现代通信原理（第4版）课件 第八章 数字载波传输系统

第八章数字载波传输系统2025/4/20信息与通信工程学院2

数字通信系统模型本章内容在通信系统模型中的位置2025/4/20信息与通信工程学院3本章内容概述二进制数字已调信号及其功率谱二进制数字调制系统的性能分析各种数字调制系统的性能比较数字信号的最佳接收多进制数字调制系统改进型数字调制系统2025/4/20信息与通信工程学院4

数字通信系统模型数字传输系统:基带传输系统和载波传输系统。载波传输系统:

将数字基带信号对载波进行调制的过程。8.1概述2025/4/20信息与通信工程学院5数字信号对载波的调制称为键控。

ASK（Amplitude-ShiftKeying）幅度键控

FSK（Frequency-ShiftKeying）移频键控

PSK（Phase-ShiftKeying）移相键控8.1概述

二进制数字调制系统中，载波的振幅、频率及相位只有两种变化状态，记为2ASK、2FSK及2PSK。载波信号：2025/4/20信息与通信工程学院68.2二进制数字已调信号及其功率谱

ASK信号产生模型数字基带信号载波输出信号一、2ASK信号(ook：on-offkeying信号)

单极性矩形脉冲2025/4/20信息与通信工程学院7概率为P

概率为1-P

10上式的傅里叶变换为

一般情况下，数字基带信号SD(t)

可写为8.2二进制数字已调信号及其功率谱

则ASK信号可写为2025/4/20信息与通信工程学院8对应的功率谱密度为8.2二进制数字已调信号及其功率谱

对单极性矩形脉冲来说,由第七章结论可得（双边谱）对矩形脉冲,有设P=1-P=1/2,则有2025/4/20信息与通信工程学院98.2二进制数字已调信号及其功率谱

2ASK信号功率谱密度为8.2二进制数字已调信号及其功率谱

2025/4/20信息与通信工程学院11式中，fT=1/T

为码元速率。(1)ASK信号带宽是数字基带信号带宽的两倍，2ASK信号的带宽为由图看出（赫兹）(2)2ASK信号的频带利用率为

8.2二进制数字已调信号及其功率谱

2025/4/20信息与通信工程学院12

带通滤波器乘法器

低通滤波器抽样判决器输入

输出

抽样脉冲相干（同步）解调2ASK信号的解调：相干解调,非相干（包络检波法）解调8.2二进制数字已调信号及其功率谱

2ASK信号的解调(2)

带通滤波器半波或全波整流器

低通滤波器抽样判决器输入

输出

抽样脉冲非相干（包络检波法）解调

8.2二进制数字已调信号及其功率谱

2025/4/20信息与通信工程学院14二、2FSK信号8.2二进制数字已调信号及其功率谱

移频键控（FSK)：用不同频率的载波来传送数字信号。2FSK信号的典型波形图2025/4/20信息与通信工程学院15直接调频法：用数字脉冲直接控制振荡器的某个参数从而实现调频。相位连续，产生容易，但频率稳定度较差。2FSK信号的产生方法键控法：

用数字基带信号去控制两个载波的通断。转换速度快，波形好，频率稳定度高，但相位不连续。8.2二进制数字已调信号及其功率谱

2025/4/20信息与通信工程学院162FSK信号的频谱

2FSK信号可看成两个2ASK信号之和。8.2二进制数字已调信号及其功率谱

P

1-P

10P

1-P

01+2025/4/20信息与通信工程学院17

直接引用2ASK信号的功率谱得到PFSK（w）8.2二进制数字已调信号及其功率谱

182FSK信号功率谱8.2二进制数字已调信号及其功率谱

2025/4/20信息与通信工程学院19(1)2FSK信号的带宽约为(2)系统最高频带利用率比2ASK系统的频带利用率低。由图看出8.2二进制数字已调信号及其功率谱

常取2025/4/20信息与通信工程学院202FSK信号解调：相干解调,非相干解调,其他解调方法

带通滤波器

带通滤波器

乘法器乘法器

低通滤波器

低通滤波器

抽样判决器输入输出抽样脉冲

8.2二进制数字已调信号及其功率谱

相干解调2025/4/20信息与通信工程学院21

非相干解调

带通滤波器

带通滤波器

包络检波器

包络检波器抽样判决器抽样脉冲

输入

输出

2FSK信号解调(2)

8.2二进制数字已调信号及其功率谱

2025/4/20信息与通信工程学院22鉴频法差分检波法过零点检测法FSK信号其他解调方法:8.2二进制数字已调信号及其功率谱

2025/4/20信息与通信工程学院238.2二进制数字已调信号及其功率谱

过零点检测法2025/4/20信息与通信工程学院24二、2PSK及2DPSK信号移相键控分为：①绝对调相，记为PSK；8.2二进制数字已调信号及其功率谱

绝对调相(PSK):

利用载波的不同相位去直接传送数字信息“0”码，载波相位j1=0;“1”码，载波相位j2=p。的一种方式。参考相位“1”码“0”码

②相对调相，记为DPSK。258.2二进制数字已调信号及其功率谱

PSK实际上是以一个固定参考相位载波为基准解调时也必须要有一个参考相位固定的载波反向工作(倒p)现象载波恢复电路由于各种干扰的影响会引起参考相位发生1800变化。解决办法：采用DPSK系统。这时恢复出的数字信号就会发生“0”和“1”码反向。2025/4/20信息与通信工程学院26相对调相(DPSK)：也称差分调相,这种方式用前后码元载波相位的相对变化来传送数字信号。“0”码，前后码元载波相位差为0；“1”码，前后码元载波相位差为p。8.2二进制数字已调信号及其功率谱

前码元“1”码“0”码2025/4/20信息与通信工程学院278.2二进制数字已调信号及其功率谱

2025/4/20信息与通信工程学院28相位状态由相对码决定，与绝对码无关。8.2二进制数字已调信号及其功率谱

DPSK系统特点解调时不存在反向工作的问题。实际系统中大多采用DPSK方式。2025/4/20信息与通信工程学院292PSK信号产生方法:

直接调相法;选择相位法

直接调相法8.2二进制数字已调信号及其功率谱

2025/4/20信息与通信工程学院30选择相位法

8.2二进制数字已调信号及其功率谱

312DPSK信号产生方法8.2二进制数字已调信号及其功率谱

选择相位法2025/4/20信息与通信工程学院32PSK信号的功率谱

式中，SD(t)为取值+1或-1的双极性矩形脉冲（码元宽为T）8.2二进制数字已调信号及其功率谱

故PSK信号的功率谱2025/4/20信息与通信工程学院332PSK信号的功率谱8.2二进制数字已调信号及其功率谱

PSK信号带宽:

B=2fT(与ASK相同)系统的频带利用率:1/2b/s/Hz2025/4/20信息与通信工程学院34PSK信号的解调：极性比较法

(同步解调)PSK信号极性比较解调法8.2二进制数字已调信号及其功率谱

2025/4/20信息与通信工程学院35

DPSK信号解调：极性比较法;相位比较法（差分相干解调）

带通滤波器乘法器

低通滤波器

抽样判决器码变换器本地载波抽样脉冲数据输出

DPSK信号的极性比较解调法8.2二进制数字已调信号及其功率谱

DPSK信号的解调（1）：极性比较法(同步解调)2025/4/20信息与通信工程学院36

DPSK信号的解调(2）：相位比较法（差分相干解调）

延迟T带通滤波器

乘法器

低通滤波器

抽样判决器数据输出

抽样脉冲

DPSK信号相位比较解调法8.2二进制数字已调信号及其功率谱

2025/4/20信息与通信工程学院378.3二进制数字调制系统的性能分析8.3.12ASK系统的抗噪声性能

8.3.22FSK系统的抗噪声性能

8.3.32PSK及2DPSK系统的抗噪声性能

2025/4/20信息与通信工程学院38一.相干（同步）解调8.3.12ASK系统的抗噪声性能

带通滤波器乘法器

低通滤波器抽样判决器SASK(t)

抽样脉冲+n(t)0发“1”码，概率为P发“0”码，概率为1-P在一个码元持续时间T内输出

r信噪比2025/4/20信息与通信工程学院39

带通滤波器乘法器

低通滤波器抽样判决器SASK(t)

输出

抽样脉冲+n(t)带通滤波器输出总输入信号8.3.12ASK系统的抗噪声性能

发“1”码发“0”码2025/4/20信息与通信工程学院408.3.12ASK系统的抗噪声性能

抽样判决器输入波形

带通滤波器乘法器

低通滤波器抽样判决器SASK(t)

输出

抽样脉冲+n(t)发“1”码发“0”码对应的概率密度函数分别为:2025/4/20信息与通信工程学院418.3.12ASK系统的抗噪声性能

（1、0等概）最佳判决门限Vth*=A/2发生误码两种情况：1.发“1”误判“0”时，抽样判决时刻噪声瞬时值x<Vth*；2.发“0”误判“1”时，抽样判决时刻噪声瞬时值x>Vth*

。2025/4/20信息与通信工程学院42发”0”误判为“1”码的概率为

发”1”误判“0”码的概率为因而，系统的平均误码率为8.3.12ASK系统的抗噪声性能

2025/4/20信息与通信工程学院43式中为输入信噪比。设P(1)=P(0)=1/2，则最佳判决门限Vth*=A/28.3.12ASK系统的抗噪声性能

由于大信噪比条件下2025/4/20信息与通信工程学院44上节课程内容（1）载波传输系统：将数字基带信号对载波进行调制的过程。二进制数字已调信号及其功率谱

2ASK信号(ook信号)0110101时域波形、表达式、功率谱（带宽、有效性）、解调方式（可靠性）上节课程内容（2）2ASK信号(ook信号)2FSK信号DPSK（相对调相，克服反相工作）2PSK信号（绝对调相、反相工作）

（极性比较法/相干解调）

DPSK波形是差分码对应的PSK信号2ASK系统的抗噪声性能（相干解调）

（大信噪比）（极性比较法/相干解调、相位比较法/差分相干解调）

2FSK信号可看成两个2ASK信号之和。（相干解调,非相干解调,其他方法）（相干解调、包络检波）2025/4/20信息与通信工程学院46本节课程内容二进制数字调制系统的性能分析各种数字调制系统的性能比较数字信号的最佳接收多进制数字调制系统2025/4/20信息与通信工程学院47带通滤波器输出8.3.12ASK系统的抗噪声性能

发“1”码发“0”码

带通滤波器包络检波

低通滤波器抽样判决器SASK(t)

输出

抽样脉冲+n(t)二.非相干解调2025/4/20信息与通信工程学院488.3.12ASK系统的抗噪声性能

带通滤波器包络检波

低通滤波器抽样判决器SASK(t)

输出

抽样脉冲+n(t)对应的包络:发“1”码发“0”码对应的概率密度函数分别为:2025/4/20信息与通信工程学院498.3.12ASK系统的抗噪声性能

发生误码两种情况：1.发“1”误判“0”时，抽样判决时刻噪声瞬时值v<Vth*；2.发“0”误判“1”时，抽样判决时刻噪声瞬时值v>Vth*

。发“1”码发“0”码2025/4/20信息与通信工程学院50发”0”误判为“1”码的概率为

发”1”误判“0”码的概率为因而，系统的平均误码率为8.3.12ASK系统的抗噪声性能

2025/4/20信息与通信工程学院51式中为输入信噪比。得最佳判决门限8.3.12ASK系统的抗噪声性能

设P(1)=P(0)=1/2，令大信噪比条件下2025/4/20信息与通信工程学院52一.相干（同步）解调8.3.22FSK系统的抗噪声性能

带通滤波器

带通滤波器

乘法器乘法器

低通滤波器

低通滤波器

抽样判决器输出抽样脉冲

+SFSK(t)n(t)2025/4/20信息与通信工程学院538.3.22FSK系统的抗噪声性能在码元持续时间T内,收到码元“1”w1通道w2通道2025/4/20信息与通信工程学院548.3.22FSK系统的抗噪声性能送入抽样判决进行比较信号分别为w1通道w2通道发”1”误判“0”码的概率为令则2025/4/20信息与通信工程学院558.3.22FSK系统的抗噪声性能式中为输入信噪比。同理,可得到发“0”误判“1”码的概率为2025/4/20信息与通信工程学院568.3.22FSK系统的抗噪声性能其中且因而，系统的平均误码率为2025/4/20信息与通信工程学院578.3.22FSK系统的抗噪声性能式中为输入信噪比。发“0”及“1”码等概条件下

大信噪比条件下2025/4/20信息与通信工程学院58二.非相干解调8.3.22FSK系统的抗噪声性能

带通滤波器

带通滤波器

包络检波器包络检波器

抽样判决器输出抽样脉冲

+SFSK(t)n(t)2025/4/20信息与通信工程学院598.3.22FSK系统的抗噪声性能在码元持续时间T内,收到码元“1”w1通道w2通道2025/4/20信息与通信工程学院60对应的概率密度函数分别为:8.3.22FSK系统的抗噪声性能发”1”误判“0”码的概率为w1通道w2通道2025/4/20信息与通信工程学院618.3.22FSK系统的抗噪声性能同理,发“0”误判“1”码的概率为2025/4/20信息与通信工程学院62因而，系统的平均误码率为式中为输入信噪比。8.3.22FSK系统的抗噪声性能2025/4/20信息与通信工程学院63带通滤波器输出发“1”码发“0”码+SPSK(t)n(t)一.2PSK系统抗噪声性能

8.3.32PSK及2DPSK系统抗噪声性能

PSK信号极性比较解调法2025/4/20信息与通信工程学院64抽样判决器输入端发“1”码发“0”码对应的概率密度函数分别为:+SPSK(t)n(t)8.3.32PSK及2DPSK系统抗噪声性能

2025/4/20信息与通信工程学院65发生误码两种情况：1.发“1”误判“0”时，抽样判决时刻噪声瞬时值x<0；2.发“0”误判“1”时，抽样判决时刻噪声瞬时值x>0

。8.3.32PSK及2DPSK系统抗噪声性能

2025/4/20信息与通信工程学院66发”0”误判为“1”码的概率为

发”1”误判“0”码的概率为因而，系统的平均误码率为8.3.32PSK及2DPSK系统抗噪声性能

2025/4/20信息与通信工程学院67式中为输入信噪比。发“0”及“1”码等概条件下

大信噪比条件下8.3.32PSK及2DPSK系统抗噪声性能

2025/4/20信息与通信工程学院688.3.32PSK及2DPSK系统抗噪声性能

二.2DPSK系统抗噪声性能(相位比较解调法)

延迟T带通滤波器

乘法器

低通滤波器

抽样判决器数据输出

抽样脉冲

+n(t)

在0~T时间内,收到”1”码,且令前一码元也为”1码”,则乘法器两路输入为2025/4/20信息与通信工程学院698.3.32PSK及2DPSK系统抗噪声性能

相乘后再经低通滤波发”1”误判“0”码的概率为利用恒等式2025/4/20信息与通信工程学院708.3.32PSK及2DPSK系统抗噪声性能

其中对应的概率密度函数分别为:2025/4/20信息与通信工程学院71发”1”误判“0”码的概率为式中为输入信噪比。同理,发”0”误判“1”码的概率为8.3.32PSK及2DPSK系统抗噪声性能

因而，系统的平均误码率为(0,1等概)2025/4/20信息与通信工程学院728.3.32PSK及2DPSK系统抗噪声性能

三.2DPSK系统抗噪声性能(极性比较解调法)

带通滤波器乘法器

低通滤波器

抽样判决器码变换器本地载波抽样脉冲数据输出

+n(t)Pe译码正确概率系统误码2025/4/20信息与通信工程学院73若P’很小若P’很大差分译码误码扩散系数为1~28.3.32PSK及2DPSK系统抗噪声性能

2025/4/20信息与通信工程学院74差分译码误码扩散情况8.3.32PSK及2DPSK系统抗噪声性能

2025/4/20信息与通信工程学院758.4各种数字调制系统的性能比较2025/4/20信息与通信工程学院768.4各种数字调制系统的性能比较1dB3dB77相干PSK

>DPSK>相干FSK>非相干FSK>相干ASK>非相干ASK8.4各种数字调制系统的性能比较

相干PSK系统性能最佳，需提取同步载波信号，设备复杂，只在高质量的数字通信系统中采用。

PSK系统会出现“反向工作”现象，实际工程中多采用DPSK系统。结论抗噪能力频带利用率PSK系统、ASK系统

>FSK系统2025/4/20信息与通信工程学院788.5数字信号的最佳接收

最佳接收理论又称为信号检测理论，是研究在随机噪声干扰的条件下，使接收机最佳地完成接收和判决信号的一般性理论。这里的“最佳”是一个相对概念，是在一定准则下的最佳。数字通信系统中最直观的和最合理的准则是“最小差错概率”准则。2025/4/20信息与通信工程学院798.5数字信号的最佳接收

最佳接收理论主要涉及两方面的问题：（1）从噪声中判决有用信号是否出现。（2）从噪声中测量有用信号的参数。2025/4/20信息与通信工程学院808.5.1数字信号接收的统计描述

数字通信系统统计判决模型

消息的概率分布2025/4/20信息与通信工程学院81乘法器乘法器积分器积分器比较器时,二进制最佳接收机的结构

8.5.2二进制最佳接收机的结构

2025/4/20信息与通信工程学院82实际系统与最佳系统性能比较

2DPSK2PSK2FSK2ASK最佳接收系统非相干解调

相干解调

解调方式系统名称一般有例如，对2ASK信号，有故2025/4/20信息与通信工程学院838.6多进制数字调制系统多进制(多元）信号状态数大于2(2k)的数字信号。多进制数字调制用多进制信号去调制载波。种类多进制幅度键控（MASK）多进制移频键控（MFSK）多进制移相键控（MPSK）

848.6多进制数字调制系统1、在相同信息传输速率条件下，多进制系统与二进制系统相比，可以使传输频带（码元速率）压缩k倍，从而提高通信系统的有效性。2、在同样大小噪声干扰下，多进制系统的误码率会

增加（相同信号幅度下，信号状态之间的判决电平的间隔---信号间最小距离减小）。多进制数字调制系统特点有效性提高，可靠性降低。2025/4/20信息与通信工程学院858.6.1多进制幅度键控（MASK）

多进制振幅键控信号波形86MASK系统相干解调时的平均误码率为

可以看出,当电平数增加时，误码率将会增加。

MASK系统传输效率较高抗干扰能力较差适合于在恒参信道（如有线信道）中采用8.6.1多进制幅度键控（MASK）MASK信号的产生：与2ASK信号相同，利用乘法器实现。解调方式：相干解调及包络检波方式。878.6.2多进制移频键控（MFSK）

MFSK占据了较宽的频带，所以信道利用率低，且抗噪声性能低于2FSK。MFSK适合于在码元速率较低及多径时延比较严重的信道（如短波信道）中采用。MFSK非相干解调系统误码率为：MFSK系统中，载波的频率有M种不同的取值，与M种不同的符号相对应。88在M进制的移相键控信号中，载波的相位有有M种不同的取值，与M种不同的符号相对应。常用的多进制移相键控方式有：4相制、8相制及2L

相制等。多进制移相键控信号可以表示为8.6.3多进制移相键控（MPSK）

898.6.3多进制移相键控（MPSK）

令MPSK信号可看作两个载波正交MASK信号之和。所以MPSK与MASK带宽相同。MPSK信号相干解调时90

MPSK信号矢量图

8.6.3多进制移相键控（MPSK）

A方式B方式91星座图(SignalPointConstellation)：信号矢量端点的分布图。8PSK..............相邻信号点间最小距离2PSK4PSK8.6.3多进制移相键控（MPSK）

928.7改进型数字调制系统

2025/4/20信息与通信工程学院93

所谓APK(AmplitudePhaseKeying)就是对载波的振幅和相位同时进行调制的一种方式，这种方式常称为数字复合调制方式。APK信号可用下式表示8.7.1幅相键控（APK）方式（又称QAM）信息与通信工程学院94

APK信号可看作两个正交载波调制信号之和，APK又称为正交幅度调制，记为QAM(QuadratureAmplitudeModulation)。8.7.1幅相键控（APK）方式（又称QAM）令95

MQAM

信号的带宽与MPSK信号的带宽相同。因此，QAM方式是一种高效率的信息传输方式。8.7.1幅相键控（APK）方式（又称QAM）星座图(SignalPointConstellation)：信号矢量端点的分布图。8PSK........2025/4/20信息与通信工程学院968.7.1幅相键控（APK）方式（又称QAM）MQAM

信号星座图M=4、16、64、2562的偶次方，矩形

M=32、1282的奇次方，十字形2025/4/20信息与通信工程学院978.7.1幅相键控（APK）方式（又称QAM）32QAM

信号星座图2025/4/20信息与通信工程学院988.7.1幅相键控（APK）方式（又称QAM）64QAM

信号星座图2025/4/20信息与通信工程学院998.7.1幅相键控（APK）方式（又称QAM）128QAM

信号星座图2025/4/20信息与通信工程学院1008.7.1幅相键控（APK）方式（又称QAM）256QAM

信号星座图2025/4/20信息与通信工程学院1018.7.2连续相位频移键控及MSK、TMF调制

连续相位的移频键控方式，记为CPFSK（ContinualPhaseFSK）最典型CPFSK的调制方式:

最小移频键控（MSK）平滑调频（TFM）

2025/4/20信息与通信工程学院102最小移频键控（MSK）MSK（MinimumFrequencyShiftKeying）是连续相位移频键控方式。是FSK方式的一种改进形式。8.7.2连续相位频移键控及MSK、TMF调制

FSK方式中每一个码元的频率不变或者跳变某一个固定值。当相邻码元对应的频率跳变时，一般来说，相位是不连续的，因而FSK信号占据较宽的带宽。最小移频键控（MSK）是保持相位连续的一种特殊频率键控形式。2025/4/20信息与通信工程学院103MSK的频带利用率优于2FSK及2PSK抗噪声性能相当于2PSK，且同步恢复也较方便MSK方式在实际系统中得到广泛重视和应用8.7.2连续相位频移键控及MSK、TMF调制

2025/4/20信息与通信工程学院104高斯最小移频键控（GMSK）方式

在移动通信系统中，频率资源非常紧张，信道带宽受限，因此对信号的带外辐射功率的限制十分严格，以避免对相邻信道产生干扰。高斯最小移频键控（GMSK