数字信号的载波传输.ppt

第八章数字信号的载波传输 基带数字信号可以在传输距离不远的情况下直接传送 但如果要远距离传输时 特别是在无线或光纤信道上传输时 则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输 为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输 必须对数字信号进行载波调制 有三种基本的调制方式 振幅键控 频移键控和相移键控 它们分别对应于用载波 正弦波 的幅度 频率和相位来传递数字基带信号 数字调制与模拟调制区别它们都是正弦波调制 但是 数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制 而模拟调制则是调制信号为连续型的正弦波调制 数字调制特点主要包括两个方面 第一 数字调制信号的产生 除把数字的调制信号当作模拟信号的特例而直接采用模拟调制方式产生数字调制信号外 可以采用键控载波的方法 第二 对于数字调制信号的解调 为提高系统的抗噪声性能 通常采用与模拟调制系统中不同的解调方式 8 1二进制数字调制 当调制信号为二进制数字信号时 这种调制称为二进制数字调制 在二进制数字调制中 载波的幅度 频率或相位只有两种变化状态 常见和基本的方式 二进制振幅键控 2ASK 二进制移频键控 2FSK 二进制移相键控 2PSK 和二进制相对 或差分 相位键控 2DPSK 二进制振幅键控调制 2ASK与OOK 在振幅键控中 载波幅度是随着调制信号而变化的 二进制振幅键控信号的产生方法有两种 一般的模拟幅度调制方法 2ASK 通断键控 OOK 二进制振幅键控信号的产生原理图 两种振幅键控信号产生的仿真电路图 a 调幅法 b 通断键控法 OOK信号有两种基本的解调方法 非相干解调 包络检波法 及相干解调 接收系统中都增加了一个 抽样判决器 方框 这对于提高数字信号的接收性能是十分必要的 二进制振幅键控方式是数字调制方式中出现最早也是最简单的一种方法 这种方法最初用于电报系统 但由于它的抗噪声能力较差 故在数字通信中用得不多 不过 二进制振幅键控常常作为研究其它数字调制方式的基础 因此熟悉它仍然是必要的 OOK键控信号的解调原理方框图 a 非相干解调法 b 相干解调法 OOK信号解调的仿真电路图 OOK已调信号与调解信号输出波形 二进制移频键控 2FSK 二进制频移键控 2FSK 如果用数字信号来键控载波的频率 即信号的符号 0 对应于载波频率f1 符号 1 对应于载波频率f2 与f1不同的另一载波频率 它的主要优点是 实现起来较容易 抗噪声与抗衰减的性能较好 适合中 低速数据传输的应用 实现方法 1 可利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得 这正是频率键控通信方式早期采用的实现方法 也是利用模拟调频法实现数字调频的万法 是键控法 即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通 2FSK信号的产生原理框图 产生2FSK信号的仿真电路图 一般说来 键控法得到的两个键控频率的相位是与二进制数据序列无关的 反映在输出波形上 仅表现出f1与f2的相位是不连续的 而用模拟调频法时 f1与f2的相位是连续的 调频法输出的2FSK调制波形图 a 模拟调频法2FSK的输出波形图 键控法输出的2FSK调制波形图 b 键控法2FSK的输出波形 FSK信号的功率谱 2FSK键控信号的解调原理方框图 a 非相干解调法 b 相干解调法 2FSK解调的仿真电路图 a 非相干解调 b 相干解调 调制前与解调后的数据波形覆盖图 二进制移相键控 2PSK 二进制移相键控 2PSK 方式是载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的一种数字调制方式 就是根据数字基带信号的两个电平 或符号 使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法 当两个载波相位相差180度时 此时称为反向键控 PSK 也称为绝对相移方式 2PSK输出波形 绝对相移方式缺点 当采用绝对相移方式时 由于发送端是以某一个相位作基准的 因而在接收端也必须有这样一个固定基准相位作参考 如果这个参考相位出现变化 0相位变 相位 或 相位变0相位 则恢复的数字信息就会出现0变为1 或1变为0的现象 从而造成错误的恢复 采用2PSK方式就会在接收端得到完全相反的恢复 这种现象称为2PSK方式的 倒 现象 因此 在实际中一般不采用2PSK方式 而采用一种所谓的相对 差分 移相 2DPSK 方式 二进制差分相位键控 2DPSK 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 即用前 后两个码元之间的相差来表示码元的值 0 和 1 例如 假设相差值 表示符号 1 相差值 0 表示符号 0 图8 14为绝对码 相对码 2PSK 2DPSK输出波形的对应关系 可以看出2DPSK的波形与2PSK的不同 它们的同一相位并不对应相同的数字信息符号 而前 后码元的相对相位差才表示信息符号 这说明 解调2DPSK信号时 并不依赖于某一固定的载波相位参考值 只要前 后码元的相对相位关系不破坏 那么只要鉴别这个相差关系就可正确恢复数字信息 这就避免了2PSK中的倒 现象发生 图8 14绝对码 相对码 2PSK 2DPSK的对应关系及波形 单纯从波形上观察 2DPSK与2PSK是无法分辨的 这说明 一方面 只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的 才能正确解调原信息 另一方面 相对移相信号可以看作是把数字信息序列 绝对码 变换成相对码 然后再根据相对码进行绝对移相而形成 如上所述 2PSK及2DPSK的调制方框图不难构成 图8 15所示为2PSK和2DPSK调制的SystemView仿真电路图 图中 相对码变换电路是通过将输出信号经过一个单位码元宽度延时后与原信号作 模2和 运算 异或运算 0保持 1反转 来实现的 为方便起见 仿真时也可直接使用SystemView提供的PSK信号图符 2PSK和2DPSK调制的仿真电路图 从上述的仿真和分析表明 2PSK信号是恒包络信号 因此2PSK信号的解调必须采用相干解调 由于2PSK信号是抑制载波的双边带信号 不存在载波频率分量 因而无法从己调信号中直接用滤波法提取本地载波 只有采用非线性变换才能产生新的频率分量 常用的载波恢复电路有两种 一种是图8 16 a 所示的平方环电路 另一种是图8 16 b 所示的科斯塔斯 Costas 环 图8 16PSK载波恢复电路 a 平方环 b 科斯塔斯环 平方环载波恢复电路中 2PSK信号经平方后得到两倍载频的频谱分量 用锁相环 或者谐振回路 提取这一分量 然后经2分频得到载频分量 科斯塔斯环又称同相正交环 在此环路中 误差信号是由I Q两路相乘后经环路滤波器提供的 压控振荡器的输出信号直接供给一路相乘器 而供给另一路相乘器的贝是压控振荡器的输出信号经90 移相后的信号 两路相乘器的输出 I Q 均包含有调制信号 两者相乘后可以消除调制信号的影响 经环路滤波器仅得到与压控振荡器输出和理想载波之间相位差有关的控制电压 从而准确地对压控振荡器进行调整 I Q两路输出均包含有调制信号 因此只要用简单的滤波器就可提取出想要的调制信号 由于上述锁相环的瞬时相位在等于n n为任意整数 的各点都是稳定平衡点 锁相环在工作时可能锁定在任何一个稳定平衡点上 这意味着恢复出的相干载波可能与所需要的理想本地载波同相 也可能反相 倒 现象依然存在 这种相位关系的不确定性称为0 相位模糊度 克服相位模糊度对相干解调的影响 最常用而且又最有效的办法是 将调制器输入的数字基带信号转换成差分编码 再进行PSK调带 无论2PSK还是2DPSK都只能用相干解调的方法来恢复原始信号 可以用各种鉴相器来完成 只不过2DPSK信号解调后要将相对码转换成绝对码 另一种2DPSK的解调方法 如图8 17所示 称为差分相干解调法 它是直接比较前 后码元的相位差而构成的 由于此时的解调己同时完成码变换作用 故无需再使用码变换器 这种解调方法由于无需专门的相干载波 故是一种很实用的方法 当然 它需要一个延迟电路 精确地延迟一个码元间隔Ts 这将增加设备的复杂程度 图8 17DPSK差分相干解调器电路 基带 I路输出和Q路输出的波形比较覆盖图 8 2多进制数字调制 二进制数字调制系统 在二进制数字调制中每个符号只能表示0和1 或 1和 1 但在许多实际的数字传输系统中却往往采用多进制 比如M进制 M 2 的数字调制方式 通常 把状态数目大于2的己调制信号称为多进制调制信号 或者称为多元调制信号 多进制数字调制系统特点 1 在相同的信道码元传输速率下 多进制系统的信息传输速率显然比二进制系统的要高 这是由于M进制数字调制中 每个符号可以携带 2M比特信息 因此 当信道频带受限时 可以使信息传输率 b特率 增加 提高了频带利用率 付出的代价是增加信号功率和电路的复杂性 2 在相同的信息速率 比特率 下 由于多进制方式的信道传输速率可以比二进制的低 因而多进制信号码元的持续时间要比二进制的宽 显然 加宽码元宽度 就会增加信号码元的能量 也能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响 8 2 1M进制数字振幅调制 MASK M进制数字振幅调制又称M电平调制 M电平调制方式是一种高效率的传输方式 其根本原因是 其一 因为它可以比二进制系统有高得多的信息传输速率 其二 在相同的信道传输速率下 M电平调制信号的带宽与二电平的相同 现在我们利用SystemView系统仿真来验证 在相同信道传输速率下M电平调制与二电平调制具有相同的信号带宽 即在符号速率相同的情况下 两者具有相同的功率谱 从解调波形观察 在相同的输出功率和信道噪声条件下 MASK的解调性能随信噪比 SNR 恶化的速度比OOK要迅速得多 这说明在MASK应用中 对信噪比 SNR 的要求比普通OOK的要高 同样 MASK的解调同2ASK的一样 既可以用非相干解调的方法 包络检波 也可以用相干解调的方法 其原理与二进制的完全一样 图8 22所示是一个4电平的MASK己调输出波形 改变图符0的电平数 还可以观察任意进制的MASK调制特性 2ASK与MASK调制性能比较仿真电路图 OOK 左 与MASK 右 信号的功率谱 4电平MASK己调信号波形 8 2 2M进制数字频率调制 MFSK 本小节将以一个多频带短波调制解调器的仿真为例来说明多进制频率调制的主要特点 该电路是一个8AFSK系统 可以用于短波信道 在较低的符号速率下 能获得较高的传输速率 在码元速率一定的条件下 提高通信传输速率 比特率 的一个有效途径是采用多进制调制方式 考虑到技术上的简单 可靠 本例采用了多频键控方式 且结合了幅度与频率两个参量特征 在600 300Hz的带宽上 以300Hz的间隔划分了8个频带 每个频带表示一个比特 bit 使用8个副载波分别表示符号内比特有号还是空号 每个频带内使用ASK方式 这样在传输带宽一定的情况下 传输速率提高到原来的8倍 短波8AFSK调制解调器的仿真电路图 8AFSK己调信号的功率谱 仅其中4路载频 8 2 3多进制数宇相位调制 MPSK 多进制数字相位调制 又称为多相制 也是用不同的相位来表示数字信息 根据己调信号中使用的不同相位的个数又分为4PSK 8PSK等 图8 25给出了2相 4相 8相MPSK的矢量图 因为数字相位调制信号的解调存在上一节所述的相位模糊度问题 所以多采用差分相移调制 从而 同一进制的数字相位调制可能有不同的表示形式 即可能采用不同的起始相位 和基准相位 0 但是无论采用何种方式 其本质上是一致的 图8 25MPSK信号的矢量图 MPSK调制中最常用的是4PSK 又称QPSK QPSK采用正交调制器时 它可以看成是由两个2PSK调制器构成的 输入的串行二进制信息序列经串并变换 分成两路速率减半的二进制序列I t 和Q t 然后对两个正交的载波进行调制 相加后即得到QPSK信号 QPSK调制与解调实验仿真电路图 QPSK己调波与基带波形的比较覆盖图 8 3现代数字调制技术 在现代通信中 随着大容量和远距离数字通信技术的发展 出现了一些新的问题 主要是信道的带宽限制和非线性因素对传输信号的影响 在这种情况下 传统的数字调制方式己经不能满足应用的需求 需要采用新的数字调制方式 以减小信道对所传信号的影响 获得更高的传输速率 这些技术的研究 主要是围绕充分节省频谱和高效率的利用频带而展开的 多进制调制是提高频谱利用率的有效方法 恒包络技术能适应信道的非线性 并且保持较小的频谱占用率 从传统数字调带技术扩展的技术有最小移频键控 MSK 高斯滤波最小移频键控 GMSK 正交幅度调带 QAM 正交频分复用调制 OFDM 等 8 3 1正交幅度调制 QAM 图8 28QAM的星座图 图8 29QAM调制与解调的仿真电路图 8 3 2最小频移键控调制 MSK 当信道中存在非线性因素和带宽限制时 幅度变化的数字信号通过信道会使己滤除的带外频率分量恢复 发生频谱扩展现象 因此 对己调信号有两点要求 一是要求包络恒定 二是具有最小功率谱占用率 近年来新发展起来的数字调制技术主要分两大类 一是连续相位调制技术 CPFSK 在码元转换期间无相位突变 如MSK GMSK等 二是相关相移键控技术 COR PSK 利用部分响应技术 对传输数据先进行相位编码 再进行调相 或调频 所谓MSK方式 就是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式 可以看成是调制指数为0 5的一种CPFSK信号 图8 30MSK调制器的原理图实现M