数字调制与解调

数字调制与解调第1页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理主要内容7.1引言

7.2二进制数字调制与解调原理7.3二进制数字调制系统的抗噪声性能7.4二进制数字调制系统的性能比较7.5多进制数字调制与解调原理第2页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理7.1引言数字传输的两种方式：基带传输和频带传输数字基带传输：直接传输数字基带信号数字基带信号：来自数据终端的原始数据信号，包含丰富的低频分量，甚至直流分量数字频带传输：实际信道具有带通传输特性。具有丰富低频成分的数字基带信号不能通过带通信道直接传输，必须将数字基带信号的频谱变为适合信道传输的频谱后(数字调制)，才能在信道中传输，在接收端再将变换后的信号还原为基带信号(数字解调)。这种传输基带信号的方式称为数字频带传输完成数字频带传输的两个关键过程：调制与解调第3页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理信源信源编码器信道编码器数字调制器信宿信源译码器信道译码器数字解调器信道噪声基带脉冲生成器采样判决器数字系统模型（调制、解调的位置）7.1引言第4页，共73页，2023年，2月20日，星期五调制器m(t)Sm(t)连续变化的模拟量离散的数字量模拟调制数字调制C(t)矩形脉冲连续波形脉冲载波调制连续载波调制单频正弦波tt……第5页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理7.1引言调制与解调调制：将基带信号频谱搬移至适合信道频谱进行传输的过程.解调：调制的逆过程.调制与解调过程中的信号调制信号：被搬移频谱的基带信号已调信号：搬移频谱后得到的信号载波信号：完成搬移频谱的工具。从原理上说，载波信号的波形可以是任意的，但实际数字通信系统，都选择正弦信号作为载波——正弦载波调制第6页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理7.1引言正弦载波调制用数字基带信号改变正弦型载波的幅度、频率或相位中的某个参数，产生相应的数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制数字基带信号为二进制时，相应的三种数字调制信号：振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）第7页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理主要内容7.1引言7.2二进制数字调制与解调原理7.3二进制数字调制系统的抗噪声性能7.4二进制数字调制系统的性能比较7.5多进制数字调制与解调原理第8页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理7.2二进制数字调制与解调原理若调制信号是二进制数字基带信号时，这种调制称为二进制数字调制。二进制振幅键控（2ASK）1二进制频移键控（2FSK）2二进制相移键控（2PSK）3第9页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制振幅键控（2ASK）

AmplitudeShiftKeying

振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。二进制振幅键控（2ASK）调制二进制振幅键控（2ASK）解调第10页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制振幅键控(2ASK)2ASK信号的产生结论：二进制振幅键控（2ASK）信号表示为一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波相乘发送的二进制符号序列

其中

2ASK信号

第11页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号2ASK信号的时域波形2ASK信号的时间波形随二进制基带信号通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）单极性矩形脉冲序列t1111000s(t)tt载波信号2ASK信号第12页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号2ASK信号产生的两种调制方法：模拟相乘与数字键控乘法器二进制不归零信号数字键控

cosωct开关电路模拟相乘

第13页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制振幅键控（2ASK）调制二进制振幅键控（2ASK）信号二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱第14页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制振幅键控(2ASK)信号的功率谱密度实际的S(t)均为随机脉冲序列，在讨论2ASK信号的频谱时，应讨论其功率谱密度。已假设S(t)为单极性脉冲序列，因此：2ASK调制信号

频谱

S(t)的频谱S(ω)搬移而得第15页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱结论：二进制振幅键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱两部分组成。离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形g(t)确定，带宽则是基带波形的两倍，B2ASK=2B。

传输2ASK信号所需频带0fs2fs-fs-2fsPs(f)-fc-fs0fcfc＋fsPE(f)－fc第16页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理2ASK的带宽和频带利用率第17页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制振幅键控二进制振幅键控（2ASK）调制二进制振幅键控（2ASK）解调第18页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制振幅键控（2ASK）解调非相干解调(包络检波法)相干解调(同步检测法)第19页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理非相干解调非相干解调(包络检波法)方式的接收系统框图包络检波器抽样判决器全波整流器低通滤波器带通滤波器定时脉冲输出t第20页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制振幅键控（2ASK）解调非相干解调(包络检波法)相干解调(同步检测法)第21页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理相干解调相干解调(同步检测法)方式的接收系统框图解调原理：将已调信号e2ASK(t)与相干载波c(t)在相乘器中相乘，然后由低通滤波器输出所需的基带波形。抽样判决器相乘器低通滤波器带通滤波器定时脉冲输出c(t)第22页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理解调假设相乘器输出

低通滤波器滤除低通滤波器输出KC为低通滤波器的电压传输系数相干条件满足相干条件下，相干检测器的输出为第23页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理相干解调相干解调条件：接收端必须提供一个与2ASK信号的载波保持同频同相的相干载波，否则将会造成解调后的波形失真。相干载波一般可通过窄带滤波或锁相环路来提取。第24页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理相干解调波形图×t低通滤波抽样判决tt第25页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理7.2二进制数字调制与解调原理二进制频移键控（2FSK）2二进制振幅键控（2ASK）1二进制相移键控（2PSK）3第26页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制频移键控（2FSK）

FrequencyShiftKeying

（1）2FSK波形原始信息ttt2ASK2FSK第27页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理(2)2FSK的表达式t2FSK可分解成tt可见2FSK可看作是2个2ASK信号之和原始信息t第28页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理(2)2FSK的表达式第29页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制频移键控（2FSK）二进制频移键控（2FSK）调制二进制频移键控（2FSK）解调第30页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制频移键控（2FSK）调制2FSK调制是数字通信中用得较广得一种方式，用于话音通信（频率低于1200bps）、衰落信道中传输数据等情况。二进制频移键控（2FSK）信号二进制频移键控（2FSK）信号的频谱第31页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制频移键控（2FSK）信号2FSK信号的产生二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为Ts其中

第32页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制频移键控（2FSK）信号2FSK信号产生的两种调制方法：模拟调频数字键控通过基带信号控制振荡器中的某一元件数值(例如电容量的大小)来得到不同频率的信号，它产生的两个频率f1和f2在转换时刻的相位是连续的，故这种2FSK信号称为相位连续的2FSK信号。模拟调频

模拟调频器二进制不归零信号第33页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制频移键控（2FSK）信号由于两个频率来自两个振荡源，所以在f1与f2之间的转换瞬间相位不连续。这种方法产生的2FSK信号称为相位不连续的2FSK信号，或相位离散的2FSK信号。数字键控

反相器振荡器1f1振荡器2f2选通开关选通开关相加器基带信号第34页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制频移键控（2FSK）调制二进制频移键控（2FSK）信号二进制频移键控（2FSK）信号的频谱第35页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理2FSK的功率谱密度P2FSK(f)=P1(f)+P2(f)

P1(f)=[Ps(f+f1)+Ps(f-f1)]

P2(f)=[Ps(f+f2)+Ps(f-f2)]

第36页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理频谱分析第37页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理7.2.2二进制频移键控（2FSK）二进制频移键控（2FSK）调制二进制频移键控（2FSK）解调第38页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制移频键控（2FSK）解调常用解调方法：非相干解调相干解调其它解调方法过零检测法第39页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理非相干解调（包络检波法）抽样判决器：判定哪一个输入样值大，此时可以不专门设置门限电平第40页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制移频键控（2FSK）解调常用解调方法：非相干解调相干解调其它解调方法过零检测法第41页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理2FSK相干解调法第42页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制移频键控信号的时间波形输入序列s(t)已调信号载波f1e1(t)110111000载波f2e2(t)e1(t)e2(t)抽样判决器：判定哪一个输入样值大，此时可以不专门设置门限电平第43页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制移频键控（2FSK）解调常用解调方法：非相干解调相干解调其它解调方法过零检测法第44页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理其它解调方法——过零检测法该序列与频率变化相对应，代表着调频波的过零点低通滤波器滤除高次谐波得到带通滤波器限幅微分整流ui(t)a宽脉冲发低通bcdef基本思想：数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出零点数可以得到关于频率的差异abcdef第45页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理7.2二进制数字调制与解调原理二进制频移键控（2FSK）2二进制振幅键控（2ASK）1二进制相移键控（2PSK）3第46页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理7.3二进制相位键控正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化，则产生二进制相移键控(2PSK)信号二进制相位键控信号表达式：第47页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制相位键控绝对移相(2PSK)相对移相(2DPSK)2PSK信号及2DPSK信号的解调二进制相位键控信号的功率谱密度第48页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理绝对移相(2PSK)S(t)实际是取值为±1的双极性的矩形脉冲序列，其矩形脉冲宽度为TS。所以可表示为2PSK表达式

an为双极性第49页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理绝对移相（2PSK）若用ϕ(n)表示第n个符号的绝对相位，则有

原始信息tt2PSKt载波100110第50页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理绝对移相(2PSK)2PSK信号的两种产生方法（调制方式）：模拟调制数字键控模拟调制数字键控cosωct开关电路180°移相0π乘法器双极性不归零码型变换第51页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理2PSK的相干解调器注意:2PSK只能采用相干解调,因为发”0”或发”1”时,采用相位变化携带信息。具体地说：其振幅不变(无法提取不同的包络)频率也不变(无法用滤波器分开)第52页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理2PSK相干解调框图

（与2ASK相干解调基本一样）只不过低通滤波器的输出是双极性的×低通滤波抽样判决第53页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理2PSK的“相位模糊”现象第54页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理绝对移相（2PSK）绝对移相2PSK存在的问题——“倒π”现象当恢复的相干载波产生180o倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象通常称为“倒π”现象。由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180o的相位模糊，而且这种模糊不易被发现。所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒π”现象2PSK方式在实际中很少采用。第55页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制相位键控绝对移相（2PSK）相对移相（2DPSK）2DPSK信号的解调二进制相位键控信号的功率谱密度第56页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理相对移相（2DPSK）二进制差分相位键控(2DPSK)方式的提出在2PSK信号中，信号相位的变化是以未调正弦载波的相位作为参考，用载波相位的绝对数值表示数字信息，所以称为绝对移相。为了解决2PSK信号解调过程的“倒π”现象，提出了二进制差分相位键控(2DPSK)方式2DPSK方式中，用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息——相对移相第57页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理相对移相(2DPSK)假设前后相邻码元的载波相位差为Δϕ数字信息与Δϕ之间的关系也可以定义为第58页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制差分相移键控(2DPSK)调制各时间点波形DPSK信号载波绝对码1100011010011100相对码第59页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理相对移相(2DPSK)2DPSK信号的产生方法间接法：通常采用的方法，即将绝对码变成相对码后再对其绝对移相.

直接法：主要用微波调相法(用得较少)2DPSK信号的两种调制电路(用间接法)模拟调制数字键控第60页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制差分相移键控(2DPSK)调制模拟调制绝对码相对码2PSK调制第61页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制差分相移键控(2DPSK)调制数字键控cosωct开关电路移相π0π码变换绝对码转换为到相对码第62页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制相位键控绝对移相（2PSK）相对移相（2DPSK）2DPSK信号的解调二进制相位键控信号的功率谱密度第63页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理二进制差分相移键控(2DPSK)解调2DPSK信号解调的两种方式相干解调(极性比较法)差分相干解调方式(相位比较法)第64页，共73页，2023年，2月20日，星期五通信原理2DPSK解调——相干解调对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，若相干载波产生相位模糊，使得解调出的相对码产生倒置现象。但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊度