第八章數字載波傳輸系統2025/4/20信息與通信工程學院2

數字通信系統模型本章內容在通信系統模型中的位置2025/4/20信息與通信工程學院3本章內容概述二進制數字已調信號及其功率譜二進制數字調制系統的性能分析各種數字調制系統的性能比較數字信號的最佳接收多進制數字調制系統改進型數字調制系統2025/4/20信息與通信工程學院4

數字通信系統模型數字傳輸系統:基帶傳輸系統和載波傳輸系統。載波傳輸系統:

將數字基帶信號對載波進行調制的過程。8.1概述2025/4/20信息與通信工程學院5數字信號對載波的調制稱為鍵控。

ASK（Amplitude-ShiftKeying）幅度鍵控

FSK（Frequency-ShiftKeying）移頻鍵控

PSK（Phase-ShiftKeying）移相鍵控8.1概述

二進制數字調制系統中，載波的振幅、頻率及相位只有兩種變化狀態，記為2ASK、2FSK及2PSK。載波信號：2025/4/20信息與通信工程學院68.2二進制數字已調信號及其功率譜

ASK信號產生模型數字基帶信號載波輸出信號一、2ASK信號(ook：on-offkeying信號)

單極性矩形脈沖2025/4/20信息與通信工程學院7概率為P

概率為1-P

10上式的傅里葉變換為

一般情況下，數字基帶信號SD(t)

可寫為8.2二進制數字已調信號及其功率譜

則ASK信號可寫為2025/4/20信息與通信工程學院8對應的功率譜密度為8.2二進制數字已調信號及其功率譜

對單極性矩形脈沖來說,由第七章結論可得（雙邊譜）對矩形脈沖,有設P=1-P=1/2,則有2025/4/20信息與通信工程學院98.2二進制數字已調信號及其功率譜

2ASK信號功率譜密度為8.2二進制數字已調信號及其功率譜

2025/4/20信息與通信工程學院11式中，fT=1/T

為碼元速率。(1)ASK信號帶寬是數字基帶信號帶寬的兩倍，2ASK信號的帶寬為由圖看出（赫茲）(2)2ASK信號的頻帶利用率為

8.2二進制數字已調信號及其功率譜

2025/4/20信息與通信工程學院12

帶通濾波器乘法器

低通濾波器抽樣判決器輸入

輸出

抽樣脈沖相干（同步）解調2ASK信號的解調：相干解調,非相干（包絡檢波法）解調8.2二進制數字已調信號及其功率譜

2ASK信號的解調(2)

帶通濾波器半波或全波整流器

低通濾波器抽樣判決器輸入

輸出

抽樣脈沖非相干（包絡檢波法）解調

8.2二進制數字已調信號及其功率譜

2025/4/20信息與通信工程學院14二、2FSK信號8.2二進制數字已調信號及其功率譜

移頻鍵控（FSK)：用不同頻率的載波來傳送數字信號。2FSK信號的典型波形圖2025/4/20信息與通信工程學院15直接調頻法：用數字脈沖直接控制振蕩器的某個參數從而實現調頻。相位連續，產生容易，但頻率穩定度較差。2FSK信號的產生方法鍵控法：

用數字基帶信號去控制兩個載波的通斷。轉換速度快，波形好，頻率穩定度高，但相位不連續。8.2二進制數字已調信號及其功率譜

2025/4/20信息與通信工程學院162FSK信號的頻譜

2FSK信號可看成兩個2ASK信號之和。8.2二進制數字已調信號及其功率譜

P

1-P

10P

1-P

01+2025/4/20信息與通信工程學院17

直接引用2ASK信號的功率譜得到PFSK（w）8.2二進制數字已調信號及其功率譜

182FSK信號功率譜8.2二進制數字已調信號及其功率譜

2025/4/20信息與通信工程學院19(1)2FSK信號的帶寬約為(2)系統最高頻帶利用率比2ASK系統的頻帶利用率低。由圖看出8.2二進制數字已調信號及其功率譜

常取2025/4/20信息與通信工程學院202FSK信號解調：相干解調,非相干解調,其他解調方法

帶通濾波器

帶通濾波器

乘法器乘法器

低通濾波器

低通濾波器

抽樣判決器輸入輸出抽樣脈沖

8.2二進制數字已調信號及其功率譜

相干解調2025/4/20信息與通信工程學院21

非相干解調

帶通濾波器

帶通濾波器

包絡檢波器

包絡檢波器抽樣判決器抽樣脈沖

輸入

輸出

2FSK信號解調(2)

8.2二進制數字已調信號及其功率譜

2025/4/20信息與通信工程學院22鑒頻法差分檢波法過零點檢測法FSK信號其他解調方法:8.2二進制數字已調信號及其功率譜

2025/4/20信息與通信工程學院238.2二進制數字已調信號及其功率譜

過零點檢測法2025/4/20信息與通信工程學院24二、2PSK及2DPSK信號移相鍵控分為：①絕對調相，記為PSK；8.2二進制數字已調信號及其功率譜

絕對調相(PSK):

利用載波的不同相位去直接傳送數字信息“0”碼，載波相位j1=0;“1”碼，載波相位j2=p。的一種方式。參考相位“1”碼“0”碼

②相對調相，記為DPSK。258.2二進制數字已調信號及其功率譜

PSK實際上是以一個固定參考相位載波為基準解調時也必須要有一個參考相位固定的載波反向工作(倒p)現象載波恢復電路由于各種干擾的影響會引起參考相位發生1800變化。解決辦法：采用DPSK系統。這時恢復出的數字信號就會發生“0”和“1”碼反向。2025/4/20信息與通信工程學院26相對調相(DPSK)：也稱差分調相,這種方式用前后碼元載波相位的相對變化來傳送數字信號。“0”碼，前后碼元載波相位差為0；“1”碼，前后碼元載波相位差為p。8.2二進制數字已調信號及其功率譜

前碼元“1”碼“0”碼2025/4/20信息與通信工程學院278.2二進制數字已調信號及其功率譜

2025/4/20信息與通信工程學院28相位狀態由相對碼決定，與絕對碼無關。8.2二進制數字已調信號及其功率譜

DPSK系統特點解調時不存在反向工作的問題。實際系統中大多采用DPSK方式。2025/4/20信息與通信工程學院292PSK信號產生方法:

直接調相法;選擇相位法

直接調相法8.2二進制數字已調信號及其功率譜

2025/4/20信息與通信工程學院30選擇相位法

8.2二進制數字已調信號及其功率譜

312DPSK信號產生方法8.2二進制數字已調信號及其功率譜

選擇相位法2025/4/20信息與通信工程學院32PSK信號的功率譜

式中，SD(t)為取值+1或-1的雙極性矩形脈沖（碼元寬為T）8.2二進制數字已調信號及其功率譜

故PSK信號的功率譜2025/4/20信息與通信工程學院332PSK信號的功率譜8.2二進制數字已調信號及其功率譜

PSK信號帶寬:

B=2fT(與ASK相同)系統的頻帶利用率:1/2b/s/Hz2025/4/20信息與通信工程學院34PSK信號的解調：極性比較法

(同步解調)PSK信號極性比較解調法8.2二進制數字已調信號及其功率譜

2025/4/20信息與通信工程學院35

DPSK信號解調：極性比較法;相位比較法（差分相干解調）

帶通濾波器乘法器

低通濾波器

抽樣判決器碼變換器本地載波抽樣脈沖數據輸出

DPSK信號的極性比較解調法8.2二進制數字已調信號及其功率譜

DPSK信號的解調（1）：極性比較法(同步解調)2025/4/20信息與通信工程學院36

DPSK信號的解調(2）：相位比較法（差分相干解調）

延遲T帶通濾波器

乘法器

低通濾波器

抽樣判決器數據輸出

抽樣脈沖

DPSK信號相位比較解調法8.2二進制數字已調信號及其功率譜

2025/4/20信息與通信工程學院378.3二進制數字調制系統的性能分析8.3.12ASK系統的抗噪聲性能

8.3.22FSK系統的抗噪聲性能

8.3.32PSK及2DPSK系統的抗噪聲性能

2025/4/20信息與通信工程學院38一.相干（同步）解調8.3.12ASK系統的抗噪聲性能

帶通濾波器乘法器

低通濾波器抽樣判決器SASK(t)

抽樣脈沖+n(t)0發“1”碼，概率為P發“0”碼，概率為1-P在一個碼元持續時間T內輸出

r信噪比2025/4/20信息與通信工程學院39

帶通濾波器乘法器

低通濾波器抽樣判決器SASK(t)

輸出

抽樣脈沖+n(t)帶通濾波器輸出總輸入信號8.3.12ASK系統的抗噪聲性能

發“1”碼發“0”碼2025/4/20信息與通信工程學院408.3.12ASK系統的抗噪聲性能

抽樣判決器輸入波形

帶通濾波器乘法器

低通濾波器抽樣判決器SASK(t)

輸出

抽樣脈沖+n(t)發“1”碼發“0”碼對應的概率密度函數分別為:2025/4/20信息與通信工程學院418.3.12ASK系統的抗噪聲性能

（1、0等概）最佳判決門限Vth*=A/2發生誤碼兩種情況：1.發“1”誤判“0”時，抽樣判決時刻噪聲瞬時值x<Vth*；2.發“0”誤判“1”時，抽樣判決時刻噪聲瞬時值x>Vth*

。2025/4/20信息與通信工程學院42發”0”誤判為“1”碼的概率為

發”1”誤判“0”碼的概率為因而，系統的平均誤碼率為8.3.12ASK系統的抗噪聲性能

2025/4/20信息與通信工程學院43式中為輸入信噪比。設P(1)=P(0)=1/2，則最佳判決門限Vth*=A/28.3.12ASK系統的抗噪聲性能

由于大信噪比條件下2025/4/20信息與通信工程學院44上節課程內容（1）載波傳輸系統：將數字基帶信號對載波進行調制的過程。二進制數字已調信號及其功率譜

2ASK信號(ook信號)0110101時域波形、表達式、功率譜（帶寬、有效性）、解調方式（可靠性）上節課程內容（2）2ASK信號(ook信號)2FSK信號DPSK（相對調相，克服反相工作）2PSK信號（絕對調相、反相工作）

（極性比較法/相干解調）

DPSK波形是差分碼對應的PSK信號2ASK系統的抗噪聲性能（相干解調）

（大信噪比）（極性比較法/相干解調、相位比較法/差分相干解調）

2FSK信號可看成兩個2ASK信號之和。（相干解調,非相干解調,其他方法）（相干解調、包絡檢波）2025/4/20信息與通信工程學院46本節課程內容二進制數字調制系統的性能分析各種數字調制系統的性能比較數字信號的最佳接收多進制數字調制系統2025/4/20信息與通信工程學院47帶通濾波器輸出8.3.12ASK系統的抗噪聲性能

發“1”碼發“0”碼

帶通濾波器包絡檢波

低通濾波器抽樣判決器SASK(t)

輸出

抽樣脈沖+n(t)二.非相干解調2025/4/20信息與通信工程學院488.3.12ASK系統的抗噪聲性能

帶通濾波器包絡檢波

低通濾波器抽樣判決器SASK(t)

輸出

抽樣脈沖+n(t)對應的包絡:發“1”碼發“0”碼對應的概率密度函數分別為:2025/4/20信息與通信工程學院498.3.12ASK系統的抗噪聲性能

發生誤碼兩種情況：1.發“1”誤判“0”時，抽樣判決時刻噪聲瞬時值v<Vth*；2.發“0”誤判“1”時，抽樣判決時刻噪聲瞬時值v>Vth*

。發“1”碼發“0”碼2025/4/20信息與通信工程學院50發”0”誤判為“1”碼的概率為

發”1”誤判“0”碼的概率為因而，系統的平均誤碼率為8.3.12ASK系統的抗噪聲性能

2025/4/20信息與通信工程學院51式中為輸入信噪比。得最佳判決門限8.3.12ASK系統的抗噪聲性能

設P(1)=P(0)=1/2，令大信噪比條件下2025/4/20信息與通信工程學院52一.相干（同步）解調8.3.22FSK系統的抗噪聲性能

帶通濾波器

帶通濾波器

乘法器乘法器

低通濾波器

低通濾波器

抽樣判決器輸出抽樣脈沖

+SFSK(t)n(t)2025/4/20信息與通信工程學院538.3.22FSK系統的抗噪聲性能在碼元持續時間T內,收到碼元“1”w1通道w2通道2025/4/20信息與通信工程學院548.3.22FSK系統的抗噪聲性能送入抽樣判決進行比較信號分別為w1通道w2通道發”1”誤判“0”碼的概率為令則2025/4/20信息與通信工程學院558.3.22FSK系統的抗噪聲性能式中為輸入信噪比。同理,可得到發“0”誤判“1”碼的概率為2025/4/20信息與通信工程學院568.3.22FSK系統的抗噪聲性能其中且因而，系統的平均誤碼率為2025/4/20信息與通信工程學院578.3.22FSK系統的抗噪聲性能式中為輸入信噪比。發“0”及“1”碼等概條件下

大信噪比條件下2025/4/20信息與通信工程學院58二.非相干解調8.3.22FSK系統的抗噪聲性能

帶通濾波器

帶通濾波器

包絡檢波器包絡檢波器

抽樣判決器輸出抽樣脈沖

+SFSK(t)n(t)2025/4/20信息與通信工程學院598.3.22FSK系統的抗噪聲性能在碼元持續時間T內,收到碼元“1”w1通道w2通道2025/4/20信息與通信工程學院60對應的概率密度函數分別為:8.3.22FSK系統的抗噪聲性能發”1”誤判“0”碼的概率為w1通道w2通道2025/4/20信息與通信工程學院618.3.22FSK系統的抗噪聲性能同理,發“0”誤判“1”碼的概率為2025/4/20信息與通信工程學院62因而，系統的平均誤碼率為式中為輸入信噪比。8.3.22FSK系統的抗噪聲性能2025/4/20信息與通信工程學院63帶通濾波器輸出發“1”碼發“0”碼+SPSK(t)n(t)一.2PSK系統抗噪聲性能

8.3.32PSK及2DPSK系統抗噪聲性能

PSK信號極性比較解調法2025/4/20信息與通信工程學院64抽樣判決器輸入端發“1”碼發“0”碼對應的概率密度函數分別為:+SPSK(t)n(t)8.3.32PSK及2DPSK系統抗噪聲性能

2025/4/20信息與通信工程學院65發生誤碼兩種情況：1.發“1”誤判“0”時，抽樣判決時刻噪聲瞬時值x<0；2.發“0”誤判“1”時，抽樣判決時刻噪聲瞬時值x>0

。8.3.32PSK及2DPSK系統抗噪聲性能

2025/4/20信息與通信工程學院66發”0”誤判為“1”碼的概率為

發”1”誤判“0”碼的概率為因而，系統的平均誤碼率為8.3.32PSK及2DPSK系統抗噪聲性能

2025/4/20信息與通信工程學院67式中為輸入信噪比。發“0”及“1”碼等概條件下

大信噪比條件下8.3.32PSK及2DPSK系統抗噪聲性能

2025/4/20信息與通信工程學院688.3.32PSK及2DPSK系統抗噪聲性能

二.2DPSK系統抗噪聲性能(相位比較解調法)

延遲T帶通濾波器

乘法器

低通濾波器

抽樣判決器數據輸出

抽樣脈沖

+n(t)

在0~T時間內,收到”1”碼,且令前一碼元也為”1碼”,則乘法器兩路輸入為2025/4/20信息與通信工程學院698.3.32PSK及2DPSK系統抗噪聲性能

相乘后再經低通濾波發”1”誤判“0”碼的概率為利用恒等式2025/4/20信息與通信工程學院708.3.32PSK及2DPSK系統抗噪聲性能

其中對應的概率密度函數分別為:2025/4/20信息與通信工程學院71發”1”誤判“0”碼的概率為式中為輸入信噪比。同理,發”0”誤判“1”碼的概率為8.3.32PSK及2DPSK系統抗噪聲性能

因而，系統的平均誤碼率為(0,1等概)2025/4/20信息與通信工程學院728.3.32PSK及2DPSK系統抗噪聲性能

三.2DPSK系統抗噪聲性能(極性比較解調法)

帶通濾波器乘法器

低通濾波器

抽樣判決器碼變換器本地載波抽樣脈沖數據輸出

+n(t)Pe譯碼正確概率系統誤碼2025/4/20信息與通信工程學院73若P’很小若P’很大差分譯碼誤碼擴散系數為1~28.3.32PSK及2DPSK系統抗噪聲性能

2025/4/20信息與通信工程學院74差分譯碼誤碼擴散情況8.3.32PSK及2DPSK系統抗噪聲性能

2025/4/20信息與通信工程學院758.4各種數字調制系統的性能比較2025/4/20信息與通信工程學院768.4各種數字調制系統的性能比較1dB3dB77相干PSK

>DPSK>相干FSK>非相干FSK>相干ASK>非相干ASK8.4各種數字調制系統的性能比較

相干PSK系統性能最佳，需提取同步載波信號，設備復雜，只在高質量的數字通信系統中采用。

PSK系統會出現“反向工作”現象，實際工程中多采用DPSK系統。結論抗噪能力頻帶利用率PSK系統、ASK系統

>FSK系統2025/4/20信息與通信工程學院788.5數字信號的最佳接收

最佳接收理論又稱為信號檢測理論，是研究在隨機噪聲干擾的條件下，使接收機最佳地完成接收和判決信號的一般性理論。這里的“最佳”是一個相對概念，是在一定準則下的最佳。數字通信系統中最直觀的和最合理的準則是“最小差錯概率”準則。2025/4/20信息與通信工程學院798.5數字信號的最佳接收

最佳接收理論主要涉及兩方面的問題：（1）從噪聲中判決有用信號是否出現。（2）從噪聲中測量有用信號的參數。2025/4/20信息與通信工程學院808.5.1數字信號接收的統計描述

數字通信系統統計判決模型

消息的概率分布2025/4/20信息與通信工程學院81乘法器乘法器積分器積分器比較器時,二進制最佳接收機的結構

8.5.2二進制最佳接收機的結構

2025/4/20信息與通信工程學院82實際系統與最佳系統性能比較

2DPSK2PSK2FSK2ASK最佳接收系統非相干解調

相干解調

解調方式系統名稱一般有例如，對2ASK信號，有故2025/4/20信息與通信工程學院838.6多進制數字調制系統多進制(多元）信號狀態數大于2(2k)的數字信號。多進制數字調制用多進制信號去調制載波。種類多進制幅度鍵控（MASK）多進制移頻鍵控（MFSK）多進制移相鍵控（MPSK）

848.6多進制數字調制系統1、在相同信息傳輸速率條件下，多進制系統與二進制系統相比，可以使傳輸頻帶（碼元速率）壓縮k倍，從而提高通信系統的有效性。2、在同樣大小噪聲干擾下，多進制系統的誤碼率會

增加（相同信號幅度下，信號狀態之間的判決電平的間隔---信號間最小距離減小）。多進制數字調制系統特點有效性提高，可靠性降低。2025/4/20信息與通信工程學院858.6.1多進制幅度鍵控（MASK）

多進制振幅鍵控信號波形86MASK系統相干解調時的平均誤碼率為

可以看出,當電平數增加時，誤碼率將會增加。

MASK系統傳輸效率較高抗干擾能力較差適合于在恒參信道（如有線信道）中采用8.6.1多進制幅度鍵控（MASK）MASK信號的產生：與2ASK信號相同，利用乘法器實現。解調方式：相干解調及包絡檢波方式。878.6.2多進制移頻鍵控（MFSK）

MFSK占據了較寬的頻帶，所以信道利用率低，且抗噪聲性能低于2FSK。MFSK適合于在碼元速率較低及多徑時延比較嚴重的信道（如短波信道）中采用。MFSK非相干解調系統誤碼率為：MFSK系統中，載波的頻率有M種不同的取值，與M種不同的符號相對應。88在M進制的移相鍵控信號中，載波的相位有有M種不同的取值，與M種不同的符號相對應。常用的多進制移相鍵控方式有：4相制、8相制及2L

相制等。多進制移相鍵控信號可以表示為8.6.3多進制移相鍵控（MPSK）

898.6.3多進制移相鍵控（MPSK）

令MPSK信號可看作兩個載波正交MASK信號之和。所以MPSK與MASK帶寬相同。MPSK信號相干解調時90

MPSK信號矢量圖

8.6.3多進制移相鍵控（MPSK）

A方式B方式91星座圖(SignalPointConstellation)：信號矢量端點的分布圖。8PSK..............相鄰信號點間最小距離2PSK4PSK8.6.3多進制移相鍵控（MPSK）

928.7改進型數字調制系統

2025/4/20信息與通信工程學院93

所謂APK(AmplitudePhaseKeying)就是對載波的振幅和相位同時進行調制的一種方式，這種方式常稱為數字復合調制方式。APK信號可用下式表示8.7.1幅相鍵控（APK）方式（又稱QAM）信息與通信工程學院94

APK信號可看作兩個正交載波調制信號之和，APK又稱為正交幅度調制，記為QAM(QuadratureAmplitudeModulation)。8.7.1幅相鍵控（APK）方式（又稱QAM）令95

MQAM

信號的帶寬與MPSK信號的帶寬相同。因此，QAM方式是一種高效率的信息傳輸方式。8.7.1幅相鍵控（APK）方式（又稱QAM）星座圖(SignalPointConstellation)：信號矢量端點的分布圖。8PSK........2025/4/20信息與通信工程學院968.7.1幅相鍵控（APK）方式（又稱QAM）MQAM

信號星座圖M=4、16、64、2562的偶次方，矩形

M=32、1282的奇次方，十字形2025/4/20信息與通信工程學院978.7.1幅相鍵控（APK）方式（又稱QAM）32QAM

信號星座圖2025/4/20信息與通信工程學院988.7.1幅相鍵控（APK）方式（又稱QAM）64QAM

信號星座圖2025/4/20信息與通信工程學院998.7.1幅相鍵控（APK）方式（又稱QAM）128QAM

信號星座圖2025/4/20信息與通信工程學院1008.7.1幅相鍵控（APK）方式（又稱QAM）256QAM

信號星座圖2025/4/20信息與通信工程學院1018.7.2連續相位頻移鍵控及MSK、TMF調制

連續相位的移頻鍵控方式，記為CPFSK（ContinualPhaseFSK）最典型CPFSK的調制方式:

最小移頻鍵控（MSK）平滑調頻（TFM）

2025/4/20信息與通信工程學院102最小移頻鍵控（MSK）MSK（MinimumFrequencyShiftKeying）是連續相位移頻鍵控方式。是FSK方式的一種改進形式。8.7.2連續相位頻移鍵控及MSK、TMF調制

FSK方式中每一個碼元的頻率不變或者跳變某一個固定值。當相鄰碼元對應的頻率跳變時，一般來說，相位是不連續的，因而FSK信號占據較寬的帶寬。最小移頻鍵控（MSK）是保持相位連續的一種特殊頻率鍵控形式。2025/4/20信息與通信工程學院103MSK的頻帶利用率優于2FSK及2PSK抗噪聲性能相當于2PSK，且同步恢復也較方便MSK方式在實際系統中得到廣泛重視和應用8.7.2連續相位頻移鍵控及MSK、TMF調制

2025/4/20信息與通信工程學院104高斯最小移頻鍵控（GMSK）方式

在移動通信系統中，頻率資源非常緊張，信道帶寬受限，因此對信號的帶外輻射功率的限制十分嚴格，以避免對相鄰信道產生干擾。高斯最小移頻鍵控（GMSK