第五章 数字载波调制

1、第五章 数字载波调制1第五章第五章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统第五章 数字载波调制25.1 引言引言 数字基带传输系统数字基带传输系统, 是将信源发出的信息码是将信源发出的信息码经码型变换及波形形成后直接传送至接收端。经码型变换及波形形成后直接传送至接收端。虽然码型变换及波形形成可使其频谱结构发生虽然码型变换及波形形成可使其频谱结构发生某些变化，但分布的范围仍然在基带范围内。某些变化，但分布的范围仍然在基带范围内。第五章 数字载波调制3 在实际信道中，大多数信道具有在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种信道中传输，因此，数字基带信号不能直

2、接在这种信道中传输，因此，必须用数字基带信号对载波进行调制，产生已调数必须用数字基带信号对载波进行调制，产生已调数字信号，才能在无线信道、光纤信道等媒质中传输。字信号，才能在无线信道、光纤信道等媒质中传输。类似与模拟调制，有数字振幅调制、数字频率调制类似与模拟调制，有数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制。和数字相位调制。5.1 引言引言第五章 数字载波调制4调制器调制器信信 道道解调器解调器噪声源噪声源基带信号输入基带信号输入基带信号输出基带信号输出图图 5.1 1 数字调制系统的基本结构数字调制系统的基本结构5.1 引言引言第五章 数字载波调制5 用数字基带信号去控制载波波形的某个参量，

3、用数字基带信号去控制载波波形的某个参量，使这个参量随基带信号的变化而变化。使这个参量随基带信号的变化而变化。 数字调制数字调制利用数字脉冲信号对载波进行开关形利用数字脉冲信号对载波进行开关形式的控制而实现，故称式的控制而实现，故称数字键控数字键控。1、概念、概念5.1 引言引言第五章 数字载波调制6 载波的波形载波的波形是任意的，但大多数的数字调制系统是任意的，但大多数的数字调制系统都选择单频信号（正弦波或余弦波）作为载波，因为都选择单频信号（正弦波或余弦波）作为载波，因为便于产生与接收。便于产生与接收。 常用的载波信号为常用的载波信号为 ，其中为，其中为A为载为载波的振幅波的振幅, c为载波

4、的角频率为载波的角频率, 为载波的初始为载波的初始相位。相位。cnAcos(t)n 5.1 引言引言第五章 数字载波调制72、数字调制分类、数字调制分类(1) 根据控制载波波形参量不同，分为：根据控制载波波形参量不同，分为：v 振幅键控（振幅键控（ASK） 用数字消息控制载波的振幅。用数字消息控制载波的振幅。v 移频键控（移频键控（FSK） 用数字消息控制载波的频率。用数字消息控制载波的频率。v 移相键控（移相键控（PSK） 用数字消息控制载波的相位。用数字消息控制载波的相位。5.1 引言引言第五章 数字载波调制8(2) 根据已调信号频谱结构特点不同，分为：根据已调信号频谱结构特点不同，分为：

5、v线性调制线性调制(如如ASK) v非线性调制（如非线性调制（如FSK，PSK） 线性调制中已调信号的频谱结构与基带信号线性调制中已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同，只不过搬移了一个频率位的频谱结构相同，只不过搬移了一个频率位置，无新的频率成分出现。置，无新的频率成分出现。非线性调制已调信号的频谱结构与基带信号非线性调制已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同，有新的频率成分出现。的频谱结构不同，有新的频率成分出现。5.1 引言引言第五章 数字载波调制9 振幅键控是正弦载波的振幅键控是正弦载波的幅度幅度随数字基带信号而随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则变化的

6、数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为为二进制振幅键控二进制振幅键控2ASK。 5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）ASK:Amplitude Shift Keying5.2 二进制数字调制与解调原理二进制数字调制与解调原理第五章 数字载波调制10二进制振幅键控信号的表示、时间波形二进制振幅键控信号的表示、时间波形二进制振幅键控信号的调制原理二进制振幅键控信号的调制原理二进制振幅键控信号的解调二进制振幅键控信号的解调2ASK信号的功率谱密度信号的功率谱密度本节内容本节内容5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制11 2A

7、SK是利用代表数字信息是利用代表数字信息“0”或或“1”的基带的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波，无载波输出时表示发送输出时表示发送“0”。 2ASK信号的时间波形随二进制基带信号信号的时间波形随二进制基带信号s(t)通断变化，所以又称为通断变化，所以又称为通（通（on）、断）、断(off)键控键控OOK。5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制12 设发送的二进制符号序列由设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发序列组

8、成，发送送0符号的概率为符号的概率为P，发送，发送1符号的概率为符号的概率为1-P，且，且相互独立。该二进制符号序列可表示为：相互独立。该二进制符号序列可表示为：( )()nBns ta g tnT(5.2 - 1)一、二进制振幅键控信号的表示一、二进制振幅键控信号的表示单极性单极性NRZ矩形脉冲，周期矩形脉冲，周期TB5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制13( )()nBns ta g tnT其中其中(5.2 - 2)PPan1, 1, 0发送概率为发送概率为(5.2 - 3)1,0( )0,BtTg t 其它5.2.1 二进制振幅键控（二进制

9、振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制14则二进制振幅键控信号可表示为：则二进制振幅键控信号可表示为：2ASKnBcnce(t)a g(t nT )costs(t)cost ccost100 传传信信号号“”传传信信号号“ ”(5.2 - 4)5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制15图图 5 .21 二进制振幅键控信号时间波型二进制振幅键控信号时间波型二、二进制振幅键控信号的时间波形二、二进制振幅键控信号的时间波形载 波 信 号2ASK信 号s(t)1011Tb001tttTB5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, O

10、OK）第五章 数字载波调制16习题习题6-2 已知某已知某OOK系统的传码率为系统的传码率为103B,所所用的载波信号为用的载波信号为Acos(4103t)。（1）设传送数字信息为）设传送数字信息为011001，画出相应的，画出相应的2ASK信号波形。信号波形。（2）求）求2ASK信号的带宽。信号的带宽。5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制17(2)二进制振幅键控信号的带宽二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号是基带信号波形带宽的两倍波形带宽的两倍3BB2R2 102000Hz 3 33 32 102 10每每个个码码元元内内有有=2=2个

11、个载载波波波波形形1010解：解：(1)3BR10 B 3c3c3c4102 f410f2 10 Hz 5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制18图图 5.2-2 二进制振幅键控信号调制器原理框图二进制振幅键控信号调制器原理框图乘法器coscte2ASK(t)(a)cosct开关电路s(t)e2ASK(t)(b)s(t)模拟相乘模拟相乘数字键控数字键控三、二进制振幅键控信号的调制原理三、二进制振幅键控信号的调制原理教学动画教学动画5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制19v 非相干解调非相干解调(包络检

12、波法包络检波法)v 相干解调相干解调(同步检测法同步检测法)。四、二进制振幅键控信号的解调四、二进制振幅键控信号的解调5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制20图图 5 .23 ASK非相干解调非相干解调(包络检波法包络检波法)原理框图原理框图 教学动画教学动画包络检波器包络检波器e2ASK(t)带通带通滤波器滤波器全波全波整流器整流器低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器输出输出abcd定时定时脉冲脉冲5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制21 带通滤波器带通滤波器（BPF）恰好使）恰好使2ASK信

13、号完整地通过，信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。经包络检测后，输出其包络。 低通滤波器低通滤波器（LPF）的作用是滤除高频杂波，使）的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。基带信号（包络）通过。 抽样判决器抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制22图图 5.2 -42ASK信号非相干解

14、调过程的时间波形信号非相干解调过程的时间波形11100000101abcd第五章 数字载波调制23图图 5.2 5 2ASK相干解调器原理框图相干解调器原理框图 相干检测就是同步解调，要求接收机产生一相干检测就是同步解调，要求接收机产生一个与发送载波个与发送载波同频同相同频同相的本地载波信号，称其为的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。同步载波或相干载波。e2ASK(t)带通带通滤波器滤波器相乘器相乘器低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器定时定时脉冲脉冲输出输出coswcty(t)教学动画教学动画5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制24A

15、SKce(t)s(t)cost 相干解调相干解调2ASKcccccccy(t)e(t) costs(t)cost1s(t)cos(tt)cos(tt)211s(t)s(t)cos2t221s(t)2 低低通通低通滤波器的截止低通滤波器的截止频率与基带数字信频率与基带数字信号的最高频率相等。号的最高频率相等。5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制25ASKe(t)y(t)ccost 相干解调过程相干解调过程5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制26五、五、2ASK信号的功率谱密度信号的功率谱密度 22sB

16、BBBmP(f)f P(1 P) G(f)f (1 P)G(mf )(fmf ) 0ce (t)s(t)cost 若二进制基带信号若二进制基带信号s(t)的功率谱密度为（的功率谱密度为（p95-5.2-26)OOK信信号号s(t)代表信息的随机代表信息的随机单极性矩形脉冲序列单极性矩形脉冲序列BaBG(f )T S ( fT ) 5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制27显然显然Ps( f )只在只在G（0）处有离散谱，且）处有离散谱，且G（0）=TB，所以有：所以有： 2222sBB22BP(f)f P(1 P) G(f)f (1 P) G(0)

17、(f)f P(1 P) G(f)(1 P)(f) (5.2 - 5)2bbT11Sa ( fT )(f)P442 设设5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制28ss(t)P(f) 离散分量告诉我们信号中离散分量告诉我们信号中有无特殊频率成份；有无特殊频率成份；连续分量可以看出信号带连续分量可以看出信号带宽，第一零点宽，第一零点fb。5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制29图图 5.2-62ASK信号的功率谱密度示意图信号的功率谱密度示意图 -2 fb fc fb fc fc fb fc+2fbOfc-

18、2 fbfc fbfc+2fbfc fbfcf0 dBP2ASK( f )连续谱经传号波形连续谱经传号波形线性调制后决定线性调制后决定离散谱由载波分量决定离散谱由载波分量决定OOk信号信号e0(t)的功率谱密度为：的功率谱密度为：G(f)后后-左移右移左移右移第五章 数字载波调制30 22bcBcBcBcBccTsin(ff )Tsin(ff )T16(ff )T(ff )T1(ff )(ff )16 Escsc2222sccscc1P (f)P(ff ) P(ff )411fG(ff )G(ff )f G(0)(ff )(ff )1616 OOk信号信号e0(t)的功率谱密度为：的功率谱密度

19、为：(5.2 - 6)22bacBacBccTS(ff )TS(ff )T161(ff )(ff )16 第五章 数字载波调制31v 二进制振幅键控信号的二进制振幅键控信号的功率谱密度由离散谱和连功率谱密度由离散谱和连续谱两部分组成续谱两部分组成。v 离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形g(t)确定。确定。v 二进制振幅键控信号的带宽二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形是基带信号波形带宽的两倍带宽的两倍, 即即B2ASK=2B=2fB。v 因为系统的传码率因为系统的传码率RB=fB(Baud)，故，故2ASK系统的系统的频带利用率为频

20、带利用率为BB2ASKBRf1Baud/Hz)B2f2 （5.2.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK, OOK）第五章 数字载波调制32在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制基带信号在基带信号在f1和和f2两个频率点间变化，则产生二进制两个频率点间变化，则产生二进制频移键控信号频移键控信号(2FSK信号信号)。 “1” f1 “0” f2 可见，可见，FSK是用不同频率的载波来传递数字消息的。是用不同频率的载波来传递数字消息的。5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制33二进制移频键控信号的表示、时间

21、波形二进制移频键控信号的表示、时间波形二进制移频键控信号的调制原理与实现二进制移频键控信号的调制原理与实现二进制移频键控信号的解调二进制移频键控信号的解调2FSK2FSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度本节内容本节内容5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制34图图5-8中波形中波形g可分解为波形可分解为波形e和波形和波形f，即，即二进制频移键控信号可以看成是二进制频移键控信号可以看成是两个不同两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加载波的二进制振幅键控信号的叠加。一、一、2FSK信号的表示信号的表示5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章

22、数字载波调制35图图 4.2-7 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)bcdtefgt2FSK信号信号ttt1cost 2cost 1s(t)cost 2s(t)cost 第五章 数字载波调制36nBnnBnBnns(t)a g(t nT )s(t)b g(t nT )a g(t nT ) (5.2 - 7)则二进制移频键控信号的时域表达式为：则二进制移频键控信号的时域表达式为：2FSK121n2ne(t)y (t)y (t)s(t)cost)s(t)cos(t) （假设二进制基带信号假设二进制基带信号 “1” f1 “0” f2 P

23、Pan1, 1, 0发送概率为发送概率为n1,Pb0,1P 发发送送概概率率为为发发送送概概率率为为其中基带信号（其中基带信号（NRZ）5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制37分别代表第分别代表第n个信号码元的初始相位。在个信号码元的初始相位。在2ASK信号中，它们不携带信息，通常可设为零。信号中，它们不携带信息，通常可设为零。nn,因此，二进制频移键控信号的时域表达式可简化为：因此，二进制频移键控信号的时域表达式可简化为： 2FSKnB1nB2nn12e(t)a g(tnT ) costa g(tnT ) costs(t)costs(t)cost (5.

24、2 -8)5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制38 二进制移频键控信号的产生，可以采用二进制移频键控信号的产生，可以采用模拟调频电路来实现，也可以采用模拟调频电路来实现，也可以采用数字键控数字键控的方法来实现。的方法来实现。二、二进制移频键控信号的产生二、二进制移频键控信号的产生5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制39图图 4.28 二进制移频键控信号的原理图二进制移频键控信号的原理图(b)数字键控法数字键控法(b)模拟调频法模拟调频法压控振荡器压控振荡器问题：图问题：图b中的中的s(t)必须是单极性必须是单极性NRZ

25、吗？吗？教学动画教学动画载波载波载波载波f1f2sFSK(t)s(t)=0s(t)=1载波载波载波载波f1f2sFSK(t)第五章 数字载波调制40)cos()()cos()()(210nnttsttste核心思想：一路核心思想：一路2FSK视为视为2路路2ASK信号的合成。信号的合成。1y (t)2y (t)f1振荡器振荡器f2振荡器振荡器选通开关选通开关反向器反向器选通开关选通开关相加器相加器基带基带信号信号)(ts)(ts)(ts)(0te图图5-8 数字键控法实现数字键控法实现2FSK信号的电路框图信号的电路框图5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制

26、41v 非相干解调法（包络检波法）非相干解调法（包络检波法）v 相干解调法相干解调法v 鉴频法鉴频法v 过零检测法：过零检测法：v 差分检测法差分检测法三、三、2FSK信号的解调方法信号的解调方法2FSK特有特有一路一路2FSK视为视为2路路2ASK信号的合成。信号的合成。逆逆过过程程2FSKy1(t)y2(t)分路分路2ASK信号解调信号解调s1(t)s2(t)基带基带信号信号5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制42图图 5.2 9 2FSK非相干解调器非相干解调器(包络检波法包络检波法)原理图原理图e2FSK(t)带通滤波器带通滤波器w 1包络包络检波

27、器检波器抽样抽样判决器判决器输出输出定时脉冲定时脉冲带通滤波器带通滤波器 w 2包络包络检波器检波器v1v2s(t)1、2FSK信号的包络检波法信号的包络检波法问题：问题：BPF1、 BPF1带宽？带宽？教学动画教学动画5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制43 两个两个带通滤波器带宽带通滤波器带宽皆为相应的皆为相应的2ASK信号带宽信号带宽（中心频率不同，分别为（中心频率不同，分别为 f1、f2 ），起分路作用，），起分路作用，用以分开两路用以分开两路2ASK信号；信号； 包络检测包络检测后分别取出它们的包络后分别取出它们的包络s(t) 及及 ； 抽样判决

28、器抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。数字信号。s(t)5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制44若上、下支路若上、下支路 及及 的抽样值分别用的抽样值分别用v1、v2 表示，表示，则抽样判决器的判决准则为：则抽样判决器的判决准则为：5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制45图图 5.2-102FSK非相干解调过程的时间波形非相干解调过程的时间波形 111000001012FSK信号信号v1下支路

29、全波下支路全波整流整流输出输出v2上支路全波上支路全波整流整流第五章 数字载波调制46图图 4.2 11 2FSK相干解调器原理图相干解调器原理图2、2FSK信号的相干解调法信号的相干解调法e2FSK(t)带通滤波器带通滤波器w 1低低 通通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器输出输出定时脉冲定时脉冲带通滤波器带通滤波器w 2低通低通滤波器滤波器相乘器相乘器相乘器相乘器cosw 1tcosw 2tv1v2012e (t)s(t)costs(t)cost 核心思想：一路核心思想：一路2FSK视为视为2路路2ASK信号的合成。信号的合成。教学动画教学动画5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2F

30、SK）第五章 数字载波调制47 图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用分路作用； 它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号；字信息的低频信号； 抽样判决器抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值抽样值 进行比较判决（判决规则同于包络检波法），进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。即可还原出基带数字信号。5.2.2 二进制频移键控（

31、二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制48图图 5.2 12 鉴频法解调原理图鉴频法解调原理图3、2FSK信号的鉴频法信号的鉴频法原理原理：鉴频器：鉴频器输出电压与输入信号频率偏移成正比输出电压与输入信号频率偏移成正比。带通滤波器带通滤波器鉴频器鉴频器 低通滤波器低通滤波器抽样判决抽样判决5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制490fV2V1fcf1f212fv11ffv20 数数字字系系统统发发“”发发“”判决门限判决门限dddv1v 2v2vv1vv0 判判 为为 “ ”判判 为为 “”5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章

32、 数字载波调制504、2FSK信号的过零检测法信号的过零检测法（1）原理）原理 单位时间内信号经过零点的次数多少，可以单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。用来衡量频率的高低。1B21fT0f “ ” 在在持持续续时时间间内内，过过零零数数目目不不同同“ ” 想法：想法：把过零数目不同转换为电压不同。把过零数目不同转换为电压不同。5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制51图图 5.2 13 过零检测法原理图和各点时间波形过零检测法原理图和各点时间波形限 幅e2FSK(t)ab微 分c整 流d脉 冲 形成低 通ef输 出(a)abcdef0

33、 0 1 1 0 0（2）时间波形）时间波形第五章 数字载波调制52 2FSK输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列；输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列； 微分及全波整流微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点；列，这个序列就代表着调频波的过零点； 尖脉冲尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高的频率越高； 低

34、通滤波器低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量。这样就就可得到脉冲波的直流分量。这样就完成了完成了频率幅度频率幅度变换，从而再根据直流分量幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号上的区别还原出数字信号“1”和和“0”。5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制53图图 5.2 14 差分检波法原理图差分检波法原理图带通滤波器带通滤波器输入输入 低通滤波器低通滤波器输出输出 时延时延抽样抽样判决判决器器0Acos()t 5、2FSK信号的差分检波法信号的差分检波法（1）模型）模型 输入信号经输入信号经带通滤波器滤除带外无用信号带通滤波器滤除带外无用信号后

35、被分后被分成两路，一路直接送乘法器，另一路经时延成两路，一路直接送乘法器，另一路经时延后送乘后送乘法器，相乘后再经法器，相乘后再经低通滤波器去除高频成分低通滤波器去除高频成分即可提即可提取基带信号。取基带信号。第五章 数字载波调制54 差分检波法基于输入信号与其延迟差分检波法基于输入信号与其延迟 的信的信号相比较，信道上的失真将同时影响相邻信号相比较，信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。号，故不影响最终鉴频结果。 实践表明，当延迟失真为实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，

36、其检测性能优于鉴频法。重延迟失真时，其检测性能优于鉴频法。（2）核心）核心 只需证明只需证明v 5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制550Acos()t 将将2FSK信号表示为：信号表示为：则角频率则角频率偏移有两种取值：偏移有两种取值：010210 发发送送“ ”发发送送“ ”0022000Acos()t Acos()(t)AAcos()cos2()t() 22 乘法器输出乘法器输出 ：1cos x cos ycos(xy)cos(xy)2cos(xy)cos x cos ysin x sin y 附附公公式式：略去倍频分量，输出略去倍频分量，输出202

37、00AVcos()2A(coscossinsin)2 v与与t无关，是角频偏的无关，是角频偏的函数，但不是一个简单函数，但不是一个简单的函数。的函数。5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制56选择适当的选择适当的，使：，使：0cos0 0sin1 则则故有：故有：20022002022AV(coscossinsin)2Asinsin1A2sinsin2Asinsin12A21A2 当当当当当当v 得得证证第五章 数字载波调制57 输出电压输出电压v与角频偏与角频偏呈线性关系，实现近似线性呈线性关系，实现近似线性的频幅转换特性，这正是鉴频特性所要求的。的频幅转

38、换特性，这正是鉴频特性所要求的。 针对针对的两种取值，经抽样判决器可检测出的两种取值，经抽样判决器可检测出“1”和和“0”。 当角频偏较小时，当角频偏较小时， 即即15.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制58 对对相位不连续的二进制移频键控信号，可以相位不连续的二进制移频键控信号，可以看成由两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠看成由两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加加，其中一个频率为，其中一个频率为f1，另一个频率为，另一个频率为f2。因此，。因此，相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱密度相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱密度可以近似表示成两个不同

39、载波的二进制振幅键控可以近似表示成两个不同载波的二进制振幅键控信号功率谱密度的叠加。信号功率谱密度的叠加。 四、四、 2FSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制59 相位不连续的二进制移频键控信号的时域表达式为：相位不连续的二进制移频键控信号的时域表达式为：ttsttsteASK22112cos)(cos)()(根据二进制振幅键控信号的功率谱密度（根据二进制振幅键控信号的功率谱密度（5.2-6），），可以得到如下所示公式：可以得到如下所示公式：11222FSKscscscsc11P(f)P (ff ) P (ff )P (

40、ff ) P (ff )44 5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制6011222FSKscscscsc11P(f)P (ff ) P (ff )P (ff ) P (ff )44 2222s1BB22BP (f)f P(1P) G(f)f (1P) G(0)(f)f P(1P) G(f)(1P)(f) 1nBns (t)a g(tnT ) nn22s2B1Pba01PP (f)f P(1P) G(f)P(f) 概概率率为为为为空空号号概概率率为为为为传传号号第五章 数字载波调制61令概率令概率P=1/2，则有，则有22S2FSKa1Ba1B22Sa2Ba2

41、B1122TP(f)S(ff )TS(ff )T16TS(ff )TS(ff )T161(ff )(ff )(ff )(ff )16 5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制62v 相位不连续的相位不连续的2FSK信号的功率谱由离散谱和信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成；连续谱所组成；v 离散谱位于两个离散谱位于两个载频载频f1和和f2处；连续谱由两个处；连续谱由两个中心位于中心位于f1和和f2处的双边谱叠加形成；处的双边谱叠加形成；v 若若|f1-f2|fB，则连续谱在，则连续谱在fc处出现单峰；若处出现单峰；若|f1-f2|fB，则连续谱出现双峰。，则连续

42、谱出现双峰。v 所需传输带宽所需传输带宽BFSK=|f1 -f2|+2 fB 5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制63图图6.2-15 相位不连续相位不连续2FSK信号的功率谱示意图信号的功率谱示意图fc = ( f1 f2 ) /2h = ( f2 f1 ) /RBh = 0.5h = 0.7h = 1.5fc1.5 RBfc RBfc0.5 RBfcfc0.5 RBfc RBfc1.5 RBf5.2.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）第五章 数字载波调制64例例6-3 设某设某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

43、B，已调信号的载频为已调信号的载频为1000Hz或或2000Hz：（1）发送数字信息为）发送数字信息为011010，画出相应的，画出相应的2FSK信号信号波形；波形；（2）这时的）这时的2FSK信号应选择怎样的解调方法。信号应选择怎样的解调方法。第五章 数字载波调制65（1）设载频）设载频1000Hz对应对应“1”,2000Hz对应对应“0”。（2）由于）由于2FSK载波频差载波频差|f2-f1|=1000=fB, 功率谱功率谱密度会出现单峰，频谱有较大重叠，用包络检密度会出现单峰，频谱有较大重叠，用包络检测法不合适，上下两支路有较大串扰，调制性测法不合适，上下两支路有较大串扰，调制性能降低，

44、所以可以用相干解调或过零检测法解能降低，所以可以用相干解调或过零检测法解调。调。第五章 数字载波调制66 相移键控在数据传输中相移键控在数据传输中, 尤其是在中速和中高速尤其是在中速和中高速的数传机中得到了广泛的应用的数传机中得到了广泛的应用,在现代无线通信中应在现代无线通信中应用广泛。用广泛。 相移键控有很好的抗干扰性相移键控有很好的抗干扰性, 在有衰落的信道中在有衰落的信道中也能获得很好的效果。也能获得很好的效果。 我们主要讨论二相、四相调相我们主要讨论二相、四相调相 ，在实际应用中还，在实际应用中还有八相及十六相调相。有八相及十六相调相。相移信号可分为两种：相移信号可分为两种：v 绝对相

45、移绝对相移 v 相对相移相对相移(差分相移差分相移)5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制67在二进制数字调制中，当正弦载波的在二进制数字调制中，当正弦载波的相位相位（指（指初相）初相）随二进制数字基带信号离散变化时，则随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常用已调信号。通常用已调信号载波的信号载波的0和和 180分别表示二进制数字分别表示二进制数字基带信号的基带信号的 0 和和1。一、绝对相位键控（一、绝对相位键控（2PSK） 5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制68其中其中, an与与2ASK

46、和和2FSK时的不同，在时的不同，在2PSK调制中，调制中，an应选择应选择双极性双极性，即，即(5.2 - 10)PPan1, 1, 1发送概率为发送概率为二进制移相键控信号的时域表达式为二进制移相键控信号的时域表达式为2PSKcnBcne(t)s(t)costa g(tnT ) cost (5.2 - 9)5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制69若用若用n表示第表示第n个符号的绝对相位，则有个符号的绝对相位，则有若若g(t)是脉宽为是脉宽为TB, 高度为高度为1的矩形脉冲时，则有的矩形脉冲时，则有(5.2 - 11)c2PSKcnccoste(t)cos(t)cos

47、t (5.2 - 12)0n00 ,0180 ,1 发发送送符符号号“ ”发发送送符符号号“ ”这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式，称为信号的调制方式，称为二进制绝对移相方式二进制绝对移相方式第五章 数字载波调制70图图 5.2 16 二进制绝对移相键控信号的时间波形二进制绝对移相键控信号的时间波形 当码元宽度当码元宽度TB 为载波周期为载波周期Tc 的整数倍时，的整数倍时，2PSK信号的典型波形如图信号的典型波形如图5.2-16所示。所示。10110 01)(ts)(2tsPSK 请注意：由于习惯上画波形时以正弦形式画图较方便，

48、请注意：由于习惯上画波形时以正弦形式画图较方便，这与数学式常用余弦形式表示载波有些不一致。这与数学式常用余弦形式表示载波有些不一致。第五章 数字载波调制71图图 5.2- 172PSK信号的调制原理图信号的调制原理图 s(t)码 型 变 换双 极 性 不 归零乘 法 器e2PSK(t)cosct(a)cosct0开 关 电 路e2PSK(t)180 移 相s(t)(b)图图(a)是采用是采用模拟调制模拟调制的方法产生的方法产生2PSK信号，图信号，图(b)是是采用采用数字键控数字键控的方法产生的方法产生2PSK信号。信号。二、二、2PSK的调制与解调的调制与解调1、调制、调制5.2.3 二进制

49、移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制72v 就模拟调制法而言，就模拟调制法而言， 2PSK与产生与产生2ASK信号信号的方法比较，只是对的方法比较，只是对s(t) 要求不同。要求不同。v 就键控法来说，用数字基带信号就键控法来说，用数字基带信号 s(t)控制开关控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时电路，选择不同相位的载波输出，这时s(t)为单为单极性极性NRZ或双极性或双极性NRZ脉冲序列信号均可。脉冲序列信号均可。 5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制73 2PSK信号的解调通常都是采用信号的解调通常都是采用相干解调相干解调。在相干解调过程中需要用到与接收

50、的在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频信号同频同相的同相的相干载波相干载波。2、解调、解调5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制74不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为：不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为：)cos()(nctty)2cos(21cos21cos)cos()(ncncncttttz时，时，nnntx2/102/1cos21)(图图 5.2 182PSK信号的解调原理图信号的解调原理图第五章 数字载波调制75图图 5.2 -192PSK信号相干解调各点时间波形信号相干解调各点时间波形 1 0 1 1 0 0 12PSK本地载波本地载波(虚虚 线

51、线)定时脉冲定时脉冲判别规则：正判别规则：正-“0”；负；负-“1”)(ty)(tz)(txs(t)na第五章 数字载波调制762PSK信号相干解调的过程实际上是输入已调信信号相干解调的过程实际上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称为为极性比较法解调极性比较法解调。极性相同极性相同 -0极性不同极性不同 -15.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制77图图 5.2 202PSK信号的解调原理图信号的解调原理图带通带通滤波器滤波器e2PSK(t)鉴相器鉴相器抽样抽样判决器判决器输出输出cosw ct定时脉冲定时脉冲可

52、以将相乘器和低通滤波器用可以将相乘器和低通滤波器用鉴相器鉴相器代替。代替。5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制78 由于发送端是以某个相位为基准的，在接收端由于发送端是以某个相位为基准的，在接收端移必须有这样一个固定基准的相位作参考。如果参移必须有这样一个固定基准的相位作参考。如果参考的同步载波相位发生考的同步载波相位发生180倒相时，解调出的数倒相时，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，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号全部出错。这种现象通常解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象通常称为称为“倒倒”现象现象。 由于在

53、由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着信号的载波恢复过程中存在着180的相位模糊，从而使得的相位模糊，从而使得2PSK方式在实际中很方式在实际中很少采用少采用。5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制79三、二进制相对三、二进制相对( (差分差分) )相位键控（相位键控（2DPSK2DPSK） 在在2PSK2PSK信号中，信号相位的变化是以未调正弦信号中，信号相位的变化是以未调正弦载波的相位作为参考，用载波相位的绝对数值表示载波的相位作为参考，用载波相位的绝对数值表示数字信息的，所以称为绝对移相。但相干载波恢复数字信息的，所以称为绝对移相。但相干载波恢复中载波相位的中载波

54、相位的180180相位模糊，导致相位模糊，导致解调出的二进解调出的二进制基带信号出现反相现象制基带信号出现反相现象，从而难以实际应用。，从而难以实际应用。 为了解决为了解决2PSK2PSK信号解调过程的反相工作问题，信号解调过程的反相工作问题，提出了提出了二进制差分相位键控二进制差分相位键控(2DPSK)(2DPSK) )。5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制80 2DPSK方式是用方式是用前后相邻码元前后相邻码元的载波相对相位的载波相对相位变化来表示数字信息。即变化来表示数字信息。即本码元初相与前一码元本码元初相与前一码元初相之差。初相之差。 假设假设前后相邻码元的载

55、波相位差前后相邻码元的载波相位差为为，可定义，可定义一种数字信息与一种数字信息与之间的关系为：之间的关系为：”表示数字信息“”表示数字信息“1,0, 05.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制81则一组二进制数字信息与其对应的则一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号信号的载波相位关系如下所示的载波相位关系如下所示:二进制数字信息：二进制数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 1 02DPSK信号相位：信号相位： 0 0 0 0 0 0或或 0 0 0 0 0 由于由于初始参考相位初始参考相位有两种可能，因此有两种可能，因此2DPSK信号信号的波形可以有两种。的波形可

56、以有两种。5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制82图图 5.2 21 2DPSK信号调制过程波形图信号调制过程波形图绝对码绝对码an相对码相对码载波载波DPSK信号信号101100101 0 0 1 0 1 1 0n1nnabb (0)第五章 数字载波调制83v 与与2PSK的波形不同，的波形不同，2DPSK波形的同一相位并波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号不对应相同的数字信息符号，而，而前后码元的相对前后码元的相对相位才唯一确定信息符号相位才唯一确定信息符号。v 解调解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后

57、码元的相对相位关系不波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。这就息。这就避免了避免了2PSK方式中的方式中的“倒倒 ”现象发生现象发生。说明说明5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制84v 单从波形上看，单从波形上看，2DPSK与与2PSK是无法分辩的，比是无法分辩的，比如图如图5-20中中2DPSK也可以是另一符号序列（见图中的也可以是另一符号序列（见图中的序列序列bn，称为相对码，而将原符号序列，称为相对码，而将原符号序列an 称为绝对码）称为绝对码）经绝对移相而形成的。经绝对移

58、相而形成的。只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；才能正确判定原信息；相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。这就为对移相而形成。这就为2DPSK信号的调制与解调信号的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制85 相对相移本质上就是对差分码信号的绝对相移。相对相移本质上就是对差分码信号的绝对相

59、移。那么，那么，2DPSK信号的表达式与信号的表达式与2PSK的形式应完全的形式应完全相同，所不同的只是此时式中的相同，所不同的只是此时式中的s(t) 信号表示的是信号表示的是差分码数字序列。即差分码数字序列。即: 2( )( )cosDPSKcsts tt( )()nBns tb g tnT5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制86图图5.2-22 二相调制移相信号矢量图二相调制移相信号矢量图A方式方式参考相位参考相位0B方式方式参考相位参考相位/2-/2在在2PSK中，参考相位是未调载波的相位；中，参考相位是未调载波的相位； 在在2DPSK中，参考相位是前一码元载波的

60、相位。中，参考相位是前一码元载波的相位。 第五章 数字载波调制87四、四、2DPSK的调制与解调的调制与解调s(t)码型变换码型变换差分码差分码乘法器乘法器e2DPSK(t)cos w ct(a)图图 5.2 23(a)2DPSK信号模拟调制原理图信号模拟调制原理图1、调制方法、调制方法 模拟调制法、键控调制法模拟调制法、键控调制法双极性双极性NRZ5.2.3 二进制移相键控二进制移相键控第五章 数字载波调制88 an:输入码输入码差分码差分码nnn 1bab anT延迟延迟bnb1n编码编码abbn1nnbnT延迟延迟cnb1n解码解码abbcn1nnn5.2.3 二进制移相键控二进制移相键