第6章：调制技术(3G培训).ppt

第6章调制技术,图6-1模拟通信系统模型,6.1、绪论,1数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，如图6-2所示。数字通信涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、同步以及加密等。下面对这些技术作简要介绍。1)信源编码与译码信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。作用之二是，当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。第6章中将讨论模拟信号数字化传输的两种方式：脉冲编码调制(PCM)和增量调制(M)。信源译码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、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，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，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。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，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。,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）相移键控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实现。数字调制是本教材的重点内容之一，将在第7章中讨论。此外，第9章还将介绍一些现代调制技术。5）同步与数字复接同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。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，这些问题将集中在第11章中讨论。,数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。复用与复接概念将在第10章中介绍。需要说明的是，图1-5是数字通信系统的一般化模型，实际的数字通信系统不一定包括图1-1中的所有环节。如在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节，详见第5章。应该指出的是，模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子。,图62数字通信系统模型,当然，数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。,6.2、几个基本概念引言,1、基带信号,频率很低的电信号，其频谱特点是包括（或不包括）直流分量的低通频谱，其最高频率和最低频率之比远大于1。我们称这种信号为基带信号。,2、调制：,调制就是按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。,（1）、调制为了容易辐射,3、调制的作用：,（2）、调制为了多路复用,（3）、调制为了提高抗干扰能力,4、调制的分类：,模拟调制系统分线性调制（幅度调制）和非线性调制（角度调制）两类幅度调制有调幅（AM）、双边带（DSB）、单边带（SSB）、残留边带（VSB）等。角度调制分调频（FM）和调相（PM）,1、幅度调制器的一般模型如图6-3所示。,6.3、模拟调制幅度调制（线性调制）的原理,幅度调制：,是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。,幅度调制的原理,图6-3幅度调制器的一般模型,设调制信号m(t)的频谱为M()，冲激响应为h(t)的滤波器特性为H(),则该模型输出已调信号的时域和频域一般表示式为,2、表达式：,式中，c为载波角频率,Sm(t)=m(t)cosct*h(t)（时域）,Sm()=M(+c)+M(-c)H()（频域）,由以上表达式可见：对于幅度调制信号在波形上：它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上：它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移(精确到常数因子)。,由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制。,图6-3是调制器的一般模型，在该模型中，适当选择滤波器的特性H()，便可以得到各种幅度调制信号。例如，调幅、双边带、单边带及残留边带信号等。下面，我们按此顺序进行讲解,一、调幅(AM),图6-4AM调制器模型,1、AM信号的数学模型,图6-5AM信号的波形和频谱,2、已调信号的波形和频谱,3、AM已调信号的带宽：,4、已调信号功率,调幅波的平均功率，可以通过计算SAM(t)的均方值求得，即,通常假设调制信号没有直流分量，即=0。,因此PAM=,式中，PC=/2为载波功率，PS=/2为边带功率。,由此可见，AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分。只有边带功率才与调制信号有关。也就是说，载波分量不携带信息。即使在“满调幅”（|m(t)|max=A0时，也称100调制）条件下，载波分量仍占据大部分功率，而含有用信息的两个边带占有的功率较小。因此，从功率上讲，AM信号的功率利用率比较低。,在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果将载波抑制，只需在图6-5中将直流A0去掉，即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）。,二、抑制载波双边带调制（DSB）,DSB调制器模型,1、DSB信号的数字模型,图6-6DSB信号的波形和频谱,由时间波形可知，DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调(同步检波)。,DSB的讨论：,2、DSB已调信号的带宽,3、已调信号功率,PDSB=,结论：DSB信号虽然节省了载波功率，调制效率提高了，但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍，与AM信号带宽相同。由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，它们都携带了调制信号的全部信息，因此仅传输其中一个边带即可，这就是单边带调制能解决的问题。,DSB信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种只传输一个边带的调制方式称为单边带调制。,三、单边带调制(SSB),单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法。,产生SSB信号最直观的方法是让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。这只需将图4-1中的形成滤波器H()设计成如图4-5所示的理想低通特性HLSB()或理想高通特性HUSB()，就可分别取出下边带信号频谱SLSB()或上边带信号频谱SUSB()，如图6-7所示。,1.用滤波法形成单边带信号,单边带信号的滤波法形成,（1）、SSB信号的滤波法形成框图,图6-8SSB信号的频谱,（2）、SSB信号的频域及波形,是AM调制信号带宽的一半。,（3）、SSB已调信号的带宽：,（4）、发送信号功率,综上所述：SSB调制方式在传输信号时，不但可节省载波发射功率，而且它所占用的频带宽度为BSSB=fH，只有AM、DSB的一半，因此，它目前已成为短波通信中的一种重要调制方式。,SSB信号的解调和DSB一样不能采用简单的包络检波，因为SSB信号也是抑制载波的已调信号，它的包络不能直接反映调制信号的变化，所以仍需采用相干解调。,6.4非线性调制（角调制）的原理,使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式，称为频率调制（FM）和相位调制(PM)，分别简称为调频和调相。,1、调频和调相,因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制。,角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。,由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，故调频与调相之间存在密切的关系，即调频必调相，调相必调频。鉴于FM用的较多，本节将主要讨论频率调制。,任何一个正弦时间函数，如果它的幅度不变,则可用下式表示：c(t)=Acos(t)式中，(t)称为正弦波的瞬时相位。,非线性调制的原理,一、角调制的基本概念,将(t)对时间t求导可得瞬时频率,因此,(t)=,(t)=,c(t)=Acosct+0,1、未调制的正弦波表达,瞬时相位(t)=ct+0,0为初相位，是常数。,(t)=c是载频，也是常数。,2、调制后角度调制信号的一般表达式,角调制后，正弦波的频率和相位都要随时间变化，可把瞬时相位表示为(t)=ct+(t),已调信号为：,Sm(t)=Acosct+(t),式中，A是载波的恒定振幅；,ct+(t)是信号的瞬时相位(t)，,(t)称为相对于载波相位ct的瞬时相位偏移；,dct+(t)/dt是信号的瞬时角频率，,d(t)/dt称为相对于载频c的瞬时角频偏。,令(t)=Kpm(t)其中Kp是常数。,二、调相波PM与调频波FM的定义,1、PM：,所谓相位调制，是指瞬时相位偏移随调制信号m(t)而线性变化。,即,于是，调相信号可表示为,所谓频率调制，是指瞬时频率偏移随调制信号m(t)而线性变化，即,2、FM：,其中KF是一个常数，这时相位偏移为,(t)=,所以：则可得调频信号为,由上面分析可见，FM和PM非常相似，如果预先不知道调制信号m(t)的具体形式，则无法判断已调信号是调相信号还是调频信号。,6.5数字调制技术线性调制：已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同，只不过是频率位置（中心频率）搬移而已。例如振幅键控（ASK）。非线性调制：已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不相同，不再是简单的频率位置（中心频率）搬移，而是将会出现新的频率成分。例如FSK、PSK等。,典型的数字调整系统一、二进制振幅键控（2ASK）1、2ASK概念：,2、2ASK信号的产生通常，二进制振幅键控信号的产生方法（调制方法）有两种（1）模拟幅度调制方法：,（2）键控方法，其产生键控信号（OOK，On-offkeying）,2ASK信号的波形示例,3、2ASK信号的解调有两种解调方法：非相干解调与相干解调。,图6-9和图6-10二进制振幅键控信号解调器原理框图,4、2ASK信号的功率谱和带宽（1）频谱分析由于二进制振幅键控信号是随机的功率型的信号，因此研究频谱特性，应该讨论它的功率谱特性。,频谱图：,（2）带宽二进制ASK信号的带宽是基带脉冲信号带宽的两倍。即,二、二进制移频键控（2FSK）系统2FSK的概念：1、2FSK信号的表达式一个2FSK信号可以看成两个不同频率的2ASK信号之和。,二进制移频键控信号的时间波形,2、2FSK信号的产生通常，二进制振幅键控信号的产生方法（调制方法）有两种（1）直接调频法。（2）频率键控方法。,3、2FSK信号的解调有两种解调方法：非相干解调与相干解调。,图6-11FSK信号的相干解调,4、2FSK信号的功率谱和带宽（1）频谱分析功率谱是两个ASK信号功率谱之和。,如图6-12FSK信号的功率谱,结论：,（3）带宽传输2FSK信号所需要的频带约为,三、2PSK及2DPSK系统二进制数字调相是利用二进制数字基带信号控制连续载波的相位，进行频谱变换的过程。根据载波相位表示数字信息的方式不同，数字调相分为绝对相移（PSK）和相对相移（DPSK）两类。1、2PSK的概念：2、2DPSK的概念：,3、2PSK及2DPSK信号的解调：2PSK信号的解调：只有一种：相干解调,图6-12PSK信号的解调原理图,4、2PSK及2DPSK信号的功率谱和带宽（1）频谱分析,2PSK(2DPSK)信号的功率谱密度,四、多进制数字调制概述,多进制数字调制是利用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率或相位。因此，相应地