教学课件现代通信原理（第2版第八章 数字调制系统ppt（全）.pptx

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1、教学课件现代通信原理（第2版第八章 数字调制系统第八章 数字调制系统严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统本章结构n8.1 二进制数字调制原理及频谱特征n8.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能n8.3 多进制数字调制系统n8.4 现代数字调制系统简介和发展趋势严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.1 二进制数字调制原理及频谱特征n8.1.1 二进制幅移键控(2ASK/即2进制数字调幅)（1）2ASK波形严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)2ASK表达式严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(3)2ASK的调制n模拟法把s(t)当成模拟信号进行调幅处理严谨 严格 求实

2、 求是第八章 数字调制系统(3)2ASK的调制n键控法（用数字开关控制载波的通断）严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统键控法具体实现电路举例严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(4)2ASK的解调n2ASK可以采用2种解调方法相干解调非相干解调严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK的相干解调t低通滤波抽样判决tt严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK的非相干解调t包络检波低通滤波抽样判决严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)2ASK的功率谱密度n因为2ASK由单极性不归零波乘以载波而得到,所以其功率谱密度为严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统

3、(5)2ASK的功率谱密度单极性不归零波功率谱单极性不归零波功率谱2ASK功率谱功率谱严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(6)2ASK的带宽和频带利用率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.1.2 二进制频移键控(2FSK/即2进制数字调频)n（1）2FSK波形原始信息原始信息ttt2ASK2FSK严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)2FSK的表达式t2FSK可可分分解解成成tt可见可见2FSK可看作是可看作是2个个2ASK信信号之和号之和严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)2FSK的表达式严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(3)2FSK的调制n

4、直接调制法严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2FSK直接调制具体电路举例严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(3)2FSK的调制n间接实现严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统间接实现(续)严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(4)2FSK的解调n相干解调n非相干解调包络检波法过零检测法严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2FSK相干解调法严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2FSK包络检波法(属于非相干解调)严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2FSK过零检测法(属于非相干解调)严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)2FSK的功率谱密度P2

5、FSK(f)=P1(f)+P2(f)P1(f)=Ps(f+f1)+Ps(f-f1)P2(f)=Ps(f+f2)+Ps(f-f2)严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)2FSK的功率谱密度基带信号功率基带信号功率谱密度谱密度2FSK信号功率谱密度信号功率谱密度严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(6)2FSK信号的带宽和频带利用率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.1.3 二进制相移键控(2PSK/即2进制数字调相)n(1)2PSK波形原始信息原始信息tt2PSKt载波载波100110严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)2PSK的表达式n从上图可以看出2PS

6、K可以看作是双极性双极性数字基带信号与载波直接相乘的结果严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(3)2PSK的调制严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(4)2PSK的解调注意:n2PSK只能采用相干解调相干解调,因为发”0”或发”1”时,采用相位变化携带信息采用相位变化携带信息。n具体地说：其振幅不变(无法提取不同的包络)频率也不变(无法用滤波器分开)严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2PSK相干解调框图（与2ASK相干解调基本一样）n只不过低通滤波器的输出是双极性的低通滤波抽样判决严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.1.4 二进制差分相移键控(2DPSK)n为了解

7、决2PSK解调中的“相位模糊”问题，人们发明了2DPSKn(1)波形t2PSKt载波载波100110t2DPSK初始相位初始相位严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(4)2DPSK的解调n相干解调先对2DPSK进行2PSK解调，得到相对码，再进行差分译码，得到绝对码n差分相干解调采用延时和乘法器电路，使前后波形相同和不同时，输出的结果不同，从而实现直接解调，无须进行差分译码严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2DPSK的相干解调t低通滤波抽样判决t2DPSKt载波载波000110(1)10差分译码0101100110严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2DPSK的差分相干解调

8、延迟延迟Tbt2DPSK2DPSK延迟Tbt低通滤波抽样判决(低电平判1)100101t100110严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)2PSK和2DPSK的功率谱n由于它们看作是“双极性不归零码”与载波相乘的结果，所以严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)2PSK和2DPSK的功率谱2(D)PSK的功率谱的功率谱双极性不归零码的功率谱双极性不归零码的功率谱严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(6)2(D)PSK的带宽和频带利用率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能n2ASK的抗噪声性能非相干解调的误码率相干解调的误码率n

9、2FSK的抗噪声性能非相干解调的误码率相干解调的误码率n2PSK相干解调的误码率（也只能相干解调）n2DPSK差分相干解调的误码率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK的抗噪声性能噪声ni(t)和有用信号e2ASK(t)的合成信号为yi(t)严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK的抗噪声性能经过BPF之后，有用信号被取出，而高斯白噪声变成了窄带高斯噪声n(t)，这时的合成信号为y(t)此步参见此步参见3.7节公式（节公式（3.7.2）严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK非相干解调时的包络n因为所谓“包络”就是振幅的变化，所以2ASK信号经过包络检波器，输出

10、为根据根据3.8节的结论，正弦波加窄带随即过程包络分布服从节的结论，正弦波加窄带随即过程包络分布服从Rice分布分布根据根据3.7节的结论，窄带随即过程包络分布服从瑞利分布节的结论，窄带随即过程包络分布服从瑞利分布严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统瑞利分布和莱斯（Rice）分布瑞利分布瑞利分布莱斯分布莱斯分布严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK非相干解调时的误码率n设发“1”，发“0”等概率式中，r=A2/(2 )为输入信噪比严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK相干解调时n由于无论相干或非相干，接收端首先都要经过带通滤波器来滤出带外噪声，剩下带内噪声和信号，

11、故带通滤波器的输出仍然是与非相干解调不同，相干解调时，上述信号要与非相干解调不同，相干解调时，上述信号要经过的不是包络检波器，而是乘法器经过的不是包络检波器，而是乘法器严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK相干解调时乘法器的输出经过经过LPF（低通滤波（低通滤波器）和放大器器）和放大器后，得后，得 严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK相干解调时“1”和“0”的分布根据根据3.7节的知识，节的知识，nc(t)是一个高斯随机噪声，所以是一个高斯随机噪声，所以其分布与二进制基带单极性不归零码的分布完全相同其分布与二进制基带单极性不归零码的分布完全相同其实这并非偶然，根本原因

12、是其实这并非偶然，根本原因是2ASK由二进制基带单极性不归零码与由二进制基带单极性不归零码与载波相乘得到，而相干解调可以认为是调制的逆（还原）过程，都载波相乘得到，而相干解调可以认为是调制的逆（还原）过程，都是频谱的线性搬移。是频谱的线性搬移。严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2ASK相干解调时“1”和“0”的分布严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2FSK非相干解调的误码率n与2ASK分析过程类似可以证明：n非相干解调时严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2FSK相干解调的误码率n相干解调时严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2PSK解调的误码率n2PSK只能采用相

13、干解调n其分析方法与2ASK非常类似，只不过分布图改为n事实上由于2PSK是由双极性码乘以载波得到的，峰峰值是2ASK的2倍，故信号功率是2ASK的4倍，即信噪比提高到原来的4倍严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2PSK解调的误码率n所以2PSK的误码率为严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统小结：2ASK,2FSK,2(D)PSK比较n1、误码率在相同解调方式下(例如都用相干解调)，误码率由大（坏）到小（好）排列为2ASK误码率 2FSK误码率2PSK对于同一系统（例如2ASK），相干和非相干解调的误码率关系为非相干解调误码率相干解调误码率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系

14、统小结：2ASK,2FSK,2(D)PSK比较n2、判决门限2FSK采用比较判决，因此不需要判决门限2PSK与2DPSK由于采用双极性码产生，所以判决门限为02ASK由于在信道中有衰减，而如果衰减程度不可知，则判决门限也变得不固定严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统小结：2ASK,2FSK,2(D)PSK比较n3、频带宽度和频带利用率由前面的分析可知严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统例题(课后习题8.9)严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.3 多进制数字调制系统n采用多进制数字调制系统的优缺点n优点大大提高了传信率和频带利用率n缺点降低了噪声容限，需要更好信道或更高功率

15、设备复杂度大大提高严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.3.1 MASK（多进制数字调幅）调制原理n（1）波形,以4ASK为例4进制基带信号进制基带信号4ASK信号信号可见可见MASK信号可由单极性多进制基带信号乘以载波得到信号可由单极性多进制基带信号乘以载波得到严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统（2）MASK波形的分解可见可见MASK信号可看作多个信号可看作多个2ASK信号的叠加，因此功率谱为信号的叠加，因此功率谱为严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统（3）MASK的功率谱严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统（4）MASK带宽和频带利用率严谨 严格 求实 求是第八

16、章 数字调制系统例题求传码率为1000波特的16进制ASK系统的带宽和频带利用率；若采用2进制ASK，传码率不变，带宽和频带利用率又是多少？可见可见2ASK只不过是只不过是MASK的一种特殊情况的一种特殊情况严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)MASK的调制和解调n调制与2ASK原理完全相同，只不过输入的s(t)是多电平信号罢了。n解调与2ASK解调基本一样，只是最后判决的时候需要多个判决门限由于判决门限多而且不确定（与信道衰减程度有关），所以MASK在实际中很少应用严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.3.2 MFSK（多进制数字调频）调制原理n（1）波形，以4FSK为例

17、t4FSK302130要注意在实际中要注意在实际中4个载波频率都远远高于码元速率个载波频率都远远高于码元速率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(2)MFSK的调制二二进进制制111113-8译码器译码器10012ASK开关电路开关电路无信号无信号无信号无信号fm信号信号fm信号信号严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(3)MFSK的解调滤除带外噪声滤除带外噪声与与2FSK原理一样，只不过变成多路原理一样，只不过变成多路8-3编码器编码器fm信号信号无信号无信号无信号无信号fm信号信号001111111从整个调制解调过程可以看到，从整个调制解调过程可以看到，MFSK基本上继承了基本

18、上继承了2FSK的的思想，把波形分解成思想，把波形分解成M个个ASK来分别处理来分别处理严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(4)MFSK的功率谱和带宽严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统(5)MFSK的频带利用率所以所以MFSK在实际中并不常用在实际中并不常用严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.3.3 MPSK（多进制数字调相）调制原理n星座图的概念和物理意义参考相位参考相位（在这里可（在这里可以认为是载以认为是载波相位）波相位）发发“1”时与载波同时与载波同相相发发“0”时与载波反时与载波反相相原原点点可以看出，如果确定了原点和参考方向，这些矢量可以看出，如果确定了原

19、点和参考方向，这些矢量可以分别用可以分别用1个星座点来表示，如图个星座点来表示，如图10严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK（/2系统）的星座图n同理，对2PSK进行推广，当采用4PSK时n我们可以令发“00”时，使产生波形与载波同相（相位差=0）发“11”时，使产生波形与载波反相（相位差=）发“10”时，使产生波形与载波相位差=/2发“01”时，使产生波形与载波相位差=-/2参考相位参考相位00111001严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK（/2系统）的调制属于模拟选通电路属于模拟选通电路（例如（例如CD4051等）等）严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统

20、4PSK（/4系统）的星座图如果令发“11”时，使产生波形与载波相位差=/4发“10”时，使产生波形与载波相位差=-/4发“01”时，使产生波形与载波相位差=3/4发“00”时，使产生波形与载波相位差=-3/4参考相位参考相位11100100严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统各种MPSK星座图举例严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK(/4系统)的调制把星座图的数据改称双极性就容易理解了n例如发“11”（记为ab）时，发送波形应为参考相位参考相位1，11，-1-1，1-1，-1当发其他数当发其他数据时同样有据时同样有这个规律这个规律严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统

21、也可以用矢量分解来理解上述过程参考相位参考相位1，11，-1-1，1-1，-1参考相位（即载波）的同相分量，为参考相位（即载波）的同相分量，为+1，即，即a位位a,b参考相位（即载波）的正交参考相位（即载波）的正交分量，为分量，为+1，即，即b位位a,ba,ba,b可见任意一个星座点都可以用同相分量可见任意一个星座点都可以用同相分量+正交分量得正交分量得到，而这两个分量的系数由到，而这两个分量的系数由a,b来确定来确定严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK(又称QPSK)的调制框图严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4PSK的解调严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4D

22、PSK的原理n与2DPSK类似，根据要发的数据，在前一个码元的波形基础上进行相位移动n而不是与载波比较n这时候相位关系表格中的相位意义是本码元相位与上一个码元相位之差严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4DPSK的调制框图严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8PSK简介n星座图参考相位参考相位000001011010110111101100严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统另一种8PSK参考相位参考相位000001011010110111101100严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统后一种8PSK的调制实现电平产生电路可以由电平产生电路可以由多路选择开关实现，多路选

23、择开关实现，其输入其输入/输出对应关系输出对应关系见右表见右表b1 b3(输入输入)输出电平输出电平11cos(/8)10sin(/8)00sin(/8)01 cos(/8)严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统MPSK的解调n4PSK的解调（只能采用相干解调）严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8PSK的解调LPLPLPLP严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.4 现代数字调制系统n8.4.1 正交幅度调制(QAM)对4PSK正交调制的一种扩展应用于ADSL接入n8.4.2 最小频移键控(MSK)频差最小的2FSK应用于GSM网基站与手机之间的调制n8.4.3 正交频分复用

24、(OFDM)应用于最新的ADSL设备中第34代移动通信的主流调制方式严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.4.1 正交幅度调制(QAM)n16QAM的星座图和对应编码参考方向参考方向00 0000 0100 1100 1001 0001 0101 1101 1011 0011 0111 1111 1010 0010 0110 1110 10严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统QAM的编码与星座坐标的关系如果将4位编码记为a1a2,b1b2则观察上图可发现n(1)任意相邻2点的编码的欧式距离(即码距,也就是不同位的个数)达到最小值1n(2)凡是横坐标相同的点其a1a2编码必相同n(

25、3)凡是纵坐标相同的点其b1b2编码必相同严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统利用上述规律进行向量分解参考方向参考方向10 1010 0010 0110 1111 1101 1101 11严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统观察上图矢量分解的坐标与编码关系可发现a1a2同相分量的振幅10+3V11+1V01-1V00-3V严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统QAM的调制串串/并并2-L电平转换电平转换2-L电平转换电平转换同相矢量振幅同相矢量振幅正交矢量振幅正交矢量振幅+矢量合成矢量合成严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统QAM的频带利用率严谨 严格 求实 求是第八章

26、数字调制系统8.4.2 最小频移键控(MSK)nMSK就是最小频差的2FSKn在实现MSK有2大原则(1)使频差最小,从而减小带宽,提高频带利用率(2)使波形连续,从而减小高频分量严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统一、频差最小原则n我们在学习2FSK的时候,有结论严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统二、相位连续原则n画图示意11010严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统如何保证相位连续？n理论计算（1）MSK的表达式额外加入这一额外加入这一项是为了保证项是为了保证相位连续相位连续为了保证相位连续，需要：为了保证相位连续，需要：严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统保证相

27、位连续的条件11010严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统三、MSK的表达式及其分解MSK的表达式分解严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统四、MSK信号的产生差分差分编码编码串串/并并变换变换+严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统五、MSK的相位路径图n相位路径图中的“相位”指的是MSK信号与载波fc的相位差，所以要先画出载波11010MSK载波载波严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统8.4.3 OFDM(正交频分复用)n可以看作是MFSK与另一种多进制数字调制（如MPSK或QAM）的结合首先,有多个载频(MFSK),各载频两两

28、相互正交其次,每个载频都采用多进制传输（如QPSK或QAM，甚至可以彼此不同）n根据信道的传输特性（工作能力）分配传输数据量（工作量）；在衰减大的载频点降低传信率在衰减小的载频点加大传信率严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统一、基本原理n1、与MSK的异同n相同点都要使载波频点之间的频差最小，从而达到降低带宽和提高频带利用率的目的因此，各载波频率之间两两正交n不同点MSK只有2个载频，这2个载频不会同时出现，而且每个载波的附加相位不是0就是OFDM的各载波可能同时出现，而且每个载波都可能是一个MPSK载体，随意其附加相位不固定严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2、各载波之间关系n

29、根据正交条件请注意：理解为什么有这请注意：理解为什么有这2项对于理解项对于理解“为什么为什么OFDM的的各载波频差与各载波频差与MSK频差不一样频差不一样”这个问题很关键这个问题很关键正是由于这两个相位的存在，使得在正是由于这两个相位的存在，使得在0Tb内三角函数的内三角函数的半个周期信号不一定能满足积分等于半个周期信号不一定能满足积分等于0！，但在！，但在0Tb内内整周期的三角函数信号积分仍然必等于整周期的三角函数信号积分仍然必等于0严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统2、OFDM各载波之间关系严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统3、OFDM的功率谱示意图严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统4、OFDM的表达式n（对于理解调制实现方法很有用）与离散反付立叶变换与离散反付立叶变换(IDFT)表达式形式完全一样表达式形式完全一样严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统二、OFDM的（一种）调制实现串串/并并变换变换编码编码映射映射IFFT并并/串串变换变换D/A变换变换LPF(低通低通)上变频上变频严谨 严格 求实 求是第八章 数字调制系统三、OFDM的频带利用率可见可见OFDM是是QAM调制频带利用率的调制频带利用率的2倍倍