第七章--数字信号调制传输1wfy.ppt

1.1.数字信号的分数字信号的分类类和和传输传输方式方式p数字信号数字信号n数字数字调调制信号制信号n数字基数字基带带信号信号p传输传输方式方式n数字信号的基数字信号的基带传输带传输n数字信号的数字信号的调调制制传输传输p以哪种传输方式为主？以哪种传输方式为主？n由信道类型确定由信道类型确定p低通型信道低通型信道-数字信号的基数字信号的基带传输带传输(近距离）近距离）p带通型信道带通型信道-数字信号的数字信号的调调制制传输传输(远远距离）距离）第七章第七章 数字信号的调制传输数字信号的调制传输12数字调制数字调制p数字调制目的与本质数字调制目的与本质n载波：连续的正（余）弦信号载波：连续的正（余）弦信号n调制信号：数字基带信号调制信号：数字基带信号p数字调制完成基带信号功率谱的搬移，使之数字调制完成基带信号功率谱的搬移，使之变成带通（已调）信号。变成带通（已调）信号。p 数字调制的过程数字调制的过程n模拟调制的过程，载波参数模拟调制的过程，载波参数连续连续变化变化n数字调制的过程，载波参数数字调制的过程，载波参数离散离散变化变化调制，调制，modulation键控，键控，shift keying233 数字调制方法和方式数字调制方法和方式 数字调制技术有两种方法：数字调制技术有两种方法：p利用利用模拟调制模拟调制的方法去实现数字式调制；的方法去实现数字式调制；p通过开关键控载波，通常称为通过开关键控载波，通常称为键控法键控法。基本键控方式基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键：振幅键控、频移键控、相移键控控 振幅键控 频移键控 相移键控34 4模拟调制和数字调制方式对照模拟调制和数字调制方式对照 模拟调制模拟调制 数字调制数字调制幅度调制幅度调制(AM)幅度键控幅度键控(ASK)频率调制频率调制(FM)频移键控频移键控(FSK)相位调制相位调制(PM)相移键控相移键控(PSK)AMFM4本章目录本章目录7.1 二进制数字调制二进制数字调制7.2二进制数字调制系统的抗噪声性二进制数字调制系统的抗噪声性能能7.4 多进制数字调制多进制数字调制5 二进制是数字调制最简单的情况，它改变载波的二进制是数字调制最简单的情况，它改变载波的幅幅度、频率、相位度、频率、相位只有两种状态。只有两种状态。7.1.1 二进制幅度键控（二进制幅度键控（ASK：amplitude shift keying）1.2ASK信号时域表达式信号时域表达式p2ASK信号，其幅度按调制信号取信号，其幅度按调制信号取0或或1有两种取值，有两种取值，最简单最简单的形式为通断键控（的形式为通断键控（OOK）。）。pOOK信号的表达式为：信号的表达式为：调制信号调制信号 为：为：7.1 7.1 二进制数字调制二进制数字调制6 OOKOOK信号波形：信号波形：一般地，调制信号具有一定波形，可表示为：一般地，调制信号具有一定波形，可表示为：所以，所以，2ASK2ASK信号为：信号为：可见，可见，2ASK2ASK为单极性脉冲序列与载波的为单极性脉冲序列与载波的相乘相乘。7 2.2.功率谱密度功率谱密度 设设调制信号功率谱为调制信号功率谱为 ，则，则2ASK2ASK信号功率谱为：信号功率谱为：图图7-2 OOK信号的功率谱信号的功率谱(a)基带信号功率谱；基带信号功率谱；(b)已调信号功率谱已调信号功率谱双边带双边带基带信号（单极性非归零码）基带信号（单极性非归零码）的功率谱：的功率谱：8分析分析p2ASK功率谱是基带信号功率谱的线性搬移功率谱是基带信号功率谱的线性搬移n频带宽度是基带信号的两倍频带宽度是基带信号的两倍p2ASK信号的带宽信号的带宽？基带信号带宽？基带信号的形式基带信号带宽？基带信号的形式 基带信号为矩形波基带信号为矩形波n基带信号的理论带宽无限宽基带信号的理论带宽无限宽nNRZ码，基带信号的近似带宽码，基带信号的近似带宽：p功率谱的第一个过零点带宽，谱零点带宽，主瓣带功率谱的第一个过零点带宽，谱零点带宽，主瓣带宽宽 BB=fs=Rs （fs：位定时的频率）：位定时的频率）nOOK信号的理论带宽无限宽信号的理论带宽无限宽nOOK信号的近似带宽：信号的近似带宽：p功率谱的功率谱的 第一对第一对 过零点带宽，谱零点带宽；主瓣过零点带宽，谱零点带宽；主瓣带宽带宽 BS=2fs=2Rs9 基带信号为升余弦滚降信号基带信号为升余弦滚降信号n基带信号带宽有限宽基带信号带宽有限宽n2ASK信号带宽有限宽信号带宽有限宽图图7-3 升余弦滚降基带信号的升余弦滚降基带信号的2ASK信号功率谱信号功率谱 (a)基带信号功率谱；基带信号功率谱；(b)已调信号功率谱已调信号功率谱10 3 3.2ASK.2ASK信号的调制方法信号的调制方法模拟调制法（相乘器法）模拟调制法（相乘器法）键控法键控法114.2ASK4.2ASK信号解调方法信号解调方法 n非相干解调非相干解调(包络检波法包络检波法)(a)原理框图；原理框图；(b)各点波形图各点波形图 12n相干解调相干解调(同步检测法同步检测法)：稳定，有利于位定时的提取。：稳定，有利于位定时的提取。(a)原理框图；原理框图；(b)各点波形图各点波形图 2ASK信号早期用于无线电报，由于抗噪声性能差现在已较少使用，但信号早期用于无线电报，由于抗噪声性能差现在已较少使用，但2ASK信号是其它数字调制的基础。信号是其它数字调制的基础。13 7.1.2 二进制移频键控二进制移频键控（2FSK：frequency shift keying）p移频键控是数字信号去控制载波的频率。移频键控是数字信号去控制载波的频率。p载波频率随载波频率随0和和1有两种取值，分别为有两种取值，分别为f1和和f2。1.2FSK的时域表达式：的时域表达式：14 2FSK2FSK信号的波形及分解如下图所示：信号的波形及分解如下图所示：2FSK相当于两个不同载频的相当于两个不同载频的ASK信号之和信号之和 所以所以2FSK还可表示成：还可表示成：15162FSK的功率谱密度的功率谱密度P2FSK(f)=P1(f)+P2(f)P1(f)=Ps(f+f1)+Ps(f-f1)P2(f)=Ps(f+f2)+Ps(f-f2)172.2FSK的功率谱密度的功率谱密度182FSK信号的带宽和频带利用率信号的带宽和频带利用率192.2FSK信号的功率谱：信号的功率谱：以以fc为中心成对称分布为中心成对称分布(单边单边)20 32FSK信号的调制方法信号的调制方法 频率选择法频率选择法(健控法）：相邻码元之间相位不一定连健控法）：相邻码元之间相位不一定连续。续。图图7-9 2FSK信号调制器信号调制器21FSK调制各点波形图调制各点波形图22 4.2FSK信号的解调方法：信号的解调方法：(a)非相干解调非相干解调(b)相干解调相干解调n原理：将原理：将2FSK信号分解成两路信号分解成两路2ASK信号分别进行解调。信号分别进行解调。232FSK信号的非相干解调信号的非相干解调24限幅限幅微分微分整流整流宽脉冲宽脉冲发生发生低通低通abcdefabcdef2FSK信号的过零检测法过零检测法（最常用）（最常用）25FSK用途用途:p（1）、）、CCITT规定，低于规定，低于1200bit/s的速率时，使用的速率时，使用FSK方式方式;p（2）、在微波通信系统中传输监控信息，以实现中）、在微波通信系统中传输监控信息，以实现中继站的无人值守。继站的无人值守。p目前广泛使用的单片调制解调器，如目前广泛使用的单片调制解调器，如MC6800L,适用适用于于600 波特波特以下的传输速率以下的传输速率,中心频率中心频率1170Hz，传，传“1”时，载频为时，载频为1270Hz，传，传“0”时，载频为时，载频为1070Hz，频偏，频偏为为100Hz，带宽为，带宽为BFSK=|f1-f2|+2 fs|1270-1070|+2600=1400Hz。267.1.3 二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK或或BPSK）1.2PSK信号的表达式：信号的表达式：n原理：在原理：在2PSK中，通常用初始相位中，通常用初始相位0和和 分别表分别表示二进制示二进制“1”和和“0”。n时域表达式为时域表达式为 式中，式中，n表示第表示第n个符号的绝对相位：个符号的绝对相位：即即是绝对移相键控是绝对移相键控。27二进制数字信号二进制数字信号:基带信号波基带信号波形形2PSK波波形：形：调制相位调制相位:11110000000tt28 n若若g(t)是幅度为是幅度为A宽度为宽度为Ts的单个矩形脉冲，则的单个矩形脉冲，则2PSK信号可表示为信号可表示为 n2PSK的时域波形的时域波形二进制数字信号二进制数字信号:基带信号波基带信号波形形2PSK波波形：形：调制相位调制相位:11110000000tt29 2.2PSK信号的功率谱：信号的功率谱：p2PSK与与2ASK的表达式形式一致：的表达式形式一致：（7-13）与（）与（7-4）式）式n 2PSK信号：信号：双极性双极性脉冲序列的双边带调制脉冲序列的双边带调制n 2ASK信号：信号：单极性单极性脉冲序列的双边带调制脉冲序列的双边带调制p功率谱的差别仅在于离散的载波分量功率谱的差别仅在于离散的载波分量；因此因此2PSK2PSK必须采用相干解调方式必须采用相干解调方式30因此因此2PSK必须采用相干解调方式必须采用相干解调方式31 3.2PSK信号调制信号调制p(a)相乘器相乘器(模拟调制模拟调制)p(b)相位选择器相位选择器 由于由于PSK信号频谱中没有载频分量，解调必须用信号频谱中没有载频分量，解调必须用相干解调方法，而此时相干解调方法，而此时如何获得同频同相的载频就成了如何获得同频同相的载频就成了关键问题。关键问题。32 4.2PSK信号的解调信号的解调 p相干解调相干解调n相干载波，同频同相的本地载波相干载波，同频同相的本地载波 p同频同相的本地载波的获取：平方环，科斯塔斯环同频同相的本地载波的获取：平方环，科斯塔斯环 （a a）平方环电路）平方环电路 （b b）科斯塔斯环电路）科斯塔斯环电路p锁相环恢复载波的问题：锁相环恢复载波的问题：n0，相位不确定相位不确定p0，相位模糊度相位模糊度33p2PSK 相干解调原理框图及各点波形图相干解调原理框图及各点波形图34相位模糊问题：相位模糊问题：352PSK的相位模糊问题的相位模糊问题p VCO输出载波与调制载波的相位差输出载波与调制载波的相位差 ，VCO都处于稳定都处于稳定状态。即经锁相环恢复出的本地载波状态。即经锁相环恢复出的本地载波可能与调制可能与调制载波同相也可能反相载波同相也可能反相,这种相位关系的不确定性这种相位关系的不确定性称为称为0,相位模糊相位模糊 为了克服相位模糊度对相干解调的影响，通常为了克服相位模糊度对相干解调的影响，通常要采用要采用差分差分相移键控的方法（相移键控的方法（2DPSK)。36 7.1.4 二进制差分相移键控（二进制差分相移键控（2DPSK）p绝对调相：利用载波相位的绝对数值传送数字信息；绝对调相：利用载波相位的绝对数值传送数字信息；p相对调相：利用前后相邻码元的载波相对调相：利用前后相邻码元的载波相对相位相对相位变化传递数字变化传递数字信息信息1.2DPSK信号的产生：信号的产生：差分编码后再进行绝对调相。差分编码后再进行绝对调相。37二、2DPSK调制的时域波形图(传号差分)绝对码载波信号2DPSK信号 1 0 0 1 0 1 1 0f(t)tf(t)tf(t)tf(t)tf(t)t传号差分码(单极性)传号差分码(双极性)38 设绝对码为设绝对码为an，相对码为，相对码为bnp传号传号差分的编码规则差分的编码规则：其中，其中，的初始值可以任意设定。的初始值可以任意设定。p差分译码规则差分译码规则：由于初始相位不同，由于初始相位不同，2DPSK2DPSK信号的相位可信号的相位可以不同；以不同；2DPSK2DPSK信号的相位并信号的相位并不直接代表基带信号；不直接代表基带信号；前后码元的相对相前后码元的相对相位才决定信息符号位才决定信息符号39 2.2DPSK解调器解调器 （1）相干解调原理及各点波形）相干解调原理及各点波形4041（2 2）差分相干）差分相干解调原理及各点波形解调原理及各点波形:延迟解调延迟解调带通带通相乘器相乘器低通低通抽样抽样判决器判决器延时延时TDPSK信号信号abcde 二进制信息二进制信息位定时位定时42（2 2）差分相干）差分相干解调原理及各点波形解调原理及各点波形:延迟解调延迟解调带通带通相乘器相乘器低通低通抽样抽样判决器判决器延时延时TDPSK信号信号abcde 二进制信息二进制信息位定时位定时43 2PSK和和2DPSK对比分析：对比分析：1.相位与信息代码的关系相位与信息代码的关系p2PSKn前后码元相异时，前后码元相异时，2PSK信号相位变化信号相位变化180，相同时，相同时2PSK信号相位不变，可简信号相位不变，可简称为称为“异变同不变异变同不变”。p2DPSKn码元为码元为“1”时，时，2DPSK信号的相位变化信号的相位变化180。码元为码元为“0”时，时，2DPSK信号的相位不变，可信号的相位不变，可简称为简称为“1变变0不变不变”。442.2PSK和和2DPSK的功率谱的功率谱p2DPSK可以与可以与2PSK具有相同形式的表达式具有相同形式的表达式u不同的是不同的是2PSK中的基带信号对应中的基带信号对应绝对码序绝对码序列；列；2DPSK中的基带信号对应中的基带信号对应相对相对码序列。码序列。2DPSK信号和信号和2PSK信号的信号的功率谱密度是完全一样的。功率谱密度是完全一样的。p它们都可以看作是它们都可以看作是“双极性不归零码双极性不归零码”与载波相乘的与载波相乘的结果，形状与结果，形状与2ASK的相似。的相似。)(22bbfTSaTAp453.信号带宽：信号带宽：u与与2ASK的相同，也是码元速率的两倍。的相同，也是码元速率的两倍。4.抗噪声性能：抗噪声性能：u2DPSK系统是一种实用的数字调相系统，但系统是一种实用的数字调相系统，但其抗加性白噪声性能比其抗加性白噪声性能比2PSK的的要差要差。fPs(f)0fs-fs00fc-fsfc+fsP2(D)PSK(f)f-fcfc46总结总结:二进制数字调制二进制数字调制1.二进制数字调制的方式二进制数字调制的方式n 2ASK,2FSK,2PSK(2DPSK)2.二进制数字调制信号的时域表达式二进制数字调制信号的时域表达式3.二进制数字调制信号的功率谱及带宽二进制数字调制信号的功率谱及带宽4.二进制数字调制信号的调制和解调二进制数字调制信号的调制和解调47