所示。p根据已调信号的频谱构造特点的不同，数字调制也可分为线性调制和非线性调制。p这种把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制，反之，称为数字解调。11图5-7 正弦载波的三种键控波形12n1. 二进制振幅键控2ASKn二进制数字振幅键控是数字调制中出现最早的，也是最简单的，是研讨其他各种数字调制的根底。振幅键控，记作ASKAmplitude Shift Keying，或称为开关键控通断键控，记作OOKOn Off Keying。二进制数字振幅键控通常记作2ASK。13p1 2ASK的调制方法p普通说来，数字信号的调制方法有两种类型：p利用模拟方法去实
5、现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处置；p利用数字信号的离散值特点键控载波，从而实现数字调制。14p2 2ASK的解调方法p好像AM信号的解调方法一样，OOK信号也有两种根本的解调方法：非相关解调包络检波法和相关解调同步检测法。p包络检波法的原理方框图如图5-11所示。带通滤波器恰好使2ASK信号完好地经过，经包络检测后，输出其包络。15图图5-11 2ASK信号的包络检波信号的包络检波16p3 2ASK信号的功率谱及带宽p下面分析二进制振幅键控信号的频谱。由于二进制振幅键控信号是随机的、功率型的信号，故研讨频谱特性时，应该讨论它的功率谱密度。p 由于2ASK信号的功率谱密度
6、PEf是相应的单极性数字基带信号功率谱密度Psf外形不变地平移至fc处构成的，所以2ASK信号的功率谱密度由延续谱和离散谱两部分组成。17p 2ASK信号的带宽B2ASK是单极性数字基带信号带宽fs的两倍。当数字基带信号的根本脉冲是矩形不归零脉冲时，fs=1/Ts。于是2ASK信号的带宽为pB2ASK=2fs=2/Tsp2ASK信号的主要优点是易于实现，其缺陷是抗干扰才干不强，主要运用在低速数据传输中。18n2. 二进制移频键控2FSKn数字频率调制又称移频键控，记作FSKFrequency Shift Keying，二进制移频键控记作2FSK。19p1 2FSK信号的调制方法p前面已提到，2
7、FSK信号可以采用模拟调频法和数字键控法来产生。模拟调频法：用数字基带矩形脉冲控制一个振荡器的某些参数例如电容C，可直接改动振荡频率，使输出得到不同频率的已调信号。p数字键控法：它是用数字矩形脉冲控制电子开关，使电子开关在两个独立的振荡器之间进展转换，从而在输出端得到不同频率的已调信号。20p2 2FSK信号的解调p二进制频移键控信号的解调方法很多，常采用非相关检测法包络检测法和相关检测法同步检波法，还有过零检测法、差分检波法等。p 包络检测法p2FSK信号的包络检测方框图及波形图如图5-16所示。用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为f1及f2的高频脉冲，经包络检测后分别取出它们的包络。21图
8、5-16 2FSK信信号号包包络检波波方方框框图及及波波形形图22 同步检波法2FSK信号的同步检波原理方框图如图5-17所示。 过零检测法过零检测法是一种常用而简便的解调方法。23图图5-17 2FSK信号同步检波方框图信号同步检波方框图24p3 2FSK信号的功率谱及带宽p由式5-15可知，二进制移频键控已调信号可以看成是两个不同载频的幅度键控已调信号之和，由此可求得它的功率谱密度。25n3. 二进制移相键控及二进制差分相位键控2PSK及2DPSKn1 绝对移相和相对移相的概念n 绝对移相2PSKn二进制移相键控中，载波的相位随数字基带信号1或0而改动。通常用相位0表示数字信号“0，用相位
9、表示数字信号“1。那么已调信号可表示为ne0t=cosct+i，且i=0或n那么有e0t=cosct。26 相对移相2DPSK差分相位键控2DPSK方式是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。由图5-20可以看出，2DPSK的波形与2PSK的不同，2DPSK波形的同一相位并不对应一样的数字信息符号，而前后码元相对相位的差才独一决议信息符号。27图5-20 2PSK及2DPSK信号的波形28p2 2PSK和2DPSK信号的调制p模拟调相法：原理框图如图5-22a所示，码变换器即差分编码器是用来完成绝对码波形到相对码波形变换的，去掉码变换器，那么可进展2PSK信号的调制。29图
10、图5-22 2PSK和和2DPSK调制方框图调制方框图30p3 2PSK和2DPSK信号的解调p 2PSK信号的解调p相关解调极性比较法p2PSK信号的解调只能采用相关解调的方法，其方框图及波形如图5-23所示。31图5-23 2PSK信信号号的的解解调32 2DPSK信号的解调极性比较法和差分检测法极性比较码变换法即是2PSK解调加差分译码，其方框图如图5-24a所示，2DPSK解调器将输入的2DPSK信号复原成相对码bn，再由差分译码器把相对码转换成绝对码，输出an。33图图5-24 2DPSK信号的解调方框图信号的解调方框图34p4 2PSK和2DPSK信号的功率谱及带宽p先讨论2PSK
11、信号的频谱。将2ASK和2PSK的表达式比较可见，它们方式上是完全一样的，所不同的只是an的取值。前者an为单极性，后者an为双极性。35p由以上分析可以看出:p第一，二相绝对移置信号的功率谱密度同样由离散谱与延续谱两部分组成，但当双极性基带信号以相等的概率(P=1/2)出现时，将不存在离散谱部分，其延续谱部分与2ASK信号的延续谱根本一样仅相差一个常数因子。p第二，2PSK信号的带宽也与2ASK信号的一样，即带宽B2PSK=B2ASK=2fs。365.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能n1. 振幅键控2ASK系统的抗噪声性能n由于信道加性噪声被以为只对信号的接纳产生影响，故分析系统的抗噪声性
12、能也只需思索接纳部分即解调器。先做如下假设：信道噪声是均值为0，方差为2n的加性高斯白噪声；信道是恒参信道，且以为发送信号经传输后除有固定衰耗外未遭到畸变；发送信号0，1等概率出现。37p1 包络检波法非相关解调的抗噪声性能p2 同步检测法相关解调的抗噪声性能38p 最正确判决门限时，r一定，Pe相Pe非，即信噪比一定时，相关解调的误码率小于非相关解调的误码率；Pe一定时，r相r非，即系统误码率一定时，相关解调比非相关解调对信号的信噪比要求低。p 相关解调需求插入相关载波，而非相关解调不需求。可见，相关解调时设备要复杂一些，而非相关解调时设备要简单一些。39p2. 二进制移频键控2FSK系统的
13、抗噪声性能p1 包络检波法的抗噪声性能p2 同步检测法的抗噪声性能40p将相关解调与非相关解调系统误码率做以比较，得到如下结论。p 在输入信号信噪比r一定时，相关解调的误码率小于非相关解调的误码率；当系统的误码率一定时，相关解调比非相关解调对输入信号的信噪比要求低。p 相关解调时，需求插入两个相关载波，因此电路较为复杂，但包络检测就无需相关载波，因此电路较为简单。41n3. 二进制移相键控及差分相位键控2PSK及2DPSK系统的抗噪声性能n1 2PSK信号同步检测法的误码率n2 2DPSK信号差分相关检测时的误码率n3 2DPSK信号极性比较码变换法的系统误码率42n4. 二进制数字调制系统的
14、性能比较n至此，曾经分别研讨了二进制数字调制系统的几种主要的性能，比如系统的频带宽度、调制与解调方法以及误码率等。下面就针对这几方面的性能作一简要比较。n1 频带宽度n2 误码率43p3 对信道特性变化的敏感性p在选择数字调制方式时，还应思索它的最正确判决门限对信道特性的变化能否敏感。在2FSK系统中，不需求人为地设置判决门限，它是直接比较两路解调输出的大小来做出判决。在2PSK系统中，判决器的最正确判决门限为零，与接纳机输入信号的幅度无关。44p4 设备的复杂程度p对于二进制振幅键控、移频键控及移相键控这三种方式来说，发送端设备的复杂程度相差不多，而接纳端的复杂程度那么与所选用的调制和解调方
15、式有关。对于同一种调制方式，相关解调的设备要比非相关解调时复杂；而同为非相关解调时，2DPSK的设备最复杂，2FSK次之，OOK最简单。不言而喻，设备越复杂，其造价就越贵。455.4 多进制数字调制p由于多进制数字已调信号的被调参数有多个能够取值，因此，与二进制数字调制相比，多进制数字调制具有以下几个特点。46p 在码元速率传码率一样条件下，可以提高信息速率传信率。p 在信息速率一样条件下，可降低码元速率，以提高传输的可靠性。p 在接纳机输入信噪比一样条件下，多进制系统的误码率比相应的二进制系统要高。p 设备复杂。47n1. 多进制数字振幅调制的原理及抗噪声性能n1 多进制数字振幅调制的原理n
16、多进制数字振幅调制又称多电平调制。这种方式在原理上是通断键控OOK方式的推行。48p2 MASK信号的带宽及频带利用率p由式5-49可知，MASK信号的功率谱与2ASK的功率谱类似，它是由m-1个2ASK信号的功率谱叠加而成。虽然m-1个2ASK信号叠加后频谱构造是复杂的，但就信号的带宽而言，MASK信号与其分解的任一个2ASK信号的带宽是一样的。MASK信号的带宽可表示为pBMASK=2fsp其中fs =1/Ts是多进制码元速率。p3 MASK系统的抗噪声性能49n2. 多进制数字频率调制的原理及抗噪声性能n1 多进制数字频率调制的原理n多进制数字频率调制简称多频制，它根本上是二进制数字频率
17、键控方式的直接推行，因此没有必要详细讨论。这里仅简要引见一个多频制系统的组成框图及主要特点。50p2 MFSK信号的带宽p仿照2FSK信号带宽确实定方法，可得MFSK信号的带宽为pf=fMf1+2fsp3 MFSK系统的抗噪声性能pMFSK信号接纳有相关和非相关两种方式，其抗噪声性能的分析方法可参照2FSK进展。最终得到多频系统相关检测和非相关检测时的误码率曲线如图5-34所示。51图5-34 多多频制制时的的误码率率曲曲线52n3. 多进制数字相位调制的原理及抗噪声性能n1 多进制数字相位调制的原理n多进制数字相位调制又称多相制，它是利用载波的多种不同相位或相位差来表征数字信息的调制方式。n
18、四相制与二相制类似，可以分为四相绝对移相调制亦称四相绝对移相键控，记为4PSK或QPSK和四相相对移相调制又称四相相对移相键控，记为4DPSK或QDPSK两种。53 四相绝对移相键控QPSK由于4种不同的相位可以代表4种不同的数字信息，因此，对于输入的二进制数字序列应该先进展分组，将每两个比特编为一组。图5-36所示的是四相制信号的波形图。图中示出了4PSK的/4及/2配置的波形和4DPSK的/4及/2配置的波形图。54图5-36 四四相相制制信信号号波波形形图55 四相相对移相键控QDPSK四相相对移相调制也是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。假设以前一码元相位作为参考，并令k为
19、本码元与前一码元的初相差，那么信息编码与载波相位变化关系仍可用表5-3来表示；它们之间的矢量关系也可以用图5-35表示。码变换加调相法产生QDPSK信号的组成方框图如图5-40所示。56图图5-40 码变换加调相法产生码变换加调相法产生QDPSK方框图方框图57p码变换加相位选择法产生QDPSK信号的原理非常简单，它的组成方框图与图5-38所示的相位选择法产生QPSK信号的组成方框图完全一样。不过，这里逻辑选相电路除按规定完成选择载波的相位外，还应实现将绝对码转换成相对码的功能。58p2 QPSK和DQPSK信号的带宽p由于四相绝对移相调制可以看作两个正交的二相绝对移相调制的合成，故两者的功率
20、谱密度分布规律一样。p3多进制数字相位调制系统的抗噪声性能59n4. 振幅相位结合键控APK系统nMASK时，矢量端点在一条轴上分布，MPSK时矢量端点在一个圆上分布。随着M增大，这些矢量端点之间的最小间隔也随之减小。n16QAM的信号星座图如图5.42所示。其中，第i个信号的表达式为nsit=Aicosct+ini=1，2，1660图图5-42 16QAM和和16PSK信号的星座图信号的星座图61p16QAM信号的产生有两种根本方法：p一种是正交调幅法，它是用两路正交的四电平振幅键控信号叠加而成；p另一种是复合相移法，它是用两路独立的四相移相键控信号叠加而成。625.5 改良的数字调制技术n
21、1. 最小移频键控MSKn最小移频键控是移频键控FSK的一种改良型，是使FSK信号相位一直坚持延续变化的一种调制。63pMSK又称快速频移键控FFSK，“快速二字指的是这种调制方式对于给定的频带，它能比2PSK传输更高速的数据；而最小频移键控中的“最小二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数h=0.5获得正交的调制信号。p1 MSK的原理p由以上讨论可知，MSK信号具有如下特点：p 已调信号的振幅是恒定的；64p 信号的频率偏移严厉地等于1/4Ts，相应的调制指数h=1/2；p 以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内准确地线性变化/2；p 在一个码元期间内，信号应包括四分之一载波周期的整数
22、倍；p 在码元转换时辰信号的相位是延续的，或者说，信号的波形没有突跳。65p2 MSK信号的调制与解调方法p由于cosct+t=costcosctsintsinct，故MSK信号也可以看作是由两个彼此正交的载波cosct与sinct分别被函数cost与sint进展振幅调制而合成的。p3 MSK信号的功率谱66n2. 高斯最小移频键控GMSK方式n前置滤波器，高斯低通滤波器必需能满足以下要求：n 带宽窄，且是锐截止的；n 具有较低的过冲脉冲呼应；n 能坚持输出脉冲的面积不变。67n3. 平滑调频TFM和n 正弦移频键控SFSKnMSK信号由于相位是延续变化的，因此频谱衰减速度较快。但当相邻两个符号极性变化时，相位途径在符号转换时辰将产生一个拐点，相位途径在转换时辰的斜率是不延续的，这依然影响已调信号频谱的衰减速度。68p进一步改良频谱衰减而且得到实践运用的方法有多种。其中一种是将相位途径中一个符号间隔内的升余弦平滑扩展到几个符号间隔内，采用类似部分呼应信号的相关编码技术留意，这里是用于相位途径成形，而不是基带信号波构成形，随着信息码元的组合不同，在一个符号间隔内相位变化值由原来的单一值/2变为多种值如0、/2、/4。
