第五章—数字调制系统优秀PPT.ppt

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1、主要内容o1 数字频带调制概述o2 二进制数字调制原理（ASK、FSK、PSK）o3 二进制数字调制系统的性能分析与比较 o4 多进制数字调制方式（QPSK、QDPSK)11 数字频带调制概述 o 数字调制的概念 o 用二进制（多进制）数字信号作为调制信号，去限制载波某些参量的变更，这种把基带数字信号变换成频带数字信号的过程称为数字调制，反之，称为数字解调。o 数字调制的分类 o 在二进制时分为：振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。其中，ASK属于线性调制，FSK、PSK属于非线性调制（从频谱图上可看出）o数字调制系统的基本结构 图 数字调制系统的基本结构21 数字频带

2、调制概述（续）o 举例 32 二进制数字调制原理（ASK、FSK、PSK）v二进制幅移键控(ASK)v二进制频移键控(FSK)v二进制相移键控(PSK)v二进制差分相移键控(DPSK)42 二进制幅移键控（ASK）o ASK信号的产生 一个二进制的ASK信号可视为一个单极性脉冲序列与一个高频载波 的乘积，即ASK的时域表达式为：10信息代码2ASKs(t)tcoscwtcos)t(s)t(ecow=NRZ模拟法键控法电子开关tcoscweo(t)s(t)52 二进制幅移键控（ASK）（续）o ASK信号的功率谱特性 ASK信号的自相关函数为：ASK信号的功率谱密度为式中，为基带信号s(t)的功

3、率谱密度 当0、1等概出现时，单极性基带信号功率谱密度为则2ASK信号的功率谱密度为62 二进制幅移键控（ASK）（续）PE(f)0fc-fsfc+fsf ASK信号谱，形态为 ，双边带加载频谱线 ASK信号传输带宽 （取主瓣宽度）带宽利用率Ps(f)0fs-fsf072 二进制幅移键控（ASK）（续）o ASK信号的解调方式o 解调也可以分成相干解调与非相干解调两类。简洁说，相干解调要求接收端供应相干载波。非相干解调，就是在接收端不须要相干载波，而依据已调信号本身的特点来解调o 非相干解调（包络检波法）x(t)r(t)cp(t)无码间串扰cp(t)BPF整流LPFx(t)r(t)抽样判决位同

4、步器已调ASK信号82 二进制幅移键控（ASK）（续）n 相干解调（同步检测法）x(t)r(t)cp(t)无码间串扰x(t)r(t)cp(t)BPF载波同步LPF抽样判决位同步器9o FSK信号的产生 设FSK信号具有正交性，则要求 （、分别为传号载频和空号载频）FSK时域表达式为：（注：正交性条件为-两个信号的相关系数 ）2 二进制频移键控（FSK）102FSK信号s(t)电子开关VCOs(t)直接调频法键控法（频率转换法）相位连续相位不连续10o FSK信号（相位不连续）的功率谱特性 o 2FSK调制属于非线性调制，其频谱特性的探讨常用把2FSK信号看成是两个2ASK信号相叠加的方法，即

5、o o 2FSK信号的功率谱密度为2 二进制频移键控（FSK）（续）式中，、分别为基带信号 、的功率谱密度 w 分别以 ，为中心的两个抽样函数平方频谱（连续谱），且含有载频 ，的冲激谱（离散谱）w FSK信号传输带宽其中w 相位不连续的FSK信号所需传输带宽为11f0f或f00f2 二进制频移键控（FSK）（续）12f2 二进制频移键控（FSK）（续）o FSK信号的解调方式n 相干解调（同步检测法）a(t)b(t)BPF1LPF位同步抽样判决LPF载波同步BPF2载波同步输出已调FSK信号13f2 二进制频移键控（FSK）（续）n 非相干解调 1、过零检测法14f2 二进制频移键控（FSK）

6、（续）非相干解调 2、差分检波法 差分检波法，或称延迟检波法。输入调频信号分为两路，一路干脆送到平衡调制器（乘法器）上，另一路经过延迟 后送到乘法器，在平衡调制器上将这两个信号作乘积处 理，输出经低通滤波器除去高频部分，即可取出基带信号。15f2 二进制频移键控（FSK）（续）差分检波法的数学证明：设带通滤波器输入的2FSK信号的表示式为 它与延时 的波形相乘后，为 低通滤波器滤去高频重量后，输出为 适当选择 ，使 则有 ，故此时有：当角频偏较小，即 ，则有：说明：当满足条件 以及 时，输出电压与角频偏成正比，达到了鉴频的目的。16f2 二进制相移键控（PSK）o PSK信号的产生 一个二进制

7、的PSK信号可视为一个双极性脉冲序列s(t)与一个载波 的乘积，即：s(t)（BNRZ）2PSKs(t)（NRZ）180电子开关2PSK模拟调制法键控法100110信息代码cosct2PSKcosct2PSK17f2 二进制相移键控（PSK）（续）o PSK信号的产生o 数字调相波可以用矢量图表示其相位变更的规则，依据CCITT规定，存在A、B两种表示相位变更的矢量图，如下图所示。图中的虚线表示参考矢量，它代表未调制载波的相位。o o o o 00 参考矢量0参考矢量 图 二相移信任号矢量图（a）方式A(b)方式B18f2 二进制相移键控（PSK）（续）o PSK信号的功率谱特性o 2PSK信

8、号的功率谱密度接受与求2ASK信号功率谱密度相同的方法。o PSK信号的功率谱密度为o式中，为基带信号s(t)的功率谱密度o 当0、1等概出现时，双极性基带信号功率谱密度为o则2PSK信号的功率谱密度为o o o o 19f2 二进制频移键控（PSK）（续）0fc-fsfc+fsPE(f)ffPs(f)0fs-fs0 PSK信号谱，形态为 ，以 为中心的DSB谱 PSK信号传输带宽 (取主瓣宽度）20f二进制相移键控（PSK）（续）o PSK信号的解调方式o 一般接受相干解调，如图o设收发滤波器及信道对2PSK信号波形无影响，各点波形如下 a(t)cosctr(t)cp(t)c(t)b(t)a

9、(t)-cosctb(t)r(t)cp(t)c(t)（a）本地供应的载波和发送端一样（b）本地供应的载波和发送端反相BPFLPFabccp(t)抽样判决抽样判决载波同步已调PSK信号10信息代码10信息代码21fo DPSK调制原理o 差分相移键控（DPSK）是利用相邻二个码元的载波信号初始相位的相对变更来表示所传输的码元。o 例如，在二进制中传输“1”码时，则与此码元所对应的载波信号初始相位相对于前一码所对应的载波信号初始相位有 或弧度的变更;，传输“0”码时，与此码元所对应的载波信号的初始相位相对于前一码元所对应的载波信号初始相位无变更（“1变0不变”）；当然反过来也是可以的。o 2 二进

10、制差分相移键控（DPSK）22f 2 二进制差分相移键控（DPSK）初相为0相初相为相相位差与初相无关表：数字信息序列与已调载波相位关系表41 数字码元1011001012PSK000 0010 0 002 00000 0已调载波每个码元的相位2DPSK 0 000（1）1001000110相对码（2）0110111001o 举例 若定义为2DPSK方式下本码元初相与前一码元初相之差，并设相“1”、0相“0”，为了比较，设2PSK方式下相“0”、0相“1”，则数字信息序列与2PSK、2DPSK信号的码元相位关系如表所示。初相为0相初相为相23f2 二进制差分相移键控（DPSK）（续）24f2

11、二进制差分相移键控（DPSK）（续）o DPSK调制原理o 2DPSK同样存在A、B方式矢量图，图中虚线表示的参考矢量代表前一个码元已调载波的相位。B方式下，每个码元的载波相位相对于参考相位可取 ，所以其相邻码元之间必定发生载波相位的跳变，接收端可以据此确定每个码元的起止时刻（即供应码元定时信息），而A方式却可能存在前后码元载波相位连续。00 参考矢量0参考矢量 图 二相移信任号矢量图（a）方式A(b)方式B25f2 二进制差分相移键控（DPSK）（续）o 2DPSK信号的产生o 在2PSK方式中，由于解调过程中会出现“倒”现象，即相位模糊现象（相干接收PSK信号须要供应稳定的本地载波，它的初

12、始相位是0相或是相，完全是随机的，因此很可能使相干载波与接收到的信号载波反相，于是复原出与发送码元相反的码序列），参考p.23。因此，在实际中常常接受2DPSK方式。o 用源码序列 对载波进行相对（差分）相移键控，等效于将源码序列 转换为差分码形式 ，之后对载波进行确定相移键控。o 确定码和相对码之间的关系为o 2DPSK信号的功率谱密度和带宽相同于2PSK信号的功率谱密度和带宽2PSK(bk)2DPSK(ak)2PSK调制26f2 二进制差分相移键控（DPSK）（续）o 2DPSK信号的解调n 相干解调（同步检测法或极性比较法）bk 1 1 0 0 1 0ak 0 0 1 0 1 1b(t)

13、c(t)d(t)cp(t)e(t)f(t)a-aa(t)信息代码（发ak）011100设bk-1=1；2PSK方式下：相“0”0相“1”cp(t)abcedfakbk-12PSK解调码反变换bkBPF载波同步LPF抽样判决位同步TS已调2DPSK信号272 二进制差分相移键控（DPSK）（续）n 差分相干解调（相位比较法）acdebcp(t)BPFTsLPF抽样判决位同步已调2DPSK信号001100011a(t)b(t)c(t)d(t)cp(t)e(t)信息代码（发ak）设bk-1=1；则：bk 1 1 0 1 1相“0”0相“1”2PSK方式下:282 二进制差分相移键控（DPSK）（续）

14、o 举例：DPSK调制、解调过程 设源码序列为 =，假设无传输差错 恢复1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 11 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 00 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 11 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1293 二进制数字调制系统的性能分析与比较调制方式相关系数解调方式误比特率带宽判决门限2ASK0相干解调非相干解调2FSK0相干解调无非相干解调2PSK和2DPSK-1相干2PSK0差分相干2DPSK表中 为功率信噪比303 二进制数字调制系统的性能分析与比较（续）o 二进制数字调制系统的性能比较o 有效性（频

15、带宽度）o 2ASK、2DPSK为 ；2FSK 为o可见,2ASK、2DPSK的有效性相同且优于2FSKo 牢靠性(误码率)o 对于三种调制方式，相干解调方式都略优于非相干解调o 在相同性能（误比特率）时，ASK、FSK、PSK 依次可节约3dB信噪比；即相同输入信噪比时，从优到劣的抗噪声性能为：PSK、FSK、ASKo 对信道的敏感性o 2ASK最佳门限随信号功率变更,不便利；2FSK对两个抽样值比较，不需设置判决门限；2PSK门限为0,与信号功率无关；2DPSK进行差分相干解调不须要相干载波,比较适用于信道不稳定系统.o 313 二进制数字调制系统的性能分析与比较（续）结论 FSK与PSK

16、、DPSK均为恒包络，功率谱特性好。目前用得最多的数字调制方式是相干2DPSK和非相干2FSK 图中所示：信号空间中信号点（矢端）距离欧几里值距离比较明显不同。从三种调制系统的信号设计来说，三者均满足正交信号设计目标：。并以PSK、DPSK信号 为最优，起到增加信噪比，降低误差率的作用、而ASK信号 FSK又分不连续与连续相位，也有少许差别（，）0a)ASK信号矢量b)FSK信号矢量c)DPSK信号矢量图6-4 三种信号的信号空间324 四相相移键控（QPSK）o 多进制数字调制的概念、特点 n 用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率和相位，称为多进制数字调制。分为多进制数字振幅调制、多进

17、制数字频率调制以及多进制数字相位调制三种基本方式。n 多进制数字调制系统的特点w 在相同的码元传输速率下（此时多元频带调制信号占用与二元信号相等带宽，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（），因此提高了信道带宽利用率。w在相同的信息传输速率下，多进制数字调制系统的码元传输速率低于二进制数字调制系统 w 多进制数字调制系统的抗噪声性能低于二进制数字调制系统。334 四相相移键控（QPSK）（续）o 多进制数字相位调制的原理 o 多进制数字相位调制，它是利用载波的多种不同相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式。用M种相位 来表k比特码元的 种状态。假设相位数 ，比特码元的持续时

18、间为 。则M相调制波可以表示为o式中，为受调相位，可有 种不同取值；o 下面主要探讨四相确定相移调制，记为4PSK或QPSK和四相相对相移调制，记为4DPSK或QDPSK。344 四相相移键控（QPSK）（续）o 四相确定相移键控QPSKo 四进制码元又称为双比特码元。它的前一信息用a代表，后一信息比特称用b代表，双比特码元中两个信息比特ab提出依据格雷码（即反射码）排列的。它与载波相位的关系如下表示。矢量图如下。双比特码元载波相位（kj）abA方式B 方式000o45o0190o135o11180o225o10270o315o0011参考相位0110参考相位00011110354 四相相移键

19、控（QPSK）（续）o QPSK信号的产生n 调相法（B方式）w 注：串/并输入信号码速率等于 ,输出信号码速率等于 ，a支路和b支路信号的码元宽度为 ，为二进制信号码元宽度。串/并变换平衡调制器平衡调制器载波振荡相加移相2p-输入同向支路a正交支路btcwcostcwsin输出(a)(b)b(0)b(1)a(0)a(1)(1,0)(1,1)(0,1)(0,0)1101 0010abcosct-cosct-cosct cosctI(t)-sinct-sinctsinctsinctQ(t)4PSK移相45135225315表 QPSK 信号相位编码逻辑关系a1001b1100a 平衡调制器输出0

20、o180o180o0ob 平衡调制器输出270o270o90o90o合成相位315o225o135o45o364 四相相移键控（QPSK）（续）o QPSK信号的产生o 相位选择法o o QPSK信号的特点：在信号空间（星座图）有4个匀整分布在同圆上（恒包络）上的信号点（星点），4个不同相位载波互为正交。即说明：已调信号的幅度相等，依靠不同相位来区分各信号串/并变换输入逻辑选相电路四相载波发生器带通滤波器输出374 四相相移键控（QPSK）（续）o QPSK信号的功率谱特性 串并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性序列。a序列和b序列的码元周期为输入的二进制序列码元周期的2倍，码元

21、传输速率为输入的二进制序列码元传输速率的1/2。设输入的二进制序列的码元传输速率为 ，则QPSK的第一个零点以内的频带宽度为 。此时的频带利用率为1B/Hz。384 四相相移键控（QPSK）（续）o QPSK信号的解调n 相干解调 QPSK可以看作两个正交的2PSK的合成，因此QPSK解调器由两个2PSK信号相干解调器构成平衡调制器平衡调制器相干载波移相2p-tcwcostcwsin输出低通滤波器低通滤波器抽样判决抽样判决定时定时并/串变换ab已调QPSK信号394 四相差分相移键控（DQPSK）o 四相差分相移键控DQPSKo 相对移相调制利用前后码元之间的相对相位变更来表示数字信息。kjD

22、双比特码元载波相位（）abA方式B 方式000o45o0190o135o11180o225o10270o315o0011参考相位0110参考相位0001111040o DQPSK信号的产生n 码变换加调相法（A方式）码变换平衡调制器平衡调制器载波振荡相加移相4p+输入输出串/并变换移相4p-绝对码相对码4 四相差分相移键控（DQPSK）（续）41 码变换器的功能：将确定码转换成相对码 (设QDPSK的参考相位为0，接受A方式矢量图)举例：DQPSK信号（差分码及其相位）4 四相差分相移键控（DQPSK）（续）输入序列0111001011011000QPSK90o18 0o0o270o18 0o

23、90o270o0oQDPSK90o270o270o18 0o0o90o0o0o相对序列0110101100010000绝对码相对码表 QDPSK信号相位编码逻辑关系双比特码元载波相位变化abA方式000o0190o11180o10270o前一对码元的相位状态：42o DQPSK信号的产生o 码变换加相位选择法（B方式）oDQPSK信号相位选择法与产生QPSK信号的框图相同。区分之处在于：这里的逻辑选相电路除了完成选择载波的相位外，还应实现将确定码转换成相对码的功能。o 串/并变换输入逻辑选相电路四相载波发生器带通滤波器输出4 四相差分相移键控（DQPSK）（续）43o DQPSK信号的解调o

24、相干解调（极性比较法）o 这里码变换器的功能恰好与发送端的相反，它须要将判决器输出的相对码复原成确定码。o 输出平衡调制器平衡调制器载波振荡移相4p+已调DQPSK信号移相4p-并/串变换码变换低通滤波器抽样判决码元形成定时低通滤波器抽样判决码元形成定时QPSK解调码变换4 四相差分相移键控（DQPSK）（续）44 差分相干解调（相位比较法）相位比较法适用于接收A方式规定的相位关系的QDPSK信号。这种解调方法与极性比较法相比，相位比较法解调的原理就是干脆比较前后码元的相位。相乘器相乘器延迟TS移相4p+输出移相4p-并/串变换低通滤波器抽样判决码元形成定时低通滤波器抽样判决码元形成定时已调D

25、QPSK信号4 四相差分相移键控（DQPSK）（续）45f本章要点 o 本章基本概念与内容要点o 1、数字调制与解调的基本概念o 2、理解2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、QPSK、QDPSK、MSK、QAM调制解调方法。o 3、驾驭2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、QPSK、QDPSK、MSK信号的有效带宽。o 4、驾驭2DPSK信号的产生。o 5、驾驭A方式与B方式矢量图QPSK信号的产生方法o 6、驾驭A方式与B方式矢量图QDPSK信号的产生方法o 46f本章要点 o 本章内容要点o 1、驾驭2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、QPSK、QDPSK、MSK、QAM信

26、号的产生。o 2、驾驭2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、QPSK、QDPSK、MSK信号的有效带宽o o 47f本章作业 1、假设单极性不归零码1101001干脆与载波进行2ASK调制，若载波周期等于码元周期，画出2ASK波形。2、基带数据信号序列为100110110，调制速率为1200B，载波频率f1=1200Hz，f2=2400Hz，分别画出相位连续和相位不连续的2FSK波形。3、基带数据信号序列为11001011，调制速率为1200B，载波频率2400Hz，分别画出2PSK波形（设“0”、0“1”，）2DPSK波形（设“1”、0“0”，初相为0）并写出 2DPSK 下的差分码（设 为0相位）4、一个QDPSK系统，调制方式分别为A、B两种方式，设已调载波初相为0，写出基带数据信号序列10001101的已调载波相位。（设 为0相位）5、P186 6-1848