数字信号的频带传输全解课件

第五章第五章数字信号的频带传输数字信号的频带传输第五章数字信号的频带传输 教学重点教学重点1理理解解典典型型数数字字调调制制信信号号的的波波形形与与特特点点，能能画画出出这这些些信号的波形。信号的波形。2理解频分多路复用原理。理解频分多路复用原理。3理解调制解调器的功能、类型，基本原理框图。理解调制解调器的功能、类型，基本原理框图。4了解各种数字调制方式中调制和解调的方法。了解各种数字调制方式中调制和解调的方法。5了解数字通信中的同步技术。了解数字通信中的同步技术。教学重点1理解典型数字调制信号的波形与特点，能画出掌握典型数字调制信号的波形与特点；调制解调器。掌握典型数字调制信号的波形与特点；调制解调器。序号序号内内容容学时学时15.1概述概述0.525.2振幅键控调制（振幅键控调制（ASK）135.3移频键控调制（移频键控调制（FSK）245.4移相键控调制（移相键控调制（PSK）255.5常用改进型数字调制技术常用改进型数字调制技术265.6同步技术概念同步技术概念0.57习题和小结习题和小结8本章总学时本章总学时8学时分配学时分配教学难点教学难点掌握典型数字调制信号的波形与特点；调制解调器。序号 第五章数字信号的频带传输第五章数字信号的频带传输5.15.1概述概述5.2 5.2 振幅键控调制（振幅键控调制（ASKASK）5.3 5.3 移频键控调制（移频键控调制（FSKFSK）5.4 5.4 移相键控调制（移相键控调制（PSKPSK）5.5 5.5 常用改进型数字调制技术常用改进型数字调制技术5.6 5.6 同步技术概念同步技术概念第五章数字信号的频带传输 5.1概述5.2 振幅键控调5.15.1概述概述一、频带传输系统组成一、频带传输系统组成 二、数字调制的三种基本形式二、数字调制的三种基本形式 5.1概述一、频带传输系统组成 二、数字调制的三有有线线信信道道中中数数字字信信号号一一般般利利用用基基带带传传输输，而而在在无无线线信信道道中数字信号则是采用中数字信号则是采用频带传输频带传输的的。一、频带传输系统组成一、频带传输系统组成 频带传输系统图频带传输系统图5.1所示，工作过程如下：所示，工作过程如下：原原始始数数字字序序列列经经基基带带信信号号形形成成器器后后变变换换成成适适合合于于传传输输的的基基带带信信号号。然然后后送送到到键键控控器器来来控控制制射射频频载载波波的的振振幅幅、频频率率或或相相位位，形形成成数数字字调调制制信信号号后后送送至至信信道道。在在信信道道中中传传输输的的还还有有各各种种干干扰扰。接接收收滤滤波波器器把把淹淹没没在在干干扰扰和和噪噪声声中中的的有有用用信信号号提提取取出来，并经过相应的解调器，还原出数字基带信号出来，并经过相应的解调器，还原出数字基带信号(t t)。有线信道中数字信号一般利用基带传输，而在无线信道中数字信图图5.1频带传输系统的组成方框图频带传输系统的组成方框图频频带带传传输输系系统统的的性性能能和和质质量量，主主要要通通过过误误码码率率和和频频带带利利用率用率来表示。来表示。图 5.1 频带传输系统的组成方框图 频带1数数字字信信号号调调制制：用用数数字字信信号号去去控控制制高高频频载载波波的的振振幅幅、频频率率和和相相位位，使使高高频频载载波波的的振振幅幅、频频率率和和相相位位随随数数字字信信号号而而变变化化，称称为为数数字字信信号号调调制制。数数字字信信号号对对高高频频载载波波的的调调制制与与模模拟信号对高频载波的调制相似。拟信号对高频载波的调制相似。二、数字调制的三种基本形式二、数字调制的三种基本形式 2数数字字键键控控：数数字字信信号号是是离离散散的的，其其对对载载波波信信号号进进行行调调制制时时，的的过过程程相相似似于于对对高高频频载载波波信信号号进进行行开开关关控控制制的的工工作作状状态，所以数字调制又称为态，所以数字调制又称为数字键控数字键控。1数字信号调制：用数字信号去控制高频载波的振幅、频率数数字字信信号号对对载载波波的的振振幅幅调调制制称称为为振振幅幅键键控控(ASK)，对对载载波波频频的的率率调调制制称称为为频频移移键键控控(FSK)，对对载载波波的的相相位位调调制制称称为为相相移移键控键控(PSK)。若若数数字字信信号号S(t)是是二二进进制制的的，则则ASK、FSK、PSK实实现现原原理理框框图图及及键键控控信信号号的的输输出出波波形形如如图图5.2所示。所示。图图5.22ASK、2FSK、2PSK调制方框图及输出波形调制方框图及输出波形 数字信号对载波的振幅调制称为振幅键控(ASK)，对载波5.2 5.2 振幅键控调制（振幅键控调制（ASKASK）一、振幅键控信号的产生一、振幅键控信号的产生 二、振幅键控信号的解调二、振幅键控信号的解调 5.2 振幅键控调制（ASK）一、振幅键控信号的产生 二一、振幅键控信号的产生一、振幅键控信号的产生 振振幅幅键键控控信信号号输输出出波波形形特特点点是是：当当数数字字信信号号为为“1”时时，高高频频载载波波有有输输出出；当当数数字字信信号号为为“0”时时，高高频频载载波波没没有输出。有输出。振振幅幅键键控控调调制制的的实实现现可可由由数数字字信信号号与与载载波波信信号号相相乘乘来来得得到到，其其原原理理框框图图如如图图5.3所示：所示：图图5.3振幅调制的一般模型振幅调制的一般模型 一、振幅键控信号的产生 振幅键控信号输出上上图图中中，COSct为为高高频频载载波波信信号号，S(t)为为数数字字基基带带信信号号，载波信号与基带信号在乘法器中相乘，乘法器输出为：，载波信号与基带信号在乘法器中相乘，乘法器输出为：m(t)=S(t)COSct 当当S(t)为为“0”时时，乘乘法法器器输输出出为为0；当当S(t)为为“1”时时，乘法输出乘法输出COSct 的高频载波信号。的高频载波信号。可得出：可得出：上图中，COSct 为高频载波信号，S(当当数数字字基基带带信信号号S(t)含含有有直直流流分分量量时时，S(t)可可看看成成是是由由直直流流分分量量E和和交交流流分分量量S(t)叠叠加加而而成成，即即S(t)=E+S(t)，则，则m(t)可分解成：可分解成：2ASK的的实实质质是是由由二二进进制制的的数数字字信信号号去去控控制制一一个个连连续续的的载波振荡信号，使载波振荡信号时断时续载波振荡信号，使载波振荡信号时断时续。m(t)=S(t)COSct=E +S(t)COSct=ECOSct+S(t)COSct ECOSct为为高高频频载载波波分分量量，S(t)COS)COSc ct为为上上、下下边边频分量。频分量。当数字基带信号S(t)含有直流分量时，S(t 可可见见：当当数数字字调调制制信信号号含含有有直直流流时时，振振幅幅键键控控调调制制（ASKASK）信信号号是是一一个个普普通通调调幅幅信信号号。当当数数字字信信号号中中不不含含有有直直流流分分量量E E时时，则则此此时时的的已已调调信信号号为为抑抑制制载载波波的的双双边边带带调调幅幅信信号号(DSB)。图图5.3中中的的带带通通滤滤波波器器用用来来选选取取所所需需的的频频率率分分量量，以以得得到符合传输要求的振幅键控信号到符合传输要求的振幅键控信号SASK。当当带带通通滤滤波波器器只只取取出出已已调调信信号号的的两两个个边边频频分分量量时时，输输出出信信号号为为抑抑制制掉掉载载波波的的双双边边带带调调幅幅信信号号(DSB)；当当只只取取出出一一个个边边频频分分量量而而将将载载波波和和另另一一个个边边频频分分量量滤滤除除掉掉时时，输输出出信信号号为为单边带信号单边带信号(SSB)。可见：当数字调制信号含有直流时，振幅键控调制（ASK二、振幅键控信号的解调二、振幅键控信号的解调 振振幅幅键键控控信信号号的的解解调调方方法法分分成成包包络络解解调调和和相相干干解解调调（同同步解调）二种。步解调）二种。对对于于一一般般的的调调幅幅波波信信号号（即即含含有有载载波波分分量量的的调调幅幅信信号号），解解调调既既可可以以用用包包络络检检波波，也也可可以以相相干干检检波波。但但对对于于抑抑制制掉掉载载波波的的双双边边带带调调幅幅信信号号和和单单边边带带调调幅幅信信号号，由由于于它它们们的的振振幅幅包包络络不不反反映映原原来来的的调调制制信信号号，因因而而解解调调不不能能用用包包络络检检波波而而必必须须用相干检波。用相干检波。适应范围适应范围:二、振幅键控信号的解调 振幅键控信号的解调方法分成包络1包络解调器包络解调器图图5.42ASK信号的包络解调信号的包络解调 包络解调法的原理方框图如图包络解调法的原理方框图如图5.4所示。所示。1包络解调器 图5包络解调法的原理包络解调法的原理:带带通通滤滤波波器器恰恰好好使使2ASK信信号号完完整整地地通通过过，经经包包络络检检测测后后，输输出出其其包包络络。低低通通滤滤波波器器的的作作用用是是滤滤除除高高频频杂杂波波，使使基基带包络信号通过。带包络信号通过。抽抽样样判判决决器器包包括括抽抽样样、判判决决及及码码元元形形成成，有有时时又又称称译译码码器器。定定时时抽抽样样脉脉冲冲是是很很窄窄的的脉脉冲冲，通通常常位位于于每每个个码码元元的的中中央位置，其重复周期等于码元的宽度。央位置，其重复周期等于码元的宽度。带带通通滤滤波波器器输输出出为为2ASK信信号号，即即m(t)=S(t)COSct，包包络络检检波波器器输输出出为为S(t)，经经抽抽样样、判判决决后后将将码码元元再再生生，即即可可恢复出数字序列。恢复出数字序列。包络解调法的原理:带通滤波器恰好使2ASK2相干解调器相干解调器相干解调原理方框图如图相干解调原理方框图如图5.5所示。所示。图图5.52ASK信号的相干解调信号的相干解调2相干解调器相干解调原理方框图如图5.5所示。基基带带信信号号（上上式式第第一一项项）与与载载波波成成分分（上上式式第第二二项项）之之间频谱相差很远。经低通滤波后，即可输出间频谱相差很远。经低通滤波后，即可输出S(t)2信号。信号。相相干干解解调调就就是是同同步步解解调调，同同步步解解调调时时，接接收收机机要要产产生生一一个个与与发发送送载载波波同同频频同同相相的的本本地地载载波波信信号号，称称其其为为同同步步载载波波或或相相干干载载波波，利利用用此此载载波波与与收收到到的的已已调调波波m(t)=S(t)COSct相乘，相乘器输出为相乘，相乘器输出为Z(t)=m(t)COSct=S(t)COS2ct=S(t)1+COS2ct=S(t)+S(t)COS2ct 基带信号（上式第一项）与载波成分（上式第二项）之间频5.3 5.3 移频键控调制（移频键控调制（FSKFSK）一、一、FSKFSK信号的产生信号的产生 二、二、FSKFSK信号的解调信号的解调 5.3 移频键控调制（FSK）一、FSK信号的产生 二、移移频频键键控控调调制制是是用用数数字字信信号号来来控控制制高高频频载载波波频频率率的的变变化化，调制后的载波信号频率代表了要传送的数字信号。调制后的载波信号频率代表了要传送的数字信号。2FSK波波 形形 特特 点点：数数 字字 信信 号号 的的“1”对对应应于于高高频频载载波波f1，数数字字信信号号的的“0”对对应应于于高高频频载载波波f2，用用二二个个高高频频载载波波来来代代表表二二个个数数字字信信号号，而而且且频频率率f1和和f2之间的改变是瞬间完成。之间的改变是瞬间完成。移频键控调制是用数字信号来控制高频载波频率的变化，调制后一、一、FSK FSK信号的产生信号的产生 1.直接调频法直接调频法图图5.6给出了直接调频法产生给出了直接调频法产生2FSK信号的电路原理图。信号的电路原理图。图图5.6直接直接调频调频法产法产生生2FSK信号信号 一、FSK信号的产生 1.直接调频法 图5.6 直直接接调调频频法法简简单单易易行行，但但频频率率稳稳定度差定度差，因而实际应用范围不广。，因而实际应用范围不广。随随着着所所要要传传输输的的数数字字信信号号取取值值不不同同，振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率相应改变，从而达到了对高频载波键控的目的。相应改变，从而达到了对高频载波键控的目的。从从图图中中可可见见用用数数字字基基带带信信号号控控制制电电容容C1是是否否接接入入LC振振荡回路，从而改变振荡器的输出频率。荡回路，从而改变振荡器的输出频率。直接调频法简单易行，但频率稳定度差，因而实际应用范围不广直直接接调调频频法法简简单单易易行行，但但频频率率稳稳定定度度差差，因因而而实实际际应应用用范围不广。范围不广。随随着着所所要要传传输输的的数数字字信信号号取取值值不不同同，振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率相应改变，从而达到了对高频载波键控的目的。相应改变，从而达到了对高频载波键控的目的。2.频率键控法频率键控法 频频率率键键控控又又称称为为频频率率转转换换法法，它它是是用用数数字字信信号号去去控控制制电电子子开开关关门门电电路路，使使电电子子开开关关在在二二个个独独立立的的振振荡荡器器之之间间转转换换，从从而而在在输输出出端端得得到到不不同同频频率率的的已已调调信信号号，其其原原理理框框图图和和各各点点波形如图波形如图5.7所示。所示。直接调频法简单易行，但频率稳定度差，因而实际应用范围不广图图5.7频率键控法原理框图及其波形频率键控法原理框图及其波形 图5.7 频率键控法原理框图及其波形 图图中中选选通通门门I和和选选通通门门II均均为为电电子子开开关关，用用于于控控制制振振荡荡信信号号f1和和f2是是否否到到达达加加法法器器。两两个个电电子子开开关关均均受受控控于于输输入入信信号号S(t)。由由于于选选通通门门II的的前前方方接接有有反反相相器器，因因而而对对于于同同一一码码元元而而言言，它它们们的工作状态刚好相反。的工作状态刚好相反。图中选通门I和选通门II均为电子开关，用于控制振荡信号ff1和和f2两两个个信信号号经经加加法法器器输输出出，便便形形成成了了频频移移键键控控信信号号SFSK，有有关关各各点点的的波波形形如如图图5.7(b)所所示。示。在在这这种种方方法法中中，产产生生的的f1和和f2两两个个振振荡荡信信号号要要与与码码元元参参数数有有固固定定的的关关系系，输输出出的的2FSK信信号号的相位才会是连续的。的相位才会是连续的。频频移移键键控控法法的的特特点点是是转转换换速速度度快快，波波形形好好，频频率率稳稳定定度度高高，电路不甚复杂，故得到广泛应用。电路不甚复杂，故得到广泛应用。f1和f2两个信号经加法器输出，便形成了频移键控信号SF二、二、FSKFSK信号的解调信号的解调 数字调频信号的解调方法主要有数字调频信号的解调方法主要有相干解调和非相干解调相干解调和非相干解调。过过零零检检测测法法的的基基本本思思想想是是：数数字字调调频频波波的的过过零零点点数数随随高高频频载载波波的的变变化化而而变变化化。高高频频载载波波频频率率高高，过过零零点点数数目目多多；高高频频载载波波频频率率低低，过过零零点点数数目目少少。从从检检测测过过零零点点的的数数目目，就就可可以以得得到到频频率率的的差差异异，从从而而还还原原出出数数字字信信号号，所所以以过过零零检测法又称为检测法又称为计数法计数法。1.1.过零检测法过零检测法过零检测法的原理方框图及各点波形如图过零检测法的原理方框图及各点波形如图5.8所示。所示。二、FSK信号的解调 数字调频信号的解调方法主要有相图图5.8过零过零检测检测法方法方框图框图及各及各点波点波形图形图图5.8 过零检测法方框图及各点波形图 设设输输入入是是一一个个相相位位连连续续的的FSK信信号号a，经经放放大大限限幅幅得得到到一一个个矩矩形形方方波波b，微微分分电电路路得得到到双双向向微微分分脉脉冲冲c，经经全全波波整整流流得得到到单单向向尖尖脉脉冲冲d。单单向向尖尖脉脉冲冲的的密密集集程程度度反反映映了了输输入入信信号号的频率高低，尖脉冲的个数就是信号过零点的数目。的频率高低，尖脉冲的个数就是信号过零点的数目。单单向向脉脉冲冲触触发发一一个个脉脉冲冲发发生生器器，产产生生一一串串幅幅度度为为E、宽宽度度为为的的矩矩形形归归零零脉脉冲冲e。脉脉冲冲串串e的的直直流流分分量量代代表表着着信信号号的的频频率率，脉脉冲冲越越密密，直直流流分分量量越越大大，反反映映着着输输入入信信号号的的频频率率越越高高。经经低低通通滤滤波波器器就就可可得得到到脉脉冲冲串串e的的直直流流分分量量f，这这样样就就完完成成了了频频率率幅幅度度变变换换，再再根根据据直直流流分分量量幅幅度度上上的的区区别别还还原原出出数字信号数字信号“1”和和“0”。原理分析：原理分析：设输入是一个相位连续的FSK信号a，经放大限幅得到一个矩2.包络检测法包络检测法包包络络检检测测法法是是FSK信信号号非非相相干干解解调调方方法法，其其方方框框图图和和各各点波形如图点波形如图5.9(a)(b)所示。所示。图图5.9（a）2FSK信号包络检波方框图信号包络检波方框图2.包络检测法 图5.9（a）2FSK图图5.9(b)2FSK信号信号包络包络检波检波波形波形图图 图5.9(b)2FSK信号包络检波波形图 框框图图中中用用二二个个窄窄带带的的带带通通滤滤波波器器分分别别滤滤出出代代表表数数字字信信号号的的高高频频载载波波f1和和f2，经经过过包包络络检检波波器器后后分分别别取取出出它它们们的的包包络络。把把两两路路输输出出同同时时送送到到取取样样判判决决器器进进行行比比较较，从从而而判判决决出基带数字信号。出基带数字信号。设设频频率率f1代代表表数数字字信信号号“1”，f2代代表表数数字字信信号号“0”，则抽样判决器的则抽样判决器的判决准则判决准则应为：应为：12即即120，判为，判为112即即120，判为，判为0式式中中，1、2分分别别为为抽抽样样时时刻刻两两个个包包络络检检波波器器的的输输出出值值。这这里里的的抽抽样样判判决决器器，要要比比较较1、2的的大大小小，或或者者说说把把差值差值12与零电平比较。与零电平比较。框图中用二个窄带的带通滤波器分别滤出代表数字信号的高频载 5.4 5.4 移相键控调制（移相键控调制（PSKPSK）一、基本概念一、基本概念 二、相对调相（二、相对调相（DPSKDPSK）信号的产生与解调）信号的产生与解调 5.4 移相键控调制（PSK）一、基本概念 二、相对1移移相相键键控控调调制制：用用高高频频载载波波二二种种相相位位的的变变化化来来代代表表“0”“1”数字信号的变化。数字信号的变化。一、基本概念一、基本概念 2绝绝对对调调相相（PSK）：是是利利用用高高频频载载波波二二种种不不同同的的相相位位去去代代表表“0”“1”两两种种不不同同状状态态的的数数字字信信号号，是是以以一一个个固固定定参参考考相相位位的的载载波波为为基基准准的的。如如用用=0代代表表“0”码码，=代表代表“1”码。如图码。如图5.10(b)所示。所示。移移相相键键控控调调制制根根据据相相位位变变化化的的参参考考对对象象不不同同，可可以以分分成成绝对调相（绝对调相（PSK）和相对调相（）和相对调相（DPSK）。1移相键控调制：用高频载波二种相位的变化来代表“0”3相相对对调调相相（DPSK）:是是利利用用高高频频载载波波相相位位的的相相对对变变化化来来代代表表“0”“1”两两种种不不同同状状态态的的数数字字信信号号，载载波波相相位位变变化化的的参参考考点点是是前前一一个个码码元元，即即如如果果绝绝对对码码出出现现“1”，DPSK的相位改变的相位改变；出现；出现“0”时载波相位不变。如图时载波相位不变。如图5.10(d)所示。所示。PSK是是以以一一个个固固定定参参考考相相位位的的载载波波为为基基准准的的。解解调调时时存存在在反向工作反向工作的情况；的情况；在在DPSK系系统统中中，解解调调时时不不存存在在反反向向工工作作而而造造成成接接收收相相位模糊位模糊的问题。实际工程中大多采用的问题。实际工程中大多采用DPSK方式。方式。绝对调相（绝对调相（PSKPSK）与相对调相（）与相对调相（DPSKDPSK）的比较）的比较 ：3相对调相（DPSK）:是利用高频载波相位的相图图5.10二进制绝对移相和相对相移二进制绝对移相和相对相移 图5.10 二进制绝对移相和相对相移 二、相对调相（二、相对调相（DPSKDPSK）信号的产生与解调）信号的产生与解调 复习：绝对码和相对码的相互转换。复习：绝对码和相对码的相互转换。绝绝对对码码为为an、相相对对码码为为bn，编编码码输输出出bn与与输输入入an的的关关系系可以用一个方程表示：可以用一个方程表示：bn=bn-1+an解码方程为：解码方程为：an n =bn n-1 -1 +fan n 二、相对调相（DPSK）信号的产生与解调 复习：绝对码和相对在在解解调调时时，相相对对调调相相信信号号(DPSK)经经过过绝绝对对调调相相解解调调器器，得得到到相相对对码码(bn)，再再经经码码型型变变换换器器，得得到到绝绝对对码码(an)，即即基基带数字信号带数字信号S(t)。如图。如图5.11所示。所示。要要得得到到相相对对调调相相(DPSK)信信号号，只只要要把把数数字字信信号号（绝绝对对码码an）变变换换成成相相对对码码(bn)，然然后后再再对对相相对对码码进进行行绝绝对对调调相相（PSK）。）。图图5.11相对调相相对调相(DPSK)信号产生示意图信号产生示意图 在解调时，相对调相信号(DPSK)经过绝对调相解调器，直直接接调调相相法法产产生生相相对对调调相相信信号号原原理理图图及及波波形形图图如如图图5.12所示。所示。(1)直接调相法直接调相法 二二进进制制绝绝对对调调相相信信号号的的产产生生方方法法有有两两种种：直直接接调调相相法法和和相位选择法相位选择法。1.1.绝对调相（绝对调相（PSKPSK）信号的产生）信号的产生图图5.12直接调直接调相法产相法产生生2PSK信号信号 直接调相法产生相对调相信号原理图及波形图如图5.12所 图图中中S(t)为为双双极极性性数数字字基基带带信信号号。假假设设S(t)正正电电平平代代表表“0”，负负电电平平时时代代表表“1”。若若原原始始数数字字信信号号是是单单极极性性码码，则必须先进行极性变换再与载波相乘。则必须先进行极性变换再与载波相乘。工作过程：工作过程：图中S(t)为双极性数字基带信号。假设S(t)正电平当当图图中中A点点电电位位高高于于B点点电电位位时时，S(t)代代表表“0”，二二极极管管V1、V3导导通通，V2、V4截截止止，载载波波经经变变压压器器正正向向输输出出e(t)=COSct。A点点电电位位低低于于B点点电电位位时时，S(t)代代表表“1”，二二极极管管V2、V4导导通通，V1、V3截截止止，载载波波经经变变压压器器反反向向输输出出，e(t)=COSct=COS(ct)，即绝对移相，即绝对移相。当图中A点电位高于B点电位时，S(t)代表“相位选择法的原理框图如图相位选择法的原理框图如图5.13所示。所示。(2)相位选择法相位选择法 相相位位选选择择法法基基本本原原理理就就是是用用数数字字基基带带信信号号S(t)控控制制门门电电路路，选选择择不不同同相相位位的的载载波波输输出出（此此时时的的S(t)通通常常是是单单极极性性的的）。图图5.13相位相位选择选择法产法产生生2PSK信号信号 相位选择法的原理框图如图5.13所示。S S(t t)=1)=1时，门时，门2 2通，门通，门1 1闭，输出闭，输出e e(t t)=)=COSCOSc ct t。S S(t t)=0)=0时，门时，门1 1通，门通，门2 2闭，输出闭，输出e e(t t)=)=COS COSc ct t；S(t)=1时，门2通，门1闭，输出e(t)=2.DPSK信号的解调信号的解调DPSK信信号号的的解解调调，最最方方便便的的方方法法是是将将前前后后码码元元对对应应载载波的相位进行比较。该方法称之为波的相位进行比较。该方法称之为相位比较法或差分检波法相位比较法或差分检波法。相位比较法的原理方框图和波形图如图相位比较法的原理方框图和波形图如图5.14所示。所示。图图5.14(a)相位比较法原理框图相位比较法原理框图2.DPSK信号的解调 DPSK信号的解调，最方便图图5.14(b)相位比较法波形图相位比较法波形图 图5.14(b)相位比较法波形图 图图指指输输入入相相对对调调相相信信号号，利利用用延延迟迟电电路路将将前前一一码码元元延延迟迟一一个个码码元元时时间间Ts作作为为参参考考相相位位（如如图图所所示示），并并与与后一码元相乘（鉴相）（产生如图后一码元相乘（鉴相）（产生如图所示波形）。所示波形）。图图所所示示波波形形经经低低通通积积分分，当当前前后后码码元元相相位位相相同同时时，输输出出正正极极性性积积分分脉脉冲冲，当当前前后后码码元元相相位位相相反反时时，则则输输出出负负脉脉冲冲（如如图图所所示示）。定定时时脉脉冲冲如如图图所所示示，在在低低通通积积分分输出最大处进行判决（如图输出最大处进行判决（如图）。）。图指输入相对调相信号，利用延迟电路将前一码元延迟一个码假假设设发发送送端端用用前前后后码码元元载载波波相相位位差差为为0表表示示数数字字信信号号“0”，用用前前后后码码元元载载波波相相位位差差为为表表示示数数字字信信号号“1”，那那么么将将解解调调输输出出的的正正极极性性脉脉冲冲判判为为发发送送“0”，而而将将负负极极性性脉脉冲冲判判为为发发送送“1”，经经过过码码元元形形成成电电路路，便便可可恢恢复复原原二进制码（图二进制码（图）数字信号，该码就是原来的绝对码。）数字信号，该码就是原来的绝对码。假设发送端用前后码元载波相位差为0表示数字信号“0”5.5 5.5 常用改进型数字调制技术常用改进型数字调制技术 一、正交振幅调制（一、正交振幅调制（QAMQAM）二、多相移相键控调制（二、多相移相键控调制（MPSKMPSK）三、最小移频键控调制三、最小移频键控调制MSKMSK与与GMSKGMSK 四、调制解调器（四、调制解调器（MODEMMODEM）五五、非对称数字用户专线（非对称数字用户专线（ADSLADSL）5.5 常用改进型数字调制技术 一、正交振幅调制（QA一、正交振幅调制（一、正交振幅调制（QAMQAM）目目前前在在数数字字通通信信系系统统中中使使用用了了若若干干改改进进型型数数字字调调制制方方式式来来提提高高频频率率利利用用率率和和提提高高可可靠靠性性，如如多多进进制制键键控控(MASK、MFSK、MPSK)、正正交交振振幅幅调调制制(QAM)、高高斯斯滤滤波波最最小小移移频频键控调制键控调制(GMSK)等。等。正正交交振振幅幅调调制制(QAM)是是用用两两个个独独立立的的基基带带波波形形对对两两个个相相互互正正交交的的载载波波进进行行抑抑制制载载波波的的双双边边带带调调制制，利利用用已已调调信信号号在在相同带宽内的频谱正交来实现两路数字信息的传输。相同带宽内的频谱正交来实现两路数字信息的传输。正正交交振振幅幅调调制制(QAM)的的信信道道频频带带利利用用率率同同单单边边带带一一样样，因而主要用于因而主要用于高速高速数字通信系统中。数字通信系统中。一、正交振幅调制（QAM）目前在数字通信正交振幅调制系统的组成如图正交振幅调制系统的组成如图5.15所示。所示。图图5.15QAM系统方框图系统方框图 正交振幅调制系统的组成如图5.15所示。图5.15 S S(t t)=S S1(t t)COSct t+S2(t)Sinct t假假设设接接收收端端所所产产生生的的相相干干载载波波与与发发送送端端完完全全相相同同，那那么么两个解调器的输出分别为：两个解调器的输出分别为：m1(t t)=S S1(t t)COSct t+S S2(t)Sinct tCOSct t=S S1(t t)+S S1(t)COS2ct t+S2(tS2(t)Sin2ct t m2(t t)=S S1(t)COSct t+S S2(t)Sinct tSinct t=S S2(t t)+S S1(t t)Sin2ct tS S2(t t)COS2ct tS S1(t t)和和S S2(t t)是是两两个个独独立立的的基基带带波波形形，COSct t和和Sinct t是是两两个个相相互互正正交交的的载载波波。这这样样，发发端端形形成成的的正正交交振振幅幅调调制制信信号为：号为：S(t)=S1(t)COSct+S2(t)从而实现了从而实现了波形无失真地传输。波形无失真地传输。在在QAM系系统统中中，对对信信道道传传输输函函数数的的对对称称性性和和接接收收端端相相干干载载波波的的相相位位误误差差必必须须有有严严格格要要求求，否否则则在在接接收收端端恢恢复复的的基基带带波形中将出现波形中将出现邻道干扰邻道干扰和和正交干扰正交干扰。经经过过低低通通滤滤波波器器滤滤除除二二倍倍载载波波份份量量后后，上上下下两两路路的的基基带带波形分别为波形分别为：从而实现了波形无失真地传输。在QAM系统中，对信二、多相移相键控调制（二、多相移相键控调制（MPSKMPSK）利利用用高高频频载载波波多多种种状状态态（幅幅度度、频频率率或或相相位位）来来表表示示要要传传输输的的数数字字信信号号，分分别别称称为为多多电电平平振振幅幅键键控控调调制制(MASK)，多多频率移频键控调制频率移频键控调制(MFSK)，多相移相键控调制，多相移相键控调制(MPSK)。由由于于MASK、MFSK占占据据了了较较宽宽的的频频带带，信信道道利利用用率率低低，抗抗噪噪声声性性能能低低，一一般般不不被被采采用用，经经常常被被采采用用的的是是多多相相移移相相键键控控调调制制(MPSK)，它它是是微微波波和和卫卫星星数数字字通通信信中中最最常常用用的的一一种种数数字调制方式。字调制方式。二、多相移相键控调制（MPSK）利用高频载波多种状态多多相相移移相相键键控控调调制制是是通通过过多多种种不不同同相相位位来来表表示示所所要要传传送送的数字信号的数字信号。多多相相制制相相位位状状态态有有A、B两两种种 方方 式式，图图5.16所所 示示 向向 量量图图表表示示了了2相相、4相相，8相相数数字字调制方式。调制方式。1基本概念基本概念图图5.16多相调制向量图多相调制向量图 多相移相键控调制是通过多种不同相位来表示所要传送的数字信2相、相、4相、相、8相相位状态的相相位状态的A A、B B两种方式，分别为：两种方式，分别为：2PSKA A方式：方式：B B方式：方式：4PSKA A方式：方式：A A方式：方式：B B方式：方式：B B方式：方式：8PSK 2相、4相、8相相位状态的A、B两种方式，分别为：2四相移相键控（四相移相键控（QPSKQPSK）四四相相移移相相键键控控数数字字调调制制的的英英文文缩缩写写是是4PSK，因因为为它它可可以以由由一一个个载载波波经经正正交交调调制制而而得得到到，又又称称它它为为正正交交移移相相键键控控（QPSK）。四种相位分别是：四种相位分别是：四四相相调调制制的的相相位位与与二二位位二二进进制制信信号号相相对对应应，所所以以它它的的传传输速率是比较快的。输速率是比较快的。常用的信息码相位变化图和时间波形如图常用的信息码相位变化图和时间波形如图5.17所示。所示。2四相移相键控（QPSK）四相移相键控数字调制的图图5.17QPSK移相键控信号的相位及波形图移相键控信号的相位及波形图 多相移相键控信号的载波相位有多个值，可表示为多相移相键控信号的载波相位有多个值，可表示为 图5.17 QPSK移相键控信号的相位及波形图 多相移式式中中，mn(t)为为非非归归零零n电电平平的的对对称称基基带带信信号号，例例如如1，2，3，；=2/n为相邻信号的相位间隔。为相邻信号的相位间隔。设设则有则有式中，mn(t)为非归零n电平的对称基带信号，例如1，式中式中在在信信号号持持续续期期间间，均均为为常常数数。COSCOS0 0t t与与Sin0 0t t相相差差，故故相相互互正正交交。并并称称余余弦弦项项为为同同相相信信号号（I I信信号号），正正弦弦项项为为正正交信号（交信号（Q Q信号）信号），分别记作分别记作I I和和Q Q。可见：四相调相可以看作是两个正交的二相调相的可见：四相调相可以看作是两个正交的二相调相的合成合成。图图5.18给出产生移相键控信号的原理框图。给出产生移相键控信号的原理框图。式中 在信号持续期间，均为常数。COS0t与Si图图5.18产生移相键控调制的方框图产生移相键控调制的方框图 图5.18 产生移相键控调制的方框图 经经载载波波提提取取电电路路得得到到高高频频载载波波信信号号COS0t t，经经过过乘乘法法器器，I信道输出信道输出yI(t t)可表示为可表示为四四相移相键控信号的解调框图如图相移相键控信号的解调框图如图5.19所示。所示。图图5.194相相 移移相相键键控控解解调调框框图图 经载波提取电路得到高频载波信号COS0t，经过乘法器，Q信道的输出信道的输出yQ Q(t t)：Q信道的输出yQ(t)：这两个分量的信号经过取样判决及并这两个分量的信号经过取样判决及并/串变换后输出。串变换后输出。I I信信道道和和Q Q信信道道的的输输出出经经过过低低通通滤滤波波器器滤滤除除高高频频成成分分，分分别解出原始调制信号的同相分量别解出原始调制信号的同相分量 和和 。四四相相键键控控和和二二相相键键控控一一样样，也也存存在在相相位位模模糊糊问问题题，为为了了防防止止输输出出信信号号的的不不确确定定性性，实实际际通通信信中中采采用用四四相相相相对对调调相相(4DPSK)。把把图图5.18所所示示的的4PSK调调制制变变成成4DPSK调调制制，在在图图所所示示的的串串/并并变变换换电电路路之之后后，需需再再加加码码型型变变换换器器（差差分分编编码码器器），把把绝绝对对码码变变换换成成相相对对码码，然然后后再再进进行行4PSK调调制制，就就可可得得到到4DPSK调制。调制。4DPSK解解调调器器同同样样需需要要在在并并/串串变变换换电电路路前前加加码码型型变变换换器器，把相对码变成绝对码。把相对码变成绝对码。这两个分量的信号经过取样判决及并/串变换后输出。I三、最小移频键控调制三、最小移频键控调制MSKMSK与与GMSKGMSK (1)最小频移键控最小频移键控(MSK)信号信号最最小小频频移移键键控控是是频频移移键键控控(FSK)的的一一种种改改进进形形式式。MSK信信号的一般表达式为：号的一般表达式为：1最小频移键控（最小频移键控（MSK）(i1)Tt tiT i=1,2,3式式中中，ct t为为载载波波角角频频度度，其其频频率率为为fc=c/2；T为为码码元元的的时时间间宽宽度度；为为码码元元的的幅幅值值，其其值值为为1；为为相相位位常常数，在码元宽度数，在码元宽度T内保持不变。内保持不变。三、最小移频键控调制MSK与GMSK(1)最小频移键控当当=+1时，时，MSK信号的频率为：信号的频率为：f1=fc+T当当=1时，时，MSK信号的频率为：信号的频率为：f2=fcT这这说说明明了了MSK信信号号确确实实具具有有FSK的的属属性性，即即已已调调信信号号SMSK的频率值随数字信号的取值的频率值随数字信号的取值 而变。而变。根根据据调调频频指指数数Mf的的定定义义：Mf=(f1f2)T。显显然然，MSK的的调调频频指指数数Mf=0.5。由由于于MSK的的调调频频指指数数比比一一般般FSK的的调调频频指指数数小小（一一般般的的FSK通通常常都都在在0.5以以上上），所所以以称称这这种种频频移移键控方式为键控方式为最小频移键控最小频移键控。(i(i1)T 1)T t t iT iT MSK信号随码元变化的信号随码元变化的相位函数相位函数为：为：当 =+1时，MSK信号的频率为：f1 在在每每个个码码元元时时间间内内，MSK信信号号的的相相位位必必须须准准确确地地增增加加或或减小减小 。为为了了满满足足码码元元转转换换时时MSK信信号号的的相相位位连连续续，即即对对应应于于第第i个个码码元元MSK信信号号的的起起始始相相位位，等等于于第第(i1)个个码码元元MSK信信号号的终止相位，所以要求相位常数的取值必须满足下式：的终止相位，所以要求相位常数的取值必须满足下式：当当 为为+1+1时时 当当 为为-1-1时时 在每个码元时间内，MSK信号的相位必须准确地增加或减小 例例假假设设t=0，初初相相 =0，若若输输入入数数字字序序列列为为：+111+1+1+11+1，则则其其相相位位函函数数(t)和和相位常数如图相位常数如图(5.20)所示。所示。图图5.20MSK信号信号的相的相位变位变化路化路径径 例 假设t=0，初相 =0，若输入MSK信号的另一种表达式形式如下：信号的另一种表达式形式如下：MSK信号的产生过程信号的产生过程：（1）最小移频键控（）最小移频键控（MSK）调制和解调器）调制和解调器 式中，式中，MSK信号的另一种表达式形式如下：MSK信号的产上上式式表表明明MSK信信号号可可看看作作是是由由两两个个彼彼此此正正交交的的数数据据信信道道所组成。所组成。等等号号后后面面的的第第一一项项是是同同相相信信道道，即即I信信道道，cosct t是是载载波波，为为余余弦弦符符号号加加权权函函数数，I Ik是是由由输输入入数数据据决决定定的的同同相相分分量量等等效效数数据据。类类似似地地，上上式式等等号号后后面面的的第第二二项项为为正正交交信信道道，即即Q Q信信道道，四四sinct t是是正正交交载载波波，是是正正弦弦符符号号加加权权函函数数，Q Qk是是由由输输入入数数据据决决定定的的正正交交分分量量等等效效数数据据。根根据据以以上上分分析析，画画出出MSK调调制制器器的的框框图图如如图图5.21所所示示，各各处处波波形形如图如图5.22所示。所示。上式表明MSK信号可看作是由两个彼此正交的数据信道所组图图5.21MSK调制器方框图调制器方框图图5.21 MSK调制器方框图图图5.22MSK信号的波形图信号的波形图 图5.22 MSK信号的波形图 MSK信信号号的的本本质质是是数数字字调调频频波波，所所以以它它可可以以利利用用鉴鉴频频器器来解调，但更常用的是相关解调，如图来解调，但更常用的是相关解调，如图5.23所示。所示。图图5.23MSK信号解调器信号解调器 MSK信号的本质是数字调频波，所以它可以利用鉴频器来解调图图5.23所所示示电电路路利利用用相相关关载载波波提提取取电电路路从从MSK信信号号中中提提取取出出I、Q通通道道的的两两个个正正交交载载波波和和 ，然后分别与然后分别与MSK信号相乘，分别得到信号相乘，分别得到 、，取取样样判判决决后后变变成成数数字字信信号号，经经差差分分译译码码（相相对对码码绝绝对对码码）通通过过并并串串变变换换电电路路，把把I、Q信信号号合合成成一路解调后的基带数字信号输出。一路解调后的基带数字信号输出。图5.23所示电路利用相关载波提取电路从MSK信号中提2高斯滤波最小移频键控（高斯滤波最小移频键控（GMSKGMSK）GMSK:在在信信号号调调制制之之前前，采采用用高高斯斯滤滤波波器器进进行行滤滤波波处处理理，将将基基带带信信号号变变成成高高斯斯脉脉冲冲，再再进进行行最最小小移移频频键键控控，就就是是所谓的所谓的GSMKGSMK。(1)GMSKGMSK具具有有较较小小的的带带外外辐辐射射的的特特点点，因因而而在在现现代代移移动动通通信中得到了广泛的应用。信中得到了广泛的应用。GMSK调制器框图如图调制器框图如图5.24所示。所示。2高斯滤波最小移频键控（GMSK）GMSK:在信图图5.24GMSK调制器方框图调制器方框图 图图中中LPF为为高高斯斯低低通通滤滤波波器器，数数据据信信号号经经过过高高斯斯低低通通滤滤波波器器后后的的波波形形如如图图5.25所所示示，从从图图中中可可见见，经经过过高高斯斯低低通通滤滤波波器器后后，数数字字信信号号的的高高频频分分量量得得到到了了抑抑制制，比比较较圆圆滑滑的的数数字字信号送入信号送入MSK调制器，得到调制器，得到GMSK信号输出。信号输出。图5.24 GMSK调制器方框图 图中LPF为高斯低通图图5.25数字信号通过高斯低通滤波器后的波形数字信号通过高斯低通滤波器后的波形 图5.25 数字信号通过高斯低通滤波器后的波形 GMSK信号的频谱如图信号的频谱如图5.26所示所示从从图图中中可可见见，与与MSK信信号号的的频频谱谱相相比比，GMSK信信号号的的边边频频分分量量小小，带带宽宽窄窄，功功率率集集中中。所所以以发发射射机机中中没没有有必必要要再再使使调调制制器器的的输输出出通通过过带带通通滤滤波波器器，接接收收机机中中在在同同样样接接收收带带宽宽的的条条件件下下，能能够够通通过过的的功功率率也也较大。较大。图图5.26GMSK的频谱的频谱 GMSK信号的频谱如图5.26所示 从GMSK的的调调制制最最简简单单的的方方法法是是输输入入序序列列经经高高斯斯滤滤波波器器后后，直直接接对对调调频频器器进进行行调调频频（如如图图5.24所所示示）。但但中中心心频频率率易易改改变，变，故通常采用故通常采用锁相环调制器锁相环调制器，如图，如图5.27所示。所示。(2)GMSK的调制与解调的调制与解调图图5.27锁相环锁相环GMSK调制器调制器 GMSK的调制最简单的方法是输入序列经高斯滤波器后，直锁锁相相环环GMSK调调制制器器由由/2相相移移的的二二相相移移相相键键控控（BPSK）调调制制器器后后面面接接一一个个锁锁相相环环组组成成，其其中中/2相相移移的的BPSK是是保保证证每每个个码码元元相相位位变变化化为为/2，而而锁锁相相环环对对BPSK的的相相位位突突跳跳进进行行平平滑滑，使使得得在在码码元元转转换换点点处处相相位位连连续续，没没有有尖尖角角。因因此此，最最重重要要的的是是正正确确选选择择锁锁相相环环的的传传输输函函数数，满满足足输输出出功功率率谱谱特特性性要求。要求。锁相环GMSK调制器由/2相移的二相移相键控（BPS现现有有的的电电话话线线路路主主要要用用于于传传送送模模拟拟信信号号，而而计计算算机机所所能能处处理理的的是是数数字字信信号号。由由计计算算机机送送出出的的数数字字信信号号直直接接送送到到电电话话线线路传送，势必产生大量的误码，致使数据通信无法进行。路传送，势必产生大量的误码，致使数据通信无法进行。四、调制解调器（四、调制解调器（MODEMMODEM）1调制解调器的作用调制解调器的作用把把以以数数字字形形式式表表示示的的信信息息变变换换成成适适合合电电话话网网传传输输的的模模拟拟信信号号（即即前前边边介介绍绍的的载载波波传传输输技技术术），这这一一变变换换称称之之为为调调制制。接接收收时时把把收收到到的的模模拟拟信信号号进进行行解解调调，恢恢复复成成原原始始的的数数字字信信号号。实实现现这这一一变变换换与与反反变变换换的的设设备备称称之之为为调调制制解解调调器器(MODEM)，如如图图5.28所示。所示。问题：问题：解决方法解决方法：现有的电话线路主要用于传送模拟信号，而计算机所能处理的图图5.28数据信号在电话信道上的传输数据信号在电话信道上的传输 图图中中DTE为为数数据据终终端端设设备备，例例如如上上网网用用的的计计算算机机。调调制制解解调调器器（MODEM）是是电电话话网网中中进进行行数数据据传传输输不不可可缺缺少少的的设设备备，是是数数字字信信号号频频带带传传输输应应用用的的一一种种实实例例，当当然然它它的的载载波波频频率应该是在音频信号范围内。率应该是在音频信号范围内。图5.28 数据信号在电话信道上的传输 图中DTE为数据(1)高速与低速高速与低速2调制解调器的类型调制解调器的类型按传输速率分类，则可分成：按传输速率分类，则可分成：低低速速(600bit/s)、中中速速(1200、4800、5600bit/s)、高高速速(9600、14400、19200bit/s)、宽带、宽带(19200bit/s)(2)同步与异步同步与异步按按同同步步方方式式分分类类，则则速速率率在在1200bit/s以以下下的的调调制制解解调调器器均均为为异异步步式式或或起起止止式式，内内部部没没有有时时钟钟，而而是是在在每每一一个个字字符符前前后后加加上上起起、停停位位来来控控制制同同步步。运运行行速速率率在在2400bit/s以以上上的的均均为同步方式，允许数据或字符无间隔地传输。为同步方式，允许数据或字符无间隔地传输。(1)高速与低速 2调制解调器的类型 (3)内置与外置内置与外置内内置置即即插插在在计计算算机机里里边边，内内置置无无独独立立电电源源，通通过过ISA接接口口与与电电脑脑相相连连，安安装装时时要要打打开开机机箱箱。外外置置即即可可放放在在计计算算机机外外边边，即即插插即即用用，具具有有独独立立电电源源，装装拆拆比比较较方方便便 。可可按按需需要选用。要选用。MODEM的的常常用用调调制制方方式式有有FSK、PSK、QAM、4PSK等等。FSK、PSK用用于于低低速速调调制制解解调调器器，QAM、4PSK用用于于高高速调制解调器。速调制解调器。(4)调制方式调制方式 (3)内置与外置 内置即插在计算机里边，内置图图5.29展展示出了半双工同步调解器的调制示出了半双工同步调解器的调制-解调过程。解调过程。3调制解调器工作过程框图调制解调器工作过程框图图图5.29调制解调器工作过程框图调制解调器工作过程框图 图5.29展示出了半双工同步调解器的调制-解调过程。工作步骤：工作步骤：1.发发送送数数据据经经加加扰扰后后，变变成成伪伪随随机机码码，防防止止当当输输入入是是长长连连“0”或或长长连连“1”时时，因因长长时时间间不不出出现现零零交交点点，位位时时钟钟出出现现漂移，从而使定时误差过大，引起失步。漂移，从而使定时误差过大，引起失步。2.进行编码，变成合适的数字波形。进行编码，变成合适的数字波形。3.进进入入数数字字滤滤波波器器和和调调制制器器，进进行行数数字字信信号号的的调调制制，把把数数字信号变成模拟信号。字信号变成模拟信号。4.经经选选择择器器选选入入相相应应的的信信道道滤滤波波器器，目目的的是是进进行行发发送送信信道道的均衡，使信号在传输时所引起的失真小一些。的均衡，使信号在传输时所引起的失真小一些。工作步骤：1.发送数据经加扰后，变成伪随机码，防工作步骤：工作步骤：5.经混合线圈经混合线圈42线转换后输入线路。线转换后输入线路。由由线线路路上上来来的的接接收收数数据据，经经自自动动增增益益控控制制器器调调整整电电平平及及数数字字解解调调，或或经经均均衡衡器器后后解解码码、解解扰扰，整整个个电电路路的的同同步步信信号号由由发发送送定定时时脉脉冲冲锁锁相相环环进进入入微微调调，并并设设有有定定时时脉脉冲冲恢恢复复电电路路和载波恢复电路，来保证调解器的正常工作。和载波恢复电路，来保证调解器的正常工作。工作步骤：5.经混合线圈42线转换五、非对称数字用户专线（五、非对称数字用户专线（ADSLADSL）如果采用了调制解调器如果采用了调制解调器(moden)上网，它占用的频带和电上网，它占用的频带和电话相同，因此打电话时不能上网，或上网时不能打电话话相同，因此打电话时不能上网，或上网时不能打电话。同。同时时modem上网的速率太慢只有上网的速率太慢只有56kbit/s。所以目前在各大城所以目前在各大城市中的上网方式大多选用非对称数字用户专线市中的上网方式大多选用非对称数字用户专线(ADSL)，上下，上下行速率是非对称的，即上下行速率不相等，下载的速率远大行速率是非对称的，即上下行速率不相等，下载的速率远大于上传的速率，故称为是非对称数字用户专线。符合上网时，于上传的速率，故称为是非对称数字用户专线。符合上网时，浏览信息多于上传信息的实际要求。传统的电话线使用了