1、 數字帶通傳輸第7章二進制數字調制/解調原理 2ASK 2FSK 2PSK/2DPSK 二進制數字調制系統抗噪聲性能二進制數字調制系統的性能比較多進制數字調制原理和特點 本章內容: 第7章 數字調制 u數字調制：用數字調制：用數字基帶信號數字基帶信號控制載波某個參數的過程。控制載波某個參數的過程。u數字帶通傳輸系統：包括調制數字帶通傳輸系統：包括調制/ /解調過程的數字傳輸系統。解調過程的數字傳輸系統。 振幅鍵控 頻移鍵控 相移鍵控q模擬調制法模擬調制法 q數字鍵控法數字鍵控法q二進制二進制和多進制調制q基本調制基本調制和新型調制方法Amplitude Shift Keying Frequen

2、cy Shift Keying Phase Shift Keying ASK PSK FSK 概 述 二進制數字調制原理7.1 1 0 1 101s(t)載波2ASKt2ASK( )( )coscets tt( )()snns tg tnTa+1,=0,1nPaP（）n 表達式： 2ASK 也稱 OOKttn 原理：n 波形：單極性單極性Tss(t)載波幅度7.1.1 二進制振幅鍵控 （2ASK）n2ASK 產生u模擬調制法 u鍵控法n 2ASK 解調 u 包絡檢波法u 相干解調法u 包絡檢波法的各點波形相呼應n原理：n波形：n表達式：2FSK1122( )( )cos( )cosets tt

3、s tt 1()snns tg tnTa 2()snnstg tnTas(t)7.1.2 二進制頻移鍵控（2FSK）一、一、2FSK信號的產生信號的產生1、采用模擬調頻電路來實現，如下圖（、采用模擬調頻電路來實現，如下圖（a）；）； 2、采用數字鍵控的方法來實現，如下圖（、采用數字鍵控的方法來實現，如下圖（b）。）。模擬調頻器)(ts)(0te)(a)(ts載波1載波2)(0teK)(b)(0te)(ts)(c圖圖 二進制移頻鍵控二進制移頻鍵控2FSK信號的產生及波形信號的產生及波形1 0 0 1 u模擬調頻法：相鄰碼元之間的相位是連續變化的。相鄰碼元之間的相位是連續變化的。u 鍵控法：相鄰碼

4、元之間的相位不一定連續。相鄰碼元之間的相位不一定連續。特點特點：轉換速度快、電路簡單、轉換速度快、電路簡單、 產生的波形好、頻率穩定度高產生的波形好、頻率穩定度高。圖圖 二進制移頻鍵控信號的時間波形二進制移頻鍵控信號的時間波形aak1011001ts(t)ts(t)bttcdettfgt2FSK信號三、三、2FSK信號的解調信號的解調1、非相干解調，如圖（、非相干解調，如圖（b）；）；2、相干解調，如圖（、相干解調，如圖（a）。）。3、過零檢測法；、過零檢測法；圖圖79二進制移頻鍵控信號解調器原理圖二進制移頻鍵控信號解調器原理圖 e2FSK(t)帶 通 濾 波 器1包 絡檢 波 器抽 樣判 決

5、 器輸 出定 時 脈 沖帶 通 濾 波 器包 絡檢 波 器(a)e2FSK(t)帶 通 濾 波 器1低 通濾 波 器抽 樣判 決 器輸 出定 時 脈 沖帶 通 濾 波 器低 通濾 波 器相 乘 器相 乘 器cos1tcos2t(b)s1s1s2s2u 包絡檢波法n 2FSK 解調 0101111000001012FSK信號2FSK非相干解調過程的時間波形非相干解調過程的時間波形 s1(t)s2(t)0u 過零檢測法n FSK應用：應用：n原理：n波形：n表達式：2PSK( )( )coscets tt1,1,1nPaP00,1n， 發“ ”時發“ ”時雙極性雙極性s(t)載波相位nsnnTtg

6、ats)()(7.1.3 二進制相移鍵控 （2PSK）圖圖 2PSK信號的波形信號的波形A ATstO數字信息 0 1 1 0n 2PSK 產生 u鍵控法u模擬調制法圖圖7 - 142PSK信號的解調原理圖信號的解調原理圖帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器信號輸入PSK2二進制信息本地載波定時脈沖l 2PSK 解調 圖圖 7 -152PSK信號相干解調各點時間波形信號相干解調各點時間波形 10a110100bcde11111110000信碼信碼波形波形PSK2本地載波相乘器輸出低通輸出信碼11111110000 2PSK信號相干解調各點時間波形如圖信號相干解調各點時間波形如圖7-14 所示。

7、所示。 當恢當恢復的相干載波產生復的相干載波產生180倒相時，解調出的數字基帶信號將倒相時，解調出的數字基帶信號將與發送的數字基帶信號正好是相反，解調器輸出數字基帶信與發送的數字基帶信號正好是相反，解調器輸出數字基帶信號全部出錯。號全部出錯。 這種現象通常稱為這種現象通常稱為“倒倒”現象。由于在現象。由于在2PSK信號的載信號的載波恢復過程中存在著波恢復過程中存在著180的相位模糊，所以的相位模糊，所以2PSK信號的相信號的相干解調存在隨機的干解調存在隨機的“倒倒”現象，從而使得現象，從而使得2PSK方式在實際方式在實際中很少采用。中很少采用。 利用前后相鄰碼元的載波相對相位表示信息。 n 矢

8、量圖:B方式 A方式 n 原理：7.1.4 二進制差分相移鍵控 （2DPSK）參考相位參考相位0022)(a)(bn 波形:示例:n 差分編碼規則：為模2加bn-1為 bn的前一碼元 最初bn-1可任意設定000001111100000011111數字信息信號PSK2信號DPSK2絕對碼相對碼參考相位n 2DPSK 產生u 構思u 模型（差分編碼）2DPSK信號的產生信號的產生 2DPSK信號的實現方法可以采用：對絕對碼作相對相移信號的實現方法可以采用：對絕對碼作相對相移 對相對碼作絕對相移對相對碼作絕對相移1、首先對二進制數字基帶信號、首先對二進制數字基帶信號(絕對碼絕對碼)進行碼變換，即將

9、絕對進行碼變換，即將絕對碼轉換為相對碼，然后對相對再進行絕對調相，從而產生碼轉換為相對碼，然后對相對再進行絕對調相，從而產生2DPSK信號。信號。 如圖如圖7-19 （a）所示。）所示。 若設若設 an為絕對碼，為絕對碼，bn為相對碼（差分碼）為相對碼（差分碼） 則則 bn=an bn-12、鍵控法。如圖、鍵控法。如圖7-19（b）所示。）所示。)(a電平轉換相乘載波單極性)(ts)(0te雙極性碼變換載波相移)(ts)(0te0K)(b碼變換圖圖719 2DPSK的調制方框圖的調制方框圖2DPSK信號調制過程波形圖信號調制過程波形圖絕 對 碼相 對 碼載 波DPSK信 號10110010 1

10、 0 0 1 0 1 1 0 設初態為設初態為0 an bn 參考參考 1、相干解調方式、相干解調方式(極性比較法極性比較法)：解調原理是對：解調原理是對2DPSK信號進信號進行相干解調，恢復出相對碼；對相對碼再進行碼反變換，行相干解調，恢復出相對碼；對相對碼再進行碼反變換，變換為絕對碼，從而恢復出發送的二進制數字信息。變換為絕對碼，從而恢復出發送的二進制數字信息。2、差分相干解調（相位比較法）：解調原理是直接比較前后、差分相干解調（相位比較法）：解調原理是直接比較前后碼元的相位差，從而恢復發送的二進制數字信息。由于解碼元的相位差，從而恢復發送的二進制數字信息。由于解調的同時完成了碼反變換作用

11、，故解調器中不需要碼反變調的同時完成了碼反變換作用，故解調器中不需要碼反變換器。由于差分相干解調方式不需要專門的相干載波，因換器。由于差分相干解調方式不需要專門的相干載波，因此是一種非相干解調方法。此是一種非相干解調方法。 n 2DPSK 的解調的解調（1）2DPSK 相干解調 + 碼反變換法1nnnbba2DPSK信號相干解調器原理圖和解調過程各點時間波形信號相干解調器原理圖和解調過程各點時間波形高電平判高電平判1,低電平判低電平判0時初態應設時初態應設1 (a)abcdef(b)帶 通濾 波 器e2DPSK(t)a相 乘 器c低 通濾 波 器dbe抽 樣判 決 器輸 出cosct定 時 脈

12、 沖碼 反變 換 器f1011000設初態為設初態為11 1 1 0 0 1 0 00帶 通濾 波 器相 乘 器低 通濾 波 器抽 樣判 決 器定 時脈 沖輸 出)(D PSK2tetccos碼 反變 換 器abcdef低電平判低電平判1,高電平判高電平判0時初態應設時初態應設0 （2） 2DPSK 差分相干解調 (相位比較)法相乘器 起著相位比較的作用圖圖7.212DPSK信號差分相干解調器原理圖和解調過程各點時間波形信號差分相干解調器原理圖和解調過程各點時間波形帶 通濾 波 器a相 乘 器c低 通濾 波 器dbe抽 樣判 決 器定 時 脈 沖(a)延 遲TsabcdeDPSK信 號二 進

13、制 信 息10001100參考參考反相反相u注：相位變化表示注：相位變化表示“1”u 相位不變表示相位不變表示“0” 時，時，2DPSK的差分相干解調抽樣判決器的規則是：低的差分相干解調抽樣判決器的規則是：低電平判為電平判為1，高電平判為，高電平判為0。u 相位變化表示相位變化表示“0”u 相位不變表示相位不變表示“1” 時，時，2DPSK的差分相干解調法，抽樣判決器的規則是：的差分相干解調法，抽樣判決器的規則是：低電平判為低電平判為0，高電平判為，高電平判為1。 。 n 分析目的：B 和 fcn 分析方法：借助于基帶信號的功率譜Power Spectral Density7.1.5 二進制數

14、字已調信號的功率譜 (PSD)設 Ps (f) s(t) 的PSD P2ASK (f) 2ASK信號的PSD則2ASK(c)os(cs tett2ASK1( )(4(ccssP fP fPfff1 2ASK可見， P2ASK (f) 是Ps (f)的線性搬移（屬線性調制）。單極性單極性基帶帶寬基帶帶寬BfB22ASKfB = 1/TB=RB2PSK信號的頻譜與2ASK的十分相似；帶寬也是基帶信號帶寬的兩倍：區別僅在于當P=1/2時，譜中無離散譜（即載波分量）。22PSK/2DPSK 2PSK( )coscets tt雙極性雙極性21122( )( )cos( )cosFSKets tts tt

15、3 2FSK信號 連續譜形狀隨著兩個載頻之差的大小而變化 譜零點帶寬：21212ssffffff雙峰；單峰 二進制數字調制系統 抗噪聲性能7.2概 述 n性能指標性能指標：系統的誤碼率 Pe：借用數字基帶系統的方法和結論 n分析條件分析條件：恒參信道（傳輸系數取為 K ） 信道噪聲是加性高斯白噪聲n背景知識背景知識： 窄帶噪聲 正弦波+窄帶噪聲cos(,10,0)TcttAs發“”時發“ ”時cos1)00( )iician ty tn tt發“”時發“ ”時a = kA(cos1)(0)0()cn taty tn t發“”時發“ ”時7.2.1 2ASK系統的抗噪聲性能n 2ASK-相干解調

16、 2ASK信號相干相干解調時系統的總誤碼率為222narr 1時時解調器輸入端信噪比 1()22 2enPerfca ”時時發發“”時時發發“001)()(cos)(tntntatyc ttnttntncscc sin)(cos)()( n 2ASK-包絡檢波 正弦波+窄帶高斯噪聲 窄帶高斯噪聲( )V t包絡檢波器 整流-低通l實際情況實際情況 系統工作在大信噪比情況下，最佳門限應取： 此時，系統的總誤碼率為：421441reererfcP當 r 時，上式的下界為：歸納歸納接收端帶通濾波器帶寬為： 帶通濾波器輸出噪聲平均功率為：信噪比為：解解Hz016 . 926 BRBW0192. 1n8

17、02 Bn 26281 10122 1.92 1206nar例例(1) 同步檢測同步檢測法解調時系統的誤碼率為(2) 包絡檢波包絡檢波法解調時系統的誤碼率為45 . 666. 126.1014163114eerPr/e45 . 64105 . 72121eePre評注評注r 1時時l 2FSK-相干解調相干解調系統的總誤碼率為222nar 7.2.2 2FSK 對比：2FSK -相干解調相干解調系統的總誤碼率2FSK- 包絡檢波包絡檢波系統的總誤碼率為r 1n 2FSK-包絡檢波 1200Hz30029801580B2FSKfffB212BB22H600 zBfR（2）上、下支路帶通濾波器(B

18、PF)的帶寬近似為：解解例例（3） 同步解調同步解調時系統的誤碼率: 信道輸出端信噪比為 6dB（即4），帶通濾波器輸出端（解調器輸入端)的信噪比為：48107 . 1eePre21212581039. 3e321221reerP1644r因此，包絡檢波包絡檢波時系統的誤碼率：在任意一個TB內， 2PSK 和2DPSK都可表示為：2PSK 信號信號2DPSK 信號信號原始數字信息原始數字信息（絕對碼絕對碼）相對碼相對碼7.2.3 2PSK/2DPSKcos1(co)0sccTAtAtst，發送“”時， 發送“ ”時( )cos( )sin( )cos( )si( )nccscccscan tt

19、n ttan ttn tytt ,1( )( ),0)ccn tn tx taa 發“”時發“ ”時cos1( )cos0cTcAtstAt， 發“”時， 發“ ”時 1 2PSK相干解調系統相干解調系統 因此，x(t)的一維概率密度函數為:,1( )( ),0)ccn tn tx taa 發“”時發“ ”時高斯噪聲( 0， n2 )高斯噪聲( a， n2 )與雙極性基帶系統 的情況類似,1( )( ),0)ccaan tx tn t發“”時發“ ”時=雙極性基帶信號+高斯噪聲( )( )( )RRAntx tAnt可見可見因此，借助雙極性基帶系統的分析結果：可方便地得到2PSK-相干相干系統

20、的分析結果：2PSK信號相干相干解調系統的總誤碼率：222narr 1時時解調器輸入端信噪比 1()22enPerfacf點：絕對碼絕對碼序列。只需在Pe2PSK基礎上考慮碼反變換器 對誤碼率的影響即可。e點：相對碼相對碼序列。由2PSK誤碼率公式來確定：在大信噪比（r 1）時，Pe 0，判為“1”正確 x 0 ，判為“0”錯誤判決判決l2DPSK -差分相干解調差分相干解調系統的總誤碼率為：reeP217.3 二進制數字調制系統 性能比較 /41err124ePerfcr/412ePere122Perfcr/212err/212ePer12ePerrfc12rer()ePerfcr1rer1

21、2erPe 1 誤碼率 可靠性 222nar2002nsn BnT/41err124ePerfcr/412ePere122Perfcr/212err/212ePer12ePerrfc12rer()ePerfcr1rer12erPe討論討論2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK/41err124ePerfcr/412ePere122Perfcr/212err/212ePer12ePerrfc12rer()ePerfcr1rer12erPe討論討論2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK2 2A AS SK K2 2F FS SK K2 2P PS SK Kr r= = 2 2r r= = 4

22、4r r/41err124ePerfcr/412ePere122Perfcr/212err/212ePer12ePerrfc12rer()ePerfcr1rer12erPe討論討論2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK2 2A AS SK K2 2F FS SK K2 2P PS SK Kr r= = 2 2r r= = 4 4r re PeP相干非相干討論討論2PSK、2DPSK、2FSK、2ASKe11) )時時, , 兩者性能相差不大。兩者性能相差不大。lB2FSK不僅與基帶信號帶寬有關，且與兩個載頻之差有關。l設基帶信號的譜零點帶寬為RB=1/TS，則有：l在RB一定時一定時，2FS

23、K的頻帶利用率最低，有效性最差。 2 頻帶帶寬有效性 2ASK：*/2ba2PSK：*0b 2FSK： 3 對信道特性變化的敏感性 通常，非相干非相干方式 比 相干相干方式簡單。 這是因為相干解調需要提取相干載波， 故設備相對復雜些，成本也略高。 4 設備的復雜度綜述綜述7.4 引言二進制進制：每個碼元只攜帶每個碼元只攜帶 1 bit 信息信息2log MbBRRMlog 2Mn MASK可看成是二進制振幅鍵控（可看成是二進制振幅鍵控（2ASK）的推廣。）的推廣。MASKsc1( )()cosMnneta g tnTt120,1,1,nMPPaMP 以概率 以概率以概率且有且有11MiiP7.

24、4.1 多進制振幅鍵控 （MASK）n 4ASK信號振幅有信號振幅有4種取值，每個碼元含種取值，每個碼元含2bit。n MASK調制調制: 與與2ASK的產生方法相似，區別在于的產生方法相似，區別在于: :發送端輸入的發送端輸入的進制數字基帶信號需要先經過電平變進制數字基帶信號需要先經過電平變換器轉換為換器轉換為M電平的基帶脈沖，然后再去調制。電平的基帶脈沖，然后再去調制。n MASK解調解調:與與2ASK信號解調也相似，有相干和非相干解調兩種。信號解調也相似，有相干和非相干解調兩種。lMASK信號的功率譜信號的功率譜 與與 2ASK信號具有相似的形式信號具有相似的形式;l譜零點帶寬是譜零點帶

25、寬是 M 進制數字基帶信號帶寬的兩倍。進制數字基帶信號帶寬的兩倍。l在在 Rb相同時，相同時，MASK信號帶寬是信號帶寬是 2ASK的的 1 / log2M 倍倍 。222logbBRBRM222logBbBTTMl MASK的抗噪聲能力差，的抗噪聲能力差，l 常用多進制正交振幅調制（常用多進制正交振幅調制（MQAM）來代替。）來代替。n MFSK可視為可視為2FSK方式的推廣。方式的推廣。n 4FSK采用采用 4種種不同的不同的頻率頻率分別表示分別表示雙比特雙比特信息：信息：7.4.2 多進制頻移鍵控 （MFSK）n MFSK調制與解調的原理框圖：調制與解調的原理框圖：l要求載頻之間的距離足

26、夠大，以便用濾波器分要求載頻之間的距離足夠大，以便用濾波器分離不同頻率的譜離不同頻率的譜。lMFSK信號占用較寬的頻帶，信道頻帶利用率不高。信號占用較寬的頻帶，信道頻帶利用率不高。lMFSK一般用于一般用于 調制速率調制速率(1/TB) 不高的不高的衰落信道衰落信道 傳輸傳輸場合。場合。BMTffB217.4.3 多進制相移鍵控 （MPSK）1. 1. 多進制數字相位調制多進制數字相位調制(MPSK)(MPSK)的原理的原理 多進制數字相位調制又稱多相制，它是利用載波的多進制數字相位調制又稱多相制，它是利用載波的多種不同相位（或相位差）來表征數字信息的調制方式。多種不同相位（或相位差）來表征數

27、字信息的調制方式。與二進制數字相位調制相同，多進制數字相位調制也有與二進制數字相位調制相同，多進制數字相位調制也有絕對相位調制和差分相位調制兩種。絕對相位調制和差分相位調制兩種。 2 4PSK 調制l QPSK的每一種載波相位代表兩個比特的每一種載波相位代表兩個比特： （00、01、10 或或 11）l 兩個比特的組合兩個比特的組合 稱做稱做 雙比特雙比特 碼元，記為碼元，記為 a b1 1）雙比特與載波相位的關系）雙比特與載波相位的關系n 矢量圖 注：注：對應關系可有不同對應關系可有不同規定，但相鄰碼組應符規定，但相鄰碼組應符合合格雷碼格雷碼編碼規則編碼規則n 波形 n 正交調相法2） QP

28、SK調制-sin0t相干載波產生相乘電路相乘電路/2相移串/并變換相加電路cos0tA(t)s(t) 圖圖7-36正交調相法產生正交調相法產生QPSK信號信號ab 根據當時的雙比特根據當時的雙比特ab，選相電路從候選的選相電路從候選的4 4個相位中選擇相應相位的載波輸出。個相位中選擇相應相位的載波輸出。n 相位選擇法abB方式方式原理：原理：n 解決方案解決方案：采用四相相對相位調制，即QDPSK。n 存在問題存在問題：存在900的相位模糊（0, 90, 180, 270） n 原理原理：分解為兩路2PSK信號的相干解調。3 QPSK 解調相干載波相干載波相乘器相乘器低通低通抽樣判決抽樣判決器

29、器信號輸入QPSKtccos/2/2移相移相相乘器相乘器低通低通抽樣判決抽樣判決器器a二進制信息定時并并/串變換串變換tcsin定時b圖圖7-40 QPSK信號解調方框圖信號解調方框圖 yA(t)yB(t)XA(t)XB(t)B方式方式設接收到的信號為設接收到的信號為 s(t)=Acos(ct+ k)其中，其中， k=/4、3/4、5/4、7/4上、下支路相乘器的輸出分別為上、下支路相乘器的輸出分別為 yA(t)=A/2 cosk + A/2 cos(2ct+ k yB(t)=A/2 sink - A/2 sin(2ct+ k)經經LPF輸出后，分別為輸出后，分別為 XA= A/2 cosk XB= A/2 sink 則抽樣判決器輸出為則抽樣判決器輸出為k 的相位Cosk極性Sink極性判決輸出ab/4+113/4-+015/4-007/4+-10l跳變周期跳變周期 2Tbl帶寬帶寬 B = Rbn QPSK 特點：特點： l相位跳變：相位跳變：0, 90, 180 l最大相位跳變最大相位跳變180，使使限帶限帶的的QPSK信號包絡起信號包絡起伏很大，并出現包絡零點。伏很大，并出現包絡零點。l頻譜擴展大，旁瓣對鄰道干擾大。頻譜擴展大，旁瓣對鄰道干擾大。n QPSK 缺點：缺點： 7.4.4 多進制相移鍵