数字基带信号的频带传输课件

本章内容简介：本章内容简介：数字调制与解调：数字调制与解调：ASK、FSK、PSK及各种变形；及各种变形；频分多路复用；频分多路复用；扩频技术。扩频技术。本章内容简介：数字调制与解调：本章内容简介：数字调制与解调：ASK、FSK、PSK及各种变及各种变数字基带信号能否直接在信道中传输与信道的传输特性有关。由于数字基带信号具有丰富的低频成分，但现有的许多信道（包括信道端口的一些设备）的传输特性并不能使这些成分有效地传输。为了完整的传输信号，必须要进行调制。为了完整的传输信号，必须要进行调制。0.1 1 2 3 5 10 f(kHz)L(dB)-4 -8 -12 -16 -20 -24 双绞线的传输特性 模拟用户线的传输特性 话音信号频谱 数字基带信号频谱 调制的必要性：调制的必要性：数字基带信号能否直接在信道中传输与信道的传输特性有关。由于数数字基带信号能否直接在信道中传输与信道的传输特性有关。由于数有的信道有很宽的频率范围，但用户的信息带宽却很窄，用这样的信道去传输一个用户的信号显然会造成频率资源的浪费。这时可以将一个信道按频率划分成多个子信道，每个信道分配一个载波，传送一个用户的信号，这种方式称为频分多路复用（FDM）。采用频分多路复用方式时数字基带信号必须通过调制将采用频分多路复用方式时数字基带信号必须通过调制将频谱搬到对应的子信道上。频谱搬到对应的子信道上。有的信道有很宽的频率范围，但用户的信息带宽却很窄，用这样的信有的信道有很宽的频率范围，但用户的信息带宽却很窄，用这样的信4.1数字调制与解调数字调制与解调调制（调制（ModulationModulation）是用基带信号去控制正弦波的参数的过程。）是用基带信号去控制正弦波的参数的过程。用于调制的基带信号称为调制信号（调制信号（Modulating SignalModulating Signal），），被调制的正弦波称为载波（载波（CarrierCarrier），），经过调制以后的信号称为已调已调信号（信号（Modulated SignalModulated Signal）。）。在接收端，接收设备要将原来的基带信号从已调信号中恢复，这个过程称为解调解调（Demodulation）。）。双向传输系统中的传输设备既要完成调制功能，又要完成解调功能，因此称为调制解调器调制解调器（Modem）。）。4.1数字调制与解调调制（数字调制与解调调制（Modulation）是用基带信号）是用基带信号 调制器 解调器 已调信号 载波 调制信号（基带信号）（频带信号）调制器 解调器（Modem）（Modem）恢复信号（基带信号）调制器调制器 解调器解调器 已调信号已调信号 载波载波 调制信号调制信号（基带信号）（基带信号）（载波的波形是任意的，但大多数的数字调制系统都选择单频信号信号（正弦波或余弦波）（正弦波或余弦波）作为载波，因为便于产生与接收。一个正弦载波有三个参数，分别是幅度、频率与相位，它们都可以受调制信号的控制而发生变化，因此对应地就有幅度调制（幅度调制（AM）、频率调制（）、频率调制（FM）和相位调制（和相位调制（PM）三种调制类型。数字调制是指调制信号为数字型的正弦波调制。数字调制是指调制信号为数字型的正弦波调制。数字调制技术可分两种类型：利用模拟方法实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理。利用数字信号的离散取值特点去键控载波的参数，从而实现数字调制。后一种方法通常称为键控法。常见的数字调制有振幅键控振幅键控（ASK）、移频键控（）、移频键控（FSK）、相移键控（）、相移键控（PSK）以及它们的组合或改进。载波的波形是任意的，但大多数的数字调制系统都选择载波的波形是任意的，但大多数的数字调制系统都选择4.1.1二进制振幅键控二进制振幅键控正弦载波的有无受到信码控制，当信码为正弦载波的有无受到信码控制，当信码为1时，时，ASK的波形是若干个的波形是若干个周期的高频等幅波（图中为两个周期）；当信码为周期的高频等幅波（图中为两个周期）；当信码为0时，时，ASK信号的信号的波形是零电平。波形是零电平。载波 ASK信号波形基带信号波形（单极性NRZ）1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 信码 E0信号波形信号波形4.1.1二进制振幅键控正弦载波的有无受到信码控制，当信码为二进制振幅键控正弦载波的有无受到信码控制，当信码为二进制振幅键控信号的产生方法（调制方法）有两种：二进制振幅键控信号的产生方法（调制方法）有两种：图（图（a）是采用模拟调制方式的）是采用模拟调制方式的ASK调制方法调制方法，相乘器将数字基带信号（单极性NRZ波形）和高频载波相乘，得到ASK信号。图（图（b）则是采用数字键控方法）则是采用数字键控方法，由数字基带信号去控制一个开关电路。当出现1码时开关K闭合，有高频载波输出；当出现0码时开关K断开，无高频载波输出。相乘器 数字基带信号（单极性NRZ）载波 ASK信号（a）载波ASK 信号（b）数字基带信号（单极性NRZ）二进制振幅键控信号的产生方法（调制方法）有两种：相乘器二进制振幅键控信号的产生方法（调制方法）有两种：相乘器 数字数字ASK调制器框图与电路调制器框图与电路相乘器数字基带信号载波ASK信号载波数字基带信号ASK信号ASK信号载波ASK信号数字基带信号载波ASK调制器框图与电路相乘器数字基带信号载波调制器框图与电路相乘器数字基带信号载波ASK信号载波数信号载波数相乘器数字基带信号载波ASK信号载波数字基带信号ASK信号相乘器数字基带信号载波相乘器数字基带信号载波ASK信号载波数字基带信号信号载波数字基带信号ASK信号信号ASK信号的解调信号的解调非相干解调相干解调ASK信号的解调非相干解调相干解调信号的解调非相干解调相干解调ASK信号的频谱信号的频谱ASK信号实际上是信码的单极性NRZ波形与高频载波的相乘。重要结论：重要结论：ASK信号的频带宽度是基带信号的两倍。信号的频带宽度是基带信号的两倍。（a）（b）f f 0 0 fC fS UASK(f)UB(f)ASK信号的频谱信号的频谱ASK信号实际上是信码的单极性信号实际上是信码的单极性NRZ波形与高波形与高4.1.2 二进制频移键控二进制频移键控信号波形信号波形二进制频移键控就是用两种不同频率的正弦载波来表示其两种状态，二进制频移键控就是用两种不同频率的正弦载波来表示其两种状态，而载波的幅度则保持不变。而载波的幅度则保持不变。载波频率FSK 信号波形基带信号波形 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0信码f1 f2 f2 f1 f1 f2 f1 f1 f1 f2 f2 4.1.2 二进制频移键控信号波形二进制频移键控信号波形 载波频率载波频率FSK信号波形基信号波形基 FSK信号的产生可以是直接用NRZ基带信号对一个载波进行调频，如同将其看作一个模拟基带信号，或采用键控的方法，用NRZ基带信号去控制一个选通器，通过选通开关的转向来输出不同的振荡频率。FSK调制与解调调制与解调 载波数字基带信号FSK信号 FSK信号的产生可以是直接用信号的产生可以是直接用NRZ载波数字基带信号FSK信号FSK调制器框图与电路调制器框图与电路载波数字基带信号载波数字基带信号FSK信号信号FSK调制器框图与电路调制器框图与电路 如果用二个中心频率分别为f1和f2的带通滤波器对FSK信号进行滤波，可以将其分离成二个ASK信号波形FSK信号波形信号波形=滤波器滤波器输出波形输出波形+滤波器滤波器输出波形输出波形 如果用二个中心频率分别为如果用二个中心频率分别为f1和和f2的带通滤波器的带通滤波器 f1 f2 ASK检波输出 FSK信号波形 基带信号波形 带通滤波器 带通滤波器 ASK检波 ASK检波 相减器 取 样判决器 取样脉冲 带通滤波器输出 ASK检波输出 带通滤波器输出相减输出 取样脉冲 解调输出解调输出（b）FSK解调器组成框图（a）FSK解调器工作波形 FSK解调解调 f1 f2 ASK检波检波输出输出 FSK信号波形信号波形 基带信基带信 对每一个波形都进行ASK检波（可以采用相干检波或非相干检波），并将两个检波输出送到相减器，相减后的信号是双极性信号，0电平自然作为判决电平，不再象ASK解调那样要从信号幅度中提取判决电平。在取样脉冲的控制下进行判决，就可完成FSK信号的解调。二进制频移键控信号还有其它解调方法，如鉴频法、过零检测法及差分检波法等。对每一个波形都进行对每一个波形都进行ASK检波（可以检波（可以 如前所述，FSK信号可以看作是两个频率分别为f1和f2的ASK信号的合成，因此它的频谱也是这两个ASK信号频谱的合成，通常FSK信号的频带宽度可根据下式计算：与与ASK相比，在同样的码元速率下，相比，在同样的码元速率下，FSK信号的频带宽度要大一个频差。信号的频带宽度要大一个频差。FSK信号的频谱信号的频谱 Df（a）f 0 UASK1(f)（c）0 f1 f2 f FSK带宽 f1 ASK 带宽（b）f 0 UASK1(f)f2 如前所述，如前所述，FSK信号可以看作是两个信号可以看作是两个 0 f1(Hz)U(f)1070 1270 2025 2225 例4-2如果在电话信道中接入基于V.21标准的Modem，要求电话信道的带宽为多少（假设电话信道为具有理想传输特性的信道）？解：根据V.21标准规定，主呼与被呼的信号频谱分配如图 。因此，电话信道的带宽应为B=2300+（2225-1070）=1455Hz。FSK应用应用 0 f1(Hz)U(f)1070 1270 20254.1.3二进制相移键控及二进制差分相移键控二进制相移键控及二进制差分相移键控信号波形信号波形二进制相移键控(PSK)和差分相移键控(DPSK)是载波相位按载波相位按基带脉冲序列的规律而基带脉冲序列的规律而改变改变的一种数字调制方式。+E0-E0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9T10 T1 1 T1 2 T1 3 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0PSK波形信码 DPSK波形 相对码 载波基准基带信号波形 4.1.3二进制相移键控及二进制差分相移键控信号波形二进制相移键控及二进制差分相移键控信号波形+E0-在T1时刻，信码为1（这里，对应的基带信号波形为低电平），PSK信号与载波基准相位相反；在Tn时刻，信码为0，PSK信号与载波基准的相位相同。这种以信号与载波基准的不同相位差直接去表示相应数字信息的相位键控，通常被称为绝对相移键控方式。+E0-E0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0PSK波形信码 载波基准基带信号波形T1Tn在在T1时刻，信码为时刻，信码为1（这里，对应的基带信号波形为低电平），（这里，对应的基带信号波形为低电平），P在T1时刻，信码为1（这里，对应的基带信号波形为低电平），PSK信号与前一码元的相位相反；在Tn时刻，信码为0，PSK信号与前一码元的相位相同。这种以信号码元之间不同相位差直接去表示相应数字信息的相位键控，通常被称为相对相移键控或差分相移键控方式。+E0-E0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0信码 载波基准基带信号波形 T1TnDPSK波形 在在T1时刻，信码为时刻，信码为1（这里，对应的基带信号波形为低电平），（这里，对应的基带信号波形为低电平），P问题问题：下列两个波形哪个是PSK波形？哪个是DPSK波形？答答1：不清楚，两个波形类似答答2：波形1是PSK信号，波形2是DPSK信号答答3：波形1不是DPSK信号，波形2是PSK信号结论：波形与信码的关系决定是结论：波形与信码的关系决定是PSK还是还是DPSK波形波形0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 波形1波形2问题：下列两个波形哪个是问题：下列两个波形哪个是PSK波形？答波形？答1：不清楚，两个波形类：不清楚，两个波形类信码与PSK信号的相位关系也可以用矢量图表示“0”相位“”相位 1 0 信码与信码与PSK信号的相位关系也可以用矢量图表示信号的相位关系也可以用矢量图表示“0”相位相位“PSK调制器中，载波发生器和移相电路分别产生两个同频反相的正弦波，由信码控制电子开关进行选通，当信码是“0”时，输出“0”相信号，当信码为“1”时输出“”相信号。PSK调制调制移相载波信码PSK0 PSK调制器中，载波发生器和移相电路分别产生两个调制器中，载波发生器和移相电路分别产生两个 DPSK信号调制器比PSK调制器电路多了一个“码变换”电路，信码在码变换电路中变换成相对码，再用这个相对码对载波进行PSK调制得到DPSK信号。DPSK调制调制010100111011000101 DPSK信号调制器比信号调制器比PSK调制器电路多了一个调制器电路多了一个“PSK解调解调 对PSK信号的解调的方法有相干解调和非相干解调两种，相干解调器方框图和各功能块输出点的波形如下图。如果将相干解调方式中的“相乘低通滤波”器件用鉴相器代替，就变为非相干解调器。也称为相位比较法解调。带通 滤波器 相乘器 低通 滤波器 取样 判决器 载波提取电路 判决输出取样脉冲 载波基准PSK 波形相乘输出低滤输出PSK解调解调 对对PSK信号的解调的方信号的解调的方DPSK解调解调 DPSK信号的波形与PSK相同，因此也能用上面的框图进行解调，但得到的只能是相对码，还必须有一个码变换器将相对码变换为绝对码。此外，DPSK信号解调还可采用差分相干解调的方法，直接将信号前后码元的相位进行比较，如下图。由于此时的解调已同时完成了码变换，故无需再安排码变换器。这种解调方法由于无需专门的相干载波这种解调方法由于无需专门的相干载波，因而是一种很实用的方法。当然，它需要一延迟电路精确地延迟一个码元长度（TS），这是在设备上所要花费的代价。带通 滤波器 相乘器 低通 滤波器 取样 判决器 带通 滤波器 延迟TS 延迟输出相乘输出低滤输出 取样脉冲 判决输出 DPSK波形DPSK解调解调 DPSK信号的波形与信号的波形与PSK与与DPSK信号的频谱信号的频谱 PSK与DPSK信号实际上是一个双极性矩形脉冲序列与高频载波相乘的结果，因此其频谱与其频谱与ASK信号的频谱信号的频谱相似，相似，所不同的是ASK调制时基带信号是单极性信号，含有直流分量，相乘后信号中就有载波分量；PSK信号（或DPSK）调制时基带信号是双极性信号，如果信码1、0出现的概率相同，则基带信号中没有直流分量，已调波中也就没有载波分量，两者的频带宽度相同，都是基带信号带宽的两倍。PSK与与DPSK信号的频谱信号的频谱 PSK与与D4.1.4 多相制相移键控多相制相移键控 在数据通信中，为了提高信息传递速率，可以用载在数据通信中，为了提高信息传递速率，可以用载波的一种相位代表一组二进制信号码元，也就是多进制波的一种相位代表一组二进制信号码元，也就是多进制码元。码元。由于码组长度为m的二进制信码有2m种排列方式，因此，表示它们的载波相位在02范围内也应有2m个取值，这就是多相制的基本概念。目前用得较多的多相制PSK（或DPSK）是四相制和八相制。下而以四相制为例介绍多相制PSK和DPSK的原理。4.1.4 多相制相移键控多相制相移键控 在数据通在数据通 设基准载波的相位为0，4PSK信号的四个相位相隔为/2，它们与基准载波的相位关系有两种情况，如下表所列，分别称为/2系统和/4系统。通常用二位二进制码元表示一个四进制码元通常用二位二进制码元表示一个四进制码元，故图中的信码是二进制形式。四相制四相制PSK与与DPSK波形波形4PSK相位排列表信码（A B）相位（/4系统）相位（/2系统）0 0/400 13/4/21 15/41 07/43/2 设基准载波的相位为设基准载波的相位为0，4PSK信号信号 与与DPSK一样，一样，4DPSK也是用相邻码元（四进制码元）的相位差表也是用相邻码元（四进制码元）的相位差表示四种状态。示四种状态。例如，第一个码元为01，它与前一个码元（参考相位为0）的相位差就是/2；第二个码元为00，它与第一个码元的相位差是0，与基准载波的相位差则是/2。/2 0 /2 3/23 /2 0 /2 /2 3/2 0 /2 0 0信码 基准载波（“0”相）4PSK信号波形PSK信号相位 4DPSK信号波形DPSK相对于基准的相位 参考相位 与与DPSK一样，一样，4DPSK也是用相邻也是用相邻4PSK信号的产生与解调信号的产生与解调4PSK信号的合成相位AB合成信号输出000sin(Ct-/4)+cos(Ct-/4)/210-sin(Ct-/4)+cos(Ct-/4)11-sin(Ct-/4)-cos(Ct-/4)3/201sin(Ct-/4)-cos(Ct-/4)4PSK信号的产生与解调信号的产生与解调4PSK信号的合成相位信号的合成相位AB合成信号输合成信号输4PSK信号的向量图信号源 sint 900相移cost 反相-sint 反相-cost 四选一电路 AB cos(t-/4)sin(t-/4)-sin(t-/4)-cos(t-/4)00 11 10 01 sint cost-cost-sint 4PSK信号产生器原理图4PSK信号的向量图信号源信号的向量图信号源 sint 900相移相移cost 从向量图中可以看到，4PSK信号的每一个向量都可以由信号的每一个向量都可以由两个相邻两个相邻/4的向量（用虚线表示）合成。的向量（用虚线表示）合成。例如，信码为10的向量可以用-sin(Ct-/4)+cos(Ct-/4)表示。表4-2列出了信码与合成向量的关系。对这个表进行分析不难发现，两个合成向量sin(Ct-/4)和cos(Ct-/4)的极性分别与两位信码A和B有对应的关系，如A=1，则sin(Ct-/4)的极性为“-”，否则为“+”；B=1，cos(Ct-/4)的极性为“-”，否则为“+”。从向量图中可以看到，从向量图中可以看到，4PSK信号的每一个向量都信号的每一个向量都A2A1 B2B1 cos(t-/4)sin(t-/4)载波 发生器 码元 分配器 相乘器 90o相移 相乘器 线性 相加器 带通 滤波器 I通道 二进码元入 4PSK信号出Q通道 B2A2B1A1相乘器 4PSK信号调制信号调制A2A1 B2B1 cos(t-/4)sin(t 取样脉冲sin(t-/4)cos(t-/4)载波发生器 90o相移相乘器相乘器 低通滤波器低通滤波器 码元 合成器 二进码元出4PSK信号入 B2A2B1A1低通滤波器 4PSK信号解调信号解调 取样脉冲取样脉冲sin(t-/4)cos(t-/4)载波发载波发4.1.5 多进制正交幅度调制多进制正交幅度调制 在同样的码元速率下，4PSK的传信率是2PSK的二倍，但是由于4PSK相邻状态之间的相位差（/2）要比2PSK的相位差（）小，解调时出现错误判决的可能性就要大，同样，8PSK的传信率更高，但误码率也会更大；不难发现，接收端接收端对这些信号相些信号相邻状状态的分的分辩能力与它能力与它们的矢量端点之的矢量端点之间的的间隔有关，隔有关，间隔越大，越容易分隔越大，越容易分辩，也就是越不易受干也就是越不易受干扰的影响。的影响。4.1.5 多进制正交幅度调制多进制正交幅度调制 在同样的码元速率在同样的码元速率(a)(b)(c)(d)(e)L/2+L0信号幅度范围L 0 L/3 2L/3 噪声容限 噪声容限 0 0 0 0-/2-/2-/2/2/2+/4-/4-3/4+3/4/2+/4-/4+3/4-3/4(a)(b)(c)(d)(e)L/2+L0信号幅度范围信号幅度范围L PSK和 ASK只是单单从相位上和幅度上将信号的各种状态区分开来，它们的幅度和相位是相同的。如果既从如果既从相位上、同时又从幅度上使信号相邻状态有区别，那么相位上、同时又从幅度上使信号相邻状态有区别，那么在相同的进制数下，可以得到较大的噪声容差，也就可在相同的进制数下，可以得到较大的噪声容差，也就可以得到较小的误码率。以得到较小的误码率。这就是正交幅度调制的基本概念。PSK和和 ASK只是单单从相位上和幅度上将信号的只是单单从相位上和幅度上将信号的 为便于观察，可以在矢量图上只画出各矢量的端点，这个图称为星座图。16PSK 16QAM 16APK 为便于观察，可以在矢量图上只画出各矢为便于观察，可以在矢量图上只画出各矢 目前，正交幅度调制正在得到日益广泛的应用。它的星座图常为矩形或十字形。其中当M=4、16、64、256时，其星座图为矩形，而当M=32、128时则为十字形。前者M为2的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息；后者为2的奇次方，每个符号携带奇数个比特的信息。m=128m=4m=16m=32m=64m=256 目前，正交幅度调制正在得到日益广泛目前，正交幅度调制正在得到日益广泛MQAM调制解调的一般方框图如下所示。2L 电平 转换 LPF 2L 电平 转换 LPF 90相移 sin wct 载波恢复 位 定时恢复 并串变换判决 门限 判决 门限 LPF LPF 相加 Rb/2 Rb/2 二进码 串并变换 Rb/2Rb/2 090 MQAM调制解调的一般方框图如下所示。调制解调的一般方框图如下所示。2L 电平电平 转换转换 调制过程表明，MQAM信号可以看成是两个正交的抑制载波双边带调幅信号的相加，因此，MQAM的功率谱取决于同相和正交两路基带信号的功率谱，其带宽是基带信号的带宽的两倍。调制过程表明，调制过程表明，MQAM信号可以看成是两个正交的抑信号可以看成是两个正交的抑4.1.64.1.6调制解调器调制解调器由于现有的通信系统主要是模拟通信系统，因此在目前阶段最经济的方法是利用数据调制解调器（MODEM）借助模拟系统进行数据传输。所谓调制解调器就是将调制器与解调器合二为一的通信设备，它除要完成数据的调制与解调外，还具有定时、波形形成、位同步与载波恢复及相应的接口控制功能，有的还要求有AGC和线路群延时特性均衡器等单元，以提高数据传输的质量和可靠性。目前正在使用的调制解调器有很多种类，其最基本的参数是传输的数据速率、工作方式和对信道的要求。4.1.6调制解调器由于现有的通信系统主要是模拟通信系统，因调制解调器由于现有的通信系统主要是模拟通信系统，因数字基带信号的频带传输课件数字基带信号的频带传输课件本节内容总结：本节内容总结：调制的原因及分类；调制的原因及分类；ASK、FSK、PSK、DPSK及多进制调制的原理、波形、及多进制调制的原理、波形、电路及频谱；电路及频谱；调制解调器。调制解调器。本节内容总结：调制的原因及分类；本节内容总结：调制的原因及分类；