第五章 通信原理 数字调制

第5章数字带通传输系统

【教学目标】1.了解二进制数字调制系统的分类；2.掌握二进制调制的时域和频域特性；3.掌握二进制数字调制系统的解调方法；4.理解各种二进制数字调制系统的性能；5.了解多进制调制系统特点及其基本工作原理；6.了解改进的数字调制原理。【重点】二进制调制系统时频特性、调制解调方法【难点】调制解调原理【学时分配】7~8学时 【教学过程】第5章数字带通传输（调制）系统5.1二进制数字调制原理5.3多进制数字调制原理5.4新型的数字调制技术5.2二进制数字调制系统的性能比较

数字调制方式幅移键控频移键控相移键控5.1二进制数字调制原理二进制数字调制：载波的幅度、频率或相位受二进制数字信号调制。一、二进制幅移键控（2ASK:2-AmplitudeShiftKeying）1.数学表达式和波形2ASK：载波的幅度受调制信号“1”或“0”控制，又称

通-断键控信号（OOK:On-OffKeying）（1）数学表达式设二进制序列表示为其中是持续时间为Ts的矩形脉冲,概率为P概率为1-P5.1二进制数字调制原理则（2）波形5.1二进制数字调制原理2.功率谱分析5.1二进制数字调制原理单极性式中，PASK(

f

)－S2ASK(

t

)的功率谱密度；PB(

f

)

－B(

t

)的功率谱密度。特点：（1）由连续谱和离散谱组成（2）功率谱曲线为抽样型（3）5.1二进制数字调制原理3.2ASK信号的产生与解调（1）调制5.1二进制数字调制原理模拟法键控法cosctS2ASK(t)B(t)(2)解调5.1二进制数字调制原理①非相干解调②相干解调5.1二进制数字调制原理门限二、二进制频移键控（2FSK:2-FrequencyShiftKeying）1.时域表达式与波形（1）数学表达式可见:2FSK信号可看作是两个2ASK信号的叠加。2FSK：载波的频率受“1”或“0”控制。5.1二进制数字调制原理其中（2）波形5.1二进制数字调制原理f1f2f2f2f1f1f2f1f1

2.功率谱特性f1-fsf1f0f2f2+fsf1f2f0f1-fsf2+fs叠加f0=（f1+f2）/2f0=（f1+f2）/2双峰单峰频谱特点：（1）由连续谱和离散谱组成。

（2）若|f1-f2|>0.8fs,出现双峰谱，若|f1-f2|<0.8fs，出现单峰谱。（3）5.1二进制数字调制原理3.2FSK信号产生与解调（1）产生框图①模拟调制法②键控法B(t)AnalogFM∑f1f2B(t)

Gate

GateDCPFSKCPFSK5.1二进制数字调制原理相位连续相位不连续(2)2FSK解调方法②分路包络检波法①分路相干解调法5.1二进制数字调制原理f1f2f1f1f2f1f22FSKttatbc

1011010df1f2abcdc>d，判为“1”101

10105.1二进制数字调制原理1011010限幅微分整流脉冲发生低通abcedfbacdef③过零检测法5.1二进制数字调制原理

1011010频率幅度三、二进制相移键控（2PSK:2-PhaseShiftKeying）2PSK(BPSK)：载波的相位受“1”或“0”控制,又称绝对调相。1.时域表示其中5.1二进制数字调制原理2.波形5.1二进制数字调制原理3.功率谱特点：（P=1/2)（1）只有双边带连续谱（2）4.BPSK的产生和解调（1）产生双极性NRZ5.1二进制数字调制原理码型变换二进制信息BPSK信号(2)BPSK相干解调5.1二进制数字调制原理(2)BPSK相干解调5.1二进制数字调制原理(2)BPSK相干解调5.1二进制数字调制原理111001002PSK信号载波2PSK信号×载波输出信号低通输出00011011倒现象2PSK存在“倒π”现象或“反向工作”现象。因此，实际采用2DPSK——差分相移键控方式。5.1二进制数字调制原理2PSK存在的问题四、二进制差分相移键控(2DPSK:2-DifferentialPhaseShiftKeying)绝对调相BPSK：利用载波相位的绝对值来传送信息。相对调相2DPSK：利用前后码元载波相位差传送信息。如：Δφ=0→“0”

Δφ=π

→

“1”5.1二进制数字调制原理如：φ=0→“0”

φ=π

→

“1”1.差分编码(绝对码→相对码）

为绝对码，为相对码。编码：设：5.1二进制数字调制原理相对调相的方法是：绝对码→相对码→绝对调相→产生DPSK信号译码：2.DPSK调制器与解调器（1）调制5.1二进制数字调制原理绝对码→相对码→绝对调相→产生DPSK信号（2）解调①相干解调（极性比较法）5.1二进制数字调制原理②差分相干解调（相位比较法）abcedf00101102DPSK的解调abcdef11100100

绝对码

0010110

相对码

00110115.1二进制数字调制原理参考abcedf00101102DPSK的解调abcdef00101105.1二进制数字调制原理00011011参考adbce00101102DPSK的解调abcde00101105.1二进制数字调制原理

设TS=KTc

则判决规则为：

1.2DPSK解决了载波的“相位模糊问题”。2.差分相干解调直接利用了前后码元的信息，解调和译码同时完成，无需专门的相干载波，是一种很实用的方法。3.2DPSK的抗白噪声能力比2PSK差。4.B2DPSK=B2PSK=2fs2DPSK特点5.1二进制数字调制原理1、基带传输系统适用于____（低通、带通）型信道；频带传输系统适用于_____（低通、带通）型信道。2、设发送数字信息序列为11010010，码元速率为1000B,现采用键控法产生2FSK信号，并设f1=1kHz，对应“1”；f2=2kHz，对应“0”。若两振荡器输出振荡初相均为0。(1)画出2FSK信号波形;(2)计算其带宽和频带利用率;3.一DPSK数字通信系统，信息速率为

，载波为

，输入数据为110100010110…(1)写出相对码(设：参考码为1)；(2)画出DPSK波形；(3)画出DPSK发送框图；(4)画出DPSK信号的功率谱图(设：输入数据是独立等概序列)；(5)画出DPSK的非相干接收框图；(6)若DPSK系统的码元速率为106波特，接收机输入白噪声的双边功率谱密度为10-12W/HZ，输入信噪比为4.5，试求接收机输入端的信号幅度。5.2二进制数字调制系统的性能比较一、抗噪声性能分析(2ASK)设在一个Ts内，接收端的输入波形为

带通滤波器的输出波形为

n(t)是高斯白噪声ni(t)经过带通滤波器的输出噪声

第k个抽样时刻判决规则为：x>b时，判为“1”；x

b时，判为“0”则当发送“1”时，错误接收为“0”的概率

同理，发送“0”时，错误接收为“1”的概率2ASK系统的总误码率为

上式表明，当P(1)、P(0)及f1(x)、f0(x)一定时，系统的误码率Pe与判决门限b的选择密切相关。从公式求解

最佳门限

若发送“1”和“0”的概率相等，则最佳判决门限为

b*=a/2

此时，2ASK信号采用相干解调（同步检测）时系统的误码率为 式中

为解调器输入端的信噪比。 当r>>1，即大信噪比时，上式可近似表示为包络检波法的系统性能（2ASK）

当发送“1”符号时，包络检波器的输出波形为

当发送“0”符号时，包络检波器的输出波形为广义瑞利型随机变量瑞利型随机变量最佳门限

实际工作情况

在实际工作中，系统总是工作在大信噪比的情况下，因此最佳门限应取

此时系统的总误码率为

当r

时，上式的下界为

当r>>1，即大信噪比时2ASK同步检测法解调时系统的误码率为2ASK包络检波法解调时系统的误码率为比较：在相同的信噪比条件下，同步检测法的抗噪声性能优于包络检波法，但在大信噪比时，两者性能相差不大。然而，包络检波法不需要相干载波，因而设备比较简单。另外，包络检波法存在门限效应，同步检测法无门限效应。[例7.2.1]设有一2ASK信号传输系统，其码元速率为RB=4.8106波特，发“1”和发“0”的概率相等，接收端分别采用同步检测法和包络检波法解调。已知接收端输入信号的幅度a=1mV，信道中加性高斯白噪声的单边功率谱密度n0=210-15W/Hz。试求

(1)同步检测法解调时系统的误码率；

(2)包络检波法解调时系统的误码率。【解】(1)根据2ASK信号的频谱分析可知，2ASK信号所需的传输带宽近似为码元速率的两倍，所以接收端带通滤波器带宽为

带通滤波器输出噪声平均功率为 信噪比为

于是，同步检测法解调时系统的误码率为 包络检波法解调时系统的误码率为

可见，在大信噪比的情况下，包络检波法解调性能接近同步检测法解调性能。5.2二进制数字调制系统的性能比较一、抗噪声性能比较2DPSKPSK系统FSK系统

ASK系统

非相干解调

相干解调

误码率Pe与信噪比r的关系传输方式其中四种数字调制系统的误码率曲线

5.2二进制数字调制系统性能比较

2.抗噪声性能比较

(1)相干解调的抗噪声性能优于非相干解调，但设备也相对较复杂。(2)当r>>1时，相干解调与非相干的性能相近。(3)抗高斯噪声(Pe)2PSK<(Pe)2DPSK<(Pe)2FSK<(Pe)OOK,但

2PSK存在“倒π”现象，DPSK应用更为广泛。结论：1.误码率表达式均是的形式。5.2二进制数字调制系统性能比较

二、频带利用率比较B2FSK>B2PSK=B2DPSK=B2ASK

从频带利用率看，2FSK最差，用于中、低速传输。

2FSK和2PSK对信道特性的变化不敏感，而OOK对信道特性的变化敏感,所以OOK性能最差。三、对信道特性的敏感性四、设备的复杂程度

相干解调比非相干解调的设备复杂,一般用于高质量的传输系统。5.2二进制数字调制系统性能比较

目前用得最多的是：相干2DPSK和非相干2FSK；相干2DPSK：主要用于高速数据传输；非相干2FSK：主要用于中、低速数据传输，特别是在衰落信道中传输数据时，它有着广泛的应用。5.2二进制数字调制系统性能比较

5.3多进制数字调制原理一、基本概念1.分类多进制数字调制MASKMFSKMPSK2.特点（1）码元速率相同时，信息速率比二进制高，多进制传输是一种高速传输方式。（3）抗白噪声能力比二进制系统差。（4）设备较复杂。（2）信息速率相同时，码元速率比二进制低，码元持续时间长，码元能量大，可减小ISI。5.3多进制数字调制二、多进制数字相位调制1.基本概念

用M个相位状态的正弦波代表M个数字信息，又称多相制。多相制绝对相移MPSK相对相移MDPSK5.3多进制数字调制2.四相制绝对相移键控（4PSK或QPSK）QPSK就是将二进制序列每两个比特分为一组，用四种载波相位来表示之

。其中:双比特ab通常是按格雷码排列的。(1)相位配置及波形5.3多进制数字调制

01

11

10

0

00

B方式

A方式ab

载波相位φ

双比特码元90°270°180°-135°-45°45°135°QPSK信号的矢量图5.3多进制数字调制参考相位00101101A方式参考相位00101101B方式5.3多进制数字调制TsTs’ab01107/45/43/4/40t1000111001ba10110001015.3多进制数字调制（3)4PSK信号的产生（以B方式为例）①直接调相法0-11+101a1b0②相位选择法5.3多进制数字调制（4）4PSK信号的解调(以B方式为例）5.3多进制数字调制设φkcosφksinφk输出abπ/4++113π/4-+015π/4--007π/4+-105.3多进制数字调制抽样判决器判决方法（极性判决法）QPSK同样会产生相位模糊现象，因此实际通信中大多采用QDPSK。3.四相制相对移相调制（QDPSK）(1)相位配置5.3多进制数字调制信息码（绝对码）1011000111100100△k90°180°0°-90°180°90°-90°0°4DPSK(k=△k+k-1)90°-90°-90°180°0°90°0°0°相对码1001011100100000

01

11

10

0°

00

B方式

A方式ab

载波相位差Δφ

双比特码元90°270°180°-135°-45°45°135°（2）4DPSK信号的调制与解调（以B方式为例）5.3多进制数字调制QPSK调制器QPSK解调器5.4新型的数字调制技术一、正交振幅调制（QAM）1.背景

在MPSK系统中，M越大，系统的信息速率越高，但信号点距离减小，判决区域减小，使得噪声容限减小，误码率难以得到保证。2.QAM概念可见：QAM是两个正交的ASK合成的，故又称正交调幅。5.4新型的数字调制技术3.MPSK和MQAM星座图比较AMAMd1=0.393AMd2=0.471AM可见：当平均发射功率相同时，16QAM比16PSK噪声容限大4.12dB。MQAM特别适用于频带资源有限的场合。5.4新型的数字调制技术二、最小频移键控（MSK：MinimumShiftKeying

）1.MSK原理一种包络恒定的、带宽最小、相位连续的改进型2FSK。最小调制指数最小频差5.4新型的数字调制技术（1）MSK数学表达式载波频率ak=±1第k个码元相位常数5.4新型的数字调制技术（2）MSK的相位连续性（相位网格图）5.4新型的数字调制技术1-1-1-11-1111kf1f2f2f2f2f1f1f1f1/20-/2-k123456789k（3）MSK的波形图举例说明

900-900-90090180905.4新型的数字调制技术（4）MSK的频谱图5.4新型的数字调制技术2.MSK调制方式特点(1)MSK信号包络恒定。(2)连续相位。在一个码元内含有1/4载波周期的整数倍;附加相位线性变化±90°。(3)功率谱主瓣占据带宽窄，且旁瓣衰减更快，对邻近频道干扰小，比2PSK具有更高的频谱利用率，且抗干扰能