通信原理教程 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 教学课件 ppt 作者 王学军 通信课件6

第 6 章 数字调制系统,61 概述 数字基带信号不能直接通过带通信道传输，需将数字基带信号变换成数字频带信号。用数字基带信号去控制高频载波的幅度、频率或相位，称为数字调制。从已调高频载波上将数字基带信号恢复出来，称为数字解调。 数字调制方式：幅度调制，称为幅度键控，记为ASK；频率调制，称为频移键控，记为FSK；相位调制，称为相移键控，记为PSK。 多进制的基带数字信号有多种状态，一位多进制符号将代表若干位二进制符号。在相同传码率条件下，多进制数字系统的信息速率高于二进制系统。二进制系统，随着传码率的提高，信道带宽增加。采用多进制可降低码元速率，减小传输带宽。同时，加大码元宽度，可增加码元能量，有利于提高系统的可靠性。 多进制数字调制方式：多进制幅移键控（MASK）、多进制频移键控（MFSK）和多进制相移键控（MPSK）。,第 6 章 数字调制系统,62 二进制幅移键控 二进制幅移键控是最早出现的一种数字调制方式，记为2ASK。 1. 2ASK信号的调制 用二进制数字基带信号控制载波的幅度，二进制数字序列只有“1”、“0”两种状态。调制后的载波也只有两种状态：有载波输出传送“1”，无载波输出传送“0”。假定调制信号是单级性非归零的二进制序列， “1”码时 ，输出载波Acos0t； “0”码时，无输出。,第 6 章 数字调制系统,为第n个码元的电平值，单极性码， 或1；双极性码 ， 或+1。 是时间宽度为 的基本脉冲。2ASK信号 乘法器完成调制；BPF取出已调信号，抑制带外频谱分量，通过调节还可以实现单边带或残留边带调制。,第 6 章 数字调制系统,2. 2ASK信号的带宽 功率谱 其带宽是调制信号带宽的两倍。若只计及基带脉冲波形频谱的主瓣，带宽 是基带脉冲的速率， 是基带脉冲周期。,第 6 章 数字调制系统,3. 2ASK信号的解调 解调方式：相干解调和非相干解调。 （1）相干解调 乘法器实现ASK频谱的再次搬移，使数字调制信号的频谱搬回到零频附近；LPF去除乘法器产生的高频分量，滤出数字调制信号。BPF滤除接收信号频带以外的噪声干扰，并保证信号完整地通过。乘法器输出,第 6 章 数字调制系统,LPF输出 由于噪声及信道特性的影响， LPF输出的数字信号是不标准的，通过对信号再采样，利用判决器对采样值进行判决，便可以恢复原“1”、“0”数字序列。 判决准则：判为“1”，判为“0”。 应该注意本地载波要与发送在波同频同相，以保证数据的正确解调。 （2） 非相干解调 利用包络检波器来实现， LPF滤除包络信号中的高频成分，平滑包络信号。非相干解调实现容易。,第 6 章 数字调制系统,第 6 章 数字调制系统,63 二进制频移键控 二进制频移键控(2FSK)：二进制数字序列控制载波的频率。发送端用不同频率的高频载波对应数字基带信号的不同状态，接收端将不同频率的高频载波还原成基带数字信号的对应状态，完成解调。载波频率变化时，相邻码元载波的相位可能是连续的(相位连续的FSK)，也可能是不连续的(相位不连续的FSK)。 1. 2FSK信号的调制 例如“1”码用频率 来传输，“0”码用频率 来传输。,第 6 章 数字调制系统,相位不连续的FSK信号可看作是两个交错的ASK信号之和，一个载频为 ，另一个载频为 。 是宽度为 的基本矩形脉冲， 表示 的非。 频差：两个载频之间的间隔。 中心频率：两个载频的平均值 2. 2FSK信号的带宽 当基带信号不含直流时，功率谱,第 6 章 数字调制系统,带宽 3. 2FSK信号的解调 类型：相干解调和非相干解调。 （1） 相干解调,第 6 章 数字调制系统,设1代表“1”码，2代表“0”码。BPF1和BPF2可将两者分开 ，把代表“1”码的y1( t )和代表“0”码的y2( t )分成两路ASK信号，采用相干解调方式解调。采样判决可恢复原数据序列。,第 6 章 数字调制系统,乘法器输出 LPF输出 判决准则： 判为“1”， 判为“0” 。,第 6 章 数字调制系统,(2)非相干解调 包络检波器取出两路的包络x1(t)和x2(t)。对包络采样并判决，可恢复原数字序列。判决准则： 判为“1”， 判为“0”。,第 6 章 数字调制系统,64 二进制相移键控 二进制相移键控（2PSK）：用二进制数字基带信号控制高频载波的相位，使高频载波的相位随着数字基带信号变化。 1. 二进制相移键控信号的调制 方式:绝对调相和相对（差分）调相。 绝对调相（PSK）:利用载波初相位的绝对值（即固定的某一相位）来表示数字信号。例如，“1”码用载波的0相位表示，“0”码用载波的相位表示，反之亦可。 相对调相（差分调相，DPSK）：利用相邻码元载波相位的相对变化来表示数字信号。相对相位指本码元载波初相与前一码元载波终相的相位差。例如，“1”码载波相位变化,即与前一码元载波终相差，“0”码载波相位不变化，即与前一码元载波终相相同。 PSK信号,第 6 章 数字调制系统,是双极性不归零 二进制数字序列， 或-1。 图（a) ，若 为单极性序列， 极性变换变换为双极性序列 。 若 为双极性序列，可省略极 性变换过程。,第 6 章 数字调制系统,图（c)，2PSK信号载波初始相位0表示“1”，表示“0”。对2DPSK信号用载波相位变化， 即与前一码元载波终相差表示“1”；载波相位不变，即与前一码元载波终相相同表示“0”。 把DPSK波形看作PSK波形，所对应的序列是 。 是相对（差分）码，而 是绝对码，这里是“1”差分码。2DPSK信号对绝对码来说是相对相移键控，对差分码来说是绝对相移键控。将绝对码变换为相对码，再进行PSK调制，就可得到DPSK信号。 2PSK和2DPSK信号应具有相同形式的表达式，不同的是2PSK的调制信号是绝对码数字基带信号，2DPSK的调制信号是原数字基带信号的差分码。 2. 二进制相移键控信号的带宽 调制信号为双极性NRZ数字序列时，二进制相移键控信号实际上是一种DSB-SC信号，带宽与ASK相同。,第 6 章 数字调制系统,3.二进制相移键控信号的解调 (1) 2PSK信号 2PSK信号相当于DSB-SC信号，只能采用相干解调方式解调，在DSB-SC解调器之后加一采样判决器，即可恢复原数字信号。,第 6 章 数字调制系统,到来时，乘法器输出 LPF输出 。 到来时，乘法器输出,第 6 章 数字调制系统,LPF输出为 。 判决准则：采样值大于0，判为“1”；小于0，判为“0”。 2PSK信号相干解调，如果本地载波与发送载波不同相，会造成错误判决，这种现象称为相位模糊或者“倒”现象。例如本地载波与发送载波相位相反，采样判决器输出将与发送的数字序列相反，造成错误。一般本地载波从接收信号中提取，发送信号在传输过程中会受到噪声的影响，使其相位随机变化而产生相位误差，这种相位误差难以消除。因而2PSK信号容易产生误码，实际中2PSK信号不常被采用。 （2） 2DPSK信号 解调方法：相干解调和差分相干解调。 1）相干解调 2DPSK信号相干解调出来的是差分调制信号，2PSK相干解调器之后再接一差分译码器，将差分码变换为绝对码，就可得原调制信号序列。,第 6 章 数字调制系统,2DPSK信号解调不存在“倒”现象，即使相干载波出现倒相，使 变为 ，差分译码器能使 。 2）差分相干解调 通过比较前后码元载波的初相位来完成解调，用前一码元的载波相位作为解调后一码元的参考相位，解调器输出就是所需要的绝对码。要求载波频率为码元速率的整数倍，这时载波的初始相位和末相相位相同。BPF输出分成两路，一路加到乘法器，另一路延迟一个码元周期，作为解调后一码元的参考载波。,第 6 章 数字调制系统,第 6 章 数字调制系统,判决准则：x 0判为“0”。 差分相干解调法不需要差分译码器和专门的本地相干载波发生器，只需要将2DPSK信号延迟一个码元时间，然后与接收信号相乘，再通过低通滤波和采样判决就可以解调出原数字调制序列。 优点：设备简单。 缺点：对延迟电路精度要求比较高。 2DPSK信号产生时是用差分码对载波进行调制，在解调时只要前后码元的相对相位关系不被破坏，即使出现了“倒”现象，只要能鉴别码元之间的相对关系，就能恢复原二进制绝对码序列。避免了相位模糊问题，应用广泛。,第 6 章 数字调制系统,65多进制幅移键控 采用多进制数字调制技术可提高系统的频带利用率。用多进制数字基带信号对高频载波进行幅度调制，称为多进制幅移键控（MASK）。已调波有M个幅度 g( t )是高度为1，宽度为 的矩形脉冲，且有 。,第 6 章 数字调制系统,第 6 章 数字调制系统,首先将二进制数字序列转换为M进制序列。每k位一组，有2k种组合，可表示 个状态，形成M进制序列。对高频载波进行ASK调制，就可得MASK信号。 解调方式：相干解调和非相干解调。 M进制基带数字序列的带宽只与脉冲周期 有关，而与M无关，其带宽是基带信号带宽的两倍 ， 是M进制基带脉冲的速率， 是M进制基带脉冲周期。,第 6 章 数字调制系统,66多进制频移键控 用M个频率不同的正弦波分别代表M进制数字信号的M个状态，在某一码元时间内只发送其中一个频率 串/并变换电路将串行输入的k位二进制码转换成为并行输出的k位二进制码，然后由逻辑电路转换成具有M个状态的逻辑电平，这里k位二进制码有种 组合。k位二进制码来到时，逻辑电路输出相应的逻辑电平，该逻辑电平一方面打开相应的开关，使对应的载波发送出去，同时关闭其他的开关，不让其他载波发送出去。一组组二进制码输入时，加法器的输出便是MFSK信号。,第 6 章 数字调制系统,第 6 章 数字调制系统,接收带通滤波器滤除MFSK信号的带外噪声，各带通滤波器进行分频。有信号通过的那一路的包络检波器有包络信号输出，其他包络检波器没有信号输出。采样判决器在某一时刻比较所有包络检波器的输出电压，将最大者输出，就得到一个M进制码元。逻辑电路将此码元译码，形成并行的k位二进制码，并/串变换电路转换成串行二进制码，完成解调任务。 还可采用分路滤波相干解调方式，包络检波器由乘法器和LPF代替。MFSK系统占用频带较宽，频带利用率低，用于调制速率不高的传输系统。 这种方式产生的MFSK信号，其相位不连续，可看作是M个振幅相同、载波不同、时间上互不重叠的二进制ASK信号的叠加。带宽 为最高载频； 为最低载频； 为M进制码元速率。,第 6 章 数字调制系统,67多进制相移键控 MPSK用具有多个相位状态的正弦波来表示多进制数字基带信号的不同状态。M进制信号与二进制信号之间的关系： 。载波的一个相位对应k位二进制码元。如果载波有 个相位，可代表k位二进制码元的M种组合。 分为：多进制绝对相移键控（MPSK）和多进制相对（差分）相移键控（MDPSK）。MPSK 信号 ，n = 0，1，M 1。 假定载波频率0是基带信号速率的整数倍,第 6 章 数字调制系统,是高度为1，宽度为 的脉冲； 为k比特码元的持续时间。 表明，MPSK信号可等效为两个正交载波进行多电平双边带调幅所得已调波之和。带宽与MASK信号一样，是调制信号带宽的两倍。 1. 相位配置 相位配置：MPSK信号的M个相位与其代表的k位二进制码元之间的对应关系。各相位值都是相对于参考相位而言的，通常取0相位作为参考相位。对绝对调相，参考相位为未调载波的初相；对相对调相，参考相位为前一码元载波的末相，正为超前，负为落后。采用等间隔的相位差，相位间隔是 。 M增大，相位间隔减小，系统可靠性下降，所以M不能太大。最常使用的是四相PSK（4