数字通信中几种调制方式的性能分析.doc

科技文献检索与写作课程设计 题名：数字通信中几种调制方式的性能分析英文题名：Performance analysis of several methods of modulation in digital communication姓名：曹富成学号：1045531107专业：电子信息工程 2013年6月12日 数字通信中几种调制方式的性能分析 曹富成 电子信息工程 1045531107 摘要： 现代社会是信息化的社会，而信息传输又及其依赖通信技术所以现代社会的发展建设对电子通信的依赖表现的非常明显。信息作为当代社会的一种资源，只有通过广泛的传播与交流，才能产生利用价值，促进社会的发展。而信息的传播与交流是依靠各种通信方式和技术来实现的。本课题遂对数字通信中ASK, FSK, PSK和DPSK几种调试方式的理论进行浅略的分析。 关键词：数字信号；通信；调制方式 Performance analysis of several methods of modulation in digital communication AbstractModern society is an information-based society, and information transmission and its dependence on communication technology development and construction of modern society so very obvious reliance on electronic communication performance. Information as a resource in modern society, it is only through a wide range of communication and exchange, to create value, promote the development of the society. And the spread of information and communication is rely on a variety of communication methods and technology. This topic then ASK in digital communication, FSK, PSK and DPSK debugging ways of theory to the analysis of the shallow slightly.Keywords: digital signal; Communication; Modulation method 目 录 第一章 绪论 .5 1.1 引言.5 1.2 数字调制技术概述.5第二章 数字通信基本原理.7 2.1 数字通信系统的基本概念.7 2.1.1 数字通信系统的组成.7 2.1.2 数字通信系统的特点.9 2.1.3 数字通信系统的主要性能指标.10 2.2 数字信号调制的基本原理.12 2.2.1 2ASK, 2FSK和2PSK简介.14 2.3 本章小结.17数字通信发展的趋势.18结 论.18参考文献.2020 第一章 绪论1.1 引言 我国古代利用烽火台进行联络，后来人们利用鼓声，旗语等作为通信手段，这是最早的通信实例。1835年，斯密尔 莫尔斯（Samuel Morse）发明了电报。1844年，世界上第一个实用公共电报开始发送。直到1876年，亚历山大格莱哈姆贝尔（Alexander Graham Bell）发明了电话，才开始使用模拟通信系统。经过整整一个世纪后，到1976年，又由数字通信逐步取代模拟通信。在当今信息时代，信息传输技术正在不断的发展与日臻完善，而数字通信有其独特的优点，发展极为迅速。其主要调制方式有振幅键控（ASK），搬移键控（FSK）和相移键控（PSK）等。在设计数字系统时，选择何种数字调制方式是十分重要的问题。虽然基带信号能够在传输距离不远的有限信道中进行传输，但是为了更好的利用通信信道的带宽并使信号能够传输更大的距离，必须对数字信号进行调制。在通信系统中，作为载波的正弦波有幅度、频率和相位3个参数,对应的也有3中基本的调制方式:调幅,调相和调频.由于数字信号不同于模拟信号,在数字载波通信中,这3种基本的调制方式分别被称作幅移(ASK),频移(FSK)和相移(PSK).1.2 数字调制技术概述 把输入信号变换为适合于通过信道传输的波形,这一变化过程称为调制.把原始信号称为调制信号,也称基带信号;被调制的高频周期性脉冲原始信号的作用,因此称为载波;调制后的输出信号称为已调信号。在数字信号的频带传输中，最重要的技术就是调制解调技术。数字信号的载波调制是信道编码的一部分，之所以在信源编码和传输通道之间插入信道编码是因为通道及相应的设备对所要传输的数字信号有一定的限制，未经处理的数字信号源不能适应这些限制。由于传输信道的频带资源总是有限的，因此在充分的利用现有资源的前提下提高传输速率就是通信系统所追求的的重要指标之一。通用的术语中，数字解调称为键控，这是把数字信息码元的脉冲序列看作电键，对载波的参数进行控制的意思。数字调制即数字符号转换为与信道特性相匹配的波形的过程。基带调制是把数字符号转换为脉冲波形。频带调制则是把数据信号调制到固定频率的载波上，然后可在有限信道上传输，也可利用空间电磁波进行无线电传输，或者利用光纤传输。那么，为什么要进行调制呢？调制可以把多点路信号彼此分开，从而利用单一信道传输，即已知的频分复用，调制可以用来使干扰的影响最小，即已知的扩频调制。如PCM方式，它所需要的系统带宽远大于信号所需的最小带宽，即用频带换可靠的例子。因此调制是无线电或有线电带通数字通信系统中不可或缺的基本步骤。调制波是二进制或M进制的已编码的数字基带码流，调制过程是输入数据控制载波的幅度，频率和相位。因此有三种调制技术，它们为幅移键控（ASK），频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。 第二章 数字通信基本原理1934年美国学者李佛西提出脉冲编码调制（PCM）的概念，从此之后通信数字化的时代应该说已经开始了，但是数字通信的高速发展却是20世纪70年代以后才开始的。若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三个步骤：（1） 把模拟信号数字化，即模数转换（A/D）；（2） 进行数字方式传输；（3） 把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A）。 2.1 数字通信系统的基本概念2.1.1 数字通信系统的组成 数据通信系统就是利用数字信号来传递消息的通信系统。而数字信号指的是不仅在时间上是离散的且在幅度上也是离散的信号。例如电报，计算机输入输出信号，数据信号，PCM信号等。数字通信系统的形式各式各样，但从数字通信的特点以及所完成的功能上来看，可以把它概括成图2.1所示的系统模型。数字通信涉及的技术问题很多，其中主要的有信源编码和译码，信道编码与译码，数字调制与解调，同步以及加密等。下面对这些技术作简要介绍。数字解调信道译码解密信源解码信源编码数字调制信道编码加密信息源受信者 噪声源 信道 图 2.1 数字通信系统模型（1） 信源编码与译码 信源编码的作用之一是提高信息传输的有效性。即通过某种数据压缩技术来减少信息的冗余度和降低数字信号的码元率。作用之二是完成模/数转换，即把来自模拟信源的模拟信号转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信源译码就是信源编码的逆过程。（2） 信道编码与译码 数字信号在信道传输时，由于噪声、衰弱以及人为干扰等，将会引起差错。为了减小差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分(监督元）组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，以提高通信系统抗干扰能力，实规可靠通信。（3）加密与解密 在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全。人为将被传输的数字序列扰乱，即加密码，这种处理过程叫加密。在接受端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数宇序列进行解密，恢复原来信息。(4 )数字调制与解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控ASK 、频移键控FSK、绝对相移键控PSK,相对(差分)相移键扮DPSK。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。对高斯噪声下的信号检测。一般用相关器接收机或匹配滤波器。(5)同步同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步。2.1.2数字通信系统的特点 目前，无论是模拟通信还是数宇通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度己明显超过模拟通信。成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比较，数字通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求，其特点是: （1)抗干扰能力强，且噪声不积累。 信号一传输过程中不可避免的受到各种噪声的干扰。对模拟信号来说，叠加在信号上的噪声难以与信号分开。同样，叠加在数字信号波形上的噪声也是也是难以去掉，但由于数字通信系统传送的数字信号 ,其信息并不包含在信号脉冲的波形之中，而是包含在脉冲的有无之中，因而只有当噪声在判决是超过某个范围，才有可能改变信号的值，产生错误判决，造成误码。此外，在远冲离传输，如微波中继通信时，各中继站可利用数字通信特有的判决再生接收方式，对数字信号波形进行整形再生而消除噪声积累。 （2）差错可控。 可以采用信道编码技术使误码率降低，提高可传输的可靠性。 （3）易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工,变换、存储，从而形成智能网。 （4）易于集成化，从而使通信设务微型化。 （5）易十加密处理，且保密强度高。 但是，数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。不过，随着新的宽带信息传输的采用，窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的缺点已经弱化，数字通信在今后的通信方式中必将逐步取代模拟通信而占主导地位。2.1.3数字通信系统的主要性能指标通信的任务是快速、准确地传递信息。因此，评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题，而可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换 。 数宁通信系统的有效性可用传输速率来衡量，可靠性可用差错率来衡量。（1）传输速率码元传输速率RBd 简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为Bd。信息传输速率Rb 简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒。可记为bid/s,或bps。根据信息量的定义，一个二进制码元含有一比特的信息量。因此当采用二进制码元时，码元传输速率和信息速率在数值上是相等的;而如果采用二进制N进制码元，则每个码元含有的信息量为I=LogN。且码元速率与码元速率之间有如下关系: Rb=RBlogN （2-1）频带利用率 比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率。(2)差错率 衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率来表示。误码率码元差错率)P 是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切的说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率。误信率(信息差错率)Pb 是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例。 显然，在二进制中Pb=Pe 2.2数字信号调制的基木原理 数字调制就是将数字信号变成适合信道传输的波形。所用载波一般是余弦信号，调制信号为数子基带信号。利用基带信号去控制载波的某个参数，就完成了调制。 调制的方法上要是通过改变余弦波的幅度、相位或频率来传送信息。其基本原理是把数据信号寄生在载波的上述三个参数中的一个上。即用数据信号来进行幅度调制、频率调制或相位调制。数字信号只有几个离散值，因此调制后的载波参数也只有有限个值。类似于用数宇信息控制开关，从几个具有不同参量的独立振荡源中选择参量，为此把数字信号的调制方式称为“键控”。数字调制分为调幅、调相和调频三类，分别对应“幅移键控”(ASK )、“相移键控 ( PSK)和“频移键控”（FSK )三种数字调制方式。在“幅移键控”方式中，当“I”出现时接通振幅为A的载波，当“0”出现时关断载波，这相当于将原基带信号（脉冲列)频谱搬到了载波的两侧。如果用改变载波频率的方法来传送二进制符号，就是“频移键控”的方法，当“l”出现时是低频。“O”出现时足高频。这时其频谱可以看成码列对低频载波的开关键控加上码列的反码对高频载波的开关键控。如果用“0”和“1”来改变载波的相位，则称为“相移键控”。这时在比特周期的边缘出现相位的跳变，但在间隔中部保留了相位信息。接收端解调通常在其中心点附近进行。一般来说，pSK系统的性能要比开关键控FSK系统好但必须使用同步检波。 调制的基本原理是用数字信号对载波的不同参景进行调制。其基本公式如下: 载波S（t）=Acos(wt+) (2一2)S (t)的参量包括:幅度A、频率w、初相位，调制就是要使A、w或随数字基带信号的变化而变化。其中ASK调制方式是用载波的两个不同振幅表示0和1：FSK调制方式是用载波的两个不同频率表示O和1;而PSK调制方式是用载波的起始相位的变化表示0和1。根据传输信号是二进制信号还是多进制信号和对载波的哪个参数进行调制，可以把数字频带传输分为:二进制、多进制数字振幅键控（ASK）；二进制、多进制数字移频键控(FS K);二进制、多进制数字移相键控(PSK;二进制、多进制差分移相键控( DPSK )。 除上面所述的二相位、二频率和二幅度系统外，还可以采用各种多相位、多振幅和多频率的方案。在DVB系统中卫星传输采用QPSK，有线传输采用QAM方式。地面传输采用COFDM(编码正交频分复用)方式。但2ASFK、 2PSK和2FSK这三种数字调制方式仍是最主要的，所以主要对这三种调制技术进行具体介绍。2.2.1 2ASK，2FSK和2PSK2ASK幅移键控，2 Amplitucde shitft Keying) “振幅键控”又称为“幅移键控”，记为ASK。也有称为“开关关键”(通断键控)的，所以又记作OOK信号。ASK是一种相对简单的调制方式。开关电路二进制振幅键抄(2ASK)相当于模拟信号中的调幅，只不过与载频相乘二进制数码而已。幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，信息比特是通过载波的幅度来传递的。二进制振幅键控(2ASK)，由于调制信号只有0或l两个电平，相乘的结果相当于将载频或者关断，或者接通，它的实际意义是当调制的数字信号为“1”时，传输载波;当调制的数字信号为“0”时，不传输载波。原埋如图2.2所示，其中s (t)为基带矩形脉冲。一股载波信号用余弦信号，而调制信号是把数字序列转换成单极性的基带矩形脉冲序列，而这个通断键控的作用就是把这个输出与载波相乘，就可以把频谱搬移到载波频率附近，实现2ASK。E2ask(t) 载波S(t)图2.2 二进制振幅监控信号调制器原理框图 2FSK移频键控(2Frequency shift keying) 所谓2FSK就是用数字信号去调制载波频率，是数宇信号传输中用的最早的一种调制方式。此方式实现起来比较容易，抗噪声和抗衰减性能好，稳定可靠，是中低速数据传输最佳选择。频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，通过频率的变化来实现信号的识别。原埋如图2.3所示。在2FSK中传送的信号只有0和1两个，而在M-FSK中则通过M个频率代表M个符号。开关电路载波f(t)E2fsk(t)载波f1S(t) 2PSK移相键控(2 Phase Shift Keying) 在2PSK调制时，载波的相位随调制信号状态不同而改变。如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，此时它们就处于“同相”状态:如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为“反相”。一般把信号振荡一次(一周）作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期，我们说两个波的相位差180度，也就是反相。当传输数字信号时，“1”码控制发0度相位，“0”码控制发180度相位。 2PSK移相键控调制技术在数据竹输中，尤其是在中速和中高速的数传机（2400bit/s4800bit/s) 中得到了广泛的应用。移相键控有很好的抗干扰性，在有衰落的信道中也能获拐很好的效果。我们主要讨论二进制调相，在实际应用中还有四相、八相及十六相调相。 在2PSK调制技术，载波相位只有0和两种取值，分别对应于调制信号的“0”和“1”，传“1”信号时，发起始相位为的载波；当传“0”信号时，发起始相位为0的载波。2PSK的调制原理如图2.4所示。由“0”和“1”表示的二进制调制信号通过电平转换后，变成由“-1”和“1”表示的双极性NRZ不归零)信号，然后与载波相乘，即可形成2PSK信号。开关电路E2psk(t)载波cos(wt)180度移相图2.4 二进制移相键控信号调制器原理框图 2.3本章小结 随着社会的不断发展，通信对我们来说越来越显的重要。对于通信技术来讲，通信的质量也就显得非常的关键。通信的根本任务是如何保证远距离传输信息的正确性，在这方面数字通信系统具有先人的优势。这主要是因为数字通信系统中传输的是离散的数字信号，由于信号是离散的，被噪声干扰后的信号只要没有超过门限，接收端就能够完个正确地地判断出传输的信息；而对于模拟传输系统，只要有稍微的干扰都会使传输的信息产生错误。也正是由于这样的原因、数字通信系统才能在各方面逐渐代替模拟通信系统成为现代通信的最基本方式。为了便于区别信号与噪声，使通信不失真和不受干扰，往往给测量信号赋以一定特征，这就是调制的主要功能。调制就是用一个信号(称为调制信号)去控制另一作为载体的信号（称为载波信号)，让后者的某一特征参数按前者变化。再将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号。这一过程称为解调。为了更好地利用通信信道的带宽并使信号能够传送更大的距离，在超短波发展的初期