第6章正弦载波数字调制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 数字调制与解调技术,第一节 数字调制的概念与分类,一、数字调制的概念,所谓数字调制，就是用待传输的数字基带信号去控制载波的参量，使之随数字基带信号的变化而变化的过程。数字调制与模拟调制在本质上并无差异，都是为了使待传输的基带信号适合于信道上传输，在原理上两者也相似。在数字调制中，待传输的数字基带信号也可称为调制信号，调制后所得到的信号则称为已调信号，所用的载波，在大多数数字通信系统中，都是选择正弦信号，这是因为正弦信号形式简单，便于产生和接收。,第四章 数字调制与解调技术,图,6-1,数字调制系统模型,在接收端，把已调信号还原成数字基带信号的过程，称为数字解调。为了称呼方便，通常把数字调制及解调合起来统称为数字调制。数字调制系统模型如图,6-1,所示。它和数字基带传输系统的模型相比，不同之处就在于数字调制系统增加了调制和解调部分，其余基本相同。,第四章 数字调制与解调技术,二、数字调制的类型,数字调制的种类很多，这里作一个简要分类。正弦载波有振幅、频率和相位三个参量，根据数字基带信号所控制的参量不同，数字调制有数字振幅调制（数字调幅）、数字频率调制（数字调频）和数字相位调制（数字调相）三种基本形式。,由于数字基带信号只能取离散的有限个值，所以相应的载波参量也只能取离散的有限个值，已调信号可以看成是由数字基带信号去控制开关对不同参量的载波进行切换的结果，这种实现方法称为键控法，因此，通常把上述三种基本的数字调制方式，分别称为振幅键控、频率键控和相位键控。,数字基带信号可以是二进制的，也可以是多进制的，因此，数字调制又有二进制数字调制和多进制数字调制之分。,根据已调信号的频谱结构特点的不同，数字调制也可分为线性调制和非线性调制。在线性调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同，只不过频率位置搬移了，如振幅键控；在非线性调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同，不是简单的频谱搬移，而是有其他新的频率成分出现，如频率键控。,第四章 数字调制与解调技术,第四章 数字调制与解调技术,为了满足某些特定的要求，人们还在一些基本的数字调制方式的基础上，研制出了多种派生的、新型的数字调制方式，如正交振幅调制、最小频移键控等。而且随着通信技术的发展，还会不断地根据需要发展出新的数字调制方式来。,第四章 数字调制与解调技术,第二节 二进制数字调制与解调,一、二进制振幅键控,振幅键控（,ASK,Amplitude Shift Keying,）又称为幅度键控或幅移键控，它是数字调制中出现最早的，也是最简单的一种方式。这种方式最初用于电报系统，但由于它的抗噪声性能差，故在数字通信系统中用得不多。不过，在信道条件较好的数字通信系统中也还有用，而且二进制振幅键控是研究其他数字调制方式的基础，因此，熟悉它仍然是必要的。,第四章 数字调制与解调技术,1,二进制振幅键控信号的产生,二进制振幅键控，记为,2ASK,或,BASK,（,Binary ASK,），是利用代表数字信息（,“,0,”,或,“,1,”,）的基带脉冲信号去控制载波信号的振幅，使载波幅度随之而变化的调制方式。当发送为,“,1,”,时，有载波输出（振幅不为零）；当发送为,“,0,”,时，无载波输出（振幅变为零）。,2ASK,信号的波形示例如图,6-2,所示。这是一种最简单形式的,2ASK,信号，由图可见，它相当于是用一个受输入数字信息控制的开关去接通或切断载波信号的输出而产生的，因此，这种,2ASK,方式有时又称为通断键控（,OOK,On Off Keying,）方式。,第四章 数字调制与解调技术,图,6-2 2ASK,信号的波形示例,第四章 数字调制与解调技术,2ASK,的调制器可以用乘法器法来实现，如图,6-3,所示。,图,6-3,用乘法器实现,2ASK,调制器,第四章 数字调制与解调技术,图中，输入随机信息序列以表示，其取值服从下述关系,第四章 数字调制与解调技术,图,6-5 2ASK,信号的功率谱密度及带宽,a),“,1,”,码波形的频谱,b),基带信号的功率谱,c) 2ASK,信号功率谱,2,二进制振幅键控信号的频谱及带宽,第四章 数字调制与解调技术,由图可看出，,2ASK,信号的带宽是基带信号带宽的,2,倍，若只计及基带信号功率谱主瓣宽度，则,2ASK,信号占用的信道带宽为,对应的频带利用率为,（,b/sHz,）,第四章 数字调制与解调技术,由第五章知，在无码间串扰条件下，若滚降系数为，则基带信号占用信道带宽为,这时，,2ASK,信号占用的信道带宽为,第四章 数字调制与解调技术,对应的频带利用率为,（,b/sHz,）,最后指出，为简单起见，许多教材在讨论数字调制时，均未考虑基带处理的情况。本章在后面的讨论中，一般也是指最简单的情形，需要考虑基带处理问题时将会特别说明。,第四章 数字调制与解调技术,二、二进制频率键控,频率键控（,FSK,Frequency Shift Keying,）又称为频移键控，它在短波通信中应用较广泛，这是因为它除了设备简单，调制与解调方便外，更重要的是这种调制方式具有较好的抗多径时延性能。,第四章 数字调制与解调技术,1,二进制频率键控信号的产生,二进制频率键控，记为,2FSK,或,BFSK,（,Binary FSK,），是利用二进制数字基带信号去控制载波信号的频率，即以不同频率的载波来表示数字信息,“,1,”,或,“,0,”,的调制方式。,2FSK,信号的波形示例如图,6-10,所示。,第四章 数字调制与解调技术,图,6-10 2FSK,信号的波形示例,第四章 数字调制与解调技术,2,二进制频率键控信号的频谱及带宽,相位不连续的,2FSK,信号可看作是两个频率分别为,f,和,f,的,2ASK,信号的叠加，如图,6-12,所示。,第四章 数字调制与解调技术,图,6-12 2FSK,信号看成两个不同频率的,2ASK,信号的叠加,a),信息码,b),信息反码,c),载波,f,1 d),载波,f,2,e),信息码对,f,1,实现,2ASK f),信息反码对,f,2,实现,2ASK g) e) +f),第四章 数字调制与解调技术,因此，,2FSK,信号的功率谱密度可以看成是这两个,2ASK,信号功率谱密度（中心频率不同）之和。根据式,(4-7),知，这种,2FSK,信号的功率谱密度为,第四章 数字调制与解调技术,图,6-13,相位不连续,2FSK,信号的功率谱示意图,第四章 数字调制与解调技术,若以功率谱主瓣宽度计算带宽，则有,为了节约频带，同时也能区分和，通常取，即恰好使功率谱主瓣互不重叠，这时,第四章 数字调制与解调技术,例,6-3,采用,2FSK,方式在有效带宽为,2400Hz,的信道上传送二进制数字信息。已知,2FSK,信号的两个载频,f,1,980Hz,，,f,2,1580Hz,，码元速率,R,S,300B,，信道输出端的信噪比为,6dB,。试求：,（,1,）,2FSK,信号的第一零点带宽；,第四章 数字调制与解调技术,解：,（,1,）由已知条件知，,（,Hz,）,所以,2FSK,信号的第一零点带宽（主瓣宽度）,第四章 数字调制与解调技术,三、二进制相位键控,相位键控又称为相移键控或移相键控，由于它在抗噪声性能上优于,ASK,和,FSK,，而且信道频带利用率可做得较高，因此被广泛应用于数字通信中。,二进制相位键控就是利用二进制数字基带信号去控制载波信号的相位，使载波的相位发生跳变的调制方式。,第四章 数字调制与解调技术,1,绝对移相键控和相对移相键控,根据用载波相位表示数字信息的方式不同，相位键控又分为绝对移相键控和相对移相键控两种。,绝对移相键控（,PSK,Phase Shift Keying,），是利用已调信号中载波的不同相位直接来表示数字基带信号。例如，在二进制绝对移相键控（简记为,2PSK,或,BPSK,Binary PSK,）中，我们规定数字基带信号为,“,1,”,码时，已调信号与未调载波同相；数字基带信号为,“,0,”,码时，已调信号与未调载波反相。其数学表示式可写成（假设未调载波幅度为,1,，初相为,0,）,第四章 数字调制与解调技术,图,6-15 2PSK,信号的波形示例,a,）给定的基带信码,b,）未调载波,c,）,2PSK,信号波形,d,）双极性基带信码,第四章 数字调制与解调技术,由图可见，,2PSK,信号可以看成是双极性全占空数字基带脉冲信号（见图,6-15d,）与载波相乘的结果。,值得注意的是，,2PSK,波形相位是相对于未调载波相位而言的，必须与未调载波比较才能看出它所表示的数字信息。因此，画,2PSK,波形时，应先画好载波，然后再画已调信号。当码元宽度不等于载波周期的整数倍时，这一点尤为重要。,第四章 数字调制与解调技术,采用绝对移相方式，由于发送端是以载波相位作基准的，因而在接收端也必须有相同的载波相位作参考，如果接收端的参考载波与发送载波反相，则恢复的数字信息就会发生,0,变为,1,或,1,变为,0,，从而造成错误的恢复。这种现象常称为,“,倒,”,现象或,“,反向工作,”,现象。考虑到实际通信系统中，接收端恢复的载波存在相位模糊，即相位会出现随机跳变，有时与发送载波同相，有时与发送载波反相，因此，实际中一般不采用绝对移相方式，而采用相对移相方式。,第四章 数字调制与解调技术,相对移相键控,（,DPSKDifferential Phase Shift Keying,），,又称为差分相位键控。它是利用前后相邻码元之间已调信号中载波相位的相对变化来表示数字基带信号的。载波相位的相对变化通常是指本码元初相与前一码元的终相比较，是否发生相位变化。,2DPSK,信号的波形示例如图,6-16,所示。,假设码元宽度为 载波周期 的,1.5,倍，并假设“,1”,码相位发生变化，“,0”,码相位不变。为了便于比较，图中还画出了载波和,2PSK,信号的波形。,第四章 数字调制与解调技术,图,6-16 2DPSK,信号的波形示例,第四章 数字调制与解调技术,需要说明的是，在图,6-16,中，,2DPSK,信号的第一个码元波形是任意假设的，若假设的码元波形与图中反相，根据定义也可画出,2DPSK,波形，此时的波形虽然与图示波形不同，但是前后码元波形相位关系却是一致的，因而所代表的数字基带信号是相同的，从而消除了绝对移相方式时所存在的,“,倒,”,现象。所以，在实际设备中广泛采用相对移相方式。,第四章 数字调制与解调技术,图,6-20 2DPSK,波形画法举例,3,二进制相位键控信号的频谱和带宽,图,6-21,二进制相位键控信号的功率谱,第四章 数字调制与解调技术,由图,6-21,可见，若只计及功率谱主瓣宽度，则二进制相位键控信号的带宽为,第四章 数字调制与解调技术,（,1,）频带宽度 当码元宽度为 （码元速率 ）时，振幅键控和相位键控系统的频带宽度近似地为 ，而频率键控系统（相位不连续的）则为 。因此，从频带宽度或频带利用率方面来看，频率键控系统最差。,四、三种基本键控方式的比较,误码性能曲线,2PSK,抗噪声性能最好,第四章 数字调制与解调技术,（,3,）设备的复杂程度 三种调制方式的发送端设备复杂程度相差不多，而接收端的复杂程度则与所用的调制和解调方式有关。对于同一种调制方式，相干解调的设备要比非相干解调时复杂；而同为非相干解调时，设备由繁到简的顺序为,2FSK,、,2DPSK,、,2ASK,。,（,4,）抗多径时延性能,2PSK,信号对多径干扰最为敏感，而,2FSK,性能较为优越，因此,2FSK,广泛运用在多径时延较为严重的短波通信中。,第四章 数字调制与解调技术,思考题与习题,什么是数字调制？如何进行分类？,已知某,2ASK,系统所用载波信号为，基带信号是单极性全占空矩形脉冲序列，且。试画出当数字基带信息为,10110010,时的,2ASK,信号波形。,3,已知某,OOK,系统的码元传输速率为,B,，所用的载波信号为。,（,1,）若所传送的数字信息为,01101001,，试画出相应的,OOK,信号波形；,（,2,）求,OOK,信号的带宽。,第四章 数字调制与解调技术,某相位不连续的,2FSK,信号，发“,1”,码的波形为，发“,0”,码的波形为，码元速率为,600,波特。,（,1,）若发送数字信息为,011001,，试画出对应的,2FSK,信号波形。,（,2,）求所需的系统带宽。,第四章 数字调制与解调技术,14,设数字基带码元序列为,10110001,，试画出以下两种情况下的,2PSK,信号波形。,（,1,）载频为码元速率的,2,倍；,（,2,）载频为码元速率的,1.5,倍。,15,已知，数字基带信息为,10010110,，试画出,2DPSK,信号波形及相对码波形。,16,已知数字信息,10110100,，分别画出下列两种情况的,2ASK,、,2PSK,、,2DPSK,及相对码的波形。,（,1,）码元速率为,1200B,，载波频率为,1200 Hz,；,（,2,）码元速率为,1200B,，载波频率为,1800 Hz,。,矩形脉冲的描述与主要参数,六个特征参数定义如下：,脉冲周期 ：周期性脉冲序列中，两个相邻脉冲出现的时间间隔。,脉冲幅值 ：脉冲信号的最大变化幅值。,占空比 ：脉冲信号的正脉冲宽度与脉冲周期的比值，即,脉冲宽度 ：从脉冲波形上升沿的 到下降沿的 所需的时间。,上升时间,t,r,：脉冲波形由,0.1,U,m,上升到,0.9,U,m,所需的时间。,下降时间,t,f,：脉冲波形由,0.9,U,m,下降到,0.1,U,m,所需的时间。,