第四章-数字频带调制

2023/2/41/133通信原理第4章数字频带调制2/1332023/2/4数字频带传输技术——在带通信道上传输数字信号的方法。图5.0二元ASK、FSK与PSK的信号波形单极性NRZ双极性NRZASK信号PSK信号FSK信号3/1332023/2/4本章目录：4.1ASK4.2FSK4.3PSK与DPSK4.4QPSK与DQPSK4.5多元数字频带调制4.6数字电视系统本章学习要求：掌握：二进制幅度键控2ASK、频率键控2FSK和相位键控2PSK三种基本调制方式的原理、调制和解调电路形式掌握：相干调制和键控调制两种方法掌握：相干解调和非相干解调两种方法掌握：相位连续的移频键控CPFSK、最小移频键控MSK、高斯最小移频键控GMSK等掌握：相位键控有绝对移相和相对移相两种方案，其中相对移相可以克服传输过程中可能出现的相位模糊现象了解：多进制数字调制5/1332023/2/4信道噪声接收设备信源信宿格式化脉冲基带调制发送设备信源编码信道编码加密频带调制发射机格式化脉冲基带检测信源译码信道译码解密频带解调接收机数字通信系统简化模型信号处理信号处理基带信号基带信号6/1332023/2/4调制信号已调带通信号数字基带信号数字基带信号带通信号数字载波系统模型：频带调制频带调制传输媒介(信道)7/1332023/2/44.1

2ASK(2AmplitudeShiftKeying)8/1332023/2/44.1.1基本原理2ASK或OOK(二进制幅移键控)——键控（改变）正弦载波的振幅来传输0或1符号。1.2ASK信号及其调制方法图4.1.12ASK（或OOK）信号的波形通断键控或启闭键控（OOK）ON-OFFKeying9/1332023/2/4复包络:2ASK信号也可以表示为：2ASK信号时域表示：第n个码元10/1332023/2/4（a）乘积法 （b）开关法（键控法）乘法器单极性不归零信号图4.1.22ASK调制框图载波产生2ASK信号的产生：11/1332023/2/42.包络检波解调方法发送端信道BPF包络检波器抽样判决器定时信号输出图4.1.32ASK包络检波解调框图带宽B带宽2BB=Rb带宽2B12/1332023/2/4

非相干解调1AAAA13/1332023/2/44.1.2功率谱与带宽复包络:单极性NRZ信号14/1332023/2/415/1332023/2/4

向上频移基带接收滤波器抽样与判决BPFLPFB2B基带发送滤波器向下频移AWGN频带信道符号定时最后，了解相干解调的2ASK传输系统:16/1332023/2/44.2

2FSK

(2Frequency-ShiftKeying)17/1332023/2/44.2.1基本原理2FSK或BFSK（二进制频移键控）——键控正弦载波的频率来传输二元符号。1.2FSK信号及其调制方法18/1332023/2/42FSK信号时域表示：也可以表示为（相当于两路ASK相加）：

与“互补”：19/1332023/2/4图4.2.22FSK信号的时域波形及其互补OOK特点10100120/1332023/2/4单极性NRZ

2FSK信号的产生：图4.2.12FSK信号的产生原理框图21/1332023/2/4

相干解调频差较大时适合抽样判决LPFLPFBPFBPFW=2RbW=2Rbf1f022/1332023/2/43.包络检波解调方法两个互补OOK接收系统的组合：(非相干解调)包络检波器包络检波器输出定时信号图5.2.4FSK信号的包络检波接收框图W=2RbW=2Rb整流整流LPFLPF抽样判决BPF(f1)BPF(f0)适合于频差较大的场合23/1332023/2/4（2）判决准则为：，或（1）上支路接收部分，下支路接收部分；系统必须满足：；适合于频差较大的场合24/1332023/2/4101001图5.2.5包络检波器的输出25/1332023/2/44.*过零检测解调方法其主要过程：(1)检测过零点；形成边沿窄脉冲；(2)将脉冲的疏密变换为电平高低；最后得到0或1

(非相干解调)26/1332023/2/4图5.2.6过零检测器中的主要信号波形(1)检测过零点；形成边沿窄脉冲；(2)将脉冲的疏密变换为电平高低；最后得到0或1LPFBPF位同步器输出W=|f1-f0|+2Rb限幅微分整流单稳抽样判决27/1332023/2/44.2.2功率谱与带宽两个互补的2ASK信号的功率谱的相加，传输带宽：28/1332023/2/4如果和过于接近时，功率谱中两个2ASK频谱将发生重叠。需要保持，

图5.2.8FSK信号功率谱示意图一般：29/1332023/2/42.*相位连续性(a) (b)图4.2.3不连续与连续相位的2FSK信号相位不连续的信号占据很多的频带，应该尽量避免相位不连续相位连续4．2．3相位连续的频移键控CPFSK30相位不连续的2FSK信号“传号”“空号”定义保持相位连续的方法：相位连续的2FSK信号31/1332023/2/4保持相位连续的方法：保持相位连续的条件：

当n=1时，最小频差：此时，CPFSK成为最小频移键控（MSK）32最小移频键控(MSK)附加相位函数：分段线性函数，以Ts为段+1-1-1+1+1+1ak33最小移频键控(MSK)MSK信号的特点已调信号的振幅恒定；符号交界处信号的相位是连续的。MSK信号双极性矩形不归零脉冲h=0.534MSK的正交调制表示形式其中，35利用正交调制法产生MSK信号36MSK信号的功率谱密度372高斯最小移频键控(GMSK)提出背景MSK信号的相位路径为折线，其功率谱旁瓣衰减不够快。在诸如移动通信等通信场合中，对信号带外辐射功率限制严格，而MSK无法满足要求。GMSK信号的产生在MSK调制器之前加入一高斯低通滤波器，作为MSK调制器的前置滤波器高斯低通滤波器h(t)MSK调制器GMSK信号双极性不归零矩形脉冲序列3dB带宽为B38高斯最小移频键控(GMSK)sBTsBTsBTs高斯滤波器的矩形脉冲响应g(t)39GMSK信号的平均功率谱密度GMSK信号功率谱特性的改善是通过降低误比特率性能换来的前置滤波器的带宽越窄，输出功率越紧凑，误比特率性能越差当BTs=0.25时，误比特率性能下降并不严重。40/1332023/2/44.3

2PSK与2DPSK(2Phase-ShiftKeying)(2DifferentialPhase-ShiftKeying)41/1332023/2/41.2PSK信号及其调制方法4.3.12PSK2PSK或BPSK（二进制相移键控）——利用两种相位来传输二元符号。2PSK最常用的两种相位：0(同相)

或π（反相）

42/1332023/2/42PSK信号时域表示：或，令序列的双极性二元NRZ基带信号为，43/1332023/2/4双极性NRZ2PSK信号的产生：乘积法与选择法。开关电路44/1332023/2/4复包络:双极性NRZ信号2.功率谱与带宽45/1332023/2/4形状与2ASK的相同，但没有离散的载波谱线。传输带宽

2PSK又可以看作抑制载波后的2ASK信号，或，2ASK信号确实是2PSK信号与载波的叠加。双极性单极性46/1332023/2/43.2PSK的相干解调来自信道向下频移符号定时基带接收滤波器抽样与判决BPFLPF图5.3.32PSK相干解调框架B中心fcB为基带信号带宽2B注意：nc(t)的双边功率谱密度为N047/1332023/2/42PSK调制解调过程：48/1332023/2/44.3.22DPSK2PSK无法直接应用：本地振荡存在着“不确定性反相”的问题：“0”与“1”颠倒，而自身对此无法知道。2DPSK（二进制差分相移键控）——将差分编码与2PSK相结合，解决了“不确定性反相”的问题。49/1332023/2/4例:设DPSK

实质：用前后码元载波相位的相对变化传数字信息传号差分编码50/1332023/2/4

0123456781001001110001110

100011101+1-1-1-1+1+1+1-1+10π

π

π000π

0

π

00-π

00π

-π

相对码绝对码电平相位n例5.4举例说明2DPSK信号产生过程中各码元的变换以及与载波相位变化的关系绝对相位相对相位通过相邻时隙载波相位的变化与否来“携带”信息：

“1——相位变化”，“0——相位不变”

51/1332023/2/4取值0、12PSK相干解调器Tb模二加取值-1、1取值0、1电平转换图5.3.52DPSK传输系统取值0、1取值-1、1电平转换2PSK调制器Tb取值0、1模二加52/1332023/2/4另一种重要的解调方法：比较两个相邻时隙上信号的相位，还原出绝对码（信息比特），而不需要本地振荡。4.差分相干接收（非相干解调）图5.3.62DPSK的差分相干解调BPFLPF延时Tb抽样判决符号定时53/1332023/2/411+1-1-1+1

1100-1+1-1+1

00

与的关系信息比特两者相同两者不同表4.3.2差分相干解调的判决准则，取值0、1取值-1、1电平转换2PSK调制器Tb取值0、1模二加54/1332023/2/455/1332023/2/4习题

设载频为1800Hz，码元速率为1200波特，发送信息为011010。试按下面两种方式画出2DPSK信号的波形。（1）若相位偏移代表“0”，代表“1”；（2）若相位偏移代表“0”，代表“1”。解：（1）01101056/1332023/2/4（2）01101057/1332023/2/44.4QPSK与DQPSK58/1332023/2/4——取值有四种可能，以传送四元符号。5.4.1QPSK信号的基本原理1.QPSK信号QPSK或4PSK（四进制相移键控）：（1）采用了4种相位；（2）采用了正交的载波。（00，01，11，10）四元符号59/1332023/2/4QPSK的两种相位关系：A方式：B方式：（QPSK的两套相位值）后面讨论B方式。其实，两种方式只相差（即）格雷码好处：相邻相位对应的符号中只有1位不同，相位错误通常只导致有1个比特的损失。60四相移相键控~同相支路~正交支路

B方式下，QPSK：两路正交2PSK合成61四相移相键控(QPSK)1234567891011121314n{a2n}{an}+1+1-1+1+1-1+1-1+1+1-1-1-1+1{a2n-1}+1+1-1-1+1-1+1+1-1+1+1+1-1-162/1332023/2/41001B方式：恒包络最大相位调变为63/1332023/2/464四相移相键控(QPSK)QPSK信号的功率谱密度：两路2PSK信号功率谱密度的线性叠加QPSK调制—相位选择法相位选择法产生QPSK信号的组成方框图如图所示。图中，四相载波发生器分别送出调相所需的四种不同相位的载波。按串/并变换器输出的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波。66四相移相键控(QPSK)67/1332023/2/4QPSK每个时隙传输两比特，频带利用率是2PSK的两倍。68/1332023/2/4例

假定QPSK系统的输入二进制序列为011111011000,试说明(1)相应的载波相位(B方式)序列;(2)同相与正交支路的比特序列;(3)传输速率为4800bps时需要的带宽.解:四元符号序列:011111011000(1)载波相位:(2)同相支路:111100正交支路:011010(3)带宽:69/1332023/2/44.4.2QPSK的调制解调方法1.调制解调方法基于“QPSK等效于两路正交的2PSK之和”的想法：调制器：

QPSK信号基带脉冲成型基带脉冲成型串/并转换速率减半速率减半70/1332023/2/4解调器：QPSK信号载波同步并/串转换BPFLPF或MFLPF或MF符号定时抽样判决抽样判决图.4.4QPSK调制解调框图同相与正交解调器彼此独立工作71/1332023/2/4例如，在上支路的相乘器之后，LPF后输出为：22、相位选择法相位选择法产生QPSK信号的组成方框图如图所示。图中，四相载波发生器分别送出调相所需的四种不同相位的载波。按串/并变换器输出