第7章 数字信号频带传输1

1、1第7章 数字信号的频带传输 n7.1 二进制幅度键控二进制幅度键控(2ASK) n7.2 二进制频移键控二进制频移键控(2FSK) n7.3 二进制相移键控二进制相移键控(2PSK) n7.4 二进制差分相移键控二进制差分相移键控(2DPSK) n7.5 多进制数字调制多进制数字调制 2本章内容n数字调制数字通信系统一般模型数字通信系统一般模型信道编码调制信道解调信道解码噪 声信源信源编码信源解码信宿用数字基带信号对载波进行调制，使信号的频谱从低频搬移到高频的过程。3数字信号的传输n基带传输n只适合于有线通信和短距离的无线传输。n频带传输n适合有线和无线传输，可进行FDM。4模拟调制n幅度调

2、制（AM）n频率调制（FM）n相位调制（PM）5tc(t)载波tf(t)调制信号tsFM调频波tsAM调幅波 tAtucc cos0( )( )cosAMcstAf tt( )cos( )PMcpstAtK f t( )cos( )tFMcfstAtKfdtsPM调相波( )( )cosDSBcstf tttsDSB 抑制载波的双边带调幅波模拟调制6数字调制n幅度键控（ASK）n频移键控（FSK）n相移键控（PSK）n数字调制与模拟调制本质上是一样的。7数字调制信号通常用键控法产生M进制符号序列进制符号序列二进制信源序列二进制信源序列载载波波集集.S0(t)S1(t)S2(t)SM(t)801

3、23012300011011S0(t)S1(t)S2(t)S3(t)载载波波集集1011四进制符号序列四进制符号序列二进制信源序列二进制信源序列载载波波集集S0(t)S1(t)S2(t)S3(t)如 四进制幅度调制4ASK9二进制数字调制n2ASKn载波幅度随着调制信号而变化，只有两种可能的幅度。n2FSKn利用载波的频率变化来传递数字信息。两种不同的频率。n2PSKn利用载波相位绝对数值的变化传送数字信息10an 1 0 1 1 0 1 0 02ASK2FSK2PSK tnTtgatnTtgatcnsncnsnPSKscoscos tcosnTtgatcnsnASKs tcosnTtgatc

4、osnTtgat2nsn1nsnFSKs二进制已调波形亦称：OOK信号11举例说明an 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 12FSK2DPSK12已调信号的功率谱函数数字已调信号频谱分析fhcff P PS S( (f f ) )hcff cff fP PB B( (f f ) )hf 14sBcBcPfPffPff coscs tB tt一般数字已调信号137.1 二进制幅度键控（2ASK） n2ASK调制的基本原理n2ASK信号的时频域表示n2ASK调制器与解调器142ASK与OOKn二进制幅度键控（2ASK）n载波幅度随着调制信号而变化，只有两种可能的幅度。n通断键控（OOK）

5、n2ASK中两种可能的幅度为高电平和零电平。151001anB(t)sOOK(t)00A AttOOK信号sOOK(t)=anAcosct1,0,na出现概率为P 出现概率为1-P 16OOK的时域表达式 nsOOK(t)=anAcosct nA：载波幅度；c：载波频率nan：二进制数字信息1,0,na出现概率为P 出现概率为1-P (72) (71)172ASK信号的时域表达式n调制信号：nTs：调制信号间隔ng(t)：单极性脉冲信号的时间波形nan：二进制数字信息n2ASK信号：( )()nsnB ta g tnT( )()cosASKnscnsta g tnTt187.1.2 2ASK信

6、号的频域特性n若二进制序列B(t)的功率谱密度为PB()，2ASK信号的功率谱密度为PASK()，则有1( )()()4ASKBcBcPPP190fPB( f )0 fcfcfc fsfc fsfc fsfc fsfPASK( f )(a)(b) fsfsOOK信号的功率谱谱零点带宽谱零点带宽双边带20n可以看出：幅度键控信号的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移（线性调制），其频谱宽度是二进制基带信号的两倍。n由于基带信号是矩形波，其频谱为Sa函数，频带宽度从理论上来说为无穷大，通常取第一过零点的带宽作为传输带宽，称之为谱零点带宽。212ASK信号的带宽n设数字信号的码元速率为RBn则：码元宽度

7、Ts=1/ RBn矩形脉冲B(t)的谱零点带宽BB=1/Ts=fs= RBn2ASK信号的带宽B =2fs = 2RB （双边带调制）22fc Bfc B fcfcfc Bfc BBB0PB( f )PASK( f )ff(a) 基带信号功率谱(b) 已调信号功率谱0为了限制频带宽度，可以采用带限信号作为基带信号，如升余弦滚降信号。但此时信号的产生较复杂。升余弦滚降基带信号的2ASK信号功率谱237.1.3 2ASK调制器n方法1：使用乘法器n类似模拟调制。可以生成各种幅度调制。n方法2：使用开关电路n用于生成OOK信号。B(t)cosctsASK(t)sASK(t)B(t)开关电路24 nS

8、nB ta g tnT 2ccos tASKstB ttcosc数字信号序列数字信号序列载波载波已调信号已调信号数字信号序列数字信号序列 nSnB ta g tnTGNDtcosc载波载波 2ccos tASKstB t已调信号已调信号10101载波B(t)1 0 1 1 0an已调波2ASK调制器257.1.4 2ASK解调器n方法1：包络检波n方法2：相干解调n需要在接收端产生一个本地的相干载波，且设备复杂，较少使用。n数字信号最终都需要用抽样判决电路对低通滤波器的输出作一次判决以确定信号取值。26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

9、判决器输出输入定时脉冲cosct(a) 包络检波(b) 相干解调2ASK解调器27全波或半波整流带通接收信号输出信号低通抽样判决定时脉冲提取(a) 包络检波包络检波2ASK全波整流低通输出 1 0 1 1 0 1 0 0输出信号2ASK的包络检波法解调28 tcostsctcosc ts21 tcosc costs21 t2cos1ts21c t2coscosts21c本地相干载波提取带通接收信号输出信号低通抽样判决定时脉冲提取(b) 相干解调相干解调相乘器相干解调必须载波同步，即接收端需提取与发射端同频同相的载波。2ASK的相干解调297.2 二进制频移键控（2FSK）n7.2.1 2FSK

10、调制的基本原理及波形表达式n7.2.2 2FSK调制的频域特性n7.2.3 2FSK调制器n7.2.4 2FSK解调器307.2.1 2FSK的基本原理及时域表达式n2FSK：利用载波的频率变化来传递数字信息。n“1”载波频率f1n“0”载波频率f2312FSK的时域表达式n2FSK信号可看作是两个不同频率交替发送的2ASK信号的叠加:n 是an的反码212( )()cos()cosFSKnsnsnnsta g tnTta g tnTtna322ASK1t2ASK2t 1 0 1 1 0 1 0+= = 1122coscossFSKnsnsnnta g tnTta g tnTt2FSKtt 2

11、22cossASKnsnta g tnTt 11nsn1ASKtnTtgats cos2FSK信号的时域波形332FSK信号的时域波形34f1f1-fsf2f2+fs Pc( ) Pc( ) Pc( )f2f2+fsf1f1-fsf2f2+fsf1f1-fs21222FSKBsBBffBhfB为频移指数为频移指数或调制指数或调制指数12sffhf定义2B2BB2FSK频移指数h越大，2FSK信号的频带 f越宽。2FSK信号的功率谱2ASK信号的功率谱信号的功率谱Pc fc-fs fc fc+fsPc( )35频差12212cffffff 设：中心频率调制指数21ssfffhRR基带信号带宽BB

12、则：B2FSK2BB+|f2-f1|2FSK的频域特性36fc fsfcfc fsfP2FSK( f )h0.5h0.7h1.52FSK信号功率谱377.2.3 2FSK调制器n频率选择法：n产生相位不连续的FSK信号n压控振荡器n产生相位连续的FSK信号38图78 2FSK调制器 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39门1数字信号输入数字信号输入门0反相f1f02FSK信号输出信号输出产生相位不连续的产生相位不连续的2FSK2FSK信号信号压控振荡器FSK信号输出信号输出数字信息序列数字信息序列an产生相位连续的产生相位连续的FSKFSK信号信号2FSK信号

13、的产生407.2.4 2FSK解调器n两个并联的ASK接收机一个FSK接收机。n非相干解调（包络检波）n相干解调n过零检测法41 f1 f0 f1 f1 f0 f1 f02FSKttatb带通滤波器1带通滤波器0包络检波器包络检波器位定时恢复判决器数据数据2FSK输入输入abcdc 1 0 1 1 0 1 0d非相干解调器要良好的工作，要求较大的频移指数。2FSK的非相干解调42带通滤波器1带通滤波器2低通滤波低通滤波位定时恢复判决数据数据输入输入本地相干载波1本地相干载波2tcos1 2cost 12coscossFSKnsnsnnta g tnTta g tnTt nsnnTtga21 nsnnTtga212FSK的非相干解调43 1 0 1 1 0 1 0限幅微分整流脉冲发