第六章 数字频带通信系统

通信技术基础主编：于宝明王钧铭主审：宫锦文新世纪高职高专通信类课程规划教材国家级精品课件配套教材大连理工大学出版社内容回顾

调制：调制（Modulation）是用基带信号去控制正弦波的参数的过程。用于调制的基带信号称为调制信号，被调制的正弦波称为载波，经过调制以后的信号称为已调信号。数字基带信号能否直接在信道中传输与信道的传输特性有关。由于数字基带信号具有丰富的低频成分，但现有的许多信道（包括信道端口的一些设备）的传输特性并不能使这些成分有效地传输。为了完整的传输信号，必须要进行调制。（频谱搬移的过程）

0.112

3510f(kHz)L(dB)

-4

-8

-12

-16

-20

-24

双绞线的传输特性

模拟用户线的传输特性

话音信号频谱

数字基带信号频谱

调制的必要性：数字调制是指调制信号为数字型的正弦波调制。利用数字信号的离散取值特点去键控载波的参数，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法。一个正弦载波有三个参数，分别是幅度、频率与相位，它们都可以受调制信号的控制而发生变化，常见的数字调制有振幅键控（ASK）（调幅度）移频键控（FSK）(频率调制)相移键控（PSK）（相位调制）以及它们的组合或改进。1.二进制振幅键控（ASK)正弦载波的有无受到信码控制，当信码为1时，ASK的波形是若干个周期的高频等幅波（图中为两个周期）；当信码为0时，ASK信号的波形是零电平。

载波

ASK信号波形基带信号波形

（单极性NRZ）

10011011100

信码

E0信号波形二进制振幅键控信号的产生方法（调制方法）有两种：图（a）是采用模拟调制方式的ASK调制方法，相乘器将数字基带信号（单极性NRZ波形）和高频载波相乘，得到ASK信号。图（b）则是采用数字键控方法，由数字基带信号去控制一个开关电路。当出现1码时开关K闭合，有高频载波输出；当出现0码时开关K断开，无高频载波输出。相乘器

数字基带信号（单极性NRZ）载波

ASK信号（a）载波ASK信号（b）数字基带信号（单极性NRZ）相乘器数字基带信号载波ASK信号载波数字基带信号ASK信号ASK信号的频谱ASK信号实际上是信码的单极性NRZ波形与高频载波的相乘。重要结论：ASK信号的频带宽度是基带信号的两倍。

（a）

（b）

f

f

0

0

fC

fS

UASK(f)

UB(f)

2.

二进制频移键控（FSK)信号波形二进制频移键控就是用两种不同频率的正弦载波来表示其两种状态(0和1)，而载波的幅度则保持不变。

载波频率FSK信号波形基带信号波形

10011011100信码f1

f2

f2

f1

f1

f2

f1f1f1

f2

f2

FSK信号的产生可以是直接用NRZ基带信号对一个载波进行调频，如同将其看作一个模拟基带信号，或采用键控的方法，用NRZ基带信号去控制一个选通器，通过选通开关的转向来输出不同的振荡频率。FSK调制载波数字基带信号FSK信号载波数字基带信号FSK信号FSK调制器框图与电路1011010110

如果用两个中心频率分别为f1和f2的带通滤波器对FSK信号进行滤波，可以将其分离成两个ASK信号波形FSK信号波形=滤波器Ⅰ输出波形+滤波器Ⅱ输出波形

如前所述，FSK信号可以看作是两个频率分别为f1和f2的ASK信号的合成，因此它的频谱也是这两个ASK信号频谱的合成，通常FSK信号的频带宽度可根据下式计算：与ASK相比，在同样的码元速率下，FSK信号的频带宽度要大一个频差。FSK信号的频谱

Df（a）

f

0

UASK1(f)（c）

0

f1

f2

f

FSK带宽

f1

ASK带宽

（b）

f

0

UASK1(f)f2

3.二进制相移键控(PSK)及二进制差分相移键控(DPSK)信号波形二进制相移键控(PSK)和差分相移键控(DPSK)是载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的一种数字调制方式。+E0-E0101110100100T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9T10T11T12T13

0111001110110PSK波形信码

DPSK波形

相对码

载波基准基带信号波形

在T1时刻，信码为1（这里，对应的基带信号波形为低电平），PSK信号与载波基准相位相反；在Tn时刻，信码为0，PSK信号与载波基准的相位相同。这种以信号与载波基准的不同相位差直接去表示相应数字信息的相位键控，通常被称为绝对相移键控方式。

+E0-E0111001110110PSK波形信码

载波基准基带信号波形T1Tn在T1时刻，信码为1（这里，对应的基带信号波形为低电平），PSK信号与前一码元的相位相反；在Tn时刻，信码为0，PSK信号与前一码元的相位相同。这种以信号码元之间不同相位差直接去表示相应数字信息的相位键控，通常被称为相对相移键控或差分相移键控方式。

+E0-E0111001110110信码

载波基准基带信号波形

T1TnDPSK波形

0101110100100相对码问题：下列两个波形哪个是PSK波形？哪个是DPSK波形？答1：不清楚，两个波形类似答2：波形1是PSK信号，波形2是DPSK信号答3：波形1不是DPSK信号，波形2是PSK信号011100111011010111010010

波形1波形2信码与PSK信号的相位关系也可以用矢量图表示“0”相位

“π”相位

1

0

反相

同相PSK调制器中，载波发生器和移相电路分别产生两个同频反相的正弦波，由信码控制电子开关进行选通，当信码是“0”时，输出“0”相信号，当信码为“1”时输出“”相信号。PSK调制反相载波信码PSK0

πDPSK信号调制器比PSK调制器电路多了一个“码变换”电路，信码在码变换电路中变换成相对码，再用这个相对码对载波进行PSK调制得到DPSK信号。DPSK调制010100111011000101信码相对码PSK解调

对PSK信号的解调的方法有相干解调和非相干解调两种，相干解调器方框图和各功能块输出点的波形如下图。带通

滤波器

相乘器

低通

滤波器

取样

判决器

载波提取电路

判决输出取样脉冲

载波基准PSK波形相乘输出低滤输出DPSK解调DPSK信号的波形与PSK相同，因此也能用上面的框图进行解调，但得到的只能是相对码，还必须有一个码变换器将相对码变换为绝对码。此外，DPSK信号解调还可采用差分相干解调的方法，直接将信号前后码元的相位进行比较，如下图。由于此时的解调已同时完成了码变换，故无需再安排码变换器。这种解调方法由于无需专门的相干载波，因而是一种很实用的方法。当然，它需要一延迟电路精确地延迟一个码元长度（TS），这是在设备上所要花费的代价。带通

滤波器

相乘器

低通

滤波器

取样

判决器

带通

滤波器

延迟TS

延迟输出相乘输出低滤输出

取样脉冲

判决输出

DPSK波形PSK与DPSK信号的频谱PSK与DPSK信号实际上是一个双极性矩形脉冲序列与高频载波相乘的结果，因此其频谱与ASK信号的频谱相似，所不同的是ASK调制时基带信号是单极性信号，含有直流分量，相乘后信号中就有载波分量；PSK信号（或DPSK）调制时基带信号是双极性信号，如果信码1、0出现的概率相同，则基带信号中没有直流分量，已调波中也就没有载波分量，两者的频带宽度相同，都是基带信号带宽的两倍。6.3多相制相移键控

在数据通信中，为了提高信息传递速率，可以用载波的一种相位代表一组二进制信号码元，也就是多进制码元。由于码组长度为m的二进制信码有2m种排列方式，因此，表示它们的载波相位在0～2π范围内也应有2m个取值，这就是多相制的基本概念。目前用得较多的多相制PSK（或DPSK）是四相制和八相制。下而以四相制为例介绍多相制PSK和DPSK的原理。

设基准载波的相位为0，4PSK信号的四个相位相隔为π/2，它们与基准载波的相位关系有两种情况，如下表所列，分别称为π/2系统和π/4系统。通常用二位二进制码元表示一个四进制码元，故图中的信码是二进制形式。四相制PSK与DPSK波形4PSK相位排列表信码（AB）相位（π/4系统）相位（π/2系统）00π/40013π/4π/2115π/4π107π/43π/2

与DPSK一样，4DPSK也是用相邻码元（四进制码元）的相位差表示四种状态。例如，第一个码元为01，它与前一个码元（参考相位为0）的相位差就是π/2；第二个码元为00，它与第一个码元的相位差是0，与基准载波的相位差则是π/2。π/2

0

π

π/2

π

3π/23π/2

0

π/2

π/2

3π/20

ππ/2

00信码

基准载波（“0”相）4PSK信号波形PSK信号相位

4DPSK信号波形DPSK相对于基准的相位

参考相位

01001101111010004PSK信号的产生与解调4PSK信号的合成相位AB合成信号输出000sin(ωCt-π/4)+cos(ωCt-π/4)π/210-sin(ωCt-π/4)+cos(ωCt-π/4)π11-sin(ωCt-π/4)-cos(ωCt-π/4)3π/201sin(ωCt-π/4)-cos(ωCt-π/4)4PSK信号的向量图信号源

sinωt

900相移cosωt

反相

-sinωt

反相

-cosωt

四选一电路

AB

cos(ωt-π/4)

sin(ωt-π/4)

-sin(ωt-π/4)

-cos(ωt-π/4)

00

11

10

01

sinωt

cosωt

-cosωt

-sinωt

4PSK信号产生器原理图

从向量图中可以看到，4PSK信号的每一个向量都可以由两个相邻π/4的向量（用虚线表示）合成。例如，信码为10的向量可以用-sin(ωCt-π/4)+cos(ωCt-π/4)表示。表4-2列出了信码与合成向量的关系。对这个表进行分析不难发现，两个合成向量sin(ωCt-π/4)和cos(ωCt-π/4)的极性分别与两位信码A和B有对应的关系，如A=1，则sin(ωCt-π/4)的极性为“-”，否则为“+”；B=1，cos(ωCt-π/4)的极性为“-”，否则为“+”。…A2A1

…B2B1

cos(ωt-π/4)

sin(ωt-π/4)

载波

发生器

码元

分配器

相乘器

90o相移

相乘器

线性

相加器

带通

滤波器

I通道

二进码元入

4PSK信号出Q通道

…B2A2B1A1相乘器

4PSK信号调制

取样脉冲sin(ωt-π/4)cos(ωt-π/4)载波发生器

90o相移相乘器相乘器

低通滤波器低通滤波器

码元

合成器

二进码元出4PSK信号入

…B2A2B1A1低通滤波器

4PSK信号解调6.4多进制正交幅度调制

在同样的码元速率下，4PSK的传信率是2PSK的二倍，但是由于4PSK相邻状态之间的相位差（π/2）要比2PSK的相位差（π）小，解调时出现错误判决的可能性就要大，同样，8PSK的传信率更高，但误码率也会更大；不难发现，接收端对这些信号相邻状态的分辩能力与它们的矢量端点之间的间隔有关，间隔越大，越容易分辩，也就是越不易受干扰的影响。(a)

(b)(c)

(d)(e)L/2+L0信号幅度范围L

0

L/3

2L/3

噪声容限

噪声容限

0

0p

p

0

0-p/2

-p/2-p/2

p/2p/2p+p/4-p/4-3p/4

+3p/