第6章数字调制系统

1、第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理1第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统 数字频带传输系统数字频带传输系统6.1 6.1 引言引言1. 数字调制目的数字调制目的 与模拟调制没有本质区别，有利于信号的在信道中传输。与模拟调制没有本质区别，有利于信号的在信道中传输。2. 数字调制的原理数字调制的原理 与模拟调制没有本质区别，可视为模拟调制的一种特例：与模拟调制没有本质区别，可视为模拟调制的一种特例：也选也选正弦信号作为载波正弦信号作为载波，但，但调制信号为离散的调制信号为离散的；用高频载波信号参量的某些用高频载波信号参量的某些离散状态离散状态来表征

2、所传送的信来表征所传送的信息。息。第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理23. 数字调制的方法及分类数字调制的方法及分类 1）利用模拟调制的方法；）利用模拟调制的方法； 2）键控方法（重点内容）：利用矩形的基带脉冲去改变高）键控方法（重点内容）：利用矩形的基带脉冲去改变高频正弦载波的幅度、频率或相位频正弦载波的幅度、频率或相位ASK（Amplitude-shift keying）-振幅键控；振幅键控；FSK（Frequency-shift keying）-移频键控；移频键控；PSK（Phase-shift keying） -移相键控。移相键控。4. 研究的问题研究的问

3、题 信号的表达式、调制方法、解调方法、谱特性及其传输信号的表达式、调制方法、解调方法、谱特性及其传输带宽、抗噪性能。带宽、抗噪性能。数字调制信号也数字调制信号也称称键控信号键控信号。第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理3 6.1 6.1 引引言言 6.2 6.2 二进制数字调制原理二进制数字调制原理 6.3 6.3 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研究内容研究内容第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理46.2 二进制数字调制原理二进制数字调制原理6.2.1 2ASK系统（二进制振幅键控）系统（二进制振幅键控）1.1.

4、波形与表达式波形与表达式波形波形:基带信号基带信号:nsnnTtgats)()(（6.2.3）“1”通通/ /fc，“0”断断/ /0。OOK信号信号其中其中g(t)是宽度为是宽度为Ts的单个矩形脉冲的单个矩形脉冲s(t)单极性单极性NRZ信号信号；10na，发，发“0”； 以概率以概率p，发发“1”；以概率；以概率1-p（6.2.2）第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理5则，则，已调信号已调信号tnTtgattstecnsnccos)(cos)()(0（6.2.3）问：问：2ASK属于属于DSB信号？信号？第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通

5、信原理62ASK属于属于AM信号信号! 2.2.调制方法调制方法模拟法：如图模拟法：如图a所示。所示。键控法：如图键控法：如图b所示。所示。产生的信号常称为通断键控信号产生的信号常称为通断键控信号（OOK信号）。信号）。01)(ts第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理73.3.解调方法解调方法（1 1）相干解调法）相干解调法所谓相干所谓相干-同频同相相乘。同频同相相乘。方案：方案： 模拟：模拟：“BPF解调解调”； 数字：数字：“BPF解调解调抽判（再生）抽判（再生） ” 。BPF-保证信号顺利通过，滤出带外噪声。就信号而言，保证信号顺利通过，滤出带外噪声。就信号而

6、言，BPF前后一样。前后一样。LPF-平滑信号。平滑信号。第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理8各点波形：各点波形：第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理9（2 2）包络解调）包络解调-非相干解调非相干解调结构结构波形类似前一波形，自己画。波形类似前一波形，自己画。0( )( )coscets tt第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理104. 2ASK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽 一个一个2ASK信号可以表示成：信号可以表示成： 设：调制信号的功率谱为设：调制信号的功率谱为Ps( f ) ，假定，假定则已

7、调信号的功率谱为则已调信号的功率谱为Pe( f )： ttstecASKcos)()(2)()(41)(cscseffPffPfP第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理112222( )(1) ( )(1)()()sssssmP ff PP G ffPGmffmf设设s（t）为单极性不归零的矩形脉冲，则）为单极性不归零的矩形脉冲，则222221( )(1)()()41(1)(0)()()4esccsccP ff PP G ffG fffP Gffff第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理1222sin ()sin ()( )16()()1()

8、()16scscsecscsccTff Tff Tp fff Tff Tffff令令P=1/2)()(SSTfSaTfG第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理2ASK信号功率谱Ps(f)fP2ASK(f)f00fc-fcfs-fs 第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理频带利用率为：频带利用率为： )/(21221HzBaudffTTsssssssASKfTBB2222结论结论：1、2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成；连续谱取决于分组成；连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱，经线性调制后的双边

9、带谱，而离散谱由载波分量确定。而离散谱由载波分量确定。2、2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍，若只计信号的带宽是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣（第一个谱零点位置），则有谱的主瓣（第一个谱零点位置），则有第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理156.2.2 2FSK系统（二进制移频键控）系统（二进制移频键控）1. 1. 波形与表达式波形与表达式波形：波形：分解为两个分解为两个2ASK波形的合成：波形的合成：y1(t) s1(t)=s(t)y2(t) s2(t)=?第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理16表达式：表达式：分解为两个分解为

10、两个2ASK波形的合成。波形的合成。)cos()()cos()()cos()()cos()()(2122110nnsnnnsnnntnTtgatnTtgattsttste1( )( )()nsns ts ta g tnT2( )( )()nsns ts ta g tnTg(t)是宽度为是宽度为Ts的单个矩形脉冲；的单个矩形脉冲；10na，发，发“0”； 以概率以概率p，发发“1”；以概率；以概率1-p.相反取值与nnaa基带信号单极性基带信号单极性NRZ:第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理17)cos()()cos()()cos()()cos()()(212211

11、0nnsnnnsnnntnTtgatnTtgattsttste2.2.调制方法调制方法（1 1）利用模拟调制方法，结构见图利用模拟调制方法，结构见图6-5a，详略。，详略。（2 2）键控法，结构如图）键控法，结构如图6-5b所示。所示。 问：对问：对s(t) 要求有无不同？要求有无不同？第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理18数字调频信号的解调方法很多，如数字调频信号的解调方法很多，如: : 相干检测法：相干检测法：一路一路2FSK视为两路视为两路2ASK信号的合成。信号的合成。 包络检波法：包络检波法：一路一路2FSK视为两路视为两路2ASK信号的合成。信号的合成

12、。 鉴鉴 频频 法：法：模拟法：模拟法：FM解调。解调。 过零检测法：过零检测法：2FSK特有。特有。 2FSK信号的解调信号的解调122( )( )2( )( )( )ASKs ty tFSKs ty ts t 分路解调抽判逆逆过过程程第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理19（1 1）包络检波法）包络检波法”判为“，”判为“，012121vvvv核心思想：核心思想：一路一路2FSK视为两路视为两路2ASK信号的合成。信号的合成。问：问：BPF1、BPF2的带宽？的带宽？ 接收机入端还需加接收机入端还需加BPF2FSK？ 可否采用时域分路？可否采用时域分路？012(

13、 )( )cos( )cose ts tts tt第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理20（2 2）相干检测法）相干检测法核心思想：核心思想：一路一路2FSK视为两路视为两路2ASK信号之合成。信号之合成。问：问：BPF的带宽？的带宽？ 各点波形？各点波形？012( )( )cos( )cose ts tts tt121210vvvv，判为“”，判为“ ”第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理21（3 3）过零检测法）过零检测法 原理原理 常识常识：单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的

14、高低。来衡量频率的高低。 1210sfTf原理：“”持续时间 内，过零数目不同。“ ”想法把想法把过零数目不同转换为电压不同。过零数目不同转换为电压不同。 第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理22问：问：作为数字调制信号解调，该模型还缺少什么环节？作为数字调制信号解调，该模型还缺少什么环节？ 判决规则如何制定？判决规则如何制定？模型：模型：各点波形：各点波形：第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理234. 2FSK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽 2FSK信号可视为两个信号可视为两个2ASK信号的合成：信号的合成：则则2FSK信号功率谱

15、为两个信号功率谱为两个2ASK功率谱之和。功率谱之和。 )cos()()cos()()(212nnFSKttsttste)()(41)()(41)(2211ffPffPffPffPfPsssse第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理242FSK信号的功率谱信号的功率谱第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理25分析上图可见：分析上图可见： （1）2FSK信号的功率谱与信号的功率谱与2ASK信号的信号的功率谱相似，由离散谱和连续谱两部分组成。功率谱相似，由离散谱和连续谱两部分组成。 （2）连续谱的形状随着）连续谱的形状随着 的大小而的大小而异。异

16、。 出现双峰；出现双峰； 出现单峰。出现单峰。 （3）2FSK信号的频带宽度为信号的频带宽度为 12ff Sfff12Sfff122212FSKSBfff第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理266.2.3 2PSK（二进制移相键控）系统（绝对移相）（二进制移相键控）系统（绝对移相）（1 1）波形）波形二进制时可用两种不同相位来表示。二进制时可用两种不同相位来表示。选择相位原则：选择相位原则： 实现方便；实现方便； 相位差达到最大（欧氏距离远）判决范围尽可能宽。相位差达到最大（欧氏距离远）判决范围尽可能宽。A A方式：方式：001 表示代码表示代码B B方式：方式：/

17、20/21表示代码表示代码原理：原理：利用载波的不同相位传递消息。利用载波的不同相位传递消息。绝对移相绝对移相利用载波相位直接表示相利用载波相位直接表示相应数字信息。应数字信息。1.1.波形及表达式波形及表达式二进制：二进制：1“1”、2 “0”第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理27矢量图矢量图A A方式：方式：001 表示代码表示代码B B方式：方式：/20/21表示代码表示代码第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理波形图波形图第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理29（2 2）表达式）表达式基带信号基带信号n

18、snnTtgats)()(其中其中g(g(t t) )是宽度为是宽度为T Ts s的单个矩形脉冲：的单个矩形脉冲：11na，发，发“0”；对应载波相位；对应载波相位0；以概率；以概率p，发发“1”；对应载波相位；对应载波相位；以概率；以概率1-p已调信号已调信号Why？考察考察在任一在任一T Ts s内内0cos(0)cos( )cos()coscos( )cosccccncctte tttats tt ，发“0”，以P，发“1”，以1-P形式同于形式同于2ASK，但，但s(t)为双极性为双极性NRZ信号。信号。0( )( )cosce ts tt第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数

19、字调制系统通信原理302PSK2PSK信号信号0( )( )cosce ts tt2.2.调制方法调制方法键控法：键控法：模拟法：模拟法：?讨论：讨论：相位调制本质上是一种非线性调制，但在数字调相中，由相位调制本质上是一种非线性调制，但在数字调相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化化归结为幅度变化数字调相同线性调制的数字调幅就联系起来数字调相同线性调制的数字调幅就联系起来了了，为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。，为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。 s(t)均值为均值

20、为0，2PSK相当于相当于DSB调制！调制！第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理313.3.解调方法解调方法DSB信号，只可相干解调，不可包检。信号，只可相干解调，不可包检。讨论：讨论：2PSK信号相干解调的过程：信号相干解调的过程：输入已调信号与本地载波信号输入已调信号与本地载波信号进行极性比较进行极性比较极性比较法极性比较法。“倒倒”现象现象绝对移相的绝对移相的主要缺点。主要缺点。模型：模型：波形：波形：第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理32 4 4. 2PSK信号的频谱和带宽信号的频谱和带宽 2PSK信号的功率谱密度可以写成：信号

21、的功率谱密度可以写成： 对于双极性对于双极性NRZ码，由于不存在直流成码，由于不存在直流成分，因此，分，因此，2PSK信号功率谱示意图如下图所信号功率谱示意图如下图所示：示： )()(41)(cscseffPffPfP第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理33 因此，因此，2PSK信号的带宽、频带利用率也信号的带宽、频带利用率也与与2ASK信号的相同。信号的相同。 在数字调相中，由于表征信息的相位变化在数字调相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化。为此可以把数字调相信化归结为幅度变化。为

22、此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。号当作线性调制信号来处理了。 sssASKPSKfTBBB22222)/(2122HzBaudASKPSK第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理346.2.3 2DPSK系统（相对移相）系统（相对移相） (Differential Phase Shift Keying)相对移相相对移相利用前后相邻码元的利用前后相邻码元的相对载波相位相对载波相位表示数字信息。表示数字信息。1.1.波形与表达式波形与表达式（1 1）波形）波形001表示代码表示代码/20/21表示表示第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信

23、原理352DPSK的波形的波形35第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理36”相对码“相位”相对码“相位调相对相对码进行100 2PSK 36第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理37讨论：讨论：基带信号基带信号“1”、“0”与初相之间不存在一一对应关系（绝对关系），与初相之间不存在一一对应关系（绝对关系），而是相对关系而是相对关系解决解决“倒倒”现象。现象。单从波形上看，单从波形上看，2DPSK与与2PSK是无法分辩的，比如图中是无法分辩的，比如图中2DPSK也也可以是另一符号序列可以是另一符号序列 bn（称为相对码）经绝对移相而形成的。称

24、为相对码）经绝对移相而形成的。重要结论：重要结论：相对移相信号可以看作是把数字信息序列相对移相信号可以看作是把数字信息序列an （绝对码）（绝对码）变换成相对码变换成相对码bn ，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理38这就为这就为2DPSK信号的调制与解调指出了一种信号的调制与解调指出了一种借助绝对移相借助绝对移相途径实现途径实现的方法。的方法。1nnnbab1nnnbba绝对码和相对码是可以互相转换的，其转换关系为：绝对码和相对码是可以互相转换的，其转换关系为：第第6 6章章 正弦载波数字

25、调制系统正弦载波数字调制系统通信原理391nnnbab1nnnbba关于绝对码和相对码的相互转换：关于绝对码和相对码的相互转换：第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理40an、bn均为随机二进制序列。均为随机二进制序列。2. 2DPSK2. 2DPSK调制方法调制方法模拟调制法、键控法：模拟调制法、键控法：ttstscDPSKcos)()(2( )()bnns tg tnTb（2）2DPSK表达式表达式相对相移本质上就是对差分码信号的绝对相移。相对相移本质上就是对差分码信号的绝对相移。第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理41 tSPSK2

26、tSDPSK2 tSDPSK241第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理4242第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理4343第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理44 4. 2DPSK信号的频谱和带宽信号的频谱和带宽 无论是无论是2PSK还是还是2DPSK信号，就波形信号，就波形本身而言，它们都可以等效成双极性信号作本身而言，它们都可以等效成双极性信号作用下的调幅信号，无非是一对倒相信号的序用下的调幅信号，无非是一对倒相信号的序列。有以下结论：列。有以下结论： （1）2DPSK与与2PSK有相同的功率谱；有相同的功

27、率谱； （2）它们的它们的带宽和频带利用率均相同。带宽和频带利用率均相同。 sssASKPSKDPSKfTBBBB222222)/(21222HzBaudASKPSKDPSK第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理454. 2PSK与与2DPSK系统的比较系统的比较 （1）检测这两种信号时判决器均可工作在最佳门限电平）检测这两种信号时判决器均可工作在最佳门限电平（零电平）。（零电平）。 （2）2DPSK抗噪声性能不及抗噪声性能不及2PSK。 （3）2PSK系统存在系统存在“反向工作反向工作”问题，而问题，而2DPSK系统不系统不存在存在“反向工作反向工作”问题。问题。

28、因此在实际应用中，真正作为传输用的数字调相信号几因此在实际应用中，真正作为传输用的数字调相信号几乎都是乎都是DPSK信号。信号。 第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理466.5 6.5 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1. Pe r的关系可靠性的关系可靠性二进制系统误码率公式一览表：二进制系统误码率公式一览表：第第6 6章章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统通信原理47名名 称称2DPSK2PSK2FSK2ASK相干检测相干检测（相干（相干- -码变换）码变换）相干检测相干检测（相干（相干- -码变换）码变换）非相干非相干检检 测测带带 宽宽备备 注注rerfcrerfc21221rerfc421rerfc1rrer1rer212/21rer4/1rerre212/21re4/21re2/sT212sffT0*bU0*bU)0() 1 (PP2/*aUb同一调制方式不同检测方法的比较。同一调制方式不同检测方法的比较。相干、包检相干、包检;同一检测方法不同调制方式的比较。同一检测方法不同调制方式的比较。 3dB222,e PSKe