第七章 数字频带传输系统

1、第七章第七章 数字频带传输系统数字频带传输系统n发送端将消息转换成通信硬件能够接受和易于传输的信号，共要经过四个过程：（1）第一，把各种信息用二进制表示。包括字符编码(ASCII)、PCM编码等。（2）第二，把二进制数转换成脉冲信号（电信号），即码型编码。（3）第三，差错控制编码。（4）第四，基带信号变成频带信号。7.1 引言基带传输和频带传输n当二进制编码的“0”、“1”符号用电脉冲的“正”、“负”表示时，形成的是基带信号。n将基带信号直接在信道中传输的方式称为基带传输方式。n把数字信号调制成不同频率的信号，再进行传输的方法称为频带传输。n它是把进行完差错编码后的信号再一次进行编码，我们称之

2、为第4次编码。 为什么要要把基带信号变成频带信号？n天线nf复用n当基带信号为连续1(或0)时会有直流成分产生。用频带传输能消除DC成份。 （大多数通信信道具有带通特性，无法传输直流信号）调制器：调制器：将原始基带数字信号将原始基带数字信号频带信号，频带信号，适合于在信道中传输适合于在信道中传输基带数字基带数字信号输入信号输入调制器信道解调器基带数字基带数字信号输出信号输出噪声频带信号在信频带信号在信道中传输道中传输解调器：解调器：将将频带信号频带信号基带数字信号基带数字信号，适合，适合于用户接收于用户接收数字调制系统的基本结构 数字调制技术的分类q数字幅度调制技术n幅移键控（ASK: Amp

3、litude Shift Keying）q数字频率调制技术n频移键控（FSK: Frequency Shift Keying）q数字相位调制技术n相移键控（PSK: Phase Shift Keying）调制理论基础n调制：调制：就是用欲传输的原始信号去控制高频简谐波或周期性的脉冲信号的某一参量，使它们随f(t)线性变化。q通常把原始信号称为调制信号调制信号或基带信号；q把高频简谐波或周期性脉冲信号称为载波信号载波信号，起着载运原始信号的作用Acos ；q把调制后得到的信号称为已调信号已调信号，显然已调信号中携带有原始信号中的信息。)(00t调制定理n调制定理：基带信号f(t)和载波信号cos

4、（w0t）相乘得到已调信号f(t)cos（w0t）的频谱和原始信号f(t)的频谱F(jw)之间有如下关系：)()(21 )()(*)(21)cos()()(2*)( 121)(2)( 1)()()cos()(21)cos()(2)(21)()(0000000000000jwjwFjwjwFjwjwjwjwjwFtwtfjwFjwFtftfjwjwjwjwtweetwjwjwejwjwFtftjwtjwtjw根据频域卷积定理调制定理调制定理调调 制制 定定 理理时域频域结论n调制定理表明：将基带信号f(t)乘以余弦信号cos（w0t）对应于在频域中把f(t)的频谱F(jw)能量等分成两部分（幅度

5、为原来1/2）并把其中一部分沿频率轴右移w0（正），另一部分左移w0（负），如图所示：-Wm+Wmf(t)F(jw)1-W0+W0)()()cos(000jwjwjwjwtw-W0+W0)()(21)cos()(000jwjwFjwjwFtwtf1/27.2 二进制数字调制原理二进制数字调制原理n2ASKn2FSKn2PSK7.2.1 二进制振幅键控调制（2ASK）n数字幅度调制：数字幅度调制：用数字基带信号去控制正弦载波的幅度，使载波信号的幅度随基带信号的变化而变化。n1. 2ASK信号的产生n2. 2ASK信号的解调n3. 2ASK所需带宽2ASK信号的产生信号的产生基带数字信号（单极性非

6、归零矩形脉冲）： 0 Tt0 1 g(t) p 0 p)-1( 1 )()(S其它概率为概率为nnSnanTtgatm的矩形脉冲是持续时间为STg(t)1m(t) if t)Acos(w 0m(t) if 0 )cos( )()()(000)(twAnTtgatftmnSntASKn2ASK信号：信号：2ASK信号的产生n正弦载波信号：f(t)=Acos(w0t+0 )n一般 0 =0便于分析幅度载波an=0an=12ASK信号的时间波形ASK仿真波形仿真波形二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍,即B2ASK=2B=2fs=2/Ts 基带信号带宽为fs（码元速率）（因为频

7、率为负无意义）2ASK信号功率谱由离散谱和连续谱组成G(t)矩形脉冲功率谱密度数字基带信号功率谱密度2ASK已调信号功率谱密度(1)乘法器法（图a）：平衡调制器(2)通断键控方法（图c） ：OOK（On-Off Keying）wm(t)m(t)乘法器乘法器BPF本地载波：本地载波： Acos(w0t+0 )LPF:low passing filter HPF:high passing filterBPF:band passing filter2ASK信号的产生（a）（c）（b）（d）乘法器法（图a）：平衡调制器载波基带信号开关旁边并联电容起什么作用开关旁边并联电容起什么作用n应该说主要是为了在

8、开关断开时减少开关断开的两个触点之间形成的电弧。开关闭合时，则没有消除电火花的作用。 因为开关所接的电路中，常常都属于感性负载，感性负载在断电时由于电流不能突变，因此会在断开的两个触点之间形成的电弧，这个电弧一方面对触点造成损坏作用（容易拉成毛刺），一方面影响电路的断开时间，加上电容后，由于电容两端电压不能突变，使触点两端的电压也不能突变，因此就没有火花形成，起到保护触点的作用和及时断开电路的作用。 n变压器是感性器件，开关，感性电压，小Cn解调：从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。n2ASK 信号的解调：即由已调信号二进制基带信号；解调的方法有相干解调相干解调和非相干解调非相干解调

9、两种方法。n(1)非相干解调方法：包络检波法n包络检波：调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能提取出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波。2 2ASK信号的解调2ASK信号的解调定时抽样定时抽样输出基带信号输出基带信号2ASK信号包络检波原理框图抑制噪声BPF包络检波器包络检波器抽样判决器LPF输入已调信号输入已调信号取出基带脉冲信号把取出的基带脉冲信号还原成原始基带信号抽样判决器在定时脉冲的控制下，对LPF输出的信号进行抽样，当样值大于判决门限里，判为“1”，反之判为“0”。包络检波器ab包络检波器n优点：电路简单、便宜、效率高、稳定性号n但是：不适用于高速数字传输系统，因

10、为高速数字信号码元较窄，无明显包络，则必须适用相干解调法。n(2)相干解调：同步解调法相干解调：同步解调法：BPF乘法器乘法器抽样判决器LPF定时抽样定时抽样输入已调信号输入已调信号输出基带信号相干波发生器相干波发生器2ASK信号的解调信号的解调特点：特点：接收方需要产生一个与接收方需要产生一个与输入已调信号同频、同相的本地相输入已调信号同频、同相的本地相干载波信号。干载波信号。m(t)的传输系数为其中则解调器的输出信号：当且仅当：的输出信号为：乘法器和低通滤波器后相干载波信号：假定：已调信号LPFKtmKtmwwtwwtmKtm则经twtftwtmtsLLffffLff)(21)( )()c

11、os()(21)( )cos()()cos()()(0000002ASK信号的解调同频、同相，设备复杂度高，抗噪性能差相干解调法n相干解调法需要相干载波与已调信号严格同频同相，设备复杂度高，抗噪声性能差，实际应用不多。2ASK功率谱密度)()(161)()(sin)()(sin16)(00200200ffffTffTffTffTffTfPs二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍,即B2ASK=2B=2fs=2/Ts 基带信号带宽为fs（码元速率）（因为频率为负无意义）2ASK信号功率谱由离散谱和连续谱组成n2ASK信号功率谱由离散谱和连续谱组成n由于2ASK信号含有大的载波

12、分量，浪费能量，因此它的功率利用率很低。n改善：采用抑制载波的双边带调制DSB-SC 将基带信号采用双极性矩形脉冲序列，使已调ASK信号频谱不含载波分量n对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，它的功能是使特定的频率范围内的信号顺利通过，而阻止其它频率信号通过。n通常，按照滤波电路的工作频率为其命名，分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）和全通滤波器（APF）。补充知识_滤波器n低通和高通滤波器低通和高通滤波器：设截止频率为f fp p ,频率低于f fp p的信号可以通过，高于f fp p的信号被衰减的滤波电路称为低通滤波器低通滤波器

13、，反之，频率高于f fp p的信号可以通过，而频率低于f fp p的信号被衰减的滤波电路称为高通滤波器高通滤波器。n全通滤波器：全通滤波器：对于频率从零到无穷大的信号具有同样的比例系数，但对于不同频率的信号将产生不同的相移。补充知识_滤波器n带通和带阻滤波器：带通和带阻滤波器：设低频段的频率为fp1，高频段的截止频率为fp2，频率为fp1到fp2之间的信号可以通过，低于fp1或高于fp2的信号被衰减的滤波电路称为带通滤波器带通滤波器。而频率是fp1到fp2之间的信号被衰减的滤波电路称为带阻滤波器带阻滤波器。n带通滤波器常用于载波通信或弱信号提取等场合，以提高信号比。带阻滤波器用于在已知干扰或噪

14、声频率的情况下，阻止其通过。补充知识_滤波器7.2.2 二进制频率键控调制（2FSK）n1 2FSK信号的产生n2 2FSK信号的解调n3 2FSK所需带宽 1 2FSK信号的产生n用数字基带信号去控制正弦载波的频率，使载波信号的频率随基带信号的变化而变化，而载波振幅保持不变。n调制方法：直接法和间接法。 直接调频法：m(t)直接控制振荡电路参数，改变频率 频率选择法： m(t)直接控制电子开关切换载波直接法直接调频法直接调频法是产生是产生2FSK2FSK信号最简单的一种方信号最简单的一种方法，它用基带信号直接控制振荡电路的参数（法，它用基带信号直接控制振荡电路的参数（L L或或C C的值）变

15、化以达到改变频率的目的的值）变化以达到改变频率的目的 。输入基带信号输出已调波信号当an =1时，VD1、VD2截止，振荡频率由L和C决定；当an=1时，等效电路；当an=0时，VD1、VD2导通，频率由L、C、C1决定。n波形图直接调频法产生的2FSK信号相位是连续连续的频率选择法n原理：用基带信号去控制开关电路的变换以达用基带信号去控制开关电路的变换以达到输出频率变化的目的。到输出频率变化的目的。n适用于数字电路适用于数字电路 。n实现电路。 0m(t) if t)Acos(w 1m(t) if t)Acos(w 21 )(tFSKw1m(t)w2n数学表达式nsnnsntnTtgatnT

16、tgatS)cos()()cos()()(2211p-1 0 1 )()(概率为概率为 psnTtgnatm na其其中中q频率选择法：n原理图如下：频率选择法是用数字矩形脉冲（基带信频率选择法是用数字矩形脉冲（基带信号）控制电子开关在两个振荡器进行转号）控制电子开关在两个振荡器进行转换。从而输出不同频率的信号的方法换。从而输出不同频率的信号的方法。n波形图频率选择法产生的2FSK信号相位是不连续的相位不连续会造成频谱扩展，浪费频带资源相干解调法（1）先S（t)用两个中心频率分别为1和2的带通滤波器把代表“1”和“0”的振荡分离出来，形成两个不同频率的2ASK信号。（2）再通过同步检波器，经抽

17、样判决电路比较两路输出、的大小，最终决定输出是1还是0。若x(t)y(t)，输出0； x(t) y(t)，输出1。 相干解调法缺点需要从2FSK信号中提取相干载波，复杂，少用非相干解调n抗干扰性不强，但无需本地相干载波，实现起来比较容易。q分路滤波解调法：用多路检波器代替q鉴频器法q过零检测法q差分检测法q最佳非相干解调法BPF抽样判决器包络检波器抽样脉冲抽样脉冲输入已调信号输入已调信号输出基带信号输出基带信号BPF包络检波器w2w1V1(t)V2(t)两个中心频率分别为f1和f2的窄带滤波器的作用是取出频率为f1或f2的高频信号判决的准则是当抽样值满足V1V2时判为f1频率代表的数字基带信号

18、，当v1v2时判为f2频率代表的数字基带信号包络检波器将各自的包络取出至抽样判决器，抽样判决在抽样脉冲到达时对包络的取值进行判决，BPF抽样判决器包络检波器抽样脉冲抽样脉冲输入已调信号输入已调信号输出基带信号输出基带信号BPF包络检波器w2w1(1) (1) 分路滤波解调法分路滤波解调法(2)最佳非相干解调法n 当已调信号中的两个载频的频差较小时，分路当已调信号中的两个载频的频差较小时，分路滤波解调法中的带通滤波器不能很好的将信号分离，滤波解调法中的带通滤波器不能很好的将信号分离，这时可采用最佳非相干解调法这时可采用最佳非相干解调法.n 与分路滤波法相比，最佳非相干解调法将带通滤波器换与分路滤

19、波法相比，最佳非相干解调法将带通滤波器换成了匹配滤波器，使它对成了匹配滤波器，使它对2FSK信号有良好的分路特性，信号有良好的分路特性，以消除两个支路之间的相互干扰。以消除两个支路之间的相互干扰。匹配滤波器：动态滤波器，当输入信号频率与某匹配滤波器：动态滤波器，当输入信号频率与某一路滤波器频率相同时，该路滤波器的输出信号一路滤波器频率相同时，该路滤波器的输出信号包络将达到最大值，而另一路滤波器的输出信号包络将达到最大值，而另一路滤波器的输出信号包络为零。包络为零。 （3） 鉴频器法n鉴频器的作用就是把输入信号的频率变化变换成输出鉴频器的作用就是把输入信号的频率变化变换成输出电压瞬时幅度的变化，

20、即鉴频器输出电压的瞬时幅度电压瞬时幅度的变化，即鉴频器输出电压的瞬时幅度与输入已调波的瞬时频率偏移成正比。鉴频器可由一与输入已调波的瞬时频率偏移成正比。鉴频器可由一个带微分器的包络检波器组成。个带微分器的包络检波器组成。)()(0tmAtAdA(t)d)(cos)(0d0tmtAtS2FSK信号：经微分器后幅度(4) 过零检测法n过零检测法是根据过零检测法是根据2FSK2FSK信号的过零点数随信号的过零点数随载频不同而变化，通过检测载频不同而变化，通过检测2FSK2FSK信号的过信号的过零点数目来实现解调的方法。零点数目来实现解调的方法。 电压跳变处产生双向尖峰脉冲单向尖峰脉冲矩形波防止幅度畸

21、变滤高频，取出DC分量(5) 差分检波法将将FSK信号经信号经 移相后的信号，再与原移相后的信号，再与原FSK信号相乘，信号相乘，经低通滤波得经低通滤波得差分检波法是基于输入信号与延迟 的信号的比较，由于信道上的延迟失真会同时影响二者，因此假设信道有严重的延迟失真时，不会影响比较结果，此时差分检波法性能比较优越。2FSK信号的功率谱密度公式：)()()()(161)()(sin)()(sin)()(sin)()(sin161)(0011200200211211ffffffffTffTffTffTffTffTffTffTfffPs B2FSK=|f2-f1|+2fs其中fs=1/Ts。 相位不连

22、续2FSK信号的功率谱示意图7.2.3 数字相位调制n用数字基带信号去控制正弦载波的相位，使载波信号的相位随基带信号的变化而变化，分为： 绝对相位调制和相对相位调制。绝对相位调制和相对相位调制。n绝对相位调制：用载波的初相表达数字信息n相对相位调制：用载波相位的变化值表达数字信息1. 2PSKn二进制/二相绝对移相调制，用载波相位的不同值表示不同的数字信号，如0相位表示1，相位表示0。2PSK信号q波形图（下页）q矢量图：参考相位0o10二进制信息1：相位00：相位DPSK波形要看绝对码，相对码只是中间过程波形要看绝对码，相对码只是中间过程n2PSK信号的产生：q调相法：q相位选择法：m(t)

23、 码变换2PSKcos(w0t)单极性双极性调相法调相法2PSK信号的产生信号的产生正极性时载波相正极性时载波相位不变，负极性位不变，负极性时载波相位相反时载波相位相反w0t倒相器1m(t) if )Acos(wt 0m(t) if Acos(wt) )(tPSKm(t)0o相位选择法相位选择法2PSK信号的产生信号的产生预先产生两种相位分别为0和的载波信号，由基带信号控制电子开关接通哪一路的载波信号n2PSK信号的解调：q相干解调法：相干解调法：2PSK信号的解调信号的解调BPF乘法器乘法器抽样判决器LPF定时抽样定时抽样2PSK信号信号基带信号基带信号相干波发生器相干波发生器acbdfec

24、os(w0t)2PSK信号信号BPF乘法器乘法器抽样判决器LPF定时抽样定时抽样基带基带信号信号相干波发生器相干波发生器acbdfe11010010cos(w0t)抽样判决器定时脉冲cosct输出anx(t)z(t)y1(t)yi(t)(a)an10112PSK信号本地载波z(t)tttttx(t)ttt1000定时脉冲抽样值anan10112PSK信号本地载波z(t)tttttx(t)ttt1011定时脉冲抽样值an(b)(c)2PSK信号的解调(a) 方框图；(b)正常工作波形图； (c)载波同频反相工作波形图 BPTLPT2PSK信号的解调关键是产生同频同相的相干载波，而相干载波相位容易

25、出现180o的倒相，即相位模糊，导致解调结果相反，因此很少采用，而经常使用相对移相调制方式。2. 二相相对移相调制(2DPSK)n用前后相邻码元的载波相位变化来表达数字信息n只要前后码元载波相位的变化量不变，就能解调出正确的数字信息，避免了绝对移相中相位模糊的问题。n书上P121 倒数第7 ，8行定义错误定义错误，不是利用载波初相的相位差，假如一个码元占3/2载波周期an平衡调相法平衡调相法 码变换2DPSK 2PSK调制绝对码绝对码相对码相对码 2DPSK 2DPSK信号产生信号产生既差分码：用比特开始时刻电平的跳变来表示“1”每个脉冲代表码元的值，前后脉冲之间互不相关。信号波形信号波形：

26、2DPSK信号调制过程波形图绝对码相对码载波DPSK信号101100100转换2PSK调制n解调q极性比较法q相位比较法（差分相干解调法） ：直接进行前后码元的相位比较。2PSK信号信号相干解调相干解调码变换码变换m(t)2DPSKLPF抽样判决器抽样判决器m(t)2DPSK延迟延迟Tsy1(t)y2(t)z(t)x(t)2DPSK信号解调信号解调相对码绝对码t10110ant2DPSK信号y1(t)ty2(t)tz(t)tx(t)t抽样脉冲ann波形图t10110 2PSK及及2DPSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度 2PSK与2DPSK信号有相同的功率谱。 功率谱为 P2PSK(f)=)

27、()(sin)()sin(422ScScSccSTffTffTffffT fcOfcfP2PSK( f )2fs4TsB=2fs图 7 - 212PSK(2DPSK)信号的功率谱密度 fcOfcfP2PSK( f )2fs4Ts2PSK、2DPSK与2ASK信号带宽相同7.5 多进制调制技术 7.7.1 多进制幅度调制技术 7.7.2 多进制频率调制技术 7.7.3 多进制相位调制技术 7.7.4 现代调制技术 1 抑制载波的双边带调制(DSB) 2 正交幅度调制（QAM） 3 幅度相位混合调制(APK)7.5 多进制调制技术n多进制调制信号是指状态数目M大于2的已调信号，又称为多元调制信号。

28、n在二进制数字调制中(2ASK 2FSK 2PSK)，基带数字信号只有两种状态1,0或+1,-1，所以一个码元只携带一比特信息。n在多进制系统中，一位多进制（M进制）符号代表若干位二进制符号，所以一个码元携带log2M比特信息。 采用多进制调制技术原因n当码元速率相同时（码长相同），可以增大信息传输速率n当信息传输速率相同时，节省B多进制调制技术q7.7.1 多进制幅度调制技术q7.7.2 多进制频率调制技术q7.7.3 多进制相位调制技术7.7.1 多进制幅移键控n多进制幅移键控：MASK（Multiple Amplitude Shift Keying）q用载波的多个振幅表达数字信息，用载波

29、的多个振幅表达数字信息，n比特可表达比特可表达2n个个振幅振幅nM M电平幅度调制信号电平幅度调制信号12101210MnPPPPMa概率为概率为概率为概率为110iMiPtnTtgattstecnsnccos )(cos)()(MASKt132012301(a)0s(t)TbTbt(b)e(t)0te0(t)0(c)te1(t)0te2(t)00e3(t)tM M电平幅度调制信号电平幅度调制信号n就带宽而言，在码元速率fs相同情况下，MASK信号与2ASK信号的带宽都是相同的，都是基带信号带宽（fs）的2倍 。n在码元传输速率相同的情况下，MASK信号的信息速率是2ASK信号信息速率的log

30、2M倍，即在相同的带宽中可以传输更多的信息量。n在信息速率相同的情况下，MASK信号的带宽仅为2ASK信号的1/log2M倍，即可以通过增加进制数M，降低码元速率，从而减小信号带宽，提高系统频带利用率。 M M电平幅度调制信号电平幅度调制信号图7.7.1-2 多进制振幅键控系统的误码率Pe性能曲线7.7.2、多进制频率键控调制（多进制频率键控调制（MFSK）n用不同频率的载波表达数字信息，即用用不同频率的载波表达数字信息，即用n比特比特可表达可表达2n种频率。种频率。TTTTf3f1f2f4sMMFSKfffB211. 生成电路如果没有串并变换，1bit只能控制2条路径的通断，n比特控制2n条

31、路径2. MFSK信号的解调n 既可采用相干解调法，也可采用非相干解调法。 多频制时的误码率曲线 实线：相干解调虚线：非相干解调7.7.3 多进制相位调制(MPSK)n多进制相位调制： M进制中的每一种码元组合对应正弦载波的多个相位。n一个载波含M个相位，M进制，可表示n bit信息，2n=Mn多进制移相调制中，若M 的值越大，则相邻两个码元的相位差 的值越小，接收解调时区分相位就越困难，失误率增高，可靠性降低，n所以实际传输系统常用的是四相调制和八相调制。M2n4PSK：用4种不同相位表示数字信息，载波的每一相位代表两比特信息，因此数字信息的每一个码元称为双比特码元。0/23/2/2相移相移/43/45/47/4/4相移相移（1） 4PSK（QPSK）（1）正交调相法： 4PSK信号实际上是两个正交的2PSK信号的叠加串/并变换单/双极性变换单/双极性变换10 01BA BA0110cos(w0t)/2相移相移sin(w0t)4PSK3/4 015/4 00/4 117/4 10矢量图矢量图（2 2）4PSK4PSK信号的产生（调制）信号的产生（调制）AB信号波形图 11Q(t)0110111I(t)0111