第六章正弦载波数字调制系统

第六章正弦载波数字调制系统第1页，课件共99页，创作于2023年2月6.1引言数字信号有两种传输方式，一种是基带传输方式，另一种就是本章要介绍的调制传输或称为频带传输。数字基带传输系统然而，实际通信中，不少信道都不能直接传送基带信号。已讨论的问题第2页，课件共99页，创作于2023年2月在通信系统中实际使用的信道多为带通型，例如各个频段的无线信道、限定频率范围的同轴电缆等。而数字基带信号往往具有丰富的低频成分，只适合在低通型信道中传输（比如双绞线）。为了使数字信号能在带通信道中传输，必须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的变化而变化，采用数字调制方式。第3页，课件共99页，创作于2023年2月为什么一定要在带通型信道中传输数字信号呢？这是因为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；另外，若要利用无线电信道，必须把低频信号“变”成高频信号。问题原因第4页，课件共99页，创作于2023年2月与模拟调制一样，数字调制也有调幅、调频、调相三种形式。已讨论过的问题以正弦波作为载波的模拟调制系统现在讨论的问题以正弦波作为载波的数字调制系统第5页，课件共99页，创作于2023年2月这三种形式是：振幅键控ASK、移频键控FSK、移相键控PSK。(a)振幅键控;(b)移频键控;(c)移相键控第6页，课件共99页，创作于2023年2月模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制；数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传输的信息。注意第7页，课件共99页，创作于2023年2月6.2二进制数字调制原理一、二进制振幅键控ASK（通断键控OOK）在2ASK中，载波幅度随着调制信号1和0的取值而在两个状态之间变化。二进制幅度键控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的控制下来实现通或断。OOK信号的时域表达式为第8页，课件共99页，创作于2023年2月

g(t)为持续时间为Ts的矩形脉冲,an为二进制数字信息，它的取值服从下述关系：出现概率为P出现概率为1-P

第9页，课件共99页，创作于2023年2月2ASK（OOK）信号是双边带调幅信号。令则为双边带调幅信号的时域表达式说明第10页，课件共99页，创作于2023年2月OOK信号波形第11页，课件共99页，创作于2023年2月（1)2ASK信号的产生与解调产生的方法有两种：模拟法、键控法2ASK信号的产生及波形第12页，课件共99页，创作于2023年2月2ASK信号的解调方法也有两种：相干解调（同步检测法）非相干解调（包络检波法）第13页，课件共99页，创作于2023年2月2ASK信号的接收系统组成方框图(a)非相干方式、(b)相干方式第14页，课件共99页，创作于2023年2月2ASK信号的频谱2ASK信号的表示：设e0(t)的功率谱密度为pe(f)、S(t)的功率谱密度为ps(f)第15页，课件共99页，创作于2023年2月

因S(t)是单极性的随机矩形脉冲序列，所以利用前面得到的随机基带序列的功率谱的求法得到ps(f)第16页，课件共99页，创作于2023年2月根据矩形波形g(t)的频谱特点，对所有的m≠0的整数，有G(mfs)=0故上式变为：第17页，课件共99页，创作于2023年2月代入得：第18页，课件共99页，创作于2023年2月当概率P=1/2时，上式为：g(t)的频谱为：矩形脉冲的频谱第19页，课件共99页，创作于2023年2月第20页，课件共99页，创作于2023年2月第21页，课件共99页，创作于2023年2月离散谱第22页，课件共99页，创作于2023年2月2ASK信号的功率谱离散谱第23页，课件共99页，创作于2023年2月由图可知，OOK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成，它的谱零点带宽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。OOK信号的传输带宽是码元速率的2倍。OOK信号的带宽是基带脉冲波形带宽的2倍。结论说明第24页，课件共99页，创作于2023年2月

2FSK是利用载波的频率变化来传递数字信息的。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。二、二进制频移键控（2FSK）第25页，课件共99页，创作于2023年2月（1)产生方法：模拟法、键控法第26页，课件共99页，创作于2023年2月2FSK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：这里，ω1=2πf1，ω2=2πf2，

是an的反码,

和an可表示为概率为P

概率为1-P概率为P概率为1-P第27页，课件共99页，创作于2023年2月2FSK信号的波形如图（a）所示，该波形可分解为图（b）和图（c）所示的波形。第28页，课件共99页，创作于2023年2月相干检测法、非相干检测法、鉴频法、过零检测法、差分检波法等。⑵2FSK信号的解调第29页，课件共99页，创作于2023年2月2FSK信号常用的接收系统(a)非相干方式(b)相干方式第30页，课件共99页，创作于2023年2月注意这里的抽样判决器是判定哪个输入样值大，此时可以不专门设置门限电平。第31页，课件共99页，创作于2023年2月2FSK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。2FSK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。过零检测法的原理框图及各点波形如图所示。第32页，课件共99页，创作于2023年2月FSK信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的脉冲序列，由此再形成相同宽度的矩形波。此矩形波的低频分量与数字信号相对应，由低通滤波器滤出低频分量，然后经抽样判决，即可得到原始的数字调制信号第33页，课件共99页，创作于2023年2月2FSK信号过零检测法第34页，课件共99页，创作于2023年2月FSK信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的脉冲序列，由此再形成相同宽度的矩形波。此矩形波的低频分量与数字信号相对应，由低通滤波器滤出低频分量，然后经抽样判决，即可得到原始的数字调制信号第35页，课件共99页，创作于2023年2月差分检波法差分检波法原理方框图输入信号经带通滤波器滤除带外无用信号后，被分成两路，一路直接送乘法器（平衡调制器）另一路经时延τ送到乘法器，相乘后再经低通滤波器提取信号。第36页，课件共99页，创作于2023年2月2FSK调制属于非线性调制，因此，其频谱特性研究比较困难，常用方法，把2FSK信号看成两个2ASK信号相叠加设（3)2FSK信号的频谱第37页，课件共99页，创作于2023年2月2ASK信号的功率谱：由此，可以得到2FSK信号的功率谱：分别是s1(t)、s2(t)的功率谱第38页，课件共99页，创作于2023年2月2FSK信号的功率谱表示为：第39页，课件共99页，创作于2023年2月当概率P=1/2时，上式可以写成：因为g(t)是矩形脉冲，所以第40页，课件共99页，创作于2023年2月第41页，课件共99页，创作于2023年2月2FSK信号的功率谱由连续谱、离散谱组成，连续谱由两个双边谱组成，离散谱出现在两个载频位置上。结论第42页，课件共99页，创作于2023年2月若两个载频之差比较小，连续谱出现单峰若两个载频之差增大，连续谱出现双峰传输2FSK信号所需的第一零点带宽为：通常为节约带宽，同时也能区分f1、f2，取第43页，课件共99页，创作于2023年2月第44页，课件共99页，创作于2023年2月2FSK信号功率谱调制指数（或频移指数）h为Rs是数字基带信号的速率功率谱以fc为中心对称分布。在Δf较小时功率谱为单峰。随着Δf的增大，f1和f2之间的距离增大，功率谱出现了双峰。第45页，课件共99页，创作于2023年2月二进制相移键控（2PSK）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π弧度，例如用相位0和π分别表示1和0，所以这种调制又称二相相移键控（BPSK）。三、二进制移相键控及二进制差分相位键控（2PSK、2DPSK）第46页，课件共99页，创作于2023年2月二进制相移键控信号的时域表达式为g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，an为双极性数字信号概率为P

概率为1-P

第47页，课件共99页，创作于2023年2月在一个码元持续时间内观察时。e0(t)为：cosωct概率为P

e0(t)=-cosωct概率为1-P

发“0”，an取+1，e0(t)取0相位发“1”，an取-1，e0(t)取π相位第48页，课件共99页，创作于2023年2月2PSK信号典型波形第49页，课件共99页，创作于2023年2月以载波的不同相位直接去表示相应数字信息的相位键控通常被称为绝对移相方式。这种方式是发送端以某一个相位作基准的，因而在接收系统中也必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化，则恢复的数字信息就会发生变化，造成错误。出现的问题第50页，课件共99页，创作于2023年2月参考基准相位的随机跳变是可能的，而且在通信过程中不易发现。采用2PSK方式就会在接收端发生错误的恢复。常称为2PSK方式的“倒π现象”或“反向工作现象“。在实际通信中这样现象第51页，课件共99页，创作于2023年2月实际中一般不采用2PSK方式，而采用2DPSK方式因此在2PSK信号中，调制信号的1和0对应的是两个确定不变的载波相位（比如0和π），由于它是利用载波相位绝对数值的变化传送数字信息的，因此又称为绝对调相。注意第52页，课件共99页，创作于2023年2月而利用前后码元载波相位相对数值的变化也同样可以传送数字信息，这种方法称为相对调相（2DPSK）。2DPSK方式：利用前后码元载波相位相对数值的变化传送数字信息的方式。重要概念第53页，课件共99页，创作于2023年2月如：相位值用相位偏移ΔΦ表示（本码元与前一码元相位之差）设：ΔΦ=π对应数字信息“1”

ΔΦ=0对应数字信息“0”例如：数字信息：00111001012DPSK信号相位：000π0πππ00π或πππ0π000ππ0也可设：ΔΦ=π对应数字信息“0”

ΔΦ=0对应数字信息“1”第54页，课件共99页，创作于2023年2月波形相对码与绝对码的关系：an表示绝对码、bn表示相对码第55页，课件共99页，创作于2023年2月2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。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就可以。注意2DPSK、2PSK的波形不同说明第56页，课件共99页，创作于2023年2月单从波形上看，2PSK、2DPSK是无法辨认的。2DPSK信号也可以看作是另一符号序列经绝对移相而形成。（2DPSK信号可以看作是把绝对码变成相对码，在根据相对码进行相对移相而形成）避免了2PSK方式中的“倒π现象”的发生。优点注意第57页，课件共99页，创作于2023年2月用矢量图来说明参考相位，在绝对移相中，是未调制载波的相位，在相对移相中，是前一码元的相位。注意第58页，课件共99页，创作于2023年2月2PSK、2DPSK信号的调制与解调2PSK、2DPSK信号的调制方框图第59页，课件共99页，创作于2023年2月2PSK信号的解调第60页，课件共99页，创作于2023年2月2DPSK信号的解调第61页，课件共99页，创作于2023年2月2PSK信号的频谱2PSK信号的表示：2ASK信号的表示：形式完全相同，所不同的是an取值比较两式第62页，课件共99页，创作于2023年2月求2PSK信号的功率谱密度时，可以采用与求2ASK信号的功率谱密度相同的方法。则2PSK信号的功率谱密度可以写成：因此第63页，课件共99页，创作于2023年2月由于是双极性信号，故上式可写成：若P=1/2，则上式变为：第64页，课件共99页，创作于2023年2月2PSK信号的功率谱同样由连续谱和离散谱两部分组成。但当双极性基带信号以相等的概率出现时，将不存在离散谱部分，连续谱部分与2ASK信号的连续谱基本相同，2PSK信号的带宽也与2ASK信号的相同。对2DPSK信号的频谱与2PSK信号的完全相同。结论因此第65页，课件共99页，创作于2023年2月6.3多进制数字调制系统多进制数字调制是利用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率、相位多进制数字调制：多进制数字振幅调制（多电平调制）多进制数字频率调制（多频制）多进制数字相位调制（多相制）第66页，课件共99页，创作于2023年2月与二进制数字调制相比具有以下特点：（1）在相同的码元传输速率下，多进制系统的信息传输速率比二进制系统的高。（2）在相同的信息速率下，多进制码元传输速率比二进制低，因而多进制信号码元的持续时间比二进制的长。第67页，课件共99页，创作于2023年2月一、多进制数字振幅调制的原理二电平和多电平的调制波形多进制数字振幅调制的原理是2ASK方式的推广第68页，课件共99页，创作于2023年2月二电平调制波形可表示为：出现概率为P出现概率为1-P对M电平调制信号可表示为：第69页，课件共99页，创作于2023年2月M电平的调制波形可以看成是由时间上不重叠的M个不同振幅值的2ASK信号的叠加。它的功率谱可以看成由时间上不重叠的M个不同信号的功率谱之和。尽管叠加后的谱结构复杂，但就信号的带宽而言，M电平调制信号的带宽与二电平的相同，但传信率比二进制高。说明所以第70页，课件共99页，创作于2023年2月二、多进制数字频率调制的原理多进制数字频率调制的原理是2FSK方式的推广多频制系统的组成方框图第71页，课件共99页，创作于2023年2月三、多进制数字相位调制的原理1、多进制数字相位调制的原理是用载波的多种不同相位（或相位差）来表示数字信息的调制方式分为；绝对移相和相对移相与二进制一样第72页，课件共99页，创作于2023年2月多相制波形的表示：M种相位可以用来表示K比特码元的2K种状态即M=2K假设K比特码元的持续时间为Ts，则M相调制波形可以表示为；第73页，课件共99页，创作于2023年2月多相调制的波形可以看作是对两个正交载波进行多电平调制所得信号之和φK是受调相位，可以有M种不同取值说明第74页，课件共99页，创作于2023年2月四相制可以分为：四相绝对移相键控（4PSK、QPSK）四相相对移相键控（4DPSK、QDPSK）多相制使用最广泛的是四相制和八相制与二相制相似第75页，课件共99页，创作于2023年2月⑴四相绝对移相键控（4PSK、QPSK）利用载波的四种不同相位来表征数字信息四种不同的相位可以代表四种不同的数字信息对输入的二进制数字序列先进行分组，每两个比特为一组，然后用四种不同的载波相位去表征它们。称为双比特码元。下面给出双比特码元与载波相位的关系以及信号的矢量图：由于因此第76页，课件共99页，创作于2023年2月第77页，课件共99页，创作于2023年2月QPSK信号的矢量图（a)为A方式(b)为B方式第78页，课件共99页，创作于2023年2月下面讨论QPSK信号的产生与解调产生有调相法和相位选择法①调相法第79页，课件共99页，创作于2023年2月第80页，课件共99页，创作于2023年2月②相位选择法相位选择法组成方框图第81页，课件共99页，创作于2023年2月QPSK信号的解调QPSK信号可以看作是两个正交2PSK信号的合成因此可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调QPSK信号解调方框图第82页，课件共99页，创作于2023年2月⑵四相相对移相键控（QDPSK）利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。以前一码元相位作为参考，

则，信息编码与载波相位变化关系仍可以表示：为本码元与前一码元的初相差若第83页，课件共99页，创作于2023年2月φk应该为注意第84页，课件共99页，创作于2023年2月矢量关系也可以表示为：参考相位应该是前一码元的相位注意第85页，课件共99页，创作于2023年2月QDPSK信号的产生与解调（1）产生前面介绍过对2DPSK信号，先将绝对码变成相对码，用相对码进行绝对移相同样QDPSK信号的产生也可以采用这种方法。通常采用的方法有：码变换加调相法、码变换加相位选择法。第86页，课件共99页，创作于2023年2月QDPSK信号产生方法码变换器将输入的ab变换为cd，由cd产生的QPSK信号与ab的关系能满足下表的要求

对cd而言是绝对移相；对ab是相对移相注意第87页，课件共99页，创作于2023年2月当输入双比特数据为00时，调相信号的载波相位相对于前一双比特码元的载波相位不变为01时相对于前一码元的载波相位变化900码变换器完成的逻辑功能为：由此看来第88页，课件共99页，创作于2023年2月第89页，课件共99页，创作于2023年2月QDPSK信号的解调与2DPSK信号一样，也有极性比较法、相位比较法极性比较法相位比较法第90页，课件共99页，创作于2023年2月四、振幅相位联合键控（APK）系统在系统带宽一定的条件下，多进制调制的信息传输速率比二进制的高，即多