数字信号的载波传输.doc

62第 6 章 数字信号的载波传输（备注：在实际授课中将第 8 章“现代数字调制技术”纳入第 6 章中进行）6.1 本章知识点数字信号的载波传输是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端对载波信号的离散调制参量进行检测数字信号的载波传输信号也称为键控信号根据已调信号参数改变类型的不同，数字调制可以分为幅移键控（ASK） 、频移键控（FSK）和相移键控（PSK ） 其中幅移键控属于线性调制，而频移键控属于非线性调制6.1.1 二进制数字调制原理1、二进制幅移键控（2ASK）二进制幅移键控（2ASK）是指高频载波的幅度受调制信号的控制，而频率和相位保持不变也就是说，用二进制数字信号的“1”和“0”控制载波的通和断，所以又称通—断键控 OOK（On—Off Keying） 1） 、2ASK 信号的时域表达 （6-1）2()coscosASKnttagtTt一个典型的 2ASK 信号时间波形如图 6-1 所示（图中载波频率在数值上是码元速率的 3 倍） 图 6-1 2ASK 信号时间波形（2） 、2ASK 信号的产生2ASK 信号的产生方法有两种：模拟调制法和键控法。

3） 、2ASK 信号的功率谱及带宽当 为 0、1 等概率出现的单极性矩形随机脉冲序列（码元间隔为 ）时，2ASK 信号的功率谱密()st sT度为（6-2）222()()()16[]sASKcscsTPfafSaff2ASK 信号的频带宽度 为数字基带信号带宽 的两倍2ASKBsB63（6-3）2ASKsBBR上式中， 为码元传输速率1/BsRT特别：式（6-3）是在数字基带信号 用单极性矩形脉冲波形表示的前提条件下得到的结论当数字基()st带信号用滚降系数为 的升余弦滚降脉冲波形表示时，和数字基带系统一样，数字调制系统也应该无码间干扰则(1)()2BsNRB此时， （6-4）2ASKs对应该数字调制系统的频带利用率为21()BASKR对 调制系统，其频带利用率为MAS2log(1)（4） 、2ASK 信号的解调2ASK 信号的解调可以采用非相干解调（包络检波）和相干解调两种方式来实现6.1.2 二进制频移键控（2FSK）二进制频移键控（2FSK）是指载波的频率受调制信号的控制，而幅度和相位保持不变。

1） 、2FSK 信号的时域表达设二进制数字信号的“1”对应载波频率 ， “0” 对应载波频率 ，而且 和 之间的改变是1 f 2 f1 f2瞬间完成的因此，二进制频移键控信号可以看成是两个不同载波的二进制幅移键控信号的叠加根据以上分析，得出 2FSK 信号的时域表达式（6-5）2 1 2[()]cos()[()]cos()nFSKnn ntagtTtagtTt这里， 和 分别表示第 个信号码元的初始相位， 是 的反码.na（2） 、2FSK 信号的产生通常 2FSK 信号可以由两种电路实现：模拟调频法，数字键控法3） 、2FSK 信号的功率谱及带宽当 为 0、1 等概率出现的单极性矩形随机脉冲序列（码元间隔为 ）时，2FSK 信号功率谱的表()st sT达式为（6-6）222 111122()()()6[()()()()]SFSKSSTPfafafTffff64式中，利用了 的关系1/ssfT2FSK 的频带宽度为（6-7） 21212FSKssBfffB特别：式（6-7）是在数字基带信号 用单极性矩形脉冲波形表示的前提条件下得到的结论。

当数字基()t带信号用滚降系数为 的升余弦滚降脉冲波形表示时，由于(1)()2BsNRB则此时， （6-8）22FSKf（4） 、2FSK 信号的解调2FSK 的解调也可以分为非相干（包络检波）和相干解调此外，2FSK 的解调方法还有过零检测法和差分检波法等6.1.3 二进制相移键控（2PSK）和二进制差分移相键控（2DPSK）相移键控是利用载波相位的变化来传递数字信息，通常可以分为绝对相移键控（2PSK）和相对相移键控（2DPSK）两种方式，1、二进制绝对相移键控（2PSK）一般地如果二进制序列的数字信号“1”和“0” ，分别用载波的相位 和 0 这两个离散值来表示，而其幅度和频率保持不变，这种调制方式就称为二进制绝对相移键控1）2PSK 信号的一般表达式为（6-9）2()cosPSKntagtTt其中 ,1na出 现 概 率 为出 现 概 率 为 -式（6-9）中我们可以将 看作是宽度为 的双极性矩形脉冲波形)gtsT（2）2PSK 信号可以采用两种方法实现：模拟调制法和相移键控法。

3）2PSK 信号的解调一般采用相干解调2、二进制相对移相键控（2DPSK）相对移相键控（2DPSK）是利用前后相邻码元载波相位的相对变化来表示数字信号相对调相值是指本码元的初相与前一码元的初相之差并设100数 字 信 息 “数 字 信 息 ”（1）2DPSK 产生的原理方法有模拟调制法和相移键控法2）2DPSK 信号的解调2DPSK 信号可以采用相干解调法(极性比较法) 和差分相干解调法(相位比较法)3）2PSK、2DPSK 信号的功率谱及带宽由式（6-9）可以看出，2PSK 信号实质上可以被看成是一个特殊的 2ASK 信号，即当数字信号为65“0”时 的取值为 1，当数字信号为“1”时 的取值为 也就是就说，在 2ASK 中 是单极性信na na1()gt号，而在 2PSK 中则可以看作是一个双极性信号则求 2PSK 信号的功率谱，也可以采用与求 2ASK 信号功率谱相同的方法当 为 0、1 等概率出现的双极性矩形随机脉冲序列（码元间隔为 ）时，2PSK、2DPSK 信号的()st sT功率谱为（6-10）222()()()4SPSKcscsTfafSaf2PSK、2DPSK 信号的频带宽度 为基带调制信号带宽 的两倍。

2DPSKBsB（6-11）22 2PSKDSssBASKfR上式中， 为码元传输速率1/BsRT特别：式（6-11）是在数字基带信号 用矩形脉冲波形表示的前提条件下得到的结论当数字基带信号()st用滚降系数为 的升余弦滚降脉冲波形表示时，由于(1)()2BsNR则此时， （6-1222PSKDSB）6.1.4 二进制数字调制系统的抗噪声性能通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力在数字通信中，信道的加性噪声能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量与数字基带系统一样，分析二进制数字调制系统的抗噪声性能，也就是要计算系统由加性噪声产生的总误码率设发送 0、1 信号等概率出现，信道为恒参信道，噪声为零均值，方差为 的高斯白噪声几种二2n进制数字调制系统的误码率如表 6-1 所示表 6-1 二进制数字调制系统的误码率调制方式 解调方式 误码率 eP时的近似r1?eP相干 12erfc4re2ASK非相干 412reP相干 12erPfc/re2FSK非相干 /re662PSK 相干 e1Prfc()212reP2DPSK 差分相干 re其中， 称为解调器的输入信噪比。

2nar三种数字调制系统的误码率 Pe 与信噪比 r 的关系曲线如图所示可以看出，在相同的信噪比 r 下，相干解调的 2PSK 系统的误码率 Pe 最小；对不同的调制方式，当信噪比 r 相同时，2PSK、2DPSK 的误码率小于 2FSK，而 2FSK 系统的误码率又小于 2ASK 系统；在误码率相同条件下，相干 2PSK 要求 最小，2FSK 系统次之，2ASK 系统要求 r 最大，它们之间分别相差 3dB图 误码率 Pe 与信噪比 r 的关系曲线6.1.5 多进制数字调制系统与二进制调制方式相比，多进制调制方式的特点是：（1）在相同码元速率下，多进制数字调制系统的信息传输速率高于二进制数字调制系统；（2）在相同的信息速率下，多进制数字调制系统的码元传输速率低于二进制调制系统采用多进制数字调制的缺点是设备复杂，判决电平增多，误码率高于二进制数字调制系统1、多进制幅移键控（MASK）多进制数字幅移键控又称多电平调制这种方式在原理上是 2ASK 方式的推广由于基带信号的频谱宽度与其脉冲宽度有关，而与其脉冲幅度无关，所以 MASK 信号的功率谱的分析同 2ASK其带宽为（6-13）2MASKsBBfRT其中 是多进制码元速率。

BRMASK 系统的信息频带利用率是 2ASK 系统的 倍，所以 MASK 在高传输速率的通信系统中得2logM到应用2、多进制频移键控（MFSK ）多进制数字频移键控是用多个频率的正弦振荡分别代表不同的数字信息它基本上是二进制数字频率键控方式的直接推广67MFSK 系统可看做是 M 个振幅相同，载波频率不同，时间上互不相容的 2ASK 信号的叠加，故带宽为（6-14）22FSKHLsHLBBfffR式中， 为最高载频； 为最低载频； 为多进制码元速率HfHf1/BsRT3、多进制相移键控多进制数字相移键控又称多相制，也是利用载波的多个不同相位（或相位差）来代表数字信息的调制方式它和二进制一样，也可分为绝对移相和相对移相通常，相位数用 计算，分别与 k 位二kM2进制码元的不同组合相对应1） 、多进制绝对移相（MPSK ）假设 位二进制码元的持续时间仍为 ，则 M 相调制波形可写为如下表达式：ksT（6-15）()()co()s()sinMPSKskkckctgttatTtbgtTt其中， 为受调相位，可以有 M 种不同取值kkkaokiMPSK 带宽与 MASK 带宽相同，即（6-16）2PSKsBBfRT其中 是多进制码元速率。

此时其信息速率与 MASK 相同，是 2ASK 及 2PSK 系统的 倍也就BR 2logM是说，MPSK 系统的信息频带利用率是 2PSK 的 倍2logM可见，多相制是一种信息频带利用率高的高效率传输方式目前最常用的是四相制和八相制MPSK 信号还可以用矢量图来描述，在矢量图中通常以未调载波相位作为参考矢量6.2 教学目标1、二进制数字调制原理（1）掌握二进制 ASK、FSK、PSK、DPSK 信号的时域（表达式和波形） ；（2）掌握二进制 ASK、FSK、PSK、DPSK 信号的频域表示法（带宽和功率谱密度） ；（2）掌握二进制数字调制的产生与解调方法；3、理解二进制数字调制系统的误码率计算方法；4、掌握各种二进制数字调制系统的性能比较；5、了解多进制数字调制的基本概念；理解四进制 ASK、FSK、PSK、DPSK 的波形、带宽、调制和解调方法；6.3 教学重点/难点68重点：二进制数字调制系统的波形、频谱、带宽和误码率性能的掌握；四进制 PSK、DPSK 波形难点：PSK 和 DPSK 的波形、解调方法的差别和联系四进制 PSK 和 DPSK 的矢量图和调制、解调原理图之间的对应关系。

6.4 教学过程要点设计1、在分析、计算和应用方面，将第 5 章基带系统和本章数字调制系统结合起来分析问题和解决问题，教学过程中注意通过典型例题和习题联系引导学生积极思考和研讨，注意培养学。