第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸

2023/7/30DigitalTrunkingSwitchSwitchAnalogLoopDigitalNetworkPOTSSwitchCBDigitalLoopDigitalNetworkISDNSwitch通信概論第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.1二進(jìn)制數(shù)字幅度調(diào)制(2ASK)6.2二進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制(2FSK)6.3二進(jìn)制數(shù)字相位鍵控(2PSK)6.4二進(jìn)制數(shù)字差分相位鍵控(2DPSK)6.5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制本章內(nèi)容簡介2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.0引言

數(shù)字調(diào)制就是對基帶數(shù)據(jù)信號進(jìn)行變換，實(shí)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(gè)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(jìn)行，搬移的過程稱作“調(diào)制”，在稱作調(diào)制器的設(shè)備中完成。在數(shù)據(jù)的接收端，有一個(gè)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(shè)備中完成。

經(jīng)過調(diào)制的后的信號在一個(gè)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(yīng)的傳輸系統(tǒng)稱作頻帶傳輸系統(tǒng)。2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.0引言

調(diào)制實(shí)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(gè)很高的頻段上去。其目的主要有兩個(gè)：

◆

無線(Wireless)傳輸

◆

頻分多路復(fù)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(jié)構(gòu)模型

基帶信號為什么要進(jìn)行調(diào)制？2023/7/30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?？刂普也ㄕ穹Q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(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)基帶信號頻譜的“搬移”？s(t)1110s(t)1110s(t)11102ASK2FSK2PSK正弦載波的三種二進(jìn)制鍵控波形2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.1二進(jìn)制數(shù)字幅度調(diào)制6.1.12ASK的調(diào)制與解調(diào)一.2ASK信號的波形與頻譜ttTsTs二進(jìn)制序列

1011010s(t)

2ASK信號

eo(t)

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(jìn)制基帶數(shù)據(jù)矩形脈沖序列信號s(t)和一個(gè)高頻載波cosωc

t

相乘的結(jié)果。2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸一.2ASK信號的波形與頻譜6.1.12ASK的調(diào)制與解調(diào)

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

t

相乘的結(jié)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(gè)開關(guān)(Key)控制通斷(ONandOFF)一樣，因此，2ASK又稱為OOK。s(t)是一個(gè)單極性基帶數(shù)據(jù)序列信號。(6.2)(6.1)2023/7/30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)6.1.12ASK的調(diào)制與解調(diào)圖6.12ASK信號的產(chǎn)生及波形示例■2ASK信號的產(chǎn)生2023/7/30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)6.1.12ASK的調(diào)制與解調(diào)2ASK信號的解調(diào)原理框圖

■2ASK信號的解調(diào)非相干解調(diào)圖6.22ASK信號的包絡(luò)解調(diào)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(shí)鐘

=s(t)cos2πfct圖6.32ASK信號的相干解調(diào)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(shí)鐘

=s(t)cos2πfct相干解調(diào)或同步解調(diào)框圖中各點(diǎn)波形如何？包絡(luò)檢波器2023/7/30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)6.1.12ASK的調(diào)制與解調(diào)■2ASK信號的解調(diào)非相干解調(diào)（a）2ASK信號的解調(diào)（包絡(luò)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(shí)鐘

=s(t)cos2πfct包絡(luò)檢波器2023/7/30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)6.1.12ASK的調(diào)制與解調(diào)■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(shí)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]2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.1.22ASK信號的功率譜及帶寬

圖6.42ASK信號的功率譜-2fb-fb0fb2fbf（Hz）Ps(f)基帶信號帶寬Bb=fb-fc–2fb-fc-fc+2fb0fc-2fbfcfc+2fbf（Hz）

-fc–fb-fc+fbfc–fbfc+fb2ASK信號帶寬B2ASK=2fb

Pe(f)正頻率：0頻到第一零點(diǎn)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。2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2二進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制6.2.12FSK的調(diào)制一.2FSK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(jié)果。ttTsTs二進(jìn)制序列

1011010s(t)

2FSK信號

eo(t)

基帶數(shù)據(jù)信號s(t)與2FSK信號eo(t)的波形示意圖

f1f1f1f2f2f2f12023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2.12FSK的調(diào)制一.2FSK信號的波形與頻譜2FSK信號eo(t)可表示為兩路2ASK信號波形疊加

ttTsTs二進(jìn)制序列

1011010s(t)

2FSK信號

eo(t)

f1f1f1f2f2f2f1t2ASK信號

s(t)cos2πf1tt2ASK信號

s(t)cos2πf2t2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2.12FSK的調(diào)制圖6.72FSK信號產(chǎn)生方法及波形示例■2FSK信號的產(chǎn)生二.2FSK信號的產(chǎn)生2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2.12FSK的調(diào)制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(jié)果。2FSK信號表示：φn和θn分別是第n個(gè)碼元載波的初始相位。(6.27)eo(t)=s(t)cos(ω1t+φn)

+s(t)cos(ω2t+θn)

二.2FSK信號的產(chǎn)生2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2.12FSK的調(diào)制二.2FSK信號的產(chǎn)生圖6.82FSK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（b）2FSK信號的產(chǎn)生（開關(guān)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=02023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2.22FSK的解調(diào)圖6.92FSK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(diǎn)波形如何？一.包絡(luò)檢波法s(t)

eo(t)

同步時(shí)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±fb

f0±fb

為何不用一條支路解調(diào)？2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2.22FSK的解調(diào)圖6.102FSK信號解調(diào)原理（相干解調(diào)）

■2FSK信號的解調(diào)框圖中各點(diǎn)波形如何？二.相干檢測法s(t)

eo(t)

同步時(shí)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2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2.22FSK的解調(diào)■2FSK信號的解調(diào)三.過零檢測法圖6.112FSK信號解調(diào)原理（過零檢測法）

框圖中各點(diǎn)波形如何？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)abcdefabcdef2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.2.32FSK信號的功率譜及帶寬

圖6.12基帶數(shù)據(jù)s(t)與2FSK信號eo(t)的功率譜密度示意圖-2fb-fb

0fb2fbf(Hz)Ps(f)基帶信號帶寬Bb=fb正頻率：0頻到第一零點(diǎn)正頻率：含兩主瓣■2FSK信號的帶寬是基帶信號帶寬fb的2倍與兩載頻f1、f0間隔Δf=|f1-f0|之和。Pe(f)2FSK信號帶寬B2FSK=2fb+|f1-f0|-f0-f1f1f0f1+fbf0+fbf0-fbf1-fb-f0+fb-f0-fb-f1-fb-f1+fb0f(Hz)■兩載頻f1、f0間隔Δf=|f1-f0|≧2fb時(shí)，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|<2fb時(shí),兩主瓣重疊,甚至頻譜呈現(xiàn)單峰。2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.3二進(jìn)制數(shù)字相位鍵控6.3.12PSK的調(diào)制與解調(diào)一.2PSK信號的波形與頻譜基帶數(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(jìn)制基帶數(shù)據(jù)矩形脈沖序列信號s(t)和一個(gè)高頻載波cosωc

t

相乘的結(jié)果。ttTsTs二進(jìn)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?dāng)輸入基帶數(shù)據(jù)為“0”時(shí)，輸出載波相位ф=θ0；●當(dāng)輸入基帶數(shù)據(jù)為“1”時(shí)，輸出載波相位ф=θ1

。本例中θ0=π

，θ1=02023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.3二進(jìn)制數(shù)字相位鍵控6.3.12PSK的調(diào)制與解調(diào)圖6.13

2PSK信號的典型波形圖6.14

2PSK調(diào)制器框圖2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.3二進(jìn)制數(shù)字相位鍵控6.3.12PSK的調(diào)制與解調(diào)cosωc

t

，概率為P-cosωc

t

，概率為1-Ps(t)是一個(gè)雙極性基帶數(shù)據(jù)序列信號。在某一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間Tb內(nèi)觀察時(shí)，2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.3二進(jìn)制數(shù)字相位鍵控6.3.12PSK的調(diào)制與解調(diào)■2PSK信號的解調(diào)框圖中各點(diǎn)波形如何？圖6.152PSK信號的接收系統(tǒng)方框圖（相干解調(diào)）2PSK信號接收數(shù)據(jù)序列

同步載波

c(t)=cosωct

同步時(shí)鐘

s(t)

eo(t)

LPF抽樣判決BPF解調(diào)器2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.3二進(jìn)制數(shù)字相位鍵控6.3.12PSK的調(diào)制與解調(diào)圖6.14

2PSK信號解調(diào)各點(diǎn)波形2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.3二進(jìn)制數(shù)字相位鍵控6.3.22PSK信號的頻譜和帶寬

圖6.172PSK信號的功率譜-2fb-fb0fb2fbf（Hz）Ps(f)基帶信號帶寬B=fb正頻率：0頻到第一零點(diǎn)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–2fb-fc-fc+2fb0fc-2fbfcfc+2fbf（Hz）

-fc–fb-fc+fbfc–fbfc+fb2PSK信號帶寬B2PSK=2fb

Pe(f)2PSK頻譜與2ASK頻譜有何區(qū)別？2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.4二進(jìn)制差分相位鍵控6.4.12DPSK的調(diào)制與解調(diào)ttTsTs二進(jìn)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?！?DPSK信號用前后碼元載波相位的變化量傳遞信息?！癞?dāng)輸入基帶數(shù)據(jù)為“0”時(shí)，輸出載波相位相對前一碼元變化△Φ=θ0；●當(dāng)輸入基帶數(shù)據(jù)為“1”時(shí)，輸出載波相位相對前一碼元變化△Φ=θ1

。本例中θ0=0，θ1=π2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.4二進(jìn)制差分相位鍵控6.4.12DPSK的調(diào)制與解調(diào)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?；鶐?shù)據(jù)信號s(t)與2DPSK信號eo(t)的波形示意圖

ttTsTs二進(jìn)制數(shù)據(jù)

1011010s(t)

2DPSK信號

eo(t)

2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.4二進(jìn)制差分相位鍵控6.4.12DPSK的調(diào)制與解調(diào)

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(fù)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(shí)，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(fù)。

2DPSK信號解調(diào)后恢復(fù)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(fù)。2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.4二進(jìn)制差分相位鍵控6.4.12DPSK的調(diào)制與解調(diào)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(jié)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(guān)系？eo(t)與s2(t)是何關(guān)系？差分碼和絕對碼中“0”“1”概率是否相同？2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.4二進(jìn)制差分相位鍵控6.4.12DPSK的調(diào)制與解調(diào)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/2二相調(diào)制移相信號矢量圖2023/7/30第6章數(shù)字信號的頻帶傳輸6.4二進(jìn)制差分相位鍵控6.4.12DPSK的調(diào)制與解調(diào)■差分編碼/解碼器實(shí)現(xiàn)差分編碼bn=an⊕bn-1tTsTs絕對碼{an}

1011010s(t)

差分碼{bn}110