信号的频带传输

1、第第4 4章章 数字信号的频带传输数字信号的频带传输2021-12-142信道信道噪声源噪声源信宿信宿信源译码信源译码电电/非电非电变换变换D/A变换变换数数据据解解压压解解密密译译码码信信道道译译码码解调器解调器信信 息息源源信源编码信源编码非电非电/电电变换变换A/D变换变换信信道道编编码码离离散散连连续续数数据据压压缩缩加加密密编编码码数字信号的数字信号的频带传输频带传输调制器调制器 本章学习要求本章学习要求n掌握调制的概念，掌握数字信号的频带掌握调制的概念，掌握数字信号的频带传输系统构成传输系统构成n掌握掌握2ASK、2FSK、2PSK和和2DPSK调调制原理、信号特性，理解调制、解调

2、方制原理、信号特性，理解调制、解调方法，了解二进制数字调制系统性能法，了解二进制数字调制系统性能n掌握多进制数字调制原理，了解信号特掌握多进制数字调制原理，了解信号特性性n熟悉熟悉QAM调制原理，掌握星座图调制原理，掌握星座图4.2 二进制幅度键控（二进制幅度键控（2ASK）本章主要内容本章主要内容4.3 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）4.4 二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK）4.6 正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）4.5 多进制数字调制多进制数字调制4.1 调制调制4.1 为什么要调制为什么要调制 数字基带信号数字基带信号：频谱（功率谱）集中在零频谱（功率谱）集中在零

3、频率附近。频率附近。带通信道带通信道：传输特性是带通型的。传输特性是带通型的。问题问题：数字基带信号能在带通型信道上直接数字基带信号能在带通型信道上直接传输吗？传输吗？f(Hz)20001X(f)5000100001H(f)输出信号为输出信号为0！要使信号通过信道，必须在传输前对信号频谱要使信号通过信道，必须在传输前对信号频谱进行搬移，搬移到信道的通带范围内，这种信进行搬移，搬移到信道的通带范围内，这种信号频谱的搬移过程称为号频谱的搬移过程称为调制调制，接收端信号频谱，接收端信号频谱反搬移的过程称为反搬移的过程称为解调解调。 调制实现方法调制实现方法20001X(f)fc-fcmodulati

4、onfc-fc20001X(f)demodulation)()(21ccffXffX)()(21ccffXffX用用基带信号基带信号控制控制载波载波的某个参量。的某个参量。 调制分类调制分类n 根据基带信号的不同，调制分为：根据基带信号的不同，调制分为：数字调制数字调制：基带信号为数字信号：基带信号为数字信号模拟调制模拟调制：基带信号为模拟信号：基带信号为模拟信号n 根据所用载波的不同，调制分为：根据所用载波的不同，调制分为： 正弦载波调制正弦载波调制：载波为正弦信号：载波为正弦信号 脉冲调制脉冲调制：载波为脉冲信号：载波为脉冲信号 数字调制分类数字调制分类n 用基带数字信号控制高频载波，把基

5、带数字信用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为号变换为频带数字信号的过程称为数字调制数字调制。把。把逆过程称为逆过程称为数字解调数字解调。n 基本的数字调制方式基本的数字调制方式 幅度键控幅度键控(ASK)(ASK)：用载波的不同：用载波的不同振幅振幅表示数字消息。表示数字消息。 相位键控相位键控(PSK)(PSK)：用载波的不同用载波的不同初相位初相位表示数字消息。表示数字消息。 频率键控频率键控(FSK)(FSK)：用载波的不同：用载波的不同频率频率表示数字消息。表示数字消息。数字基带信号可以同时控制载波的若干个参数。数字基带信号可以同时控制载波的若干个参数

6、。 数字频带传输系统数字频带传输系统正弦载波信号正弦载波信号)cos()(00tAtCcn 典型应用典型应用使用模拟电话信道传输数据信号使用模拟电话信道传输数据信号 单极性NRZ码频谱 电话信道的传递函数 4.2 二进制幅度键控（二进制幅度键控（2ASK）本章主要内容本章主要内容4.3 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）4.4 二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK）4.6 正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）4.5 多进制数字调制多进制数字调制4.1 调制调制n 幅度键控幅度键控 4.2 二进制幅度键控（二进制幅度键控（2ASK）记作记作ASK(Amplitude Shift Ke

7、ying)， 或称其为开关或称其为开关键控键控(通断键控通断键控)， 记作记作OOK(On Off Keying)。 二进二进制数字振幅键控通常记作制数字振幅键控通常记作2ASK。n 2ASK调制信号波形调制信号波形 2ASK调制模型调制模型)cos()()(ttstecn ASK信号信号 nbnnTtgats)()(其中其中 g(t)是单位矩形脉冲，周期为是单位矩形脉冲，周期为Tban取值为：取值为： 码元码元”“”“0011na 2ASK信号波形求解示例信号波形求解示例【例例1】某某2ASK调制系统的码元传输速率为调制系统的码元传输速率为1000波特，载频为波特，载频为3000Hzn 模拟

8、法模拟法2ASK调制方法调制方法n 键控法键控法tCcos载波载波发生器发生器)(ts)(te基带信号基带信号形成器形成器带通带通滤波器滤波器)(tsnatCcos)(te)(2teASKn 相干检测法相干检测法相乘器输出相乘器输出 ttststtey(t)CC2cos2121cos低通滤波器输出低通滤波器输出 为单极性基带数字信号，经抽样判决器判决后为单极性基带数字信号，经抽样判决器判决后输出数字信号输出数字信号)(21)(tstz 2ASK的解调的解调 2ASK的解调的解调n 包络检波法包络检波法 2ASK信号频谱信号频谱n 2ASK频谱频谱 )()(41)(cscseffPffPfPn若

9、若 s(t)为单极性为单极性NRZ全占空矩形脉冲，全占空矩形脉冲，P=1/2n 2ASK信号的功率谱由信号的功率谱由连续谱连续谱和和离散谱离散谱两两部分组成部分组成n 若只计谱的主瓣，若只计谱的主瓣，2ASK信号的带宽为：信号的带宽为： B=2fbn 2ASK系统的频带利用率系统的频带利用率 2ASK信号频谱特性信号频谱特性HzBaudffBRbbB/212 2ASK调制特点调制特点n n n 4.2 二进制幅度键控（二进制幅度键控（2ASK）本章主要内容本章主要内容4.3 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）4.4 二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK）4.6 正交振幅调制（正交振

10、幅调制（QAM）4.5 多进制数字调制多进制数字调制4.1 调制调制n 频移键控频移键控 4.3 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）频率调制又称频移键控，记作频率调制又称频移键控，记作FSK(Frequency Shift Keying)，二进制频移键控记作，二进制频移键控记作2FSK。2FSK信号是信号是符号符号“1”对应于载频对应于载频1， 而符号而符号“0”对应于载频对应于载频2的已调波形，而且的已调波形，而且1与与2之间的改变是瞬间完成的。之间的改变是瞬间完成的。 n 2FSK信号信号2FSK信号时域描述信号时域描述)cos()()cos()()(21ncnbnncnbntnT

11、tgatnTtgate式中an 取1、0值， 和 是相互独立的随机相位 。g(t)是高度为a、宽度为Tb 的矩形脉冲。nn2FSK2FSK可看作由角频率为可看作由角频率为c1和和c2的两个的两个2ASK2ASK信号组成。信号组成。 2FSK信号波形求解示例信号波形求解示例【例例2】某某2FSK调制系统的码元传输速率为调制系统的码元传输速率为1000波特。设发送符号为波特。设发送符号为“1”时对应载频时对应载频2000Hz，发送符号为，发送符号为“0”时对应载频为时对应载频为3000Hzn 模拟调频法（模拟调频法（ CPFSK ）2FSK调制实现方法调制实现方法n 键控法（键控法（ DPFSK

12、）n 过零点检测法过零点检测法2FSK解调方法解调方法n 差分检测法差分检测法n 包络解调法包络解调法n 相干检测法相干检测法n 相干检测法相干检测法 2FSK相干检测与包络检测相干检测与包络检测n 包络解调法包络解调法2FSK包络解调各点波形包络解调各点波形2FSK差分检测与过零点检测差分检测与过零点检测n 差分检测法差分检测法n 过零点检测法过零点检测法放大放大限幅限幅微分微分整流整流脉冲脉冲形成形成低通低通abcdef2FSK过零点检测各点波形过零点检测各点波形dtatbtctetft 2FSK信号频谱信号频谱n 2FSK频谱频谱 )()(41)()(41)(2211cscscscsef

13、fPffPffPffPfPn若若 s(t)为单极性为单极性NRZ全占空矩形脉冲，全占空矩形脉冲，P=1/2，2FSK信号频谱图信号频谱图bbccfDfffB)2(2|21 其中其中D=|fc1fc2|/fb，称为调制指数或频移指数，为称为调制指数或频移指数，为保证接收端能够正确接收，保证接收端能够正确接收，|fc1fc2|通常取通常取2fb或更大或更大 412|21bccbBffffBRn 2FSK信号带宽：信号带宽：n 2FSK系统频带利用率：系统频带利用率： 2FSK调制特点调制特点4.2 二进制幅度键控（二进制幅度键控（2ASK）本章主要内容本章主要内容4.3 二进制频移键控（二进制频移

14、键控（2FSK）4.4 二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK）4.6 正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）4.5 多进制数字调制多进制数字调制4.1 调制调制n 相移键控相移键控4.4 二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK）相移键控，记作相移键控，记作PSK(Phase Shift Keying)，二进制，二进制频移键控记作频移键控记作2PSK。n 绝对调相与相对调相绝对调相与相对调相l 绝对调相（绝对调相（PSK）：固定的用某种相位的载波）：固定的用某种相位的载波表示表示“1”，另一种相位的载波表示，另一种相位的载波表示“0”l 相对调相（相对调相（DPSK）：利用前后相邻码元的相）

15、：利用前后相邻码元的相对相位值来表示数据码元，例如常用的方式是相对相位值来表示数据码元，例如常用的方式是相邻码元载波相位变化表示邻码元载波相位变化表示“1”，不变表示，不变表示“0” 2PSK信号波形信号波形n 2PSK 2PSK信号表示信号表示”信息“”信息“100n”信息“”信息“010nncbnnnctnTtgatte)cos()cos()(an 取值取值1，+1 2PSK信号波形求解示例信号波形求解示例【例例3】某某2PSK调制系统的码元传输速率为调制系统的码元传输速率为1000波特，载波频率为波特，载波频率为3000Hz”信息“”信息“100nn 直接调相法直接调相法 2PSK调制原

16、理调制原理n 键控法键控法 2PSK直接调相法各点波形直接调相法各点波形 2PSK解调方法解调方法相干检测相干检测若载波反向若载波反向工作，则接工作，则接收的输出信收的输出信号如何？号如何？2PSK方式的方式的“倒倒 ”（反（反向）工作现向）工作现象，又称为象，又称为“相位模糊相位模糊” 2DPSK信号波形信号波形”信息“”信息“100n”信息“”信息“010nncbnnnctnTtgbtte)cos()cos()(bn 取值取值为为1，+1,相对码相对码n 相对相位是指相对相位是指本码元初相本码元初相与与前一码元的末相前一码元的末相相位相位之差。之差。 2DPSK信号波形求解示例信号波形求解

17、示例【例例4】某某2DPSK调制系统的码元传输速率为调制系统的码元传输速率为1000波特，载波频率为波特，载波频率为2000Hz”信息“”信息“100n”信息“”信息“100n 2DPSK调制原理调制原理n 绝对码和相对码的相互转换绝对码和相对码的相互转换nnnabb1编码编码译码译码nnnbba1Tb延迟延迟anbn 1bnTbbn延迟延迟Tbanbn 1n 2DPSK调制器框图调制器框图 2DPSK解调方法解调方法n 相干检测差分译码相干检测差分译码 n 相位比较差分检测相位比较差分检测 若载波反向工作，是否存在相位模糊问题？若载波反向工作，是否存在相位模糊问题？ 2DPSK差分检测各点波

18、形差分检测各点波形n 2PSK 2PSK信号频谱信号频谱 2PSK信号频谱分析信号频谱分析)()(41)(cscseffPffPfPn 若若 s(t)为双极性为双极性NRZ全占空矩形脉冲，全占空矩形脉冲，P=1/2 2PSK信号频谱分析信号频谱分析n 2PSK 2PSK信号带宽：信号带宽： B=2fbn 2PSK 2PSK信号的频带利用率：信号的频带利用率：HzBaudffBRbbB/2122DPSK2DPSK调制和调制和2PSK2PSK调制的区别仅在于对调制的区别仅在于对应的基带信号是差分双极性码，所以应的基带信号是差分双极性码，所以其频谱结构与其频谱结构与2PSK2PSK信号的完全相同信号

19、的完全相同 2PSK及及2DPSK系统性能比较系统性能比较n 检测这两种信号时判决器均可工作在最佳检测这两种信号时判决器均可工作在最佳门限电平门限电平(零电平零电平)n 2DPSK系统的抗噪声性能不及系统的抗噪声性能不及2PSK系统系统n 2PSK系统存在系统存在“反向反向”工作问题，而工作问题，而2DPSK系统不存在系统不存在“反向反向”工作问题。工作问题。在实际应用中，真正作为传输用的数在实际应用中，真正作为传输用的数字调相信号几乎都是字调相信号几乎都是DPSKDPSK信号。信号。n带宽带宽n抗噪性能抗噪性能n最佳判决门限最佳判决门限n设备复杂性设备复杂性 二进制数字调制系统性能比较二进制

20、数字调制系统性能比较 二进制数字调制系统抗噪性能比较二进制数字调制系统抗噪性能比较结论：结论：2ASK由于抗噪声性能差，又不由于抗噪声性能差，又不容易工作在最佳判决门限，因而很少容易工作在最佳判决门限，因而很少使用。使用。2FSK相干解调在接收机中需要相干解调在接收机中需要两个相干载波，而抗噪声性能却不如两个相干载波，而抗噪声性能却不如2PSK，因而没有实际使用。因而没有实际使用。2DPSK的的抗噪声性能比抗噪声性能比2PSK稍差，但不存在稍差，但不存在2PSK中的中的“反向反向”工作问题。工作问题。因此实因此实际中广泛使用的是际中广泛使用的是2FSK非相干解调系非相干解调系统和统和2PSK、

21、2DPSK相干解调系统。相干解调系统。4.2 二进制幅度键控（二进制幅度键控（2ASK）本章主要内容本章主要内容4.3 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）4.4 二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK）4.6 正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）4.5 多进制数字调制多进制数字调制4.1 调制调制 4.5 多进制数字调制多进制数字调制n 多进制数字调制特点：多进制数字调制特点：l 多进制数字振幅调制（多进制数字振幅调制（MASK）l 多进制数字频率调制（多进制数字频率调制（MFSK）l 多进制数字相位调制（多进制数字相位调制（MPSK）其中，其中， g(t)是高度为是高度为A、宽度为

22、宽度为Tb 的矩形脉冲，的矩形脉冲，an 表示表示第第n个码元的数字信息，其取值为个码元的数字信息，其取值为1210P.PPP1.210mnma概率为概率为概率为概率为 MASK满足满足110miiP tnTtgattstecnbnccoscos)(MASK信号可看成信号可看成m个个2ASK信号的叠加信号的叠加 n 设码元速率为设码元速率为fb ，信号的带宽与码元数无关信号的带宽与码元数无关 若若2ASK和和MASK数字信号的数字信号的码元速率相同码元速率相同，则两者的信号则两者的信号带宽相同带宽相同，MASK信号的信号的信息速率信息速率是是2ASK信号的信号的k=log2m 倍倍 MASK信

23、号的带宽信号的带宽bMASKfB2频带利用率频带利用率)/(2log2log22HzbpsmfmfbbMASK出现以概率出现以概率出现以概率m22221111P)2cos()(P)2cos()(P)2cos()(mmmtfAtstfAtstfAts MFSK11miiPMFSK信号可看成信号可看成m个振幅相同、频率不个振幅相同、频率不同的同的2ASK信号的叠加信号的叠加n MFSK信号的带宽为信号的带宽为 bmMFSKfffB21其中，其中，fm、f1 分别是最高和最低频率，分别是最高和最低频率，fb 是码元是码元速率。速率。 n 若相邻频率间隔等于若相邻频率间隔等于2fb （功率谱主瓣正好不

24、功率谱主瓣正好不重叠），则重叠），则f)(fPemf1f2fMFSKB2fb MFSK信号的带宽信号的带宽bMFSKmfB2频带利用率频带利用率)/(2log2log22HzbpsmmmfmfbbMFSKn 码元速率一定，带宽随码元速率一定，带宽随m增大线性增大。增大线性增大。n 信息速率信息速率Rb一定，码元速率一定，码元速率 mRfRbbB2logmmRmfBbbMFSK2log22带宽带宽 信息速率一定，带宽随信息速率一定，带宽随m增大而增大。增大而增大。 MFSK调制的频带利用率随调制的频带利用率随m增大而下降。增大而下降。 MFSK码元速率和频带利用率码元速率和频带利用率 MPSKk

25、是第是第k个码元的相位有个码元的相位有M种不同取值种不同取值coskkasinkkbtkTtgbtkTtgatkTtgteckbkckbkkckbsincoscos)(0MPSK信号可看成载波互为正交的两路信号可看成载波互为正交的两路MASK信号的叠加信号的叠加相位配置的第一种形式：相位配置的第一种形式：0相位配置的第二种形式：相位配置的第二种形式：M/M=4，对于第一种形式，可能的对于第一种形式，可能的4种相位为种相位为23,2,0对于第二种形式，可能的对于第二种形式，可能的4种相位为种相位为47,45,43,4称为称为/2体系。体系。称为称为/4体系。体系。20, 1,2,(1)kiiMM

26、 MPSKn 相位取值：相位取值：0)00()11(/2 体系体系0)01(43)10(47/4 体系体系 MPSK信号矢量图信号矢量图)10(2)01(23)11(4)00(45 10 11 00 10 01 00 双比特码双比特码参考载波参考载波t/2体系体系ccot/4体系体系 MPSK信号波形图信号波形图n MPSK信号的带宽为信号的带宽为 MPSK信号的带宽信号的带宽bMPSKfB2 折合到每赫兹带宽的折合到每赫兹带宽的MPSK信号的信信号的信息速率是息速率是2PSK信号的信号的k=log2M倍。倍。4.2 二进制幅度键控（二进制幅度键控（2ASK）本章主要内容本章主要内容4.3 二

27、进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）4.4 二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK）4.6 正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）4.5 多进制数字调制多进制数字调制4.1 调制调制 4.6 正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）n QAM信号一般表达式信号一般表达式 ttmttmtycQcIsincos)(mI(t)和和mQ(t)为两个独立的为两个独立的基带基带波形，其为波形，其为多电平信号。多电平信号。若若mI(t)和和mQ(t) 为为L电平信号，则电平信号，则QAM信号信号个数个数M=L2。 星座图星座图n MQAM调制原理调制原理n调制原理图调制原理图n解调原理图解调原理图 4QAM调制过程各点波形调制过程各点波形 4QAM解调过程各点波形解调过程各点波形 MQAM系统性能系统性能n MQAM信号带宽信号带宽B=2fbn MQAM频带利用率频带利用率