数字通信原理 二进制数字调制与解调原理

第五章数字调制与解调数字通信原理/sundae_meng数字通信原理主要内容5.1引言5.2二进制数字调制与解调原理5.3二进制数字调制系统的抗噪声性能5.4二进制数字调制系统的性能比较5.5多进制数字调制与解调原理5.6现代数字调制解调技术/sundae_meng数字通信原理5.2二进制数字调制与解调原理若调制信号是二进制数字基带信号时，这种调制称为二进制数字调制。二进制振幅键控（2ASK）1二进制频移键控（2FSK）2二进制相移键控（2PSK）3/sundae_meng数字通信原理5.2.1二进制振幅键控（2ASK）振幅键控是正弦载波的幅度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，则为二进制振幅键控。二进制振幅键控（2ASK）调制二进制振幅键控（2ASK）解调/sundae_meng数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）调制二进制振幅键控（2ASK）信号二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱/sundae_meng数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号2ASK信号的产生结论：二进制振幅键控（2ASK）信号表示为一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波相乘发送的二进制符号序列

其中

2ASK信号

/sundae_meng数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号2ASK信号的时域波形2ASK信号的时间波形随二进制基带信号通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）单极性矩形脉冲序列t1111000s(t)tt载波信号2ASK信号/sundae_meng数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号2ASK信号产生的两种调制方法：模拟相乘与数字键控乘法器二进制不归零信号cosωct开关电路数字键控

模拟相乘

/sundae_meng数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）调制二进制振幅键控（2ASK）信号二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱/sundae_meng数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱e2ASK(t)的功率谱密度为P2ASK(f)s(t)的功率谱密度为Ps(f)推导Ps(f)2ASK调制信号

频谱

设功率谱密度

/sundae_meng数字通信原理推导二进制基带信号s(t)是单极性随机矩形脉冲，其功率谱密度Ps(f)为式中矩形波频谱：对于所有的m≠0的整数，有G(mfs)=0因此/sundae_meng数字通信原理推导假设P＝1/2，则g(t)的频谱因此

连续谱

离散谱/sundae_meng数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱结论：二进制振幅键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱两部分组成。离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形g(t)确定，带宽则是基带波形的两倍，B2ASK=2B。

传输2ASK信号所需频带0fs2fs-fs-2fsPs(f)fs-f00fcfc＋fsPE(f)－fc/sundae_meng数字通信原理5.2.1二进制振幅键控（2ASK）二进制振幅键控（2ASK）调制二进制振幅键控（2ASK）解调/sundae_meng数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）解调非相干解调(包络检波法)相干解调(同步检测法)/sundae_meng数字通信原理非相干解调非相干解调(包络检波法)方式的接收系统框图半波或全波整流器：包络检波器低通滤波器：输出信号是恢复后的基带信号抽样判决器：通过积分，抽样和判决，再生成基带信号，去掉传输中叠加的干扰和噪声包络检波器抽样判决器全波整流器低通滤波器带通滤波器定时脉冲输出/sundae_meng数字通信原理2ASK信号非相干解调过程的时间波形单极性矩形脉冲序列调制信号整流信号低通滤波器输出信号抽样判决器输出信号11010001001/sundae_meng数字通信原理二、二进制振幅键控（2ASK）解调非相干解调(包络检波法)相干解调(同步检测法)/sundae_meng数字通信原理相干解调相干解调(同步检测法)方式的接收系统框图解调原理：将已调信号e(t)与相干载波c(t)在相乘器中相乘，然后由低通滤波器输出所需的基带波形。抽样判决器相乘器低通滤波器带通滤波器定时脉冲输出c(t)/sundae_meng数字通信原理解调假设相乘器输出

低通滤波器滤除低通滤波器输出KC为低通滤波器的电压传输系数相干条件满足相干条件下，相干检测器的输出为/sundae_meng数字通信原理相干解调抽样判决器相乘器低通滤波器带通滤波器定时脉冲输出e(t)相干解调条件：接收端必须提供一个与2ASK信号的载波保持同频同相的相干载波，否则将会造成解调后的波形失真。相干载波一般可通过窄带滤波或锁相环路来提取。/sundae_meng数字通信原理5.2二进制数字调制与解调原理二进制频移键控（2FSK）2二进制振幅键控（2ASK）1二进制相移键控（2PSK）3/sundae_meng数字通信原理5.2.2二进制频移键控（2FSK）二进制频移键控（2FSK）调制二进制频移键控（2FSK）解调

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）/sundae_meng数字通信原理二进制频移键控（2FSK）调制2FSK调制是数字通信中用得较广得一种方式，用于话音通信（频率低于1200bps）、衰落信道中传输数据等情况。二进制频移键控（2FSK）信号二进制频移键控（2FSK）信号的频谱/sundae_meng数字通信原理二进制频移键控（2FSK）信号2FSK信号的产生二进制移频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。若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为Tsψn，θn分别是第n个信号码元的初相位其中

/sundae_meng数字通信原理二进制频移键控（2FSK）信号2FSK信号产生的两种调制方法：模拟调频数字键控通过基带信号控制振荡器中的某一元件数值(例如电容量的大小)来得到不同频率的信号，它产生的两个频率f1和f2在转换时刻的相位是连续的，故这种2FSK信号称为相位连续的2FSK信号。模拟调频

模拟调频器二进制不归零信号/sundae_meng数字通信原理二进制频移键控（2FSK）信号由于两个频率来自两个振荡源，所以在f1与f2之间的转换瞬间相位不连续。这种方法产生的2FSK信号称为相位不连续的2FSK信号，或相位离散的2FSK信号。数字键控

反相器振荡器1f1振荡器2f2选通开关选通开关相加器基带信号/sundae_meng数字通信原理二进制移频键控信号的时间波形输入序列s(t)载波f1e1(t)e2(t)调制信号110111000/s(t)载波f2/sundae_meng数字通信原理二进制频移键控（2FSK）调制二进制频移键控（2FSK）信号二进制频移键控（2FSK）信号的频谱/sundae_meng数字通信原理二进制频移键控（2FSK）信号的频谱相位离散的2FSK信号相位连续的2FSK信号/sundae_meng数字通信原理相位离散的2FSK信号相位离散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加功率谱密度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。推导2FSK信号的频谱/sundae_meng数字通信原理ψn和θn分别代表第n个信号码元的初始相位。通常可令ψn和θn为零频谱相位离散的2FSK调制信号令两路二进制数字基带信号/sundae_meng数字通信原理频谱根据2ASK信号功率谱密度的表示式，可得2FSK信号功率谱密度的表示式/sundae_meng数字通信原理推导假设P＝1/2，则g(t)的频谱因此

连续谱

离散谱/sundae_meng数字通信原理频谱分析图中a曲线对应的f1＝f0+fs，f2＝f0-fs，曲线b对应的f1=f0+0.4fs，f2＝f0-0.4fs。f0=（f1+f2）/22fs0.8fsff0f0＋fsf0-fsf0＋2fsf0-2fsPe(f)（单边谱）ab/sundae_meng数字通信原理频谱分析2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两上双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上；若f1和f2之差较小（如小于fs）则连续谱出现单峰，若f1和f2之差较大出现双蜂。传输2FSK信号所需的频带为

/sundae_meng数字通信原理二进制频移键控（2FSK）信号的频谱相位离散的2FSK信号相位连续的2FSK信号/sundae_meng数字通信原理相位连续的2FSK信号相位连续的2FSK信号是利用基带信号对一个振荡器进行频率调制而产生的。在理想情况下，振荡器产生的频率随基带信号线性变化。调频信号:载波振幅未调制时振荡器产生的固有载波频率频偏因子初始相位/sundae_meng数字通信原理相位连续的2FSK信号an是码元脉冲的振幅，其可能取值为

1。发送的二进制符号序列

令调频指数设化简

/sundae_meng数字通信原理相位连续的2FSK信号t0f0f1f22πfctΦ(t)θ(t)φ(t)t/sundae_meng数字通信原理相位连续的2FSK信号分析FSK信号时，常用到归一化相关系数

2FSK信号在一个码元期间内波形为

若/sundae_meng数字通信原理相位连续的2FSK信号选2

cTs>>1,或2

cTs＝K

，因此有：0-0.21ρπ2π3π1.43π(ω2-ω1)Ts讨论

/sundae_meng数字通信原理讨论当(

2-

1)Ts＝K

(k＞1)时，

为零，两信号具有正交特性。在K＝l时，相应的h=0.5，这是满足正交条件的最小调制指数。因这种信号占带最小。称之为最小频移键控(MSK)信号。当(

2-

1)Ts＝1.43

时,h=0.75=-2/3,为最小值,这种情况两信号之间具有超正交特性。/sundae_meng数字通信原理相位连续的2FSK信号的功率谱密度相位连续的FSK信号功率谱密度的计算很复杂只讨论二元等概信码单边谱密度表达式：式中载波频率远大于频偏，此项可忽略/sundae_meng数字通信原理相位连续的2FSK信号的功率谱密度功率谱密度仍然是X的偶函数调制指数h＝0.5时，功率谱密度曲线呈现单峰。在h＝0.715时，曲线呈现双峰。在h趋近于1时曲线的双峰变得非常尖锐。当h＝l时，曲线的双峰变成了两条线状谱每条线谱所占的功率都是信号功率的1/4．两条共占信号总功率的1/2。h＞1之后，双峰的距离将逐渐增大。h=0.5h=0.7150.80.4Pe(x)1.0x0.5-1.0-0.5/sundae_meng数字通信原理带宽以包含90％的功率来计算信号所占的带宽．可得不同调制指数时的信号带宽1.5fs2.5fs3fs(2+h)fs(2+h)fs(2+h)fs(2+h)fs(2+h)fs2fs2fs2fs2fs2fs2fs2fs2fs相位连续FSK相位离散FSKASKPSK0.6～0.70.8～1.01.5>2频带Δfh/sundae_meng数字通信原理结论h＞2时，相位连续的FSK信号与相位离散的FSK信号的带宽基本相同当h＜1时,信号的能量大部分都集中在x＝

0.5的范围以内，在h为0.6～0.7时，相位连续的FSK信号的带宽约为1.5fs比ASK信号和PSK信号的带宽还窄。在调制指数h较小的条件下，相位连续的FSK信号具有能量集中，包络恒定，抗干扰能力强的特点，目前用得较多的是h＝0.5的相位连续的FSK方式,即最小移频键控方式(MSK)。/sundae_meng数字通信原理5.2.2二进制频移键控（2FSK）二进制频移键控（2FSK）调制二进制频移键控（2FSK）解调/sundae_meng数字通信原理二进制移频键控（2FSK）解调常用解调方法：非相干解调相干解调其它解调方法鉴频法过零检测法差分检波法/sundae_meng数字通信原理非相干解调抽样判决器：判定哪一个输入样值大，此时可以不专门设置门限电平包络检波器包络检波器抽样判决器带通滤波器ω1带通滤波器ω2定时脉冲输出最佳非相干解调

/sundae_meng数字通信原理最佳非相干解调在每个匹配滤波器后面接有一个包络检波器匹配滤波器的输出信号经包络检波后，再进行取样判决，因而取样值与接收信号的相位无关。没有利用信号的相位信息，这种解调方法与相干解调相比，在同样误码率的条件下，所需的信噪比略高一些解调时不需要提取载波，可对随机起始相位的信号进行解调，所以用起来比较方便。/sundae_meng数字通信原理最佳非相干解调包络检波器包络检波器匹配滤波器1匹配滤波器2输出清洗脉冲设2FSK信号在某一码元持续时间传送信号匹配滤波器的冲击响应abcdefg比较判决/sundae_meng数字通信原理最佳非相干解调设Ts为T1＝1/f1及T2＝1/f2的整数倍，即Ts=KlTl及Ts＝K2T2(Kl，K2分别为整数)则2FSK两个频率信号的匹配滤波器其冲激响应与输入信号相同/sundae_meng数字通信原理最佳非相干解调输入信号匹配滤波器冲击响应匹配滤波器输出信号第一项振幅远大于第二项，略去第二项/sundae_meng数字通信原理最佳非相干解调化简式中式中/sundae_meng数字通信原理最佳非相干解调讨论1.

=0

，

=o振幅随时间线性增长相位等于初相可利用此特性对2FSK信号进行解调。/sundae_meng数字通信原理最佳非相干解调2.

≠0

=2k/Ts（k为整数）ift=Ts处t/2=kifk=1时=2(f1-f2）=2/Ts=2fsf1和f2相差fs/sundae_meng数字通信原理最佳非相干解调包络A(t)与t及A(t,

)与

的关系曲线利用其包络特性可分开两路信号能对2FSK信号解调tTSTS/2ATS/2A(t)Δω=0Δω=2π/TSΔω=4π/TS0A(t,Δω)Δω/sundae_meng数字通信原理2FSK信号解调的各点波形图tA(t)f1f2f1tatbtctdtetftg/sundae_meng数字通信原理匹配滤波器的实现实现具有余弦函数冲激响应的匹配滤波器，可利用声表面波(SAW)器件，在较高中心频率(几兆赫至几十兆赫)上，可构成接近理想的匹配滤波器。在通信接收机中广泛利用动态滤波器来实现这种匹配滤波器的功能用高Q谐振回路组成的动态滤波器正交相关法数字式动态滤波器/sundae_meng数字通信原理用高Q谐振回路组成的动态滤波器这种电路利用对输入信号的暂态响应，所以称为动态滤波器。LRCK清洗开关高Q振荡回路传递函数的拉氏变换冲击响应——求拉氏反变换式中回路谐振频率/sundae_meng数字通信原理用高Q谐振回路组成的动态滤波器回路Q值很高高Q（Q1000）并联谐振回路可构成余弦信号的匹配滤波器/sundae_meng数字通信原理清洗为了解调需要，每个码元结束时还必须清洗．因此便于清洗也是非常重要的条件。为提高Q值，若用LC谐振回路，须采用很多措施引入适量正回授和部分接入优点：电路简单缺点：Q值不容易做得很高，回路参数的温度稳定性差，电路的中心频率容易漂移，正回授过强会引起自激。机械谐振体如音叉或压电石英晶体代替普通的LC谐振回路，这些谐振体具有很高的Q值。但是当它们与输入信号谐振起来以后，要想把已经建立的振荡粹熄比较困难，故清洗不便/sundae_meng数字通信原理匹配滤波器的实现用高Q谐振回路组成的动态滤波器正交相关法数字式动态滤波器/sundae_meng数字通信原理正交相关法输出积分器积分器动态滤波器输入信号动态滤波器输出/sundae_meng数字通信原理正交相关法这种方法的优点：只要改变本地振荡器的频率即可改变动态滤波器的中心频率；电路中心频率的稳定度高。/sundae_meng数字通信原理匹配滤波器的实现用高Q谐振回路组成的动态滤波器正交相关法数字式动态滤波器/sundae_meng数字通信原理数字式动态滤波器采用N相时序开关滤波器。它的基本思想是用N相时序开关对输入信号进行分割、积分，然后合成总的信号。电路中K1、K2、K3、K4为电子开关，分别受时序脉冲K1(t)、K2(t)、K3(t)、K4(t)控制，时序脉冲把K1、K2、K3、K4轮流接通，使输入信号输流对电容器C1、C2、C3、C4充电，它们的容量均等于c。时序脉冲的重复频率就是这种动态滤波器的中心频率。在整个频率轴上呈现梳状传输特性。输入K1输出KK2K3K4RC1C2C3C4/sundae_meng数字通信原理数字式滤波器K1(t)K2(t)K3(t)K4(t)K(t)z(t)tTb0y(t)tTb0/sundae_meng数字通信原理二进制移频键控（2FSK）解调常用解调方法：非相干解调相干解调其它解调方法鉴频法过零检测法差分检波法/sundae_meng数字通信原理相干解调低通滤波器低通滤波器抽样判决器带通滤波器ω1带通滤波器ω2定时脉冲输出相乘器相乘器/sundae_meng数字通信原理二进制移频键控（2FSK）解调常用解调方法：非相干解调相干解调其它解调方法鉴频法过零检测法差分检波法/sundae_meng数字通信原理其它解调方法——鉴频法限幅器：消除接收信号在幅度上可能出现的畸变鉴频器：有多种电路，性能较好的是锁相鉴频，即利用锁相环实现鉴频前置带通滤波器限幅器鉴频器整形器FSK信号输入数据基带信号输出/sundae_meng数字通信原理二进制移频键控（2FSK）解调常用解调方法：非相干解调相干解调其它解调方法鉴频法过零检测法差分检波法/sundae_meng数字通信原理其它解调方法——过零检测法该序列与频率变化相对应，代表着调频波的过零点低通滤波器滤除高次谐波得到带通滤波器限幅微分整流ui(t)a宽脉冲发低通bcdef基本思想：数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出零点数可以得到关于频率的差异abcdef/sundae_meng数字通信原理二进制移频键控（2FSK）解调常用解调方法：非相干解调相干解调其它解调方法鉴频法过零检测法差分检波法/sundae_meng数字通信原理其它解调方法——差分检波法时延输入信号经接收滤波器滤除带外无用信号后被分成两路，一路直接送到乘法器（平衡调制器），另一路经时延

送到乘法器，相乘后再经低通滤波器提取信号。τ带通滤波器×输入低通滤波器输出/sundae_meng数字通信原理解调输入信号相乘输出

低通滤波器滤除低通滤波器输出

V是角频率频移

的函数，但不是简单的函数关系适当选择

，使/sundae_meng数字通信原理解调若角频率偏移

较小结论：当满足cos

0

＝0及

＜＜l时，输出电压V与角频率偏移

成线性关系。这样，因

的大小不同，输出的电压不同便可实现鉴频的作用。

/sundae_meng数字通信原理其它解调方法——差分检波法差分检波法与鉴频法差分检波法基于输入信号与其延迟

的信号相比较，信道上的延迟失真将同时影响相邻信号，故不影响最终的鉴频效果。实践表明，当延迟失真为零时，这种方法的检测性能不如一般普通的鉴频法，但当有较严重延迟失真时，它的性能要比鉴领法优越。但差分检波法的实现将要受cos

＝0的条件限制。/sundae_meng数字通信原理5.2二进制数字调制与解调原理二进制相移键控（2PSK）3二进制振幅键控（2ASK）1二进制频移键控（2FSK）2/sundae_meng数字通信原理二进制相移键控（2PSK）二进制相移键控（2PSK）二进制差分相移键控（2DPSK）2PSK与2DPSK信号的频谱

正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化，则产生二进制相移键控(2PSK)信号/sundae_meng数字通信原理二进制相移键控（2PSK）二进制相移键控（2PSK）调制二进制相移键控（2PSK）解调/sundae_meng数字通信原理二进制相移键控（2PSK）调制2PSK信号的产生正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常用已调信号载波的00和1800分别表示1和0。式中：

an为双极性若g(t)是脉宽为Ts,高度为1的矩形脉冲,则有/sundae_meng数字通信原理二进制相移键控（2PSK）调制若用ϕ(n)表示第n个符号的绝对相位，则有二进制移相键控信号的时间波形1001tA-ATS/sundae_meng数字通信原理二进制相移键控（2PSK）调制2PSK信号的两种产生方法（调制方式）：模拟调制数字键控模拟调制数字键控cosωct开关电路180°移相0π乘法器双极性不归零码型变换/sundae_meng数字通信原理二进制相移键控（2PSK）二进制相移键控（2PSK）调制二进制相移键控（2PSK）解调/sundae_meng数字通信原理二进制相移键控（2PSK）解调二进制相移键控（2PSK）解调：相干解调考虑到相干解调在这里实际上起鉴相作用，故相干解调中的“相乘—低通”又可用各种鉴相器替代带通滤波器×输入低通滤波器数据输出抽样判决器本地载波带通滤波器鉴相器输入数据输出抽样判决器本地载波/sundae_meng数字通信原理一、二进制相移键控（2PSK）解调各时间点波形10011100abcde带通滤波器×输入低通滤波器数据输出抽样判决器本地载波abcde/sundae_meng数字通信原理二进制相移键控（2PSK）解调2PSK相干解调存在的问题——“倒π”现象当恢复的相干载波产生180o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π”现象。由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180o的相位模糊，而且这种模糊不易被发现。所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒π”现象2PSK方式在实际中很少采用。/sundae_meng数字通信原理二进制相移键控（2PSK）二进制相移键控（2PSK）二进制差分相移键控（2DPSK）2PSK与2DPSK信号的频谱/sundae_meng数字通信原理二进制差分相移键控（2DPSK）二进制差分相移键控（2DPSK）调制二进制差分相移键控（2DPSK）解调/sundae_meng数字通信原理二进制差分相移键控（2DPSK）调制二进制差分相位键控(2DPSK)方式的提出在2PSK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数字信息，所以称为绝对移相。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)方式2DPSK方式中，用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息——相对移相/sundae_meng数字通信原理二进制差分相移键控（2DPSK）调制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。假设前后相邻码元的载波相位差为Δϕ数字信息与Δϕ之间的关系也可以定义为/sundae_meng数字通信原理二进制差分相移键控（2DPSK）调制2DPSK信号的实现方法首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示信息，然后再进行绝对调相，从而产生二进制差分相位键控信号。2DPSK信号的两种调制方法模拟调制数字键控/sundae_meng数字通信原理二进制差分相移键控（2DPSK）调制模拟调制数字键控乘法器双极性不归零码型变换cosωct开关电路180°移相0π码变换绝对码转换为到相对码/sundae_meng数字通信原理二进制差分相移键控（2DPSK）调制各时间点波形DPSK信号载波绝对码1100011010011100相对码/sundae_meng数字通信原理二进制差分相移键控（2DPSK）二进制差分相移键控（2DPSK）调制二进制差分相移键控（2DPSK）解调/sundae_meng数字通信原理