第第6 6章章 数字信号的频带传输数字信号的频带传输目的：目的：将数字基带信号变成适于信道传输的数字频带信将数字基带信号变成适于信道传输的数字频带信号，用载波调制方式进行传输号，用载波调制方式进行传输。载波选取：载波选取：高频正弦波。高频正弦波。调制信号：调制信号：数字、离散。数字、离散。原理：原理：同于模拟，高频载波的离散状态携带信息。同于模拟，高频载波的离散状态携带信息。数字调制可以看成是模拟线性调制和角调制的特殊情况。数字调制可以看成是模拟线性调制和角调制的特殊情况。分类：分类：数字幅度调制幅度键控（数字幅度调制幅度键控（ASK）；）； 数字频率调制频移键控（数字频率调制频移键控（FSK）；）； 数字相位调制相移键控（数字相位调制相移键控（PSK）。）。分别对应于用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基分别对应于用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。带信号。二进制数字幅度调制二进制数字幅度调制 调制信号为二进制数字信号时，这种调制称为二进制调制信号为二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。相位只有两种变化状态。一般原理与实现方法一般原理与实现方法 数字幅度调制又称幅度键控（数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键），二进制幅度键控记作控记作2ASK。 1. 定义：定义：2ASK是利用代表数字信息是利用代表数字信息“0”或或“1”的基带的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续时断时续地输地输出。有载波输出时表示发送出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发，无载波输出时表示发送送“0”。 OOK 2. 2ASK信号时域表达式：信号时域表达式：其中，其中，s(t)为单极性为单极性NRZ矩形脉冲序列：矩形脉冲序列： 3. 2ASK信号的产生方法（调制方法）信号的产生方法（调制方法）模拟法；键控法。模拟法；键控法。 问：问：2ASK调制属于调制属于DSB调制？调制？（2）相干检测法）相干检测法:4. 2ASK信号解调信号解调AM常用方法主要有两种：常用方法主要有两种：（1 1）包络检波法：）包络检波法：2ASK信号非相干解调过程的时间波形信号非相干解调过程的时间波形2ASK相相干干解解调调波波形形二进制数字频率调制二进制数字频率调制 调制原理与实现方法调制原理与实现方法 1.1.定义定义: : 数字频率调制又称频移键控（数字频率调制又称频移键控（FSK），是用载波），是用载波的频率不同来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制的频率不同来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。载波的频率。 二进制频移键控记作二进制频移键控记作2FSK，此时，此时 “1” f1 “0” f2（1）波形）波形: “1” f1 ; “0” f2特点特点：基带信号：基带信号s(t)为单极性为单极性NRZ信号；信号； 一路一路2FSK信号可视为信号可视为两路两路2ASK信号的之合成！信号的之合成！2. 2. 波形与表达式波形与表达式（2）时域表达式）时域表达式其中其中: 基带信号表达式（基带信号表达式（单极性单极性NRZ）模拟法：如图模拟法：如图a所示。所示。键控法：如图键控法：如图b所示。所示。3.3.调制方法调制方法4. 2FSK信号的实现方法信号的实现方法核心思想核心思想：一路：一路2FSK视为两路视为两路2ASK信号的合成。信号的合成。二进制移频键控信号的时间波形二进制移频键控信号的时间波形相干检测法：相干检测法：一路一路2FSK视为两路视为两路2ASK信号的合成。信号的合成。 包络检波法：包络检波法：一路一路2FSK视为两路视为两路2ASK信号的合成。信号的合成。 鉴鉴 频频 法：法：模拟法：模拟法：FM解调。解调。 过零检测法：过零检测法：2FSK特有。特有。2FSK信号的解调信号的解调1.1.包络检波法包络检波法核心思想：核心思想：一路一路2FSK视为两视为两路路2ASK信号的合成。信号的合成。问：问：BPF1、BPF2的带宽？的带宽？2FSK非相干解调过程的时间波形非相干解调过程的时间波形 2. 2. 相干检测法相干检测法核心思想：一路核心思想：一路2FSK视为两路视为两路2ASK信号之合成。信号之合成。2FSK相相干干解解调调波波形形. . 过零检测法过零检测法 常识常识：单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来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。衡量频率的高低。 二进制数字相位调制二进制数字相位调制 数字相位调制又称相移键控（数字相位调制又称相移键控（PSK），是利用高频载波相），是利用高频载波相位的变化来传送数字信息的。二进制相移键控记作位的变化来传送数字信息的。二进制相移键控记作2PSK。 根据载波相位表示数字信息的方式不同，数字调相分为绝根据载波相位表示数字信息的方式不同，数字调相分为绝对相移（对相移（PSK）和相对相移（）和相对相移（DPSK）两种。）两种。二进制相移键控二进制相移键控（2PSK） 1. 1. 一般原理及实现方法一般原理及实现方法 （1 1）定义）定义 绝对相移是利用载波的相位（初相）直接表示数字信号的绝对相移是利用载波的相位（初相）直接表示数字信号的相移方式。相移方式。 相位选择原则：相位选择原则：易于实现；相位间距尽可能大。二进制相移易于实现；相位间距尽可能大。二进制相移键控中键控中: A方式：方式：0和和；B方式：方式： /2和和-/2。（2）时域表达式）时域表达式A方式方式2PSK已调信号的时域表达式为已调信号的时域表达式为其中：与其中：与2ASK及及2FSK时不同，时不同， s(t)为双极性数字基带信号为双极性数字基带信号: 在某一个在某一个码码元持元持续时间续时间Tb内观察时，有内观察时，有（4）2PSK信号的调制方框图信号的调制方框图 （3）2PSK信号的波形信号的波形（a）模拟调制法，（）模拟调制法，（b）键控法）键控法 就模就模拟调拟调制法而言，与制法而言，与产产生生2ASK信号比信号比较较，只是，只是对对s(t)要求不同，因要求不同，因此，此，2PSK信号可以看作是双极性基带信号作用下的信号可以看作是双极性基带信号作用下的DSB调幅信号。调幅信号。不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为：不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为： （5）2PSK信号的解调信号的解调2PSK信号相干解调各点时间波形信号相干解调各点时间波形 2PSK接收系统接收系统各点波形各点波形如图所示：如图所示：相位模糊：相干载波的锁相环相位模糊：相干载波的锁相环技术，它稳定工作在技术，它稳定工作在n点上，点上，它输出的载波可能和接收信号它输出的载波可能和接收信号载波相同，也可能相差相位载波相同，也可能相差相位。这种相位的不确定性在工程将这种相位的不确定性在工程将会影响到数字信号的正确接收。会影响到数字信号的正确接收。这种现象叫做相位模糊。这种现象叫做相位模糊。二进制差分相移键控（二进制差分相移键控（2DPSK2DPSK）1. 1. 一般原理及实现方法一般原理及实现方法 2DPSK不是利用载波相位的绝对数值传送数字信不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。初相之差。 关键：关键：基带信号基带信号“1”、“0”与初相与初相之间不存在一一对应之间不存在一一对应关系关系基带信号基带信号“1”、“0”与初相之间不存在一一对应关与初相之间不存在一一对应关系（绝对关系），而是相对关系解决系（绝对关系），而是相对关系解决“倒倒”现象。现象。单从波形上看，单从波形上看，2DPSK与与2PSK是无法分辩的，比如是无法分辩的，比如图中图中2DPSK也可以是另一符号序列也可以是另一符号序列 bn（称为相对码）（称为相对码）经绝对移相而形成的。经绝对移相而形成的。重要结论：重要结论：相对移相信号可以看作是把数字信息序列相对移相信号可以看作是把数字信息序列an （绝对码）变换成相对码（绝对码）变换成相对码bn ，然后再根据相对，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。码进行绝对移相而形成。绝对码变相对码：绝对码为绝对码变相对码：绝对码为“0”码时，相对码不变；码时，相对码不变； 绝对码为绝对码为“1”码时，相对码变化。码时，相对码变化。2DPSK信号调制过程波形图信号调制过程波形图2DPSK波波形形2DPSK信号的调制与解调借助绝对移相途径实现的信号的调制与解调借助绝对移相途径实现的方法方法:绝对码和相对码是可以互相转换的，其转换关系为：绝对码和相对码是可以互相转换的，其转换关系为：关于绝对码和相对码的相互转换：关于绝对码和相对码的相互转换：2DPSK实现方法：实现方法：相对相移本质上就是对差分相对相移本质上就是对差分(相对相对)码信号的绝对相移。码信号的绝对相移。2DPSK表达式表达式（a）模拟调制法，（）模拟调制法，（b）键控法）键控法（2 2）差分相干解调法。）差分相干解调法。2DPSK信号信号的解调的解调有两种方法：相干解调有两种方法：相干解调-码变换法；差分相干解调。码变换法；差分相干解调。（1 1）相干解调）相干解调- -码变换法。码变换法。模型模型波形波形原理：原理：直接比较前直接比较前后码元的相位差而后码元的相位差而构成的。构成的。特点：特点：不需要码变不需要码变换器，也不需要专换器，也不需要专门的相干载波发生门的相干载波发生器，因此设备比较器，因此设备比较简单、实用。简单、实用。2DPSK相相干干解解调调波波形形2DPSK差差分分相相干干解解调调波波形形2. 2PSK与与2DPSK系统的比较系统的比较 （1）检测这两种信号时判决器均可工作在最佳门）检测这两种信号时判决器均可工作在最佳门限电平（零电平）。限电平（零电平）。 （2）2DPSK抗噪声性能不及抗噪声性能不及2PSK。 （3）2PSK系统存在系统存在“反向工作反向工作”问题，而问题，而2DPSK系统不存在系统不存在“反向工作反向工作”问题。问题。 因此在实际应用中，真正作为传输用的数字调因此在实际应用中，真正作为传输用的数字调相信号几乎都是相信号几乎都是DPSK信号。信号。二进制数字调制系统的性能比较二进制数字调制系统的性能比较内容内容:系统的误码率、频带宽度及频带利用率、对信道的适应能系统的误码率、频带宽度及频带利用率、对信道的适应能力、设备的复杂度等。力、设备的复杂度等。1. 误码率误码率 对二进制数字调制系统的抗噪声性能做如下两个方对二进制数字调制系统的抗噪声性能做如下两个方面的比较：面的比较： （1）同一调制方式不同检测方法的比较）同一调制方式不同检测方法的比较 对于同一调制方式不同检测方法，相干检测的抗噪对于同一调制方式不同检测方法，相干检测的抗噪声性能优于非相干检测。声性能优于非相干检测。 三种数字调制系统的误码率曲线图三种数字调制系统的误码率曲线图、频带宽度：、频带宽度：2FSK调制系统最差。调制系统最差。 、对信道特性变化的敏感性、对信道特性变化的敏感性 ：信道特性变化的灵敏信道特性变化的灵敏度对最佳判决门限有影响。度对最佳判决门限有影响。 2ASK系统最差、系统最差、2FSK系系统和统和2PSK系统较好。系统较好。、设备的复杂程度、设备的复杂程度:发送设备相当，接收设备中，相发送设备相当，接收设备中，相干解调比非相干解调大，干解调比非相干解调大，2DPSK的设备复杂度最大的设备复杂度最大,2ASK最简单。最简单。多进制数字调制多进制数字调制目的：目的：提高频带利用率，实现信息高效传输。提高频带利用率，实现信息高效传输。定义：定义：利用利用多进制数字基带信号多进制数字基带信号去调制高频载波的某个参量，去调制高频载波的某个参量，如幅度、频率或相位的过程。如幅度、频率或相位的过程。分类：分类：根据被调参量的不同，多进制数字调制可分为：根据被调参量的不同，多进制数字调制可分为：多进制幅度键控（多进制幅度键控（MASK）；）；多进制频移键控（多进制频移键控（MFSK）；）；多进制相移键控（多进制相移键控（MPSK）。）。特点特点:与二进制数字调制相比，多进制数字调制有以下几个特点：与二进制数字调制相比，多进制数字调制有以下几个特点：（1） RbM=kRBM， M=2k在码元速率（传码率）相同条件下，可以提高信在码元速率（传码率）相同条件下，可以提高信息速率（传信率），使系统频带利用率增大。息速率（传信率），使系统频带利用率增大。（2）RBM=RB2/k（信息速率不变时）（信息速率不变时）减小带宽、增加码元能量（能减小码干影响）。减小带宽、增加码元能量（能减小码干影响）。正是基于这些特点，使多进制数字调制方式得到了广正是基于这些特点，使多进制数字调制方式得到了广泛的使用。泛的使用。代价代价: :信号功率需求增加和实现复杂度加大。信号功率需求增加和实现复杂度加大。多进制数字振幅调制系统多进制数字振幅调制系统进制数字振幅调制信号的时间波形进制数字振幅调制信号的时间波形多进制数字频率调制系统多进制数字频率调制系统4FSK信号频率关系信号频率关系多进制数字频率调制系统的组成方框图多进制数字频率调制系统的组成方框图多进制数字相位调制系统多进制数字相位调制系统1. 多进制数字相位调制多进制数字相位调制(MPSK)信号的表示形式信号的表示形式4PSK2PSK8PSK(Constellation)信号矢量图2. 4PSK信号的产生与解调信号的产生与解调双比特双比特ab与载波相位的关系与载波相位的关系 双比特码元载波相位(n )abA方式 B方式 011000110 90 180 270 225 315 45 135 相位选择法产生相位选择法产生4PSK信号原理图信号原理图4PSK正交调制器正交调制器4PSK信号相干解调原理图信号相干解调原理图 4PSK信号相干解调也会产生相位模糊问题，并且是0、 90、180和270四四个相位模糊个相位模糊。4DPSK信号产生原理图信号产生原理图3. 4DPSK信号的产生与解调信号的产生与解调4DPSK信号相干解调加码反变换器方式原理图信号相干解调加码反变换器方式原理图 4DPSK信号差分相干解调方式原理图信号差分相干解调方式原理图多进制正交幅度调制多进制正交幅度调制(MQAM)系统系统 星座图星座图QAM的星座图的星座图课堂测验课堂测验 1.已知某数字信息序列为已知某数字信息序列为1001101，分别以，分别以下列两种情况画出下列两种情况画出2PSK和和2DPSK以及相对以及相对码波形。码波形。 （1）码元速率为）码元速率为1200B，载波频率为，载波频率为1200Hz，工作方式为，工作方式为A方式。方式。 （2）码元速率为）码元速率为1200B，载波频率为，载波频率为1800Hz，工作方式为，工作方式为B方式。方式。2.一个相位不连续的一个相位不连续的2FSK信号，发信号，发1及及0时的波时的波形分别为形分别为 和和 码元速率为码元速率为1200Baud 。采用普通分路滤波器进行检测，计算系统所需采用普通分路滤波器进行检测，计算系统所需的最小带宽。的最小带宽。