数字通信（微课版）课件 第6章数字信号的频带传输（调制传输）

数字通信第六章数字信号的调制传输第6章信道复用与多址技术

数字通信系统传输的是数字信号，它们以码元序列的形式从发送端经过信道传输到达接收端。本章讨论数字信号的传输方法——已经应用或得到广泛应用的数字调制技术，主要讨论各种基本的数字调制方式的工作原理、实现方法，以及已调信号的频谱特性和信号带宽等。引言3二进制数字调制原理及频谱特征二进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统现代数字调制系统简介和发展趋势1234内容提要4本章学习目标学习指南数字调制技术的分类基本数字调制技术的原理（信号波形、功率谱密度、电路原理图）QAM调制技术的原理数字调制技术的比较5本章素质目标学习指南通过纵向对比调制技术的性能，引导学生运用类比法思考问题，培养学生归纳和总结能力。引导学生领悟调制技术不断改进和进阶的原因，向学生普及科技创新观，以课外延伸活动方式，鼓励学生查阅资料和文献，了解通信领域更加尖端的技术，使学生树立创新意识。数字调制解调所在位置信源信源编码信道编码数字调制信道噪声源数字解调信道译码信源译码信宿数字通信系统框图二进制数字调制原理及频谱特征二进制幅移键控(2ASK)（1）2ASK波形(2)2ASK表达式(3)2ASK的调制模拟法[把s(t)当成模拟信号进行调幅处理]×(3)2ASK的调制键控法（用数字开关控制载波的通断）键控法具体实现电路举例(1)键控法具体实现电路举例(2)(4)2ASK的解调2ASK可以采用2种解调方法相干解调非相干解调2ASK的相干解调×t低通滤波抽样判决tt2ASK的非相干解调t包络检波低通滤波抽样判决(5)2ASK的功率谱密度单极性不归零波功率谱2ASK功率谱(6)2ASK的带宽和频带利用率二进制频移键控(2FSK)（1）2FSK波形原始信息ttt2ASK2FSK(2)2FSK的表达式t2FSK可分解成tt可见2FSK可看作是2个2ASK信号之和(2)2FSK的表达式(3)2FSK的调制直接调制法2FSK直接调制具体电路举例(3)2FSK的调制间接实现间接实现(续)(4)2FSK的解调相干解调非相干解调包络检波法过零检测法2FSK相干解调法2FSK包络检波法(属于非相干解调)2FSK过零检测法(属于非相干解调)(5)2FSK的功率谱密度P2FSK(f)=P1(f)+P2(f)

P1(f)=[Ps(f+f1)+Ps(f-f1)]

P2(f)=[Ps(f+f2)+Ps(f-f2)]

(5)2FSK的功率谱密度基带信号功率谱密度2FSK信号功率谱密度(6)2FSK信号的带宽和频带利用率二进制相移键控(2PSK)(1)2PSK波形原始信息tt2PSKt载波100110(2)2PSK的表达式从上图可以看出2PSK可以看作是双极性数字基带信号与载波直接相乘的结果(3)2PSK的调制(4)2PSK的解调注意:2PSK只能采用相干解调,因为发”0”或发”1”时,采用相位变化携带信息。具体地说：其振幅不变(无法提取不同的包络)频率也不变(无法用滤波器分开)此知识点经常在各类考试中出现!2PSK相干解调框图（与2ASK相干解调基本一样）只不过低通滤波器的输出是双极性的×低通滤波抽样判决2PSK的“相位模糊”现象二进制差分相移键控(2DPSK)为了解决2PSK解调中的“相位模糊”问题，人们发明了2DPSK(1)波形t2PSKt载波100110t2DPSK初始相位(2)差分编码与2DPSK的关系100110t差分编码初始电平000110t如果我们对差分编码以后的码进行直接2PSK调制…差分编码后的2PSK就是原码的2DPSK又称“绝对码”又称“相对码”(3)2DPSK信号的产生方法绝对码相对码2PSK调制(4)2DPSK的解调相干解调先对2DPSK进行2PSK解调，得到相对码，再进行差分译码，得到绝对码差分相干解调采用延时和乘法器电路，使前后波形相同和不同时，输出的结果不同，从而实现直接解调，无须进行差分译码2DPSK的相干解调×t低通滤波抽样判决t2DPSKt载波000110(1)10差分译码0101100110差分译码器的内部结构2DPSK的差分相干解调×延迟Tbt2DPSK2DPSK延迟Tbt低通滤波抽样判决(低电平判1)100101t100110(5)2PSK和2DPSK的功率谱2(D)PSK的功率谱双极性不归零码的功率谱(6)2(D)PSK的带宽和频带利用率二进制数字调制系统的抗噪声性能2ASK的抗噪声性能非相干解调的误码率相干解调的误码率2FSK的抗噪声性能非相干解调的误码率相干解调的误码率2PSK相干解调的误码率（也只能相干解调）2DPSK差分相干解调的误码率2ASK,2FSK,2(D)PSK比较误码率在相同解调方式下(例如都用相干解调)，误码率由大（坏）到小（好）排列为

2ASK误码率>2FSK误码率>2PSK对于同一系统（例如2ASK），相干和非相干解调的误码率关系为非相干解调误码率>相干解调误码率2ASK,2FSK,2(D)PSK比较频带宽度和频带利用率由前面的分析可知多进制数字调制系统采用多进制数字调制系统的优缺点:优点大大提高了传信率和频带利用率缺点降低了噪声容限，需要更好信道或更高功率设备复杂度大大提高MASK（多进制数字调幅）调制原理（1）波形,以4ASK为例4进制基带信号4ASK信号可见MASK信号可由单极性多进制基带信号乘以载波得到（2）MASK波形的分解可见MASK信号可看作多个2ASK信号的叠加，因此功率谱为（3）MASK的功率谱（4）MASK带宽和频带利用率[例题]求传码率为1000波特的16进制ASK系统的带宽和频带利用率；若采用2进制ASK，传码率不变，带宽和频带利用率又是多少？可见2ASK只不过是MASK的一种特殊情况MFSK（多进制数字调频）调制原理波形，以4FSK为例t4FSK302130要注意在实际中4个载波频率都远远高于码元速率(2)MFSK的调制二进制111113-8译码器10012ASK开关电路无信号无信号fm信号fm信号(3)MFSK的解调滤除带外噪声与2FSK原理一样，只不过变成多路8-3编码器fm信号无信号无信号fm信号001111111从整个调制解调过程可以看到，MFSK基本上继承了2FSK的思想，把波形分解成M个ASK来分别处理(4)MFSK的功率谱和带宽(5)MFSK的频带利用率所以MFSK在实际中并不常用MPSK（多进制数字调相）调制原理星座图的概念和物理意义参考相位（在这里可以认为是载波相位）发“1”时与载波同相发“0”时与载波反相原点可以看出，如果确定了原点和参考方向，这些矢量可以分别用1个星座点来表示，如图104PSK（π/2系统）的星座图同理，对2PSK进行推广，当采用4PSK时我们可以令发“00”时，使产生波形与载波同相（相位差=0）发“11”时，使产生波形与载波反相（相位差=π）发“10”时，使产生波形与载波相位差=π/2发“01”时，使产生波形与载波相位差=-π/2参考相位001110014PSK（π/2系统）的波形2302014进制数据2进制数据101100100100参考载波tt2进制数据与载波相位差00010π/211π01-π/24PSK（π/2系统）的调制属于模拟选通电路（例如CD4051等）4PSK（π/4系统）的星座图如果令发“11”时，使产生波形与载波相位差=π/4发“10”时，使产生波形与载波相位差=-π/4发“01”时，使产生波形与载波相位差=3π/4发“00”时，使产生波形与载波相位差=-3π/4参考相位11100100各种MPSK星座图举例4PSK（π/4系统）的波形2302014进制数据2进制数据101100100100参考载波t2进制数据与载波相位差00-3π/410-π/411π/4013π/4t4PSK(π/4系统)的调制把星座图的数据改称双极性就容易理解了例如发“11”（记为ab）时，发送波形应为参考相位1，11，-1-1，1-1，-1当发其他数据时同样有这个规律也可以用矢量分解来理解上述过程参考相位1，11，-1-1，1-1，-1参考相位（即载波）的同相分量，为+1，即a位{a,b}参考相位（即载波）的正交分量，为+1，即b位{a,b}{a,b}{a,b}可见任意一个星座点都可以用同相分量+正交分量得到，而这两个分量的系数由{a,b}来确定4PSK(又称QPSK)的调制框图上图中输入一串数据时的波形4PSK的解调4DPSK的原理与2DPSK类似，根据要发的数据，在前一个码元的波形基础上进行相位移动,而不是与载波比较;这时候相位关系表格中的相位意义是本码元相位与上一个码元相位之差。4DPSK（π/2系统）的波形2302014进制数据2进制数据101100100100t2进制数据与前1码元相位差00010π/211π01-π/2初始相位4DPSK（又称QDPSK）的调制与2DPSK类似，只要先把“绝对码”变成“相对码”，再进行4PSK调制即可但是要注意，这里的码变换不是简单的差分码变换，因为涉及到{a,b}2位的运算4DPSK码变换举例原始数据101100100100参考载波t码变换后（00）100101000101t2进制数据与载波相位差00010π/211π01-π/2可见对变换后码进行PSK调制，相当于对原始码进行DPSK调制4DPSK的调制框图上图中输入一串数据后的波形8PSK简介星座图参考相位000001011010110111101100另一种8PSK参考相位000001011010110111101100后一种8PSK的调制实现电平产生电路可以由多路选择开关实现，其输入/输出对应关系见右表b1b3(输入)输出电平11cos(π/8)10sin(π/8)00﹣sin(π/8)01﹣cos(π/8)MPSK的解调4PSK的解调（只能采用相干解调）8PSK的解调LPLPLPLP现代数字调制系统正交幅度调制(QAM)对4PSK正交调制的一种扩展应用于ADSL接入最小频移键控(MSK)频差最小的2FSK应用于GSM网基站与手机之间的调制正交频分复用(OFDM)应用于最新的ADSL设备中第3~4代移动通信的主流调制方式§8.4.1正交幅度调制(QAM)16QAM的星座图和对应编码参考方向0000000100110010010001010111011011001101111111101000100110111010QAM的编码与星座坐标的关系如果将4位编码记为{a1a2,b1b2}则观察上图可发现(1)任意相邻2点的编码的欧式距离(即码距,也就是不同位的个数)达到最小值1(2)凡是横坐标相同的点其a1a2编码必相同(3)凡是纵坐标相同的点其b1b2编码必相同利用上述规律进行向量分解参考方向101010001001101111

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11观察上图矢量分解的坐标与编码关系可发现a1a2同相分量的振幅10+3V11+1V01-1V00-3VQAM的调制串/并2-L电平转换2-L电平转换同相矢量振幅正交矢量振幅××+矢量合成QAM的频带利用率§8.4.2最小频移键控(MSK)MSK就是最小频差的2FSK在实现MSK有2大原则使频差最小,从而减小带宽,提高频带利用率使波形连续,从而减小高频分量一、频差最小原则我们在学习2FSK的时候,有结论(1)滤波器法如果采用滤波器法，2个主瓣不能重叠，则最小频差(从图中可以看出)为(2)正交法两个信号正交的定义(2)正交法当两个信号正交时,在接收端可以通过乘法器和积分器来识别接收到的到底是哪个信号,这是因为(2)正交法我们现在分析:当2FSK中2个频率差别最小是多少时,这2个信号满足正交条件(2)正交法若使发”0”和发”1”时的2信号正交,则根据正交的定义,有(2)正交法(2)正交法（结论）可见正交法把频差减低到了滤波法的1/4但是，对于这样的频差，不能再使用滤波器分离，只能采用“相乘再积分”的方法识别即MSK决不能使用图8.6中的普通2FSK方式进行解调。二、相位连续原则画图示意11010如何保证相位连续？理论计算（1）MSK的表达式额外加入这一项是为了保证相位连续为了保证相位连续，需要：保证相位连续的条件11010三、MSK的表达式及其分解MSK的表达式分解四、MSK信号的产生差分编码串/并变换××××+五、MSK的相位路径图相位路径图中的“相位”指的是MSK信号与载波fc的相位差，所以要先画出载波11010MSK载波OFDM(正交频分复用)可以看作是MFSK与另一种多进制数字调制（如MPSK或QAM）的结合首先,有多个载频(MFSK),各载频两两相互正交其次,每个载频都采用多进制传输