通信原理与技术第5章数字信号的频带传输.ppt

1、第五章 数字信号的频带传输,载波调制是按基带信号的变化规律去改变载波某些参数的过程。调制的载波可以分为两类：一类用正弦型信号，称为正弦载波调制；一类用脉冲串，称为脉冲调制。基带信号也可分为两类：一类是模拟信号，即基带信号的取值是连续的，称为模拟调制；另一类是数字信号，即基带信号的取值是离散的，称为数字调制。,5.1 调制与解调原理 5.2 二进制数字调制 5.3 二进制数字调制 系统的抗噪声性能 5.4 多进制数字调制 5.5 改进的数字调制技术,5.1 调制与解调原理,载波选用正弦型载波，基带信号为模拟信号，设正弦型载波为 s（t）=Acos（ct+0） 式中A载波的幅度 c载波角频率 0载

2、波的初始相位,1. 幅度调制的原理 若基带信号为m（t），则幅度调制信号（已调信号）一般可表示成 Sm（t）=Am（t）cos（ct+0）,（1） 调幅（AM）信号 如果输入的基带信号m（t）带直流分量，则它可以表示为m0与m（t）之和，其中， m0是m（t）的直流分量，m（t）是表示消息变化的交流分量。 （2） 双边带（DSB）信号 在图5-2中，如果输入的基带信号没有直流分量，或将直流分量抑制掉，且H（）同上，则得到的输出信号便是无载波分量的双边带调制信号，或称双边带抑制载波（DSB-SC）调制信号，简称DSB信号。,图5-2 线性调制器的一般模型,（3） 单边带（SSB）信号 双边带调制

3、信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。所谓单边带调制，就是只产生一个边带的调制方式。 （4） 残留边带（VSB）信号 残留边带调制是介于双边带与单边带之间的一种线性调制。它既克服了双边带调制信号占用频带宽的缺点，又解决了单边带信号实现上的难题。,2. 幅度调制信号的解调原理 对幅度调制信号，解调的基本方法有两种：一种是包络检波法，一种是相干解调（或称同步解调）。 （1） 包络检波法 对调幅（AM）信号，当满足m0m（t）max时，不会发生过调制现象，此时用包络检波的方法很容易恢复原始基带信号m（t）。,（2） 相干解调

4、（同步解调） 双边带信号不能用包络检波来解调，可采用以下方法，将已调信号SDSB（t）乘上一个同频同相的载波，得 由上式可知，用一个低通滤滤器就可以将第1项与第2项分离，无失真地恢复出原始基带信号m（t）。,5.2 二进制数字调制,数字调制信号，在二进制时有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）三种基本信号形式，如图5-7所示。 根据已调信号的频谱结构特点的不同，数字调制也可分为线性调制和非线性调制。 这种把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制，反之，称为数字解调。,图5-7 正弦载波的三种键控波形,1. 二进制振幅键控（2ASK） 二进制数字振幅键控是数字调制

5、中出现最早的，也是最简单的，是研究其他各种数字调制的基础。振幅键控，记作ASK（Amplitude Shift Keying），或称为开关键控（通断键控），记作OOK（On Off Keying）。二进制数字振幅键控通常记作2ASK。,（1） 2ASK的调制方法 一般说来，数字信号的调制方法有两种类型： 利用模拟方法去实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理； 利用数字信号的离散值特点键控载波，从而实现数字调制。,（2） 2ASK的解调方法 如同AM信号的解调方法一样，OOK信号也有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。 包络检波法的原理方框图

6、如图5-11所示。带通滤波器恰好使2ASK信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。,图5-11 2ASK信号的包络检波,（3） 2ASK信号的功率谱及带宽 下面分析二进制振幅键控信号的频谱。由于二进制振幅键控信号是随机的、功率型的信号，故研究频谱特性时，应该讨论它的功率谱密度。 因为2ASK信号的功率谱密度PE（f）是相应的单极性数字基带信号功率谱密度Ps（f）形状不变地平移至fc处形成的，所以2ASK信号的功率谱密度由连续谱和离散谱两部分组成。, 2ASK信号的带宽B2ASK是单极性数字基带信号带宽fs的两倍。当数字基带信号的基本脉冲是矩形不归零脉冲时，fs=1/Ts。于是2ASK信号的带

7、宽为 B2ASK=2fs=2/Ts 2ASK信号的主要优点是易于实现，其缺点是抗干扰能力不强，主要应用在低速数据传输中。,2. 二进制移频键控（2FSK） 数字频率调制又称移频键控，记作FSK（Frequency Shift Keying），二进制移频键控记作2FSK。,（1） 2FSK信号的调制方法 前面已提到，2FSK信号可以采用模拟调频法和数字键控法来产生。模拟调频法：用数字基带矩形脉冲控制一个振荡器的某些参数（例如电容C），可直接改变振荡频率，使输出得到不同频率的已调信号。 数字键控法：它是用数字矩形脉冲控制电子开关，使电子开关在两个独立的振荡器之间进行转换，从而在输出端得到不同频率的

8、已调信号。,（2） 2FSK信号的解调 二进制频移键控信号的解调方法很多，常采用非相干检测法（包络检测法）和相干检测法（同步检波法），还有过零检测法、差分检波法等。 包络检测法 2FSK信号的包络检测方框图及波形图如图5-16所示。用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为f1及f2的高频脉冲，经包络检测后分别取出它们的包络。,图5-16 2FSK信号包络检波方框图及波形图, 同步检波法 2FSK信号的同步检波原理方框图如图5-17所示。 过零检测法 过零检测法是一种常用而简便的解调方法。,图5-17 2FSK信号同步检波方框图,（3） 2FSK信号的功率谱及带宽 由式（5-15）可知，二进制移频键

9、控已调信号可以看成是两个不同载频的幅度键控已调信号之和，由此可求得它的功率谱密度。,3. 二进制移相键控及二进制差分相位键控（2PSK及2DPSK） （1） 绝对移相和相对移相的概念 绝对移相（2PSK） 二进制移相键控中，载波的相位随数字基带信号1或0而改变。通常用相位0表示数字信号“0”，用相位表示数字信号“1”。则已调信号可表示为 e0（t）=cos（ct+i），且i=0或 则有e0（t）=cosct。, 相对移相（2DPSK） 差分相位键控 2DPSK方式是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。 由图5-20可以看出，2DPSK的波形与2PSK的不同，2DPSK波形

10、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惟一决定信息符号。,图5-20 2PSK及2DPSK信号的波形,（2） 2PSK和2DPSK信号的调制 模拟调相法：原理框图如图5-22（a）所示，码变换器（即差分编码器）是用来完成绝对码波形到相对码波形变换的，去掉码变换器，则可进行2PSK信号的调制。,图5-22 2PSK和2DPSK调制方框图,（3） 2PSK和2DPSK信号的解调 2PSK信号的解调 相干解调（极性比较法） 2PSK信号的解调只能采用相干解调的方法，其方框图及波形如图5-23所示。,图5-23 2PSK信号的解调, 2DPSK信号的解调 极性比较法和差分检测法

11、 极性比较码变换法即是2PSK解调加差分译码，其方框图如图5-24（a）所示，2DPSK解调器将输入的2DPSK信号还原成相对码bn，再由差分译码器把相对码转换成绝对码，输出an。,图5-24 2DPSK信号的解调方框图,（4） 2PSK和2DPSK信号的功率谱及带宽 先讨论2PSK信号的频谱。将2ASK和2PSK的表达式比较可见，它们形式上是完全相同的，所不同的只是an的取值。前者an为单极性，后者an为双极性。,由以上分析可以看出: 第一，二相绝对移相信号的功率谱密度同样由离散谱与连续谱两部分组成，但当双极性基带信号以相等的概率(P=1/2)出现时，将不存在离散谱部分，其连续谱部分与2AS

12、K信号的连续谱基本相同（仅相差一个常数因子）。 第二，2PSK信号的带宽也与2ASK信号的相同，即带宽B2PSK=B2ASK=2fs。,5.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能,1. 振幅键控（2ASK）系统的抗噪声性能 由于信道加性噪声被认为只对信号的接收产生影响，故分析系统的抗噪声性能也只要考虑接收部分即解调器。先做如下假设：信道噪声是均值为0，方差为2n的加性高斯白噪声；信道是恒参信道，且认为发送信号经传输后除有固定衰耗外未受到畸变；发送信号0，1等概率出现。,（1） 包络检波法（非相干解调）的抗噪声性能 （2） 同步检测法（相干解调）的抗噪声性能, 最佳判决门限时，r一定，Pe相Pe非，

13、即信噪比一定时，相干解调的误码率小于非相干解调的误码率；Pe一定时，r相r非，即系统误码率一定时，相干解调比非相干解调对信号的信噪比要求低。 相干解调需要插入相干载波，而非相干解调不需要。可见，相干解调时设备要复杂一些，而非相干解调时设备要简单一些。,2. 二进制移频键控（2FSK）系统的抗噪声性能 （1） 包络检波法的抗噪声性能 （2） 同步检测法的抗噪声性能,将相干解调与非相干解调系统误码率做以比较，得到如下结论。 在输入信号信噪比r一定时，相干解调的误码率小于非相干解调的误码率；当系统的误码率一定时，相干解调比非相干解调对输入信号的信噪比要求低。 相干解调时，需要插入两个相干载波，因此电

14、路较为复杂，但包络检测就无需相干载波，因而电路较为简单。,3. 二进制移相键控及差分相位键控（2PSK及2DPSK）系统的抗噪声性能 （1） 2PSK信号同步检测法的误码率 （2） 2DPSK信号差分相干检测时的误码率 （3） 2DPSK信号极性比较码变换法的系统误码率,4. 二进制数字调制系统的性能比较 至此，已经分别研究了二进制数字调制系统的几种主要的性能，比如系统的频带宽度、调制与解调方法以及误码率等。下面就针对这几方面的性能作一简要比较。 （1） 频带宽度 （2） 误码率,（3） 对信道特性变化的敏感性 在选择数字调制方式时，还应考虑它的最佳判决门限对信道特性的变化是否敏感。在2FSK

15、系统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比较两路解调输出的大小来做出判决。在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。,（4） 设备的复杂程度 对于二进制振幅键控、移频键控及移相键控这三种方式来说，发送端设备的复杂程度相差不多，而接收端的复杂程度则与所选用的调制和解调方式有关。对于同一种调制方式，相干解调的设备要比非相干解调时复杂；而同为非相干解调时，2DPSK的设备最复杂，2FSK次之，OOK最简单。不言而喻，设备越复杂，其造价就越贵。,5.4 多进制数字调制,由于多进制数字已调信号的被调参数有多个可能取值，因此，与二进制数字调制相比，多进制数字调制具有以下几个

16、特点。, 在码元速率（传码率）相同条件下，可以提高信息速率（传信率）。 在信息速率相同条件下，可降低码元速率，以提高传输的可靠性。 在接收机输入信噪比相同条件下，多进制系统的误码率比相应的二进制系统要高。 设备复杂。,1. 多进制数字振幅调制的原理及抗噪声性能 （1） 多进制数字振幅调制的原理 多进制数字振幅调制又称多电平调制。这种方式在原理上是通断键控（OOK）方式的推广。,（2） MASK信号的带宽及频带利用率 由式（5-49）可知，MASK信号的功率谱与2ASK的功率谱类似，它是由m-1个2ASK信号的功率谱叠加而成。尽管m-1个2ASK信号叠加后频谱结构是复杂的，但就信号的带宽而言，M

17、ASK信号与其分解的任一个2ASK信号的带宽是相同的。MASK信号的带宽可表示为 BMASK=2fs 其中fs =1/Ts是多进制码元速率。 （3） MASK系统的抗噪声性能,2. 多进制数字频率调制的原理及抗噪声性能 （1） 多进制数字频率调制的原理 多进制数字频率调制简称多频制，它基本上是二进制数字频率键控方式的直接推广，因而没有必要详细讨论。这里仅简要介绍一个多频制系统的组成框图及主要特点。,（2） MFSK信号的带宽 仿照2FSK信号带宽的确定方法，可得MFSK信号的带宽为 f=fMf1+2fs （3） MFSK系统的抗噪声性能 MFSK信号接收有相干和非相干两种方式，其抗噪声性能的分

18、析方法可参照2FSK进行。最终得到多频系统相干检测和非相干检测时的误码率曲线如图5-34所示。,图5-34 多频制时的误码率曲线,3. 多进制数字相位调制的原理及抗噪声性能 （1） 多进制数字相位调制的原理 多进制数字相位调制又称多相制，它是利用载波的多种不同相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式。 四相制与二相制相似，可以分为四相绝对移相调制（亦称四相绝对移相键控，记为4PSK或QPSK）和四相相对移相调制（又称四相相对移相键控，记为4DPSK或QDPSK）两种。, 四相绝对移相键控（QPSK） 由于4种不同的相位可以代表4种不同的数字信息，因此，对于输入的二进制数字序列应该先进行分组，将

19、每两个比特编为一组。 图5-36所示的是四相制信号的波形图。图中示出了4PSK的/4及/2配置的波形和4DPSK的/4及/2配置的波形图。,图5-36 四相制信号波形图, 四相相对移相键控（QDPSK） 四相相对移相调制也是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。若以前一码元相位作为参考，并令k为本码元与前一码元的初相差，则信息编码与载波相位变化关系仍可用表5-3来表示；它们之间的矢量关系也可以用图5-35表示。 码变换加调相法产生QDPSK信号的组成方框图如图5-40所示。,图5-40 码变换加调相法产生QDPSK方框图,码变换加相位选择法产生QDPSK信号的原理十分简单，它的组成方框

20、图与图5-38所示的相位选择法产生QPSK信号的组成方框图完全相同。不过，这里逻辑选相电路除按规定完成选择载波的相位外，还应实现将绝对码转换成相对码的功能。,（2） QPSK和DQPSK信号的带宽 由于四相绝对移相调制可以看作两个正交的二相绝对移相调制的合成，故两者的功率谱密度分布规律相同。 （3）多进制数字相位调制系统的抗噪声性能,4. 振幅相位联合键控（APK）系统 MASK时，矢量端点在一条轴上分布，MPSK时矢量端点在一个圆上分布。随着M增大，这些矢量端点之间的最小距离也随之减小。 16QAM的信号星座图如图5.42所示。其中，第i个信号的表达式为 si（t）=Aicos（ct+i） i=1，2，16,图5-42 16QAM和16PSK信号的星座图,16QAM信号的产生有两种基本方法： 一种是正交调幅法，它是用两路正交的四电平振幅键控信号叠加而成； 另一种是复合相移法，它是用两路独立的四相移相键控信号叠加而成。,5.5 改进的数字调制技术,1. 最小移频键控（MSK） 最小移频键控是移频键控（FSK）的一种改进型，是使FSK信号相位始终保持连续变化的一种调制。,MSK又称快速频移键控（FFSK），“快速”二字指的是这种调制方式对于给定的频带，它能比2PSK传输更高速的数据；而最小频移键控中的“最小”二字指的是这