1、1第第3章章 調制技術調制技術數字帶通傳輸系統數字帶通傳輸系統 2無線通信為什么要進行調制？1)天線只能高效地發送頻率與天線尺寸相天線只能高效地發送頻率與天線尺寸相適應的信號。低頻信號波長太長。適應的信號。低頻信號波長太長。2）提高無線通信時的天線輻射效率。提高無線通信時的天線輻射效率。3）把多個基帶信號分別搬移到不同的載頻）把多個基帶信號分別搬移到不同的載頻處，以實現信道的多路復用，提高信道利處，以實現信道的多路復用，提高信道利用率。用率。3l調制的基本概念調制的基本概念n調制 把信號轉換成適合在信道中傳輸的形式的一種過程。n廣義調制 分為基帶調制和帶通調制（也稱載波調制）。 n調制信號 指

2、來自信源的基帶信號 n載波調制 用調制信號去控制載波的參數的過程。n載波 未受調制的周期性振蕩信號，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。n已調信號 載波受調制后稱為已調信號。n解調（檢波） 調制的逆過程，其作用是將已調信號中的調制信號恢復出來。 4第3章數字帶通傳輸系統l概述概述n數字調制：把數字基帶信號變換為數字帶通信號（已調信號）的過程。n數字帶通傳輸系統：通常包括調制和解調過程的數字傳輸系統。n數字調制技術有兩種方法：u利用模擬調制的方法去實現數字式調制；u通過開關鍵控載波，通常稱為鍵控法鍵控法。u基本鍵控方式：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章數字帶通傳輸

3、系統l3.1 二進制數字調制原理二進制數字調制原理n3.1.1 二進制振幅鍵控(2ASK）u基本原理：p“通-斷鍵控(OOK)”信號表達式 p波形”時發送“以概率，”時發送“以概率0P101Pt,Acos)(cOOKte6第3章數字帶通傳輸系統u2ASK信號的一般表達式其中 Ts 碼元持續時間； g(t) 持續時間為Ts的基帶脈沖波形，通常假設是高 度為1，寬度等于Ts的矩形脈沖； an 第N個符號的電平取值，若取則相應的2ASK信號就是OOK信號。 ttsteccos)(2ASKnsnnTtgats)()(P0P1an1,概率為概率為7第3章數字帶通傳輸系統u2ASK信號產生方法模擬調制法（

4、相乘器法）鍵控法乘法器)(2teASK二進制不歸零信號tccos)(tstccos)(ts)(2teASK開關電路8第3章數字帶通傳輸系統u2ASK信號解調方法 p非相干解調(包絡檢波法) p相干解調(同步檢測法) 帶通濾波器全波整流器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖輸出)(2teASKabcd帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖輸出)(2teASKtccos9第3章數字帶通傳輸系統p非相干解調過程的時間波形 10第3章數字帶通傳輸系統u功率譜密度 2ASK信號可以表示成 式中 s(t) 二進制單極性隨機矩形脈沖序列設：Ps (f) s(t)的功率譜密度 P2ASK (f) 2ASK信號的

5、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（屬線性調制）。 知道了Ps (f)即可確定P2ASK (f) 。 ttsteccos)(2ASK)()(41)(2ASKcscsffPffPfP11第3章數字帶通傳輸系統其曲線如下圖所示,2ASK信號的功率譜密度示意圖 12第3章數字帶通傳輸系統p從以上分析及上圖可以看出： 2ASK信號的功率譜由連續譜和離散譜兩部分組成；連續譜取決于g(t)經線性調制后的雙邊帶譜，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，若只計譜的主瓣（第一個譜零點位置），則有式中 fs = 1/Ts即，2A

6、SK信號的傳輸帶寬是碼元速率的兩倍。 sASKfB2213第7章數字帶通傳輸系統n3.1.2 二進制頻移鍵控（2FSK）u基本原理 p表達式：在2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化。故其表達式為 ”時發送“”時發送“0),cos(A1),cos(A)(212FSKnnttte14第3章數字帶通傳輸系統p典型波形：p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2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加。15第7章數字帶通傳輸系統u2FSK信號的產生方法 p采用模擬調頻電路來實現：信號在相鄰碼元之間的相位是連續變化的

7、。p采用鍵控法來實現：相鄰碼元之間的相位不一定連續。振蕩器1f1反相器振蕩器2f2選通開關選通開關相加器基帶信號)(2teFSK16第3章數字帶通傳輸系統u2FSK信號的解調方法p非相干解調帶通濾波器帶通濾波器抽樣判決器輸出包絡檢波器包絡檢波器12)(2teFSK定時脈沖17第3章數字帶通傳輸系統p相干解調帶通濾波器帶通濾波器抽樣判決器輸出低通濾波器低通濾波器12)(2teFSK定時脈沖相乘器相乘器t1cost2cos18第3章數字帶通傳輸系統u功率譜密度對相位不連續的2FSK信號，可以看成由兩個不同載頻的2ASK信號的疊加，它可以表示為 其中，s1(t)和s2(t)為兩路二進制基帶信號。據2

8、ASK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：ttsttsteFSK22112cos)(cos)()()()(41)()(41)(221122211ffPffPffPffPfPssssFSK19第3章數字帶通傳輸系統l20第3章數字帶通傳輸系統由上圖可以看出：p相位不連續2FSK信號的功率譜由連續譜和離散譜組成。其中，連續譜由兩個中心位于f1和f2處的雙邊譜疊加而成，離散譜位于兩個載頻f1和f2處；p連續譜的形狀隨著兩個載頻之差的大小而變化，若| f1 f2 | fs ，則出現雙峰；p若以功率譜第一個零點之間的頻率間隔計算2FSK信號的帶寬，則其帶寬近似為其中，f

9、s = 1/Ts為基帶信號的帶寬。圖中的fc為兩個載頻的中心頻率。sfffB2122FSK21第3章數字帶通傳輸系統n3.1.3 二進制相移鍵控（2PSK） u2PSK信號的表達式：在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進制“1”和“0”。因此，2PSK信號的時域表達式為 式中，n表示第n個符號的絕對相位：因此，上式可以改寫為)cos(A)(2PSKnctte”時發送“”時發送“，1,00nPtPttecc1,cosA,cosA)(2PSK概率為概率為22第3章數字帶通傳輸系統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雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦載波的相乘：式中這

10、里，g(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖，而an的統計特性為 ttsteccos)(2PSKnsnnTtgats)()(PPan1, 1, 1概率為概率為23第3章數字帶通傳輸系統u即發送二進制符號“0”時（an取+1），e2PSK(t)取0相位；發送二進制符號“1”時（ 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二進制數字信號的調制方式，稱為二進制絕對相移絕對相移方式方式。u典型波形24第3章數字帶通傳輸系統u2PSK信號的調制器原理方框圖p模擬調制的方法 p鍵控法 乘法器)(2tePSK雙極性不歸零tccos)(ts碼型變換tccos)(ts)(2tePSK

11、開關電路移相0180025第3章數字帶通傳輸系統u2PSK信號的解調器原理方框圖和波形圖：帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖輸出)(2tePSKtccosabcde26第3章數字帶通傳輸系統u功率譜密度比較2ASK信號的表達式和2PSK信號的表達式：2ASK：2PSK：可知，兩者的表示形式完全一樣，區別僅在于基帶信號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，即應當注意，這里的Ps(f)是雙極性矩形脈沖序列的功率譜。 ttsteccos)(2ASKPtPttecc1,cosA,cosA)(2PSK

12、概率為概率為)()(41)(2cscsPSKffPffPfP27第3章數字帶通傳輸系統p功率譜密度曲線從以上分析可見，二進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。區別僅在于當P=1/2時，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幅信號。28第3章數字帶通傳輸系統波形圖中，假設相干載波的基準相位與2PSK信號的調制載波的基準相位一致（通常默認為0相位）。但是，由于在2PSK信號的載波恢復過程中存在著的相位模糊，即恢復的本地載波與所需的相干載波可能同相，也可能反相，這種相位關系的不確定性將會造成解調出的數字基帶信號與發送的數字基帶信號

13、正好相反，即“1”變為“0”，“0”變為“1”，判決器輸出數字信號全部出錯。這種現象稱為2PSK 方式的“倒倒”現象現象或“反相工作反相工作”。這也是2PSK方式在實際中很少采用的主要原因。另外，在隨機信號碼元序列中，信號波形有可能出現長時間連續的正弦波形，致使在接收端無法辨認信號碼元的起止時刻。 為了解決上述問題，可以采用7.1.4節中將要討論的差分相移鍵控（DPSK）體制。29第3章數字帶通傳輸系統n3.1.4 二進制差分相移鍵控（2DPSK）u2DPSK原理p2DPSK是利用前后相鄰碼元的載波相對相位變化傳遞數字信息，所以又稱相對相移鍵控相對相移鍵控。p假設為當前碼元與前一碼元的載波相位

14、差，定義數字信息與 之間的關系為于是可以將一組二進制數字信息與其對應的2DPSK信號的載波相位關系示例如下： ”表示數字信息“，”表示數字信息“10, 0 0 0 0 00 0 0 0 0 02DPSK01 1 0 0 1 0 1 1或信號相位：二進制數字信息：30第3章數字帶通傳輸系統相應的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。 0 0 0 00 0 0 0 0 02DPSK01 1 0 0 1 0 1 1或信號相位：二進制數字信息：31第3章數

15、字帶通傳輸系統u2DPSK信號的產生方法由上圖可見，先對二進制數字基帶信號進行差分編碼，即把表示數字信息序列的絕對碼變換成相對碼（差分相對碼（差分碼）碼），然后再根據相對碼進行絕對調相，從而產生二進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字信息“1”變化，遇到“0”則不變。32第3章數字帶通傳輸系統p2DPSK信號調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可任意設定。 上式的逆過程稱為差分譯碼（碼反變換），即tccos)(ts)(2teDPSK開關電路移相01800碼變換1n

16、nnbab1nnnbba33第3章數字帶通傳輸系統u 2DPSK信號的解調方法之一 p相干解調(極性比較法)加碼反變換法原理：先對2DPSK信號進行相干解調，恢復出相對碼，再經碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復出發送的二進制數字信息。在解調過程中，由于載波相位模糊性的影響，使得解調出的相對碼也可能是“1”和“0”倒置，但經差分譯碼（碼反變換）得到的絕對碼不會發生任何倒置的現象，從而解決了載波相位模糊性帶來的問題。 34第3章數字帶通傳輸系統p2DPSK的相干解調器原理圖和各點波形 帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖輸出)(DPSK2tetccos碼反變換器abcdef35第3章數字帶通

17、傳輸系統u2DPSK信號的解調方法之二：差分相干解調(相位比較）法 帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖輸出)(DPSK2te延遲Tsabcde36第3章數字帶通傳輸系統p用這種方法解調時不需要專門的相干載波，只需由收到的2DPSK信號延時一個碼元間隔，然后與2DPSK信號本身相乘。相乘器起著相位比較的作用，相乘結果反映了前后碼元的相位差，經低通濾波后再抽樣判決，即可直接恢復出原始數字信息，故解調器中不需要碼反變換器。u2DPSK系統是一種實用的數字調相系統37第3章數字帶通傳輸系統u功率譜密度 從前面討論的2DPSK信號的調制過程及其波形可以知道，2DPSK可以與2PSK具有相同形式

18、的表達式。所不同的是2PSK中的基帶信號s(t)對應的是絕對碼序列；而2DPSK中的基帶信號s(t)對應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。sfB2B2PSKDPSK238第3章數字帶通傳輸系統n頻帶寬度u2ASK系統和2PSK(2DPSK)系統的頻帶寬度u 2FSK系統的頻帶寬度sPSKASKTBB222sFSKTffB212239第3章數字帶通傳輸系統l7.4多進制數字調制原理多進制數字調制原理n概述為了提高頻帶利用率，最有效的辦法是使一個碼元傳輸多個比特的信息。40第3章數字帶通傳輸系統n7

19、.4.1 多進制振幅鍵控(MASK)u概述p多進制振幅鍵控又稱多電平調制p優點：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章數字帶通傳輸系統u舉例p基帶信號是多進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章數字帶通傳輸系統n7.4.2 多進制頻移鍵控(MFSK)u4FSK信號波形舉例 (a) 4FSK信號波形f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011(b) 4FSK信號的取值43第3章數字帶通傳輸系統uMFSK

20、信號的帶寬：B = fM - f1 + f式中f1 最低載頻fM 最高載頻f 單個碼元的帶寬 44第3章數字帶通傳輸系統uMFSK非相干解調器的原理方框圖 V1(t)抽樣判決帶通濾波f1包絡檢波帶通濾波fM包絡檢波輸入輸出VM(t)定時脈沖帶通濾波f2包絡檢波.45第3章數字帶通傳輸系統7.4.3 多進制相移鍵控(MPSK)n正交相移鍵控(QPSK)u4PSK常稱為正交相移鍵控(QPSK)u格雷(Gray)碼p4PSK信號每個碼元含有2 比特的信息，現用ab代表這兩個比特。p兩個比特有4種組合，即00、01、10和11。它們和相位k之間的關系通常都按格雷碼的規律安排，如下表所示。 QPSK信號

21、的編碼 abk0090010112701018046第3章數字帶通傳輸系統pQPSK信號矢量圖p格雷碼的好處在于相鄰相位所代表的兩個比特只有一位不同。由于因相位誤差造成錯判至相鄰相位上的概率最大，故這樣編碼使之僅造成一個比特誤碼的概率最大。 01001011參考相位圖7-35 QPSK信號的矢量圖47第3章數字帶通傳輸系統u碼元相位關系pk稱為初始相位，常簡稱為相位，而把(0t + k)稱為信號的瞬時相位。p當碼元中包含整數個載波周期時，初始相位相同的相鄰碼元的波形和瞬時相位才是連續的，如下圖：(a) 波形和相位連續TT48第3章數字帶通傳輸系統p若每個碼元中的載波周期數不是整數，則即使初始相位相同，波形和瞬時相位也可能不連續，如下圖 或者波形連續而相位不連續，如下圖 (b) 波形和相位不連續TT(c) 波形連續相位不連續TT49第3章數字帶通傳輸系統uQPSK調制p兩種產生方法:相乘電路法 -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7-37 第一種QPSK信號產生方法ab50第3章數字帶通傳輸系統碼元串并變換：012345(a) 輸入基帶碼元t024(b) 并行支