通信原理第67章正弦载波数字调制课件

【重点】1.2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号的调制解调原理、方法、时域波形及系统抗噪声性能分析的方法和分析结论；2.QPSK、DQPSK信号的调制解调原理及方法。【难点】1.2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号的调制解调原理、方法、时域波形及系统抗噪声性能分析的方法和分析结论；2.QPSK、DQPSK信号的调制解调原理及方法。8/13/2023【重点】8/3/20231通信原理第6章正弦载波数字调制为什么要调制？数字基带信号：频谱（功率谱）集中在零频率附近。带通信道：传输特性是带通型的。问题：数字基带信号能在带通型信道上直接传输吗？8/13/2023通信原理第6章正弦载波数字调制为什么要调制？数字基带信号2f(Hz)20001X(f)5000100001H(f)基带信号带通信道第6章正弦载波数字调制输出信号为0要使信号通过信道，必须在传输前对信号频谱进行搬移，搬移到信道的通带范围内，这种信号频谱的搬移过程称为调制，接收端频信号频谱反搬移的过程称为解调。8/13/2023f(Hz)20001X(f)5000100001H(f)基带320001X(f)fc-fcmodulationfc-fc34001X(f)demodulation调制实现方法：用基带信号控制载波的某个参量。第6章正弦载波数字调制8/13/202320001X(f)fc-fcmodulationfc-fc34根据基带信号的不同，调制分为：数字调制：基带信号为数字信号模拟调制：基带信号为模拟信号根据所用载波的不同，调制有：正弦载波调制：载波为正弦信号脉冲调制：载波为脉冲信号注：没有特别指明，载波均为正弦信号。本章介绍的是数字正弦载波调制，简称数字调制。第6章正弦载波数字调制8/13/2023根据基带信号的不同，调制分为：数字调制：基带信号为数字信号根5数字正弦载波调制：即用数字基带信号去控制正弦波的某个参量，以达到数字基带信号频谱般移的目的。基本的数字调制方式：数字振幅调制（ASK）：数字基带信号控制载波振幅数字频率调制（FSK）：数字基带信号控制载波频率数字相位调制（PSK）：数字基带信号控制载波相位数字基带信号可以同时控制载波的若干个参数。第6章正弦载波数字调制8/13/2023数字正弦载波调制：即用数字基带信号去控制正弦波的某个参量，以6本章主要内容：1、2ASK2、2FSK3、2PSK4、2DPSK5、QPSK、OQPSK6、MSK7、QAM这些调制技术的实现方法及性能第6章正弦载波数字调制8/13/2023本章主要内容：第6章正弦载波数字调制8/3/202376.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）一、2ASK调制方法载波发生器开关e(t)S(t)数字基带信号已调信号2ASK8/13/20236.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）一、2ASK调制8用相乘器实现2ASK调制示意图基带信号形成器相成器带通滤波器2ASK信号形成单极性全占空信号6.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）8/13/2023用相乘器实现2ASK调制示意图基带信号相成器带通2ASK信号9二、2ASK信号解调2ASK信号的解调方法有两种：相干解调和非相干解调（包络解调）1、相干解调带通滤波器低通滤波器抽样判决器定时脉冲S(t)2ASK相干解调方框图6.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）8/13/2023二、2ASK信号解调2ASK信号的解调方法有两种：相干解调和102、包络解调2ASK信号的包络解调带通滤波器包络检波器低通滤波器抽样判决器定时脉冲S(t)6.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）8/13/20232、包络解调2ASK信号的包络解调带通包络低通抽样定时脉冲S11包络解调各点的波形6.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）8/13/2023包络解调各点的波形6.2.1二进制数字振幅键控（2ASK12三、2ASK信号的功率谱及带宽2ASK信号功率谱示意图是数字基带信号的码元速率6.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）8/13/2023三、2ASK信号的功率谱及带宽2ASK信号功率谱示意图是数字13四、2ASK系统性能（6.3中的部分内容）计算由于噪声影响所造成的码元错误概率。方法是：（1）求出用于取样判决的瞬时值的概率密度函数；（2）根据判决门限，求出系统误码率公式。1、相干解调取样判决器输入端的瞬时值为：发“1”时发“0”时6.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）8/13/2023四、2ASK系统性能（6.3中的部分内容）计算由于噪声影响所14相干检测时2ASK系统误码率的几何表示6.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）8/13/2023相干检测时2ASK系统误码率的几何表示6.2.1二进制数15判决门限b=a/2，r为信噪比：6.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）8/13/2023判决门限b=a/2，r为信噪比：6.2.1二进制数字振幅162、包络解调发“1”时发“0”时发“1”时，瞬时值服从莱斯分布，发“0”时瞬时值服从瑞利分布。6.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）8/13/20232、包络解调发“1”时发“0”时发“1”时，瞬时值服从莱斯分17条件是“0”“1”等概，信噪比r》1时。6.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）8/13/2023条件是“0”“1”等概，信噪比r》1时。6.2.1二进18五、两种解调方法的比较（1）相干解调电路复杂，包络解调电路简单；（2）小信噪比时，相干解调的误码性能比包络解调好；（3）大信噪比时，两者误码性能趋于一致。结论：小信噪比时，使用相干解调大信噪比时，采用包络解调6.2.1二进制数字振幅键控（2ASK）8/13/2023五、两种解调方法的比较（1）相干解调电路复杂，包络解调电路简196.2.2二进制数字频率键控（2FSK）一、调制的实现载波f1载波f2S(t)S(t)e(t)概念图第6章正弦载波数字调制8/13/20236.2.2二进制数字频率键控（2FSK）一、调制的实现20振荡器f1倒相器振荡器f2控制门1控制门2相加器基带信号输入S(t)S(t)e(t)输出频率键控法产生2FSK信号的方框图6.2.2二进制数字频率调制8/13/2023振荡器倒相器振荡器控制门控制门相加器基带信号输入S(t)S(21二、2FSK的频谱有带宽2FSK信号可分解成两个2ASK信号6.2.2二进制数字频率调制8/13/2023二、2FSK的频谱有带宽2FSK信号可分解成两个2ASK信号222FSK信号频谱带宽为：6.2.2二进制数字频率调制8/13/20232FSK信号频谱带宽为：6.2.2二进制数字频率调制823三、2FSK解调1、过零检测法

即用计算信号过零点数目的方法来解调2FSK信号。放大限幅微分整流脉冲形成低通abcdef过零检测法方框图6.2.2二进制数字频率调制8/13/2023三、2FSK解调1、过零检测法放大微分整流脉冲低通a24过零检测各点波形图6.2.2二进制数字频率调制8/13/2023过零检测各点波形图6.2.2二进制数字频率调制8/3/252、包络检测带通滤波器带通滤波器包络检波器包络检波器输入取样判别器输出包络检测方框图6.2.2二进制数字频率调制8/13/20232、包络检测带通带通包络包络输入取样输出包络检测方框图6.226包络检测法波形图6.2.2二进制数字频率调制8/13/2023包络检测法波形图6.2.2二进制数字频率调制8/3/2273、相干检测带通滤波器带通滤波器相乘器相乘器取样判别器输入低通滤波器低通滤波器取样脉冲输出相干检测方框图6.2.2二进制数字频率调制8/13/20233、相干检测带通带通相乘器相乘器取样输入低通低通取样脉冲输出28四、2FSK性能1、包络解调发“1”时上支路取样判决瞬时值服从莱斯分布，下支路瞬时值服从瑞利分布；发“0”时，上支路服从瑞处分布，下支路服从莱斯分布。求概率密度函数，再求错判概率。误码率为：6.2.2二进制数字频率调制8/13/2023四、2FSK性能1、包络解调发“1”时上支路取样判决瞬时值服292、相干解调发“1”时，上支路取样判决瞬时值服从均值为a的正态分布，下支路服从均值为0的正态分布；发“0”时，上支路为零均值正态分布，下支路为均值为a的正态分布。经计算误码率为：6.2.2二进制数字频率调制8/13/20232、相干解调发“1”时，上支路取样判决瞬时值服从均值为a的正30五、两种解调性能比校1、两种检测均可工作在最佳门限2、信噪比一定时，相干检测的误码率低；所以相干检测的抗噪声性优于非相干检测，但信噪比很大时，两者误码性差别不大。3、相干检测需要插入两个相干载波，因此电路复杂；而包络检测电路简单。结论：小信噪比，用相干检测；大信噪比，用包络检测。6.2.2二进制数字频率调制8/13/2023五、两种解调性能比校1、两种检测均可工作在最佳门限结论：小信31载波移相180S(t)e(t)二进制相位调制波形图6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/2023载波移相180S(t)e(t)二进制相位调制波形图6.2.332有两种相位调制方式：绝对调相（2PSK）相对调相（2DPSK）绝对调相（2PSK）：用数字信号”0“”1“控制载波的相位。”1“使载波相位改变180度，”0“使载波相位不变。反之亦然。相对调相（2DPSK）：用数字信号”0“”1“控制相邻码元的载波相位差，当为“1”时，相差为180度；为“0”时，相差0度，反之亦然。6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/2023有两种相位调制方式：绝对调相（2PSK）绝对调相（2PSK）33两种相位调制的波形图6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/2023两种相位调制的波形图6.2.3二进制数字相位键控（2PS34练习：设数字信号序列为11001010100，试画出其2PSK及2DPSK信号波形图。（调制规则自定）6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/2023练习：设数字信号序列为11001010100，试画出其2PS35一、相位调制的实现1、2PSK调制用相位选择法实现2PSK调制方法16.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/2023一、相位调制的实现1、2PSK调制用相位选择法实现2PSK调36方法2：将进行调制的信息先经极性变换器将其变为双极性全占空数字基带信号，再和调制载波相乘。极性变换器带通滤波器2PSK信号极性变器变换规则：“1”变为全占空负脉冲；“0”变为全占空正脉冲。对应的调制规则为：“1”变“0”不变。相乘法产生2PSK信号6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/2023方法2：将进行调制的信息先经极性变换器将其变为双极性全占空数372、2DPSK信号的产生方法：将信息（绝对码）变换为相对码，再进行2PSK调制。绝对码和相对码的相互转换编码译码延迟延迟6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/20232、2DPSK信号的产生方法：将信息（绝对码）变换为相对码，38差分编码器极性变换器带通滤波器2DPSK信号相乘法产生2DPSK注意：调制器输出的信号对绝对码来说时2DPSK信号；而对相对码来说是2PSK信号。所以对此信号可以用2PSK的解调方法解调出相对码，再经差分译码得绝对码（即信息）。6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/2023差分极性带通2DPSK信号相乘法产生2DPSK注意：调制器输39二、调相信号解调1、2PSK信号解调2PSK信号的解调只能采用相干解调方法（又称极性比较法）带通低通抽样Z(t)X(t)cp输出2PSK信号相干解调方框图本地载波是用接收到的2PSK信号经载波信号提取电路产生的。6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/2023二、调相信号解调1、2PSK信号解调2PSK信号的解调只能采402PSK相干解调各点波形注意：2PSK相干解调存在反向工作这一缺点。解决的方法是采用2DPSK。8/13/20232PSK相干解调各点波形注意：2PSK相干解调存在反向工作这412、2DPSK信号的解调（1）极性比较—码变换法2PSK解调器延迟差分译码器2DPSK信号输入2DPSK解调方法1（相干解调）6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/20232、2DPSK信号的解调（1）极性比较—码变换法2PSK延迟42（2）相位比较法带通延迟低通抽样判决器Z(t)X(t)抽样脉冲2DPSK解调方法2（差分检测或称非相干检测）6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/2023（2）相位比较法带通延迟低通抽样Z(t)X(t)抽样脉冲2D43相位比较法解调2DPSK信号波形图6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/2023相位比较法解调2DPSK信号波形图6.2.3二进制数字相44三、2PSK、2DPSK信号的功率谱及带宽2PSK(或2DPSK)信号的功率谱信号带宽为：数字基带信号码元速率的2倍6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/2023三、2PSK、2DPSK信号的功率谱及带宽2PSK(或2D45四、解调性能分析(6.3的部分内容)1、相干检测2PSK的误码率带通滤波器输出与同步载波相乘，经低通滤波器输出为：发“0”时发“1”时发“1”和发“0”时的概率密度函数为：发“0”时发“1”时8/13/2023四、解调性能分析(6.3的部分内容)1、相干检测2PSK的误462PSK误码率2DPSK相干解调——2PSK解调+差分译码2、2DPSK差分检测误码率（相位比较法）注：此公式没有任何附加条件6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/20232PSK误码率2DPSK相干解调2、2DPSK差分检测误码率47五、2PSK与2DPSK比较1、检测这两种信号时判决器均可工作在最佳门限电平（零电平）。2、2PSK系统的抗噪声性比2DPSK好，当信噪比很大时，两者性趋近一致。3、2PSK存在反向工作问题，而2DPSK不存在反向工作问题。6.2.3二进制数字相位键控（2PSK、2DPSK）8/13/2023五、2PSK与2DPSK比较1、检测这两种信号时判决器均可工486.4二进制数字调制系统性能比较8/13/20236.4二进制数字调制系统性能比较8/3/2023492ASK2PSK、2DPSK2FSK2ASK与2PSK及2DPSK的频带利用率相同，2FSK的频带利用率最低。6.4二进制数字调制系统性能比较8/13/20232ASK2PSK、2DPSK2FSK2ASK与2PSK及2D50误码性能曲线2PSK抗噪声性能最好6.4二进制数字调制系统性能比较8/13/2023误码性能曲线2PSK抗噪声性能最好6.4二进制数字调制系516.5多进制数字调制系统四进制相位调制：QPSK（4PSK）OQPSKQDPSK（4DPSK）

8/13/20236.5多进制数字调制系统四进制相位调制：QPSK（4PS52一、QPSK（四进制绝对相位调制4PSK）四进制信息有四种：00、01、10、11载波相位四种：可以是：也可以是：以第一种相位配置为例，设信息和载波相位的对应关系为：6.5多进制数字调制系统8/13/2023一、QPSK（四进制绝对相位调制4PSK）四进制信息有四种：53(11)(01)(00)(10)相位配置XY当数字基带信号为11时，载波为：当数字基带信号为01时，载波为：当数字基带信号为00时，载波为：当数字基带信号为10时，载波为：(11)(01)(00)(10)型相位配置6.5多进制数字调制系统8/13/2023(11)(01)(00)(10)相位配置XY当54型QPSK信号串/并变换器单/双极性变换单/双极性变换相移900输入二进制序列QPSK调制器方框图1、QPSK调制信号产生1变为正矩形脉冲0变为负矩形脉冲同相分量正交分量问题：如果输入二进制序列的码元速率为2000波特，则QPSK信号的带宽为多少？接收到两位后送到两个支路，每个支路各送一位6.5多进制数字调制系统8/13/2023型QPSK信号串/并变换器单/双极性变换单/双55QPSK调制器方框图

型QPSK信号串/并变换器单/双极性变换单/双极性变换相移450接收到两位后送到两个支路，每个支路各送一位相移-4501变为正矩形脉冲0变为负矩形脉冲6.5多进制数字调制系统8/13/2023QPSK调制器方框图串/并变换器单/双极性变换562、QPSK信号的解调相移900低通滤波低通滤波抽样判决抽样判决并/串变换接收信号恢复的二进制序列同相通道正交通道QPSK信号的解调方框图定时6.5多进制数字调制系统8/13/20232、QPSK信号的解调相移900低通滤波低通滤波抽样判57设接收信号为：(11)(01)(00)(10)XY上支路：下支路：上下支路的判决规则：取样值大于0判1取样值小于0判06.5多进制数字调制系统8/13/2023设接收信号为：(11)(01)(00)(10)XY上支路：下58上下支路的判决规则为：取样值大于0，判1取样值小于0，判06.5多进制数字调制系统8/13/2023上下支路的判决规则为：取样值大于0，判16.5多进制数字59相移450低通滤波低通滤波抽样判决抽样判决并/串变换接收信号恢复的二进制序列同相通道正交通道QPSK信号的解调方框图定时相移-4506.5多进制数字调制系统8/13/2023相移450低通滤波低通滤波抽样判决抽样判决并/串变换接收信60上下支路的判决规则为：取样值大于0，判1取样值小于0，判06.5多进制数字调制系统8/13/2023上下支路的判决规则为：取样值大于0，判16.5多进制数字61二、OQPSKModulatedsignalQPSK串/并变换器单/双极性变换单/双极性变换相移900输入二进制序列OQPSK调制器方框图同相分量正交分量将收到的二进位交替送到上下两个支路6.5多进制数字调制系统8/13/2023二、OQPSKModulatedsignalQPSK串/62没有00与11之间的变化，也没有10与01之间的变化，所有相邻载波不会有180度的变化。特点：带外功率谱较小。6.5多进制数字调制系统8/13/2023没有00与11之间的变化，也没有10与01之间的变化，所有相63三、DQPSK及的四种取值(11)(01)(00)(10)DQPSK相位配置的四种取值(11)(01)(00)(10)XY

相位配置6.5多进制数字调制系统8/13/2023三、DQPSK及的四种取值(11)(01)(00)(10)D641、DQPSK信号的产生

（DQPSK）型DQPSK调制器方框图

型DQPSK信号串/并变换器单/双极性变换单/双极性变换相移450接收到两位后送到两个支路，每个支路各送一位相移-4501变为正矩形脉冲0变为负矩形脉冲码变换器的四种取值(11)(01)(00)(10)产生型QPSK信号6.5多进制数字调制系统8/13/20231、DQPSK信号的产生型DQPSK调制器方框图65码变换器真值表（求出、与、、、之间的关系。）8/13/2023码变换器真值表（求出、与、662、DQPSK信号的解调相移450低通滤波低通滤波抽样判决抽样判决并/串变换接收信号恢复的二进制序列同相通道正交通道DQPSK信号的解调方框图（相干解调）定时相移-450码反变换器QPSK信号解调6.5多进制数字调制系统8/13/20232、DQPSK信号的解调相移450低通滤波低通滤波抽样判决67码变换器真值表（求出、与、、、之间的关系。）8/13/2023码变换器真值表（求出、与、68相移450低通滤波器低通滤波器抽样判决抽样判决并/串变换正交通道定时相移-450延迟注：此处是一个DQPSK信号的码元宽度，其等于二进制信号码元宽度的两倍。接收的DQPSK信号恢复的二进制信号6.5多进制数字调制系统8/13/2023相移450低通滤波器低通滤波器抽样判决抽样判决并/串变换正69判决规则：取样值大于0，判1取样值小于0，判06.5多进制数字调制系统8/13/2023判决规则：取样值大于0，判16.5多进制数字调制系统8/703、信号的产生的四种取值(11)(01)(00)(10)XY

相位配置特点：1、调制后的载波相位有八种2、相位跳变绝对值最大为135度3、可以采用差分检测4、带外幅射比QPSK小（相位跳变量最大为180度）6.5多进制数字调制系统8/13/20233、信号的产生的四种取值(71设本码元（四进制）载波相位为，则调制器输出载波：6.5多进制数字调制系统8/13/2023设本码元（四进制）载波相位为，则调制器72串/并变换差分相位编码输入二进制序列信号串/并变换差分相位编码输入二进制序列信号低通滤波器低通滤波器增加低通滤波器目的是抑制已调信号的带外幅射调制原理图6.5多进制数字调制系统8/13/2023串/并变换差分相位编码输入二进制序列信号串/并变换差分相位编734、的解调（第7章部分内容）解调方式常用的是基带差分解调和中频差分解调两种。低通滤波抽样判决低通滤波抽样判决串/并信号基带差分解调框图6.5多进制数字调制系统8/13/20234、的解调（第7章部分内容）解调方74(11)(01)(00)(10)XY的四种取值判决规则：、大于0，判1小于0，判16.5多进制数字调制系统8/13/2023(11)(01)(00)(10)XY的四种取值判决规则：757.3最小频移键控（MSK）第7