现代通信技术（第二版）课件 第五章 数字信号频带传输系统

第五章

数字信号频带传输系统重点与难点内容：数字频带传输的概念、二进制数字调制与解调的原理二进制数字调制系统的功率谱密度二进制数字调制系统的抗噪声性能不同二进制数字调制系统的差异多进制数字调制系统的原理及应用现代数字调制系统的原理及应用

为何要进行频带传输？

在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。

然而，在实际信道中，大多数信道是带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。

采用数字键控的方法实现数字调制称为键控法。

基本的三种数字调制方式是：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)移相键控(PSK或DPSK)。数字基带信号比起模拟基带信号有什么特点？数字调制有哪几种？有限的离散状态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。振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号变化的数字调制。→二进制振幅键控（2ASK）：当数字基带信号为二进制时，称为二进制振幅键控（2ASK）。5.1二进制数字振幅调制系统

5.1二进制数字振幅调制系统

2ASK实现方法一般有2种：模拟相乘法；数字键控法

5.1二进制数字振幅调制系统

2ASK解调方法

能够采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)5.1二进制数字振幅调制系统

非相干解调法（包络检波法）

优点：它能够得到一个与输入信号瞬时振幅大小成正比的输出电压。由于这种检波器比较简单，并具有稳定性好、可靠性高和价格便宜等优点。相干解调法条件

采用相干解调法，接收端必须提供一个与ASK信号的载波保持同频同相的相干振荡信号，否则会造成解调后的波形失真。通常接收端本身是无法独立产生这种相干信号的。而此相干信号原则上可以通过窄带滤波（如果已调信号中含有载波分量）或锁相环路来提取，但是实现起来还是比较困难，将给设备增加复杂性。

目前在实际中很少采用同步检波法来解调ASK信号。5.1二进制数字振幅调制系统

2ASK信号的功率谱

2ASK功率谱密度图5.1二进制数字振幅调制系统

2ASK系统的抗噪声性能

在数字通信系统中，衡量系统抗噪声性能的重要指标是误码率。

因此，分析二进制数字调制系统的抗噪声性能，也就是分析在信道等效加性高斯白噪声的干扰下系统的误码性能，得出误码率与信噪比之间的数学关系。

由于信道加性噪声被认为只对信号的接收产生影响，故分析系统的抗噪声性能也只要考虑接收部分。

同时认为这里的信道加性噪声既包括实际信道中的噪声，也包括接收设备噪声折算到信道中的等效噪声。5.1二进制数字振幅调制系统

5.1二进制数字振幅调制系统

包络检波法系统抗噪声性能5.1二进制数字振幅调制系统

与同步检测法的系统总误码率相比，可以得出结论：在相同的信噪比条件下，同步检测法的抗噪声性能优于包络检波法；在大信噪比时，两者性能相差不大；包络检波法不需要相干载波，因而设备比较简单；包络检波法存在门限效应，同步检测法无门限效应。5.1二进制数字振幅调制系统

二进制频移键控（2FSK)调制，它是继振幅键控信号之后出现比较早的一种调制方式。

由于它的抗噪声、抗衰减性能优于ASK，设备又不算复杂，实现也比较容易，所以一直在很多场合应用。例如在中低速数据传输，尤其在有衰减的无线信道中。5.2二进制数字频率调制系统

5.2二进制数字频率调制系统

2FSK实现方法

二进制移频键控信号的产生，可以采用模拟调频电路来实现，也可以采用数字键控的方法来实现。5.2二进制数字频率调制系统

5.2二进制数字频率调制系统

2FSK解调方法

二进制移频键控信号的解调方法很多，有非相干解调方法也有相干解调方法。其原理是将2FSK信号分解为两路2ASK信号，分别进行解调，通过对两路取样值进行比较最终判决输出信号。

由于从FSK信号中提取相干载波很困难，因此目前大多采用非相干解调。非相干解调法又有过零检测法、分路包络检波法、鉴频法等。相干解调非相干解调5.2二进制数字频率调制系统

分路包络检波法解调的时间波形如图所示，这种非相干解调器工作的条件是两路ASK信号频谱不重叠，其频谱利用率不高，但因为比较容易实现，因此实际应用较多。5.2二进制数字频率调制系统

过零检测法的原理图如图所示，其原理是，2FSK信号的过零点数随载波频率不同而相异，通过检测过零点密度（或频率）从而得到频率的变化5.2二进制数字频率调制系统

5.2二进制数字频率调制系统

5.2二进制数字频率调制系统

5.2二进制数字频率调制系统

比较同步检测法及包络检波法解调时性能可知，在大信噪比情况下，两者性能差距很小，但同步检测时设备复杂的多，因此，包络检波法比同步检测法更为常用。

此外，对于FSK信号的解调，除以上两种方式外，还可以采用鉴频法，在此不做深入讨论。5.2二进制数字频率调制系统

数字调相通常分为绝对移相制和相对移相制两种方式。绝对移相制PSK是利用载波的不同相位表示数据信息相对移相制DPSK是利用载波的相对相位值表示数据信息。5.3二进制数字相位调制系统

数字调相：

又称相移键控调制，它是利用载波的相位变化来反映数字数据信息的，此时载波的振幅和频率都不变化。**相移键控（PSK)信号抗噪声性能比ASK信号和FSK信号都要好，在中高速的数据传输中广泛采用调相技术。

5.3二进制数字相位调制系统

5.3二进制数字相位调制系统

2PSK实现方法采用模拟调制如图（a）或者数字键控如图（b）的方法产生2PSK信号。5.3二进制数字相位调制系统

5.3二进制数字相位调制系统

2PSK解调方法2PSK信号的解调通常都采用相干解调5.3二进制数字相位调制系统

这个2PSK的解调存在什么问题？5.3二进制数字相位调制系统

2DPSK调制原理相对移相信号也称为差分移相，就是数字“1”和“0”信号的相位不是以某个固定的相位（载波的相位）作参考，而是以相邻的前一码元的相位为参考的。5.3二进制数字相位调制系统

5.3二进制数字相位调制系统

2DPSK实现方法

首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示信息，然后再进行绝对调相，从而产生二进制差分相位键控信号。5.3二进制数字相位调制系统

2DPSK解调方法

相干解调方式(极性比较法)，其解调原理是：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的问题。5.3二进制数字相位调制系统

差分相干解调方式(相位比较法)，解调原理：直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换，故解调器中不需要码反变换器。由于差分相干解调不需要相干载波，所以实际上是一种非相干解调方法。5.3二进制数字相位调制系统

5.3二进制数字相位调制系统

5.3二进制数字相位调制系统

5.3二进制数字相位调制系统

5.3二进制数字相位调制系统

二进制数字调制系统的比较（误码率与带宽）*误码率

各种二进制数字调制系统的误码率与输入信噪比的关系，包括采用相干解调和非相干解调方式

相干解调非相干解调精确值近似值2ASK2FSK2PSK

2DPSK5.4二进制数字调制系统比较

5.4二进制数字调制系统比较

5.4二进制数字调制系统比较

由于二进制数字调制系统频带利用率较低，在信道频带受限时为了提高频带利用率，通常采用多进制数字调制系统，其代价是增加信号功率和实现上的复杂性。在信息传输速率不变的情况下，通过增加进制数，可以降低码元传输速率，从而减小信号带宽、节约频带资源、提高系统频带利用率；在码元传输速率不变的情况下，通过增加进制数，可以增大信息传输速率，从而在相同的带宽中传输更多的信息量。

MASKMFSKMPSK5.5多进制数字调制

为何要进行多进制？MASK调制原理MASK信号与2ASK信号产生的方法相同，可利用乘法器来实现。解调也与2ASK信号相同，可采用相干解调和非相千解调两种方式5.5多进制数字调制

MFSK调制原理

在一个码元期间在M个频率中选择一个输出。其相位是不连续的，可看作是M个振幅相同、载波不同时间上互不相容的二进制ASK信号的叠加。5.5多进制数字调制

5.5多进制数字调制

数字幅度调制、数字频率调制和数字相位调制，这三种方式是数字信号调制的基础。

但这三种数字调制方式都存在某些不足，如频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等，不能适应当前移动通信快速发展的需要。

因此，需要寻找频带利用率高，同时抗干扰能力强的调制方式，目前已有一些新型数字调制技术广泛使用在通信系统中。5.6现代数字调制技术

正交振幅调制QAM（QuadratureAmplitudeModulation）

一种幅度和相位联合键控（APK)的调制方式。它可以提高系统可靠性，且能获得较高的信息频带利用率，是目前应用较为广泛的一种数字调制方式。

广泛应用于大容量数字微波通信、有线电视网络和卫星通信中。正交振幅调制实现

用两路独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输，是将所得到的两路已调信号叠加起来进行传输。交错正交相移键控OQPSK

4PSK即（QPSK）是MPSK系统中应用较广泛的一种调制方式。

为了克服QPSK调制已调信号带宽无穷宽、包络起伏、频谱扩散的问题，消除QPSK调制载波相位翻转现象，在QPSK的基础上提出了恒包络调制方式OQPSK。

交错四相相移键控（OQPSK）是继QPSK之后发展起来的一种恒包络数字调制技术，是QPSK的一种改进形式，也称为偏移四相相移键控(offset-QPSK)技术，有时又称为参差四相相移键控（SQPSK）或者双二相相移键控（Double-QPSK)等。

高斯最小频移键控GMSK

MSK信号虽然具有频谱特性和误码性能较好的特点，然而在一些通信场合，例如在移动通信中，MSK所占带宽仍较宽，而且其频谱的带外衰减仍不够快，以至于会产生邻道干扰。

为此，人们设法对MSK的调制方式进行改进：在频率调制之前用一个低通滤波器对基带信号进行预滤波，它通过滤出高频分量，给出比较紧凑的功率谱，从而提高谱利用率。这就是高斯最小移频键控（GMSK），GMSK调制方式能够满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求，以其良好的性能被用于GSM数字蜂窝移动通信系统中。

正交频分复用

数字调制解调方式都是属于串行体制，和串行体制相对应的一种体制是并行体制。它是将高速率的信息数据流经串/并变换，分割为若干路低速率并行数据流，然后每路低速率数据采用一个独立的载波调制并叠加在一起构成发送信号，这种系统也称为多载波传输系统。OFDM调制与解调原理N个待发送的串行数据经串/并变换后，得到N路并行码，码型选用双极性NRZ矩形脉冲，经N个子载波分别对N路并行码进行2PSK调制，相加后得到OFDM信号，为了使这