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1、第第 6 6 章章 数字带通传输系统数字带通传输系统二进制幅度键控6.1二进制频移键控6.2二进制相移键控6.3二进制差分相移键控6.4各种二进制数字调制系统的性能比较6.5多进制数字调制6.6 数字基带信号不能直接通过带通信道传输，需将数字基带数字基带信号不能直接通过带通信道传输，需将数字基带信号变换成数字频带信号。用数字基带信号去控制高频载波的信号变换成数字频带信号。用数字基带信号去控制高频载波的幅度、频率或相位，称为幅度、频率或相位，称为数字调制数字调制。从已调高频载波上将数字。从已调高频载波上将数字基带信号恢复出来，称为基带信号恢复出来，称为数字解调数字解调。 和模拟调制相似，数字调制
2、所用的载波一般也是连续的正和模拟调制相似，数字调制所用的载波一般也是连续的正弦型信号，但调制信号则为数字基带信号。理论上讲，载波形弦型信号，但调制信号则为数字基带信号。理论上讲，载波形式可以是任意的（比如三角波、方波等），只要适合在带通信式可以是任意的（比如三角波、方波等），只要适合在带通信道中传输即可。之所以在实际通信中多选用正弦型信号，是因道中传输即可。之所以在实际通信中多选用正弦型信号，是因为它具有形式简单、便于产生和接收等特点。为它具有形式简单、便于产生和接收等特点。 数字调制方式：幅度调制，称为数字调制方式：幅度调制，称为幅度键控幅度键控，记为，记为ASKASK；频；频率调制，称为率
3、调制，称为频移键控频移键控，记为，记为FSKFSK；相位调制，称为；相位调制，称为相移键相移键控控，记为，记为PSKPSK。 所谓所谓“键控键控”是指一种如同是指一种如同“开关开关”控制的调制方式。比如控制的调制方式。比如对于对于二进制数字信号，由于调制信号只有两个状态，调制后的载波参二进制数字信号，由于调制信号只有两个状态，调制后的载波参量也只能具有两个取值，其调制过程就像用调制信号去控制一个量也只能具有两个取值，其调制过程就像用调制信号去控制一个开关，从两个具有不同参量的载波中选择相应的载波输出，从而开关，从两个具有不同参量的载波中选择相应的载波输出，从而形成已调信号。形成已调信号。 6
4、61 1 二进制幅移键控二进制幅移键控（2ASK2ASK） 1. 2ASK 1. 2ASK信号的调制信号的调制 用二进制数字基带信号控制载波的幅度，二进制数字序列只用二进制数字基带信号控制载波的幅度，二进制数字序列只有有“1”“1”、“0”“0”两两种种状状态态。调调制制后后的的载载波波也也只只有有两两种种状状态态：有有载载波输波输出出传传送送“1”“1”，无无载载波波输输出出传传送送“0”“0”。假假定定调调制制信信号号是是单单级级性性非非归零归零的的二二进进制制序序列列， “1”“1”码码时时 ，输输出出载载波波A Acoscos0 0t t； “0”“0”码码时时，无输无输出。出。图6-
5、1 2ASK信号的波形图6-2 2ASK信号调制器原理框图 为第为第n n个码元的电平值，单极性码，个码元的电平值，单极性码， 或或 。 是是时间宽度为时间宽度为 的基本脉冲。的基本脉冲。2ASK2ASK信号信号 乘法器完成调制，乘法器完成调制，BPFBPF取出已调信号，抑制带外频谱分取出已调信号，抑制带外频谱分量，通过调节还可以实现单边带或残留边带调制。量，通过调节还可以实现单边带或残留边带调制。 在一般情况下，调制信号是具有一定波形形状的二进制脉冲序列，可表示为2. 2ASK2. 2ASK信号的带宽信号的带宽图62 2ASK信号的功率谱密度 是基带脉冲的速率，是基带脉冲的速率， 是基带脉冲
6、周期。是基带脉冲周期。 2ASK 2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移，信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移，其频谱宽度是二进制基带信号的两倍。由于基带信号其频谱宽度是二进制基带信号的两倍。由于基带信号是矩形波，其频谱宽度从理论上来说为无穷大，以载波是矩形波，其频谱宽度从理论上来说为无穷大，以载波为中心频率，在功率谱密度的第一对过零点之间集中了为中心频率，在功率谱密度的第一对过零点之间集中了信号的主要功率，因此信号的主要功率，因此, ,通常取第一对过零点的带宽作通常取第一对过零点的带宽作为传输带宽，称之为为传输带宽，称之为谱零点带宽谱零点带宽。 3. 2ASK 3. 2ASK信号的
7、解调信号的解调 解调方式：相干解调和非相干解调。解调方式：相干解调和非相干解调。 图6-4 2ASK信号解调器原理框图 （1 1）相干解调）相干解调 乘法器实现乘法器实现ASKASK频谱的再次搬移，使数字调制信号的频频谱的再次搬移，使数字调制信号的频谱搬回到零频附近；谱搬回到零频附近；LPFLPF去除乘法器产生的高频分量，滤出去除乘法器产生的高频分量，滤出数字调制信号。数字调制信号。BPFBPF滤除接收信号频带以外的噪声干扰，并滤除接收信号频带以外的噪声干扰，并保证信号完整地通过。乘法器输出保证信号完整地通过。乘法器输出 LPFLPF输出输出 由于噪声及信道特性的影响，由于噪声及信道特性的影响
8、， LPF LPF输出的数字信号是不输出的数字信号是不标准的，通过对信号再采样，利用判决器对采样值进行判标准的，通过对信号再采样，利用判决器对采样值进行判决，便可以恢复原决，便可以恢复原“1”“1”、“0”“0”数字序列。数字序列。 应该注意本地载波要与发送在波同频同相，以保证数据应该注意本地载波要与发送在波同频同相，以保证数据的正确解调。的正确解调。 图6-5 2ASK信号相干解调过程的各点波形 （2 2） 非相干解调非相干解调 利用利用包络检波器包络检波器来实现，来实现， LPF LPF滤除包络信号中的高频成滤除包络信号中的高频成分，平滑包络信号。比非相干解调实现容易。分，平滑包络信号。比
9、非相干解调实现容易。 2FSK2FSK是利用载波的频率变化来传递数字信息的。在二进制情是利用载波的频率变化来传递数字信息的。在二进制情况下，况下，1 1对应于载波频率对应于载波频率 ，0 0对应于载波频率对应于载波频率 。2FSK2FSK信号在信号在形式上如同两个不同频率交替发送的形式上如同两个不同频率交替发送的ASKASK信号相叠加。信号相叠加。62 二进制频移键控 图6-7 2FSK信号的波形 式中：式中： 是宽度为是宽度为 的基本矩形脉冲，的基本矩形脉冲， 表示表示 的非。的非。 频差频差 ：两个载频之间的间隔。两个载频之间的间隔。 中心频率中心频率 ：两个载频的平均值两个载频的平均值因
10、此已调信号的时域表达式为定义调制指数（或频移指数） 为图68 2FSK信号功率谱 图图6868给出了给出了h h0.50.5、h h=0.7=0.7、h h=1.5=1.5时时2FSK2FSK信号的信号的功率谱示意图。功率谱以功率谱示意图。功率谱以f fc c为中心对称分布。在为中心对称分布。在f f较小较小时功率谱为单峰。随着时功率谱为单峰。随着f f的增大，的增大，f f1 1和和f f2 2之间的距离增之间的距离增大，功率谱出现了双峰。大，功率谱出现了双峰。2FSK2FSK信号的第一频谱零点带宽信号的第一频谱零点带宽可近似表示为可近似表示为式中式中, , 为基带信号的带宽或者说是基带信号
11、的码元速为基带信号的带宽或者说是基带信号的码元速率。率。图6-9 2FSK信号调制器原理框图2FSK信号的调制方法 2FSK信号常用的解调方法有相干解调，非相干解调和过零检测法等。3. 2FSK3. 2FSK信号的解调信号的解调 图图6-10 2FSK信号解调器原理框图信号解调器原理框图 设设 代表代表“1”“1”码，码， 代表代表“0”“0”码。中心频率码。中心频率为为 的带通滤波器和中心频率为的带通滤波器和中心频率为 的带通滤波器可的带通滤波器可将两者分开将两者分开 ，把代表，把代表“1”“1”码的码的 和代表和代表“0”“0”码码的的 分成两路分成两路ASKASK信号，采用相干解调方式解
12、调。信号，采用相干解调方式解调。采样判决可恢复原数据序列。采样判决可恢复原数据序列。1.相干解调乘法器输出乘法器输出LPFLPF输出输出判决准则：判决准则： 判为判为“1”“1”， 判为判为“0” “0” 。 图6-11 2FSK信号相干解调过程的各点波形 2FSK 2FSK信号的过零点数随载频的变化而不同，因此，信号的过零点数随载频的变化而不同，因此，检测出过零点数就可以得到载频的差异，从而进一步得检测出过零点数就可以得到载频的差异，从而进一步得到调制信号的信息。过零检测法的原理框图及各点波形到调制信号的信息。过零检测法的原理框图及各点波形如图如图6-12,6-136-12,6-13所示。所
13、示。FSKFSK信号经限幅、微分、整流后形信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的脉冲序列，由此再形成相同宽度成与频率变化相对应的脉冲序列，由此再形成相同宽度的矩形波。此矩形波的低频分量与数字信号相对应，由的矩形波。此矩形波的低频分量与数字信号相对应，由低通滤波器滤出低频分量，然后经抽样判决，即可得到低通滤波器滤出低频分量，然后经抽样判决，即可得到原始的数字调制信号。原始的数字调制信号。2.过零检测法图6-12 2FSK信号过零检测法解调原理框图图6-13 2FSK信号过零检测法的各点波形 二进制相移键控二进制相移键控（2PSK2PSK）是用二进制数字信号控制）是用二进制数字信号控制载波
14、的两个相位，这两个相位通常相隔载波的两个相位，这两个相位通常相隔弧度，例如用弧度，例如用相位相位0 0和和分别表示分别表示1 1和和0 0，所以这种调制又称二相相移键，所以这种调制又称二相相移键控（控（BPSKBPSK）。二进制相移键控信号的时域表达式为）。二进制相移键控信号的时域表达式为 63 二进制相移键控这里的这里的 为双极性数字信号，即为双极性数字信号，即 如果 是幅度为1，宽度为 的矩形脉冲，则2PSK信号可表示为2PSK信号的典型波形如图616所示。图6-16 2PSK信号的波形图6-17 2PSK信号的功率谱密度示意图 2PSK2PSK信信号号与与2ASK2ASK信信号号相相比比
15、较较，它它们们的的表表达达式式在在形形式式上上是是相相同同的的，其其区区别别在在于于2PSK2PSK信信号号是是双双极极性性不不归归零零码码的的双双边边带带调调制制，而而2ASK2ASK信信号号是是单单极极性性非非归归零零码码的的双双边边带带调调制制。由由于于双双极极性性不不归归零零码码没没有有直直流流分分量量，因因此此2PSK2PSK信信号号是是抑抑制制载载波波的的双双边边带带调调制制。这这样样，2PSK2PSK信信号号的的功功率率谱谱与与2ASK2ASK信信号号的的功功率率谱谱相相同同，只只是是少少了了一一个个离离散散的的载载波波分分量量，也也属属于于线线性性调调制制。 2PSK2PSK信
16、信号号的的带带宽宽与与2ASK2ASK信信号号的的带带宽宽相相同，即同，即其中1 12PSK2PSK信号的调制方法信号的调制方法2PSK信号的调制与解调方法图6-18 2PSK信号调制器原理框图2 22PSK2PSK信号的解调方法信号的解调方法 由于2PSK信号的功率谱中无载波分量，因此必须采用相干解调的方式。图6-19 2PSK信号相干解调原理框图图6-20 2PSK信号相干解调过程的各点波形表61 2PSK信号的调制和解调过程 码码元元相相位位表表示示码码元元所所对对应应的的2 2P PSKSK信信号号的的相相位位，1 1和和2 2表表示示相相位位为为的的P PSKSK信信号号分分别别与与
17、相相位位为为1 1和和2 2的的本本地地载载波波相相乘乘。这这样样我我们们看看到到本本地地载载波波相相位位的的不不确确定定性性造造成成了了解解调调后后的的数数字字信信号号可可能能极极性性完完全全相相反反，形形成成1 1和和0 0的的倒倒置置，引引起起信信息息接接收收错错误误。为为了了克克服服相相位位模模糊糊对对于于解解调调的的影影响响，通通常常要要采采用用差差分分相移键控的调制方法。相移键控的调制方法。6.4 6.4 二进制差分相移键控二进制差分相移键控二进制差分相移键控的基本原理二进制差分相移键控的基本原理 为了解决为了解决2PSK2PSK信号解调过程中的相位模糊问题，提信号解调过程中的相位
18、模糊问题，提出了二进制差分相移键控（出了二进制差分相移键控（2DPSK2DPSK）方式。）方式。2DPSK2DPSK方式是方式是用前后相邻码元载波相位的相对变化来表示数字信息。用前后相邻码元载波相位的相对变化来表示数字信息。 相对相位指本码元载波初相与前一码元载波终相的相位差。例如，“1”码载波相位变化,即与前一码元载波终相差，“0”码载波相位不变化，即与前一码元载波终相相同。图6-21 2DPSK信号的波形图6-22 2DPSK信号调制器原理框图2DPSK信号的调制方法 差分码可取传号差分码或空号差分码。传号差分码差分码可取传号差分码或空号差分码。传号差分码的编码规则为的编码规则为 式中式中
19、, , 为模为模2 2加，加， 为为 的前一个码元，最初的前一个码元，最初的的 可任意设定。由已调信号的波形可知，在使用传可任意设定。由已调信号的波形可知，在使用传号差分码的条件下，载波相位遇号差分码的条件下，载波相位遇1 1变而遇变而遇0 0不变不变, ,载波相位载波相位的这种相对变化就携带了数字信息。的这种相对变化就携带了数字信息。例如例如差分编码器输入码无（绝对码）差分编码器输入码无（绝对码） 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1差分编码器输出码无（相对码）（差分编码器输出码无（相对码）（0 0）1 0 0 1 1 01 0 0 1 1 0 或（或（1 1）0 1 1 0 0
20、10 1 1 0 0 1用相对码进行绝对调相：用相对码进行绝对调相： 相对码相对码 （0 0） 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 已调信号相位已调信号相位 （0 0） 0 0 0 0 0 0 1 1）相干解调）相干解调 2DPSK 2DPSK信号相干解调出来的是差分调制信号，信号相干解调出来的是差分调制信号，2PSK2PSK相干解相干解调器之后再接一差分译码器，将差分码变换为绝对码，就可得调器之后再接一差分译码器，将差分码变换为绝对码，就可得原调制信号序列。原调制信号序列。2DPSK信号的解调方法图623 2DPSK相干解调器及各点波形 表62 2DPSK信号的调制和解调过程 2
21、DPSK 2DPSK信号的另一种解调方法是信号的另一种解调方法是差分相干解调差分相干解调（又称（又称延迟解调），其方框图和波形图如图延迟解调），其方框图和波形图如图717717所示。用这种所示。用这种方法解调时不需要恢复本地载波，可由收到的信号单独方法解调时不需要恢复本地载波，可由收到的信号单独完成。将完成。将DPSKDPSK信号延时一个码元间隔信号延时一个码元间隔TsTs，然后与，然后与DPSKDPSK信信号本身相乘（相乘器起相位比较的作用），相乘结果经号本身相乘（相乘器起相位比较的作用），相乘结果经低通滤波后再抽样判决即可恢复出原始数字信息。低通滤波后再抽样判决即可恢复出原始数字信息。 只
22、有只有DPSKDPSK信号才能采用这种解调方法。信号才能采用这种解调方法。 图图6-24 2DPSK信号差分相干解调原理框图及各点波形信号差分相干解调原理框图及各点波形表63 2DPSK信号的调制和延迟解调过程 6.5 6.5 各种二进制数字调制系统的性能比较各种二进制数字调制系统的性能比较调制方式调制方式误码率误码率相干解调相干解调非相干解调非相干解调2ASK2ASK2FSK2FSK2PSK2PSK2DPSK2DPSK表64 二进制数字调制的误码率公式 图6-26 各种二进制数字调制的误码率曲线6.6 6.6 多进制数字调制多进制数字调制 用多进制的数字基带信号调制载波，就可以得用多进制的数
23、字基带信号调制载波，就可以得到多进制数字调制信号。通常，取多进制数到多进制数字调制信号。通常，取多进制数M M为为2 2的的幂次幂次 。当携带信息的参数分别为载波的幅。当携带信息的参数分别为载波的幅度、频率或相位时，数字调制信号为度、频率或相位时，数字调制信号为M M进制幅度键控进制幅度键控（MASKMASK）、）、M M进制频移键控进制频移键控（MFSKMFSK）或）或M M进制相移键进制相移键控控（MPSKMPSK）。）。 当信道频带受限时，采用当信道频带受限时，采用M M进制数字调制可以增进制数字调制可以增大信息传输速率，提高频带利用率。大信息传输速率，提高频带利用率。 1 1MASKM
24、ASK信号的表达信号的表达 在在M M进制的幅度键控信号中，载波幅度有进制的幅度键控信号中，载波幅度有M M种取值。种取值。当基带信号的码元间隔为当基带信号的码元间隔为TsTs时，时，M M进制幅度键控信号的时进制幅度键控信号的时域表达式为域表达式为 式中， 为基带信号的波形, 为载波的角频率， 为幅度值， 有M种取值。 多进制幅度键控（多进制幅度键控（MMA ASKSK） 2 2MASKMASK信号调制信号调制 MASK MASK信号相当于信号相当于M M电平的基带信号对载波进行双边带电平的基带信号对载波进行双边带调幅。图调幅。图627627示意性画出示意性画出2ASK2ASK信号和信号和4
25、ASK4ASK信号的波形。信号的波形。图图627 627 （a a）为四电平基带信号）为四电平基带信号b(t)b(t)的波形，图的波形，图627 627 （b b）为）为4ASK4ASK信号的波形。图信号的波形。图627 627 （b b）所示的）所示的4ASK4ASK信信号波形可等效为图号波形可等效为图627 627 （c c）中的）中的4 4种波形之和，其中种波形之和，其中3 3种波形分别是一个种波形分别是一个2ASK2ASK信号。信号。 这就是说，这就是说，MASKMASK信号可以看成是由时间上互不相容信号可以看成是由时间上互不相容的的M-1M-1个不同振幅值的个不同振幅值的2ASK2A
26、SK信号的叠加。信号的叠加。 图 627 所以所以MASKMASK信号的功率谱，便是这信号的功率谱，便是这M-1M-1个信号的功率谱个信号的功率谱之和。尽管叠加后功率谱的结构是复杂的，但就信号的带之和。尽管叠加后功率谱的结构是复杂的，但就信号的带宽而言，宽而言，当码元速率当码元速率RsRs相同时，相同时，MASKMASK信号的带宽与信号的带宽与2ASK2ASK信信号的带宽相同，都是基带信号带宽的号的带宽相同，都是基带信号带宽的2 2倍倍。但是。但是M M进制基带进制基带信号的每个码元携带有信号的每个码元携带有 比特信息，这样在带宽相同比特信息，这样在带宽相同的情况下，的情况下，MASKMASK
27、信号的信息速率是信号的信息速率是2ASK2ASK信号的信号的 倍。倍。或者说在信息速率相同的情况下或者说在信息速率相同的情况下MASKMASK信号的带宽仅为信号的带宽仅为2ASK2ASK信号的信号的 。 MASK MASK的调制方法与的调制方法与2ASK2ASK相同，但是首先要把基带信相同，但是首先要把基带信号由二电平变为号由二电平变为M M电平。将二进制信息序列分为电平。将二进制信息序列分为 个一个一组，组， ，然后变换为，然后变换为 电平基带信号。电平基带信号。 电平基电平基带信号对载波进行调制，便可得到带信号对载波进行调制，便可得到MASKMASK信号。信号。【例】【例】 对数字基带序列
28、为进行对数字基带序列为进行4ASK4ASK调制。调制。 解解: : ，故首先将序列每两个一组变换为，故首先将序列每两个一组变换为4 4电电平信号，即用平信号，即用4 4组二进制码对组二进制码对4 4种电平编码。我们用种电平编码。我们用0000表表示示0 0，0101表示表示1 1，1010表示表示2 2，1111表示表示3 3。当然，编码方式不。当然，编码方式不唯一。则原序列变为四电平序列：唯一。则原序列变为四电平序列：13201023011320102301（如图（如图627627（a a）对载波调制后，可得）对载波调制后，可得4MASK4MASK波形如图波形如图627627（b b）所示。
29、）所示。 3MASK信号解调 MASK信号的解调可以采用包络检波或相干解调的方法，其原理与2ASK信号的解调完全相同。 6.6.2 6.6.2 多进制频移键控（多进制频移键控（MFSKMFSK） 在在MFSKMFSK中，载波频率有中，载波频率有M M种取值。种取值。MFSKMFSK信号的表达式信号的表达式为为 式中， 为单位符号的信号能量； 为载波角频率,有M种取值。 图6-29 4FSK信号举例 MFSKMFSK调制调制可用可用频率选择法频率选择法实现，如图实现，如图6-306-30所示。二所示。二进制信息经串并变换后形成进制信息经串并变换后形成M M种形式，通过逻辑电路分别种形式，通过逻辑
30、电路分别控制控制M M个振荡源。个振荡源。MFSKMFSK信号通常用非相干解调信号通常用非相干解调，如图，如图6-306-30所示。所示。图6-30 多进制频移键控系统的原理框图 6.6.3 6.6.3 多进制相移键控（多进制相移键控（MPSKMPSK） 1 1MPSKMPSK信号的表达信号的表达 在在M M进制相移键控（进制相移键控（MPSKMPSK）中，载波相位有）中，载波相位有M M种取值。种取值。当基带信号的码元间隔为当基带信号的码元间隔为TsTs时，时，MPSKMPSK信号可表示为信号可表示为 式中， 为信号在一个码元间隔内的能量， 为载波角频率， 为有M种取值的相位。 MPSK信号
31、的频带宽度应与MASK信号的频带宽度相同。与MASK信号一样，当信息速率相同时，MPSK信号与2PSK信号相比，带宽节省到 ，即频带利用率提高了 倍。 MPSK MPSK信号是相位不同的等幅信号，所以用信号是相位不同的等幅信号，所以用矢量图矢量图可可对对MPSKMPSK信号进行形象而简单的描述。在矢量图中通常以信号进行形象而简单的描述。在矢量图中通常以0 0相位载波作为参考矢量相位载波作为参考矢量。图。图6-316-31中画出中画出M=2M=2、4 4、8 8三种情三种情况下的矢量图。当初始相位况下的矢量图。当初始相位=0=0和和=M M时，矢量图时，矢量图有不同的形式。有不同的形式。图631 MPSK信号的矢量图表示 图6-34 相乘法产生4PSK信号原理框图图6-35 串并变换图6-36 相位选择法产生4PSK信号原理框图图6-37 4PSK信号解调原理方框图2四相相对相移键控 在4DPSK中是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息， 4DPSK信号的一种编码规则如表6-5所示，表中 是相对于前一码元的相位变化。表6-5图图6-39 4DPSK信号产生原理框图信号产生原理框图图图6-40 4DPSK信号极性比较法解调原理框图信号极性比较法解调原理框图图图6-41 A方式方式4DPSK信号相位比较法解调原理方框图信号相位比较法解调原理方框图
