lx-通信概論-數(shù)字信號的頻帶傳輸

6.0引言

6.1二進制數(shù)字調(diào)制原理

6.2二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

6.3二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較

6.4多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸本章內(nèi)容簡介6.0引言數(shù)字調(diào)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(diào)制”，在稱作調(diào)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(diào)”的過程，解調(diào)過程在稱作解調(diào)器的設備中完成。經(jīng)過調(diào)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頻率的相對偏差變?。ㄗ罡哳l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)。第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.0引言調(diào)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(diào)制器發(fā)送帶通接收帶通接收低通抽樣判決解調(diào)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(diào)制？第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.0引言數(shù)字調(diào)制就是用待傳輸?shù)幕鶐?shù)據(jù)信號控制某一高頻正弦波（載波）的參數(shù)：振幅、頻率或相位。控制正弦波振幅稱作“數(shù)字振幅調(diào)制”，控制正弦波頻率稱作“數(shù)字頻率調(diào)制”，控制正弦波相位稱作“數(shù)字相位調(diào)制”。由于數(shù)字基帶信號只有有限種符號（電平），調(diào)制后的正弦波也只有有限種振幅、頻率或相位，因此這幾種調(diào)制常稱為“振幅鍵控”、“頻移鍵控”和“相移鍵控”。如何進行調(diào)制實現(xiàn)基帶信號頻譜的“搬移”？s(t)1110s(t)1110s(t)11102ASK2FSK2PSK圖6-1正弦載波的三種二進制鍵控波形第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.1二進制振幅鍵控(2ASK)一.2ASK信號的波形與頻譜ttTsTs二進制序列

1011010s(t)

2ASK信號

eo(t)

圖6-2基帶數(shù)據(jù)信號s(t)與2ASK信號eo(t)的波形示意圖

可以看出，2ASK信號可以看作是單極性二進制基帶數(shù)據(jù)矩形脈沖序列信號s(t)和一個高頻載波cosωc

t

相乘的結果。第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸一.2ASK信號的波形與頻譜6.1二進制振幅鍵控(2ASK)

可以看出，2ASK信號可以看作是單極性二進制基帶數(shù)據(jù)矩形脈沖序列信號s(t)和一個高頻載波cosωc

t

相乘的結果。由于高頻載波cosωc

t

在數(shù)字序列s(t)的控制(調(diào)制)下，一會兒有波形，一會兒沒有波形，就象用一個開關(Key)控制通斷(ONandOFF)一樣，因此，2ASK又稱為OOK。s(t)是一個單極性基帶數(shù)據(jù)序列信號。(6.1-1)(6.1-2)第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸一.2ASK信號的波形與頻譜6.1二進制振幅鍵控(2ASK)由于基帶數(shù)據(jù)脈沖序列信號s(t)是隨機的,則2ASK(OOK)信號也是隨機的、功率型信號,其頻譜特性須用功率譜密度來表示。設基帶數(shù)據(jù)脈沖序列信號s(t)

的功率譜用Ps(f)表示,2ASK信號的功率譜密度用PE(f)表示,可以證明此式說明2ASK信號的功率譜密度PE(f)正是s(t)的功率譜密度Ps(f)

向載波頻率fc處“搬移”的結果。(6.1-4)(6.1-3)?第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸一.2ASK信號的波形與頻譜6.1二進制振幅鍵控(2ASK)單極性矩形不歸零脈沖基帶數(shù)據(jù)序列信號s(t)

的功率譜密度表示:(6.1-5)代入式（6.1-4),便可獲得已調(diào)制2ASK信號的功率譜密度PE(f)

結果:(6.1-6)第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸一.2ASK信號的波形與頻譜6.1二進制振幅鍵控(2ASK)

圖6-3基帶數(shù)據(jù)s(t)與2ASK信號eo(t)的功率譜密度示意圖-2fs-fs0fs2fsf（Hz）Ps(f)基帶信號帶寬Bb=fs

-fc–2fs

fc-fc+2fs0fc-2fs

fcfc+2fsf（Hz）

-fc–fs-fc+fs

fc–fs

fc+fs2ASK信號帶寬B2ASK=2fs

PE(f)正頻率：0頻到第一零點正頻率：主瓣寬度■2ASK信號的帶寬是基帶數(shù)字信號帶寬的2倍。第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸二.2ASK信號的產(chǎn)生與解調(diào)6.1二進制振幅鍵控(2ASK)圖6-42ASK信號的產(chǎn)生原理框圖

■2ASK信號的產(chǎn)生模擬乘法器單極性不歸零碼已調(diào)2ASK信號s(t)

eo(t)

載波c(t)=cos2πfct

（a）2ASK信號的產(chǎn)生（用模擬乘法器）原理框圖

=s(t)cos2πfct（b）2ASK信號的產(chǎn)生（開關控制）原理框圖載波振蕩器已調(diào)2ASK信號eo(t)單極性不歸零碼s(t)

c(t)=cos2πfct=s(t)cos2πfct第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸二.2ASK信號的產(chǎn)生與解調(diào)6.1二進制振幅鍵控(2ASK)圖6-52ASK信號的解調(diào)原理框圖

■2ASK信號的解調(diào)非相干解調(diào)（a）2ASK信號的解調(diào)（包絡檢波法）原理框圖

接收帶通濾波低通抽樣判決半或全波整流2ASK信號接收數(shù)據(jù)序列

s(t)

eo(t)

同步時鐘

=s(t)cos2πfct（b）2ASK信號的解調(diào)（相干檢測法）原理框圖接收帶通濾波低通抽樣判決模擬乘法器2ASK信號接收數(shù)據(jù)序列

s(t)

eo(t)

同步載波c(t)=cos2πfct

同步時鐘

=s(t)cos2πfct相干解調(diào)或同步解調(diào)框圖中各點波形如何？包絡檢波器第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸二.2ASK信號的產(chǎn)生與解調(diào)6.1二進制振幅鍵控(2ASK)■2ASK信號的解調(diào)非相干解調(diào)（a）2ASK信號的解調(diào)（包絡檢波法）原理框圖

接收帶通濾波低通抽樣判決半或全波整流2ASK信號接收數(shù)據(jù)序列

s(t)

eo(t)

同步時鐘

=s(t)cos2πfct包絡檢波器第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸二.2ASK信號的產(chǎn)生與解調(diào)6.1二進制振幅鍵控(2ASK)■2ASK信號的解調(diào)（b）2ASK信號的解調(diào)（相干檢測法）原理框圖接收帶通濾波低通抽樣判決模擬乘法器2ASK信號接收數(shù)據(jù)序列

s(t)

eo(t)

同步載波c(t)=cos2πfct

同步時鐘

=s(t)cos2πfct相干解調(diào)或同步解調(diào)s(t)cos2πfct?cos2πfct=1/2[s(t)+s(t)cos4πfct]第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2二進制頻移鍵控(2FSK)一.2FSK信號的波形與頻譜

2FSK信號可看作是兩路不同高頻載波(cosω1t

和cosω2t)產(chǎn)生的2ASK信號波形的疊加結果。ttTsTs二進制序列

1011010s(t)

2FSK信號

eo(t)

圖6-6基帶數(shù)據(jù)信號s(t)與2FSK信號eo(t)的波形示意圖

f1f1f1f0f0f0f1第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2二進制頻移鍵控(2FSK)一.2FSK信號的波形與頻譜圖6-72FSK信號eo(t)可表示為兩路2ASK信號波形疊加

ttTsTs二進制序列

1011010s(t)

2FSK信號

eo(t)

f1f1f1f0f0f0f1t2ASK信號

s(t)cos2πf1tt2ASK信號

s(t)cos2πf0t第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2二進制頻移鍵控(2FSK)

2FSK信號可看作是兩路不同高頻載波(cosω1t

和cosω2t)產(chǎn)生的2ASK信號波形的疊加結果。2FSK信號表示：φn和θn分別是第n個碼元載波的初始相位。(6.2-1)eo(t)=s(t)cos(2πf1t+φn)

+s(t)cos(2πf0t+θn)

一.2FSK信號的波形與頻譜第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸一.2FSK信號的波形與頻譜6.2二進制頻移鍵控(2FSK)(5.2-27)當基帶數(shù)字信號序列s(t)與其反相序列s(t)(均為單極性矩形不歸零脈沖)的功率譜密度可分別表示為Ps1(f)和Ps2(f),而2FSK信號功率譜PE(f)則是將基帶信號功率譜Ps1(f)和Ps2(f)分別向載頻f1和f0兩處“搬移”的結果

(6.2-2)當基帶數(shù)字信號中“0”和“1”等概時，s(t)與其反相序列s(t)(均為單極性矩形不歸零脈沖)的功率譜密度相同，可表示為:第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸一.2FSK信號的波形與頻譜6.2二進制頻移鍵控(2FSK)將代入式(6.2-2),可得到2FSK信號功率譜密度PE(f)表達式(6.2-3)第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸一.2FSK信號的波形與頻譜6.2二進制頻移鍵控(2FSK)

圖6-8基帶數(shù)據(jù)s(t)與2FSK信號eo(t)的功率譜密度示意圖-2fs-fs

0

fs2fsf(Hz)Ps(f)基帶信號帶寬Bb=fs正頻率：0頻到第一零點正頻率：含兩主瓣■2FSK信號的帶寬是基帶信號帶寬fs的2倍與兩載頻f1、f0間隔Δf=|f1-f0|之和。PE(f)2FSK信號帶寬B2FSK=2fs+|f1-f0|-f0-f1f1f0f1+fsf0+fsf0-fsf1-fs-f0+fs-f0-fs-f1-fs-f1+fs0f(Hz)■兩載頻f1、f0間隔Δf=|f1-f0|≧2fs時，兩主瓣互不重疊,頻譜呈現(xiàn)雙峰；兩載頻f1、f0之間隔Δf=|f1-f0|<2fs時,兩主瓣重疊,甚至頻譜呈現(xiàn)單峰。第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2二進制頻移鍵控(2FSK)圖6-92FSK信號的產(chǎn)生原理框圖

■2FSK信號的產(chǎn)生（a）2FSK信號的產(chǎn)生（用模擬調(diào)頻器）原理框圖

模擬調(diào)頻器(VCO)單極性不歸零碼已調(diào)2FSK信號s(t)={an}eo(t)={cos2πf1t,an=1cos2πf0t,an=0二.2FSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)（b）2FSK信號的產(chǎn)生（開關控制）原理框圖載波振蕩器已調(diào)2FSK信號單極性不歸零碼s(t)={an}

cos2πf0

t載波振蕩器

cos2πf1

teo(t)={cos2πf1t,an=1cos2πf0t,an=0第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2二進制頻移鍵控(2FSK)圖6-10a2FSK信號解調(diào)原理（非相干解調(diào)）

■2FSK信號的解調(diào)框圖中各點波形如何？二.2FSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)s(t)

eo(t)

同步時鐘

接收帶通濾波低通半或全波整流抽樣判決接收數(shù)據(jù)序列2FSK信號接收帶通濾波低通半或全波整流f1±fs

f0±fs

為何不用一條支路解調(diào)？第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2二進制頻移鍵控(2FSK)圖6-10b2FSK信號解調(diào)原理（相干解調(diào)）

■2FSK信號的解調(diào)框圖中各點波形如何？二.2FSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)s(t)

eo(t)

同步時鐘

抽樣判決接收數(shù)據(jù)序列2FSK信號f1±fs

f0±fs

乘法器帶通濾波低通濾波乘法器帶通濾波低通濾波cos2πf1tcos2πf0t同步載波第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2二進制頻移鍵控(2FSK)圖6-112FSK信號解調(diào)原理（過零檢測法）

■2FSK信號的解調(diào)框圖中各點波形如何？二.2FSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)帶通脈沖展寬限幅微分整流低通2FSK信號接收數(shù)據(jù)序列eo(t)s(t)abcdefabcdef第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2二進制頻移鍵控(2FSK)■2FSK信號的解調(diào)（其他方法）二.2FSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)帶通整形限幅鑒頻器判決2FSK信號接收數(shù)據(jù)序列eo(t)s(t)鑒頻法帶通整形限幅鎖相環(huán)判決2FSK信號接收數(shù)據(jù)序列eo(t)s(t)鎖相法帶通低通延時τ乘法器判決2FSK信號接收數(shù)據(jù)序列eo(t)s(t)差分檢波法第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.3二進制相移鍵控(2PSK/2DPSK)一.2PSK信號的波形與頻譜圖6-12基帶數(shù)據(jù)信號s(t)與2PSK信號eo(t)的波形示意圖

可以看出，2PSK信號可以看作是雙極性二進制基帶數(shù)據(jù)矩形脈沖序列信號s(t)和一個高頻載波cosωc

t

相乘的結果。ttTsTs二進制序列

1011010s(t)

2PSK信號

eo(t)

■2PSK信號用載波絕對相位傳遞碼元信息?！癞斴斎牖鶐?shù)據(jù)為“0”時，輸出載波相位ф=θ0；●當輸入基帶數(shù)據(jù)為“1”時，輸出載波相位ф=θ1

。本例中θ0=π

，θ1=0第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸一.2PSK信號的波形與頻譜6.3二進制相移鍵控cosωc

t

，概率為P-cosωc

t

，概率為1-Ps(t)是一個雙極性基帶數(shù)據(jù)序列信號。(6.3-1)設基帶數(shù)據(jù)脈沖序列信號s(t)

的功率譜用Ps(f)表示,2PSK信號的功率譜密度用PE(f)表示,則是s(t)的功率譜密度Ps(f)

向載波頻率fc處“搬移”的結果。(6.3-2)第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸一.2PSK信號的波形與頻譜6.3二進制相移鍵控假設信源輸出碼元中“1”和“0”等概率，前面章節(jié)中給出雙極性矩形不歸零脈沖基帶信號s(t)

的功率譜密度表示:代入式（6.3-2),便可獲得已調(diào)制2PSK信號的功率譜密度PE(f)

結果:(6.3-3)第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸一.2PSK信號的波形與頻譜6.3二進制相移鍵控

圖6-13基帶數(shù)據(jù)s(t)與2PSK信號eo(t)的功率譜密度示意圖-2fs-fs0fs2fsf（Hz）Ps(f)基帶信號帶寬Bb=fs正頻率：0頻到第一零點正頻率：主瓣寬度■2PSK信號的帶寬是基帶數(shù)字信號帶寬的2倍。

-fc–2fs

fc-fc+2fs0fc-2fs

fcfc+2fsf（Hz）

-fc–fs-fc+fs

fc–fs

fc+fs2PSK信號帶寬B2PSK=2fs

PE(f)2PSK頻譜與2ASK頻譜有何區(qū)別？第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸2DPSK信號的波形與頻譜6.4二進制差分相移鍵控ttTsTs二進制數(shù)據(jù)

1011010s(t)

2DPSK信號

eo(t)

絕對碼用電平的絕對大小傳遞信息。絕對碼是信源數(shù)據(jù)的原始編碼。■2DPSK信號用前后碼元載波相位的變化量傳遞信息?！癞斴斎牖鶐?shù)據(jù)為“0”時，輸出載波相位相對前一碼元變化△Φ=θ0；●當輸入基帶數(shù)據(jù)為“1”時，輸出載波相位相對前一碼元變化△Φ=θ1

。本例中θ0=0，θ1=π第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸2DPSK信號的波形與頻譜6.4二進制差分相移鍵控ttTsTs二進制數(shù)據(jù)

1011010s(t)

2DPSK信號

eo(t)

d(t)

t絕對碼相對碼/差分碼用電平的前后相對變化傳遞信息。用電平的絕對大小傳遞信息。圖6-14基帶數(shù)據(jù)信號s(t)與2DPSK信號eo(t)的波形示意圖

絕對碼是信源數(shù)據(jù)的原始編碼。第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸2DPSK信號的波形與頻譜6.4二進制差分相移鍵控用絕對碼直接控制載波相位，產(chǎn)生PSK信號，稱為絕對相移鍵控；用差分碼控制載波相位，產(chǎn)生DPSK信號，稱為差分相移鍵控。為什么通常用差分相移鍵控2DPSK調(diào)制，而一般不用絕對相移鍵控2PSK調(diào)制？

2PSK信號解調(diào)后恢復的是基帶信號絕對碼，即原始數(shù)據(jù)信息編碼。但是在對2PSK信號相干解調(diào)時，收端同步載波的相位不確定性，出現(xiàn)和發(fā)端載波反相（倒π）的現(xiàn)象，使得解調(diào)出的絕對碼“0”、“1”互換，影響接收數(shù)據(jù)的恢復。

2DPSK信號解調(diào)后恢復的是基帶信號相對碼（差分碼），信息承載在前后碼元的變化上。即使差分碼中的“0”、“1”互換了，也不影響原始絕對碼與數(shù)據(jù)信息的恢復。參后續(xù)介紹第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸2DPSK信號的波形與頻譜6.4二進制差分相移鍵控2DPSK信號的頻譜與2PSK信號的頻譜有什么不同？ts1(t)

ts2(t)

teo(t)

結論：由于差分碼與絕對碼的碼速、碼形都相同，如果“0”和“1”出現(xiàn)概率也相同，則2DPSK信號的頻譜與2PSK信號的頻譜將完全相同。eo(t)是2PSK還是2DPSK？eo(t)與s1(t)是何關系？eo(t)與s2(t)是何關系？差分碼和絕對碼中“0”“1”概率是否相同？第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸2DPSK信號的波形與頻譜6.4二進制差分相移鍵控

圖6-15基帶數(shù)據(jù)s(t)與2DPSK信號eo(t)的功率譜密度示意圖-2fs-fs0fs2fsf（Hz）Ps(f)基帶信號帶寬Bb=fs正頻率：0頻到第一零點。正頻率：主瓣寬度■2DPSK信號的帶寬是基帶數(shù)字信號帶寬的2倍。

-fc–2fs

fc-fc+2fs0fc-2fs

fcfc+2fsf（Hz）

-fc–fs-fc+fs

fc–fs

fc+fs2DPSK信號帶寬B2PSK=2fs

PE(f)結論：2DPSK信號的頻譜與2PSK信號的頻譜將完全相同。第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.4二進制差分相移鍵控■

2PSK/2DPSK的移相方式與矢量圖A方式：2PSK:an=“1”,Φ=0;an=“0”,Φ=π.2DPSK:an=“0”,ΔΦ=0;an=“1”,ΔΦ=π.B方式：2PSK:an=“1”,Φ=π/2;an=“0”,Φ=-π/2.2DPSK:an=“0”,ΔΦ=π/2;an=“1”,ΔΦ=-π/2.參考相位(a)A方式參考相位(b)B方式π0π/2-π/2

圖6-16二相調(diào)制移相信號矢量圖第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.4二進制差分相移鍵控二.2PSK/2DPSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)圖6-17a2PSK信號的產(chǎn)生原理框圖

■2PSK信號的產(chǎn)生（a）2PSK信號的產(chǎn)生（用模擬乘法器）原理框圖

模擬乘法器雙極性不歸零碼已調(diào)2PSK信號s(t)

eo(t)

載波c(t)=cos2πfct

=s(t)cos2πfct（b）2PSK信號的產(chǎn)生（開關控制）原理框圖載波振蕩器已調(diào)2PSK信號單/雙極性不歸零碼s(t)={an}-cos2πfct相移Φ=π

cos2πfcteo(t)={cos2πfct,an=1-cos2πfct,an=0如何產(chǎn)生DPSK信號？第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.4二進制差分相移鍵控二.2PSK/2DPSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)圖6-17b2DPSK信號的產(chǎn)生原理框圖

■2DPSK信號的產(chǎn)生差分編碼器如何實現(xiàn)？雙極性不歸零（b）2PSK信號的產(chǎn)生（開關控制）原理框圖載波振蕩器已調(diào)2PSK信號差分碼

d(t)={dn}-cos2πfct相移Φ=πcos2πfcteo(t)={cos2πfct,dn=1-cos2πfct,dn=0差分編碼器絕對碼s(t)={an}碼變換（a）2PSK信號的產(chǎn)生（用模擬乘法器）原理框圖

模擬乘法器絕對碼差分碼

已調(diào)2DPSK信號

s(t)=

eo(t)

載波c(t)=cos2πfct

=d(t)cos2πfct差分編碼器d(t)={dn}

碼變換{an}第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.4二進制差分相移鍵控二.2PSK/2DPSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)■差分編碼/解碼器實現(xiàn)差分編碼dk=ak⊕dk-1tTsTs絕對碼{an}

1011010s(t)

差分碼{dn}1101100d(t)

t差分解碼ak

=dk⊕dk-1D模2加絕對碼ak

相對碼dk

dk-1

相對碼dk

絕對碼ak模2加Ddk-1

第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.4二進制差分相移鍵控二.2PSK/2DPSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)2PSK/2DPSK信號對于數(shù)字信號的“0”、“1”具有相同的載波幅度和載波頻率，因此無法使用包絡檢波方法進行非相干解調(diào)。■2PSK信號的解調(diào)圖6-182PSK信號的解調(diào)（相干解調(diào)）原理框圖模擬乘法器2PSK信號接收數(shù)據(jù)序列

同步載波

c(t)=cos2πfct

同步時鐘

s(t)

eo(t)

接收低通抽樣判決接收帶通鑒相器■極性比較法框圖中各點波形如何？第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.4二進制差分相移鍵控二.2PSK/2DPSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)圖6-192PSK信號的解調(diào)（相干解調(diào)）原理框圖■極性比較法模擬乘