第7章数字调制技术

第7章数字调制技术第一页，共134页。二.数字调制系统的组成框图:2第二页，共134页。7.2.1二进制数字调幅(2ASK)1.一般原理与实现方法一.2ASK调制器:码型变换:将{an}变换成单极性不归零码,若{an}本身已是单极性不归零码,则码型变换可省.3第三页，共134页。二.2ASK信号的表达式:4第四页，共134页。举例说明:5第五页，共134页。三.2ASK信号的波形:6第六页，共134页。四.电路实现:方法1:用模拟开关实现2ASK7第七页，共134页。方法2：桥式调制器8第八页，共134页。方法3：三极管调幅器（参考高频电路）9第九页，共134页。方法4：用数字电路的方法实现2ASK10第十页，共134页。2.2ASK信号的功率谱及带宽:11第十一页，共134页。12第十二页，共134页。相关结论:(1)2ASK信号的功率谱Pe(f)由基带谱Ps(f)平移至载波频率fc处而形成.(2)2ASK信号的带宽为B=2fb,基带信号的带宽为B=fb,码率为RB=1/Tb=fb.(3)2ASK信号的频带利用率为:13第十三页，共134页。3.2ASK信号的解调及误码率一.2ASK信号的解调分为:(1)非相干解调:包络检波;(2)相干解调:同步检波.(1)包络检波:14第十四页，共134页。(2)同步检波:15第十五页，共134页。16第十六页，共134页。二.2ASK系统的误码率:(1)同步检波时系统的误码率:(2)包络检波时系统的误码率:(3)同步检波的误码率小于包络检波的误码率.17第十七页，共134页。*三、同步检波时系统误码率的推导1、基于如下框图进行推导：18第十八页，共134页。19第十九页，共134页。20第二十页，共134页。误码率的计算如下图所示：21第二十一页，共134页。22第二十二页，共134页。23第二十三页，共134页。四、2ASK信号相干解调与非相干解调的比较1、非相干解调较相干解调容易实现2、Pe相干<Pe非相干，因此，相干解调的性能优于非相干3、对于2ASK系统，大信噪比时既可用包络检波，也可用同步检波，而小信噪比时，只能同步检波。24第二十四页，共134页。7.2.2多进制数字调幅（MASK）设基带信号s(t)的周期为Tb,在Tb内可能发送的符号有M种,M=2n,从而形成了多进制数字调幅.多进制数字调幅与二进制数字调幅的比较:1、两者的码率相同,因码率只取决于Tb,故MASK的信息速率大于2ASK,它为2ASK的log2M倍，这意味着有效性提高了。2、若两者的信息速率相同，则2ASK码率高于MASK，即MASK的码元宽度大于2ASK，为log2M倍。3、MASK的误码率大于2ASK，即可靠性降低了。4、MASK的设备要复杂些。25第二十五页，共134页。一、MASK信号数学表达式及其波形图1、数学表达式:26第二十六页，共134页。2、波形图（以M=4为例）27第二十七页，共134页。二、MASK信号的带宽及频带利用率1、MASK信号的带宽为M进制数字基带信号带宽的两倍，这一结论与2ASK的情况相同。2、当MASK信号与2ASK信号的码元速率相同时，则两者的带宽相同。BMASK=B2ASK3、当两者的信息速率相同时，MASK比2ASK的码率要低log2M倍。4、频带利用率：以码元速率来考虑，r=码率/带宽=1/2。以信息速率来考虑，r=信息速率/带宽=（log2M）/2。28第二十八页，共134页。三、MASK信号的调制与解调方法MASK的调制与解调有多种，在这里仅介绍其中的两种方法。方法一：直接法调制解调法29第二十九页，共134页。方法二：正交调制解调法（何谓正交？）30第三十页，共134页。1、由2电平到M电平变换如下图所示：31第三十一页，共134页。2、由2电平到M电平变换的时域波形图如下图所示:32第三十二页，共134页。3、带宽与频带利用率33第三十三页，共134页。4、MASK与2ASK的比较34第三十四页，共134页。7.3数字调频7.3.1二进制数字调频(2FSK)一、基本原理与实现方法1、2FSK信号的数学表达式35第三十五页，共134页。36第三十六页，共134页。2、2FSK信号的电路实现:37第三十七页，共134页。注意：在本节中，总是假设f1>f238第三十八页，共134页。方法一：利用门电路的方法实现数字调频39第三十九页，共134页。40第四十页，共134页。方法二:直接数字调频法.利用变容二极管和振荡器构成的调频器如下图所示。图中s(t)为二进制数字信号.介绍基本工作原理41第四十一页，共134页。二、2FSK的功率谱及带宽42第四十二页，共134页。2FSK的功率谱图示如下43第四十三页，共134页。三、2FSK信号的解调有多种 解调方法，下面介绍两种。1、过零检测法（非相干解调）其解调框图和波形图如下图所示。2、包络检波法（非相干解调）其解调框图和波形图如下图所示。3、同步检波法（相干解调）其解调框图和波形图如下图所示。44第四十四页，共134页。1、过零检测法45第四十五页，共134页。进一步需要讨论的问题：一、什么叫过零？什么叫过零检测法？在过零点处检测调频信号所产生的C点波形脉冲的个数。频率高者，脉冲个数多，频率低者，脉脉冲个数少。故为零检测法。二、图中的限幅器能不取消？不能取消，否则求导后，不能产生C点所示的脉冲形状。三、图中脉冲形成器的功能是什么？能不能取消？是单稳态触发器，可用数字电路中的555实现，目的是对C点的波形实现整形，从而能准确一致检测出直流的高低电平，提高准确度。如果取消后，脉冲不能实现整形，会降低准确性。46第四十六页，共134页。2、包络检波法47第四十七页，共134页。48第四十八页，共134页。3、同步检波法工作原理及波形图的分析过程如下：49第四十九页，共134页。50第五十页，共134页。51第五十一页，共134页。四、2进制数字调频信号的一个典型应用:电话上网.52第五十二页，共134页。五、2FSK系统的误码率分析方法同于2ASK系统误码率的分析方法。1、包络检波（非相干解调）的误码率2、同步检波（相干解调）的误码率3、相干解调的误码率要低于非相干解调的误码率53第五十三页，共134页。7.3.2多进制数字调频技术一、MFSK调制器54第五十四页，共134页。调制器编码规则假定如下：一、三位二进制一组；二、000映射为f1001映射为f2010映射为f3011映射为f4100映射为f5101映射为f6110映射为f7111映射为f8三、当然还可以假设为其它形式的一些规则，只要收端和发端对这规则能一一对应即可55第五十五页，共134页。56第五十六页，共134页。现以k=3，M=8为例来分析其工作原理，下图为串/并转换图和译码逻辑电路的真值表如下：57第五十七页，共134页。58第五十八页，共134页。二、MFSK解调器工作原理：1、M个包络检波器输出中，每次只有一个输出为高电平，其余均为低电平，这样通过取样判决后相应的一个输出为高电平，其余均为低电平；2、收端编码器与发端译码器互为反变换。3、收端并串转换电路与发端串并转换电路互为反变换。编码器真值表为：59第五十九页，共134页。60第六十页，共134页。61第六十一页，共134页。三、MFSK信号的带宽及频带利用率1、带宽2、频带利用率62第六十二页，共134页。7.42进制数字调相（2PSK）

二进制数字调相的基本原理是，利用二值信息对载波的相位进行调制，使其初始相位为两个不同的值，来表示二值信息。有两种数字调相方法，绝对码调相和差分码（相对码）调相，首先来说明绝对码与相对码之间的关系，然后分析这两种数字调相的基本原理。63第六十三页，共134页。7.4.12PSK（2进制数字绝对调相）一、绝对码与相对码（差分码）差分码是一种相对码，它的主要特点是，后一个码元的取值是相对于前一个码元的取值而变化的，与之相对应的数字调相称为2DPSK，而绝对码相对应的数字调相称为2PSK，相对码与绝对码的关系为64第六十四页，共134页。65第六十五页，共134页。66第六十六页，共134页。67第六十七页，共134页。68第六十八页，共134页。二、绝对码、相对码、2PSK、2DPSK的波形举例为了使大家对绝对码、相对码、2PSK、2DPSK有一个初步的认识，现举其中几例，如下图所示：69第六十九页，共134页。70第七十页，共134页。三、2PSK信号（二进制数字绝对调相信号）的产生1、一般框图:71第七十一页，共134页。2、具体实现电路：相位选择法72第七十二页，共134页。四、2PSK信号的解调

1、解调的一般框图如下：73第七十三页，共134页。2、工作原理分析：74第七十四页，共134页。3、2PSK的缺点:产生相位模糊,使解调出的信号全部反相75第七十五页，共134页。五、2PSK系统的误码率下面分析在没有相位模糊的情况下2PSK系统的误码率。分析2PSK系统误码率的原理框图如下图所示。76第七十六页，共134页。77第七十七页，共134页。78第七十八页，共134页。7.4.22DPSK信号的调制与解调在2PSK系统中存在相位模糊的问题，其主要原因是由于2PSK系统中采用的绝对码，表示数字信息的相位是绝对相位。因而，当产生相位模糊时，所有的绝对相位值都发生了变化。如果采用2DPSK（差分数字调相），则可克服相位模糊的问题，其主要原因是由于2DPSK中采用的是差分码，而差分码是一种相对码，这种相对性体现在表示数字信息的相位是一个相对相位，即相对于前面一个相位的大小而言的。因而，当产生相位模糊时，虽然所有的相位值都发生了变化，但它们之间的相对相位差值仍然是确定不变的，因而能解决相位模糊的问题，下面分析其工作原理。79第七十九页，共134页。一、2DPSK信号的产生2DPSK信号产生的一般框图如下图所示。图中{an}为绝对码，通过码变换将其变换成双极性的差分码{bn}，最后产生2DPSK信号。80第八十页，共134页。一种2DPSK信号产生的具体电路如下：81第八十一页，共134页。82第八十二页，共134页。二、2DPSK信号的解调1、方法一：极性比较——码变换法实现电路如下图所示。用这种方法是克服相位模糊问题，下面进行分析。83第八十三页，共134页。克服相位模糊的分析如下：84第八十四页，共134页。2、方法二：相位比较法——差分检测法这种方法的主要特点是不需要码变换器，不需要载波提取电路，因此，它本身就不存在相位模糊问题。电路也较简单，只需一个延时器。实现电路如下图所示。85第八十五页，共134页。数学分析结果如下：86第八十六页，共134页。87第八十七页，共134页。88第八十八页，共134页。7.4.32DPSK与2PSK的带宽及其性能比较一、2DPSK、2PSK、2ASK的带宽相同，均为

B2PSK=B2DPSK=B2ASK=2fb二、性能比较1、由于都是双极性码，故两者的最佳判决电平值均为零。2、2DPSK克服了2PSK中的相位模糊问题，因而在数字通信中获得了广泛的应用。3、在2PSK信号不存在相位模糊时，2DPSK的性能不如2PSK。89第八十九页，共134页。7.5多进制数字调相技术多进制数字调制技术是近年来十分引人注目的一种高效率数字传输方式。与二进制数字调制技术相比，它具有以下两个主要特点：（1）在码元速率相同条件下，可以提高信息速率，M进制数字调制系统的信息速率是二进制的倍；（2）在信息速率相同的条件下，可降低码元速率，用以提高传输的可靠性，M进制的码元宽度是二进制的倍，这样可增加每个码元的能量和减小码间串扰的影响。正是基于这些特点，使多进制数字调制技术在现代通信系统中有着广泛的应用。现以多进制数字调制技术中的4PSK、8PSK、自然码16PSK、循环码16PSK和正交振幅调制16QAM为例，对其数字逻辑设计进行较为详细的研究和探讨，在此基础上提出一种多进制数字调制器的逻辑设计方法，并给出了具体设计过程和结果。90第九十页，共134页。7.5.1MPSK信号的产生91第九十一页，共134页。92第九十二页，共134页。93第九十三页，共134页。94第九十四页，共134页。95第九十五页，共134页。其对应波形如下图所示：96第九十六页，共134页。97第九十七页，共134页。98第九十八页，共134页。图18PSK信号矢量图99第九十九页，共134页。P75100第一百页，共134页。101第一百零一页，共134页。由此可得8PSK调制器如下图所示。图38PSK信号调制器电路框图102第一百零二页，共134页。103第一百零三页，共134页。设计流程图如下：104第一百零四页，共134页。105第一百零五页，共134页。3.循环码16PSK调制器的逻辑设计106第一百零六页，共134页。图1循环码16PSK信号矢量图107第一百零七页，共134页。108第一百零八页，共134页。表1循环码16