第7章_数字信号的调制传输

1、1第七章第七章 数字信号的调制传输数字信号的调制传输通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）低通信道用基带信号传输低通信道用基带信号传输电路板上的铜线电路板上的铜线2如果带通信道用什么信号传输。如果带通信道用什么信号传输。调制传输：频谱搬移到规定的频带内调制传输：频谱搬移到规定的频带内通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）3引言引言p数字信号的分类和传输方式数字信号的分类和传输方式p数字信号数字信号n数字基带信号数字基带信号n数字调制信号数字调制信号p传输方式传输方式n数字信号的基带传输数字信号的基带传输n数字信号的调制传

2、输数字信号的调制传输p以哪种传输方式为主？以哪种传输方式为主？n由信道类型确定由信道类型确定p低通低通型信道型信道- -数字信号的基带传输数字信号的基带传输p带通带通型信道型信道- -数字信号的调制传输数字信号的调制传输通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）42 2数字调制数字调制p数字调制目的与本质数字调制目的与本质n载波：连续的正（余）弦信号载波：连续的正（余）弦信号n调制信号：数字基带信号调制信号：数字基带信号p数字调制完成基带信号数字调制完成基带信号功率谱的搬移功率谱的搬移p 数字调制的过程数字调制的过程n模拟调制的过程，载波参数模拟调制的过程，载波参数连续连续变化变化n数

3、字调制的过程，载波参数数字调制的过程，载波参数离散离散变化变化调制，调制，modulationmodulation键控，键控，shift keyingshift keying通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）53 3模拟调制和数字调制方式对照模拟调制和数字调制方式对照 模拟调制模拟调制 数字调制数字调制幅度调制幅度调制(AM) (AM) 幅度键控幅度键控(ASK)(ASK)频率调制频率调制(FM) (FM) 频移键控频移键控(FSK)(FSK)相位调制相位调制(PM) (PM) 相移键控相移键控(PSK)(PSK)振幅键控振幅键控频移键控频移键控相移键控相移键控通信原理简明教程

4、（第通信原理简明教程（第2版）版）6本章目录本章目录p7.1 7.1 二进制数字调制二进制数字调制p7.27.2二进制数字调制的抗噪声性能二进制数字调制的抗噪声性能p7.37.3数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收p7.47.4多进制数字调制多进制数字调制主要内容要点主要内容要点怎么调制，怎么解调，怎么调制，怎么解调，性能分析：性能分析：有效性：带宽、频带利用率有效性：带宽、频带利用率可靠性：误码率可靠性：误码率优缺点总结优缺点总结通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）7 二进制是数字调制最简单的情况，它改变载波的幅二进制是数字调制最简单的情况，它改变载波的幅度、频率、相位只有度、

5、频率、相位只有两种两种状态。状态。7.1.1 7.1.1 二进制幅度键控（二进制幅度键控（ASKASK：amplitude shift keying amplitude shift keying ）1. 2ASK1. 2ASK信号时域表达式信号时域表达式p2ASK2ASK信号，其幅度按调制信号取信号，其幅度按调制信号取0 0或或1 1有两种取值，有两种取值，最简单的形式为最简单的形式为通断通断键控（键控（OOKOOK）。）。pOOKOOK信号的表达式为：信号的表达式为： 调制信号调制信号 为：为：tAatsncOOKcos)(na1,0,1nPaP出现概率为出现概率为7.1 7.1 二进制数字

6、调制二进制数字调制通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）8 OOKOOK信号波形：信号波形： 一般地，调制信号具有一定波形，可表示为：一般地，调制信号具有一定波形，可表示为： 所以，所以，2ASK2ASK信号为：信号为： 可见，可见，2ASK2ASK为为双边带调幅双边带调幅信号。信号。)()(snTtgatBnntnTtgatsnncsASKcos)()(通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）9 2. 2. 功率谱密度功率谱密度 设调制信号功率谱为设调制信号功率谱为 ，则，则2ASK2ASK信号功率谱为：信号功率谱为： )(BP)()()(cBcBASK41PPP图图7

7、-2 OOK7-2 OOK信号的功率谱信号的功率谱(a)(a)基带信号功率谱；基带信号功率谱； (b) (b) 已调信号功率谱已调信号功率谱2ASK2ASK信号的带宽信号的带宽 ？基带信号带宽？基带信号带宽？通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）10分析p功率谱是基带信号功率谱的线性搬移功率谱是基带信号功率谱的线性搬移n频带宽度是基带信号的两倍频带宽度是基带信号的两倍 基带信号为矩形波基带信号为矩形波n基带信号的理论带宽无限宽基带信号的理论带宽无限宽nNRZNRZ码，基带信号的码，基带信号的近似带宽近似带宽 ：p功率谱的第一个过零点带宽，谱零点带宽，主瓣带宽功率谱的第一个过零点带宽

8、，谱零点带宽，主瓣带宽 B BB B= =f fs s= =R Rs s （f fs s：位定时的频率）：位定时的频率）nOOKOOK信号的理论带宽无限宽信号的理论带宽无限宽nOOKOOK信号的近似带宽：信号的近似带宽： p功率谱的功率谱的 第一对第一对 过零点带宽，谱零点带宽；主瓣带过零点带宽，谱零点带宽；主瓣带宽宽 B BS S=2=2f fs s=2=2R Rs s通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）11 基带信号为升余弦滚降信号基带信号为升余弦滚降信号n基带信号带宽有限宽基带信号带宽有限宽n2ASK2ASK信号带宽有限宽信号带宽有限宽TB21BBs2BB TB1s图图7-

9、3 7-3 升余弦滚降基带信号的升余弦滚降基带信号的2ASK2ASK信号功率谱信号功率谱 (a)(a)基带信号功率谱；基带信号功率谱； (b) (b) 已调信号功率谱已调信号功率谱通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）12 3. 2ASK3. 2ASK信号的调制方法信号的调制方法tnTtgatsnncsASKcos)()(tcco s) (t s) (2teA S K开 关 电 路模拟调制法（相乘器法）模拟调制法（相乘器法）键控法键控法通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）134. 2ASK4. 2ASK信号解调方法信号解调方法 n非相干解调非相干解调( (包络检波法包

10、络检波法) ) (a)(a)原理框图；原理框图；(b)(b)各点波形图各点波形图 通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）14n相干解调相干解调( (同步检测法同步检测法) ) ：稳定，有利于位定时的提取。：稳定，有利于位定时的提取。(a)(a)原理框图；原理框图；(b)(b)各点波形图各点波形图 2ASK2ASK信号早期用于无线电报，由于抗噪声性能差现在已较少使用，但信号早期用于无线电报，由于抗噪声性能差现在已较少使用，但2ASK2ASK信号是其它数字调制的基础。信号是其它数字调制的基础。 通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）15 7.1.2 7.1.2 二进制移频键

11、控二进制移频键控（2FSK2FSK：frequency shift keyingfrequency shift keying）p移频键控是数字信号改变移频键控是数字信号改变载波的频率载波的频率。p载波频率随载波频率随0 0和和1 1有两种取值，分别为有两种取值，分别为f f1 1和和f f2 2。 1. 2FSK1. 2FSK的时域表达式：的时域表达式： tnTtgatnTtgatsnnnn2s1s2FSKcoscos)(0,1, 1,10,1nnPPaaPP概率为概率为概率为概率为通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）16 2FSK 2FSK信号的波形及分解如下图所示：信号的波形

12、及分解如下图所示：22112FSK2cos2cosfAtsfAtsts)()()(1 0 0 1 01 0 0 1 0 2FSK 2FSK相当于两个不同载频的相当于两个不同载频的ASKASK信号之和信号之和 所以所以2FSK2FSK还可表示成：还可表示成： 通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）17 2. 2. 功率谱：功率谱：p设设2FSK2FSK两个载频的中心频率为两个载频的中心频率为f fc c，频差为，频差为 f f，则，则 p定义调频指数（频移指数）为：定义调频指数（频移指数）为：c12() 2/fff21fff21ssfffhRR通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第

13、2版）版）18 p功率谱分析：功率谱分析：n功率谱以功率谱以f fc c为中心，对称分布。为中心，对称分布。n在调频指数较小时功率谱为单峰，随着调频指数的增大，在调频指数较小时功率谱为单峰，随着调频指数的增大，功率谱出现双峰。功率谱出现双峰。n当出现双峰时，带宽可近似为：当出现双峰时，带宽可近似为： 3 32FSK2FSK信号的调制：频率选择法信号的调制：频率选择法12B2FSK2ffBB通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）19 4. 4. 解调方法：解调方法：(a)(a)非相干解调非相干解调(b)(b)相干解调相干解调n原理：将原理：将2FSK2FSK信号分解成两路信号分解成两

14、路2ASK2ASK信号分别进行解调。信号分别进行解调。通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）20 p过零解调：过零解调：p 原理：载频不同，过零点数不同，检测过零点原理：载频不同，过零点数不同，检测过零点数，即可进一步得到原始的调制信号。数，即可进一步得到原始的调制信号。通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）217.1.3 7.1.3 二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK2PSK或或BPSKBPSK）1. 2PSK1. 2PSK信号的表达式：信号的表达式：n原理：在原理：在2PSK2PSK中，通常用中，通常用初始相位初始相位0 0和和 分别表示分别表示二进制二进制“

15、1”1”和和“0”0”。n时域表达式为时域表达式为 式中，式中， n n表示第表示第n n个符号的绝对相位：个符号的绝对相位：即即)cos(A)(2PSKnctts”时发送“”时发送“，1,00nPtPttscc1,cosA,cosA)(2PSK概率为概率为通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）22 n若若g g( (t t) )是幅度为是幅度为A A宽度为宽度为T Ts s的单个矩形脉冲，则的单个矩形脉冲，则2PSK2PSK信号可表示为信号可表示为 n2PSK2PSK的典型波形的典型波形tnTtgatsnncs2PSKcos)(1,1,1nPaP概率为概率为通信原理简明教程（第通

16、信原理简明教程（第2版）版）23 2. 2. 功率谱：功率谱：p2PSK2PSK与与2ASK2ASK的表达式形式一致：的表达式形式一致：n 2PSK2PSK信号：信号：双极性双极性脉冲序列的双边带调制脉冲序列的双边带调制n 2ASK2ASK信号：信号：单极性单极性脉冲序列的双边带调制脉冲序列的双边带调制p功率谱的差别仅在于离散的载波分量；功率谱的差别仅在于离散的载波分量；p带宽：带宽：tnTtgatsnncsASKcos)()(tnTtgatsnncs2PSKcos)(B2ASK2PSK2BBB通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）24 3. 2PSK3. 2PSK信号调制信号调制

17、p相乘器相乘器p相位选择器相位选择器 相干解调方法，如何获得同频同相的载频就成了关键相干解调方法，如何获得同频同相的载频就成了关键问题。问题。通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）25 4. 2PSK4. 2PSK信号的解调信号的解调 p相干解调相干解调n相干载波，同频同相的本地载波相干载波，同频同相的本地载波 p同频同相的本地载波的获取：锁相环同频同相的本地载波的获取：锁相环 （a a）平方环电路）平方环电路 （b b）科斯塔斯环电路）科斯塔斯环电路p锁相环恢复载波的问题：锁相环恢复载波的问题：n0 0， 相位不确定相位不确定p0 0， 相位模糊度相位模糊度通信原理简明教程（第通

18、信原理简明教程（第2版）版）26p2PSK 相干解调原理框图及各点波形图相干解调原理框图及各点波形图通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）27 2PSK 2PSK调制与解调过程：调制与解调过程：121212101101001110000000000000000001011010011101001011000nnnaaa 信码码元相位本地载波相位本地载波相位极性极性0， 相位不确定的影响通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）28 7.1.4 7.1.4 二进制差分相移键控（二进制差分相移键控（2DPSK2DPSK）p绝对调相绝对调相：利用载波相位的绝对数值传送数字信息；：

19、利用载波相位的绝对数值传送数字信息；p相对调相相对调相：利用前后相邻码元的载波：利用前后相邻码元的载波相对相位相对相位变化传递数字变化传递数字信息信息1. 2DPSK1. 2DPSK信号的产生：信号的产生： 差分编码后再进行绝对调相。差分编码后再进行绝对调相。通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）29 设绝对码为设绝对码为a an n，相对码为，相对码为b bn np传号差分的编码规则：传号差分的编码规则： 其中，其中， 的初始值可以任意设定。的初始值可以任意设定。p差分译码规则：差分译码规则： 显然，只要传输没有差错，则译码显然，只要传输没有差错，则译码值便是原始数据，即值便是原

20、始数据，即 。1nnnbba1nnnbab1nbnnaa 由于初始相位不由于初始相位不同，同，2DPSK2DPSK信号信号的相位可以不同；的相位可以不同；2DPSK2DPSK信号的相信号的相位并不直接代表位并不直接代表基带信号；基带信号；前后码元的相对前后码元的相对相位才决定信息相位才决定信息符号。符号。通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）30 2. 2DPSK2. 2DPSK解调器解调器n相干解调相干解调n延迟解调延迟解调 （1 1）相干解调原理及各点波形）相干解调原理及各点波形通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）31 1212121011010011110010

21、011101000000000000000000010010011101001101100010110110100111nnnnnabbba 绝对码差分码码元相位载波相位载波相位极性极性1nnnbab1nnnbba2DPSK2DPSK调制及相干解调过程：调制及相干解调过程：通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）32 （2 2）差分解调原理及各点波形）差分解调原理及各点波形: :延迟解调延迟解调通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）33 2DPSK2DPSK信号调制与延迟解调过程如下信号调制与延迟解调过程如下 DD101101001110110110001010000000000010110100111nnnaba绝对码差分码码元相位延迟码元相位极性绝对码通信原理简明教程（第通信原理简明教程（第2版）版）34 2PSK和2DPSK对比分析：1. 1. 相位与信息代码的关系相位与信息代码的关系p2PSK2PSKn前后码元相异时，前后码元相异时，2PSK2PSK信号相位变化信号相位变化180180 ，相同时，相同时2PSK2PSK信号相位不变，可简称为信号相位不变，可简称为“异变同不变异变同不变”。p2DPSK2DPSKn码元为码元为“1”1”时，时，2DPSK2DPSK信号的相位变化信号的相位变