第6章数字载波调制.ppt

1、6.1引言 6.2二进制数字调制与解调原理 6.3二进制数字调制系统的抗噪声性能 6.4二进制数字调制系统的性能比较 6.5多进制数字调制系统 本章重点 本章思考,第6章 正弦载波数字调制系统,2,6.1 引言,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。,3,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

2、字相位调制。,6.1 引言,4,图 6.1 1 数字调制系统的基本结构,6.1 引言,5,用数字基带信号去控制载波波形的某个参量，使这个参量随基带信号的变化而变化。,数字调制利用数字脉冲信号对载波进行开关形式的控制而实现，故称数字键控。,1、概念,6.1 引言,6,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。,6.1 引言,7,2、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）

3、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。,6.1 引言,8,(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，PSK）,6.1 引言,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。,9,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2ASK。,6.2 二进制数字调制与解调原理,6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,ASK:Amp

4、litude Shift Keying,10,二进制振幅键控信号的表示、时间波形 二进制振幅键控信号的调制原理 二进制振幅键控信号的解调 2ASK信号的功率谱密度,本节内容,6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,11,2ASK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）,12,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

5、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Ts,6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,13,其中,(6.2 - 2),(6.2 - 3),6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,14,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）,15,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,16,习题6-2 已知某OOK系统的传码率为

6、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）,17,(2)二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍,解：(1),6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,18,图 6.2-2 二进制振幅键控信号调制器原理框图,三、二进制振幅键控信号的调制原理,6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,19,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,

7、OOK）,20,图 6 .23 ASK非相干解调(包络检波法)原理框图,6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,21,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（LPF）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,23,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

8、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。,6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,24,相干解调,低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。,6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,25,相干解调过程,6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,26,五、2ASK信号的功率谱密度,若二进制基带信号s(t)的功率谱密度为（p95-5.2-26),OOK信号,s(t)代表信息的随机单极性矩形脉冲序列,6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,27,显然Ps( f )只在G（0）处有离散谱，且G（0）=TB， 所以有：,(6.2 - 5

9、),6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,28,离散分量告诉我们信号中有无特殊频率成份； 连续分量可以看出信号带宽，第一零点fb。,6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,图 6.2-62ASK信号的功率谱密度示意图,OOk信号e0(t)的功率谱密度为： G(f)后-左移右移,OOk信号e0(t)的功率谱密度为：,(6.2 - 6),31,二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。 二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍, 即B2ASK=2B=2fB。 因为系统的传码率RB=fB

10、(Baud)，故2ASK系统的频带利用率为,6.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）,32,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，则产生二进制频移键控信号(2FSK信号)。,“1” f1 “0” f2 可见，FSK是用不同频率的载波来传递数字消息的。,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,33,二进制移频键控信号的表示、时间波形 二进制移频键控信号的调制原理与实现 二进制移频键控信号的解调 2FSK信号的功率谱密度,本节内容,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,34,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

11、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,36,(6.2 - 7),则二进制移频键控信号的时域表达式为：,假设二进制基带信号 “1” f1 “0” f2,其中基带信号（NRZ）,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,37,分别代表第n个信号码元的初始相位。在2ASK信号中，它们不携带信息，通常可设为零。,因此，二进制频移键控信号的时域表达式可简化为：,(6.2 -8),6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,38,二进制移频键控信号的产生，可以采用模拟调频电路来实现，也可以采用数字键

12、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：图b中的s(t)必须是单极性NRZ吗？,40,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）,41,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,非相干解调法（包络检波法） 相干解调法 鉴频法 过零检测法： 差分检测法,三、2FSK信号的解调方法,2FSK特有,一路2FSK视为2路2ASK信号的合成。,逆过程,图 6.2 9 2FSK非相干解调器(包络检波法)原理图,1、2F

13、SK信号的包络检波法,问题：BPF1、 BPF1带宽？,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,43,两个带通滤波器带宽皆为相应的2ASK信号带宽（中心频率不同，分别为 f1、f2 ），起分路作用，用以分开两路2ASK信号； 包络检测后分别取出它们的包络s(t) 及 ； 抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,44,若上、下支路 及 的抽样值分别用v1、v2 表示，则抽样判决器的判决准则为：,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,图 6.2-102FSK非相干解调过程的时间波形,图 6.2 11 2

14、FSK相干解调器原理图,2、2FSK信号的相干解调法,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）,47,图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用； 它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号； 抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值 进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,48,图 6.2 12 鉴频法解调原理图,3、2FSK信号的鉴频法,原理：鉴频器输出电压与输入信号频率偏移成正比。,6.2.2 二进

15、制频移键控（2FSK）,49,判决门限,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,50,4、2FSK信号的过零检测法,（1）原理 单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。,想法：把过零数目不同转换为电压不同。,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,图 6.2 13 过零检测法原理图和各点时间波形,（2）时间波形,52,2FSK输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列； 微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点； 尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频

16、率越高； 低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量。这样就完成了频率幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,图 6.2 14 差分检波法原理图,5、2FSK信号的差分检波法,（1）模型 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，另一路经时延后送乘法器，相乘后再经低通滤波器去除高频成分即可提取基带信号。,54,差分检波法基于输入信号与其延迟 的信号相比较，信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。 实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，其检测

17、性能优于鉴频法。,（2）核心 只需证明,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,将2FSK信号表示为：,则角频率偏移有两种取值：,乘法器输出 ：,略去倍频分量，输出：,v与t无关，是角频偏的函数，但不是一个简单的函数。,选择适当的，使：,故有：,57,输出电压v与角频偏呈线性关系，实现近似线性的频幅转换特性，这正是鉴频特性所要求的。 针对的两种取值，经抽样判决器可检测出“1”和“0”。,当角频偏较小时， 即,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,58,对相位不连续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，其中一个频率为f1，另一个频率为f2。因此，相位不连续的二

18、进制移频键控信号的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。,四、 2FSK信号的功率谱密度（略）,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,59,相位不连续的二进制移频键控信号的时域表达式为：,根据二进制振幅键控信号的功率谱密度（6.2-6），可以得到如下所示公式：,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,61,令概率P=1/2，则有,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,62,相位不连续的2FSK信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成； 离散谱位于两个载频f1和f2处；连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加形成； 若|f1-f2|fB，则连续谱在fc处出现

19、单峰；若|f1-f2|fB，则连续谱出现双峰。 所需传输带宽BFSK=|f1 -f2|+2 fB,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,63,图6.2-15 相位不连续2FSK信号的功率谱示意图,6.2.2 二进制频移键控（2FSK）,64,例6-3 设某2FSK调制系统的码元传输速率为1000B，已调信号的载频为1000Hz或2000Hz：,（1）发送数字信息为011010，画出相应的2FSK信号波形； （2）这时的2FSK信号应选择怎样的解调方法。,65,（1）设载频1000Hz对应“1”,2000Hz对应“0”。,（2）由于2FSK载波频差|f2-f1|=1000=fB, 功率谱密度会

20、出现单峰，频谱有较大重叠，用包络检测法不合适，上下两支路有较大串扰，调制性能降低，所以可以用相干解调或过零检测法解调。,66,6.2.3 二进制移相键控,相移键控在数据传输中,尤其是在中速和中高速的数传机（2400-4800bit/s）中得到了广泛的应用。 相移键控有很好的抗干扰性,在有衰落的信道中也能获得很好的效果。 我们主要讨论二相、四相调相 ，在实际应用中还有八相及十六相调相。,相移信号可分为两种： 绝对相移 相对相移(差分相移),67,在二进制数字调制中，当正弦载波的相位（指初相）随二进制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

21、表示二进制数字基带信号的 0 和1。,一、绝对相位键控（2PSK）,6.2.3 二进制移相键控,68,其中, an与2ASK和2FSK时的不同，在2PSK调制中，an应选择双极性，即,(6.2 - 10),二进制移相键控信号的时域表达式为,(6.2 - 9),6.2.3 二进制移相键控,若用n表示第n个符号的绝对相位，则有,若g(t)是脉宽为TB, 高度为1的矩形脉冲时，则有,(6.2 - 11),(6.2 - 12),这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对移相方式,图 6.2 16 二进制绝对移相键控信号的时间波形,当码元宽度TB 为载波周期Tc 的整数倍时

22、，2PSK信号的典型波形如图6.2-16所示。,1,0,1,1,0,0,1,请注意：由于习惯上画波形时以正弦形式画图较方便，这与数学式常用余弦形式表示载波有些不一致。,71,图 6.2- 172PSK信号的调制原理图,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。,二、2PSK的调制与解调,1、调制,6.2.3 二进制移相键控,72,就模拟调制法而言， 2PSK与产生2ASK信号的方法比较，只是对s(t) 要求不同。 就键控法来说，用数字基带信号 s(t)控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时s(t)为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可

23、。,6.2.3 二进制移相键控,73,2PSK信号的解调通常都是采用相干解调。 在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波。,2、解调,6.2.3 二进制移相键控,不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为：,图 6.2 182PSK信号的解调原理图,图 6.2 -192PSK信号相干解调各点时间波形,76,2PSK信号相干解调的过程实际上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称为极性比较法解调。 极性相同 -0 极性不同 -1,6.2.3 二进制移相键控,77,图 6.2 202PSK信号的解调原理图,可以将相乘器和低通滤波器用鉴相器代替。,6.2.3 二进制移相

24、键控,78, 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,79,三、二进制相对(差分)相位键控（2DPSK）,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

25、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,80,2DPSK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,81,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 0 0 1 1 1 0 2DPSK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

26、，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,(0),83,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 ”现象发生。,说明,6.2.3 二进制移相键控,84,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,85,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