第三章 調(diào)制技術(shù)(1)數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

1第3章調(diào)制技術(shù)數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

2無線通信為什么要進(jìn)行調(diào)制？1)天線只能高效地發(fā)送頻率與天線尺寸相適應(yīng)的信號。低頻信號波長太長。2）提高無線通信時(shí)的天線輻射效率。3）把多個(gè)基帶信號分別搬移到不同的載頻處，以實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率。3調(diào)制的基本概念調(diào)制－把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過程。廣義調(diào)制－分為基帶調(diào)制和帶通調(diào)制（也稱載波調(diào)制）。調(diào)制信號－指來自信源的基帶信號

載波調(diào)制－用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù)的過程。載波－未受調(diào)制的周期性振蕩信號，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。已調(diào)信號－載波受調(diào)制后稱為已調(diào)信號。解調(diào)（檢波）－調(diào)制的逆過程，其作用是將已調(diào)信號中的調(diào)制信號恢復(fù)出來。

4第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)概述數(shù)字調(diào)制：把數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字帶通信號（已調(diào)信號）的過程。數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)：通常包括調(diào)制和解調(diào)過程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)。數(shù)字調(diào)制技術(shù)有兩種方法：利用模擬調(diào)制的方法去實(shí)現(xiàn)數(shù)字式調(diào)制；通過開關(guān)鍵控載波，通常稱為鍵控法?；炬I控方式：振幅鍵控、頻移鍵控、相移鍵控

振幅鍵控 頻移鍵控 相移鍵控5第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)3.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理3.1.1二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK）基本原理：“通-斷鍵控(OOK)”信號表達(dá)式波形6第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2ASK信號的一般表達(dá)式 其中

Ts－碼元持續(xù)時(shí)間；

g(t)－持續(xù)時(shí)間為Ts的基帶脈沖波形，通常假設(shè)是高 度為1，寬度等于Ts的矩形脈沖；

an

－第N個(gè)符號的電平取值，若取 則相應(yīng)的2ASK信號就是OOK信號。7第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2ASK信號產(chǎn)生方法模擬調(diào)制法（相乘器法）鍵控法8第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2ASK信號解調(diào)方法非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)相干解調(diào)(同步檢測法)9第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)非相干解調(diào)過程的時(shí)間波形10第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度

2ASK信號可以表示成 式中s(t)－二進(jìn)制單極性隨機(jī)矩形脈沖序列設(shè)：Ps(f)－s(t)的功率譜密度

P2ASK(f)－2ASK信號的功率譜密度則由上式可得 由上式可見，2ASK信號的功率譜是基帶信號功率譜Ps(f)的線性搬移（屬線性調(diào)制）。知道了Ps(f)即可確定P2ASK(f)。11第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)其曲線如下圖所示,2ASK信號的功率譜密度示意圖12第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)從以上分析及上圖可以看出：2ASK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成；連續(xù)譜取決于g(t)經(jīng)線性調(diào)制后的雙邊帶譜，而離散譜由載波分量確定。

2ASK信號的帶寬是基帶信號帶寬的兩倍，若只計(jì)譜的主瓣（第一個(gè)譜零點(diǎn)位置），則有 式中fs=1/Ts

即，2ASK信號的傳輸帶寬是碼元速率的兩倍。13第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)3.1.2二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）基本原理表達(dá)式：在2FSK中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。故其表達(dá)式為14第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)典型波形：由圖可見，2FSK

信號的波形(a)可以分解為波形(b)和波形（c），也就是說，一個(gè)2FSK信號可以看成是兩個(gè)不同載頻的2ASK信號的疊加。15第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2FSK信號的產(chǎn)生方法采用模擬調(diào)頻電路來實(shí)現(xiàn)：信號在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的。采用鍵控法來實(shí)現(xiàn)：相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。16第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2FSK信號的解調(diào)方法非相干解調(diào)17第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)相干解調(diào)18第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度 對相位不連續(xù)的2FSK信號，可以看成由兩個(gè)不同載頻的2ASK信號的疊加，它可以表示為 其中，s1(t)和s2(t)為兩路二進(jìn)制基帶信號。 據(jù)2ASK信號功率譜密度的表示式，不難寫出這種2FSK信號的功率譜密度的表示式：19第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

20第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)由上圖可以看出：相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜組成。其中，連續(xù)譜由兩個(gè)中心位于f1和f2處的雙邊譜疊加而成，離散譜位于兩個(gè)載頻f1和f2處；連續(xù)譜的形狀隨著兩個(gè)載頻之差的大小而變化，若|f1–f2|<fs，連續(xù)譜在fc處出現(xiàn)單峰；若|f1–f2|>fs

，則出現(xiàn)雙峰；若以功率譜第一個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔計(jì)算2FSK信號的帶寬，則其帶寬近似為 其中，fs=1/Ts為基帶信號的帶寬。圖中的fc為兩個(gè)載頻的中心頻率。21第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)3.1.3二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）2PSK信號的表達(dá)式： 在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進(jìn)制“1”和“0”。因此，2PSK信號的時(shí)域表達(dá)式為 式中，n表示第n個(gè)符號的絕對相位： 因此，上式可以改寫為22第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

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(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波的相乘： 式中 這里，g(t)是脈寬為Ts的單個(gè)矩形脈沖，而an的統(tǒng)計(jì)特性為

23第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)即發(fā)送二進(jìn)制符號“0”時(shí)（an取+1），e2PSK(t)取0相位；發(fā)送二進(jìn)制符號“1”時(shí)（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(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號的調(diào)制方式，稱為二進(jìn)制絕對相移方式。典型波形24第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2PSK信號的調(diào)制器原理方框圖模擬調(diào)制的方法鍵控法25第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2PSK信號的解調(diào)器原理方框圖和波形圖：26第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度 比較2ASK信號的表達(dá)式和2PSK信號的表達(dá)式：

2ASK：

2PSK： 可知，兩者的表示形式完全一樣，區(qū)別僅在于基帶信號s(t)不同（an不同），前者為單極性，后者為雙極性。因此，我們可以直接引用2ASK信號功率譜密度的公式來表述2PSK信號的功率譜，即應(yīng)當(dāng)注意，這里的Ps(f)是雙極性矩形脈沖序列的功率譜。27第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度曲線

從以上分析可見，二進(jìn)制相移鍵控信號的頻譜特性與2ASK的十分相似，帶寬也是基帶信號帶寬的兩倍。區(qū)別僅在于當(dāng)P=1/2時(shí)，其譜中無離散譜（即載波分量。因此，它可以看作是雙極性基帶信號作用下的調(diào)幅信號。28第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

波形圖中，假設(shè)相干載波的基準(zhǔn)相位與2PSK信號的調(diào)制載波的基準(zhǔn)相位一致（通常默認(rèn)為0相位）。但是，由于在2PSK信號的載波恢復(fù)過程中存在著的相位模糊，即恢復(fù)的本地載波與所需的相干載波可能同相，也可能反相，這種相位關(guān)系的不確定性將會造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號與發(fā)送的數(shù)字基帶信號正好相反，即“1”變?yōu)椤?”，“0”變?yōu)椤?”，判決器輸出數(shù)字信號全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象稱為2PSK方式的“倒π”現(xiàn)象或“反相工作”。這也是2PSK方式在實(shí)際中很少采用的主要原因。另外，在隨機(jī)信號碼元序列中，信號波形有可能出現(xiàn)長時(shí)間連續(xù)的正弦波形，致使在接收端無法辨認(rèn)信號碼元的起止時(shí)刻。 為了解決上述問題，可以采用7.1.4節(jié)中將要討論的差分相移鍵控（DPSK）體制。29第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)3.1.4二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）2DPSK原理2DPSK是利用前后相鄰碼元的載波相對相位變化傳遞數(shù)字信息，所以又稱相對相移鍵控。假設(shè)為當(dāng)前碼元與前一碼元的載波相位差，定義數(shù)字信息與之間的關(guān)系為 于是可以將一組二進(jìn)制數(shù)字信息與其對應(yīng)的2DPSK信號的載波相位關(guān)系示例如下：30第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)相應(yīng)的2DPSK信號的波形如下： 由此例可知，對于相同的基帶信號，由于初始相位不同，2DPSK信號的相位可以不同。即2DPSK信號的相位并不直接代表基帶信號，而前后碼元的相對相位才決定信息符號。31第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號的產(chǎn)生方法

由上圖可見，先對二進(jìn)制數(shù)字基帶信號進(jìn)行差分編碼，即把表示數(shù)字信息序列的絕對碼變換成相對碼（差分碼），然后再根據(jù)相對碼進(jìn)行絕對調(diào)相，從而產(chǎn)生二進(jìn)制差分相移鍵控信號。 上圖中使用的是傳號差分碼，即載波的相位遇到原數(shù)字信息“1”變化，遇到“0”則不變。32第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號調(diào)制器原理方框圖 差分碼可取傳號差分碼或空號差分碼。其中，傳號差分碼的編碼規(guī)則為 式中，⊕為模2加，bn-1為bn的前一碼元，最初的bn-1可任意設(shè)定。 上式的逆過程稱為差分譯碼（碼反變換），即33第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號的解調(diào)方法之一相干解調(diào)(極性比較法)加碼反變換法原理：先對2DPSK信號進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對碼，再經(jīng)碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。在解調(diào)過程中，由于載波相位模糊性的影響，使得解調(diào)出的相對碼也可能是“1”和“0”倒置，但經(jīng)差分譯碼（碼反變換）得到的絕對碼不會發(fā)生任何倒置的現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊性帶來的問題。34第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK的相干解調(diào)器原理圖和各點(diǎn)波形35第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號的解調(diào)方法之二：差分相干解調(diào)(相位比較）法36第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)用這種方法解調(diào)時(shí)不需要專門的相干載波，只需由收到的2DPSK信號延時(shí)一個(gè)碼元間隔，然后與2DPSK信號本身相乘。相乘器起著相位比較的作用，相乘結(jié)果反映了前后碼元的相位差，經(jīng)低通濾波后再抽樣判決，即可直接恢復(fù)出原始數(shù)字信息，故解調(diào)器中不需要碼反變換器。2DPSK系統(tǒng)是一種實(shí)用的數(shù)字調(diào)相系統(tǒng)37第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度 從前面討論的2DPSK信號的調(diào)制過程及其波形可以知道，2DPSK可以與2PSK具有相同形式的表達(dá)式。所不同的是2PSK中的基帶信號s(t)對應(yīng)的是絕對碼序列；而2DPSK中的基帶信號s(t)對應(yīng)的是碼變換后的相對碼序列。因此，2DPSK信號和2PSK信號的功率譜密度是完全一樣的。信號帶寬為 與2ASK的相同，也是碼元速率的兩倍。38第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)頻帶寬度2ASK系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)的頻帶寬度

2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度39第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理概述為了提高頻帶利用率，最有效的辦法是使一個(gè)碼元傳輸多個(gè)比特的信息。40第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.1多進(jìn)制振幅鍵控(MASK)概述多進(jìn)制振幅鍵控又稱多電平調(diào)制優(yōu)點(diǎn)：MASK信號的帶寬和2ASK信號的帶寬相同，故單位頻帶的信息傳輸速率高，即頻帶利用率高。41第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)舉例基帶信號是多進(jìn)制單極性不歸零脈沖(b)MASK信號(a)基帶多電平單極性不歸零信號0010110101011110000t0t010110101011110042第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.2多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)4FSK信號波形舉例(a)4FSK信號波形f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011(b)4FSK信號的取值43第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)MFSK信號的帶寬：

B=fM-f1+f

式中

f1

－最低載頻

fM

－最高載頻

f

－單個(gè)碼元的帶寬44第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)MFSK非相干解調(diào)器的原理方框圖V1(t)抽樣判決帶通濾波f1包絡(luò)檢波帶通濾波fM包絡(luò)檢波輸入輸出VM(t)定時(shí)脈沖帶通濾波f2包絡(luò)檢波........45第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.3多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)正交相移鍵控(QPSK)4PSK常稱為正交相移鍵控(QPSK)格雷(Gray)碼4PSK信號每個(gè)碼元含有2比特的信息，現(xiàn)用ab代表這兩個(gè)比特。兩個(gè)比特有4種組合，即00、01、10和11。它們和相位k之間的關(guān)系通常都按格雷碼的規(guī)律安排，如下表所示。

QPSK信號的編碼abk0090010112701018046第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)QPSK信號矢量圖格雷碼的好處在于相鄰相位所代表的兩個(gè)比特只有一位不同。由于因相位誤差造成錯(cuò)判至相鄰相位上的概率最大，故這樣編碼使之僅造成一個(gè)比特誤碼的概率最大。01001011參考相位圖7-35QPSK信號的矢量圖47第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼元相位關(guān)系k稱為初始相位，常簡稱為相位，而把(0t+k)稱為信號的瞬時(shí)相位。當(dāng)碼元中包含整數(shù)個(gè)載波周期時(shí)，初始相位相同的相鄰碼元的波形和瞬時(shí)相位才是連續(xù)的，如下圖：(a)波形和相位連續(xù)TT48第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)若每個(gè)碼元中的載波周期數(shù)不是整數(shù)，則即使初始相位相同，波形和瞬時(shí)相位也可能不連續(xù)，如下圖 或者波形連續(xù)而相位不連續(xù)，如下圖(b)波形和相位不連續(xù)TT(c)波形連續(xù)相位不連續(xù)TT49第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)QPSK調(diào)制兩種產(chǎn)生方法:相乘電路法-sin0t相干載波產(chǎn)生相乘電路相乘電路/2相移串/并變換相加電路cos0tA(t)s(t)圖7-37第一種QPSK信號產(chǎn)生方法ab50第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼元串并變換：012345(a)輸入基帶碼元t024(b)并行支路a碼元t135(c)并行支路b碼元t圖7-38碼元串/并變換51第3章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)兩路并行序列分別用以和兩路蒸餃載波相乘，相乘結(jié)果用虛線矢量表示如下，