1、第第7章章 數字信號的調制與解調數字信號的調制與解調l數字通信系統概述l基帶數字信號的特性l幅度鍵控的產生與解調l頻率鍵控的產生與解調l相位鍵控的產生與解調內容提要內容提要：7.1 數字通信系統概述數字通信系統概述l關于數字信號l數字通信系統的性能指標l數字通信系統模型l數字通信系統的特點本節內容：本節內容：關于數字信號關于數字信號l數字信號是量化后的離散時間信號l數字信號的主要特點是狀態的離散性l離散信號的狀態可以用二進制符號表示lm位的二進制符號最多可以表示2m個狀態 l數字通信中采用的二進制符號只有0、1兩種 l0、1兩個符號所組成的代碼可表示任意信息l由0、1組成的一串代碼稱為“數字信

2、號序列”，表示為：a-ka-3 a-2 a-1 a0 a1 a2 a3 ak （a是碼元，k是其序號，簡寫為ak數字通信系統的性能指標數字通信系統的性能指標l性能指標之一碼元傳輸速率碼元傳輸速率即碼元速率或傳碼率，指系統每秒鐘傳送或處理碼元的數目，單位為“波特”，符號 “B” 。信息傳輸速率即信息速率或傳信率，指每秒鐘傳遞的信息量，單位為比特/秒，記為bit/s。碼元速率及信息速率是有區別的 。l性能指標之二差錯率誤碼率碼元在傳輸系統中被傳錯的概率 誤信率信息量在傳輸過程中被丟失的概率 數字通信系統模型數字通信系統模型收信機l系統模型見下圖 l五個組成部分 發終端發信機信道收終端數字通信系統的

3、特點數字通信系統的特點l數字通信的抗干擾（或噪聲）能力強 ；l傳輸中的差錯可以通過抗干擾編碼（檢錯糾錯編碼）加以控制，從而能有效地改善通信質量 ；l便于使用現代技術對數字信號進行處理 ；l數字信號易于加密，保密性強 ；l數字通信系統可以傳遞各種信息，使通信系統變得通用、靈活 ；l與模擬通信相比，數字通信要占據更寬的帶寬 。7.2 基帶數字信號基帶數字信號l基帶數字信號的波形l基帶數字信號的一般表達式l基帶數字信號的頻域特點本節內容：本節內容：基帶數字信號波形基帶數字信號波形矩形脈沖矩形脈沖 基帶數字信號波形基帶數字信號波形非矩形脈沖非矩形脈沖l矩形脈沖的產生比較容易，實際上也很有用，不過這種脈

4、沖的頻譜很寬。在數字通信系統中，為了節省頻帶，可采用頻譜較窄的脈沖，如升余弦脈沖，三角形脈沖，半余弦脈沖等 基帶數字信號波形基帶數字信號波形N進制進制l對于N進制的數字信號，每個碼元可以有N種不同的數值，傳輸這種信號需要有N種不同的波形：g1(t)、g2(t)、g3(t)gN(t)。（a）單極性四電平信號（b）雙極性四電平信號l右圖中電平為3U的脈沖代表“3”；2U代表“2”；U代表“1”；電平等于零時代表“0”，這種信號叫做多電平信號 。基帶數字信號波形基帶數字信號波形絕對碼與相對碼絕對碼與相對碼l（a）絕對碼,它的特點是：每一個符號都和一個固定的波形相對應 。 l（b）相對碼,它是以前一個

5、碼元為基準來進行編碼的。1時相同，0時相反。 基帶信號的一般表達式基帶信號的一般表達式其中：時間函數S(t) 是一個隨機函數，利用統計法可以得到其中規律。PPa101k概率概率kkTtgakTtgatS)()1 ()()(s2ks1kkkTtgatSPPa)()(111skk概率概率如果對于某一序列有：則有一般表達式：如果兩脈沖波形相同極性相反，即g2(t)g1(t)g(t) ，則上式可改寫為：基帶數字信號的頻域特點基帶數字信號的頻域特點l單極性周期性矩形脈沖的頻譜圖示為周期為T，脈沖寬度為的單極性周期性矩形波及其利用傅立葉級數展開得到的頻譜分布。l脈沖寬度與頻譜的關系基帶數字信號的頻域特點基

6、帶數字信號的頻域特點脈沖寬度越窄，其頻譜包絡線的零點頻率越高，相鄰兩個零值之間所含的諧波分量就越多，頻帶越寬。7.3 幅度鍵控幅度鍵控l什么是幅度鍵控？利用基帶信號S(t)對載頻為c的正弦波幅度進行控制的方式，叫做調幅，也叫做幅度鍵控，記為ASK。l下面討論六點問題： 模擬調制方法的調幅器 數字鍵控方法的調幅器 調幅信號產生的原理圖 ASK信號頻域分布特點 折疊干擾及其消除方法 幅度鍵控信號的解調本節內容：本節內容：模擬調制方法的調幅器模擬調制方法的調幅器l模擬調制方法的調幅器方框圖l一般表達式：tUkTtgatuccmkskASKcos)()(基帶數字信號高頻載波數字鍵控方法的調幅器數字鍵控

7、方法的調幅器由基帶數字信號控制一開關電路。當“1”碼時開關閉合，高頻載波輸出。當“0”碼時開關斷開，無高頻載波輸出。幅度鍵控信號波形數字鍵控調幅器框圖調幅信號產生的原理圖調幅信號產生的原理圖（a）圖中兩個二極管的導通與截止受基帶信號控制。（b）圖中三極管的導通與截止受基帶信號控制。ASK信號的頻域分布特點信號的頻域分布特點l從頻域上看，幅度調制的作用是將基帶信號頻譜移到以載頻c為中心的頻帶內。調幅之后將產生上、下兩個邊帶，每一個邊帶都是基帶頻譜的線性搬移 ，這種調制叫做線性調制 。帶寬BW2fs l頻譜結構特點折疊干擾及其消除方法折疊干擾及其消除方法由于調制時載波頻率fc選擇偏低導致調幅后的A

8、SK信號頻譜的下邊帶中出現“反轉”的頻率分量。由于“反轉”的頻率是由“負頻率”以零頻率為中心“反射(或折疊)而產生的，因而叫做零頻率反射干擾或折疊干擾。 l折疊干擾l消除方法用低通濾波器把基帶數字信號中高于載波fc的頻率分量濾掉。 幅度鍵控信號的解調幅度鍵控信號的解調l相干解調框圖l非相干解調框圖ASK信號解調的波形信號解調的波形調幅信號整形輸出檢波輸出UP為判決電平7.4 頻率鍵控頻率鍵控l頻率鍵控信號的產生FSK信號產生的原理二進制FSK信號波形FSK信號產生的電路l頻率鍵控信號的解調非相干檢測法相干檢測法本本節節內內容容FSK信號產生的原理信號產生的原理 根據定義，頻率鍵控信號uFSK(

9、t)的瞬時頻率為(t) =c+d S(t)c是未調載波頻率，d為頻率偏移對基帶信號電壓S(t)的變換系數。如果S(t)是歸一化基帶信號，即|S(t)|的最大值等于1，且沒有量綱，則d是最大頻率偏移，簡稱頻偏。l什么是FSK信號？lFSK信號中的瞬時頻率與頻偏 用基帶信號S(t)對載波的瞬時頻率進行控制的方式，叫做調頻。在數字通信中，稱為頻率鍵控（或頻移鍵控），記為FSK。二進制二進制FSK信號波形信號波形基帶信號相位不連續相位連續FSK信號產生電路中和一種形式信號產生電路中和一種形式l晶體管及LC1回路組成一個振蕩器，振蕩頻率主要由回路參數L、C1、C2決定。基帶信號S(t)是雙極性不歸零矩形

10、脈沖。S(t)為正時，V2V3截止，振蕩頻率由L和C1決定。S(t)為負時，V2V3導通，振蕩頻率由L和C1和C2決定。頻率鍵控信號的解調頻率鍵控信號的解調非相干檢測非相干檢測l圖示為非相干檢測法，為了消除失真或干擾，在輸出端帶有判決電路。頻率鍵控信號的解調頻率鍵控信號的解調相干檢測法相干檢測法l圖示為相干檢測法，特點是需要一個相干（同步）信號，在輸出端同樣有判決電路。7.5 相位鍵控相位鍵控l用基帶數字信號對載波相位進行控制的方式，叫做調相，在數字通信中稱之為“相位鍵控”，記為PSK。l相位鍵控分為絕對相位鍵控和相對相位鍵控（DPSK）兩種 l相位鍵控信號的產生l相位鍵控信號的解調本節內容：

11、本節內容：絕對相位鍵控絕對相位鍵控l用未調載波的相位作為基準的調制，叫做絕對相位鍵控 l碼元取“1”時，已調高頻振蕩的相位與未調載波的相位相同；取“0”時相位相差180 l采用絕對方式時，在接收系統中必須有一個與發送系統相同的基準相位作為參考，以識別接收到的是“1”碼還是 “0”碼 l絕對PSK方式因參考相位的隨機跳變，存在“倒”現象或“反相工作”現象 絕對絕對PSK信號的波形信號的波形基帶數字信號載波信號絕對相位鍵控信號相對相位鍵控相對相位鍵控l利用前后相鄰碼元的相對載波相位差值去表示數字信息的一種方式 l設本碼元與前一碼元的載波相位差為時，代表數字信息“0”，相鄰碼元載波相位差為0時，代表

12、數字信息“1”，則數字信息序列與相對PSK信號的碼元相位關系如下：數字信息 1 0 1 1 0 0 1 相對PSK信號相位 0 0 0 或00 0 0 0相對PSK信號的初相特點：當數字信號是1時，該碼元的相對PSK信號初相與前一碼元的相同；當數字信號是0時，該碼元的相對PSK信號初相與前一碼元的相差 相對相對PSK信號的波形信號的波形解調相對PSK信號時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系正確，即可根據此相位關系恢復出數字信號。相位鍵控信號的產生相位鍵控信號的產生l相位鍵控（調相）電路分為兩大類：一類是直接控制相位法；另一類是相位選擇法。l直接控制相位法是指用基帶數字

13、信號控制載波的相位 。l相位選擇法是指根據基帶數字信號的取值，從若干個相位不同的載波中選取所需要的波形 。l下面以兩相調相為例，介紹直接控制載波相位的調相電路。 絕對絕對PSK調制器調制器用基帶數字信號S(t)（叫做絕對碼）去控制電子開關，電子開關按照S(t)的不同取值進行相應的動作，進而完成載波相位的切換，因此輸出信號中載波的相位按基帶數字信號的規律而變化，即實現了調相的功能。 l框圖l原理相對相對PSK調制器調制器由“碼變換”方框將絕對碼波形S(t)變為相對碼波形，再利用相對碼去進行絕對調相，最終達到相對調相的目的。 l框圖l原理兩相調相電路（絕對）兩相調相電路（絕對）設S(t)是雙極性不

14、歸零矩形脈沖，uc(t) 是載波。當基帶信號為正時，V1V2導通，V3V4截止，uPSK(t)和uc(t)的相位相同，=0；當基帶信號為負時，V1V2截止，V3V4導通，uPSK(t) 和uc(t)相位相反，=180，這樣就得到了所需的兩相調相信號。 l電路l原理兩相相對調相信號的波形兩相相對調相信號的波形相位鍵控信號的解調相位鍵控信號的解調l相干解調的實現原理l相干解調的波形l相對調相信號的同步解調l相干信號的產生l相對調相信號的差分相干解調法l相對調相信號差分相干解調波形l差分相干解調的優缺點相干解調的實現原理相干解調的實現原理相位鍵控信號經帶通濾波后與本地振蕩信號（插入載波）在相乘器中相

15、乘后，其輸出經低通濾波器濾波而得到所需基帶信號，由采樣判決器判決而得到“1”位或“0”位的數據輸出。l基本原理l調相信號的解調器方框圖相干解調的波形相干解調的波形調相信號uPSK(t)為0相移時，它和相干信號相乘并把高頻分量濾掉以后得到正脈沖可判決為“1”；當調相信號為相移時，得到負脈沖，可判決為“0”。 相對調相信號的同步解調相對調相信號的同步解調l相對調相信號同步解調方框圖：相干信號的產生相干信號的產生l在相干解調時，如何產生相干信號是個關鍵。l相干信號不能從uPSK(t) 中直接提取，但可先對調相波進行全波整流，再從中取出2 fc 分量，然后利用分頻而得到。l分頻電路的相位 具有不確定性相對調相信號的相對差分解調法相對調相信號的相對差分解調法Ts是延遲時間，它等于一個碼長，則延遲后的信號uDPSK(tTs)比原來的調相信號uDPSK(t)落后一個碼元的時間。用相乘器（鑒相器）將它們相乘，再用低通濾波器濾掉其中的高頻分量，然后進行判決，得到原來的基帶信號。 l框圖l原理相對調相信號差分相干解調波形相對調相信號差分相干解調波形差分相干解調的優缺點差分相干解調的優缺點抗干擾能力差。如果接收信號uDPSK(t)中混進了外來的干擾和噪聲，那么這些有害雜波將同時在相干信號uDPSK(tTs)中出現，使解調后的信號中的干擾增加，因而更容易產生誤