第六章正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

第六章正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)第1頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1引言數(shù)字信號有兩種傳輸方式，一種是基帶傳輸方式，另一種就是本章要介紹的調(diào)制傳輸或稱為頻帶傳輸。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)然而，實(shí)際通信中，不少信道都不能直接傳送基帶信號。已討論的問題第2頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月在通信系統(tǒng)中實(shí)際使用的信道多為帶通型，例如各個(gè)頻段的無線信道、限定頻率范圍的同軸電纜等。而數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻成分，只適合在低通型信道中傳輸（比如雙絞線）。為了使數(shù)字信號能在帶通信道中傳輸，必須用基帶信號對載波波形的某些參量進(jìn)行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化，采用數(shù)字調(diào)制方式。第3頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月為什么一定要在帶通型信道中傳輸數(shù)字信號呢？這是因?yàn)閹ㄐ托诺辣鹊屯ㄐ托诺缼挻蟮枚?，可以采用頻分復(fù)用技術(shù)傳輸多路信號；另外，若要利用無線電信道，必須把低頻信號“變”成高頻信號。問題原因第4頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月與模擬調(diào)制一樣，數(shù)字調(diào)制也有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相三種形式。已討論過的問題以正弦波作為載波的模擬調(diào)制系統(tǒng)現(xiàn)在討論的問題以正弦波作為載波的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)第5頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月這三種形式是：振幅鍵控ASK、移頻鍵控FSK、移相鍵控PSK。(a)振幅鍵控;(b)移頻鍵控;(c)移相鍵控第6頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月模擬調(diào)制是對載波信號的參量進(jìn)行連續(xù)調(diào)制；數(shù)字調(diào)制是用載波信號的某些離散狀態(tài)來表征所傳輸?shù)男畔?。注意?頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理一、二進(jìn)制振幅鍵控ASK（通斷鍵控OOK）在2ASK中，載波幅度隨著調(diào)制信號1和0的取值而在兩個(gè)狀態(tài)之間變化。二進(jìn)制幅度鍵控中最簡單的形式稱為通——斷鍵控（OOK），即載波在數(shù)字信號1或0的控制下來實(shí)現(xiàn)通或斷。OOK信號的時(shí)域表達(dá)式為第8頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

g(t)為持續(xù)時(shí)間為Ts的矩形脈沖,an為二進(jìn)制數(shù)字信息，它的取值服從下述關(guān)系：出現(xiàn)概率為P出現(xiàn)概率為1-P

第9頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2ASK（OOK）信號是雙邊帶調(diào)幅信號。令則為雙邊帶調(diào)幅信號的時(shí)域表達(dá)式說明第10頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月OOK信號波形第11頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月（1)2ASK信號的產(chǎn)生與解調(diào)產(chǎn)生的方法有兩種：模擬法、鍵控法2ASK信號的產(chǎn)生及波形第12頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2ASK信號的解調(diào)方法也有兩種：相干解調(diào)（同步檢測法）非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）第13頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2ASK信號的接收系統(tǒng)組成方框圖(a)非相干方式、(b)相干方式第14頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2ASK信號的頻譜2ASK信號的表示：設(shè)e0(t)的功率譜密度為pe(f)、S(t)的功率譜密度為ps(f)第15頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

因S(t)是單極性的隨機(jī)矩形脈沖序列，所以利用前面得到的隨機(jī)基帶序列的功率譜的求法得到ps(f)第16頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)矩形波形g(t)的頻譜特點(diǎn)，對所有的m≠0的整數(shù)，有G(mfs)=0故上式變?yōu)椋旱?7頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月代入得：第18頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)概率P=1/2時(shí)，上式為：g(t)的頻譜為：矩形脈沖的頻譜第19頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月離散譜第22頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2ASK信號的功率譜離散譜第23頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月由圖可知，OOK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成，它的譜零點(diǎn)帶寬Bs=2fs，fs為基帶信號的譜零點(diǎn)帶寬，在數(shù)量上與基帶信號的碼元速率Rs相同。OOK信號的傳輸帶寬是碼元速率的2倍。OOK信號的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的2倍。結(jié)論說明第24頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

2FSK是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息的。在二進(jìn)制情況下，1對應(yīng)于載波頻率f1，0對應(yīng)于載波頻率f2。二、二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）第25頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月（1)產(chǎn)生方法：模擬法、鍵控法第26頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2FSK信號在形式上如同兩個(gè)不同頻率交替發(fā)送的ASK信號相疊加，因此已調(diào)信號的時(shí)域表達(dá)式為：這里，ω1=2πf1，ω2=2πf2，

是an的反碼,

和an可表示為概率為P

概率為1-P概率為P概率為1-P第27頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2FSK信號的波形如圖（a）所示，該波形可分解為圖（b）和圖（c）所示的波形。第28頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月相干檢測法、非相干檢測法、鑒頻法、過零檢測法、差分檢波法等。⑵2FSK信號的解調(diào)第29頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2FSK信號常用的接收系統(tǒng)(a)非相干方式(b)相干方式第30頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月注意這里的抽樣判決器是判定哪個(gè)輸入樣值大，此時(shí)可以不專門設(shè)置門限電平。第31頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2FSK信號還有其它的解調(diào)方法，其中過零檢測法是一種常用而簡便的解調(diào)方法。2FSK信號的過零點(diǎn)數(shù)隨載頻的變化而不同，因此，檢測出過零點(diǎn)數(shù)就可以得到載頻的差異，從而進(jìn)一步得到調(diào)制信號的信息。過零檢測法的原理框圖及各點(diǎn)波形如圖所示。第32頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月FSK信號經(jīng)限幅、微分、整流后形成與頻率變化相對應(yīng)的脈沖序列，由此再形成相同寬度的矩形波。此矩形波的低頻分量與數(shù)字信號相對應(yīng)，由低通濾波器濾出低頻分量，然后經(jīng)抽樣判決，即可得到原始的數(shù)字調(diào)制信號第33頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2FSK信號過零檢測法第34頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月FSK信號經(jīng)限幅、微分、整流后形成與頻率變化相對應(yīng)的脈沖序列，由此再形成相同寬度的矩形波。此矩形波的低頻分量與數(shù)字信號相對應(yīng)，由低通濾波器濾出低頻分量，然后經(jīng)抽樣判決，即可得到原始的數(shù)字調(diào)制信號第35頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月差分檢波法差分檢波法原理方框圖輸入信號經(jīng)帶通濾波器濾除帶外無用信號后，被分成兩路，一路直接送乘法器（平衡調(diào)制器）另一路經(jīng)時(shí)延τ送到乘法器，相乘后再經(jīng)低通濾波器提取信號。第36頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2FSK調(diào)制屬于非線性調(diào)制，因此，其頻譜特性研究比較困難，常用方法，把2FSK信號看成兩個(gè)2ASK信號相疊加設(shè)（3)2FSK信號的頻譜第37頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2ASK信號的功率譜：由此，可以得到2FSK信號的功率譜：分別是s1(t)、s2(t)的功率譜第38頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2FSK信號的功率譜表示為：第39頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)概率P=1/2時(shí)，上式可以寫成：因?yàn)間(t)是矩形脈沖，所以第40頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2FSK信號的功率譜由連續(xù)譜、離散譜組成，連續(xù)譜由兩個(gè)雙邊譜組成，離散譜出現(xiàn)在兩個(gè)載頻位置上。結(jié)論第42頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月若兩個(gè)載頻之差比較小，連續(xù)譜出現(xiàn)單峰若兩個(gè)載頻之差增大，連續(xù)譜出現(xiàn)雙峰傳輸2FSK信號所需的第一零點(diǎn)帶寬為：通常為節(jié)約帶寬，同時(shí)也能區(qū)分f1、f2，取第43頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2FSK信號功率譜調(diào)制指數(shù)（或頻移指數(shù)）h為Rs是數(shù)字基帶信號的速率功率譜以fc為中心對稱分布。在Δf較小時(shí)功率譜為單峰。隨著Δf的增大，f1和f2之間的距離增大，功率譜出現(xiàn)了雙峰。第45頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）是用二進(jìn)制數(shù)字信號控制載波的兩個(gè)相位，這兩個(gè)相位通常相隔π弧度，例如用相位0和π分別表示1和0，所以這種調(diào)制又稱二相相移鍵控（BPSK）。三、二進(jìn)制移相鍵控及二進(jìn)制差分相位鍵控（2PSK、2DPSK）第46頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二進(jìn)制相移鍵控信號的時(shí)域表達(dá)式為g(t)是脈寬為Ts的單個(gè)矩形脈沖，an為雙極性數(shù)字信號概率為P

概率為1-P

第47頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)觀察時(shí)。e0(t)為：cosωct概率為P

e0(t)=-cosωct概率為1-P

發(fā)“0”，an取+1，e0(t)取0相位發(fā)“1”，an取-1，e0(t)取π相位第48頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2PSK信號典型波形第49頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月以載波的不同相位直接去表示相應(yīng)數(shù)字信息的相位鍵控通常被稱為絕對移相方式。這種方式是發(fā)送端以某一個(gè)相位作基準(zhǔn)的，因而在接收系統(tǒng)中也必須有這樣一個(gè)固定基準(zhǔn)相位作參考。如果這個(gè)參考相位發(fā)生變化，則恢復(fù)的數(shù)字信息就會(huì)發(fā)生變化，造成錯(cuò)誤。出現(xiàn)的問題第50頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月參考基準(zhǔn)相位的隨機(jī)跳變是可能的，而且在通信過程中不易發(fā)現(xiàn)。采用2PSK方式就會(huì)在接收端發(fā)生錯(cuò)誤的恢復(fù)。常稱為2PSK方式的“倒π現(xiàn)象”或“反向工作現(xiàn)象“。在實(shí)際通信中這樣現(xiàn)象第51頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際中一般不采用2PSK方式，而采用2DPSK方式因此在2PSK信號中，調(diào)制信號的1和0對應(yīng)的是兩個(gè)確定不變的載波相位（比如0和π），由于它是利用載波相位絕對數(shù)值的變化傳送數(shù)字信息的，因此又稱為絕對調(diào)相。注意第52頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月而利用前后碼元載波相位相對數(shù)值的變化也同樣可以傳送數(shù)字信息，這種方法稱為相對調(diào)相（2DPSK）。2DPSK方式：利用前后碼元載波相位相對數(shù)值的變化傳送數(shù)字信息的方式。重要概念第53頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月如：相位值用相位偏移ΔΦ表示（本碼元與前一碼元相位之差）設(shè)：ΔΦ=π對應(yīng)數(shù)字信息“1”

ΔΦ=0對應(yīng)數(shù)字信息“0”例如：數(shù)字信息：00111001012DPSK信號相位：000π0πππ00π或πππ0π000ππ0也可設(shè)：ΔΦ=π對應(yīng)數(shù)字信息“0”

ΔΦ=0對應(yīng)數(shù)字信息“1”第54頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月波形相對碼與絕對碼的關(guān)系：an表示絕對碼、bn表示相對碼第55頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2DPSK波形的同一相位并不對應(yīng)相同的數(shù)字信息符號，而前后碼元相對相位的差才唯一決定信息符號。解調(diào)2DPSK信號時(shí)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(guān)系不破壞就可以。注意2DPSK、2PSK的波形不同說明第56頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月單從波形上看，2PSK、2DPSK是無法辨認(rèn)的。2DPSK信號也可以看作是另一符號序列經(jīng)絕對移相而形成。（2DPSK信號可以看作是把絕對碼變成相對碼，在根據(jù)相對碼進(jìn)行相對移相而形成）避免了2PSK方式中的“倒π現(xiàn)象”的發(fā)生。優(yōu)點(diǎn)注意第57頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月用矢量圖來說明參考相位，在絕對移相中，是未調(diào)制載波的相位，在相對移相中，是前一碼元的相位。注意第58頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2PSK、2DPSK信號的調(diào)制與解調(diào)2PSK、2DPSK信號的調(diào)制方框圖第59頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2PSK信號的解調(diào)第60頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2DPSK信號的解調(diào)第61頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2PSK信號的頻譜2PSK信號的表示：2ASK信號的表示：形式完全相同，所不同的是an取值比較兩式第62頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月求2PSK信號的功率譜密度時(shí)，可以采用與求2ASK信號的功率譜密度相同的方法。則2PSK信號的功率譜密度可以寫成：因此第63頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月由于是雙極性信號，故上式可寫成：若P=1/2，則上式變?yōu)椋旱?4頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2PSK信號的功率譜同樣由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成。但當(dāng)雙極性基帶信號以相等的概率出現(xiàn)時(shí)，將不存在離散譜部分，連續(xù)譜部分與2ASK信號的連續(xù)譜基本相同，2PSK信號的帶寬也與2ASK信號的相同。對2DPSK信號的頻譜與2PSK信號的完全相同。結(jié)論因此第65頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制是利用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號去調(diào)制載波的振幅、頻率、相位多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制：多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制（多電平調(diào)制）多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制（多頻制）多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制（多相制）第66頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月與二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制相比具有以下特點(diǎn)：（1）在相同的碼元傳輸速率下，多進(jìn)制系統(tǒng)的信息傳輸速率比二進(jìn)制系統(tǒng)的高。（2）在相同的信息速率下，多進(jìn)制碼元傳輸速率比二進(jìn)制低，因而多進(jìn)制信號碼元的持續(xù)時(shí)間比二進(jìn)制的長。第67頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月一、多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制的原理二電平和多電平的調(diào)制波形多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制的原理是2ASK方式的推廣第68頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二電平調(diào)制波形可表示為：出現(xiàn)概率為P出現(xiàn)概率為1-P對M電平調(diào)制信號可表示為：第69頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月M電平的調(diào)制波形可以看成是由時(shí)間上不重疊的M個(gè)不同振幅值的2ASK信號的疊加。它的功率譜可以看成由時(shí)間上不重疊的M個(gè)不同信號的功率譜之和。盡管疊加后的譜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但就信號的帶寬而言，M電平調(diào)制信號的帶寬與二電平的相同，但傳信率比二進(jìn)制高。說明所以第70頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制的原理多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制的原理是2FSK方式的推廣多頻制系統(tǒng)的組成方框圖第71頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制的原理1、多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制的原理是用載波的多種不同相位（或相位差）來表示數(shù)字信息的調(diào)制方式分為；絕對移相和相對移相與二進(jìn)制一樣第72頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月多相制波形的表示：M種相位可以用來表示K比特碼元的2K種狀態(tài)即M=2K假設(shè)K比特碼元的持續(xù)時(shí)間為Ts，則M相調(diào)制波形可以表示為；第73頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月多相調(diào)制的波形可以看作是對兩個(gè)正交載波進(jìn)行多電平調(diào)制所得信號之和φK是受調(diào)相位，可以有M種不同取值說明第74頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月四相制可以分為：四相絕對移相鍵控（4PSK、QPSK）四相相對移相鍵控（4DPSK、QDPSK）多相制使用最廣泛的是四相制和八相制與二相制相似第75頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴四相絕對移相鍵控（4PSK、QPSK）利用載波的四種不同相位來表征數(shù)字信息四種不同的相位可以代表四種不同的數(shù)字信息對輸入的二進(jìn)制數(shù)字序列先進(jìn)行分組，每兩個(gè)比特為一組，然后用四種不同的載波相位去表征它們。稱為雙比特碼元。下面給出雙比特碼元與載波相位的關(guān)系以及信號的矢量圖：由于因此第76頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第77頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月QPSK信號的矢量圖（a)為A方式(b)為B方式第78頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月下面討論QPSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)產(chǎn)生有調(diào)相法和相位選擇法①調(diào)相法第79頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第80頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月②相位選擇法相位選擇法組成方框圖第81頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月QPSK信號的解調(diào)QPSK信號可以看作是兩個(gè)正交2PSK信號的合成因此可以采用與2PSK信號類似的解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)QPSK信號解調(diào)方框圖第82頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵四相相對移相鍵控（QDPSK）利用前后碼元之間的相對相位變化來表示數(shù)字信息。以前一碼元相位作為參考，

則，信息編碼與載波相位變化關(guān)系仍可以表示：為本碼元與前一碼元的初相差若第83頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月φk應(yīng)該為注意第84頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月矢量關(guān)系也可以表示為：參考相位應(yīng)該是前一碼元的相位注意第85頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月QDPSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)（1）產(chǎn)生前面介紹過對2DPSK信號，先將絕對碼變成相對碼，用相對碼進(jìn)行絕對移相同樣QDPSK信號的產(chǎn)生也可以采用這種方法。通常采用的方法有：碼變換加調(diào)相法、碼變換加相位選擇法。第86頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月QDPSK信號產(chǎn)生方法碼變換器將輸入的ab變換為cd，由cd產(chǎn)生的QPSK信號與ab的關(guān)系能滿足下表的要求

對cd而言是絕對移相；對ab是相對移相注意第87頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)輸入雙比特?cái)?shù)據(jù)為00時(shí)，調(diào)相信號的載波相位相對于前一雙比特碼元的載波相位不變?yōu)?1時(shí)相對于前一碼元的載波相位變化900碼變換器完成的邏輯功能為：由此看來第88頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第89頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月QDPSK信號的解調(diào)與2DPSK信號一樣，也有極性比較法、相位比較法極性比較法相位比較法第90頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月四、振幅相位聯(lián)合鍵控（APK）系統(tǒng)在系統(tǒng)帶寬一定的條件下，多進(jìn)制調(diào)制的信息傳輸速率比二進(jìn)制的高，即多