CCEE第五章 数字调制与解调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（二进制振幅键控（2ASK2ASK）1二进制二进制频移频移键控（键控（2 2F FSKSK）2二进制二进制相移相移键控（键控（2 2P PSKSK）35.2.1 二进制振幅键控（2ASK）l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。 l二进制振幅键控（2ASK）调制 l二进制振幅键控（2ASK）解调二进制振幅键控（2ASK）调制l二进制振幅键控（2ASK）信号l二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱二进制振幅键控（2ASK）信号l2ASK信号的产生结论：二进制结论：二进制 振幅键控（振幅键控（ 2ASK2ASK）信号表）信号表 示为一个单极示为一个单极 性矩形脉冲序性矩形脉冲序 列与一个正弦列与一个正弦 型载波相乘型载波相乘发送的二进制符号序列 其中 2ASK信号 二进制振幅键控（2ASK）信号l2ASK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t1111000 s(t)tt载波信号2ASK信号二进制振幅键控（2ASK）信号l2ASK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cosct开关电路数字键控 模拟相乘 二进制振幅键控（2ASK）调制l二进制振幅键控（2ASK）信号l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 功率谱密度 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m0的整数，有G(mfs)=0因此假设P1/2，则g(t)的频谱因此连续 谱离散 谱二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱l 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(tg(t) )确定，带宽则是基带波形的两倍，确定，带宽则是基带波形的两倍， B B2ASK2ASK=2B=2B。传输2ASK信号所需频 带0 fs2fs-fs-2fsPs(f)fs-f00fcfcfsPE(f)fc5.2.1 二进制振幅键控（2ASK）l二进制振幅键控（2ASK）调制 l二进制振幅键控（2ASK）解调二进制振幅键控（2ASK）解调l非相干解调(包络检波法)l相干解调(同步检测法)非相干解调l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11010001001二、二进制振幅键控（2ASK）解调l非相干解调(包络检波法)l相干解调(同步检测法)相干解调l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)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)l 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。5.2 二进制数字调制与解调原理二进制二进制频移频移键控（键控（2 2F FSKSK）2二进制振幅键控（二进制振幅键控（2 2A ASKSK）1二进制二进制相移相移键控（键控（2 2P PSKSK）35.2.2 二进制频移键控（2FSK）l二进制频移键控（2FSK）调制 l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）二进制频移键控（2FSK）调制l2FSK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。l二进制频移键控（2FSK）信号l二进制频移键控（2FSK）信号的频谱二进制频移键控（2FSK）信号l2FSK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l g(t)为单个矩形脉冲，脉 宽为Tsl n，n分别是第n个信号 码元的初相位其中 二进制频移键控（2FSK）信号l2FSK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1 f1振荡器2 f2选通开关选通开关相加器基带信号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f2二进制频移键控（2FSK）调制l二进制频移键控（2FSK）信号l二进制频移键控（2FSK）信号的频谱二进制频移键控（2FSK）信号的频谱l相位离散的2FSK信号 l相位连续的2FSK信号相位离散的2FSK信号l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l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。l推导2FSK信号的频谱n和n分别代表第n个信号码元的初始相位。通常可令n和n为零相位离散的2FSK调制信号令 两路二进制数字基带信 号根据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假设P1/2，则g(t)的频谱因此连续 谱离散 谱频谱分析l图中a曲线对应的f1f0+fs，f2f0-fs， 曲线b对应的f1= f0+0.4fs，f2f0-0.4fs 。 lf0=（f1+ f2）/22fs 0.8fsff0f0fsf0-fsf02fsf0-2fsPe(f)（单边谱）ab频谱分析l2FSK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； l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。 l传输2FSK信号所需的频带为二进制频移键控（2FSK）信号的频谱l相位离散的2FSK信号 l相位连续的2FSK信号相位连续的2FSK信号l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。 l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相位连续的2FSK信号lan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 调频指数化简 相位连续的2FSK信号t0fc f1f22fct(t )(t )(t )t相位连续的2FSK信号l 分析FSK信号时，常用到归一化相关系数l 2FSK信号在一个码元期间内波形为相位连续的2FSK信号l选2cTs1,或2cTsK，因此有：0-0.21231.43(2-1)Ts讨论 讨论l当(2- 1)TsK(k1)时， 为零，两 信号具有正交特性。 l在Kl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。 l当(2- 1)Ts1.43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。相位连续的2FSK信号的功率谱密度l相位连续的FSK信号功率谱密度的计算很复 杂 l只讨论二元等概信码 l单边谱密度表达式：式中载波频率远大于频偏， 此项可忽略相位连续的2FSK信号的功率谱密度l 功率谱密度仍然是X的 偶函数 l 调制指数h0.5时，功 率谱密度曲线呈现单峰 。在h0.715时，曲线 呈现双峰。 l 在h趋近于1时曲线的双 峰变得非常尖锐。 l 当hl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。 l h1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带宽l 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FSKASKPSK0.60.70.81.01.52频带fh结论l h2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 l 当h1时,信号的能量大部分都集中在x0.5 的范围以内， l 在h为0.60.7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。 l 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h0.5的相位连续的 FSK方式,即最小移频键控方式(MSK)。5.2.2 二进制频移键控（2FSK）l二进制频移键控（2FSK）调制 l二进制频移键控（2FSK）解调二进制移频键控（2FSK）解调l常用解调方法： 非相干解调 相干解调l其它解调方法 鉴频法 过零检测法 差分检波法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 1带通滤波器 2定时脉冲输出最佳非相干解调 最佳非相干解调l在每个匹配滤波器后面接有一个包络检波 器 l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。 l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 l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 。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 判决最佳非相干解调l 设Ts为T11/f1及T21/f2的整数倍，即 Ts=KlTl及TsK2T2(Kl，K2分别为整数)则l 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