第7讲数字调制技术NEW

1、中南大学通信原理 Principles of Digital Communication中南大学信息科学与工程学院中南大学信息科学与工程学院School of Information Science and EngineeringCentral South University主讲：李敏主讲：李敏联系方式：联系方式： 课件邮箱：课件邮箱： txyl_中南大学通信原理 中南大学通信原理 二进制数字调制系统的原理二进制数字调制系统的原理 调制类型与特点；调制类型与特点； 多进制数字调制的特点和目的多进制数字调制的特点和目的 数字调制与模拟调制的异同点数字调制与模拟调制的异同点中南大学通信原理6.1

2、 6.1 概述概述 数字基带信号：数字基带信号：是指从信源输出的信号，其频谱是指从信源输出的信号，其频谱是低通型的。是低通型的。 数字频带信号：数字频带信号：是是基带信号对载波进行调制后产基带信号对载波进行调制后产生的信号。生的信号。 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 数字信号的频带传输数字信号的频带传输载波信号载波信号又称又称载波载波，即被调信号。即被调信号。一般选正弦信号为一般选正弦信号为载波载波。中南大学通信原理6.1 6.1 概述概述与与为使基带信号能利用某些不能直接传输基带信号的信道有为使基带信号能利用某些不能直接传输基带信号的信道有效进行传输，或要进行多路信号复用，用基带信号对

3、载波效进行传输，或要进行多路信号复用，用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，这种方法称为。的变化而变化，这种方法称为。频带传输与基带传输的区别：频带传输与基带传输的区别：增加调制增加调制（发端）和（发端）和解调解调（收端）（收端）数字调制完成基带信号功率谱的搬移数字调制完成基带信号功率谱的搬移中南大学通信原理6.1 6.1 概述概述带通型信道带通型信道 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 数字信号的频带传输数字信号的频带传输低通型信道低通型信道是解决在模拟信道上数据传输的问题。是解决在模拟信道上数据传

4、输的问题。把数据信号寄生在载波的某个参数把数据信号寄生在载波的某个参数上：上：幅度幅度、频率频率和和相位相位，即用数据信号来进行，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制和相位调制幅度调制、频率调制和相位调制中南大学通信原理6.1 6.1 概述概述模拟调制模拟调制 数字调制数字调制幅度调制幅度调制(AM) (AM) 幅度键控幅度键控(ASK)(ASK)频率调制频率调制(FM) (FM) 频移键控频移键控(FSK)(FSK)相位调制相位调制(PM) (PM) 相移键控相移键控(PSK)(PSK)调制，调制，ModulationModulation键控，键控，Shift KeyingShift Key

5、ing数字信号采用时间和取值的数字信号采用时间和取值的离散性离散性对对正弦振荡正弦振荡的振的振幅、频率和相位变化进行控制，使幅、频率和相位变化进行控制，使受控参数离散化受控参数离散化，实现开关控制，称为。，实现开关控制，称为。码元脉冲序列码元脉冲序列-“电键电键”中南大学通信原理6.1 6.1 概述概述是指是指用载波用载波幅度幅度的变化来反映调制信号变化的的变化来反映调制信号变化的调制过程。调制过程。是指是指用载波的用载波的频率频率反映调制信号变化的调制过反映调制信号变化的调制过程。程。是指是指用载波的用载波的相位相位变化来反映调制信号变化的变化来反映调制信号变化的调制过程。调制过程。振幅键控

6、振幅键控频移键控频移键控相移键控相移键控中南大学通信原理6.1 6.1 概述概述 1、按调制参数不同：、按调制参数不同：Amplitude_Shift KeyingAmplitude_Shift KeyingFrequency_Shift KeyingFrequency_Shift KeyingPhase_Shift KeyingPhase_Shift Keying 2、按电平数目的不同：、按电平数目的不同： 3、根据已调信号的频谱结构的不同特点：、根据已调信号的频谱结构的不同特点：满足线性关系，频谱搬移满足线性关系，频谱搬移中南大学通信原理6.1 6.1 概述概述4、解调分类：、解调分类：，

7、由接收信号与本地参考，由接收信号与本地参考载波信号的互相关运算完成。载波信号的互相关运算完成。，不需载波信号。，不需载波信号。中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-ASK-ASK 用开关的通或断来进行调制，即用二进制矩形脉冲用开关的通或断来进行调制，即用二进制矩形脉冲信号的信号的“1”1”和和“0”0”控制开关的通和断，从而是载波通控制开关的通和断，从而是载波通过或不通过过或不通过。 二进制二进制是数字调制最简单的情况，它改变载波是数字调制最简单的情况，它改变载波的幅度、频率、相位只有的幅度、频率、相位只有两种状态两种状态。中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制

8、二进制数字调制-ASK-ASK二进制振幅键控的典型波形二进制振幅键控的典型波形中南大学通信原理最简单的形式为通断键控（最简单的形式为通断键控（OOKOOK）：开关电路的通）：开关电路的通断由断由s(t)s(t)控制控制2ASK2ASK信号信号又称为又称为通断键控信号通断键控信号（ OOK OOK 信号信号）6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-ASK-ASKtccos)(ts)(2teASK开关电路模拟调制法（相乘器法）模拟调制法（相乘器法）键控法键控法中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-ASK-ASK调制信号调制信号为：为：tAatsncOOKcos)(na

9、1,0,1nPaP出现概率为出现概率为一般地，一般地，调制信号调制信号具有一定波形，可表示为：具有一定波形，可表示为：)()(snTtgatsnntnTtgatsnncsASKcos)()(中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-ASK-ASK设设调制信号调制信号功率谱为：功率谱为： )(BP)()()(cBcBASK41PPP图图 OOK信号的功率谱信号的功率谱(a)基带信号功率谱；基带信号功率谱； (b) 已调信号功率谱已调信号功率谱则则2ASK2ASK信号信号功率谱为：功率谱为：中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-ASK-ASK )()(2

10、1cos)()(cctjcASKSSdtettsS)()(41|)(|lim)(2cscsASKTEPPTSEP)()(41)(cscsEffPffPfP)(| )()1 ()(| )()(| )1 ()(2212221ssssmfffGpfpGffGfGppffP)(|)0(|41|)(|41)(222fGffGffPsss设设0、1等概出现，且采用单极性矩形随机脉冲序列，则：等概出现，且采用单极性矩形随机脉冲序列，则：)()(| )0(|161| )(| )(|161)(2222ssssssEffffGfffGffGffP中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-ASK

11、-ASK 1 1）ASKASK信号是由连续谱和离散谱两部分组成，连续谱信号是由连续谱和离散谱两部分组成，连续谱取决于双边带谱，离散谱取决于载波分量，只在本身取决于双边带谱，离散谱取决于载波分量，只在本身的载波分量上出现；的载波分量上出现； 2 2）信号带宽为原基带）信号带宽为原基带信号带宽的两倍信号带宽的两倍bASK212 3 3）OOKOOK信号的第一旁瓣值比主峰值衰减信号的第一旁瓣值比主峰值衰减14dB14dB。频带利用率是原基带信频带利用率是原基带信号的一半号的一半bASKBB22中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-ASK-ASK 主要方法：主要方法：相干检测法

12、相干检测法( (同步解调法同步解调法) )、非相干检测法非相干检测法 ( (包络检波法包络检波法) ) 非相干解调非相干解调的特点：的特点：电路简单；准确性不太理想，信号影响较大；电路简单；准确性不太理想，信号影响较大；在相同误码率情况下，在相同误码率情况下，S/NS/N比相干解调的信噪比高比相干解调的信噪比高1dB1dB；抗噪声性能稍差于相干解调；抗噪声性能稍差于相干解调；需有一个和载波保持同频同相的相干振荡信号，否需有一个和载波保持同频同相的相干振荡信号，否则会造成解调后的波形失真，一般采用锁相环路或窄则会造成解调后的波形失真，一般采用锁相环路或窄带滤波来提取同步信号；带滤波来提取同步信号

13、；实现困难，技术要求高，设备复杂；实现困难，技术要求高，设备复杂；相干解调相干解调的特点：的特点：中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-ASK-ASK (a)原理框图；原理框图；(b)各点波形图各点波形图 非相干检测法非相干检测法 ( (包络检波法包络检波法) ) 中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-ASK-ASK (a)原理框图；原理框图；(b)各点波形图各点波形图 本机产生同步信号为本机产生同步信号为AcosLt解调器接收到的信号为：解调器接收到的信号为： SASK(t)=s(t)Acosct通过相乘器的信号变为：通过相乘器的信号变为：y(

14、t)A*A s(t)cosct*cosLt 因为幅度与讨论结果无关，故省去，同时，积化和差：因为幅度与讨论结果无关，故省去，同时，积化和差： y(t)=s(t)cos(c-L)t+s(t)cos(c+L)t 经过低通滤波器输出为经过低通滤波器输出为: : y(t)= =0.5*S(t)cos(c-L)t相干检测法相干检测法( (同步解调法同步解调法) )中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-FSK-FSK用数据用数据基带基带信号控制载波频率。信号控制载波频率。载波频率随载波频率随0和和1有两种有两种取值，分别为取值，分别为f1和和f2。1 0 0 1 02FSK信号信号

15、的波的波形及形及分解分解中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-FSK-FSK两种调制方法：两种调制方法： 1 ) 直接调频法直接调频法用数字脉冲直接控制振荡器的某个参数，从而实现跳频用数字脉冲直接控制振荡器的某个参数，从而实现跳频转换，产生的是相位连续的转换，产生的是相位连续的FSK信号，但频率稳定性差信号，但频率稳定性差键控法键控法 通过数字信号控制两个载波的通断，产生相位不连续的通过数字信号控制两个载波的通断，产生相位不连续的 信号信号中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-FSK-FSK tnTtgatnTtgatsnnnn2s1s2FSKc

16、oscos)(0,1, 1,10,1nnPPaaPP概率为概率为概率为概率为tfAtstfAtsts22112FSK2cos)(2cos)()( 2FSK相当于两个不同载频的相当于两个不同载频的ASK信号之和信号之和中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-FSK-FSK设设2FSK2FSK两个载频的中心频率为两个载频的中心频率为f fc c，频差为，频差为 f f，则，则 c12() 2/fff21fff中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-FSK-FSK设设2FSK2FSK两个载频的中心频率为两个载频的中心频率为f fc c，频差为，频差为 f

17、f定义调频指数（频移指数）为：定义调频指数（频移指数）为：21ssfffhRR中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-FSK-FSK相位不连续相位不连续FSK信号的功率谱与信号的功率谱与ASK信号相似，由连续谱信号相似，由连续谱和离散谱组成，离散谱出现在两个频率和离散谱组成，离散谱出现在两个频率1和和2的位置；的位置；两个载频相隔较远，则出现两个峰值，当两个载频相隔较远，则出现两个峰值，当下降时，则下降时，则变成了变成了ASK信号，设带宽为第一个零点之间的带宽间隔，信号，设带宽为第一个零点之间的带宽间隔，则：则： BFSK=2s+|2-1| = BFSK=ms+2s 相对

18、频偏（频率偏移量）：相对频偏（频率偏移量）：D| 2-1|/s 归一化频率：归一化频率： x(- 0)/ s中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-FSK-FSK 对于对于600/1200Baud的数据调制解调器，使的数据调制解调器，使用二进制用二进制FSK调制，安排如下：调制，安排如下： 码元速率码元速率 1 23 600Baud 1300 1700 1500 400 1200Baud 1300 2100 1700 800中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-FSK-FSK2FSK2FSK信号的信号的解调方法有多种：鉴频法、零交点法（解调方法有多

19、种：鉴频法、零交点法（过零过零检测法检测法）、分路滤波、包络检波、差分检波等；）、分路滤波、包络检波、差分检波等；其原理与其原理与2ASK2ASK相同，不同的是使用两套电路，并且最后相同，不同的是使用两套电路，并且最后的判决准则是的判决准则是“判决大值判决大值”，即直接比较两路取样值的，即直接比较两路取样值的大小，大小，U1U0U1U0判为判为“1”1”码，反之判为码，反之判为“0”0”。 “判决大值判决大值”准则不需要判决门限，这在信道有衰减的准则不需要判决门限，这在信道有衰减的时候是很有好处的。时候是很有好处的。基本解调方法由基本解调方法由非相干解调非相干解调和和相干解调相干解调中南大学通

20、信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-FSK-FSK2FSK2FSK信号包络检波方框图及波形图信号包络检波方框图及波形图中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-FSK-FSK是根据频移键控的过零率的大小来检测是根据频移键控的过零率的大小来检测已调信号中的频率变化。输入待调信号，经整形已调信号中的频率变化。输入待调信号，经整形、微分、整流后形成与频率变化、微分、整流后形成与频率变化相应相应的脉冲序列的脉冲序列，用此形成一定宽度的矩形波，经积分电路滤除，用此形成一定宽度的矩形波，经积分电路滤除高次谐波，抽样判决立即可得到原始的数字信号高次谐波，抽样判决立即可得到

21、原始的数字信号序列。序列。整形微分整流积分电路单程电路abcdef中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-FSK-FSK 接收的接收的 FSK 波形波形 整形整形 微分取沿微分取沿 整流下沿翻上整流下沿翻上 单稳取等宽波形单稳取等宽波形 积分取能量）积分取能量） a b c d e f 图图 2FSK2FSK 信号的过零检测法信号的过零检测法 中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制-PSK-PSK 利用载波的相位变化来反映数字信号，载波的振幅利用载波的相位变化来反映数字信号，载波的振幅和频率均不变化。应用很广泛，抗噪声性能比和频率均不变化。应用很广泛

22、，抗噪声性能比ASK和和FSK都更优，频带利用率较高。都更优，频带利用率较高。应用应用：在中、高速的数据传输中。在中、高速的数据传输中。分类分类：绝对调相绝对调相PSK，利用载波的绝对相位表示，利用载波的绝对相位表示0和和1； 相对调相相对调相DPSK，利用载波的相对相位表示，利用载波的相对相位表示0和和1；中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制- -性能分析性能分析222/Ar 数字数字基带基带信号信号的误码分析的误码分析2DPSK2PSK2FSK2ASK非相干解调非相干解调相干解调相干解调421rerfc421re221rerfc221rererfc21rerfcre

23、21为解调器输入的峰值信噪比中南大学通信原理6.2 6.2 二进制数字调制二进制数字调制- -性能分析性能分析各种数字调制系统的误差性能曲线各种数字调制系统的误差性能曲线在在P Pe e MnM2= =中南大学通信原理6.3 6.3 多进制调制系统多进制调制系统常用的多进制调制系统常用的多进制调制系统： 多进制键控系统多进制键控系统，MASK、MFSK、MPSK等等；高斯最小频移键控高斯最小频移键控GMSK最小频移键控最小频移键控MSK正交部分响应键控正交部分响应键控QPRK时域调制方式时域调制方式幅相键控幅相键控APK等等多进制调制系统的优点多进制调制系统的优点在相同信道码元传输速率下，传信

24、率是二进制的在相同信道码元传输速率下，传信率是二进制的loglog2 2M M；在相同传信率下，多进制的传码率小于二进制的传码率，在相同传信率下，多进制的传码率小于二进制的传码率，因此，需要带宽小；因此，需要带宽小；中南大学通信原理6.4 6.4 改进型数字调制技术改进型数字调制技术目标目标：提高频带利用率；提高频带利用率；减小信号功率占用带宽；减小信号功率占用带宽；减小带外辐射，针对于十分密集的频道；减小带外辐射，针对于十分密集的频道；抗多径效应，抗码间干扰，提高纠错能力等；抗多径效应，抗码间干扰，提高纠错能力等；中南大学通信原理6.4 6.4 改进型数字调制技术改进型数字调制技术- - MSKMSKMSK:Minimum Frequency Shift Keying最小移频键控最小移频键控,是是2FSK的改进方式，是的改进方式，是调制指数为调制指数为0.5的连续相位频率键的连续相位频率键控调制；控调制；2FSK的缺点：每个码元的频率不变或跳变某一固定值，的缺点：每个码元的频率不变或跳变某一固定值，可能引起带外辐射增大；可能引起带外辐射增大；MSK主要是消除两码元之间跳变处的高频辐射；主要是消除两码元之间跳变处的高频辐射；信号表示：信号表示：)2co