第六章数字频带通信系统讲述

1、第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社通信技术基础主编：于宝明 王钧铭主审：宫锦文新世纪高职高专通信类课程规划教材新世纪高职高专通信类课程规划教材国家级精品课件配套教材国家级精品课件配套教材大连理工大学出版社第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社内容回顾内容回顾调制：调制： 调制（调制（ModulationModulation）是用基带信号去控制正弦波的参数）是用基带信号去控制正弦波的参数的过程。的过程。 用于调制的基带信号称为调制信号，调制信号，被调制的正弦波称为载波，载波，经过调制以后的信号称为已调信号。已调信号。第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社数字基带信号能否直接在信道

2、中传输与信道的传输特性有关。由于数字基带信号具有丰富的低频成分，但现有的许多信道（包括信道端口的一些设备）的传输特性并不能使这些成分有效地传输。 为了完整的传输信号，必须要进行调制。（频谱搬移的为了完整的传输信号，必须要进行调制。（频谱搬移的过程）过程） 0.1 1 2 3 5 10 f(kHz)L(dB) -4 -8 -12 -16 -20 -24 双绞线的传输特性 模拟用户线的传输特性 话音信号频谱 数字基带信号频谱 调制的必要性：调制的必要性：第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 数字调制是指调制信号为数字型的正弦波调制。数字调制是指调制信号为数字型的正弦波调制。利用数字信号的离散

3、取值特点去键控载波的参数，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法。一个正弦载波有三个参数，分别是幅度、频率与相位，它们都可以受调制信号的控制而发生变化，常见的数字调制有 振幅键控（振幅键控（ASK）（调幅度）（调幅度） 移频键控（移频键控（FSK）(频率调制频率调制) 相移键控（相移键控（PSK）（相位调制）（相位调制） 以及它们的组合或改进。第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社1. 二进制振幅键控（二进制振幅键控（ASK) 正弦载波的有无受到信码控制，当信码为正弦载波的有无受到信码控制，当信码为1时，时，ASK的波形是若干个的波形是若干个周期的高频等幅波（图中为两个周期）；当信码为周

4、期的高频等幅波（图中为两个周期）；当信码为0时，时，ASK信号的信号的波形是零电平。波形是零电平。 载波 ASK 信号波形基带信号波形 （单极性NRZ） 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 信码 E0信号波形信号波形第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社二进制振幅键控信号的产生方法（调制方法）有两种：二进制振幅键控信号的产生方法（调制方法）有两种： 图（图（a）是采用模拟调制方式的）是采用模拟调制方式的ASK调制方法调制方法，相乘器将数字基带信号（单极性NRZ波形）和高频载波相乘，得到ASK信号。 图（图（b）则是采用数字键控方法）则是采用数字键控方法，由数字基带信号去控制一个开关

5、电路。当出现1码时开关K闭合，有高频载波输出；当出现0码时开关K断开，无高频载波输出。相乘器 数字基带信号（单极性NRZ）载波 ASK信号（a）载波ASK 信号（b）数字基带信号（单极性NRZ）第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社相乘器数字基带信号载波ASK信号载波数字基带信号ASK信号第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社ASK信号的频谱信号的频谱ASK信号实际上是信码的单极性NRZ波形与高频载波的相乘。 重要结论：重要结论：ASK信号的频带宽度是基带信号的两倍。信号的频带宽度是基带信号的两倍。 （a） （b） f f 0 0 fC fS UASK(f) UB(f) 第6章 数字频

6、带通信系统大连理工大学出版社2. 二进制频移键控（二进制频移键控（FSK)FSK)信号波形信号波形 二进制频移键控就是用两种不同频率的正弦载波来表示其两种状态二进制频移键控就是用两种不同频率的正弦载波来表示其两种状态(0和和1)，而载波的幅度则保持不变。，而载波的幅度则保持不变。 载波频率FSK 信号波形基带信号波形 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0信码f1 f2 f2 f1 f1 f2 f1 f1 f1 f2 f2 第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 FSK信号的产生可以是直接用NRZ基带信号对一个载波进行调频，如同将其看作一个模拟基带信号，或采用键控的方法，用NRZ基带信

7、号去控制一个选通器，通过选通开关的转向来输出不同的振荡频率。FSK调制调制载波数字基带信号FSK信号第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社载波数字基带信号FSK信号FSK调制器框图与电路调制器框图与电路 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 如果用两个中心频率分别为f1和f2的带通滤波器对FSK信号进行滤波，可以将其分离成两个ASK信号波形FSK信号波形信号波形 = 滤波器滤波器输出波形输出波形 + 滤波器滤波器输出波形输出波形第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 如前所述，FSK信号可以看作是两个频率分别为f1和f2的ASK信号的合成，因

8、此它的频谱也是这两个ASK信号频谱的合成，通常FSK信号的频带宽度可根据下式计算： 与与ASK相比，在同样的码元速率下，相比，在同样的码元速率下，FSK信号的频带宽度要大一个频差。信号的频带宽度要大一个频差。FSK信号的频谱信号的频谱 Df（a） f 0 UASK1(f)（c） 0 f1 f2 f FSK 带宽 f1 ASK 带宽 （b） f 0 UASK1(f)f2 sffff212D第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社3.二进制相移键控二进制相移键控(PSK)(PSK)及二进制差分相移键控及二进制差分相移键控(DPSK)(DPSK)信号波形信号波形 二进制相移键控(PSK)和差分相移

9、键控(DPSK)是载波相位按基带脉冲载波相位按基带脉冲序列的规律而改变序列的规律而改变的一种数字调制方式。+E0-E0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9T10 T1 1 T1 2 T1 3 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0PSK波形信码 DPSK 波形 相对码 载波基准基带信号波形 第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社在T1时刻，信码为1（这里，对应的基带信号波形为低电平），PSK信号与载波基准相位相反；在Tn时刻，信码为0，PSK信号与载波基准的相位相同。这种以信号与载波基准的不同相位差直接去表示相应数

10、字信息的相位键控，通常被称为绝对相移键控方式。 +E0-E0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0PSK波形信码 载波基准基带信号波形T1Tn第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社在T1时刻，信码为1（这里，对应的基带信号波形为低电平），PSK信号与前一码元的相位相反；在Tn时刻，信码为0，PSK信号与前一码元的相位相同。这种以信号码元之间不同相位差直接去表示相应数字信息的相位键控，通常被称为相对相移键控或差分相移键控方式。 +E0-E0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0信码 载波基准基带信号波形 T1TnDPSK波形 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0

11、 0相对码相对码第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社问题问题：下列两个波形哪个是PSK波形？ 哪个是DPSK波形？答答1：不清楚，两个波形类似答答2：波形1是PSK信号， 波形2是DPSK信号答答3：波形1不是DPSK信号， 波形2是PSK信号0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 波形1波形2第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社信码与PSK信号的相位关系也可以用矢量图表示“ 0 ”相位 “”相位 1 0 反相反相 同相同相第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 PSK调制器中，载波发生器和移相电路分别产生两个同频反相的正

12、弦波，由信码控制电子开关进行选通，当信码是“0”时，输出“0”相信号，当信码为“1”时输出 “”相信号。PSK调制调制反相载波信码PSK0 第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 DPSK信号调制器比PSK调制器电路多了一个“码变换”电路，信码在码变换电路中变换成相对码，再用这个相对码对载波进行PSK调制得到DPSK信号。DPSK调制调制相对码载波移相移相码变化绝对码DPSK0010100111011000101信码信码相对码相对码第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社PSK解调解调 对PSK信号的解调的方法有相干解调和非相干解调两种，相干解调器方框图和各功能块输出点的波形如下图。带通

13、 滤波器 相乘器 低通 滤波器 取样 判决器 载波提取电路 判决输出取样脉冲 载波基准PSK 波形相乘输出低滤输出第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社DPSK解调解调 DPSK信号的波形与PSK相同，因此也能用上面的框图进行解调，但得到的只能是相对码，还必须有一个码变换器将相对码变换为绝对码。此外，DPSK信号解调还可采用差分相干解调差分相干解调的方法，直接将信号前后码元的相位进行比较，如下图。由于此时的解调已同时完成了码变换，故无需再安排码变换器。这种解调方法由于无需专门的相干载波这种解调方法由于无需专门的相干载波，因而是一种很实用的方法。当然，它需要一延迟电路精确地延迟一个码元长度（

14、TS），这是在设备上所要花费的代价。带通 滤波器 相乘器 低通 滤波器 取样 判决器 带通 滤波器 延迟TS 延迟输出相乘输出低滤输出 取样脉冲 判决输出 DPSK 波形第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社PSK与与DPSK信号的频谱信号的频谱 PSK与DPSK信号实际上是一个双极性矩形脉冲序列与高频载波相乘的结果，因此其频谱与其频谱与ASK信号的频谱信号的频谱相似，相似，所不同的是ASK调制时基带信号是单极性信号，含有直流分量，相乘后信号中就有载波分量；PSK信号（或DPSK）调制时基带信号是双极性信号，如果信码1、0出现的概率相同，则基带信号中没有直流分量，已调波中也就没有载波分量，

15、两者的频带宽度相同，都是基两者的频带宽度相同，都是基带信号带宽的两倍。带信号带宽的两倍。第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社6.3 多相制相移键控多相制相移键控 在数据通信中，为了提高信息传递速率，可以用载在数据通信中，为了提高信息传递速率，可以用载波的一种相位代表一组二进制信号码元，也就是多进制波的一种相位代表一组二进制信号码元，也就是多进制码元。码元。由于码组长度为m的二进制信码有2m种排列方式，因此，表示它们的载波相位在02范围内也应有2m个取值，这就是多相制的基本概念。 目前用得较多的多相制PSK（或DPSK）是四相制和八相制。下而以四相制为例介绍多相制PSK和DPSK的原理。第

16、6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 设基准载波的相位为0，4PSK信号的四个相位相隔为/2，它们与基准载波的相位关系有两种情况，如下表所列，分别称为/2系统和/4系统。通常用二位二进制码元表示一个四进制码元通常用二位二进制码元表示一个四进制码元，故图中的信码是二进制形式。四相制四相制PSK与与DPSK波形波形4PSK相位排列表信码（A B）相位（/4系统）相位（/2系统）0 0/400 13/4/21 15/41 07/43/2第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 与与DPSK一样，一样，4DPSK也是用相邻码元（四进制码元）的相位差表也是用相邻码元（四进制码元）的相位差表示四种状

17、态。示四种状态。例如，第一个码元为01，它与前一个码元（参考相位为0）的相位差就是/2；第二个码元为00，它与第一个码元的相位差是0，与基准载波的相位差则是/2。 /2 0 /2 3 /23 /2 0 /2 /2 3/2 0 /2 0 0信码 基准载波（“ 0 ”相）4PSK 信号波形PSK 信号相位 4DPSK 信号波形DPSK 相对于基准的相位 参考相位 01 00 11 01 11 10 10 00第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社4PSK信号的产生与解调信号的产生与解调4PSK信号的合成相位AB合成信号输出000sin(Ct-/4)+ cos(Ct-/4)/210-sin(Ct

18、-/4) + cos(Ct-/4)11-sin(Ct-/4)-cos(Ct-/4)3/201sin(Ct-/4)-cos(Ct-/4)第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社4PSK信号的向量图信号源 sint 900相移cost 反相 -sint 反相 -cost 四选一电路 AB cos(t-/4) sin(t-/4) -sin(t-/4) -cos(t-/4) 00 11 10 01 sint cost -cost -sint 4PSK信号产生器原理图第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 从向量图中可以看到，4PSK信号的每一个向量都可以由信号的每一个向量都可以由两个相邻两个相邻

19、/4的向量（用虚线表示）合成。的向量（用虚线表示）合成。例如，信码为10的向量可以用-sin(Ct-/4)+cos(Ct-/4)表示。表4-2列出了信码与合成向量的关系。对这个表进行分析不难发现，两个合成向量sin(Ct-/4)和cos(Ct-/4)的极性分别与两位信码A和B有对应的关系，如A=1，则sin(Ct-/4)的极性为“-”，否则为“+”；B=1，cos(Ct-/4)的极性为“-”，否则为“+”。第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社A2A1 B2B1 cos(t-/4) sin(t-/4) 载波 发生器 码元 分配器 相乘器 90o相移 相乘器 线性 相加器 带通 滤波器 I通

20、道 二进码元入 4PSK信号出Q通道 B2A2B1A1相乘器 4PSK信号调制信号调制第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 取样脉冲sin(t-/4)cos(t-/4 )载波发生器 90o相移相乘器相乘器 低通滤波器低通滤波器 码元 合成器 二进码元出4PSK信号入 B2A2B1A1低通滤波器 4PSK信号解调信号解调第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社6.4 多进制正交幅度调制多进制正交幅度调制 在同样的码元速率下，4PSK的传信率是2PSK的二倍，但是由于4PSK相邻状态之间的相位差（/2）要比2PSK的相位差（）小，解调时出现错误判决的可能性就要大，同样，8PSK的传信率更高

21、，但误码率也会更大；不难发现，接收端对这些信号相邻状态的分辩能力与它们接收端对这些信号相邻状态的分辩能力与它们的矢量端点之间的间隔有关，间隔越大，越容易分辩，的矢量端点之间的间隔有关，间隔越大，越容易分辩，也就是越不易受干扰的影响。也就是越不易受干扰的影响。第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社(a) (b)(c) (d)(e)L/2+L0信号幅度范围L 0 L/3 2L/3 噪声容限 噪声容限 0 0 0 0-/2 -/2-/2 /2/2+/4-/4-3/4 +3/4 /2+/4-/4 +3/4 -3/4 第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 PSK和 ASK只是单单从相位上和幅度

22、上将信号的各种状态区分开来，它们的幅度和相位是相同的。如果既从如果既从相位上、同时又从幅度上使信号相邻状态有区别，那么相位上、同时又从幅度上使信号相邻状态有区别，那么在相同的进制数下，可以得到较大的噪声容差，也就可在相同的进制数下，可以得到较大的噪声容差，也就可以得到较小的误码率。以得到较小的误码率。这就是正交幅度调制的基本概念。第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 为便于观察，可以在矢量图上只画出各矢量的端点，这个图称为星座图。16PSK 16QAM 16APK 第6章 数字频带通信系统大连理工大学出版社 目前，正交幅度调制正在得到日益广泛的应用。它的星座图常为矩形或十字形。其中当M=4、16、64、256时，其星座图为矩形，而当M=32、128时则为十字形。前者M为2的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息；后者为2的奇次方，每个符号携带奇数个比特的信息。m=128m=4m=16m=32m=64m=256第6章 数字频带通信系统大连理工大学