第6章 数字信号的频带传输系统

1、第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 1 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 本章要点本章要点 引言引言 二进制数字调制原理二进制数字调制原理 二进制数字调制的频谱特性二进制数字调制的频谱特性 二进制数字调制系统的性能比较二进制数字调制系统的性能比较 数字调制系统及应用数字调制系统及应用 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 2 分类分类 幅移键控幅移键控2ASK-QAM 频移键控频移键控2FSK-GMSK 相移键控相移键控2PSKQPSK 频带传输：频带传输：将基带信号进行调制，即将基带信号的频谱搬移到某将基带信号进行调制，即将基

2、带信号的频谱搬移到某 一高频处，变为频带信号进行传输，称为频带传输方式一高频处，变为频带信号进行传输，称为频带传输方式。 6.1 数字调制技术简介数字调制技术简介 调制信号：数字调制信号：数字 载波：正弦波载波：正弦波 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 3 一、二进制幅移键控（一、二进制幅移键控（2ASK2ASK）调制与解调）调制与解调 6.2 二进制数字调制原理二进制数字调制原理 1 1定义：用二进制数字信号定义：用二进制数字信号“1 1、”去控制正弦载波的幅度去控制正弦载波的幅度 调制信号：二进制数字信号调制信号：二进制数字信号“1 1、” 二进制数字二进制数字调制

3、调制 载波：正弦波载波：正弦波 对单极性不归对单极性不归0的矩形脉冲序列，的矩形脉冲序列，“1”码打开通路，送出载波；码打开通路，送出载波； “0”码关闭通路，输出码关闭通路，输出0电平电平 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 4 一般情况下，调制信号是具有一定波形形状的二进制序列一般情况下，调制信号是具有一定波形形状的二进制序列 n sn nTtgatf 借助于模拟幅度调制原理，二进制序列幅移键控信号的借助于模拟幅度调制原理，二进制序列幅移键控信号的 一般表达式为一般表达式为 tnTtgattfts c n sncASK coscos 2 载波载波: e(t)=cosc

4、t 2 2表达式表达式 Ts:Ts:码元间隔码元间隔 g(tg(t):):调制信号脉冲表达式调制信号脉冲表达式 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 5 3波形波形 信号ASK2 c2s Acosct “1” 0 “0” S2ASK (t)= 载波载波 二进制代码二进制代码 c s 设：二进制代码为单极性不归零码设：二进制代码为单极性不归零码 Ts 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 6 t 4产生方式产生方式 （1）模拟法）模拟法 cosct s (t) S2ASK (t) （2）数字键控法）数字键控法 cosct s(t) s2ASK (t) “1

5、” “0” 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 7 t (1)相干相干(同步同步)解调解调 c Acosct “1” 0 “0” S2ASK (t)= cos0t+ 5. 解调解调 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 8 (2)非相干解调非相干解调(包络检波包络检波) 二进制代码二进制代码 2ASK(a) b 位定时位定时 输出（有延时）输出（有延时） 1 0 0 1 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 9 1 1定义：用二进制数字信号定义：用二进制数字信号 “ “ 1 1、”去控制载波的频率去控制载波的频率 2 2数学表达式数

6、学表达式 n a 式中式中g(tg(t) )为单极性不归为单极性不归0 0的矩形脉冲信号的矩形脉冲信号, , n a为为 的反码的反码 二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK2FSK）调制与解调）调制与解调 n sn n snFSK tnTtgatnTtgats 212 coscos 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 10 3波形波形 若只考虑在一个码元的持续时间内若只考虑在一个码元的持续时间内 0cos 1 cos 2 1 2 tA tA ts FSK 12s24s 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 11 t 4产生方式产生方式 （1

7、）模拟法）模拟法 （2）数字键控法）数字键控法 相位连续，易于相位连续，易于 实现，稳定性差实现，稳定性差 相位不连续，稳定度相位不连续，稳定度 和准确性好和准确性好 1 2 S2FSK (t) S2FSK (t) 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 12 t （1）相干解调）相干解调 5.解调解调 “1” “0” x1(t) x2(t) 判判“1” x1(t) x2(t) 判判“0” S2FSK (t) 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 13 0 1输出 位定时 2 v 1 v 2 y 1 y 0 1 FSK2 s （2）包络检波法）包络检波法

8、v1(t) v2(t) 判判“1” v1(t) v2(t) 判判“0” “1” “0” S2FSK (t) 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 14 g 位定时 （3）过零检测法）过零检测法 1 1 0 0 1 1 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 15 2.2PSK2.2PSK表达式表达式 载波载波0 0相位表示相位表示“1”1”，载波，载波 相位表示相位表示“0”0” 1.1.定义定义:用载波的固定相位直接去表示数字信号的用载波的固定相位直接去表示数字信号的“1、” tnTtgats c n sn cos)()( 2PSK )1 (, 1 ,

9、1 P P an 概率为 概率为 三、二进制绝对相移键控三、二进制绝对相移键控(2PSK)调制与解调调制与解调 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 16 Acosct - “1” 0相位相位 Acos(ct + )- “0” 相位相位 s2PSK (t)= 1 0相位相位 0 相位相位 载波载波 设设g(t)是幅度为是幅度为A的单极性不归零码的单极性不归零码 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 17 3.3.波形波形 载波 1 0相位相位 0 相位相位 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 18 4.4.产生方式产生方式 a.模拟

10、法模拟法 b.数字键控法数字键控法 “1” “0” S2PSK (t) S2PSK (t) 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 19 5.5.解调方法（相干解调）解调方法（相干解调） 2PSK信号的解调只能用相干解调一种形式信号的解调只能用相干解调一种形式 输出 判决器 抽样 LPF 相乘器 BPF 位定时 d c b a t c cos 100 0 111 输出 位定时 d c b a 1000111 2PSK s 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 20 结论：结论： 相干解调时，接收端的本地载波必须与发送载波同频同相。相干解调时，接收端的本地载

11、波必须与发送载波同频同相。 若本地载波产生若本地载波产生180倒相时解调出的数字基带信号将全部出错，倒相时解调出的数字基带信号将全部出错， 即出现即出现“倒倒”现象。现象。 1011输出 位定时 d c b a 1000111 11 0 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 21 1011输出 位定时 d c b a 1000111 11 0 结论：结论： 相干解调时，接收端的本地载波必须与发送载波同频同相。相干解调时，接收端的本地载波必须与发送载波同频同相。 若本地载波产生若本地载波产生180倒相时解调出的数字基带信号将全部出错，倒相时解调出的数字基带信号将全部出错， 即

12、出现即出现“倒倒”现象。现象。 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 22 1.定义：定义：2DPSK信号是利用已调信号的前后码元相位的信号是利用已调信号的前后码元相位的 相对变化相对变化表示二进制数字消息表示二进制数字消息1或或0的。的。 2.表达式：表达式： s2DPSK (t)= 设前后码元载波的相位差：设前后码元载波的相位差： 1 kk ”“ ”“ 1 00 二进制二进制 二进制二进制 四、二进制相对相移键控四、二进制相对相移键控(2DPSK)调制与解调调制与解调 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 23 信号信号DPSK2 01011100

13、相相位位 参参考考 3.波形图波形图 4.产生方式产生方式 2DPSK信号信号 an t c cos 差分编码差分编码 相乘器相乘器 BPF bn a.模拟法模拟法 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 24 差分码 绝对码的绝对码的2DPSK相当于相对（差分）码的相当于相对（差分）码的2PSK 2DPSK信号信号 an t c cos 差分编码差分编码 相乘器相乘器 BPF bn 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 25 b.数字键控法数字键控法 差分码差分码 2DPSK信号信号 an t c cos 差分编码差分编码 相乘器相乘器 BPF bn a

14、.模拟法模拟法 “0” “1” 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 26 5. 解调方式解调方式 （1）相干解调）相干解调 判决器 抽样 低通 相乘器带通 二进制信息 位定时 2DPSK信号信号 差分译码 f edc b a t c cos 10 位定时 f e d c b a 000111 10000111 参考参考 01111000 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 27 10 位定时 f e d c b a 000111 10000111 参考参考 01111000 2. 解调方式解调方式 （1）相干解调）相干解调 判决器 抽样 低通 相乘器

15、带通 二进制信息 位定时 2DPSK信号信号 差分译码 f edc b a t c cos bbc nnn1 0 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 28 （2）差分相干解调）差分相干解调 判决器 抽样 低通相乘器 二进制信息 位定时 信号DPSK 带通 s T e d c b a 10 位定时 e d c b a 000111 10000111 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 29 （2）差分相干解调）差分相干解调 判决器 抽样 低通相乘器 二进制信息 位定时 信号DPSK 带通 s T e d c b a 10 位定时 e d c b a 0

16、00111 10000111 抽样值抽样值0 判判“0” 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 30 相干解调时，若本地载波产生相干解调时，若本地载波产生180倒相时，即出现倒相时，即出现“倒倒”现象。现象。 判决器 抽样 低通 相乘器带通 二进制信息 位定时 2DPSK信号信号 差分译码 f edc b a t c cos 10 位定时 f e d c b a 000111 10000111 参考参考 01111000 1 1 1 0 1 0 1 1 1 00 101 11 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 31 小结：小结： （1）在）在2DPS

17、K的相干解调过程中，若解调端的本地载的相干解调过程中，若解调端的本地载 波出现波出现180倒相时，系统的输出只在倒相的那一位出现倒相时，系统的输出只在倒相的那一位出现 错码，而不会出现成串错码。错码，而不会出现成串错码。 （2）在）在2DPSK的差分相干解调中，由于不需要用本地的差分相干解调中，由于不需要用本地 载波参与解调，因此避免了载波参与解调，因此避免了“倒倒”现象。现象。 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 32 一、一、2ASK信号的功率谱密度信号的功率谱密度 2ASK信号的表达式为：信号的表达式为： ttstnTtgats cc n snASK coscos

18、2 设调制信号设调制信号S(t)的功率谱密度为的功率谱密度为PS )()( 4 1 )( 2cscsASK ffPffPfP 2ASK信号的功率谱密度为：信号的功率谱密度为： 6.3 二进制数字调制系统的频谱特性二进制数字调制系统的频谱特性 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 33 P P an 10 1 概率为 概率为 其中：其中： 设基带信号设基带信号s(t)是单极性不归零矩形脉冲序列是单极性不归零矩形脉冲序列 )( 4 1 ).( 4 1 )( 2 fTfSaTfP sSs 第第5章章s(t)的功率谱密度为：（的功率谱密度为：（P=1/2、单边、单边) )( 4 1

19、 ).( 2 1 )( 222 fATfSaTAfP sSs 单 设设A=1，s(t)的功率谱密度为：（双边）的功率谱密度为：（双边） 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 34 s(t)的功率谱密度为（双边）：的功率谱密度为（双边）： )( 4 1 ).( 4 1 )( 2 fTfSaTfP sSs 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 35 )()( 4 1 )( 2cscsASK ffPffPfP ccscasca s cscsASK ffffTffSTffS T fffff 16 1 16 4 1 22 2 2ASK信号的实质是将基带信号的实质是

20、将基带 功率谱密度搬移到功率谱密度搬移到fc处处 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 36 可见，传输可见，传输2ASK信号的带宽是基带脉冲波形带宽的两倍信号的带宽是基带脉冲波形带宽的两倍 B2ASK=2B基 基=2fS=2RB(Hz) 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 37 二、二、2FSK信号的频谱特性信号的频谱特性 1. 功率谱功率谱 2FSK信号的表达式为：信号的表达式为： n sn n snFSK tnTtgatnTtgats 212 coscos 0 1 2 1 cos cos 二进制 二进制 tA tA 其中：其中：A为信号的幅度为信

21、号的幅度 为为“1”、“0”的角频率的角频率 1 2 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 38 因此，因此，2FSK信号可看成是两个不同载频的信号可看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。信号的叠加。 2FSK 2FSK信号的带宽为信号的带宽为 )f (P)f (P)f (P 2ASK21ASK2FSK2 两个连续谱的峰两个连续谱的峰-峰距离由两峰距离由两 个载频之差决定，若差值小个载频之差决定，若差值小 于于fs则出现则出现单峰单峰（如波形（如波形b），）， 波形波形a为差值等于为差值等于2fs的情况，的情况， 此时的两个载频此时的两个载频f1、f2分别分别 为为fc+

22、fs和和fc-fs 。 对于相位不连续的对于相位不连续的2FSK HzfffB sFSK 2 122 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 39 三、三、2PSK信号的频谱特性信号的频谱特性 2PSK信号的表达式为：信号的表达式为： n csncPSK tnTtgattstscoscos)( 2 s(t)是相当于双极性不归零波形，是相当于双极性不归零波形，(A=1，双边，双边) ) 2 1 ().( )()0()21 ()(2)1 ()( 2 2 2 2 PTfSaT fGPffGPPffP Ss sss Acosct - “1” -Acosct - “0” = 第第6章章

23、 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 40 scasca s cscsPSK TffSTffS T ffPffPf 22 2 4 )()( 4 1 2PSK信号的功率谱为：信号的功率谱为： f sc ff sc ff c f c f0 )( 2 fP PSK s f2 2PSK2PSK信号的连续谱与信号的连续谱与2ASK2ASK信号的连续谱基本相同。信号的连续谱基本相同。 2PSK2PSK信号的带宽为信号的带宽为 B2PSK=B2ASK=2fS=B基 基(Hz) 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 41 一、误码率一、误码率P Pe e与输入信噪比与输入信噪比r

24、 r的关系曲线的关系曲线 6.4 二进制数字调制系统的抗噪声性能二进制数字调制系统的抗噪声性能 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 42 二、结论二、结论 1. 误码率：误码率：r增大，增大，Pe下降下降 ；同一调制方式；同一调制方式, 相干解调好；解调方式相相干解调好；解调方式相 同调制方式不同同调制方式不同 ，PSK系统要求的信噪比系统要求的信噪比r比比FSK系统小系统小 ，FSK系统系统 比比ASK系统要求的系统要求的r小。小。 2. 判决门限判决门限 ：2FSK中，根据两路解调信号的大小作出判决；中，根据两路解调信号的大小作出判决；2PSK和和 2DPSK系统的最

25、佳判决门限电平为系统的最佳判决门限电平为0，稳定性也好；，稳定性也好；ASK系统的最佳门限系统的最佳门限 电平与信号幅度有关，不容易设置。电平与信号幅度有关，不容易设置。 3.频带宽度频带宽度 ：当传码率相同时，当传码率相同时，PSK、DPSK、ASK系统具有相同系统具有相同 的带宽，而的带宽，而FSK系统的带宽较宽，频带利用率最低。系统的带宽较宽，频带利用率最低。 4.设备复杂性：设备复杂性：三种调制方式的发送设备其三种调制方式的发送设备其 复杂性相差不多复杂性相差不多,接收设备中采用相干解调的接收设备中采用相干解调的 设备要比非相干解调时复杂设备要比非相干解调时复杂 。 第第6章章 数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统 43 6.5 移动通信系统移动通信系统 一、移动通信中的现代数字调制技术一、移动通信中的现代数字调制技术 1.