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1、1概述数字调制：把数字基带信号变换为数字带通信号 的过程。数字带通传输系统：通常把包括调制和解调过程 的数字传输系统。数字调制技术有两种方法：利用模拟调制的方法去实现数字式调制；通过开关键控载波，通常称为键控法。基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控第1页/共74页2正弦形载波正弦形载波 ：3 3种基本的键控方法：种基本的键控方法：振幅键控振幅键控ASK ASK 频移键控频移键控FSK FSK 相移键控相移键控PSK PSK TTT“1”“1”“0”“1”“1”“0”T第2页/共74页37.1 二进制数字调制原理7.1.1 二进制振幅键控(2ASK）基本原理 振振幅幅键键控控是是正正弦弦载
2、载波波的的幅幅度度随随数数字字基基带带信信号号而而变化的数字调制。变化的数字调制。当当数数字字基基带带信信号号为为二二进进制制时时，则则为为二二进进制制振振幅幅键控（键控（2ASK2ASK）。）。第3页/共74页4“通-断键控(OOK)”信号表达式 波形101t0sT()S t载波tt2ASK第4页/共74页5二进制振幅键控信号可表示为二进制振幅键控信号可表示为1 1、2ASK2ASK信号的产生信号的产生 载波信号：载波信号：数字基带信号：数字基带信号：第5页/共74页6 2ASK2ASK信号的波形随数字基带信号信号的波形随数字基带信号b(t)b(t)通通-断断变化，所以又称为变化，所以又称为
3、通断键控信号通断键控信号（OOKOOK信号信号）。）。第6页/共74页7 二进制振幅键控信号调制器原理框图二进制振幅键控信号调制器原理框图图图(a)(a)是采用模拟相乘的方法，是采用模拟相乘的方法，图图(b)(b)是采用数字键控的方法。是采用数字键控的方法。乘法器coscosw wc ct te e2 2ASKASK(t t)(a a)coscosw wc ct t开关电路b b(t t)e e2 2ASKASK(t t)(b b)b b(t t)第7页/共74页8 二进制振幅键控信号解调器原理框图二进制振幅键控信号解调器原理框图 2 2、OOKOOK信号的解调信号的解调OOKOOK信号可采用
4、包络检波法和相干解调。信号可采用包络检波法和相干解调。带通带通滤波器滤波器全波全波整流器整流器低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器输出输出a ab bc cd d定时定时脉冲脉冲(a a)SookSook(t t)相乘器相乘器coswcoswc ct t(b b)带通带通滤波器滤波器低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器定时定时脉冲脉冲输出输出包络检波包络检波SookSook(t t)S S(t t)y y(t t)第8页/共74页9 2ASK 2ASK信号相干解调过程的时间波形信号相干解调过程的时间波形第9页/共74页103 3、OOKOOK信号的功率谱信号的功率谱 已调信号功率谱是基
5、带信号功率谱已调信号功率谱是基带信号功率谱 被被线性搬移到载波频率线性搬移到载波频率 位置上。位置上。二进制振幅键控信号的带宽二进制振幅键控信号的带宽B B2ASK2ASK是基带信号是基带信号波形带宽的两倍。波形带宽的两倍。第10页/共74页11 2ASK 2ASK信号的功率谱密度示意图信号的功率谱密度示意图 第11页/共74页12结论：2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分 组成。2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍，若 只计谱的主瓣（第一个谱零点位置），则有即2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。第12页/共74页137.1.2 二进制频移键控（2FSK）基本原理 表达式：载波的频
6、率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为 第13页/共74页14 2FSK2FSK信信号号用用不不同同频频率率f f1 1和和f f2 2的的正正弦弦信信号号分分别别表表示示二进制二进制1 1和和0 0，波形如图所示。，波形如图所示。第14页/共74页15 2FSK 2FSK信号的产生，可以采用信号的产生，可以采用模拟调频电路和模拟调频电路和数字键控数字键控的方法来实现。的方法来实现。相位连续相位连续 相位不连续相位不连续 K Ke e0 0(t)(t)模拟模拟 调频器调频器s(t)s(t)(a)(a)s(t)s(t)f f1 1载波载波。e e0 0(t)(t)开关电路开
7、关电路(b)(b)f f2 2载波载波第15页/共74页16 相位连续的相位连续的2FSK2FSK信号的波形信号的波形第16页/共74页172 2、2FSK2FSK的解调的解调 2 2FSKFSK信号的解调有非相干解调和相干解调。信号的解调有非相干解调和相干解调。原理是将原理是将2FSK2FSK信号分解为两路信号分解为两路2ASK2ASK信号，通过信号，通过对两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号。对两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号。包络检波法包络检波法 第17页/共74页18 2FSK 2FSK包络检波法时间波形包络检波法时间波形 第18页/共74页19相干解调相干解调第19页/共74
8、页20 3 3、2FSK2FSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度 对相位不连续的对相位不连续的2FSK2FSK信号，可以看成由两个信号，可以看成由两个载波频率为载波频率为f1 f1和和f2 f2的的2ASK2ASK信号的叠加。因此，相位信号的叠加。因此，相位不连续的不连续的2FSK2FSK信号的功率谱密度可以近似表示成两信号的功率谱密度可以近似表示成两个不同载波的个不同载波的2ASK2ASK信号功率谱密度的叠加。信号功率谱密度的叠加。第20页/共74页21 相位不连续相位不连续2FSK2FSK信号的功率谱示意图信号的功率谱示意图第21页/共74页22结论：相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱
9、和离散 谱组成。连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化，若|f1 f2|fs，则出现双峰；若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算2FSK信号的带宽，则其带宽近似为第22页/共74页237.1.3 二进制相移键控（2PSK）2PSK信号的表达式：在2PSK中，通常用初始相位0和 分别表示二进制 “1”和“0”。式中，n表示第n个符号的绝对相位：因此，上式可以改写为第23页/共74页24 二进制相位键控二进制相位键控(2PSK)(2PSK)通常是用两个频率相同通常是用两个频率相同但相位相差但相位相差 的载波信号来表示二进制数字的载波信号来表示二进制数字1 1和和0 0。2PSK2PSK信号可表示
10、为双极性信号可表示为双极性NRZNRZ信号和载波的乘积：信号和载波的乘积：第24页/共74页252PSK信号的调制器原理方框图模拟调制的方法 键控法 第25页/共74页262PSK信号的解调器原理方框图和波形图：第26页/共74页273 3、2PSK2PSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度 2PSK2PSK信信号号可可表表示示为为双双极极性性NRZNRZ基基带带信信号号与与正正弦弦载波相乘，因此载波相乘，因此2PSK2PSK信号的功率谱变化为信号的功率谱变化为 2PSK 2PSK信号功率谱带宽是基带信号带宽的信号功率谱带宽是基带信号带宽的两倍两倍。当当NRZNRZ的的1 1和和0 0出现概率相
11、等时，则不存在离散谱。出现概率相等时，则不存在离散谱。第27页/共74页28“0”“0”和和“1”1”等概率时等概率时2PSK2PSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度第28页/共74页29采用2PSK解调存在的问题：第一，存在“倒”现象；第二，信号波形长时间地为连续的正弦波形时，会使接收端无法辨认码元的起止时刻。解决办法：采用差分相移键控(DPSK)体制。第29页/共74页30 波形图中，假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致。但是，由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调
12、出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为2PSK 方式的“倒”现象。这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。第30页/共74页317.1.4 7.1.4 差分移相键控差分移相键控 1、差分移相键控的产生 差分移相键控（DPSK）采用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息，先对基带信号进行差分编码，再进行BPSK调制。第31页/共74页32假设为当前码元与前一码元的载波相位差，定义数字信息与 之间的关系为于是可以将一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系示例如下：第32页/共74页33
13、相应的2DPSK信号的波形如下：由此例可知，对于相同的基带信号，由于初始相位不同，2DPSK信号的相位可以不同。即2DPSK信号的相位并不直接代表基带信号，而前后码元的相对相位才决定信息符号。第33页/共74页342DPSK信号的产生方法 先对二进制数字基带信号进行差分编码，然后再根据相对码进行绝对调相，从而产生二进制差分相移键控信号。载波的相位遇到原数字信息“1”变化，遇到“0”则不变。第34页/共74页352DPSK信号调制器原理方框图第35页/共74页362DPSK信号的相干解调原理：先对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息
14、。在解调过程中，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”倒置，但经差分译码（码反变换）得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊性带来的问题。第36页/共74页37第37页/共74页382DPSK信号的差分相干解调法 p用这种方法解调时不需要专门的相干载波，只需用这种方法解调时不需要专门的相干载波，只需由收到的由收到的2DPSK信号延时一个码元间隔，然后与信号延时一个码元间隔，然后与2DPSK信号本身相乘。相乘器起着相位比较的作信号本身相乘。相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经低通用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经低通滤波后
15、再抽样判决，即可直接恢复出原始数字信滤波后再抽样判决，即可直接恢复出原始数字信息，故解调器中不需要码反变换器。息，故解调器中不需要码反变换器。p2DPSK系统是一种实用的数字调相系统，但其抗加系统是一种实用的数字调相系统，但其抗加性白噪声性能比性白噪声性能比2PSK的要差。的要差。第38页/共74页39第39页/共74页40功率谱密度 2DPSK可以与2PSK具有相同形式的表达式，不同的是2PSK中的基带信号s(t)对应的是绝对码序列；而2DPSK中的基带信号s(t)对应的是码变换后的相对码序列。因此，2DPSK信号和2PSK信号的功率谱密度是完全一样的。信号带宽为与2ASK的相同，也是码元速
16、率的两倍。第40页/共74页417.2 7.2 噪声对二进制数字调制系统性能的影噪声对二进制数字调制系统性能的影响响 在数字通信系统中，信道的噪声会造成误码，衡在数字通信系统中，信道的噪声会造成误码，衡量系统抗噪声性能的重要指标是误码率。因此，量系统抗噪声性能的重要指标是误码率。因此，分分析二进制数字调制系统的抗噪声性能，可得出误码率析二进制数字调制系统的抗噪声性能，可得出误码率与信噪比之间的数学关系。与信噪比之间的数学关系。在数字调制系统中，假设信道特性是恒参信道，在数字调制系统中，假设信道特性是恒参信道，噪声为等效加性高斯白噪声。噪声为等效加性高斯白噪声。第41页/共74页427.2.1
17、2ASK7.2.1 2ASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 2ASK2ASK信号可采用相干解调和包络检波进行解调。信号可采用相干解调和包络检波进行解调。下面将分别针对两种解调方法进行分析。下面将分别针对两种解调方法进行分析。1 1、相干解调、相干解调 对对2ASK2ASK系统，相干解调法的分析模型如图所示。系统，相干解调法的分析模型如图所示。第42页/共74页43发送发送“1”1”符号时的抽样值的概率密度函数符号时的抽样值的概率密度函数f f1 1(y)(y)为为发送发送“0”0”符号时的抽样值的概率密度函数符号时的抽样值的概率密度函数f f0 0(y)(y)为为第43页/共74页44 抽样
18、值抽样值 的一维概率密度函数的一维概率密度函数第44页/共74页45当当1 1和和0 0出现出现等概率等概率时，门限可以设置为时，门限可以设置为Vth Vth=A/2=A/2，此时有最低的错误概率：其中 为信噪比。第45页/共74页46 2 2、包络、包络解调法解调法 对对2ASK2ASK系统，包络解调法的分析模型如图所示。系统，包络解调法的分析模型如图所示。第46页/共74页47 误码率误码率PePe等于图中阴影的面积，其大小将随判等于图中阴影的面积，其大小将随判决门限而变化。当判决门限取两条曲线相交点决门限而变化。当判决门限取两条曲线相交点VthVth时，时，系统的误码率系统的误码率PeP
19、e最小。最小。第47页/共74页48 当发送的当发送的1 1和和0 0等概时，且判决门限取等概时，且判决门限取Vth=A/2Vth=A/2时，时，此时的误码率此时的误码率P Pe e 为最小：为最小：其中其中 ，为解调器输入信噪比。，为解调器输入信噪比。第48页/共74页49 例例 设设某某2ASK2ASK系系统统中中码码元元传传输输速速率率为为9600bit/s9600bit/s，发发送送“1”1”和和“0”0”的的概概率率相相等等。已已知知接接收收端端输输入入信信号号 幅幅 度度 A=1mVA=1mV，高高 斯斯 白白 噪噪 声声 的的 双双 边边 功功 率率 谱谱 密密 度度 。试求试求
20、:(1)(1)相干解调法解调时系统总的误码率；相干解调法解调时系统总的误码率；(2)(2)包络检波法解调时系统总的误码率。包络检波法解调时系统总的误码率。第49页/共74页50 解解 2ASK2ASK信号带宽为信号带宽为 B=2R B=2RB B=29600=19200 Hz=29600=19200 Hz 输出噪声平均功率为输出噪声平均功率为 2 2n n=2 B=2=2 B=2410410-13-1319200=1.5361019200=1.53610-8-8WW信噪比为信噪比为第50页/共74页51 1 1、相干解调法解调时系统总的误码率为、相干解调法解调时系统总的误码率为 2 2、包络检
21、波法解调时系统总的误码率为包络检波法解调时系统总的误码率为 第51页/共74页52结论：在相同的信噪比条件下，同步检测法的抗噪声性能优于包络检波法，但在大信噪比时，两者性能相差不大。然而，包络检波法不需要相干载波，因而设备比较简单。另外，包络检波法存在门限效应，同步检测法无门限效应。第52页/共74页537.2.2 2PSK7.2.2 2PSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 2PSK2PSK信号的解调通常都是采用相干解调方式，信号的解调通常都是采用相干解调方式，其性能分析模型如图所示。其性能分析模型如图所示。第53页/共74页54 2PSK2PSK信信号号采采用用相相干干解解调调方方式式与与
22、2ASK2ASK信信号号采采用用相相干干解解调调方方式式分分析析方方法法类类似似。在在发发送送“1”1”和和发发送送“0”0”概概率率相相等等时时，最最佳佳判判决决门门限限Vth=0Vth=0。此此时时，2PSK2PSK系统的总误码率系统的总误码率PePe为为第54页/共74页55第55页/共74页56 2DPSK信号相干解调系统性能 原理是：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码序列，再通过码反变换器变换为绝对码序列，从而恢复出发送的二进制数字信息。于是，2DPSK信号采用极性比较-码反变换法的系统误码率，只需在2PSK信号相干解调误码率公式基础上再考虑码反变换器对误码率的影响即可。第5
23、6页/共74页57 2DPSK信号采用相干解调加码反变换器方式时的系统误码率为当Pe 1时，式可近似为第57页/共74页582DPSK信号差分相干解调系统性能 2DPSK2DPSK信号差分相干解调系统的总误码率为信号差分相干解调系统的总误码率为 第58页/共74页59例7.2.3 假设采用2DPSK方式在微波线路上传送二 进制数字信息。已知码元速率RB=106 B，信道中加 性高斯白噪声的单边功率谱密度n0=2 10-10 W/Hz。今要求误码率不大于10-4。试求(1)采用差分相干解调时，接收机输入端所需的信号功率；(2)采用相干解调-码反变换时，接收机输入端所需的信号功率。第59页/共74
24、页60【解】(1)接收端带通滤波器的带宽为 其输出的噪声功率为 所以，2DPSK采用差分相干接收的误码率为求解可得求解可得又因为又因为所以，接收机输入端所需的信号功率为所以，接收机输入端所需的信号功率为第60页/共74页61（2）对于相干解调-码反变换的2DPSK系统，根据题意有 ，即 即 查误差函数表，可得 由r=a2/2 n2，可得接收机输入端所需的信号功率为 第61页/共74页627.2.3 2FSK 7.2.3 2FSK 系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 1 1、相干解调法、相干解调法 2FSK2FSK信号采用同步检测法性能分析模型如图所示。信号采用同步检测法性能分析模型如图所示。第6
25、2页/共74页63 当发送的当发送的1 1和和0 0等概时，误码率等概时，误码率P Pe e 为：为：第63页/共74页642 2、包络检波法的系统性能包络检波法的系统性能 2FSK2FSK信号也可以采用包络检波法解调，性能分析信号也可以采用包络检波法解调，性能分析模型如图所示。模型如图所示。第64页/共74页65 当发送的当发送的1 1和和0 0等概时，误码率等概时，误码率P Pe e 为：为：第65页/共74页66 例7.2.2 采用2FSK方式在等效带宽为2400Hz的传输信道上传输二进制数字。2FSK信号的频率分别为f1=980 Hz，f2=1580 Hz，码元速率RB=300 B。接
26、收端输入（即信道输出端）的信噪比为6dB。试求：（1）2FSK信号的带宽；（2）包络检波法解调时系统的误码率；（3）同步检测法解调时系统的误码率。第66页/共74页67【解】（1）根据式(7.1-22)，该2FSK信号的带宽为 （2）由于误码率取决于带通滤波器输出端的信噪比。由于FSK接收系统中上、下支路带通滤波器的带宽近似为第67页/共74页68它仅是信道等效带宽（2400Hz）的1/4，故噪声功率也减小了1/4，因而带通滤波器输出端的信噪比比输入信噪比提高了4倍。又由于接收端输入信噪比为6dB，即4倍，故带通滤波器输出端的信噪比应为将此信噪比值代入误码率公式，可得包络检波法解调时系统的误码
27、率（3）同理可得同步检测法解调时系统的误码率 第68页/共74页69 误码率误码率PePe与信噪比与信噪比r r的关系曲线的关系曲线 在相同的信噪比在相同的信噪比r r下，相干解调的下，相干解调的2PSK2PSK系统的误码率系统的误码率P Pe e最小。最小。第69页/共74页707.3 二进制数字调制系统的性能比较误码率2DPSK2PSK2FSK2ASK非相干解调相干解调第70页/共74页71误码率曲线 在在相相同同的的信信噪噪比比r r下下，相相干干解解调调的的2PSK2PSK系系统统的的误误码率码率P Pe e最小。最小。第71页/共74页72频带宽度2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度 2FSK系统的频带宽度第72页/共74页73对信道特性变化的敏感性在2FSK系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，不需要人为地设置判决门限，因而对信道的变化不敏感。在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。因此，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限与接收机输入信号的幅度有关，对信道特性变化敏感，性能最差。第73页/共74页74感谢您的观看！第74页/共74页