模块六数字信号的频带传输.ppt

数字通信技术及应用 模块六数字信号的频带传输 教学导航 知识重点知识难点推荐教学方式建议学时数推荐学习方法必须掌握的理论知识必须掌握的技能 1 知识重点 数字调制的目的 概念及分类 数字频带传输系统组成 2ASK 2FSK 2PSK信号的调制解调原理 波形 频谱特点 二进制数字调制系统的性能比较 2 知识难点 2ASK 2FSK 2PSK解调原理 频谱分析 二进制数字调制系统的性能比较 QPSK MSK GMSK QAM OFDM几种现代调制技术的特点 3 推荐教学方式 通过介绍调制技术在移动通信系统中的应用案例 导出数字调制的理论知识 激发学生学习兴趣 对调制技术进行分析时 可多用图片 采用多媒体方式教学 通过实践训练 使学生加深理解数字信号调制解调的过程 通过对调制解调器进行案例分析 巩固理论知识 将理论与实际进行结合 4 建议学时 14学时 5 推荐学习方法 学习时要注意对比和前后联系 区分各种调制技术的特点及应用 结合波形图 电路框图等来理解各种调制技术 理论学习要注意结合给出的案例来理解 重视实践训练 通过调制解调过程中关键信号的测试和分析来加强理解 6 必须掌握的理论知识 数字调制的目的 概念及分类 数字频带传输系统组成 2ASK 2FSK 2PSK信号的调制解调原理 波形 频谱特点 二进制数字调制系统的性能比较 7 必须掌握的技能 会观测2FSK调制系统关键点波形 并分析 会观测2PSK调制系统关键点波形 并分析 案例导入6移动通信系统中的调制技术 在现代移动通信系统中 几乎全部都采用了数字调制技术 它是实现高速 高效的移动通信系统的重要保证 目前应用于移动通信系统的调制技术主要可分为两大类 线性调制技术和非线性调制技术 恒包络调制技术 线性调制技术主要有 PSK QPSK OQPSK 4 QPSK QAM 16QAM 64QAM 256QAM等 非线性调制技术主要有 MSK TFM GMSK 表6 1各移动通信系统采用的调制方式 技术解读 6 1数字频带传输系统6 2二进制幅移键控6 3二进制频移键控6 4二进制相移键控6 5二进制数字调制系统的性能比较6 6现代数字调制技术 6 1数字频带传输系统 为适应某种需要 如无线信道传输或多路复用等 大部分传输系统都采用频带传输 数字信号对载波的调制与模拟信号对载波的调制过程类似 同样可以用数字信号去控制正弦载波的振幅 频率或相位的变化 典型的频带传输系统有数字微波系统 数字光纤通信系统 由图可见 原始数字序列经基带信号形成器变成适合信道传输的基带信号 然后送到调制器处理 形成数字已调信号 并送至信道 接收滤波器把叠加有干扰的有用信号提取出来 并经过解调器恢复出数字基带信号 图6 1数字频带传输系统方框图 6 2二进制幅移键控 幅移键控是用数字信号控制载波振幅的一种数字调制方式 幅移键控 AmplitudeShiftKeying 简记为ASK 二进制幅移键控常记作2ASK 2ASK最简单的形式是利用代表数字信息 0 或 1 的矩形脉冲去键控一个连续的载波 使载波时断时续地输出 即有载波输出时表示发送 1 码 无载波输出时表示发送 0 码 这种方法又称通断键控 OOK 6 2 12ASK信号的调制1 2ASK信号的产生 6 2二进制幅移键控 2 2ASK信号的波形3 2ASK信号的功率谱及带宽 6 2二进制幅移键控 6 2 22ASK信号的解调1 包络解调法2 相干解调法 6 3二进制频移键控 频移键控 FreguencyShiftKeying 是利用载波的频率变化来传送数字信息 即用数字信息来控制调频波的频率变化 6 3 12FSK信号的调制1 2FSK信号的产生2FSK信号的产生方法有两种 一种是数字键控法 一种是模拟调制法 直接调频法 6 3二进制频移键控 2 2FSK信号的波形3 2FSK信号的频谱及带宽 1 2FSK信号的频谱图 2 2FSK信号的带宽 6 3二进制频移键控 6 3 22FSK信号的解调 过零检测法 包络检测法 同步解调法 6 4二进制相移键控 相移键控 PSK PhaseShiftKeying 是用数字信号控制载波的相位 使载波的相位随数字信号的变化而变化的一种数字调制方式 相移键控可分为绝对相移键控 PSK 和相对相移键控 DPSK 两种 根据数字基带信号进制的不同又可分为二进制相移键控和多进制相移键控 6 4 1绝对码和相对码绝对码和相对码是相移键控的基础 绝对码是以基带信号码元的电平直接表示数字信息 如用高电平代表 1 码 低电平代表 0 码 相对码 又称差分码 是用基带信号码元的电平相对前一码元的电平有无变化来表示数字信息的 绝对码和相对码是可以相互转换的 6 4二进制相移键控 6 4 2二进制绝对相移键控 2PSK 绝对相移键控是利用载波的相位偏移 指某一码元所对应的已调波与参考载波的初相差 直接表示数字信号的相移方式 1 2PSK信号的产生2PSK信号的产生可采用相位选择法 其原理框图如图6 16所示 6 4二进制相移键控 2 2PSK信号的波形3 2PSK信号的相干解调为了克服2PSK存在的相位模糊问题 引入了相对相移键控 DPSK 6 4二进制相移键控 6 4 3二进制相对移相键控 2DPSK 相对相移键控是利用前后相邻码元的相对载波相位值来表示数字信号的相移方式 1 2DPSK调制2 2DPSK信号的波形 6 4二进制相移键控 3 2DPSK解调 1 相干解调法 又称极性比较法 2 差分相干解调法 又称相位比较法 4 2PSK 2DPSK 信号的功率谱及带宽2PSK信号的带宽 5 2PSK与2DPSK系统的性能比较2DPSK系统的抗噪性能不及2PSK系统 2PSK系统存在 相位模糊 问题 而2DPSK不存在这一问题 因此 实际应用中 由于DPSK在抗噪声性能及频带利用率方面比FSK好 故被广泛用于数字通信中 6 5二进制数字调制系统的性能比较 二进制数字传输系统的误码率与信号的调制及解调方式有关 无论采用何种方式 其共同点是当输入信噪比增大时 系统的误码率就降低 反之 误码率就增大 由此可得出以下几点 在调制方式相同的情况下 相干解调的抗噪声性能优于非相干解调 但是 随着信噪比r的增大 相干与非相干的误码性能的相对差别愈不明显 误码率曲线愈靠拢 另外 相干解调的设备比非相干的要复杂 相干解调时 在相同误码率的条件下 对信噪比r的要求是 2PSK比2FSK小3dB 2FSK比2ASK小3dB 在非相干解调时 在相同误码率的条件下 对信噪比r的要求是 2DPSK比2FSK小3dB 2FSK比2ASK小3dB 2ASK要严格工作在最佳判决门限电平较困难 其抗振幅衰落的性能差 2FSK 2PSK 2DPSK最佳判决门限电平为0 容易设置 都有很强的抗振幅衰落性能 6 5二进制数字调制系统的性能比较 2FSK的调制指数h通常大于0 9 此时 在相同传码率的条件下 2FSK的传输带宽比2PSK 2DPSK 2ASK的宽 即2FSK的频带利用率低 6 6现代数字调制技术 6 6 1正交振幅调制 QAM 正交振幅调制 QuadratureAmplitudeModulation QAM 是一种频带利用率很高的数字调制方式 它是用载波的不同幅度及不同相位来表示数字信息的 正交振幅调制是用两个独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制 利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输 6 6 2最小频移键控 MSK 最小频移键控是对频移键控做某种改进 使其相位始终保持连续变化的一种调制 MSK又称快速频移键控 FFSK 快速 指的是这种调制方式对于给定的频带能以比2PSK传输更高速的数据 而最小频移键控中的 最小 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 MSK调制方式的突出优点是信号具有恒定的振幅以及信号的功率谱在主瓣之外衰减较快 6 6现代数字调制技术 6 6 3高斯滤波最小频移键控 GMSK 高斯滤波的MSK就是在MSK调制器之前 用高斯型低通滤波器对输入数据进行处理 如果恰当地选择此滤波器的带宽 就能使信号的带外辐射功率小到可以满足移动通信的要求 由于成型后的高斯脉冲其包络无陡峭沿 亦无拐点 因此相位路径得以进一步平滑 GMSK信号的频谱特性也优于MSK 6 6 4QPSK调制技术QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的缩略语简称 意为正交相移键控 四相相移键控信号简称 QPSK 它分为绝对相移和相对相移两种 四相制相移键控 4PSK 是目前微波和卫星数字通信中最常用的一种载波传输方式 它具有较高的频谱利用率 较强的抗干扰性能等优点 PSK数字调制技术灵活多样 更适应于高速数据传输和快速衰落的信道 在2G向3G演进的过程中 它已成为各移动通信系统主要的调制方式 6 6现代数字调制技术 6 6 5OFDM技术OFDM的英文全称为OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing 中文含义为正交频分复用技术 OFDM是一种多载波数字通信调制技术 属于复用方式 它是由多载波调制 MCM 技术发展而来 应用已有近40年的历史 它开始主要用于军用的无线高频通信系统 这种多载波传输技术在无线数据传输方面的应用是近十年来的新发展 由于其具有频谱利用率高 抗噪性能好等特点 适合高速数据传输 已被普遍认为是第四代移动通信系统最热门的技术之一 OFDM的另一个优点在于每个载波所使用的调制方法可以不同 各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式 比如BPSK QPSK 8PSK 16QAM 64QAM等 实现频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则 模块小结6 1 知识体系 2 知识要点 数字信号的传输有基带传输和频带传输两种方式 未经调制而直接进行传输的方式称为基带传输 包含调制和解调装置的数字信号传输方式称为频带传输 数字调制与解调是数字通信系统的基本组成部分 数字信号经过模拟信道传输必须调制 数字调制有振幅键控 ASK 频移键控 FSK 和相移键控 PSK 三种基本方式 振幅键控就是用数字基带信号去控制载波的幅度变化 2ASK信号可由乘法器产生 其解调可采用相干解调和非相干解调两种方法 2ASK信号的频谱由载频分量及上下边频分量组成 其带宽是数字基带信号带宽的两倍 振幅键控的优点是设备简单 频带利用率较高 缺点是抗噪声性能差 频移键控就是利用不同频率的载波来传送数字信号 2FSK信号的产生有直接调频法和键控法 解调有相干解调和非相干解调以及过零点检测法等 2FSK信号频带较宽 频带利用率比2ASK信号低 一般用于低速数据传输系统 频移键控的优点是抗干扰能力强 缺点是占用频带较宽 2 知识要点 相移键控就是用同一个载波的不同相位来传送数字信号 分为绝对相移和相对相移两种 2PSK信号频谱中没有载频分量 带宽与2ASK相同 为数字基带信号带宽的两倍 其解调只能用相干解调法 由于绝对相移存在 相位模糊 问题 所以实际应用以相对相移为主 2DPSK信号的产生 解调方法 功率谱结构及带宽与2PSK相同 但输入输出信号都要完成绝对码到相对码和相对码到绝对码的转换 2DPSK信号的解调还可采用差分相干解调法 相移键控在频带利用和抗干扰方