数字信号频带传输.pptx
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1、5.4.3 MPSK系统5.4.4 多进制数字调制系统性能分析5.5 其他数字频带调制5.5.1 正交振幅调制(QAM)5.5.2 其他多元调制方式本章小结实验1:2ASK、2FSK、2DPSK调制与解调 第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输实验2:MSK、GMSK调制与解调实验3:QPSK、OQPSK、DQPSK、/4DQPSK调制与解调第1页/共47页本章难点本章要点 2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号的产生、解调及功率谱 MASK、MFSK、MPSK信号的产生、解调及性能分析 QAM、OQPSK、MSK、GMSK信号的产生、解调及性能分析 各种相移键控系统信号的产生
2、、解调及性能 实际通信系统中调制方式的选择第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输第2页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输数字传输系统分为基带传输和频带传输两种。为适应某种需要(如无线信道传输或多路信号复用等),大部分传输系统采用频带传输。在发送端数字基带信号对高频载波进行调制变为频带信号,经信道传输后在接收端解调后又恢复成数字基带信号。数字信号对载波的调制,可以用数字信号去控制正弦载波的振幅、频率或相位的变化,由于数字信号具有时间和取值离散的特点,使调制后的载波参量只有几个有限数值,故又称这种调制过程为“键控法”。数字信号的载波调制也有三种方式:1)数字信号对
3、载波振幅的调制即幅移键控(ASK);2)数字信号对载波频率的调制即频移键控(FSK);3)数字信号对载波相位的调制即相移键控(PSK)。第3页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输5.1.1 二进制幅移键控ASK的调制5.1 二进制幅移键控ASK系统 幅移键控是研究数字调制的基础,记作ASK(Amplitude Shift Keying)。幅移键控是数字信号幅度调制中的一种典型调制方式,就是用数字基带信号去控制载波的幅度变化。1.2ASK信号的产生 调制信号是二进制数字信号时的ASK调制简称为2ASK。图5-1(a)所示为2ASK信号的产生模型。假设数字基带信号是单极性非归
4、零的矩形脉冲序列,与载波信号送入乘法器相乘,再经带通滤波器后输出2ASK信号,其波形如图5-1(b)所示。有如下关系:=,f(t)取1时0,f(t)取0时(5-2)这相当于载波信号在二进制码元“1”或“0”的控制下导通或断开,故这种二进制幅度键控方式也称为开关键控,记为OOK(On-Off Keying)。第4页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输图5-1 ASK信号产生模型及波形(a)ASK信号产生模型;(b)ASK信号波形。ASK信号的产生除了上述的模拟相乘法外,还可用数字键控法,其原理如图5-2所示。图5-2 ASK信号的数字键控法模型第5页/共47页第第5 5章章
5、 数字信号频带传输数字信号频带传输2.2ASK信号功率谱 ASK信号是幅度调制信号,因此其功率谱根据上式画出的功率谱如图5-3所示。由图可看出,ASK信号的功率谱就是把数字基带信号f(t)的功率谱加权后分别搬移到 处,所以2ASK信号的带宽是数字基带信号带宽的两倍,若只考虑基带信号频谱的主瓣,则2ASK信号的带宽为 图5-3 2ASK信号的功率谱(a)基带信号功率谱;(b)已调信号功率谱。(5-5)式中,为码元速率。第6页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输5.1.2 二进制幅移键控ASK的解调1.非相干解调包络检波法是一种常用的非相干解调的方法,其原理方框图如图5-4(
6、a)所示。2.相干解调相干解调又称为同步解调,其解调框图如图5-4(b)所示。图5-4 2ASK信号解调原理(a)相干解调原理;(b)包络检波原理。第7页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输5.2 二进制频移键控FSK系统 频移键控就是利用不同频率的载波来传送数字信号,记作FSK(Frequency Shift Keying)。二进制频移键控(记为2FSK)就是用两个不同频率的载波来传输数字信号的“0”和“1”。例如,“1”码用频率f1传输,“0”码用频率f2传输。5.2.1 二进制频移键控FSK的调制1.2FSK信号的产生2FSK信号的产生有两种方法:一是直接调频法;二
7、是键控法,如图5-5(a)所示,2FSK信号,波形如图5-5(b)所示。图5-5 2FSK信号频移键控原理图(a)频移键控方框图;(b)FSK波形图。第8页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输2.2FSK信号功率谱 2FSK信号可以看成是两个不同频率的2ASK信号的叠加。因此,其功率谱是两个ASK信号功率谱之和。2FSK信号的功率谱如图5-6所示,其频带宽度为 (5-10)图5-6 2FSK信号的功率谱 第9页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输5.2.2 二进制频移键控FSK的解调 2FSK信号的解调也有相干解调和非相干解调两种,其原理与2ASK时
8、相同,只是使用了两套电路。图5-7画出了非相干解调器的原理框图及相应各点波形,图5-8画出了相干解调器的原理框图。图5-7 2FSK信号非相干解调(a)非相干解调原理框图;(b)各点波形图。(a)(b)第10页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输图5-8 2FSK信号相干解调 2FSK信号还有其它的解调方法,如鉴频法、差分检波法及过零点检测法。图5-9 2FSK信号过零点检测法原理框图及各点波形图 数字调频波的过零点数随不同载频而异,故检测出过零点数可以得到关于频率的差异,这就是过零点检测法的基本思想。过零点检测法的原理框图及各点波形如图5-9所示。第11页/共47页第第
9、5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输5.3 二进制相移键控PSK系统 数字相位调制即相移键控,记为PSK(Phase Shift Keying)。二进制相移键控就是用同一个载波的两种不同相位来代表数字信号。相移键控分为绝对相移和相对相移两种,绝对相移记为DPSK,二进制的绝对相移记为2DPSK;相对相移记为DPSK,二进制的相对相移记为2DPSK。5.3.1 二进制绝对相移键控PSK 二进制绝对相移就是指利用载波信号的不同相位去直接传输数字信号的“1”码和“0”码。调相只改变载波信号的相位,即对应不同的基带码载波信号起始相位不同。在2PSK中,通常用载波0相位来代表基带信号的“1”码,
10、用载波P相位来代表基带信号的“0”码。当然,这种对应关系也可以反过来。总之,载波信号的起始相位与基带信号的“1”码和“0”码对应关系保持不变的调制方式称为绝对相移。图5-10画出了基带信号及其相应的2PSK信号的波形。第12页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输图5-10 2PSK信号波形1.2PSK信号的产生 2PSK信号的产生有两种方法:直接调相法和相位选择法,如图5-11所示。图5-11 2PSK信号的产生(a)直接调相法;(b)相位选择法。第13页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输2.2PSK2.2PSK信号的功率谱 由2PSK信号的产生原
11、理可看出,是一种在双极性数字信号调制下的抑制载波的双边带调幅信号,2PSK信号功率谱如图5-12所示。2PSK信号的带宽和2ASK信号相同,即 (5-13)图5-12 2PSK信号的功率谱(a)基带信号功率谱;(b)已调信号功率谱。第14页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输5.3.2 绝对相移键控PSK的解调由于2PSK信号的功率谱中无载波分量,所以必须采用相干解调的方式,其原理框图及相应各点波形如图5-13所示。将输入的2PSK信号与本地恢复的相干载波送入乘法器进行相位比较,相位相同,输出为正;相位相反,输出为负。乘法器的输出信号经低通滤波和判决后,即可恢复出基带信号
12、。这种解调过程就是将已调信号与本地载波进行极性比较的过程,因此这种调制方式又称为极性比较法。图5-13 2PSK信号的相干解调 在实际通信系统中,为克服相位模糊对相干解调的影响,最常用的办法是对调制器输入端的数字基带信号进行差分编码后再进行绝对调相,我们把这种调相称为相对调相。第15页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输5.3.3 二进制相对相移键控2DPSK 二进制相对相移键控是利用相邻码元载波相位的相对变化来表示数字信号的“1”码和“0”码,这时载波信号的相位与数字信号的“1”码或“0”码之间没有固定的对应关系。图5-14给出了逢“1”码载波相位变化;逢“0”码载波相
13、位不变的2DPSK信号的波形。图5-14 2DPSK信号波形 其相位变化关系是:当数字信号为“1”码时,载波相位移相p,即本码元载波相位与前一码元载波相位相差p;当数字信号为“0”码时,载波相位不变,即本码元载波相位与前一码元载波相位相同。第16页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输 实现相对相移键控的最常用方法是:先对基带数字信号进行差分编码,即由绝对码表示变为相对码(差分码)表示,然后对相对码进行绝对调相即得到2DPSK信号。图5-14中给出的相对码的波形就是由绝对码变换来的。所以相对相移键控信号的产生电路由两个部分组成:码型变换部分和绝对调相部分,原理框图如图5-1
14、5所示。图5-15 2DPSK信号的产生 绝对码序列an和相对码序列bn之间的关系如下 bn=bn-1an (模2加)(5-14)an=bn-1bn (模2加)(5-15)即本时刻的相对码bn等于本时刻的基带码an(绝对码)与前一时刻相对码经延迟1bit后的bn-1进行模2加。以图5-14所示的基带信号为例,有:第17页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输5.3.4 相对相移键控2DPSK 的解调由2DPSK信号的产生过程可以看出,2DPSK信号也可采用相干解调的方法恢复基带信号。这时判决输出的是相对码,必须再经过差分解码把相对码序列变为绝对码序列。如图5-16所示。图5
15、-16 2DPSK信号的相干解调 2DPSK信号还可采用相位比较法,也叫差分相干解调法。这种方法不需要恢复相干载波,通过比较前后码元的载波相位来完成解调,其原理框图及各点波形如图5-17所示。第18页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输图5-17 2DPSK信号的相位比较法解调第19页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输5.4 多进制数字调制系统 通常把状态数大于2的信号称为多进制信号。将多进制数字信号(也可由基带二进制信号变换而成)对载波进行调制,在接收端进行相反的变换,这种过程就叫多进制数字调制与解调,或简称为多进制数字调制。根据基带信号控制的载
16、波参数的不同,可以得到三种多进制数字调制信号:M进制幅移键控(MASK)、M进制频移键控(MFSK)以及M进制相移键控(MPSK或MDPSK)。多进制数字调制系统与二进制数字调制系统相比:在相同的码元传输速率条件下,多进制系统的信息传输速率是二进制系统的log2M 倍;在相同的信息传输速率条件下,多进制系统可以使传输频带压缩n倍,从而提高系统的有效性。第20页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输5.4.1 MASK系统 MASK即多进制幅移键控,又称为多电平调幅。它是用具有多个电平的随机基带脉冲序列对载波进行幅度调制。图5-18以四进制幅移键控为例,给出了基带信号和4AS
17、K信号的波形。MASK信号的解调可采用相干解调和非相干解调两种方式,其原理与2ASK信号时相同。图5-18 4ASK信号波形由图5-18可见,MASK信号可看成M个二进制ASK信号的叠加。因此,MASK信号的功率谱是M个二进制ASK信号功率谱之和。尽管叠加后功率谱的结构是复杂的,但就信号的带宽而言,当码元长度TS相同时,MASK信号的带宽与2ASK信号的带宽相同,都是基带信号带宽的2倍,即(5-17)第21页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输5.4.2 MFSK系统 MFSK即多进制频移键控,又称为多频制。在M进制的频移键控信号中,用M个频率不同的载波分别代表M个不同的
18、符号。一般的MFSK系统,其框图如图5-19所示。图5-19 MFSK系统的组成方框图 MFSK信号除了采用上述非相干解调方式外,还可采用相干解调方式。此时,只要将图5-19中的包络检波器用乘法器和低通滤波器代替即可。但采用这种方法时各路乘法器需分别送入不同频率的本地相干载波。第22页/共47页第第5 5章章 数字信号频带传输数字信号频带传输5.4.3 MPSK系统 MPSK即多进制相移键控,又称为多相制,它是多进制键控的主要方式。多进制相移键控也分为多进制绝对相移键控和多进制相对相移键控。常用的多进制相移键控方式有:4相制、8相制及2n(n=2,3,n为正整数)相制等。1.四相相移键控信号
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