第四章数字信号的频带传输

1、第四章 数字信号的频带传输v4.1 频带传输的基本概念v4.2 二进制数字调制与解调v4.3 多进制数字调制与解调v4.4 其他数字调制4.1 频带传输的基本概念（1）应用频带传输的原因）应用频带传输的原因 1 1）对于无线信道，由于数字基带信号的频率较低，天线无法制作。）对于无线信道，由于数字基带信号的频率较低，天线无法制作。 2 2）通过调制可以把多路信号彼此分开，从而利用单一信道传输多路）通过调制可以把多路信号彼此分开，从而利用单一信道传输多路信号。信号。 3 3）在实际通信中，多数信道不能直接传输基带信号。因为数字基带）在实际通信中，多数信道不能直接传输基带信号。因为数字基带信号具有丰

2、富的低频成分，要求信道具有低通特性，而大多数信道具有信号具有丰富的低频成分，要求信道具有低通特性，而大多数信道具有带通特性。带通特性。 因此需要对基带信号进行调制，使信号频带适合于信道带宽。频带传因此需要对基带信号进行调制，使信号频带适合于信道带宽。频带传输系统与基带传输系统的区别在于频带传输系统在发送端增加了调制，输系统与基带传输系统的区别在于频带传输系统在发送端增加了调制，而在接收端增加了解调用以恢复基带信号。而在接收端增加了解调用以恢复基带信号。（2）调制的概念与分类）调制的概念与分类v调制的概念：调制的概念：就是用基带信号对高频载波的某些参量就是用基带信号对高频载波的某些参量（幅度、频

3、率、相位幅度、频率、相位）进行控制，使这些参量随基带信）进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化。号的变化而变化。v调制的分类：调制的分类： 模拟调制模拟调制：调幅：调幅(AM)(AM)、调频、调频(FM)(FM)、调相（、调相（PMPM） 数字调制数字调制：幅移键控：幅移键控(ASK)(ASK)、频移键控、频移键控(FSK)(FSK)、相移键控（相移键控（PSKPSK）说明：（由于数字信号具有时间和取值离散的特点，使调说明：（由于数字信号具有时间和取值离散的特点，使调制后的载波参量只有几个有限的数值，故称键控）制后的载波参量只有几个有限的数值，故称键控）4.2 二进制数字调制与解调v4.2

4、.1 4.2.1 二进制振幅键控二进制振幅键控(2ASK(2ASK）：）： 1 1）概念：就是用数字基带信号去控制载波的幅度变化。）概念：就是用数字基带信号去控制载波的幅度变化。 2 2）2ASK2ASK信号的产生：信号的产生：2）2ASK信号的产生：乘 法 器)(2teA SK二 进 制不 归 零 信 号tccos)(ts（1 1）模拟调制法（相乘器法）模拟调制法（相乘器法）（2 2）键控法）键控法tccos)(ts)(2teASK开关电路2）2ASK信号的产生：v 对于二进制数字信号调幅有对于二进制数字信号调幅有两种两种情况：情况：一是调制信一是调制信号为单极性脉冲序列号为单极性脉冲序列，

5、其调制信号和已调，其调制信号和已调ASKASK信号波形；信号波形；另另一种是调制信号为双极性脉冲序列一种是调制信号为双极性脉冲序列，其调制信号和已调，其调制信号和已调ASKASK信号波形。信号波形。2）2ASK信号的产生：3） 2ASK调制波功率谱调制波功率谱3） 2ASK调制波功率谱调制波功率谱v由图可知，由图可知，2ASK2ASK功率谱有如下特点：功率谱有如下特点： (1) 2ASK(1) 2ASK信号的功率谱密度由连续谱和离散谱组成；信号的功率谱密度由连续谱和离散谱组成； (2) (2) 由于由于2ASK2ASK信号的功率谱是双边带谱，所以，信号的功率谱是双边带谱，所以，2ASK2ASK

6、信号的带宽是信号的带宽是基带信号带宽的两倍。基带信号带宽的两倍。v 上图上图 (a)(a)是单极性信号作调制信号时的功率谱，由于单极性信号中是单极性信号作调制信号时的功率谱，由于单极性信号中含有直流分量，即含有直流分量，即G(0)0G(0)0，所以已调信号的功率谱中就含有，所以已调信号的功率谱中就含有cc的载的载波频率分量。图波频率分量。图 (b)(b)是由双极性信号作调制信号，由于双极性信号中是由双极性信号作调制信号，由于双极性信号中不含有直流分量，即不含有直流分量，即G(0)=0G(0)=0，所以，已调信号的功率谱中就不含有，所以，已调信号的功率谱中就不含有cc的载波频率分量，称为抑制载频

7、的双边带调制。的载波频率分量，称为抑制载频的双边带调制。4） 2ASK信号的解调信号的解调v2ASK2ASK信号的解调方法主要有两种：信号的解调方法主要有两种： 包络解调法（非相干解包络解调法（非相干解调法）调法）和和相干解调法相干解调法。2ASK信号的包络解调（非相干解调）带 通滤 波 器全 波整 流 器低 通滤 波 器抽 样判 决 器定 时脉 冲输 出)(2teASKabcd包络解调法（非相干解调法）4） 2ASK信号的解调信号的解调2ASK信号的相干解调信号的相干解调【相干解调是指利用乘法器，输入一路与载频相【相干解调是指利用乘法器，输入一路与载频相干（同频同相）的参考信号与载频相乘。】

8、干（同频同相）的参考信号与载频相乘。】 4） 2ASK信号的解调信号的解调 相干解调相干解调就是就是同步解调同步解调，同步解调时，接收机要产生一个与，同步解调时，接收机要产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波，利用此载波与收到的已调波相乘，载波，利用此载波与收到的已调波相乘， 相乘器输出为相乘器输出为 ttststtsttsttytzccc2c2cos)(21)(212cos1 21)(cos)(cos)()(4） 2ASK信号的解调信号的解调v式中，式中，第一项是基带信号第一项是基带信号，第二项是以第二项是以2

9、2c c为载波的为载波的成分成分，两者频谱相差很远。，两者频谱相差很远。 经低通滤波后，即可输经低通滤波后，即可输出出s s( (t t)/2 )/2 信号。信号。 低通滤波器的截止频率取得与基带低通滤波器的截止频率取得与基带数字信号的最高频率相等。数字信号的最高频率相等。 由于噪声影响及传输特由于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、决、 整形后再生数字基带脉冲。整形后再生数字基带脉冲。4） 2ASK信号的解调信号的解调v相干解调与非相干解调的比较：相干解调与非相干解调的比较： 相干解调的缺点是接收端要产生一个与发射端

10、同频同相相干解调的缺点是接收端要产生一个与发射端同频同相的载波，使接收设备复杂。包络检波无此要求，设备简单。的载波，使接收设备复杂。包络检波无此要求，设备简单。但抗噪性能稍差于相干解调。但抗噪性能稍差于相干解调。v例题：例题：已知某已知某2ASK2ASK系统，码元速率系统，码元速率R Rs s=1200B=1200B，载波，载波频频率为率为fc=2400HZfc=2400HZ，设数字基带信息为，设数字基带信息为1011010110，试画出，试画出2ASK2ASK信号的波形。信号的波形。4.2.2 二进制频移键控(2FSK）1 1）概念：）概念：就是利用不同频率的载波来传送数字信号就是利用不同频

11、率的载波来传送数字信号。2 2）2ASK2ASK信号的产生：信号的产生：在两个码元转换时刻，前后码元的相位在两个码元转换时刻，前后码元的相位不连续不连续2）2FSK信号的产生：振荡器1f1反相器振荡器2f2选通开关选通开关相加器基带信号)(2teFSK3） 2FSK调制波功率谱调制波功率谱3） 2FSK调制波功率谱调制波功率谱 2FSK2FSK调制波功率谱特点：调制波功率谱特点： (1) (1) 相位不连续相位不连续 2FSK2FSK信号的功率谱与信号的功率谱与 2ASK2ASK信号的功率谱相似，同样信号的功率谱相似，同样由由离散谱和连续谱两部分组成离散谱和连续谱两部分组成。其中，连续谱与。其

12、中，连续谱与 2ASK2ASK信号的相同，而离信号的相同，而离散谱是位于散谱是位于f f1 1、f f2 2处的两对冲击，处的两对冲击， 这表明这表明 2FSK2FSK信号中含有载波信号中含有载波f f1 1 、f f2 2的分量。的分量。 (2) (2) 若仅计算若仅计算2FSK2FSK信号功率谱第一个零点之间的频率间隔，信号功率谱第一个零点之间的频率间隔， 则该则该2FSK2FSK信号的频带宽度为信号的频带宽度为 BB12FSK2)2(2|RhRffB式中，式中，R RB B= =F Fb b 是是基带信号的带宽基带信号的带宽，h h=|=|f2f2- - f f1|/1|/R RB B为

13、为偏移率偏移率( (调制指数调制指数) ) （3 3）为了便于接收端解调，要求）为了便于接收端解调，要求2FSK2FSK信号的两个频率信号的两个频率f f1, 1, f f2 2间要有间要有足够的间隔。对于采用带通滤波器来分路的解调方法，通常取足够的间隔。对于采用带通滤波器来分路的解调方法，通常取| |f f2-2-f f1|=(31|=(35)5)R RB B。于是，。于是，2FSK2FSK信号的带宽为信号的带宽为 BFSKRB)75(2 当用普通带通滤波器作为分路滤波器时，当用普通带通滤波器作为分路滤波器时，2FSK2FSK信号的带宽约为信号的带宽约为2ASK2ASK信号带宽的信号带宽的

14、3 3 倍，系统频带利用率只有倍，系统频带利用率只有2ASK2ASK系统的系统的1/3 1/3 左右。左右。4） 2FSK信号的解调信号的解调2FSK信号包络检波方框图及波形4） 2FSK信号的解调信号的解调2FSK信号相干检测方框图4） 2FSK信号的解调信号的解调 图中两个带通滤波器的作用同上，起图中两个带通滤波器的作用同上，起分路作用分路作用。它们。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器取出含基带数字信息的低频信号，滤掉二倍频信号，抽样器取出含基带数字信息的低频信号，滤掉二倍频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低

15、频信号进行比较判决，即判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号进行比较判决，即可还原出基带数字信号。可还原出基带数字信号。 与与2ASK系统相仿，系统相仿，相干解调能提供较好的接收性能，相干解调能提供较好的接收性能，但是要求接收机提供具有准确频率和相应的相干参考电压，但是要求接收机提供具有准确频率和相应的相干参考电压，这样增加了设备的复杂性。这样增加了设备的复杂性。例题：例题：某某2FSK调制系统，码元速率调制系统，码元速率RS=1000B,载波频率分别为载波频率分别为1000HZ及及2000HZ。试求二进制数字信息为。试求二进制数字信息为1100101时，画出其对应时，画出其对应2FSK信号波形

16、。信号波形。解：设解：设2FSK的调制规则为：的调制规则为：“1”对应载波频率为对应载波频率为f1=2000HZ，“0”对应载对应载波频率为波频率为f2=1000HZ，则，则2FSK信号的时间波形为信号的时间波形为4.2.3 二进制相移键控(2PSK）v1)概念：概念：以基带数字信号控制载波的相位，使载波的相位随基带信号的以基带数字信号控制载波的相位，使载波的相位随基带信号的变化而变化。变化而变化。v2）相移键控信号的分类相移键控信号的分类：绝对相移（绝对相移（2PSK）和和相对相移（相对相移（DPSK）v3）绝对相移（）绝对相移（2PSK）的产生：）的产生：3）绝对相移（）绝对相移（2PSK

17、）的产生：）的产生：tccos)(ts)(2tePSK开关电路移相018004） 2PSK调制波功率谱调制波功率谱 从以上分析可见，二进制相移键控信号的频谱特性与从以上分析可见，二进制相移键控信号的频谱特性与2ASK2ASK的十的十分相似，分相似，带宽也是基带信号带宽的两倍带宽也是基带信号带宽的两倍。区别仅在于当。区别仅在于当P=P=1/21/2时，其谱时，其谱中无离散谱（即载波分量），此时中无离散谱（即载波分量），此时2PSK2PSK信号实际上相当于抑制载波的信号实际上相当于抑制载波的双边带信号。因此，它可以看作是双极性基带信号作用下的调幅信号。双边带信号。因此，它可以看作是双极性基带信号作

18、用下的调幅信号。5） 2PSK信号的解调信号的解调带 通滤 波 器相 乘 器低 通滤 波 器抽 样判 决 器定 时脉 冲输 出)(2tePSKtccosabcde5） 2PSK信号的解调信号的解调与同步载波cosct相乘后，输出为)2cos(21cos21cos)cos()(ncncncttttz低通滤波器输出为2121cos21)(ntx时时nn06）相对相移键控（）相对相移键控（DPSK） 假设相干载波的基准相位与假设相干载波的基准相位与2PSK2PSK信号的调制载波的基准相位一致信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为（通常默认为0 0相位）。但是，相位）。但是，由于在由于在2PSK2P

19、SK信号的载波恢复过程中存在信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即的数字基带信号正好相反，即“1”1”变为变为“0”0”，“0”0”变为变为“1”1”，判决，判决器输出数字信号全部出错。器输出数字信号全部出错。这种现象称为这种现象称为2PSK2PSK方式的方式的“倒倒”现象现象或或“反相工作反相工作”。这也是这也是2PSK2PSK方式在实

20、际中很少采用的主要原因。另外，方式在实际中很少采用的主要原因。另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。 为了解决上述问题，采用为了解决上述问题，采用相对相移键控（相对相移键控（DPSKDPSK）。）。6）相对相移键控（）相对相移键控（DPSK）（1 1）概念：）概念：2DPSK2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称信息，所以又称相对相移键控相对相移键控。

21、（2 2）原理：当数字信号为）原理：当数字信号为“1”1”码时，本码元载波相位与前一位码元码时，本码元载波相位与前一位码元载波相位相差载波相位相差 ；当数字信号为当数字信号为“0”0”码时，相位不变。（上述关系码时，相位不变。（上述关系反过来亦可）反过来亦可）7）相对相移键控（）相对相移键控（DPSK）的产生）的产生v由上图可见，先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信由上图可见，先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换成息序列的绝对码变换成相对码（差分码），相对码（差分码），然后再根据相对码进行绝对然后再根据相对码进行绝对调相，从而产生二进制差分相移键控

22、信号。调相，从而产生二进制差分相移键控信号。tccos)(ts)(2teDPSK开关电路移相01800码变换8）相对相移键控（）相对相移键控（DPSK）的解调）的解调带 通滤 波 器相 乘 器低 通滤 波 器抽 样判 决 器定 时脉 冲输 出)(D PSK2tetccos码 反变 换 器abcdef9）2PSK与与DPSK系统的比较系统的比较(1) DPSK(1) DPSK信号在解调时，即使相干载波发生了倒信号在解调时，即使相干载波发生了倒 现现象时，接收端仍能恢复出发送端的基带数字序列。象时，接收端仍能恢复出发送端的基带数字序列。(2) (2) DPSKDPSK系统的抗噪声性能不及系统的抗噪

23、声性能不及2PSK2PSK系统系统。(3) (3) 在实际应用中，真正作为传输用的数字调相信号在实际应用中，真正作为传输用的数字调相信号几乎都是几乎都是DPSKDPSK信号。信号。例题：已知数字信息an=1011010，码元速率为1200B，载波频率为1200Hz。试分别画出2PSK、2DPSK信号的波形。解：由题可知TS=1TC，即每个码元周期有1个载波周期。对于2PSK调制，采用“1”码与载波反向，“0”码与载波同相的规则；对于2DPSK调制，采用“1”变“0”不变的规则，即可得2PSK及2DPSK信号的波形为4.3 多进制数字调制与解调 1 1）概念：）概念：状态数大于状态数大于2 2的

24、信号称为多进制信号。用多进制的信号称为多进制信号。用多进制数字信号对载波进行调制，称为多进制数字调制。数字信号对载波进行调制，称为多进制数字调制。 2 2）原因）原因: :为了提高频带利用率，最有效的办法是使一个码为了提高频带利用率，最有效的办法是使一个码元传输多个比特的信息。元传输多个比特的信息。 3 3）分类：）分类： M M进制振幅键控进制振幅键控(MASK)(MASK)、M M进制频移键控进制频移键控(MFSK)(MFSK)以及以及M M进制相移键控进制相移键控(MPSK(MPSK或或MDPSK)MDPSK) 4 4）多进制）多进制M M：通常取通常取M M=2=2n n，n n为大于

25、为大于1 1的正整数。即对输入的正整数。即对输入的二进制数字序列进行分组，将的二进制数字序列进行分组，将n n位数字编成一组，即构成位数字编成一组，即构成n n比特码元，比特码元， n n比特码元有比特码元有2 2 n n种组合，即有种组合，即有2 2 n n种不同状态种不同状态4.3.1多进制振幅键控(MASK)v优点：优点：M MASKASK信号的带宽和信号的带宽和2ASK2ASK信号的带宽相同，故单位频带信号的带宽相同，故单位频带的信息传输速率高，即的信息传输速率高，即频带利用率高频带利用率高。(b) MASK信号(a) 基带多电平单极性不归零信号0010110101011110000t

26、0t01011010101111004.3.1多进制振幅键控(MASK)的特点：v1 1）MASKMASK信号的调制方法与信号的调制方法与2ASK2ASK相同，不同的只是基带信号相同，不同的只是基带信号由二电平变为多电平。由二电平变为多电平。v2 2）MASKMASK信号的信息传输速率是信号的信息传输速率是2ASK2ASK信号的倍信号的倍loglog2 2M M倍。因此，倍。因此，MASKMASK在高信息速率的传输系统中得到应用。在高信息速率的传输系统中得到应用。v3 3）在接收机输入信噪比相同条件下，多进制数传系统的误）在接收机输入信噪比相同条件下，多进制数传系统的误码率比相应的二进制系统要

27、高。码率比相应的二进制系统要高。v4 4）电平数）电平数M M越大，设备复杂。越大，设备复杂。 v5 5）只适合在频带利用率较高的恒参信道（有线信道）中使）只适合在频带利用率较高的恒参信道（有线信道）中使用。用。4.3.2多进制频移键控(MFSK)(a) 4FSK信号波形f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011(b) 4FSK信号的取值（1）MFSK调制解调的原理方框图(2)MFSK信号的特点:1) 1) 在传输率一定时，由于采用多进制，每个码元包含的信息量在传输率一定时，由于采用多进制，每个码元包含的信息量增加，码元宽度加宽，因而在信号电平一定时每个码元的能量增加，码元宽度

28、加宽，因而在信号电平一定时每个码元的能量增加。增加。2) 2) 一个频率对应一个二进制码元组合，因此，总的判决数可以一个频率对应一个二进制码元组合，因此，总的判决数可以减少。减少。3) 3) 码元加宽后可有效地减少由于多径效应造成的码间串扰的影码元加宽后可有效地减少由于多径效应造成的码间串扰的影响，从而提高衰落信道下的抗干扰能力。响，从而提高衰落信道下的抗干扰能力。4) 4) MFSKMFSK信号的主要缺点是信号频带宽，频带利用率低信号的主要缺点是信号频带宽，频带利用率低。5) MFSK5) MFSK一般用于调制速率一般用于调制速率( (载频变化率载频变化率) )不高的短波和衰落信道不高的短波

29、和衰落信道上的数字通信。上的数字通信。 4.3.3 多进制相移键控(MPSK)4PSK矢量图（1）调相法产生4PSK（QPSK）信号原理图(a) 调相法产生4PSK信号原理图 (b) 调相法产生4PSK信号矢量图（2）四相绝对调相与相对调相 四相调相和前面一样也有绝对调相和相对调相之分。绝四相调相和前面一样也有绝对调相和相对调相之分。绝对调相的载波起始相位与双比特码（因为双比特码构成四种对调相的载波起始相位与双比特码（因为双比特码构成四种相位）之间有一种固定的对应关系；但是相对码的载波起始相位）之间有一种固定的对应关系；但是相对码的载波起始位置与双比特之间没有固定对应关系，它只是跟前一时刻的位