课题二进制数字调制

课题二进制数字调制本模块学习要求：掌握：二进制幅度键控2ASK、频率键控2FSK和相位键控2PSK三种基本调制方式的原理、调制和解调电路形式掌握：相干调制和键控调制两种方法掌握：相干解调和非相干解调两种方法了解：相位连续的移频键控CPFSK、最小移频键控MSK、高斯最小移频键控GMSK等掌握：相位键控有绝对移相和相对移相两种方案，其中相对移相可以克服传输过程中可能出现的相位模糊现象了解：为什么要采用多进制数字调制掌握:定时和同步的有关概念模块四数字频带传输技术第2页,共53页，2024年2月25日，星期天模块四数字频带传输技术任务引入在上一章节中，我们比较详细地讨论了数字基带传输系统。而在实际通信中，绝大部分情况下的信道都不能直接传输数字基带信号，而必须用数字基带信号对载波波形的某些参量进行调制，使载波信号的这些参量随该数字基带信号的变化而变化，这就是数字调制传输。也称为数字频带传输。因为数字基带信号具有丰富的低频成分，只适合在低通型信道中传输（比如双绞线），但是在通信系统中实际使用的信道多为带通型，例如各个频段的无线信道、限定频率范围的同轴电缆等。为了使数字信号能在带通信道中传输，必须采用数字调制方式。第3页,共53页，2024年2月25日，星期天模块四数字频带传输技术1.主要原因是带通型信道比低通型信道带宽大得多，可以采用频分复用技术传输多路信号2.若要利用无线电信道，必须把低频信号“变”成射频信号。

那么为什么一定要在带通型信道中传输数字信号呢？

第4页,共53页，2024年2月25日，星期天一、调制概述

1、基带信号的调制过程和作用课题一二进制数字调制信息源语言音乐图像直接转换频率很低的电信号包括（或不包括）直流分量的低通频谱最高频率和最低频率之比远大于1基带信号如电话信号的频率范围在300～3400Hz图4-1-1信号变换过程第5页,共53页，2024年2月25日，星期天在实际通信中，多数信道（无线、有线）不能直接传输数字基带信号。对于有线信道:一方面，传统的通信网为模拟信号传输而设计，数字基带信号不能直接进入该通信网；另一方面，传输线路中存在大量的电容、变压器等隔直设备，不利于数字基带信号（富含低频或直流分量）的传输。课题一二进制数字调制对于无线信道，由于数字基带信号的频率较低，不能通过有限尺寸的天线进行有效辐射。第6页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制调制器原始信号调制：发送端把基带信号频谱搬移到给定信道通带内的过程解调器原始信号解调：在接收端把已搬到给定信道通带内的频谱还原为基带信号的过程图4-1-2调制解调信号变换过程第7页,共53页，2024年2月25日，星期天调制在通信中的作用：（1）调制把基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求。课题一二进制数字调制（2）经过调制后的频带信号更容易辐射，从而满足无线通信的要求。（3）实现频率分配。（4）实现多路复用。（5）减少噪声和干扰的影响，提高系统抗干扰能力。第8页,共53页，2024年2月25日，星期天2、调制的类型课题一二进制数字调制调制器输入信号S（t）输 出信号Sm（t）载波信号c（t）第9页,共53页，2024年2月25日，星期天2、调制的类型课题一二进制数字调制sm

(f)频谱之间呈线性搬移关系：AM、ASK线性调制非线性调制s(f)sm

(f)频谱之间没有线性对应关系：FM、PM、FSK

调制器s(t)sm

(t)C(t)m(t)改变载波信号C(t)的不同参数幅度调制：AM、PAM、ASK频率调制：FM、FSK相位调制：PM、PPM、PSK原始信号频谱第10页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制在调制器中选择不同的参数，可以把调制分成不同的类型。（1）输入信号的不同-----模拟调制和数字调制；（2）载波信号的不同-----脉冲载波调制和连续载波调制。（3）调制后的频谱和原始信号频谱呈线性搬移关系----线性调制，如AM、ASK。否则为非线性调制，如FM、PM、FSK。我们重点研究调制信号为数字基带信号、载波为正弦波的数字调制。其他调制只做概念性介绍。3、数字调制的种类第11页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制

和模拟调制相似，数字调制所用的载波一般也是连续的正弦型信号，但调制信号则为数字基带信号。理论上讲，载波形式可以是任意的（比如三角波、方波等），只要适合在带通信道中传输即可。之所以在实际通信中多选用正弦型信号，是因为它具有形式简单、便于产生和接收等特点。与模拟调制中的幅度调制、频率调制和相位调制相对应，数字调制也分为三种基本方式：幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。但是请大家注意，实际应用中的调制非常复杂，如GMSK（高斯滤波最小频移键控）、QPSK（四相绝对相移键控）、QAM（正交幅度调制）、OFDM（正交频分复用技术，多载波调制（MCM）的一种）等在实际应用中比较多。第12页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制幅移键控调制因为传输效率低，在实际应用中已经很少采用，但它是研究数字调制的基础。先了解ASK调制，就比较容易理解频移键控（FSK）调制和相移键控（PSK）调制的原理。二、二进制幅移键控（2ASK）用数字基带信号对载波幅度进行调制的方式称为幅移键控，幅移键控（也称振幅调制）记作ASK，或称其为开关键控（通断键控），记作OOK（OnOffKeying）；二进制幅移键控通常记作2ASK。1、基本原理及其形成

2ASK的原理是“0、1”码去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出，有载波输出时表示发送“1”码，无载波输出时表示发送“0”码。

第13页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制基带信号图4-1-62ASK信号波形示意图

2ASK信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列（单极性不归零码）与一个正弦载波的乘积。第14页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制

二进制幅移键控信号的产生方法有两种，即模拟振幅调制法和数字键控法。（1）模拟振幅调制法BPFAcosωcts(t)SASK(t)a)数字基带信号（单极性NRZ）SASK(t)

Acosωcts(t)b)数字基带信号（单极性NRZ）图4-1-72ASK波形产生器方框图a)模拟调制法b）数字键控法第15页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制

这里的模拟幅度调制和模拟通信系统中的调幅（AM）框图是一样的，属于相干调制。但不同的是调制信号为为数字信号（单极性不归零码）。

（2）数字键控法由二进制数字基带信号去控制一个开关电路，当信码为“1”时，开关接通，有高频载波输出；当信码为“0”时，开关断开，无高频载波输出。2ASK信号由于始终有一个信号的状态为零，即处于断开状态，故常称之为通断键控（OOK）信号。实际电路说明：在实际应用中，高频载波经过分频送到与非门，与非门在基带信号的控制下工作，当基带信号为高电平“1”时，门打开，高频方波信号通过与非门，送到三极管的基极，第16页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制

由三极管的发射极输出，经过带通滤波器后输出高频载波；当基带信号为低电平“0”时，与非门被封锁，载波信号不能通过与非门，无高频载波输出。图4-1-82ASK信号的产生方法（数字键控法）2ASK产生动画【例4-1-1】已知一信码为10011011100100，试画出它的2ASK信号的波形（载波信号为余弦信号）。第17页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制2、2ASK信号的频谱分析信号的频谱分析非常复杂，这里我们补充介绍一些基本概念。信号的波形，我们通常称为时域波形，指信号随时间变化的波形，任何一个时域波形都有一个频域波形对应，但分析频域波形往往要用到傅立叶变换。在对信号进行频谱分析的时候，有时讲频谱，有时讲功率谱，这两者是有些区别的。频谱分为幅度频谱和相位频谱。所谓幅度频谱是指信号的幅度随频率变化的情况；所谓相位频谱是指信号的相位随频率变化的情况。对功率有限的频带信号的频谱分析通常用其功率谱来表示，而不分析其相位频谱。第18页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制

所谓功率谱是指单位频带内信号的功率随频率变化的情况。保留频谱的幅度信息，但是丢掉了相位信息，所以频谱不同的信号其功率谱是可能相同的。有一个重要区别：

功率谱是随机过程的统计平均概念，平稳随机过程的功率谱是一个确定函数；而频谱是随机过程样本的傅立叶变换，对于一个随机过程而言，频谱也是一个“随机过程”。（随机的频域序列）第19页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制离散谱：由载波分量确定

连续谱：由基带信号波形确定第一旁瓣峰值比主峰衰减14dB

B2ASK是基带信号波形带宽的两倍图4-1-92ASK信号的功率谱第20页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制

由图中可以看出，幅度键控信号的功率谱是基带信号功系谱的线性搬移，所以其频谱宽度是二进制基带信号的两倍。由于基带信号是矩形波，其频谱宽度从理论上来说为无穷大，以载波ωc为中心频率，在功率谱密度的第一对过零点之间集中了信号的主要功率，因此,通常取第一对过零点的带宽作为传输带宽，称之为谱零点带宽。第21页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制2ASK的功率谱具有以下特点：（1）2ASK信号的功率密度是相应的单极性数字基带信号功率密度形状不变的平移至±fc（fc为载波信号频率）处形成的，即2ASK信号的功率谱密度由连续谱和离散谱两部分组成。（2）2ASK信号的带宽B2ASK是单极性数字基带信号带宽fs的两倍。

fS是基带信号的频率，RB=1/Ts是基带信号码元传输速率。（3）2ASK的频带利用率只有直接传输基带信号的一半。B增加一倍，频带利用率下降一半。第22页,共53页，2024年2月25日，星期天课题一二进制数字调制

【例4-1-2】假设电话信道具有理想的带通特性，频率范围为300-3400Hz，试问该信道在单向传输2ASK信号时最大的传输码率为多少？【例4-1-2】解答：电话信道带宽B=3400-300=3100（Hz），也就是说B2ASK=3100Hz。该信道在传送2ASK信号时，由于2ASK信号的带宽是基带信号的2倍，因此该信道的等效基带带宽为B2ASK/2=1550Hz。根据无码间串扰条件（奈奎斯特第一准则），基带带宽为1550Hz信道最高码元传输速率为RB=2×1550=3100波特第23页,共53页，2024年2月25日，星期天2ASK信号的解调方法3、2ASK信号的解调方法

从已调信号中恢复基带信号的过程称为解调，是调制的逆过程。包括非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检波法）。简单的说，非相干解调是指接收端不需要恢复载波信号即可实现解调，而相干解调则是在接收端必须恢复与发送端一致的载波才能实现解调。（1）2ASK信号的非相干解调非相干解调又称为包络检波法。带通滤波器的作用是使2ASK信号完整地通过，经包络检波器后，输出其包络。低通滤波器（LPF）的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。第24页,共53页，2024年2月25日，星期天2ASK信号的解调方法

抽样判决器包括抽样、判决及码元形成，经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。2ASK非相干解调和模拟调幅AM信号的解调一样，但不同的是2ASK解调增加了一个“抽样判决器”，这对于提高数字信号的接收性能是十分必要的。包络检波动画第25页,共53页，2024年2月25日，星期天2ASK信号的解调方法包络检波器各点波形请大家利用以前所学知识理解这些波形第26页,共53页，2024年2月25日，星期天2ASK信号的解调方法（2）2ASK信号的相干解调相干解调也称为同步解调，要求接收机产生一个与发送载波同频、同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。

相干解调是一种常见的解调方法，它是在接收端利用相干载波与接收信号进行相乘，得到包含基带信号频率分量的输出信号，然后通过低通滤波器滤除无用频率分量，让基带信号通过，并将其送至抽样电路进行判决。图4-1-102ASK信号的相干解调第27页,共53页，2024年2月25日，星期天2ASK信号的解调方法图4-1-132ASK信号的相干解调框图中各点波形2ASK相干解调动画第28页,共53页，2024年2月25日，星期天2ASK信号的解调方法

采用相干解调（同步检波法），接收端必须提供一个与2ASK信号载波保持同频、同相的相干载波信号，可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波。显然，提取本地同步载波会导致设备复杂、实现困难。对于2ASK信号，通常使用包络检波法。包络检波法具有设备简单、稳定性好、可靠性高、价格便宜等优点。第29页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制频移键控（2FSK）三、二进制频移键控（2FSK）用基带数字信号对载波频率进行调制的方式称为频移键控，频移键控也称为频率调制，记作FSK，二进制数字频移键控通常记作2FSK。1、基本原理及其形成

2FSK的原理是用载波的频率变化传送数字信号，即用所传送的数字信号控制载波的频率变化，而载波的幅度则保持不变。信码为“1”时，对应的2FSK信号是一个频率为f1的载波，信码为“0”时，2FSK信号是一个频率为f2的载波，f1

和f2的大小由收发双方通信协议确定。第30页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制频移键控（2FSK）数字基带信号单极性NRZ2FSK信号波形

基带信号起到开关控制作用，当基带信号为“1”码时，输出频率为f1的载频；当基带信号为“0”码时，输出频率为f2的载频。

一般将fc=（f1+f2）/2称为标称载频，将Δf=|f2-f1|称为频移宽度，简称频移。

2FSK信号的产生方法有模拟调频法和频率选择法。前者产生相位连续的2FSK信号，后者产生相位不连续的2FSK信号。第31页,共53页，2024年2月25日，星期天2ASK信号的解调方法（1）模拟调频法所谓模拟调频法就是将输入的基带脉冲去控制一个振荡器的某种参数而达到改变振荡器频率的目的。这种方法产生的2FSK信号相位是连续的，简单易行，但由于频率稳定度较差，所以实际应用范围不广。第32页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制频移键控（2FSK）（2）频率选择法

频率选择法利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。当基带信号为“1”时，开关电路选择载波f1，基带信号为“0”时，开关电路选择载波f2。该方法可用数字电路实现，转换速度快、波形好，频率稳定度高，电路不复杂，故得到广泛的应用。但由于f1和f2是两个独立的振荡，因而使所输出的信号失去了相位的连续性，相位不连续，可能对邻道造成干扰。2、2FSK信号的频谱分析以相位不连续的2FSK信号进行频谱分析。第33页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制频移键控（2FSK）第34页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制频移键控（2FSK）

设P（f）为单极性矩形脉冲序列s（t）的功率谱密度，P2FSK（f）为已调信号S2FSK（t）的功率谱密度，2FSK功率谱具有以下特点：（1）2FSK信号的功率谱密度同样由连续谱和离散谱两部分组成。连续谱由两个双边谱叠加而成，离散谱出现在两个载频位置f1、f2上。（2）若频移小于fb，则连续谱出现单峰，峰值对应于标称载频fC；否则，连续谱出现双峰，峰值对应于两个载频位置f1、f2。（3）2FSK信号的带宽B2FSK=2B基+|f2-f1|=2R基+|f2-f1|

，R基为基带信号的码元速率，数值上和带宽一样。所以我们说，2FSK调制比2ASK调制，频带利用率下降|f2-f1|

第35页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制频移键控（2FSK）设h为频移指数，图4-1-192FSK信号的功率谱第36页,共53页，2024年2月25日，星期天

二进制频移键控（2FSK）

为了便于接收端解调，要求2FSK信号的两个频率f1,f2间要有足够的间隔。对于采用带通滤波器来分路的解调方法，通常取于是，2FSK信号的带宽为相应地，这时2FSK系统的频带利用率为第37页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制频移键控（2FSK）3、2FSK信号的解调

2FSK解调方法也有相干解调和非相干解调两类。但实际应用中由于从2FSK信号中提取相干载波比较困难，所以实际应用中多数采用非相干解调。非相干解调有鉴频法、过零检测法、包络检波法等。（1）相干解调第38页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制频移键控（2FSK）

图中的主要部分和前面讲过的2ASK相干解调一样，关键是判决，判决的准则是比较两路信号包络的大小。（2）非相干解调----分路包络检波法

这个电路同相干解调的电路很相似，判决的准则也是比较两路信号包络的大小。分路滤波包络检波法非相干解调的缺点是频带利用率低，但实现比较容易，主要用于解调相位不连续的FSK信号。分路包络检波法第39页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制频移键控（2FSK）（3）非相干解调----过零检测法过零检测法是一种常用而简便的解调方法。2FSK信号的过零点数随载频的变化而不同，因此，检测出过零点数就可以得到载频的差异，从而进一步得到调制信号的信息。2FSK信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的脉冲序列，由此再形成相同宽度的矩形波。此矩形波的低频分量与数字信号相对应，由低通滤波器滤出低频分量，然后经抽样判决，即可得到原始的数字调制信号。

第40页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制频移键控（2FSK）第41页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制频移键控（2FSK）

过零检测法广泛应用于数字调频系统中，可用于解调相位连续或相位不连续的FSK信号。由于2FSK信号可以采用非相干接收方式，接收时不必利用信号的相位信息，所以在条件恶劣的无线信道中FSK信号就特别适用。（4）2FSK应用

2FSK在数字通信中应用广泛，尤其在衰落信道中传输数据时。在语音频带内进行数据传输时（传真机是典型应用），CCITT建议当数据传输速率低于1200bit/s时使用FSK方式。

ITU-T的V.21就是2FSK技术在传真机上的应用。主要技术规范：速率300bit/s，主叫频率1270Hz（1码）/1070Hz（0码），被叫频率2225Hz（1码）/2025Hz（0码）。第42页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制频移键控（2FSK）传真机上的应用，利用电话线进行传真。电力系统低速远动，300、600、1200波特远动信号传输。GSM系统中GMSK调制方式的原形就是FSK。【例4-1-3】已知数字基带信号s（t）为1011001，试画出其2FSK波形。【例4-1-4】假设电话信道具有理想传输特性，如果在电话信道中接入基于V.21标准的Modem（速率为300b/s），主叫与被叫的信号频率分别为1070Hz、1270Hz、2025Hz、2225Hz，要求电话信道的带宽为多少？解：根据V.21标准，，四个频率中取最小和最大的两个作为f1和f2，则电话信道的带宽应为：第43页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制相移键控（2PSK）四、二进制相移键控（2PSK）用基带数字信号对载波相位进行调制的方式称为数字相位调制。相位调制也称为相移键控，记作PSK。二进制相移键控通常记作2PSK。二进制相移键控是用一个载波的两种不同相位来代表数字信号的两种电平。PSK系统抗噪声性能优于ASK和FSK，且频带利用率高，广泛应用于中、高速数字通信中。二进制相移键控根据相位变化参考对象不同，分为绝对相移键控（一般用PSK表示）和相对相移键控（一般用DPSK表示）两种工作方式。相对相移键控又称为差分相移键控，相对相移键控优点特出，所以相移键控调制方式一般均采用DPSK。

第44页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制相移键控（2PSK）

1、基本原理及其形式绝对相移键控就是利用不同的载波的不同相位去直接传送数字信号的一种方法，而载波振幅和频率保持不变。如0相位代表“0”码，π相位代表“1”码。也可以做相反的规定。例如，若规定基准相位为未调载波初相，则已调载波与未调载波同相可以表示数字基带信号“0”，与未调载波反相可以表示数字基带信号“1”。第45页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制相移键控（2PSK）

2PSK是发送端以某一个相位作基准的，因而在接收系统中也必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化，则恢复的数字信息就会发生变化，造成错误。（这种现象称为相位模糊或倒π现象）二进制相移键控信号的产生方法主要有两种：模拟调相法和相移键控法。

2PSK已调信号可以表示为一个双极性矩形脉冲序列s（t）与一个余弦载波的乘积。第46页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制相移键控（2PSK）（2）相对相移键控（DPSK）相对相移键控也称差分相移键控，它用载波相位的相对变化来传送数字信号，即数字1和0信号的相位不是以某个固定的相位（如载波的相位）做基准，而是以相邻的前一码元的相位为基准。例如，若某码元相移信号相位与相邻前一码元相移信号同相可以表示数字信号“0”码，与相邻前一码元相移信号反相可以表示数字信号“1”码，也可作相反的规定。第47页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制相移键控（2PSK）

在画DPSK信号波形时要用到参考相位，参考相位的不同，波形也不一样。

2DPSK信号的产生也有模拟调相法和相移键控法

，一般采用相移键控法，即首先将绝对码转换为相对码，然后使用该相对码进行绝对调相。第48页,共53页，2024年2月25日，星期天二进制相移键控（2PSK）3、相移键控解调对于相移键控信号，相位本身携带信息，在识别它们时必须依据相位，因此，必须使用相干解调