信号的频带传输

第4章数字信号的频带传输2023/1/142收信机发信机信道噪声源信宿信源译码电/非电变换D/A变换数据解压解密译码信道译码解调器信息源信源编码非电/电变换A/D变换信道编码离散连续数据压缩加密编码数字信号的频带传输调制器数字信号的频带传输

本章学习要求掌握调制的概念，掌握数字信号的频带传输系统构成掌握2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK调制原理、信号特性，理解调制、解调方法，了解二进制数字调制系统性能掌握多进制数字调制原理，了解信号特性熟悉QAM调制原理，掌握星座图4.2二进制幅度键控（2ASK）本章主要内容4.3二进制频移键控（2FSK）4.4二进制相移键控（2PSK）4.6正交振幅调制（QAM）4.5多进制数字调制4.1调制4.1为什么要调制数字基带信号：频谱（功率谱）集中在零频率附近。带通信道：传输特性是带通型的。问题：数字基带信号能在带通型信道上直接传输吗？f(Hz)20001X(f)5000100001H(f)输出信号为0！！！要使信号通过信道，必须在传输前对信号频谱进行搬移，搬移到信道的通带范围内，这种信号频谱的搬移过程称为调制，接收端信号频谱反搬移的过程称为解调。调制实现方法20001X(f)fc-fcmodulationfc-fc20001X(f)demodulation用基带信号控制载波的某个参量。

调制分类

根据基带信号的不同，调制分为：数字调制：基带信号为数字信号模拟调制：基带信号为模拟信号根据所用载波的不同，调制分为：

正弦载波调制：载波为正弦信号脉冲调制：载波为脉冲信号

数字调制分类用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制。把逆过程称为数字解调。基本的数字调制方式幅度键控(ASK)：用载波的不同振幅表示数字消息。

相位键控(PSK)：用载波的不同初相位表示数字消息。频率键控(FSK)：用载波的不同频率表示数字消息。数字基带信号可以同时控制载波的若干个参数。

数字频带传输系统正弦载波信号

典型应用——使用模拟电话信道传输数据信号

单极性NRZ码频谱

电话信道的传递函数4.2二进制幅度键控（2ASK）本章主要内容4.3二进制频移键控（2FSK）4.4二进制相移键控（2PSK）4.6正交振幅调制（QAM）4.5多进制数字调制4.1调制

幅度键控

4.2二进制幅度键控（2ASK）记作ASK(AmplitudeShiftKeying)，或称其为开关键控(通断键控)，记作OOK(OnOffKeying)。二进制数字振幅键控通常记作2ASK。

2ASK调制信号波形

2ASK调制模型

ASK信号其中g(t)是单位矩形脉冲，周期为Tban取值为：

2ASK信号波形求解示例【例1】某2ASK调制系统的码元传输速率为1000波特，载频为3000Hz。若发送数字信息为0110…，试画出它的信号波形图。

模拟法2ASK调制方法

键控法载波发生器基带信号形成器×带通滤波器

相干检测法相乘器输出低通滤波器输出为单极性基带数字信号，经抽样判决器判决后输出数字信号

2ASK的解调

2ASK的解调

包络检波法

2ASK信号频谱

2ASK频谱

若

s(t)为单极性NRZ全占空矩形脉冲，P=1/22ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成

若只计谱的主瓣，2ASK信号的带宽为：

B=2fb

2ASK系统的频带利用率

2ASK信号频谱特性2ASK调制特点

易于实现

抗干扰能力不强

应用在低速数据传输中4.2二进制幅度键控（2ASK）本章主要内容4.3二进制频移键控（2FSK）4.4二进制相移键控（2PSK）4.6正交振幅调制（QAM）4.5多进制数字调制4.1调制

频移键控

4.3二进制频移键控（2FSK）频率调制又称频移键控，记作FSK(FrequencyShiftKeying)，二进制频移键控记作2FSK。2FSK信号是符号“1”对应于载频ω1，而符号“0”对应于载频ω2的已调波形，而且ω1与ω2之间的改变是瞬间完成的。

2FSK信号2FSK信号时域描述式中an

取1、0值，和是相互独立的随机相位。g(t)是高度为a、宽度为Tb

的矩形脉冲。 2FSK可看作由角频率为ωc1和ωc2的两个2ASK信号组成。

2FSK信号波形求解示例【例2】某2FSK调制系统的码元传输速率为1000波特。设发送符号为“1”时对应载频2000Hz，发送符号为“0”时对应载频为3000Hz。若发送数字信息为011010…，试画出它的信号波形图。

模拟调频法（CPFSK）2FSK调制实现方法键控法（DPFSK）

过零点检测法2FSK解调方法

差分检测法

包络解调法

相干检测法

相干检测法2FSK相干检测与包络检测

包络解调法2FSK包络解调各点波形2FSK差分检测与过零点检测

差分检测法

过零点检测法放大限幅微分整流脉冲形成低通2FSK过零点检测各点波形

2FSK信号频谱

2FSK频谱

若

s(t)为单极性NRZ全占空矩形脉冲，P=1/2，2FSK信号频谱图

其中D=|fc1－fc2|/fb，称为调制指数或频移指数，为保证接收端能够正确接收，|fc1－fc2|通常取2fb或更大

2FSK信号带宽：

2FSK系统频带利用率：

2FSK调制特点转换速度快频率稳定度高电路较简单

抗干扰能力强占用频带较宽4.2二进制幅度键控（2ASK）本章主要内容4.3二进制频移键控（2FSK）4.4二进制相移键控（2PSK）4.6正交振幅调制（QAM）4.5多进制数字调制4.1调制

相移键控4.4二进制相移键控（2PSK）相移键控，记作PSK(PhaseShiftKeying)，二进制频移键控记作2PSK。

绝对调相与相对调相绝对调相（PSK）：固定的用某种相位的载波表示“1”，另一种相位的载波表示“0”相对调相（DPSK）：利用前后相邻码元的相对相位值来表示数据码元，例如常用的方式是相邻码元载波相位变化表示“1”，不变表示“0”

2PSK信号波形2PSK信号表示{an}取值－1，+1

2PSK信号波形求解示例【例3】某2PSK调制系统的码元传输速率为1000波特，载波频率为3000Hz。若发送数字信息为011010…，试画出它的信号波形图。

若载波频率为1500Hz，2PSK信号波形如何？直接调相法

2PSK调制原理键控法

2PSK直接调相法各点波形

2PSK解调方法——相干检测若载波反向工作，则接收的输出信号如何？2PSK方式的“倒”（反向）工作现象，又称为“相位模糊”

2DPSK信号波形{bn}取值为1，+1,相对码相对相位是指本码元初相与前一码元的末相相位之差。

2DPSK信号波形求解示例【例4】某2DPSK调制系统的码元传输速率为1000波特，载波频率为2000Hz。若发送数字信息为011010…，试画出它的信号波形图。

相对码与绝对码关系如何？

2DPSK调制原理绝对码和相对码的相互转换编码译码延迟延迟

2DPSK调制器框图

2DPSK解调方法相干检测－差分译码相位比较－差分检测若载波反向工作，是否存在相位模糊问题？

2DPSK差分检测各点波形2PSK信号频谱

2PSK信号频谱分析若

s(t)为双极性NRZ全占空矩形脉冲，P=1/2

2PSK信号频谱分析2PSK信号带宽：B=2fb2PSK信号的频带利用率：2DPSK调制和2PSK调制的区别仅在于对应的基带信号是差分双极性码，所以其频谱结构与2PSK信号的完全相同

2PSK及2DPSK系统性能比较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)2DPSK系统的抗噪声性能不及2PSK系统2PSK系统存在“反向”工作问题，而2DPSK系统不存在“反向”工作问题。在实际应用中，真正作为传输用的数字调相信号几乎都是DPSK信号。带宽抗噪性能最佳判决门限设备复杂性二进制数字调制系统性能比较二进制数字调制系统抗噪性能比较结论：2ASK由于抗噪声性能差，又不容易工作在最佳判决门限，因而很少使用。2FSK相干解调在接收机中需要两个相干载波，而抗噪声性能却不如2PSK，因而没有实际使用。2DPSK的抗噪声性能比2PSK稍差，但不存在2PSK中的“反向”工作问题。因此实际中广泛使用的是2FSK非相干解调系统和2PSK、2DPSK相干解调系统。4.2二进制幅度键控（2ASK）本章主要内容4.3二进制频移键控（2FSK）4.4二进制相移键控（2PSK）4.6正交振幅调制（QAM）4.5多进制数字调制4.1调制

多进制数字调制是利用多进制数字基带信号去调制载波的幅度、频率或相位。

4.5多进制数字调制

多进制数字调制特点：在相同的码元传输速率条件下，多进制系统的信息速率比二进制系统的高。多进制数字振幅调制（MASK）多进制数字频率调制（MFSK）多进制数字相位调制（MPSK）其中，g(t)是高度为A、宽度为Tb

的矩形脉冲，an

表示第n个码元的数字信息，其取值为

MASKMASK信号的表示式满足MASK信号可看成m个2ASK信号的叠加

设码元速率为fb，信号的带宽与码元数无关若2ASK和MASK数字信号的码元速率相同，则两者的信号带宽相同，MASK信号的信息速率是2ASK信号的k=log2m倍

MASK信号的带宽频带利用率

MFSKMFSK信号：在每一码元中的信号为下述m个不同频率信号之一MFSK信号可看成m个振幅相同、频率不同的2ASK信号的叠加MFSK信号的带宽为其中，fm、f1

分别是最高和最低频率，fb

是码元速率。若相邻频率间隔等于2fb（功率谱主瓣正好不重叠），则2fb

MFSK信号的带宽频带利用率

码元速率一定，带宽随m增大线性增大。信息速率Rb一定，码元速率

带宽

信息速率一定，带宽随m增大而增大。

MFSK调制的频带利用率随m增大而下降。

MFSK码元速率和频带利用率

MPSKMPSK信号：在每一码元中的信号为下述M个不同相位信号之一是第k个码元的相位有M种不同取值MPSK信号可看成载波互为正交的两路MASK信号的叠加相位配置的第一种形式：相位配置的第二种形式：M=4，对于第一种形式，可能的4种相位为对于第二种形式，可能的4种相位为称为π/2体系。称为π/4体系。

MPSK相位取值：π/2体系π/4体系

MPSK信号矢量图

101100100100双比特码参考载波π/2体系π/4体系

MPSK信号波形图MPSK信号的带宽为

MPSK信号的带宽折合到每赫兹带宽的MPSK信号的信息速率是2PSK信号的k=log2M倍。4.2二进制幅度键控（2ASK）本章主要内容4.3二进制频移键控（2FSK）4.4二进制相移键控（2PSK）4.6正交振幅调制（QAM）4.5多进制数字调制4.1调制

QuadratureAmplitudeModulation,QAM

4.6正交振幅调制（QAM）

QAM信号一般表达式振幅与相位相结合的调制方式。使用两个振幅不同的载波，一个同相而另一个正交。 mI(t)和mQ(t)为两个独立的基带波形，其为多电平信号。

若mI(t)和mQ(t)为L电平信号，则QAM信号个数M=L2。星座图

Costellationdiagram，用于定义信号元素的振幅和相位。8PSK星座图正交成分的振幅同相成分的振幅长度：振幅角度：相位X（同相载波）Y（正交载波）16QAM星座图

MQAM调制原理调制原理图解调原理图

4QAM调制过程各点波形

4QAM解调过程各点波形

MQAM系统性能

MQAM信号带宽B=2fb

MQAM频带利用率

本章总结调制的概念2ASK调制原理、调制解调方