通信原理第7章

1、第7章 数字信号的调制传输 概述n数字信号的两种传输方式：基带传输方式；调制传输或频带传输。n为什么一定要在带通型信道中传输数字信号？带通型信道比低通型信道带宽大得多，可以采用频分复用技术传输多路信号；若要利用无线电信道，必须把低频信号“变”成高频信号。第1节 基带信号的概念第七章 数字信号的频带传输 概述n模拟信号的各种调制方式依然适用于对数字信号的处理。n用数字基带信号对载波进行调制，使基带信号的功率谱（频谱）搬移到较高的载波频率上，这种信号处理方式称为数字调制，相应的传输方式称为数字信号的调制传输、载波传输或频带传输。第1节 基带信号的概念第七章 数字信号的频带传输 概述n数字调制所用的

2、载波一般也是连续的正弦型信号，调制信号则为数字基带信号。n与模拟调制中的幅度调制、频率调制和相位调制相对应，数字调制也分为三种基本方式：幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。第1节 基带信号的概念第七章 数字信号的频带传输 概述n“键控”是指一种如同“开关”控制的调制方式。n对于二进制数字信号，由于调制信号只有两个状态，调制后的载波参量也只能具有两个取值，其调制过程就像用调制信号去控制一个开关，从两个具有不同参量的载波中选择相应的载波输出，从而形成已调信号。第1节 基带信号的概念第七章 数字信号的频带传输 内容n7.1 二进制幅移键控(2ASK) n7.2 二进制频移键控

3、(2FSK) n7.3 二进制相移键控(2PSK) n7.4 二进制差分相移键控(2DPSK) n7.5 多进制数字调制 第七章 数字信号的频带传输 内容n7.1 二进制幅移键控(2ASK) n7.2 二进制频移键控(2FSK) n7.3 二进制相移键控(2PSK) n7.4 二进制差分相移键控(2DPSK) n7.5 多进制数字调制 第七章 数字信号的频带传输 7.1.1 2ASK的基本原理n在2ASK中，载波幅度随着调制信号在1和0两个状态之间变化。 n2ASK中最简单的形式称为通-断键控（OOK），即载波在数字信号1或0的控制下或通或断。 第1节 二进制幅移键控(2ASK) 第七章 数字

4、信号的频带传输 7.1.1 2ASK的基本原理nOOK信号的时域表达式为n sOOK(t)=anAcosct第1节 二进制幅移键控(2ASK) 第七章 数字信号的频带传输 1,0,na出现概率为P 出现概率为1-P 7.1.1 2ASK的基本原理第1节 二进制幅移键控(2ASK) 第七章 数字信号的频带传输 OOK信号的波形7.1.1 2ASK的基本原理nASK信号的一般时域表达式为：第1节 二进制幅移键控(2ASK) 第七章 数字信号的频带传输 tnTtgatscnSnASKcos7.1.22ASK的频域特性n若二进制序列的功率谱密度为PB()，2ASK信号的功率谱密度为P2ASK（），n幅

5、移键控信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移，所以2ASK调制为线性调制，其频谱宽度是二进制基带信号的2倍第1节 二进制幅移键控(2ASK) 第七章 数字信号的频带传输 P2ASK（f）=1/4PB（+c）+PB（-c） 7.1.22ASK的频域特性n2ASK信号的谱零点带宽Bs=2fs，fs为基带信号的谱零点带宽，在数量上与基带信号的码元速率Rs相同。这说明2ASK信号的传输带宽是码元速率的2倍。第1节 二进制幅移键控(2ASK) 第七章 数字信号的频带传输 2ASK（OOK）信号的功率谱示意图7.1.32ASK的调制与解调n2ASK的调制器可以用一个相乘器来实现。n对于OOK信号来说，相乘

6、器可用一个开关电路来代替。第1节 二进制幅移键控(2ASK) 第七章 数字信号的频带传输 基带信号已调信号载波 Acosct7.1.3 2ASK解调器n和模拟常规调幅信号的解调一样，2ASK信号也有包络检波和相干解调两种方式。第1节 二进制幅移键控(2ASK) 第七章 数字信号的频带传输 7.1.3 2ASK解调器第1节 二进制幅移键控(2ASK) 第七章 数字信号的频带传输 带通滤波器半波或全波整流器低通滤波器抽样判决器输出输入定时脉冲带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器输出输入定时脉冲cosct(a) 包络检波(b) 相干解调内容n7.1 二进制幅移键控(2ASK) n7.2 二进制频移键

7、控(2FSK) n7.3 二进制相移键控(2PSK) n7.4 二进制差分相移键控(2DPSK) n7.5 多进制数字调制 第七章 数字信号的频带传输 7.2.1 2FSK的基本原理n2FSK是利用载波的频率变化来传递数字信息的。n在二进制情况下，1对应于载波频率f1，0对应 于载波频率f2。n2FSK信号在形式上如同两个不同频率交替发送的ASK信号相叠加，因此已调信号的时域表达式为：第2节 二进制频移键控(2FSK) 第七章 数字信号的频带传输 212( )()cos()cosFSKnsnsnnsta g tnTta g tnTt7.2.1 2FSK的基本原理n其中，1=2f1，2=2f2，

8、第2节 二进制频移键控(2FSK) 第七章 数字信号的频带传输 212( )()cos()cosFSKnsnsnnsta g tnTta g tnTt01na概率为P 概率为1-P 10na概率为P 概率为1-P 7.2.1 2FSK的基本原理第2节 二进制频移键控(2FSK) 第七章 数字信号的频带传输 f2f1f1f2f1f1f2f2ttt(a)(b)(c)2FSK信号的波形7.2.1 2FSK的基本原理第2节 二进制频移键控(2FSK) 第七章 数字信号的频带传输 2FSK信号产生示意图7.2.22FSK的频域特性n调制指数h为： 式中，BB为基带信号的带宽。 第2节 二进制频移键控(2

9、FSK) 第七章 数字信号的频带传输 BBff/127.2.22FSK的频域特性n功率谱以fc为中心对称分布。在f较小时功率谱为单峰。随着f的增大，f1和f2之间的距离增大，功率谱出现了双峰，频带宽度可近似表示为第2节 二进制频移键控(2FSK) 第七章 数字信号的频带传输 1222ffBBBFSK7.2.3 2FSK的调制与解调n2FSK信号有两种产生方法：与FM相同的利用压控振荡器产生的直接法频率选择法或键控法第2节 二进制频移键控(2FSK) 第七章 数字信号的频带传输 振荡器1门1倒相器求和器振荡器2门2二进制信息(NRZ)2FSK信号7.2.3 2FSK的调制与解调第2节 二进制频移

10、键控(2FSK) 第七章 数字信号的频带传输 带通滤波器11包络检波器1抽样判决器带通滤波器22包络检波器2抽样脉冲输出输入(a) 非相干解调带通滤波器11带通滤波器22低通滤波器1相乘器相乘器低通滤波器2抽样判决器抽样脉冲输出输入cos1tcos2t(b) 相干解调7.2.3 2FSK的调制与解调n2FSK信号还有其它的解调方法，其中过零检测法是一种常用而简便的解调方法。n2FSK信号的过零点数随载频的变化而不同，因此，检测出过零点数就可以得到载频的差异，从而进一步得到调制信号的信息。第2节 二进制频移键控(2FSK) 第七章 数字信号的频带传输 7.2.3 2FSK解调器第2节 二进制频移

11、键控(2FSK) 第七章 数字信号的频带传输 限幅微分整流宽脉冲发生低通abcdefabcdef2FSK信号过零检测法信号过零检测法内容n7.1 二进制幅移键控(2ASK) n7.2 二进制频移键控(2FSK) n7.3 二进制相移键控(2PSK) n7.4 二进制差分相移键控(2DPSK) n7.5 多进制数字调制 第七章 数字信号的频带传输 7.3.1 2PSK的基本原理n二进制相移键控是用二进制数字信号控制载波的两个相位，这两个相位通常相隔弧度；例如用相位0和分别表示1和0，所以这种调制又称二相相移键控（BPSK）。n二进制相移键控信号的时域表达式为：第3节 二进制相移键控(2PSK)

12、第七章 数字信号的频带传输 2( )()cosPSKnscnsta g tnTt11na概率为P 概率为1-P 7.3.1 2PSK的基本原理第3节 二进制相移键控(2PSK) 第七章 数字信号的频带传输 11000tAATs2PSK信号的波形7.3.1 2PSK的基本原理第3节 二进制相移键控(2PSK) 第七章 数字信号的频带传输 2PSK信号产生示意图7.3.1 2PSK的基本原理n2ASK、2FSK、2PSK的内在联系：2FSK、2PSK都以2ASK为基础；2FSK可由两个2ASK组合而成；把2ASK系数an的0取值改为-1就可得到2PSK；造成这些结果的原因是调制信号只有两个取值。第

13、3节 二进制相移键控(2PSK) 第七章 数字信号的频带传输 7.3.22PSK的频域特性n2PSK信号的功率谱与2ASK信号的功率谱相同， 只是少了离散的载波分量第3节 二进制相移键控(2PSK) 第七章 数字信号的频带传输 7.3.32PSK的调制与解调第3节 二进制相移键控(2PSK) 第七章 数字信号的频带传输 电平转换载波发生器二进制基带信号(单极性NRZ)双极性NRZ已调信号cosct选相开关二进制基带信号(双极性NRZ)已调信号载波发生器0(a) 相乘法(b) 相位选择法7.3.32PSK的调制与解调n2PSK信号的功率谱中无载波分量，因此必须采用相干解调的方式。n在相干解调中，

14、只有对PSK信号进行非线性变换，才能产生载波分量。n常用的载波恢复电路有两种，平方环电路和科斯塔斯（Costas）环电路。第3节 二进制相移键控(2PSK) 第七章 数字信号的频带传输 7.3.32PSK的调制与解调第3节 二进制相移键控(2PSK) 第七章 数字信号的频带传输 带 通 滤 波 器相 乘 器低 通 滤 波 器抽 样 判 决 器位 定 时 恢 复本 地 载 波 恢 复输 入BPSK信 号二 进 制 信 号2PSK相干解调器相干解调器7.3.32PSK的调制与解调第3节 二进制相移键控(2PSK) 第七章 数字信号的频带传输 带通滤波器平方环路滤波器VCO2x(t)载波(a) 平方

15、环锁相环低通滤波器低通滤波器(b) 科斯塔斯环VCOcos(ct)90sin(ct)环路滤波器相位误差x(t)udup载波恢复电路载波恢复电路7.3.32PSK的调制与解调n在以上两种锁相环中，设压控振荡器（VCO）输出载波与调制载波之间的相位差为。n在=n（n为任意整数）时,VCO都处于稳定状态。n这就是说，经VCO恢复出来的本地载波与所需要的相干载波可能同相，也可能反相。n这种相位关系的不确定性，称为0,相位模糊度。第3节 二进制相移键控(2PSK) 第七章 数字信号的频带传输 7.3.32PSK的调制与解调第3节 二进制相移键控(2PSK) 第七章 数字信号的频带传输 7.3.32PSK

16、的调制与解调n本地载波相位的不确定性造成了解调后的数字信号可能极性完全相反，形成1和0的倒置，引起信息接收错误。n为了克服相位模糊度对于解调的影响，通常要采用差分相移键控的调制方法。第3节 二进制相移键控(2PSK) 第七章 数字信号的频带传输 内容n7.1 二进制幅移键控(2ASK) n7.2 二进制频移键控(2FSK) n7.3 二进制相移键控(2PSK) n7.4 二进制差分相移键控(2DPSK) n7.5 多进制数字调制 第七章 数字信号的频带传输 7.4.1 2DPSK的基本原理n绝对调相：调制信号的1和0对应的是两个确定不变的载波相位，如2PSK；n相对调相：利用前后码元载波相位相

17、对数值的变化表示1和0 ，如2DPSK。n相对调相的产生过程：先对数字基带信号进行差分编码，即由绝对码变为相对码（差分码）；再进行绝对调相。n基于这种形成过程的二相相对调相信号称为二进制差分相移键控（2DPSK）信号。第4节 二进制差分相移键控(2DPSK) 第七章 数字信号的频带传输 7.4.1 2DPSK的基本原理第4节 二进制差分相移键控(2DPSK) 第七章 数字信号的频带传输 差分编码二进制信息(绝对码)单极NRZ(相对码)电平转换相乘器双极NRZ载波发生器2DPSK信号2DPSK调制器7.4.1 2DPSK的基本原理1001011011100100绝对码相对码载波2DPSK信号第4

18、节 二进制差分相移键控(2DPSK) 第七章 数字信号的频带传输 2DPSK调制器及波形传号差分码的传号差分码的编码规则为编码规则为1nnnbab7.4.2 2DPSK的解调n由相对码恢复为绝对码的编码规则n相干解调n差分相干解调（延迟解调）第4节 二进制差分相移键控(2DPSK) 第七章 数字信号的频带传输 1nnnbba7.4.2 2DPSK的解调第4节 二进制差分相移键控(2DPSK) 第七章 数字信号的频带传输 2DPSK相干解调器及各点波形7.4.2 2DPSK的解调第4节 二进制差分相移键控(2DPSK) 第七章 数字信号的频带传输 2DPSK差分相干解调器及各点波形7.4.2 2

19、DPSK的解调n2DPSK之所以能克服载波相位模糊的问题，就是因为数字消息是用载波相位的相对变化来表示的。第4节 二进制差分相移键控(2DPSK) 第七章 数字信号的频带传输 内容n7.1 二进制幅移键控(2ASK) n7.2 二进制频移键控(2FSK) n7.3 二进制相移键控(2PSK) n7.4 二进制差分相移键控(2DPSK) n7.5 多进制数字调制 第七章 数字信号的频带传输 7.5 多进制数字调制 n多进制数字调制信号：用多进制的数字基带信号调制载波。n通常，取多进制数M为2的幂次（M2n）。n当携带信息的参数分别为载波的幅度、频率或相位时，数字调制信号为M进制幅度键控（MASK

20、）、M进制频移键控（MFSK）或M进制相移键控（MPSK）。 n当信道频带受限时，采用M进制数字调制可以增大信息传输速率，提高频带利用率。第5节 多进制数字调制 第七章 数字信号的频带传输 第5节 多进制数字调制 第七章 数字信号的频带传输 (a)(b)TsB(t)000000s4ASK(t)s0(t)s1(t)s2(t)s3(t)1230102301tttttt(c)4ASK信号的波形7.5.2 多进制相移键控（MPSK） 第5节 多进制数字调制 第七章 数字信号的频带传输 01011011110110000000101101011011110110000000101101111000111000011010(a) M2, 0(b) M4, 0(c) M8, 0(d) M2, / 2(e) M4, / 4(f) M8, / 8MPSK信号的矢量图表示7.5 多进制数字调制 第5节 多进制数字调制 第七章 数字信号的频带传输 QPSK（4PSK）正交调制器7.5 多进制数字调制 第5节 多进制数字调制 第七章 数字信号的频带传输 相位选择法产生QPSK信号原理框图 第5节 多进制数字调制 第七