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第5章频带传输及调制技术 5 0预备知识5 1二进制振幅键控调制 2ASK 5 2二进制频率键控调制 2FSK 5 3二进制数字相位调制 2PSK 5 4多进制调制技术5 5现代调制技术补充知识 滤波器 5 0预备知识 5 0预备知识1 基带传输和频带传输2 为什么要要把基带信号变成频带信号 3 数字调制技术的分类4 调制理论基础 5 0预备知识 1 基带传输和频带传输当二进制编码的 0 1 符号用电脉冲的 正 负 表示时 形成的是基带信号 将基带信号直接在信道中传输的方式称为基带传输方式 把数字信号调制成不同频率的信号 再进行传输的方法称为频带传输 它是把进行完差错编码后的信号再一次进行编码 我们称之为第4次编码 第一次 信息 数据 A D 第二次 数据 脉冲信号第三次 差错编码第四次 基带信号 频带信号 2 为什么要要把基带信号变成频带信号 2 为什么要要把基带信号变成频带信号 1 基带信号通常含有较低的频率分量 2 当信号为连续1 或0 时会有直流成分产生 3 频带信号一般频率较高 例如 1为4800Hz 0为2400Hz 平均功耗为0 3 数字调制技术的分类 3 数字调制技术的分类数字幅度调制技术幅移键控 ASK AmplitudeShiftKeying 数字频率调制技术频移键控 FSK FrequencyShiftKeying 数字相位调制技术相移键控 PSK PhaseShiftKeying 4 调制理论基础 4 调制理论基础 傅立叶变换调制 就是用欲传输的原始信号m t 去控制高频简谐波f t 或周期性的脉冲信号的某一参量 使它们随f t 线性变化 通常把原始信号称为调制信号或基带信号m t 把高频简谐波或周期性脉冲信号称为载波信号 起着载运原始信号的作用f t Acos 把调制后得到的信号称为已调信号 显然已调信号中携带有原始信号中的信息s t 调制定理 调制定理 基带信号m t 和正弦信号cos w0t 相乘得到已调信号f t cos w0t 的频谱和原始信号f t 的频谱F jw 之间有如下关系 调制定理 调制定理 调制定理表明 将基带信号f t 乘以余弦信号cos w0t 对应于在频域中把f t 的频谱F jw 等分成两部分并把其中一部分沿频率轴右移w0 另一部分左移w0 如图所示 5 1二进制振幅键控调制 2ASK 数字幅度调制 用数字基带信号去控制正弦载波的幅度 使载波信号的幅度随基带信号的变化而变化 5 1 12ASK信号的产生5 1 22ASK信号的解调5 1 32ASK所需带宽 基带数字信号 单极性非归零矩形脉冲 5 1 12ASK信号的产生 1 2ASK信号数字基带信号通常用单极性非归零的矩形脉冲序列m t 表示 2ASK信号 5 1 12ASK信号的产生 正弦载波信号 f t Acos w0t 0 一般 0 0便于分析 2 2ASK调制方法 1 乘法器法 图a 平衡调制器 2 通断键控方法 图b OOK On OffKeying 5 1 12ASK信号的产生 a b t 1 0 1 1 0 0 1 s t T b t t 2 ASK 信号 载波信号 b 单极性非归零矩形脉冲信号 载波 解调 从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波 2ASK信号的解调 即由已调信号 二进制基带信号 解调的方法有相干解调和非相干解调两种方法 1 非相干解调方法 包络检波法包络检波 幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化 因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致 只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调 这种方法称为包络检波 5 1 22ASK信号的解调 2ASK信号的解调 定时抽样 输出基带信号 2ASK信号包络检波原理框图 抑制噪声 把取出的基带信号还原成原基带信号 抽样判决器在定时脉冲的控制下 对LPF输出的信号进行抽样 当样值大于判决门限里 判为 1 反之判为 0 2ASK信号的解调 2 相干解调 同步解调法 2ASK信号的解调 相干解调的条件 相干载波发生器产生的本地相干载波要与输入已调信号同频 同相 设s t m t cos 0t 0 f t cos ft f 2ASK信号的解调 2cosAcosB cos A B cos A B M t 1 2kLm t cos 0 f t 0 f cos 0 f t 0 f 2cosAcosB cos A B cos A B M t 1 2kLm t cos 0 f t 0 f cos 0 f t 0 f 1 2kLm t cos 0 f t 0 f 1 2kLm t 高频 滤掉 0 0 实现相干解调的关键是要有一个与调制信号保持同频同相的相干载波 否则会造成解调后波形失真 通常接收端无法独立产生相干载波 需要用锁相环路或窄带滤波器来提取 这样就增加了设备的复杂性 而且在大信噪比条件下 这种方法的抗噪声性能并无明显的改善 所以相干解调法在实际系统中应用得较少 二进制振幅键控方式是数字调制中出现最早的 也是最简单的调制方式 但其抗噪声能力差 因而实际用得并不多 5 1 32ASK所需带宽 信号的带宽是信号占据的整个频率范围 一个基带信号调制成2ASK信号时 会得到一个由许多简单频率组成的谱系 但是 有意义的频率是fc 0 5Nbaud与fc 0 5Nbaud之间中间载波频率fc 见图5 5 对于ASK技术所使用的带宽用下式计算 BW 1 d Nbaud其中 BW为带宽 Nbaud为波特率 d是和线路有关的因子 最小值为0 由此可知 传输ASM信号所需的最小带宽等于波特率 单工 半双工 带宽BW Nbaud全双工带宽BW 2Nbaud 例5 1求出码元变换速率为400Baud的2ASK半双工系统的最小带宽和信息传输速率是多少 若采用八进制ASK系统 该系统最小带宽和速率又为多少 解 在2ASK半双工系统中 一个系统的最小带宽等于其波特率 所以 该信号带宽是400Hz 同样 对于2ASK信号 波特率等于比特率 所以信息传输速率 比特率 也等于400bps 在八进制ASK系统中 由于一个码元含有3位 23 8 所以它的信息传输速率 比特率 是400 3 1200bps 而在ASM系统中 其带宽不变 仍等于波特率 即400Hz 对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路 它的功能是使特定的频率范围内的信号顺利通过 而阻止其它频率信号通过 通常 按照滤波电路的工作频率为其命名 分为 低通滤波器 LPF 高通滤波器 HPF 带通滤波器 BPF 带阻滤波器 BEF 和全通滤波器 APF 补充知识 滤波器 低通和高通滤波器 设截止频率为fp 频率低于fp的信号可以通过 高于fp的信号被衰减的滤波电路称为低通滤波器 反之 频率高于fp的信号可以通过 而频率低于fp的信号被衰减的滤波电路称为高通滤波器 全通滤波器 对于频率从零到无穷大的信号具有同样的比例系数 但对于不同频率的信号将产生不同的相移 补充知识 滤波器 带通和带阻滤波器 设低频段的频率为fp1 高频段的截止频