數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)第一次課

1、7.1二進制數(shù)字調制原理7.2二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能7.3二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較7.4多進制數(shù)字調制原理7.5多進制數(shù)字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能本章主要內容 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),是將信源發(fā)出的信息碼經碼型變換及波形形成后直接傳送至接收端。雖然碼型變換及波形形成可使其頻譜結構發(fā)生某些變化，但分布的范圍仍然在基帶范圍內。數(shù)字基帶信號能否直接在信道中傳輸與信道的傳輸特性有關。由于數(shù)字基帶信號具有豐富的低頻成分，但現(xiàn)有的許多信道（包括信道端口的一些設備）的傳輸特性并不能使這些成分有效地傳輸。為了完整的傳輸信號，必須要進行調制。 0.1 1 2 3 5 10 f(kHz)L(dB) -4 -8

2、-12 -16 -20 -24 雙絞線的傳輸特性 模擬用戶線的傳輸特性 話音信號頻譜 數(shù)字基帶信號頻譜 調制的必要性： 在實際信道中，大多數(shù)信道具有帶通傳輸特性，數(shù)字基帶信號不能直接在這種信道中傳輸，因此，必須用數(shù)字基帶信號對載波進行調制，產生已調數(shù)字信號，才能在無線信道、光纖信道等媒質中傳輸。類似與模擬調制，有數(shù)字振幅調制、數(shù)字頻率調制和數(shù)字相位調制。由于對于大多數(shù)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)來說，由于數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻成分，而實際的通信信道又具有帶通特性，有不少信道都不能直接傳送基帶信號，而必須用基帶信號來控制高頻載波的某些參量，這種把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號（已調信號）的過程稱為數(shù)字

3、調制，反之，稱為數(shù)字解調。在接收端通常把包括調制和解調過程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)稱做數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)。數(shù)字帶通系統(tǒng)也稱為數(shù)字頻帶系統(tǒng)，由于借助于正弦載波的幅度、頻率或相位傳輸數(shù)字基帶信息，數(shù)字帶通系統(tǒng)也稱為載波傳輸系統(tǒng)。 數(shù)字調制就是對基帶數(shù)據(jù)信號進行變換，實現(xiàn)信號頻譜的“搬移”，即把含有大量低頻成分的基帶信號頻譜搬移到一個很高的頻段上去。這種向高頻的搬移在數(shù)據(jù)的發(fā)送端進行，搬移的過程稱作“調制”，在稱作調制器的設備中完成。在數(shù)據(jù)的接收端，有一個相反的變換被稱作“解調”的過程，解調過程在稱作解調器的設備中完成。 經過調制的后的信號在一個很高的頻段上占有一定的帶寬，由于所處頻段很高，使得其最高頻率和最低

4、頻率的相對偏差變小（最高頻率和最低頻率的比值略大于1），這樣的信號稱為頻帶信號或射頻信號，相應的傳輸系統(tǒng)稱作頻帶傳輸系統(tǒng)。 調制實現(xiàn)對基帶數(shù)據(jù)信號頻譜的“搬移”，即把含有大量低頻成分的基帶信號頻譜搬移到一個很高的頻段上去。其目的主要有兩個： 無線(Wireless)傳輸 頻分多路復用(FDM)接收器發(fā)送器 調制器發(fā)送帶通接收帶通接收低通抽樣判決 解調器 信 道噪聲n（t） 發(fā)送數(shù)據(jù) 接收數(shù)據(jù) 頻帶傳輸系統(tǒng)結構模型 基帶信號為什么要進行調制？有的信道有很寬的頻率范圍，但用戶的信息帶寬卻很窄，用這樣的信道去傳輸一個用戶的信號顯然會造成頻率資源的浪費。這時可以將一個信道按頻率劃分成多個子信道，每個信

5、道分配一個載波，傳送一個用戶的信號，這種方式稱為頻分多路復用（FDM）。采用頻分多路復用方式時數(shù)字基帶信號必須通過調制將頻譜搬到對應的子信道上。調制（Modulation）是用基帶信號去控制正弦波的參數(shù)的過程。用于調制的基帶信號稱為調制信號（Modulating Signal），被調制的正弦波稱為載波（Carrier），經過調制以后的信號稱為已調信號（Modulated Signal）。在接收端，接收設備要將原來的基帶信號從已調信號中恢復，這個過程稱為解調（Demodulation）。雙向傳輸系統(tǒng)中的傳輸設備既要完成調制功能，又要完成解調功能，因此稱為調制解調器（Modem）。 調制器 解調器

6、 已調信號 載波 調制信號 （基帶信號） （頻帶信號） 調制器 解調器 （Modem） （Modem） 恢復信號 （基帶信號） 載波的波形是任意的，但大多數(shù)的數(shù)字調制系統(tǒng)都選擇單頻信號（正弦波或余弦波）作為載波，因為便于產生與接收。常用的載波信號為 ，其中為A為載波的振幅,c為載波的角頻率, 為載波的初始相位。2、數(shù)字調制分類(1) 根據(jù)控制載波波形參量不同，分為： 振幅鍵控（ASK） 用數(shù)字消息控制載波的振幅。 移頻鍵控（FSK） 用數(shù)字消息控制載波的頻率。 移相鍵控（PSK） 用數(shù)字消息控制載波的相位。(2) 根據(jù)已調信號頻譜結構特點不同，分為：線性調制(如ASK) 非線性調制（如FSK，

7、PSK） 線性調制中已調信號的頻譜結構與基帶信號的頻譜結構相同，只不過搬移了一個頻率位置，無新的頻率成分出現(xiàn)。非線性調制已調信號的頻譜結構與基帶信號的頻譜結構不同，有新的頻率成分出現(xiàn)。數(shù)字調制技術有兩種方法：(1) 利用模擬調制的方法去實現(xiàn)數(shù)字式調制；(2) 通過開關鍵控載波，通常稱為鍵控法。數(shù)字調制可分為二進制調制和多進制調制。在二進制時有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、移相鍵控（PSK）調制方式。 振幅鍵控 頻移鍵控 相移鍵控數(shù)字調制與模擬調制相似，其原理沒有什么區(qū)別。模擬調制：發(fā)射端連續(xù)調制，接收端連續(xù)估值。數(shù)字調制：發(fā)射端數(shù)字調制，接收端抽樣估值。調制器信 道解調器噪聲源基帶信

8、號輸入基帶信號輸出數(shù)字調制系統(tǒng)的基本結構2ASK是利用代表數(shù)字信息“0”或“1”的基帶矩形脈沖去鍵控一個連續(xù)的載波，使載波時斷時續(xù)地輸出。有載波輸出時表示發(fā)送“1”，無載波輸出時表示發(fā)送“0”。2ASK信號的時間波形隨二進制基帶信號s(t)通斷變化，所以又稱為通（on）、斷(off)鍵控OOK。6.2.1 二進制振幅鍵控（2ASK, OOK）設發(fā)送的二進制符號序列由0、1序列組成，發(fā)送0符號的概率為P，發(fā)送1符號的概率為1-P，且相互獨立。該二進制符號序列可表示為：(6.2 - 1)一、二進制振幅鍵控信號的表示單極性NRZ矩形脈沖，周期Ts6.2.1 二進制振幅鍵控（2ASK, OOK）其中(

9、6.2 - 2)(6.2 - 3)6.2.1 二進制振幅鍵控（2ASK, OOK）則二進制振幅鍵控信號可表示為：(6.2 - 4)6.2.1 二進制振幅鍵控（2ASK, OOK）圖 4 .21 二進制振幅鍵控信號時間波型二、二進制振幅鍵控信號的時間波形6.2.1 二進制振幅鍵控（2ASK, OOK）TB習題 已知某OOK系統(tǒng)的傳碼率為103B,所用的載波信號為Acos(4103t)。（1）設傳送數(shù)字信息為011001，畫出相應的2ASK信號波形。（2）求2ASK信號的帶寬。6.2.1 二進制振幅鍵控（2ASK, OOK）ASK調制器框圖與電路相乘器數(shù)字基帶信號載波ASK信號載波數(shù)字基帶信號AS

10、K信號ASK信號載波ASK信號數(shù)字基帶信號載波二進制振幅鍵控信號調制器原理框圖模擬相乘數(shù)字鍵控2ASK信號的時間波形隨二進制基帶信號s(t)通斷變化，所以又稱為通斷鍵控信號（OOK信號）。 非相干解調(包絡檢波法) 相干解調(同步檢測法)。四、二進制振幅鍵控信號的解調6.2.1 二進制振幅鍵控（2ASK, OOK）圖 6 .23 ASK非相干解調(包絡檢波法)原理框圖 包絡檢波器e2ASK(t)帶通濾波器全波整流器低通濾波器抽樣判決器輸出abcd定時脈沖6.2.1 二進制振幅鍵控（2ASK, OOK） 帶通濾波器（BPF）恰好使2ASK信號完整地通過，經包絡檢測后，輸出其包絡。 低通濾波器（L

11、PF）的作用是濾除高頻雜波，使基帶信號（包絡）通過。 抽樣判決器包括抽樣、判決及碼元形成器。定時抽樣脈沖（位同步信號）是很窄的脈沖，通常位于每個碼元的中央位置，其重復周期等于碼元的寬度。6.2.1 二進制振幅鍵控（2ASK, OOK）圖 6.2 -42ASK信號非相干解調過程的時間波形圖 6.2 5 2ASK相干解調器原理框圖 相干檢測就是同步解調，要求接收機產生一個與發(fā)送載波同頻同相的本地載波信號，稱其為同步載波或相干載波。e2ASK(t)帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖輸出coswcty(t)6.2.1 二進制振幅鍵控（2ASK, OOK）相干解調低通濾波器的截止頻率與基帶數(shù)字

12、信號的最高頻率相等。6.2.1 二進制振幅鍵控（2ASK, OOK）相干解調過程6.2.1 二進制振幅鍵控（2ASK, OOK）ASK信號實際上是信碼的單極性NRZ波形與高頻載波的相乘。重要結論：ASK信號的頻帶寬度是基帶信號的兩倍。 （a） （b） f f 0 0 fC fS UASK(f) UB(f) 7.1.2 二進制移頻鍵控（2FSK） 在二進制數(shù)字調制中，若正弦載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化，則產生二進制移頻鍵控信號(2FSK信號)。2FSK產生法： 1 模擬調頻法 2 鍵控法二進制移頻鍵控信號的產生及波形示例在2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f

13、2兩個頻率點間變化。故其表達式為： 典型波形： 分別代表第n個信號碼元的初始相位。在2FSK信號中，它們不攜帶信息，通常可設為零。反碼因此，二進制移頻鍵控信號的時域表達式可簡化為 式中: g(t) 單個矩形脈沖，Ts 脈沖持續(xù)時間；2FSK信號表達式還可簡化為：式中：圖6-8中波形g可分解為波形e和波形f，即二進制頻移鍵控信號可以看成是兩個不同載波的二進制振幅鍵控信號的疊加。一、2FSK信號的表示6.2.2 二進制頻移鍵控（2FSK） 圖 6.2-7 二進制移頻鍵控信號的時間波形aak1011001ts(t)ts(t)bcdtefgt2FSK信號ttt 二進制移頻鍵控信號的產生，可以采用模擬調

14、頻電路來實現(xiàn)，也可以采用數(shù)字鍵控的方法來實現(xiàn)。二、二進制移頻鍵控信號的產生6.2.2 二進制頻移鍵控（2FSK） 圖 6.28 二進制移頻鍵控信號的原理圖(b)數(shù)字鍵控法(b)模擬調頻法壓控振蕩器問題：區(qū)別載波載波f1f2sFSK(t)s(t)=0s(t)=1載波載波f1f2sFSK(t)核心思想：一路2FSK視為2路2ASK信號的合成。6.2.2 二進制頻移鍵控（2FSK） f1振蕩器f2振蕩器選通開關反向器選通開關相加器基帶信號)(ts)(ts)(ts)(0te圖5-8 數(shù)字鍵控法實現(xiàn)2FSK信號的電路框圖7.1.3 二進制移相鍵控（2PSK） 在二進制數(shù)字調制中，當正弦載波的相位隨二進制

15、數(shù)字基帶信號離散變化時，則產生二進制移相鍵控(2PSK)信號。通常用已調信號載波的0和 180分別表示二進制數(shù)字基帶信號的 1 和 0。二進制移相鍵控信號的時域表達式為(7.1 - 23)若用n表示第n個符號的絕對相位，則有其中, an統(tǒng)計特性：(7.1 - 27)因此，式(7.1.23)可以改寫為由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK信號可以表述為一個雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦載波的相乘。式中即發(fā)送二進制符號“0”時（an取+1），e2PSK(t)取0相位；發(fā)送二進制符號“1”時（an取 -1）， e2PSK(t)取相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應二進制數(shù)字信號的調制方

16、式，稱為二進制絕對相移方式。二進制移相鍵控信號的時間波形 圖(a)是采用模擬調制的方法產生2PSK信號，圖(b)是采用數(shù)字鍵控的方法產生2PSK信號。2PSK信號的調制原理圖 由于發(fā)送端是以某個相位為基準的，在接收端移必須有這樣一個固定基準的相位作參考。如果參考的同步載波相位發(fā)生180倒相時，解調出的數(shù)字基帶信號將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好是相反，解調器輸出數(shù)字基帶信號全部出錯。這種現(xiàn)象通常稱為“倒”現(xiàn)象。 由于在2PSK信號的載波恢復過程中存在著180的相位模糊，從而使得2PSK方式在實際中很少采用。一次課6.2.3 二進制移相鍵控三、二進制相對(差分)相位鍵控（2DPSK） 在2PSK信號中

17、，信號相位的變化是以未調正弦載波的相位作為參考，用載波相位的絕對數(shù)值表示數(shù)字信息的，所以稱為絕對移相。但相干載波恢復中載波相位的180相位模糊，導致解調出的二進制基帶信號出現(xiàn)反向現(xiàn)象，從而難以實際應用。為了解決2PSK信號解調過程的反向工作問題，提出了二進制差分相位鍵控(2DPSK)。6.2.3 二進制移相鍵控2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對相位變化來表示數(shù)字信息。即本碼元初相與前一碼元初相之差。假設前后相鄰碼元的載波相位差為，可定義一種數(shù)字信息與之間的關系為：6.2.3 二進制移相鍵控則一組二進制數(shù)字信息與其對應的2DPSK信號的載波相位關系如下所示:二進制數(shù)字信息： 1 1 0 1

18、 0 0 1 1 1 02DPSK信號相位： 0 0 0 0 0 0或 0 0 0 0 0 由于初始參考相位有兩種可能，因此2DPSK信號的波形可以有兩種。6.2.3 二進制移相鍵控圖 6.2 21 2DPSK信號調制過程波形圖絕對碼an相對碼載波DPSK信號101100101 0 0 1 0 1 1 0(0) 與2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不對應相同的數(shù)字信息符號，而前后碼元的相對相位才唯一確定信息符號。 解調2DPSK信號時，并不依賴于某一固定的載波相位參考值，只要前后碼元的相對相位關系不破壞，則鑒別這個相位關系就可正確恢復數(shù)字信息。這就避免了2PSK方式中的“倒 ”現(xiàn)象

19、發(fā)生。說明6.2.3 二進制移相鍵控 單從波形上看，2DPSK與2PSK是無法分辯的，比如圖6-20中2DPSK也可以是另一符號序列（見圖中的序列bn，稱為相對碼，而將原符號序列an 稱為絕對碼）經絕對移相而形成的。只有已知移相鍵控方式是絕對的還是相對的，才能正確判定原信息；相對移相信號可以看作是把數(shù)字信息序列（絕對碼）變換成相對碼，然后再根據(jù)相對碼進行絕對移相而形成。這就為2DPSK信號的調制與解調指出了一種借助絕對移相途徑實現(xiàn)的方法。6.2.3 二進制移相鍵控 相對相移本質上就是對差分碼信號的絕對相移。那么，2DPSK信號的表達式與2PSK的形式應完全相同，所不同的只是此時式中的s(t) 信號表示的是差分碼數(shù)字序列。即: 6.2.3 二進制移相鍵控圖6.2-22 二相調制移相信號矢量圖A方式參考相位0B方式參考相位/2-/2在2PSK中，參考相位是未調載波的相位； 在2DPSK中，參考相位是前一碼元載波的相位。 四、2DPSK的調制與解調s(t)碼型變換差分碼乘法器e2DPSK(t)cosw ct(a)圖 6.2 23(a)2DPSK信號