c7-第7章数字调制

1、 数字带通传输第7章二进制数字调制/解调原理 2ASK 2FSK 2PSK/2DPSK 二进制数字调制系统抗噪声性能二进制数字调制系统的性能比较多进制数字调制原理和特点 本章内容: 第7章 数字调制 u数字调制：用数字调制：用数字基带信号数字基带信号控制载波某个参数的过程。控制载波某个参数的过程。u数字带通传输系统：包括调制数字带通传输系统：包括调制/ /解调过程的数字传输系统。解调过程的数字传输系统。 振幅键控 频移键控 相移键控q模拟调制法模拟调制法 q数字键控法数字键控法q二进制二进制和多进制调制q基本调制基本调制和新型调制方法Amplitude Shift Keying Frequen

2、cy Shift Keying Phase Shift Keying ASK PSK FSK 概 述 二进制数字调制原理7.1 1 0 1 101s(t)载波2ASKt2ASK( )( )coscets tt( )()snns tg tnTa+1,=0,1nPaP（）n 表达式： 2ASK 也称 OOKttn 原理：n 波形：单极性单极性Tss(t)载波幅度7.1.1 二进制振幅键控 （2ASK）n2ASK 产生u模拟调制法 u键控法n 2ASK 解调 u 包络检波法u 相干解调法u 包络检波法的各点波形相呼应n原理：n波形：n表达式：2FSK1122( )( )cos( )cosets tt

3、s tt 1()snns tg tnTa 2()snnstg tnTas(t)7.1.2 二进制频移键控（2FSK）一、一、2FSK信号的产生信号的产生1、采用模拟调频电路来实现，如下图（、采用模拟调频电路来实现，如下图（a）；）； 2、采用数字键控的方法来实现，如下图（、采用数字键控的方法来实现，如下图（b）。）。模拟调频器)(ts)(0te)(a)(ts载波1载波2)(0teK)(b)(0te)(ts)(c图图 二进制移频键控二进制移频键控2FSK信号的产生及波形信号的产生及波形1 0 0 1 u模拟调频法：相邻码元之间的相位是连续变化的。相邻码元之间的相位是连续变化的。u 键控法：相邻码

4、元之间的相位不一定连续。相邻码元之间的相位不一定连续。特点特点：转换速度快、电路简单、转换速度快、电路简单、 产生的波形好、频率稳定度高产生的波形好、频率稳定度高。图图 二进制移频键控信号的时间波形二进制移频键控信号的时间波形aak1011001ts(t)ts(t)bttcdettfgt2FSK信号三、三、2FSK信号的解调信号的解调1、非相干解调，如图（、非相干解调，如图（b）；）；2、相干解调，如图（、相干解调，如图（a）。）。3、过零检测法；、过零检测法；图图79二进制移频键控信号解调器原理图二进制移频键控信号解调器原理图 e2FSK(t)带 通 滤 波 器1包 络检 波 器抽 样判 决

5、 器输 出定 时 脉 冲带 通 滤 波 器包 络检 波 器(a)e2FSK(t)带 通 滤 波 器1低 通滤 波 器抽 样判 决 器输 出定 时 脉 冲带 通 滤 波 器低 通滤 波 器相 乘 器相 乘 器cos1tcos2t(b)s1s1s2s2u 包络检波法n 2FSK 解调 0101111000001012FSK信号2FSK非相干解调过程的时间波形非相干解调过程的时间波形 s1(t)s2(t)0u 过零检测法n FSK应用：应用：n原理：n波形：n表达式：2PSK( )( )coscets tt1,1,1nPaP00,1n， 发“ ”时发“ ”时双极性双极性s(t)载波相位nsnnTtg

6、ats)()(7.1.3 二进制相移键控 （2PSK）图图 2PSK信号的波形信号的波形A ATstO数字信息 0 1 1 0n 2PSK 产生 u键控法u模拟调制法图图7 - 142PSK信号的解调原理图信号的解调原理图带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器信号输入PSK2二进制信息本地载波定时脉冲l 2PSK 解调 图图 7 -152PSK信号相干解调各点时间波形信号相干解调各点时间波形 10a110100bcde11111110000信码信码波形波形PSK2本地载波相乘器输出低通输出信码11111110000 2PSK信号相干解调各点时间波形如图信号相干解调各点时间波形如图7-14 所示。

7、所示。 当恢当恢复的相干载波产生复的相干载波产生180倒相时，解调出的数字基带信号将倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。号全部出错。 这种现象通常称为这种现象通常称为“倒倒”现象。由于在现象。由于在2PSK信号的载信号的载波恢复过程中存在着波恢复过程中存在着180的相位模糊，所以的相位模糊，所以2PSK信号的相信号的相干解调存在随机的干解调存在随机的“倒倒”现象，从而使得现象，从而使得2PSK方式在实际方式在实际中很少采用。中很少采用。 利用前后相邻码元的载波相对相位表示信息。 n 矢

8、量图:B方式 A方式 n 原理：7.1.4 二进制差分相移键控 （2DPSK）参考相位参考相位0022)(a)(bn 波形:示例:n 差分编码规则：为模2加bn-1为 bn的前一码元 最初bn-1可任意设定000001111100000011111数字信息信号PSK2信号DPSK2绝对码相对码参考相位n 2DPSK 产生u 构思u 模型（差分编码）2DPSK信号的产生信号的产生 2DPSK信号的实现方法可以采用：对绝对码作相对相移信号的实现方法可以采用：对绝对码作相对相移 对相对码作绝对相移对相对码作绝对相移1、首先对二进制数字基带信号、首先对二进制数字基带信号(绝对码绝对码)进行码变换，即将

9、绝对进行码变换，即将绝对码转换为相对码，然后对相对再进行绝对调相，从而产生码转换为相对码，然后对相对再进行绝对调相，从而产生2DPSK信号。信号。 如图如图7-19 （a）所示。）所示。 若设若设 an为绝对码，为绝对码，bn为相对码（差分码）为相对码（差分码） 则则 bn=an bn-12、键控法。如图、键控法。如图7-19（b）所示。）所示。)(a电平转换相乘载波单极性)(ts)(0te双极性码变换载波相移)(ts)(0te0K)(b码变换图图719 2DPSK的调制方框图的调制方框图2DPSK信号调制过程波形图信号调制过程波形图绝 对 码相 对 码载 波DPSK信 号10110010 1

10、 0 0 1 0 1 1 0 设初态为设初态为0 an bn 参考参考 1、相干解调方式、相干解调方式(极性比较法极性比较法)：解调原理是对：解调原理是对2DPSK信号进信号进行相干解调，恢复出相对码；对相对码再进行码反变换，行相干解调，恢复出相对码；对相对码再进行码反变换，变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。2、差分相干解调（相位比较法）：解调原理是直接比较前后、差分相干解调（相位比较法）：解调原理是直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用

11、，故解调器中不需要码反变调的同时完成了码反变换作用，故解调器中不需要码反变换器。由于差分相干解调方式不需要专门的相干载波，因换器。由于差分相干解调方式不需要专门的相干载波，因此是一种非相干解调方法。此是一种非相干解调方法。 n 2DPSK 的解调的解调（1）2DPSK 相干解调 + 码反变换法1nnnbba2DPSK信号相干解调器原理图和解调过程各点时间波形信号相干解调器原理图和解调过程各点时间波形高电平判高电平判1,低电平判低电平判0时初态应设时初态应设1 (a)abcdef(b)带 通滤 波 器e2DPSK(t)a相 乘 器c低 通滤 波 器dbe抽 样判 决 器输 出cosct定 时 脉

12、 冲码 反变 换 器f1011000设初态为设初态为11 1 1 0 0 1 0 00带 通滤 波 器相 乘 器低 通滤 波 器抽 样判 决 器定 时脉 冲输 出)(D PSK2tetccos码 反变 换 器abcdef低电平判低电平判1,高电平判高电平判0时初态应设时初态应设0 （2） 2DPSK 差分相干解调 (相位比较)法相乘器 起着相位比较的作用图图7.212DPSK信号差分相干解调器原理图和解调过程各点时间波形信号差分相干解调器原理图和解调过程各点时间波形带 通滤 波 器a相 乘 器c低 通滤 波 器dbe抽 样判 决 器定 时 脉 冲(a)延 迟TsabcdeDPSK信 号二 进

13、制 信 息10001100参考参考反相反相u注：相位变化表示注：相位变化表示“1”u 相位不变表示相位不变表示“0” 时，时，2DPSK的差分相干解调抽样判决器的规则是：低的差分相干解调抽样判决器的规则是：低电平判为电平判为1，高电平判为，高电平判为0。u 相位变化表示相位变化表示“0”u 相位不变表示相位不变表示“1” 时，时，2DPSK的差分相干解调法，抽样判决器的规则是：的差分相干解调法，抽样判决器的规则是：低电平判为低电平判为0，高电平判为，高电平判为1。 。 n 分析目的：B 和 fcn 分析方法：借助于基带信号的功率谱Power Spectral Density7.1.5 二进制数

14、字已调信号的功率谱 (PSD)设 Ps (f) s(t) 的PSD P2ASK (f) 2ASK信号的PSD则2ASK(c)os(cs tett2ASK1( )(4(ccssP fP fPfff1 2ASK可见， P2ASK (f) 是Ps (f)的线性搬移（属线性调制）。单极性单极性基带带宽基带带宽BfB22ASKfB = 1/TB=RB2PSK信号的频谱与2ASK的十分相似；带宽也是基带信号带宽的两倍：区别仅在于当P=1/2时，谱中无离散谱（即载波分量）。22PSK/2DPSK 2PSK( )coscets tt双极性双极性21122( )( )cos( )cosFSKets tts tt

15、3 2FSK信号 连续谱形状随着两个载频之差的大小而变化 谱零点带宽：21212ssffffff双峰；单峰 二进制数字调制系统 抗噪声性能7.2概 述 n性能指标性能指标：系统的误码率 Pe：借用数字基带系统的方法和结论 n分析条件分析条件：恒参信道（传输系数取为 K ） 信道噪声是加性高斯白噪声n背景知识背景知识： 窄带噪声 正弦波+窄带噪声cos(,10,0)TcttAs发“”时发“ ”时cos1)00( )iician ty tn tt发“”时发“ ”时a = kA(cos1)(0)0()cn taty tn t发“”时发“ ”时7.2.1 2ASK系统的抗噪声性能n 2ASK-相干解调

16、 2ASK信号相干相干解调时系统的总误码率为222narr 1时时解调器输入端信噪比 1()22 2enPerfca ”时时发发“”时时发发“001)()(cos)(tntntatyc ttnttntncscc sin)(cos)()( n 2ASK-包络检波 正弦波+窄带高斯噪声 窄带高斯噪声( )V t包络检波器 整流-低通l实际情况实际情况 系统工作在大信噪比情况下，最佳门限应取： 此时，系统的总误码率为：421441reererfcP当 r 时，上式的下界为：归纳归纳接收端带通滤波器带宽为： 带通滤波器输出噪声平均功率为：信噪比为：解解Hz016 . 926 BRBW0192. 1n8

17、02 Bn 26281 10122 1.92 1206nar例例(1) 同步检测同步检测法解调时系统的误码率为(2) 包络检波包络检波法解调时系统的误码率为45 . 666. 126.1014163114eerPr/e45 . 64105 . 72121eePre评注评注r 1时时l 2FSK-相干解调相干解调系统的总误码率为222nar 7.2.2 2FSK 对比：2FSK -相干解调相干解调系统的总误码率2FSK- 包络检波包络检波系统的总误码率为r 1n 2FSK-包络检波 1200Hz30029801580B2FSKfffB212BB22H600 zBfR（2）上、下支路带通滤波器(B

18、PF)的带宽近似为：解解例例（3） 同步解调同步解调时系统的误码率: 信道输出端信噪比为 6dB（即4），带通滤波器输出端（解调器输入端)的信噪比为：48107 . 1eePre21212581039. 3e321221reerP1644r因此，包络检波包络检波时系统的误码率：在任意一个TB内， 2PSK 和2DPSK都可表示为：2PSK 信号信号2DPSK 信号信号原始数字信息原始数字信息（绝对码绝对码）相对码相对码7.2.3 2PSK/2DPSKcos1(co)0sccTAtAtst，发送“”时， 发送“ ”时( )cos( )sin( )cos( )si( )nccscccscan tt

19、n ttan ttn tytt ,1( )( ),0)ccn tn tx taa 发“”时发“ ”时cos1( )cos0cTcAtstAt， 发“”时， 发“ ”时 1 2PSK相干解调系统相干解调系统 因此，x(t)的一维概率密度函数为:,1( )( ),0)ccn tn tx taa 发“”时发“ ”时高斯噪声( 0， n2 )高斯噪声( a， n2 )与双极性基带系统 的情况类似,1( )( ),0)ccaan tx tn t发“”时发“ ”时=双极性基带信号+高斯噪声( )( )( )RRAntx tAnt可见可见因此，借助双极性基带系统的分析结果：可方便地得到2PSK-相干相干系统

20、的分析结果：2PSK信号相干相干解调系统的总误码率：222narr 1时时解调器输入端信噪比 1()22enPerfacf点：绝对码绝对码序列。只需在Pe2PSK基础上考虑码反变换器 对误码率的影响即可。e点：相对码相对码序列。由2PSK误码率公式来确定：在大信噪比（r 1）时，Pe 0，判为“1”正确 x 0 ，判为“0”错误判决判决l2DPSK -差分相干解调差分相干解调系统的总误码率为：reeP217.3 二进制数字调制系统 性能比较 /41err124ePerfcr/412ePere122Perfcr/212err/212ePer12ePerrfc12rer()ePerfcr1rer1

21、2erPe 1 误码率 可靠性 222nar2002nsn BnT/41err124ePerfcr/412ePere122Perfcr/212err/212ePer12ePerrfc12rer()ePerfcr1rer12erPe讨论讨论2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK/41err124ePerfcr/412ePere122Perfcr/212err/212ePer12ePerrfc12rer()ePerfcr1rer12erPe讨论讨论2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK2 2A AS SK K2 2F FS SK K2 2P PS SK Kr r= = 2 2r r= = 4

22、4r r/41err124ePerfcr/412ePere122Perfcr/212err/212ePer12ePerrfc12rer()ePerfcr1rer12erPe讨论讨论2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK2 2A AS SK K2 2F FS SK K2 2P PS SK Kr r= = 2 2r r= = 4 4r re PeP相干非相干讨论讨论2PSK、2DPSK、2FSK、2ASKe11) )时时, , 两者性能相差不大。两者性能相差不大。lB2FSK不仅与基带信号带宽有关，且与两个载频之差有关。l设基带信号的谱零点带宽为RB=1/TS，则有：l在RB一定时一定时，2FS

23、K的频带利用率最低，有效性最差。 2 频带带宽有效性 2ASK：*/2ba2PSK：*0b 2FSK： 3 对信道特性变化的敏感性 通常，非相干非相干方式 比 相干相干方式简单。 这是因为相干解调需要提取相干载波， 故设备相对复杂些，成本也略高。 4 设备的复杂度综述综述7.4 引言二进制进制：每个码元只携带每个码元只携带 1 bit 信息信息2log MbBRRMlog 2Mn MASK可看成是二进制振幅键控（可看成是二进制振幅键控（2ASK）的推广。）的推广。MASKsc1( )()cosMnneta g tnTt120,1,1,nMPPaMP 以概率 以概率以概率且有且有11MiiP7.

24、4.1 多进制振幅键控 （MASK）n 4ASK信号振幅有信号振幅有4种取值，每个码元含种取值，每个码元含2bit。n MASK调制调制: 与与2ASK的产生方法相似，区别在于的产生方法相似，区别在于: :发送端输入的发送端输入的进制数字基带信号需要先经过电平变进制数字基带信号需要先经过电平变换器转换为换器转换为M电平的基带脉冲，然后再去调制。电平的基带脉冲，然后再去调制。n MASK解调解调:与与2ASK信号解调也相似，有相干和非相干解调两种。信号解调也相似，有相干和非相干解调两种。lMASK信号的功率谱信号的功率谱 与与 2ASK信号具有相似的形式信号具有相似的形式;l谱零点带宽是谱零点带

25、宽是 M 进制数字基带信号带宽的两倍。进制数字基带信号带宽的两倍。l在在 Rb相同时，相同时，MASK信号带宽是信号带宽是 2ASK的的 1 / log2M 倍倍 。222logbBRBRM222logBbBTTMl MASK的抗噪声能力差，的抗噪声能力差，l 常用多进制正交振幅调制（常用多进制正交振幅调制（MQAM）来代替。）来代替。n MFSK可视为可视为2FSK方式的推广。方式的推广。n 4FSK采用采用 4种种不同的不同的频率频率分别表示分别表示双比特双比特信息：信息：7.4.2 多进制频移键控 （MFSK）n MFSK调制与解调的原理框图：调制与解调的原理框图：l要求载频之间的距离足

26、够大，以便用滤波器分要求载频之间的距离足够大，以便用滤波器分离不同频率的谱离不同频率的谱。lMFSK信号占用较宽的频带，信道频带利用率不高。信号占用较宽的频带，信道频带利用率不高。lMFSK一般用于一般用于 调制速率调制速率(1/TB) 不高的不高的衰落信道衰落信道 传输传输场合。场合。BMTffB217.4.3 多进制相移键控 （MPSK）1. 1. 多进制数字相位调制多进制数字相位调制(MPSK)(MPSK)的原理的原理 多进制数字相位调制又称多相制，它是利用载波的多进制数字相位调制又称多相制，它是利用载波的多种不同相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式。多种不同相位（或相位差）来表征数

27、字信息的调制方式。与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制和差分相位调制两种。绝对相位调制和差分相位调制两种。 2 4PSK 调制l QPSK的每一种载波相位代表两个比特的每一种载波相位代表两个比特： （00、01、10 或或 11）l 两个比特的组合两个比特的组合 称做称做 双比特双比特 码元，记为码元，记为 a b1 1）双比特与载波相位的关系）双比特与载波相位的关系n 矢量图 注：注：对应关系可有不同对应关系可有不同规定，但相邻码组应符规定，但相邻码组应符合合格雷码格雷码编码规则编码规则n 波形 n 正交调相法2） QP

28、SK调制-sin0t相干载波产生相乘电路相乘电路/2相移串/并变换相加电路cos0tA(t)s(t) 图图7-36正交调相法产生正交调相法产生QPSK信号信号ab 根据当时的双比特根据当时的双比特ab，选相电路从候选的选相电路从候选的4 4个相位中选择相应相位的载波输出。个相位中选择相应相位的载波输出。n 相位选择法abB方式方式原理：原理：n 解决方案解决方案：采用四相相对相位调制，即QDPSK。n 存在问题存在问题：存在900的相位模糊（0, 90, 180, 270） n 原理原理：分解为两路2PSK信号的相干解调。3 QPSK 解调相干载波相干载波相乘器相乘器低通低通抽样判决抽样判决器

29、器信号输入QPSKtccos/2/2移相移相相乘器相乘器低通低通抽样判决抽样判决器器a二进制信息定时并并/串变换串变换tcsin定时b图图7-40 QPSK信号解调方框图信号解调方框图 yA(t)yB(t)XA(t)XB(t)B方式方式设接收到的信号为设接收到的信号为 s(t)=Acos(ct+ k)其中，其中， k=/4、3/4、5/4、7/4上、下支路相乘器的输出分别为上、下支路相乘器的输出分别为 yA(t)=A/2 cosk + A/2 cos(2ct+ k yB(t)=A/2 sink - A/2 sin(2ct+ k)经经LPF输出后，分别为输出后，分别为 XA= A/2 cosk XB= A/2 sink 则抽样判决器输出为则抽样判决器输出为k 的相位Cosk极性Sink极性判决输出ab/4+113/4-+015/4-007/4+-10l跳变周期跳变周期 2Tbl带宽带宽 B = Rbn QPSK 特点：特点： l相位跳变：相位跳变：0, 90, 180 l最大相位跳变最大相位跳变180，使使限带限带的的QPSK信号包络起信号包络起伏很大，并出现包络零点。伏很大，并出现包络零点。l频谱扩展大，旁瓣对邻道干扰大。频谱扩展大，旁瓣对邻道干扰大。n QPSK 缺点：缺点： 7.4.4 多进制相移键