第七章 数字调制技术PPT讲稿.ppt
第七章 数字调制技术第1页，共72页，编辑于2022年，星期一Digital Data,Analog SignalTreat transmission and reception as digitizedAmplitude Shift Keying(ASK)Phase Shift Keying(PSK)Freq.Shift Keying(FSK)ExampleShort message(短信息)Modem(调制解调器)7.1 概述第2页，共72页，编辑于2022年，星期一第3页，共72页，编辑于2022年，星期一Modulation and demodulationsynchronizationdecisiondigitaldataanalogdemodulationradiocarrieranalogbasebandsignal101101001radio receiverdigitalmodulationdigitaldataanalogmodulationradiocarrieranalogbasebandsignal101101001radio transmitter第4页，共72页，编辑于2022年，星期一Digital Data to Analog Signals第5页，共72页，编辑于2022年，星期一Modulation of digital signals known as Shift KeyingAmplitude Shift Keying(ASK,幅移键控)very simplelow bandwidth requirementsvery susceptible to interferenceFrequency Shift Keying(FSK,频移键控)needs larger bandwidthPhase Shift Keying(PSK,相移键控)more complexrobust against interferenceDigital Data to Analog Signals第6页，共72页，编辑于2022年，星期一 7.2 二进制数字调制二进制数字调制 7.2.1 二进制幅度键控（二进制幅度键控（2ASK）幅度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，则为二进制幅度键控。第7页，共72页，编辑于2022年，星期一Generation of ASK SignalsSimplest method for binary ASK is to use a switch to gate the carrier on and off,driven by the data signal.第8页，共72页，编辑于2022年，星期一Digital amplitude modulation by a binary signal is The modulating signal vm(t)is a normalized binary waveform,where+1 V=logic 1 and 1 V=logic 0.ASK第9页，共72页，编辑于2022年，星期一ASKFor logic 1 input,vm(t)=1 and Equation reduces toFor logic 0 input,vm(t)=-1 and Equation reduces to第10页，共72页，编辑于2022年，星期一ASKOne binary digit represented by presence of carrier,at constant amplitude.Other binary digit represented by absence of carrier.第11页，共72页，编辑于2022年，星期一Figure第12页，共72页，编辑于2022年，星期一ASKThe carrier is simply turned on or off.Digital amplitude modulation is also known as ONOFF Keying(OOK,开关键控).Low-quality,low cost,therefore,seldom used in high-capacity,high performance communications system.第13页，共72页，编辑于2022年，星期一ASK第14页，共72页，编辑于2022年，星期一ASK信号的功率谱信号的功率谱 由于二进制振幅键控信号是随机的、功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，应该讨论率型的信号，故研究频谱特性时，应该讨论它的功率谱密度。它的功率谱密度。第15页，共72页，编辑于2022年，星期一 ASK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。ASK信号的功率谱密度由连续谱和离连续谱和离散谱两部分组成散谱两部分组成。ASK信号的功率谱信号的功率谱第16页，共72页，编辑于2022年，星期一ASK信号的带宽BASK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ASK信号的带宽为BASK=2fs=2/TsASK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。ASK信号的带宽信号的带宽第17页，共72页，编辑于2022年，星期一ASK信号的功率谱密度示意图 第18页，共72页，编辑于2022年，星期一ASK信号的解调方法带通滤波器 整流器 低通滤波器 取样 判决器(a)包络检波定时脉冲带通滤波器 取样判决器 低通滤波器 相乘器(b)相干解调定时脉冲第19页，共72页，编辑于2022年，星期一在相同的信噪比条件下，相干解调法的误在相同的信噪比条件下，相干解调法的误码性能优于包络检波法的性能；码性能优于包络检波法的性能；在在大大信信噪噪比比条条件件下下，包包络络检检波波法法的的误误码码性性能将接近相干解调法的性能。能将接近相干解调法的性能。包包络络检检波波法法存存在在门门限限效效应应，相相干干解解调调法法无无门门限限效应。效应。ASK信号的抗噪声性能信号的抗噪声性能第20页，共72页，编辑于2022年，星期一7.2.2 Frequency Shift Keying(FSK)FSK has been the most widely used form of digital modulation until recently.simple to generate and detectinsensitive to amplitude fluctuations on the channeldistinct carrier frequencies represent symbol states第21页，共72页，编辑于2022年，星期一FSKCan be viewed as two,separate ASK symbol streams summed prior to transmission:第22页，共72页，编辑于2022年，星期一FSK GenerationSwitch phase jumps第23页，共72页，编辑于2022年，星期一FSKThe general expression for binary FSK is Where f=peak frequency deviation vm(t)=binary input modulating signal(1)f is proportional to the amplitude.The modulating signal vm(t)is a normalized binary waveform,where+1 V=logic 1 and 1 V=logic 0.第24页，共72页，编辑于2022年，星期一FSKFor logic 1 input,vm(t)=1 and Equation 12-2 reduces toFor logic 0 input,vm(t)=-1 and Equation reduces to第25页，共72页，编辑于2022年，星期一FSK第26页，共72页，编辑于2022年，星期一1 1 0 1FSK ExampleDataFSK Signal第27页，共72页，编辑于2022年，星期一BFSKfs=fc+f is called the mark frequency(传号频率),fm=fcf is called the space frequency(空号频率).Less susceptible to error than ASKUsed for high-frequency(3 to 30 MHz)radio transmission第28页，共72页，编辑于2022年，星期一相位不连续的二进制移频键控信号的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。相位不连续的二进制移频键控信号的时域表达式为BFSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度第29页，共72页，编辑于2022年，星期一 根据二进制振幅键控信号的功率谱密度，我们可以得到二进制移频键控信号的功率谱密度P2FSK(f)为 相位不连续的二进制频移键控信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成,离散谱位于两个载频fm和fs处；连续谱由两个中心位于fm和fs处的双边谱叠加形成；第30页，共72页，编辑于2022年，星期一Bandwidth of FSK第31页，共72页，编辑于2022年，星期一Bandwidth of FSKThe minimum bandwidth to pass a FSK is where第32页，共72页，编辑于2022年，星期一Bandwidth of FSKThe peak frequency deviation is given as第33页，共72页，编辑于2022年，星期一Non-coherent FSK Detection第34页，共72页，编辑于2022年，星期一FSKBinary FSK has a poorer error performance than PSK or QAM.Seldom used for high-performance digital radio systems.Low performance,low cost,asynchronous data modems第35页，共72页，编辑于2022年，星期一7.2.3 Phase Shift Keying(PSK)1.Binary PSK(BPSK)BPSK(二进制相移键控)Uses two phases to represent binary digitsPhases are separated by 180 degrees.Simple to implement,inefficient use of bandwidth.Very robust,used extensively in satellite communication.第36页，共72页，编辑于2022年，星期一BPSK ExampleDataCarrierCarrier+pBPSK waveform1 1 0 1 0 1 第37页，共72页，编辑于2022年，星期一第38页，共72页，编辑于2022年，星期一Constellation Diagram(星座图)A constellation diagram,which is sometimes called a signal state-space diagram(信号状信号状态空间图态空间图),is similar to a phasor(向量)diagram except that the entire phasor is not drawn.Properties of Modulation Scheme can be inferred from Constellation Diagram.第39页，共72页，编辑于2022年，星期一Truth Table(真值表)and Constellation Diagram第40页，共72页，编辑于2022年，星期一2.Differential PSK(DPSK)DPSK(差分相移键控):it is about the problem of establishing a coherent reference at the receiver.Phase shift with reference to previous bitBinary 0 signal burst of same phase as previous signal burstBinary 1 signal burst of opposite phase to previous signal burst第41页，共72页，编辑于2022年，星期一DPSKSimple receiver no carrier recovery mechanism and still good performance.logic 1 change of logic state from previous coded bitlogic 0”no change of state from the previous coded bit第42页，共72页，编辑于2022年，星期一DPSK第43页，共72页，编辑于2022年，星期一DPSK第44页，共72页，编辑于2022年，星期一 PSK及及DPSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度PSK与DPSK信号有相同的功率谱。PSK信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与正弦载波相乘，则PSK信号的功率谱为 一般情况下二进制移相键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱所组成，其结构与二进制振幅键控信号的功率谱密度相类似，带宽也是基带信号带宽的两倍。当二进制基带信号的“1”符号和“0”符号出现概率相等时，则不存在离散谱，如上式所示。第45页，共72页，编辑于2022年，星期一PSK(DPSK)信号的功率谱密度第46页，共72页，编辑于2022年，星期一7.3 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 在数字通信中，误码率是衡量数字通信系统的重要指标之一，下面我们将对二进制数字通信系统的误码率性能、频带利用率、对信道的适应能力等方面的性能做进一步的比较。1.误码率误码率 二进制数字调制方式有2ASK、2FSK、2PSK及2DPSK，每种数字调制方式又有相干解调方式和非相干解调方式。下表列出了各种二进制数字调制系统的误码率Pe与输入信噪比r的数学关系。第47页，共72页，编辑于2022年，星期一表表1 二进制数字调制系统的误码率公式一览表二进制数字调制系统的误码率公式一览表 调制方式误码率相干调节非相干调节2ASK2FSK2PSK/2DPSK第48页，共72页，编辑于2022年，星期一横向比较，对同一种数字调制信号，采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率。纵 向 比 较，在 误 码 率Pe一 定 的 情 况 下，2PSK/2FSK/2ASK系统所需要的信噪比关系为第49页，共72页，编辑于2022年，星期一误码率Pe与信噪比r的关系曲线 第50页，共72页，编辑于2022年，星期一表表2 Pe=10-5时时2ASK、2FSK和和 2PSK所需要的信噪比所需要的信噪比 方式信噪比倍分贝2ASK36.415.62FSK18.212.62PSK9.19.6表表3r=10时时 2ASK、2FSK 方式误码率相干解调非相干解调2ASK1.2610-2 4.110-2 2FSK7.910-4 3.3710-32PSK3.910-6 2.2710-5 第51页，共72页，编辑于2022年，星期一 2.频带宽度频带宽度 若 传 输 的 码 元 时 间 宽 度 为 Ts，则 2ASK系 统 和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度近似为2/Ts，即 2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统具有相同的频带宽度。2FSK系统的频带宽度近似为 大于2ASK系统或2PSK系统的频带宽度。因此，从频带利用率上看，2FSK系统的频带利用率最低。第52页，共72页，编辑于2022年，星期一 3.对信道特性变化的敏感性对信道特性变化的敏感性在2FSK系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，不需要人为地设置判决门限，因而对信道的变化不敏感。在2PSK系统中，当发送符号概率相等时，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。因此，判决门限不随信道特性的变化而变化，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2(当P(1)=P(0)时)，它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度将随着发生变化，从而导致最佳判决门限也将随之而变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，因此，2ASK对信道特性变化敏感，性能最差。第53页，共72页，编辑于2022年，星期一在在恒恒参参信信道道传传输输中中，如如果果要要求求较较高高的的功功率率利利用用率率，则则应应选选择择相相干干2PSK和和2DPSK，而而2ASK最最不不可可取；取；如如果果要要求求较较高高的的频频带带利利用用率率，则则应应选选择择相相干干2PSK和和2DPSK，而，而2FSK最不可取。最不可取。若若传传输输信信道道是是随随参参信信道道，则则2FSK具具有有更更好好的适应能力。的适应能力。第54页，共72页，编辑于2022年，星期一7.4多进制数字调制系统多进制数字调制系统Binary FSK and BPSK are M-ary systems where M=2.The number of output conditions is expressed mathematically as Where N=number of bits encoded第55页，共72页，编辑于2022年，星期一7.4.1 Four-level PSK(QPSK)Each element represents more than one bit.Multilevel Modulation Technique:2 bits per symbolMore spectrally efficient,more complex receiver.Two times more bandwidth efficient than BPSK第56页，共72页，编辑于2022年，星期一QPSKTime Plot0O90O180O270O第57页，共72页，编辑于2022年，星期一第58页，共72页，编辑于2022年，星期一Figure The 4-PSK characteristics第59页，共72页，编辑于2022年，星期一QPSKWith QPSK,each of the four possible output phasors has exactly the same amplitude.Distinguish PSK from QAM according to the characteristic.第60页，共72页，编辑于2022年，星期一7.4.2 8-PSK第61页，共72页，编辑于2022年，星期一8-PSKThe angular separation between any two adjacent phasors is 45 degree,half what it is with QPSK.It can undergo almost a 22.5 degree.Gray code(格雷编码):the tribit code(3比特组编码)between any two adjacent phases changes by only one bit.第62页，共72页，编辑于2022年，星期一7.4.3 16-PSKThe angular separation between any two adjacent phasors is 22.5 degree,half what it is with QPSK.It can undergo almost a 11.25 degree.Susceptible to phase impairment,seldom used.第63页，共72页，编辑于2022年，星期一Figure第64页，共72页，编辑于2022年，星期一MPSK“0”“1”“110”“000”“001”“011”“010”“101”“111”“100”“00”“11”“10”“01”QPSK(M=4)BPSK(M=2)8PSK(M=8)第65页，共72页，编辑于2022年，星期一7.4.4 QAMQAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交幅度调制)is a combination of ASK and PSK.Two different signals sent simultaneously on the same carrier frequency第66页，共72页，编辑于2022年，星期一Figure The 4-QAM and 8-QAM constellations第67页，共72页，编辑于2022年，星期一7.4.5 8-QAMThe output signal from an 8-QAM modulator is not a constant-amplitude signal.第68页，共72页，编辑于2022年，星期一Figure Time domain for an 8-QAM signal第69页，共72页，编辑于2022年，星期一7.4.6 16-QAM 第70页，共72页，编辑于2022年，星期一16-QAMITU-T,the first oneISO,the second one48=32第71页，共72页，编辑于2022年，星期一7.4.7 MFSK 多进制频移键控带宽为多少？第72页，共72页，编辑于2022年，星期一
