数据通信原理ppt2-2

1、第三章第三章 数据信号传输数据信号传输 数据通信原理数据通信原理讲义（讲义（二二）ppt2-2从第三节从第三节数据信号的频带传输数据信号的频带传输开始开始到到2DPSK的解调的解调结束结束目目 录录 第一节第一节 概述概述 一、数据信号及特性描述一、数据信号及特性描述 二、传输信道及数据信号传输的基本方法二、传输信道及数据信号传输的基本方法 三、信道容量的概念三、信道容量的概念 第二节第二节 数据信号的基带传输数据信号的基带传输 一、基带传输系统构成模型一、基带传输系统构成模型 二、理想低通网络波形形成，奈奎斯特第一准则二、理想低通网络波形形成，奈奎斯特第一准则 三、具有幅度滚降特性的低通网络

2、波形形成三、具有幅度滚降特性的低通网络波形形成 四、部分响应形成系统四、部分响应形成系统 五、数据序列的扰乱与解扰五、数据序列的扰乱与解扰（了解基本概念）（了解基本概念） 六、数据传输系统中的时域均衡六、数据传输系统中的时域均衡（了解基本概念）（了解基本概念） 七、数据传输系统中的时钟同步七、数据传输系统中的时钟同步（了解基本概念）（了解基本概念） 八、基带传输的最佳化和系统性能分析八、基带传输的最佳化和系统性能分析 （不要求）（不要求） 九、基带数据传输系统及应用九、基带数据传输系统及应用 （自学）（自学） 第三节第三节 数据信号的频带传输数据信号的频带传输 一、频带传输系统一、频带传输系统

3、 二、数字调幅二、数字调幅 三、数字调相三、数字调相 四、数字调频四、数字调频 五、频带传输误码性能分析五、频带传输误码性能分析 （不要求）（不要求） 六、数字调制中的载波提取和形成六、数字调制中的载波提取和形成 （了解基本概念）（了解基本概念） 七、格型编码调制（七、格型编码调制（TCM）的概念）的概念 （不要求）（不要求） 八、电话网中应用的几种八、电话网中应用的几种Modem标准建议的简介标准建议的简介 （自学）（自学） 第四节第四节 数据信号的数字传输数据信号的数字传输 一、数据信号数字传输的概念及特点一、数据信号数字传输的概念及特点 二、数字数据传输的实现二、数字数据传输的实现 三、

4、数字数据的时分复用三、数字数据的时分复用TDM 四、数字数据传输系统的构成四、数字数据传输系统的构成 小结小结习题1、2、4、5、8本本 章章 要要 求求 一、考核知识点一、考核知识点 1、数据信号的、数据信号的基带传输基带传输 2、数据信号的、数据信号的频带传输频带传输 3、数据信号的、数据信号的数字传输数字传输二、学习要求二、学习要求 数据信号的传输是实现数据通信的基础。本章是全书的重点，数据信号的传输是实现数据通信的基础。本章是全书的重点，介绍了数据信号的三种基本传输方法。介绍了数据信号的三种基本传输方法。 本章总的要求是：弄清本章总的要求是：弄清三种传输方式的基本原理三种传输方式的基本

5、原理、系统和各自、系统和各自的基本特点。的基本特点。 本章的重点是：数本章的重点是：数据信号的波形形成与比特率关系据信号的波形形成与比特率关系、部分响应部分响应原理原理、QAM调制调制、二相四相相对相移二相四相相对相移、数字频移信号的产生和解数字频移信号的产生和解调调和和数据数字传输数据数字传输的一般原理。的一般原理。第三节第三节 数据信号的频带传输数据信号的频带传输 频带传输频带传输又称又称调制传输调制传输，它主要是适用于第一节所讨论的电，它主要是适用于第一节所讨论的电话网信道的传输。电话网传输信道是话网信道的传输。电话网传输信道是带通型信道带通型信道，传送，传送3003400Hz30034

6、00Hz频率范围的模拟话音信号，带通型信道不适合于直频率范围的模拟话音信号，带通型信道不适合于直接传输基带信号，需要接传输基带信号，需要对基带信号对基带信号进行调制进行调制以实现频谱搬移使以实现频谱搬移使信号频带适合于信道频带。信号频带适合于信道频带。一、频带传输系统一、频带传输系统 频带传输系统与基带传输系统的频带传输系统与基带传输系统的区别区别: :在于在在于在发送端增加了发送端增加了调制调制，在，在接收端增加了解调接收端增加了解调，以实现信号的频带搬移，调制与，以实现信号的频带搬移，调制与解调合起来称为解调合起来称为ModemModem。 调制调制是将基带数字型数据信号变换成话带内的模拟

7、信号；是将基带数字型数据信号变换成话带内的模拟信号；解调解调就是其逆过程，把模拟信号还原成数字型数据信号。就是其逆过程，把模拟信号还原成数字型数据信号。 图图3-333-33给出了频带传输系统的两种基本结构给出了频带传输系统的两种基本结构。 在上图中，发送端的数据信号经发送低通滤波器基本上形成所在上图中，发送端的数据信号经发送低通滤波器基本上形成所需要的需要的基带信号基带信号，再经，再经调制器调制器和和发送带通滤波器发送带通滤波器形成信道可传输形成信道可传输的的信号频谱信号频谱( (带通型模拟信号带通型模拟信号) )，送入信道。，送入信道。 在接收端，信道输出的信号经接收带通滤波器，在接收端，

8、信道输出的信号经接收带通滤波器，滤出信道中滤出信道中的带外噪声的带外噪声，再将信号输入解调器解调，再将信号输入解调器解调恢复成基带信号恢复成基带信号，接收低，接收低通滤波器的功能是通滤波器的功能是除去除去解调中出现的解调中出现的高次产物高次产物并起并起基带波形形成基带波形形成的功能的功能，最后将恢复的基带信号送入取样判决电路判决再生数据，最后将恢复的基带信号送入取样判决电路判决再生数据信号，完成数据信号的传输。信号，完成数据信号的传输。发送低通信道接收带通发送带通解调调制接收低通取样判决噪声数据信号数据信号213456789（a） 频带传输系统频带传输系统是在是在基带传输的基础上实现的基带传输

9、的基础上实现的，在图，在图 3-33 3-33 中，中，在在2 2点（发送低通滤波器和调制器的连接点），输入调制器的是点（发送低通滤波器和调制器的连接点），输入调制器的是数据基带信号；在数据基带信号；在8 8点点 ( (接收低通滤波器和取样判决器的连接点接收低通滤波器和取样判决器的连接点) )，接收低通滤波器输出的是数据基带信号，因此从信号的传输角度，接收低通滤波器输出的是数据基带信号，因此从信号的传输角度，一个频带传输系统就相当于一个等效的基带传输系统，一个频带传输系统就相当于一个等效的基带传输系统，实现频带实现频带传输仍然需要符合基带传输的基本理论传输仍然需要符合基带传输的基本理论。 所谓

10、所谓调制调制就是就是用基带信号用基带信号对载波波形的对载波波形的某些参数某些参数进行控制进行控制使使这些参量随基带信号的变化而变化。用以调制的基带信号是数字这些参量随基带信号的变化而变化。用以调制的基带信号是数字型信号，所以又称为型信号，所以又称为数字调制数字调制。 在调制解调器中都选择在调制解调器中都选择正弦（或余弦）信号作为载波正弦（或余弦）信号作为载波，因为，因为正弦信号形式简单、便于产生和接收。正弦信号形式简单、便于产生和接收。 由于正弦信号有幅度、频率、相位三种基本参量，如下式：由于正弦信号有幅度、频率、相位三种基本参量，如下式： A A sin sin ( (c c t+t+0 0

11、 ) ) 在上式中，参量在上式中，参量 A A是是幅度幅度，参量，参量c c 是是角频率角频率，参量，参量0 0 是是初相位初相位。 分别对上述三种参量进行控制（即调制），因此，可以构分别对上述三种参量进行控制（即调制），因此，可以构造造数字调幅数字调幅、数字调相数字调相和和数字调频数字调频三种基本调制方式。三种基本调制方式。二、数字调幅二、数字调幅 以基带数据信号控制一个载波的以基带数据信号控制一个载波的幅度幅度，称为，称为数字调幅，又称幅数字调幅，又称幅移键控，简写为移键控，简写为ASKASK。 图图3-343-34是数字调幅系统基本构成框图，这里的调制信号是经是数字调幅系统基本构成框图，

12、这里的调制信号是经过基带形成的数据序列。过基带形成的数据序列。tcosctcosc数据序列基带形成发送带通信道接收带通接收低通取样判决数据序列 图中的图中的调制解调器调制解调器本质上就是一个乘法器本质上就是一个乘法器。 为分析简便，假定用于调制的就是二进制数字信号，如图为分析简便，假定用于调制的就是二进制数字信号，如图3-3-3535所示，二进制数字信号所示，二进制数字信号调幅可有两种情况调幅可有两种情况： 调制信号为单极性脉冲序列调制信号为单极性脉冲序列。如图（。如图（a a） 调制信号为双极性脉冲序列调制信号为双极性脉冲序列。如图（。如图（b b）1、ASK信号及功率谱分析信号及功率谱分析

13、t已调波t未调未调载波载波不归零码t调制信号为单极性脉冲序列调制信号为单极性脉冲序列 图（图（a） 由上图可以看出：调幅就是用由上图可以看出：调幅就是用有载波表示有载波表示 “ “1”1” 信号，用信号，用无无载波表示载波表示“0”0”信号信号，即它们的振幅分别是，即它们的振幅分别是A A和和0 0。 已调信号就是调制信号和未调载波已调信号就是调制信号和未调载波相乘的结果。相乘的结果。 tcostStecT11100A调制信号为双极性脉冲序列。图（调制信号为双极性脉冲序列。图（b）t未调未调载波载波双极性双极性不归零码不归零码tT11100AA已调波已调波t 由上图可以看出：对双极性信号的调幅

14、，由上图可以看出：对双极性信号的调幅，“1”1”和和“0”0”码的周码的周期里期里幅度都是幅度都是A A，区别是它们的相位不同，区别是它们的相位不同： “ “1”1”信号的相位为信号的相位为0 0度，度， “ “0”0”信号的相位为信号的相位为180180度。度。 已调信号就是调制信号和未调载波相乘的结果已调信号就是调制信号和未调载波相乘的结果。 调幅信号的功率谱调幅信号的功率谱调幅信号的功率谱调幅信号的功率谱2ASk2ASk信号的频谱：信号的频谱：由于基带信号是随机脉冲序列，没有固定的频谱函数由于基带信号是随机脉冲序列，没有固定的频谱函数，用功，用功率谱来表示。率谱来表示。ttsecASKc

15、os)(2)()(21)(CCASKSSF)()(*)(21)(CCASKSF)()(41)(CSCSEPPP)()(41)(CSCSEffPffPfP)(41)(4)(2ffTSTfPSaSs调制信号为调制信号为单极性脉冲序列单极性脉冲序列的已调信号的功率谱的已调信号的功率谱 fpf调制信号调制信号的功率谱的功率谱 调制信号是调制信号是基带信号基带信号，其，其功率谱位于功率谱位于0 0频附近频附近，由一由一0 0频离散谱和连续谱构成。频离散谱和连续谱构成。f fp 已调信已调信号的功率谱号的功率谱0scff cfscff2scff scff2 已调信号是已调信号是频带信号频带信号，其功率谱位

16、于其功率谱位于f fc c频附近，频附近，由一由一f fc c频离散谱和连续谱频离散谱和连续谱构成。构成。0sfsf2sfsf2调制信号为调制信号为双极性脉冲序列双极性脉冲序列的以调信号的功率谱的以调信号的功率谱 fpf调制信号调制信号的功率谱的功率谱 调制信号是调制信号是基带信号基带信号，其功，其功率谱位于率谱位于0 0频附近频附近，由连续谱由连续谱构成构成。无离散谱无离散谱（直流分量）。（直流分量）。f fp 已调信已调信号的功率谱号的功率谱0 已调信号是已调信号是频带信号频带信号，其，其功率谱位于功率谱位于 f fc c 频附近，由频附近，由连续谱连续谱构成。构成。无离散谱（载无离散谱（

17、载频流分量频流分量）。称为）。称为抑制载频抑制载频的双边带调制。的双边带调制。0sfsf2sfsf2scff cfscff2scff scff2由上面两个图可以看出：由上面两个图可以看出： 2ASK 2ASK 信号的功率谱密度也由信号的功率谱密度也由连续谱连续谱和和离散谱离散谱组成，组成，其中连续谱部分来自基带谱中的其中连续谱部分来自基带谱中的连续谱经调制后连续谱经调制后的的双边带谱双边带谱，而离散谱则由基带谱中的离散谱分量（直流）来决定。而离散谱则由基带谱中的离散谱分量（直流）来决定。 由于由于2ASK2ASK信号的功率谱是双边带谱，所以，信号的功率谱是双边带谱，所以，2ASK2ASK信号的

18、信号的带宽是基带信号带宽的带宽是基带信号带宽的两倍两倍。 (3)(3)带宽：带宽： 频带利用率频带利用率 结论：调幅后的信号是结论：调幅后的信号是带通型信号带通型信号，能够通过能够通过模拟的电话网模拟的电话网信道传输。信道传输。SssASKTffB1,22)./(5 .02HzsbitffBRssbb解调解调1.相干解调（同步解调相干解调（同步解调）2.非相干解调（包络检波）非相干解调（包络检波）带通带通滤波器滤波器乘法器乘法器低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决判决定时脉冲定时脉冲输出输出输入信号输入信号ttststtsttsttetyccccASK2cos)(21)(2122cos1)(cos

19、)(cos)()(22tccos接收端必须有一个与接收端必须有一个与ASK信号信号的载波保持同频同相的相干震荡信号的载波保持同频同相的相干震荡信号 2 2、单边带和残余边带调制的概念、单边带和残余边带调制的概念 前面讨论的前面讨论的ASKASK信号具有两个边带，并且两个边带都含有完整的信号具有两个边带，并且两个边带都含有完整的基带信号信息。为了提高信道频带利用率，基带信号信息。为了提高信道频带利用率，只需要传送一个边带只需要传送一个边带就能实现信息传递就能实现信息传递。 但是从但是从ASKASK功率谱密度的图可以看出由于基带信号具有丰富的功率谱密度的图可以看出由于基带信号具有丰富的低频分量，所

20、以，为了得到一个边带，必须用锐截止滤波器才能低频分量，所以，为了得到一个边带，必须用锐截止滤波器才能滤出其中的一个边带，这就滤出其中的一个边带，这就增加了滤波器制作的难度增加了滤波器制作的难度。f fp 已调信已调信号的功率谱号的功率谱0scff cfscff2scff scff2滤出上边带 通常是对基带信号进行某种处理，通常是对基带信号进行某种处理，使其直流分量为零，并使低使其直流分量为零，并使低频分量尽可能小，从而使已调频分量尽可能小，从而使已调ASKASK信号的上、下边带之间有一个明信号的上、下边带之间有一个明显的分界显的分界，如采用第四类部分响应形成系统即可做到这一点。，如采用第四类部

21、分响应形成系统即可做到这一点。cf fpfsfscff scff 第四类部分响应形成系统的基带功率谱密度已调信号的功率谱密度普通滤波器由上图可见，第四类部分响应形成系统形成的信号对载波由上图可见，第四类部分响应形成系统形成的信号对载波coscosc ct t调制后，即可得到抑制载频又能使上、下边带之间有一调制后，即可得到抑制载频又能使上、下边带之间有一个明显分界的已调信号频谱。这样就能个明显分界的已调信号频谱。这样就能使用普通滤波器切除一个使用普通滤波器切除一个边带分量，从而实现单边带传输，使边带分量，从而实现单边带传输，使频带利用率是双边带传输的频带利用率是双边带传输的两倍两倍。 残余边带调

22、制残余边带调制是介于双边带和单边带之间的一种调制方法。是介于双边带和单边带之间的一种调制方法。 它是使已调双边带信号通过一个残余边带滤波器，使其双边它是使已调双边带信号通过一个残余边带滤波器，使其双边带中的一个边带的绝大部分和另一个边带的小部分通过，形成所带中的一个边带的绝大部分和另一个边带的小部分通过，形成所谓的谓的残余边带信号残余边带信号。 fpfscff scff cf00.5残余边带残余边带滤波器滤波器 fp0cff 残余边带残余边带信号的功率谱信号的功率谱有一定有一定失真失真scff 3、正交幅度调制、正交幅度调制 正交幅度调制正交幅度调制(QAM)(QAM)，又称，又称正交双边带调

23、制正交双边带调制。是将两路独立的基。是将两路独立的基带波形分别对带波形分别对两个相互正交的同频载波进行抑制载波两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调的双边带调制，所得到的两路已调信号叠加起来送入信道中一起传输。制，所得到的两路已调信号叠加起来送入信道中一起传输。 在在 QAM QAM 系统中，由于系统中，由于两路已调信号在相同的带宽内频谱正交，两路已调信号在相同的带宽内频谱正交，可以在同一频带内并行传输两路数据信息可以在同一频带内并行传输两路数据信息，因此，因此，其频带利用率其频带利用率和单边带系统相同和单边带系统相同。QAMQAM方式一般用于高速数据传输系统中。方式一般用于高速数据传输

24、系统中。 在在 QAM QAM 方式中，基带信号可以是二电平的，又可以是多电方式中，基带信号可以是二电平的，又可以是多电平的，若为多电平时，就构成平的，若为多电平时，就构成多进制正交幅度调制多进制正交幅度调制。 正交幅度调制信号产生原理图如图正交幅度调制信号产生原理图如图3-383-38 残余边带信号所占的频带大于单边带，又小于双边带残余边带信号所占的频带大于单边带，又小于双边带，所以残，所以残余边带系统的频带利用率也是小于单边带，大于双边带的频带利余边带系统的频带利用率也是小于单边带，大于双边带的频带利用率。用率。 由上图可知，输入数据序列经由上图可知，输入数据序列经串串/ /并并变换得变换

25、得A A、B B两路信号，两路信号，再通过低通的基带形成，则形成再通过低通的基带形成，则形成S S1 1(t)(t)和和S S2 2(t)(t)两路独立的两路独立的基带基带波形波形，它们都是，它们都是无直流分量无直流分量的的双极性基带脉冲序列双极性基带脉冲序列。串/并低通低通带通akA路B路S1(t)S2(t)tcosctsintcoscc2te1te2te送入信道信号矢量信号矢量同相支路同相支路 “1”1”正交支路正交支路 “1”1”，合成信号，合成信号同相支路同相支路 ”0”0”正交支路正交支路 “1”1” 合成信号合成信号 2221),cos()(0111111sin)(cos)()(S

26、SSStettyttxteccc对应，对应是随机的，如果基带信号幅度取)4cos(2sincos)(tttteccc)43cos(2sincos)(tttteccc1振幅，四相位振幅，四相位 ak 1 1 0 1 0 0 1 0 A路 B路11010010ttA路B路tak1111000011010010AA-A-A延迟2T2T 由上图可见，由上图可见，A A 路和路和 B B路的周期相同都是串路的周期相同都是串/ /并变换前的两倍，并变换前的两倍，所以所以两路信号的频带相同，都是串两路信号的频带相同，都是串/ /并变换前一半并变换前一半。那么，调制。那么，调制后的两路信号由于采用频率相同的正

27、交载波（相位差后的两路信号由于采用频率相同的正交载波（相位差9090度），度），则已调信号的通频带范围也位于同一区域，因此，两路信号加则已调信号的通频带范围也位于同一区域，因此，两路信号加起来起来所占带宽与单路信号所占带宽与单路信号所占带宽一样，这样，所占带宽一样，这样，QAM QAM 信号所占信号所占带宽减少了一半，频带利用率提高了一倍。与单边带的相同。带宽减少了一半，频带利用率提高了一倍。与单边带的相同。正交调幅系统的功率谱示意图如图正交调幅系统的功率谱示意图如图3-393-39所示所示 tetete21 tsintStcostScc21 由原理图可见，两路由原理图可见，两路合成的输出信号

28、为：合成的输出信号为：fE(f)cf 由右图可见，由右图可见，两路信号同两路信号同处于一个频段之中，但相差处于一个频段之中，但相差9090度度。 正交幅度调制信号的解调必须正交幅度调制信号的解调必须采用相干解调方法采用相干解调方法，解调原理如，解调原理如图图3-383-38所示所示低通低通取样判决取样判决tcosctsincy1(t)y2(t)y(t)带通并/串S1(t)S2(t)ak噪声信道 假定相干载波与信号载波同频同相，且假设信道无失真、带宽假定相干载波与信号载波同频同相，且假设信道无失真、带宽不限、无噪声，则两个解调乘法器的输出分别为不限、无噪声，则两个解调乘法器的输出分别为 tcos

29、tytyc1 tcostsintStcostSccc21 tcostsintStcostSccc221 tsintStcostStScc22221121121 经判决合成后即为经判决合成后即为原数据序列原数据序列。这样，就可以。这样，就可以实现无失真实现无失真的波的波形传输。形传输。 tsintytyc2 tsintsintStcostSccc21 tsintStcostsintSccc221 tcostStsintStScc22221121221 经经低通滤波器低通滤波器滤出滤出高次谐波分量高次谐波分量，上、下两个支路的输出信号，上、下两个支路的输出信号分别为分别为 tStS1211 tSt

30、S2212 为了更进一步说明为了更进一步说明正交调幅信号正交调幅信号的特点，我们还可以从已调信的特点，我们还可以从已调信号的号的相位矢量表示方法相位矢量表示方法来讨论。来讨论。 首先我们首先我们复习一下余弦信号的矢量表示复习一下余弦信号的矢量表示。0tcosAc 式中，式中，A A为振幅，为振幅，c c为角频率，且为常数，为角频率，且为常数，0 0为初相角为初相角，也，也为常数。则其矢量图如下：为常数。则其矢量图如下：设有一余弦信号：设有一余弦信号：O0A 图中，图中，O O为矢量座标的原点，为矢量座标的原点，虚线是长度为虚线是长度为 1 1初相为初相为 0 0度的参度的参考矢量。考矢量。1

31、图中，图中，斜的有向线段就是长度斜的有向线段就是长度为为A A初相为初相为0 0的余弦函数所对应的余弦函数所对应的矢量的矢量。L 矢量的加减运算满足平行四边形的原则矢量的加减运算满足平行四边形的原则。例1 CBAABC例2LNMLMN 为了讨论方便我们把正交调幅信号的产生电路方框图重画于为了讨论方便我们把正交调幅信号的产生电路方框图重画于图图3-403-40 上面图示说明了上面图示说明了矢量图的形成过程矢量图的形成过程。接着进行文字说明：。接着进行文字说明： 由图由图3-36(b)3-36(b)所示抑制载频双边带调幅的波形可以看出，对应所示抑制载频双边带调幅的波形可以看出，对应“1”1”和和“

32、0”0”信号的已调波信号相位相差信号的已调波信号相位相差180180o o。 因此，对于上图的正交调幅电路中的因此，对于上图的正交调幅电路中的A A路的路的“1” 1” 对应对应0 0o o相位，相位， A A路的路的“0” 0” 对应对应180180o o相位；而相位；而B B路的载波与路的载波与A A路相差路相差9090o o，则，则B B路的路的“1” 1” 对应对应9090o o相位，相位，B B路的路的“0” 0” 对应对应270270o o相位相位。串/并低通低通akA路B路S1(t)S2(t)tcosctsintcoscc2te1te2teA10O0180O190O0270OB1

33、0110100 A A、B B两路调制输出经合成电路合成，则输出信号可有四种不同两路调制输出经合成电路合成，则输出信号可有四种不同的相位，各代表一组的相位，各代表一组ABAB的组合，即的组合，即ABAB二元码组二元码组。 ABAB二元码组共有四种组合，即二元码组共有四种组合，即0000，0101，1111，1010。这四种组合。这四种组合所对应的所对应的相位矢量关系相位矢量关系如图如图3-41(a)3-41(a)所示。所示。(a)AB00(0)AB01(1)AB11(2)AB10(3) 左图所示的对应关系是按左图所示的对应关系是按格雷码规则格雷码规则变换的，变换的，这种变这种变换的优点是相邻判

34、决相位的换的优点是相邻判决相位的码组只有一个比特的差别，码组只有一个比特的差别，相位判决错误时只造成一个相位判决错误时只造成一个比特的误码，所以这种变换比特的误码，所以这种变换有利于降低传输误码率有利于降低传输误码率。 星座图上各信号点之间的距离越大抗误码能力越强星座图上各信号点之间的距离越大抗误码能力越强。 上面的讨论中我们用了矢量合成的方法讨论上面的讨论中我们用了矢量合成的方法讨论QAMQAM信号，方法信号，方法简便，而简便，而QAMQAM信号是信号是两路正交的抑制载频双边带调幅信号之和两路正交的抑制载频双边带调幅信号之和。 那么，结果是否正确呢？肯定是正确的！数学推导如下页：那么，结果是

35、否正确呢？肯定是正确的！数学推导如下页： 图图(a)(a)是用矢量表示是用矢量表示QAMQAM信号。图信号。图3-41(b)3-41(b)是是QAMQAM的星座表示的星座表示。(b)00011110 由上图可以看出，星座图中只由上图可以看出，星座图中只画出矢量端点。如星座图上有四画出矢量端点。如星座图上有四个星点，则称为个星点，则称为4QAM4QAM。 从星座图上很容易看出：从星座图上很容易看出：A A路的路的“1”1”码位于星座图的右侧，码位于星座图的右侧，“0”0”码在左侧；而码在左侧；而B B路的路的“1”1”码则在上侧，码则在上侧，“0”0”码在下侧。码在下侧。42tcosAc设AB码

36、组是11，即AB=11 tsintStcostStecc21则：S1(t)=A， S2(t)=AtsinAtcosAcc42tcosActsintcosAcc21212tsinAtcosAcctsinsintcoscosAcc442则合成矢量为： 与上面推导类似，我们可以得到二元码组与上面推导类似，我们可以得到二元码组ABAB其它三种情况的合其它三种情况的合成波表达式和矢量图成波表达式和矢量图： 通过上面推导得到与前面用矢量图合成方法相同的结论。通过上面推导得到与前面用矢量图合成方法相同的结论。 通过讨论可知，通过讨论可知， QAM QAM 正交调幅正交调幅结果得到的是四种振幅相同结果得到的是

37、四种振幅相同相差相差 9090度度(/2) (/2) 的余弦振荡信号。所以，今后可用这种方法实的余弦振荡信号。所以，今后可用这种方法实现四相调相现四相调相。AB=01时， 则：S1(t)=A， S2(t)=A 432tcosAtecAB=00时， 则：S1(t)=A， S2(t)=A 452tcosAtecAB=10时， 则：S1(t)=A， S2(t)=A 472tcosAtec 对前述讨论的对前述讨论的 4QAM 4QAM 方式是方式是 A A、B B 各路传送的是二电平码的各路传送的是二电平码的情况，如果采用二路四电平码送到情况，如果采用二路四电平码送到A A、B B的调制器，就能更进一

38、的调制器，就能更进一步提高频谱利用率。步提高频谱利用率。 由于采用四电平基带信号，所以，每路在星座图上有由于采用四电平基带信号，所以，每路在星座图上有4 4个个点，于是点，于是 4 44=164=16，组成，组成 16 16 个点的星座图。如图个点的星座图。如图 3-42 3-42 所示，所示，称为称为16QAM16QAM。 16QAM16QAM与与4QAM4QAM一样一样A A、B B两两路互相正交的抑制载频的双路互相正交的抑制载频的双边带调幅信号合起来边带调幅信号合起来，同样，同样可以用矢量合成的方法画出可以用矢量合成的方法画出星座图。星座图。101011000101 四元码的组合对应的星

39、座点仍然满足四元码的组合对应的星座点仍然满足格雷码规则格雷码规则（包括（包括A A、B B两路各自四电平码的对应关系）。两路各自四电平码的对应关系）。 同理，将二路八电平码送到同理，将二路八电平码送到 A A、B B 调制器，可得调制器，可得6464星座图，称星座图，称为为64QAM64QAM，更进一步还有，更进一步还有256QAM256QAM等。等。 注意：注意：星座图中相邻星点之间的距离处处相等。星座图中相邻星点之间的距离处处相等。MQAMMQAM抗噪声抗噪声干扰能力最强。这一点在所有矢量图中都得到体现干扰能力最强。这一点在所有矢量图中都得到体现。 前面的讨论中，我们都是先有了调制电路，再

40、用矢量合成的方前面的讨论中，我们都是先有了调制电路，再用矢量合成的方法求出该调制的矢量图（或星座点图）。法求出该调制的矢量图（或星座点图）。 其实，实际设计中，是首先设计出其实，实际设计中，是首先设计出 MQAM (MQAM (包括后面学习包括后面学习的的MPSK)MPSK)的的星座点图星座点图，再将星座点图上的，再将星座点图上的矢量分解成两个互相正矢量分解成两个互相正交的矢量分量交的矢量分量，然后根据两个分量可能出现的幅度设计两互相正，然后根据两个分量可能出现的幅度设计两互相正交的调制支路，最后两支路再合起来就构成了整个调制产生电路。交的调制支路，最后两支路再合起来就构成了整个调制产生电路。

41、 同样同样MQAMMQAM的解调电路的设计也是这种方法。的解调电路的设计也是这种方法。 所以星座点图称为调制解调电路的所以星座点图称为调制解调电路的数学模型电路数学模型电路. . 我们还可以论证：我们还可以论证： 星座图上星座图上星点越多，频带利用率就越高，但是，误码率就越大星点越多，频带利用率就越高，但是，误码率就越大。 下面就讨论下面就讨论MQAMMQAM的频带利用率。的频带利用率。 M M即星点数，设输入数据序列的比特率，即即星点数，设输入数据序列的比特率，即A A和和B B两路的总比特两路的总比特率为率为f fb b，信道带宽为，信道带宽为B B，则，则频谱利用率频谱利用率为：为： 由

42、前述讨论可知，对由前述讨论可知，对 MQAM MQAM 系统，系统， A A、B B 各路基带信号的电平各路基带信号的电平数应是数应是 M M 的平方根。如的平方根。如 16QAM16QAM时，则每路的基带信号是四电平。时，则每路的基带信号是四电平。 对对MQAMMQAM来说，来说，A A路和路和B B路每个符号路每个符号( (码元码元) ) 含有的比特数应为：含有的比特数应为：BfbHzs/bitMlogMlog221221 而经过串而经过串/ /并转化电路后，并转化电路后， A A路和路和 B B路的比特率应为总比特率路的比特率应为总比特率f fb b的一半的一半，则，则A A路和路和B

43、B路的调制速率路的调制速率( (或符号速率或符号速率) N) NBdBd和符号周期和符号周期 T T分别为为：分别为为：MlogffBdbbMlogN22122 秒bBdfMlogNT21 另外，我们知道另外，我们知道 MQAM MQAM 的信道带宽为的信道带宽为 B B，是调制后的带通型信，是调制后的带通型信道，而道，而A A路和路和B B路是未调制前的基带信号，则路是未调制前的基带信号，则A A路和路和B B路的基带带宽路的基带带宽的最大值的最大值B B基基应为应为MQAMMQAM的信道带宽的信道带宽B B的一半的一半。 如果如果A A路和路和B B路的基带形成滤波器都采用滚降特性（设滚降

44、系数路的基带形成滤波器都采用滚降特性（设滚降系数为为，滚降频率为，滚降频率为f fN N），因此，），因此，在在 MQAM MQAM 信道带宽为信道带宽为B B的条件下得的条件下得到最高的总的比特率到最高的总的比特率 f fb b，按前面学习的奈奎斯特第一准则，应满，按前面学习的奈奎斯特第一准则，应满足如下关系式：足如下关系式：NfB 1基T211BdN212BBdNB 1则可得：Mlogfb21Mlogfb21将上式代入频谱利用率定义式可得： BfbMlogbfbf2112Mlog通常原始的数字数据都是二进制的，为了得到多进制的通常原始的数字数据都是二进制的，为了得到多进制的MQAMMQAM

45、，首先将，首先将同相同相和和正交正交信道二进制信号转换为信道二进制信号转换为 电平电平基带信号信号，再分别进行同相和正交信道的载波调制，基带信号信号，再分别进行同相和正交信道的载波调制，相加得到相加得到MQAM. 16QAMMQAM. 16QAM为例：为例：输入的串行比特流四个一组，分成双比特码元送入支路，输入的串行比特流四个一组，分成双比特码元送入支路，双比特码元变成四电平信号。双比特码元变成四电平信号。MQ2 I2 Q1 I124电平转换电平转换24电平转换电平转换tccos2 I1 Q1 I2 Q216QAM三、数字调相（三、数字调相（70页）页） 以基带数据信号控制载波的相位（幅度和角

46、频率是常数），称以基带数据信号控制载波的相位（幅度和角频率是常数），称为为数字调相数字调相，又称，又称相移键控相移键控，简写为，简写为PSKPSK。 1 1、PSKPSK信号及功率谱密度信号及功率谱密度 按按PSKPSK的基本定义可画出如图的基本定义可画出如图 3-43 3-43 所示数据信号与所示数据信号与PSKPSK信号信号的对应波形。的对应波形。 图中图中(a)(a)是数据信号序列；是数据信号序列； (b)(b)是未调载波信号是未调载波信号coscosc ct t； 可见可见M M值越的，即星座点越多其频谱利用率就越高（其实是在同值越的，即星座点越多其频谱利用率就越高（其实是在同样的符号

47、间隔内，每个符号样的符号间隔内，每个符号 ( (码元码元) )携带的比特数越大），目前可携带的比特数越大），目前可以做到以做到 M=64M=64， 甚至更高，故正交幅度调制一般是甚至更高，故正交幅度调制一般是应用于高速数应用于高速数据传输系统中据传输系统中。 (c)(c)为二相绝对调相信号，记为为二相绝对调相信号，记为2PSK2PSK； (d)(d)为二相相对调相信号，为二相相对调相信号，记为记为2DPSK2DPSK。 绝对调相信号的变换规则是：绝对调相信号的变换规则是： 数据信号的数据信号的“1”1”对应于已调对应于已调信号的信号的0 0o o相位；数据信号的相位；数据信号的“0”0”对应于

48、已调信号的对应于已调信号的180180o o相位相位，或或反之反之。这里的。这里的0 0o o和和180180o o是以未调载波的是以未调载波的0 0o o作参考相位的。作参考相位的。 相对调相信号的变换规则是：相对调相信号的变换规则是： 数据信号的数据信号的“1”1”使已调信号使已调信号的相位变化的相位变化180180o o相位；数据信号的相位；数据信号的“0”0”使已调信号的相位变化使已调信号的相位变化0 0o o相位相位，或反之。这里的或反之。这里的 0 0o o和和180180o o的变化是相对于已调信号的前一的变化是相对于已调信号的前一码元相位，或者说，这里的变化是以已调信号的前一码

49、元相位作码元相位，或者说，这里的变化是以已调信号的前一码元相位作为参考相位的。即为参考相位的。即参考相位参考相位不是固定的，而是相对的不是固定的，而是相对的( (动态变化动态变化的的) )。图3-43 PSK信号波形(b)t0(a)tS(t)0101100101t(c)e(t)000000t(d)e(t)00000 在上图中，未调载波是在上图中，未调载波是0 0相位，在图相位，在图(c)(c)和和(d)(d)的相位都是相对的相位都是相对未调载波信号的相位。未调载波信号的相位。 2、二相调相信号的产生和解调、二相调相信号的产生和解调2PSK2PSK信号的产生和解调信号的产生和解调 由前面的图可以

50、看出，由前面的图可以看出，2PSK2PSK信号与抑制载波的信号与抑制载波的2ASK2ASK信号等效信号等效，因此，可以利用双极性基带信号通过乘法器与载波信号相乘得到因此，可以利用双极性基带信号通过乘法器与载波信号相乘得到2PSK2PSK信号，这是产生信号，这是产生2PSK2PSK信号的信号的一种方法一种方法。 图图3-44(a)3-44(a)给出的是一种用给出的是一种用相位选择法相位选择法产生产生2PSK2PSK信号的原理框图。信号的原理框图。 可以证明可以证明2PSK(2PSK(包括包括2DPSK)2DPSK)的功率谱与的功率谱与抑制载波的抑制载波的 2ASK2ASK的功率的功率谱相同，也是

51、双边的连续谱，无离散谱，谱相同，也是双边的连续谱，无离散谱，带宽是基带数据信号的带宽是基带数据信号的2 2倍。倍。 2PSK2PSK信号的信号的解调与解调与QAMQAM方式一样方式一样，需要用，需要用相干解调相干解调的方式，即的方式，即需要恢复相干载波以用于与接收的已调信号相乘。需要恢复相干载波以用于与接收的已调信号相乘。 但是由于但是由于2PSK2PSK信号中无载波频率分量，所以信号中无载波频率分量，所以无法从接收的已无法从接收的已调信号中直接提取相干载波。调信号中直接提取相干载波。门1倒相输入基带信号输入基带信号门2振荡器0o+(a)2PSK产生原理框图信信道道 左图中，振荡器产生左图中，

52、振荡器产生0 0o o,两两种不同相位的载波分别送入两种不同相位的载波分别送入两个门电路，如输入基带信号为个门电路，如输入基带信号为单极性脉冲，当输入高电位单极性脉冲，当输入高电位“1”1”码时，门电路码时，门电路1 1开通，输开通，输出出0 0o o相位载波相位载波 ；当输入低电；当输入低电位位“0”0”码时，经倒相电路可码时，经倒相电路可使门电路使门电路2 2开通，输出开通，输出180180o o()()相位载波。经合成电路输出即相位载波。经合成电路输出即为为2PSK信号。 左图载波提取电路采用了左图载波提取电路采用了倍倍频频/分频法分频法，先将，先将 2PSK 信号作信号作全波整流，使整

53、流后的信号中全波整流，使整流后的信号中含有含有2fC频率的周期波。频率的周期波。载波提取电路鉴相器信道222fC滤波(b)2PSK解调电路原理框图0te(t)t0整流后的信号 由上图可看出不论调制信号如何，由上图可看出不论调制信号如何， 2PSK 2PSK 经整流后都是图中经整流后都是图中的周期性信号，它以原正弦信号的正半周为基本信号、原周期的周期性信号，它以原正弦信号的正半周为基本信号、原周期的一半为新周期。的一半为新周期。 按信号理论，其必含有按信号理论，其必含有 2 2f fC C 频率分量频率分量， 经过经过窄带滤波器提取窄带滤波器提取，再经过再经过2 2分频电路就能得到相干载波分频电

54、路就能得到相干载波f fC C。 最后经过相乘电路进行相干解调即可得输出基带信号。最后经过相乘电路进行相干解调即可得输出基带信号。 这种这种2PSK2PSK信号的解调存在一个问题，即信号的解调存在一个问题，即2 2分频器电路输出存在分频器电路输出存在相位不定性或相位模糊问题相位不定性或相位模糊问题，如图，如图3-453-45所示。所示。fC(0o)fC(180o)2fC 假定计数器起始输假定计数器起始输出电位为低电位。出电位为低电位。 假定计数器起始输假定计数器起始输出电位为高电位出电位为高电位。 由上图可见，恢复的载波有两种相位，可能是由上图可见，恢复的载波有两种相位，可能是0 0相位，也可

55、能是相位，也可能是180180度相位，度相位，到底是哪个相位无法确定，是随机的。到底是哪个相位无法确定，是随机的。 所以所以2PSK2PSK相干解调的输出基带信号相干解调的输出基带信号存在倒相现象存在倒相现象，见下面推导：，见下面推导： 所以实际中没有使用所以实际中没有使用 2PSK2PSK，而是采用相对调相，即，而是采用相对调相，即 2DPSK2DPSK方式，方式，它可以解决相位模糊问题。它可以解决相位模糊问题。 2DPSK2DPSK信号的产生和解调信号的产生和解调 只要将只要将输入输入的基带数据信号序列变换成的基带数据信号序列变换成相对序列相对序列，即差分码，即差分码序列，序列，然后对相对

56、序列然后对相对序列进行绝对调相，就可得到进行绝对调相，就可得到2DPSK2DPSK信号信号，如图，如图3-463-46所示。所示。 tcostStec假定当恢复的载波为当恢复的载波为0 0相位时，相位时， tcostStStcostcostSccc22121 tS21当恢复的载波相位为当恢复的载波相位为180180度时度时， tcostStStcostcostSccc22121 tS21码变换2PSK调制Dnan2DPSK信号输出图图3-46 2DPSK信号的产生信号的产生 左图中，左图中， an和和Dn分别表示绝分别表示绝对码序列和差分码序列，它们对码序列和差分码序列，它们之间的关系为：之间

57、的关系为： Dn=an Dn1(a)t绝对码01011001010(b)相对码t10010001100000t(c)02DPSK信号 由上图我们通过对数据信号序列的差分码进行绝对调相实现了由上图我们通过对数据信号序列的差分码进行绝对调相实现了2DPSK2DPSK。 在上图中，我们假定码变换电路的初始输出值为在上图中，我们假定码变换电路的初始输出值为高电平高电平“1 1”，但是，它同样可能是但是，它同样可能是低电平低电平“0 0”，因此，码变换的结果还可能出，因此，码变换的结果还可能出现另一种情况，可以证明即是现另一种情况，可以证明即是前一种码序列的反码序列前一种码序列的反码序列。见下图：。见下

58、图：例如： an： 1 0 1 1 0 0 1 0 1Dn： 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0或 Dn： 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1按反变换公式：按反变换公式： an = Dn Dn1an101100101 由上图可见，尽管有两种差分码（它们互为反码），但是它们由上图可见，尽管有两种差分码（它们互为反码），但是它们含有的绝对码信息是一样的，所以经过含有的绝对码信息是一样的，所以经过反变换可恢复原绝对码序反变换可恢复原绝对码序列。列。按变换公式按变换公式： Dn=anDn1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 由此我们能说明为什么由此我们能说

59、明为什么2DPSK2DPSK能解决相干解调时出现的相位模能解决相干解调时出现的相位模糊问题。糊问题。 前面的讨论中我们提到由于提取的载波相位不确定，相干解前面的讨论中我们提到由于提取的载波相位不确定，相干解调的输出基带信号就会存在调的输出基带信号就会存在0 0或或1 1倒相现象。倒相现象。其实就是可能出现原其实就是可能出现原码的反码。码的反码。 所以，尽管恢复的相干载波的相位有两种，所以，尽管恢复的相干载波的相位有两种， 2DPSK2DPSK经过经过 2PSK2PSK相干解调出的基带数据信号序列是就是上页中两种差分码序相干解调出的基带数据信号序列是就是上页中两种差分码序列中的一种，则按上页中讨

60、论的结果，列中的一种，则按上页中讨论的结果，经过码型反变换，都能恢经过码型反变换，都能恢复原始的基带绝对码数据信号序列。即复原始的基带绝对码数据信号序列。即2DPSK2DPSK能解决相位模糊问能解决相位模糊问题题。 2DPSK2DPSK的解调的解调 2DPSK2DPSK的解调有两种方法：的解调有两种方法：极性比较法极性比较法和和相位比较法相位比较法 图图3-483-48所示是所示是极性比较法极性比较法是极性比较法的实现原理框图是极性比较法的实现原理框图2DPSK输入2PSK解调Dn码变换an 输出 an = Dn Dn1 极性比较法极性比较法是对是对 2DPSK2DPSK信号先进行信号先进行