数字带通传输系统第一次课

1、7.1二进制数字调制原理7.2二进制数字调制系统的抗噪声性能7.3二进制数字调制系统的性能比较7.4多进制数字调制原理7.5多进制数字调制系统的抗噪声性能本章主要内容 数字基带传输系统,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。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。数字基带信号能否直接在信道中传输与信道的传输特性有关。由于数字基带信号具有丰富的低频成分，但现有的许多信道（包括信道端口的一些设备）的传输特性并不能使这些成分有效地传输。为了完整的传输信号，必须要进行调制。 0.1 1 2 3 5 10 f(kHz)L(dB) -4 -8

2、-12 -16 -20 -24 双绞线的传输特性 模拟用户线的传输特性 话音信号频谱 数字基带信号频谱 调制的必要性： 在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种信道中传输，因此，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。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。由于对于大多数的数字传输系统来说，由于数字基带信号往往具有丰富的低频成分，而实际的通信信道又具有带通特性，有不少信道都不能直接传送基带信号，而必须用基带信号来控制高频载波的某些参量，这种把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程称为数字

3、调制，反之，称为数字解调。在接收端通常把包括调制和解调过程的数字传输系统称做数字带通传输系统。数字带通系统也称为数字频带系统，由于借助于正弦载波的幅度、频率或相位传输数字基带信息，数字带通系统也称为载波传输系统。 数字调制就是对基带数据信号进行变换，实现信号频谱的“搬移”，即把含有大量低频成分的基带信号频谱搬移到一个很高的频段上去。这种向高频的搬移在数据的发送端进行，搬移的过程称作“调制”，在称作调制器的设备中完成。在数据的接收端，有一个相反的变换被称作“解调”的过程，解调过程在称作解调器的设备中完成。 经过调制的后的信号在一个很高的频段上占有一定的带宽，由于所处频段很高，使得其最高频率和最低

4、频率的相对偏差变小（最高频率和最低频率的比值略大于1），这样的信号称为频带信号或射频信号，相应的传输系统称作频带传输系统。 调制实现对基带数据信号频谱的“搬移”，即把含有大量低频成分的基带信号频谱搬移到一个很高的频段上去。其目的主要有两个： 无线(Wireless)传输 频分多路复用(FDM)接收器发送器 调制器发送带通接收带通接收低通抽样判决 解调器 信 道噪声n（t） 发送数据 接收数据 频带传输系统结构模型 基带信号为什么要进行调制？有的信道有很宽的频率范围，但用户的信息带宽却很窄，用这样的信道去传输一个用户的信号显然会造成频率资源的浪费。这时可以将一个信道按频率划分成多个子信道，每个信

5、道分配一个载波，传送一个用户的信号，这种方式称为频分多路复用（FDM）。采用频分多路复用方式时数字基带信号必须通过调制将频谱搬到对应的子信道上。调制（Modulation）是用基带信号去控制正弦波的参数的过程。用于调制的基带信号称为调制信号（Modulating Signal），被调制的正弦波称为载波（Carrier），经过调制以后的信号称为已调信号（Modulated Signal）。在接收端，接收设备要将原来的基带信号从已调信号中恢复，这个过程称为解调（Demodulation）。双向传输系统中的传输设备既要完成调制功能，又要完成解调功能，因此称为调制解调器（Modem）。 调制器 解调器

6、 已调信号 载波 调制信号 （基带信号） （频带信号） 调制器 解调器 （Modem） （Modem） 恢复信号 （基带信号） 载波的波形是任意的，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，因为便于产生与接收。常用的载波信号为 ，其中为A为载波的振幅,c为载波的角频率, 为载波的初始相位。2、数字调制分类(1) 根据控制载波波形参量不同，分为： 振幅键控（ASK） 用数字消息控制载波的振幅。 移频键控（FSK） 用数字消息控制载波的频率。 移相键控（PSK） 用数字消息控制载波的相位。(2) 根据已调信号频谱结构特点不同，分为：线性调制(如ASK) 非线性调制（如FSK，

7、PSK） 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的频谱结构不同，有新的频率成分出现。数字调制技术有两种方法：(1) 利用模拟调制的方法去实现数字式调制；(2) 通过开关键控载波，通常称为键控法。数字调制可分为二进制调制和多进制调制。在二进制时有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、移相键控（PSK）调制方式。 振幅键控 频移键控 相移键控数字调制与模拟调制相似，其原理没有什么区别。模拟调制：发射端连续调制，接收端连续估值。数字调制：发射端数字调制，接收端抽样估值。调制器信 道解调器噪声源基带信

8、号输入基带信号输出数字调制系统的基本结构2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带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“1”，无载波输出时表示发送“0”。2ASK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（on）、断(off)键控OOK。6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为：(6.2 - 1)一、二进制振幅键控信号的表示单极性NRZ矩形脉冲，周期Ts6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）其中(

9、6.2 - 2)(6.2 - 3)6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）则二进制振幅键控信号可表示为：(6.2 - 4)6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）图 4 .21 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6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）TB习题 已知某OOK系统的传码率为103B,所用的载波信号为Acos(4103t)。（1）设传送数字信息为011001，画出相应的2ASK信号波形。（2）求2ASK信号的带宽。6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）ASK调制器框图与电路相乘器数字基带信号载波ASK信号载波数字基带信号AS

10、K信号ASK信号载波ASK信号数字基带信号载波二进制振幅键控信号调制器原理框图模拟相乘数字键控2ASK信号的时间波形随二进制基带信号s(t)通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）。 非相干解调(包络检波法) 相干解调(同步检测法)。四、二进制振幅键控信号的解调6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）图 6 .23 ASK非相干解调(包络检波法)原理框图 包络检波器e2ASK(t)带通滤波器全波整流器低通滤波器抽样判决器输出abcd定时脉冲6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK） 带通滤波器（BPF）恰好使2ASK信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。 低通滤波器（L

11、PF）的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。 抽样判决器包括抽样、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，通常位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）图 6.2 -42ASK信号非相干解调过程的时间波形图 6.2 5 2ASK相干解调器原理框图 相干检测就是同步解调，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。e2ASK(t)带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出coswcty(t)6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）相干解调低通滤波器的截止频率与基带数字

12、信号的最高频率相等。6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）相干解调过程6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）ASK信号实际上是信码的单极性NRZ波形与高频载波的相乘。重要结论：ASK信号的频带宽度是基带信号的两倍。 （a） （b） f f 0 0 fC fS UASK(f) UB(f) 7.1.2 二进制移频键控（2FSK） 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f1和f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号(2FSK信号)。2FSK产生法： 1 模拟调频法 2 键控法二进制移频键控信号的产生及波形示例在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f

13、2两个频率点间变化。故其表达式为： 典型波形： 分别代表第n个信号码元的初始相位。在2FSK信号中，它们不携带信息，通常可设为零。反码因此，二进制移频键控信号的时域表达式可简化为 式中: g(t) 单个矩形脉冲，Ts 脉冲持续时间；2FSK信号表达式还可简化为：式中：图6-8中波形g可分解为波形e和波形f，即二进制频移键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。一、2FSK信号的表示6.2.2 二进制频移键控（2FSK） 图 6.2-7 二进制移频键控信号的时间波形aak1011001ts(t)ts(t)bcdtefgt2FSK信号ttt 二进制移频键控信号的产生，可以采用模拟调

14、频电路来实现，也可以采用数字键控的方法来实现。二、二进制移频键控信号的产生6.2.2 二进制频移键控（2FSK） 图 6.28 二进制移频键控信号的原理图(b)数字键控法(b)模拟调频法压控振荡器问题：区别载波载波f1f2sFSK(t)s(t)=0s(t)=1载波载波f1f2sFSK(t)核心思想：一路2FSK视为2路2ASK信号的合成。6.2.2 二进制频移键控（2FSK） f1振荡器f2振荡器选通开关反向器选通开关相加器基带信号)(ts)(ts)(ts)(0te图5-8 数字键控法实现2FSK信号的电路框图7.1.3 二进制移相键控（2PSK） 在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制

15、数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常用已调信号载波的0和 180分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。二进制移相键控信号的时域表达式为(7.1 - 23)若用n表示第n个符号的绝对相位，则有其中, an统计特性：(7.1 - 27)因此，式(7.1.23)可以改写为由于两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘。式中即发送二进制符号“0”时（an取+1），e2PSK(t)取0相位；发送二进制符号“1”时（an取 -1）， e2PSK(t)取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方

16、式，称为二进制绝对相移方式。二进制移相键控信号的时间波形 图(a)是采用模拟调制的方法产生2PSK信号，图(b)是采用数字键控的方法产生2PSK信号。2PSK信号的调制原理图 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。如果参考的同步载波相位发生180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号全部出错。这种现象通常称为“倒”现象。 由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180的相位模糊，从而使得2PSK方式在实际中很少采用。一次课6.2.3 二进制移相键控三、二进制相对(差分)相位键控（2DPSK） 在2PSK信号中

17、，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180相位模糊，导致解调出的二进制基带信号出现反向现象，从而难以实际应用。为了解决2PSK信号解调过程的反向工作问题，提出了二进制差分相位键控(2DPSK)。6.2.3 二进制移相键控2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。即本码元初相与前一码元初相之差。假设前后相邻码元的载波相位差为，可定义一种数字信息与之间的关系为：6.2.3 二进制移相键控则一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系如下所示:二进制数字信息： 1 1 0 1

18、 0 0 1 1 1 02DPSK信号相位： 0 0 0 0 0 0或 0 0 0 0 0 由于初始参考相位有两种可能，因此2DPSK信号的波形可以有两种。6.2.3 二进制移相键控图 6.2 21 2DPSK信号调制过程波形图绝对码an相对码载波DPSK信号101100101 0 0 1 0 1 1 0(0) 与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。 解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，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息。这就避免了2PSK方式中的“倒 ”现象

19、发生。说明6.2.3 二进制移相键控 单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的，比如图6-20中2DPSK也可以是另一符号序列（见图中的序列bn，称为相对码，而将原符号序列an 称为绝对码）经绝对移相而形成的。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；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移相而形成。这就为2DPSK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。6.2.3 二进制移相键控 相对相移本质上就是对差分码信号的绝对相移。那么，2DPSK信号的表达式与2PSK的形式应完全相同，所不同的只是此时式中的s(t) 信号表示的是差分码数字序列。即: 6.2.3 二进制移相键控图6.2-22 二相调制移相信号矢量图A方式参考相位0B方式参考相位/2-/2在2PSK中，参考相位是未调载波的相位； 在2DPSK中，参考相位是前一码元载波的相位。 四、2DPSK的调制与解调s(t)码型变换差分码乘法器e2DPSK(t)cosw ct(a)图 6.2 23(a)2DPSK信号