第7章 數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸1

1、1第7章 數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸 n7.1 二進(jìn)制幅度鍵控二進(jìn)制幅度鍵控(2ASK) n7.2 二進(jìn)制頻移鍵控二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK) n7.3 二進(jìn)制相移鍵控二進(jìn)制相移鍵控(2PSK) n7.4 二進(jìn)制差分相移鍵控二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK) n7.5 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 2本章內(nèi)容n數(shù)字調(diào)制數(shù)字通信系統(tǒng)一般模型數(shù)字通信系統(tǒng)一般模型信道編碼調(diào)制信道解調(diào)信道解碼噪 聲信源信源編碼信源解碼信宿用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，使信號(hào)的頻譜從低頻搬移到高頻的過程。3數(shù)字信號(hào)的傳輸n基帶傳輸n只適合于有線通信和短距離的無線傳輸。n頻帶傳輸n適合有線和無線傳輸，可進(jìn)行FDM。4模擬調(diào)制n幅度調(diào)

2、制（AM）n頻率調(diào)制（FM）n相位調(diào)制（PM）5tc(t)載波tf(t)調(diào)制信號(hào)tsFM調(diào)頻波tsAM調(diào)幅波 tAtucc cos0( )( )cosAMcstAf tt( )cos( )PMcpstAtK f t( )cos( )tFMcfstAtKfdtsPM調(diào)相波( )( )cosDSBcstf tttsDSB 抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波模擬調(diào)制6數(shù)字調(diào)制n幅度鍵控（ASK）n頻移鍵控（FSK）n相移鍵控（PSK）n數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制本質(zhì)上是一樣的。7數(shù)字調(diào)制信號(hào)通常用鍵控法產(chǎn)生M進(jìn)制符號(hào)序列進(jìn)制符號(hào)序列二進(jìn)制信源序列二進(jìn)制信源序列載載波波集集.S0(t)S1(t)S2(t)SM(t)801

3、23012300011011S0(t)S1(t)S2(t)S3(t)載載波波集集1011四進(jìn)制符號(hào)序列四進(jìn)制符號(hào)序列二進(jìn)制信源序列二進(jìn)制信源序列載載波波集集S0(t)S1(t)S2(t)S3(t)如 四進(jìn)制幅度調(diào)制4ASK9二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制n2ASKn載波幅度隨著調(diào)制信號(hào)而變化，只有兩種可能的幅度。n2FSKn利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。兩種不同的頻率。n2PSKn利用載波相位絕對(duì)數(shù)值的變化傳送數(shù)字信息10an 1 0 1 1 0 1 0 02ASK2FSK2PSK tnTtgatnTtgatcnsncnsnPSKscoscos tcosnTtgatcnsnASKs tcosnTtgatc

4、osnTtgat2nsn1nsnFSKs二進(jìn)制已調(diào)波形亦稱：OOK信號(hào)11舉例說明an 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 12FSK2DPSK12已調(diào)信號(hào)的功率譜函數(shù)數(shù)字已調(diào)信號(hào)頻譜分析fhcff P PS S( (f f ) )hcff cff fP PB B( (f f ) )hf 14sBcBcPfPffPff coscs tB tt一般數(shù)字已調(diào)信號(hào)137.1 二進(jìn)制幅度鍵控（2ASK） n2ASK調(diào)制的基本原理n2ASK信號(hào)的時(shí)頻域表示n2ASK調(diào)制器與解調(diào)器142ASK與OOKn二進(jìn)制幅度鍵控（2ASK）n載波幅度隨著調(diào)制信號(hào)而變化，只有兩種可能的幅度。n通斷鍵控（OOK）

5、n2ASK中兩種可能的幅度為高電平和零電平。151001anB(t)sOOK(t)00A AttOOK信號(hào)sOOK(t)=anAcosct1,0,na出現(xiàn)概率為P 出現(xiàn)概率為1-P 16OOK的時(shí)域表達(dá)式 nsOOK(t)=anAcosct nA：載波幅度；c：載波頻率nan：二進(jìn)制數(shù)字信息1,0,na出現(xiàn)概率為P 出現(xiàn)概率為1-P (72) (71)172ASK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式n調(diào)制信號(hào)：nTs：調(diào)制信號(hào)間隔ng(t)：單極性脈沖信號(hào)的時(shí)間波形nan：二進(jìn)制數(shù)字信息n2ASK信號(hào)：( )()nsnB ta g tnT( )()cosASKnscnsta g tnTt187.1.2 2ASK信

6、號(hào)的頻域特性n若二進(jìn)制序列B(t)的功率譜密度為PB()，2ASK信號(hào)的功率譜密度為PASK()，則有1( )()()4ASKBcBcPPP190fPB( f )0 fcfcfc fsfc fsfc fsfc fsfPASK( f )(a)(b) fsfsOOK信號(hào)的功率譜譜零點(diǎn)帶寬譜零點(diǎn)帶寬雙邊帶20n可以看出：幅度鍵控信號(hào)的功率譜是基帶信號(hào)功率譜的線性搬移（線性調(diào)制），其頻譜寬度是二進(jìn)制基帶信號(hào)的兩倍。n由于基帶信號(hào)是矩形波，其頻譜為Sa函數(shù)，頻帶寬度從理論上來說為無窮大，通常取第一過零點(diǎn)的帶寬作為傳輸帶寬，稱之為譜零點(diǎn)帶寬。212ASK信號(hào)的帶寬n設(shè)數(shù)字信號(hào)的碼元速率為RBn則：碼元寬度

7、Ts=1/ RBn矩形脈沖B(t)的譜零點(diǎn)帶寬BB=1/Ts=fs= RBn2ASK信號(hào)的帶寬B =2fs = 2RB （雙邊帶調(diào)制）22fc Bfc B fcfcfc Bfc BBB0PB( f )PASK( f )ff(a) 基帶信號(hào)功率譜(b) 已調(diào)信號(hào)功率譜0為了限制頻帶寬度，可以采用帶限信號(hào)作為基帶信號(hào)，如升余弦滾降信號(hào)。但此時(shí)信號(hào)的產(chǎn)生較復(fù)雜。升余弦滾降基帶信號(hào)的2ASK信號(hào)功率譜237.1.3 2ASK調(diào)制器n方法1：使用乘法器n類似模擬調(diào)制?？梢陨筛鞣N幅度調(diào)制。n方法2：使用開關(guān)電路n用于生成OOK信號(hào)。B(t)cosctsASK(t)sASK(t)B(t)開關(guān)電路24 nS

8、nB ta g tnT 2ccos tASKstB ttcosc數(shù)字信號(hào)序列數(shù)字信號(hào)序列載波載波已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)數(shù)字信號(hào)序列數(shù)字信號(hào)序列 nSnB ta g tnTGNDtcosc載波載波 2ccos tASKstB t已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)10101載波B(t)1 0 1 1 0an已調(diào)波2ASK調(diào)制器257.1.4 2ASK解調(diào)器n方法1：包絡(luò)檢波n方法2：相干解調(diào)n需要在接收端產(chǎn)生一個(gè)本地的相干載波，且設(shè)備復(fù)雜，較少使用。n數(shù)字信號(hào)最終都需要用抽樣判決電路對(duì)低通濾波器的輸出作一次判決以確定信號(hào)取值。26帶通濾波器半波或全波整流器低通濾波器抽樣判決器輸出輸入定時(shí)脈沖帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣

9、判決器輸出輸入定時(shí)脈沖cosct(a) 包絡(luò)檢波(b) 相干解調(diào)2ASK解調(diào)器27全波或半波整流帶通接收信號(hào)輸出信號(hào)低通抽樣判決定時(shí)脈沖提取(a) 包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波2ASK全波整流低通輸出 1 0 1 1 0 1 0 0輸出信號(hào)2ASK的包絡(luò)檢波法解調(diào)28 tcostsctcosc ts21 tcosc costs21 t2cos1ts21c t2coscosts21c本地相干載波提取帶通接收信號(hào)輸出信號(hào)低通抽樣判決定時(shí)脈沖提取(b) 相干解調(diào)相干解調(diào)相乘器相干解調(diào)必須載波同步，即接收端需提取與發(fā)射端同頻同相的載波。2ASK的相干解調(diào)297.2 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）n7.2.1 2FSK

10、調(diào)制的基本原理及波形表達(dá)式n7.2.2 2FSK調(diào)制的頻域特性n7.2.3 2FSK調(diào)制器n7.2.4 2FSK解調(diào)器307.2.1 2FSK的基本原理及時(shí)域表達(dá)式n2FSK：利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息。n“1”載波頻率f1n“0”載波頻率f2312FSK的時(shí)域表達(dá)式n2FSK信號(hào)可看作是兩個(gè)不同頻率交替發(fā)送的2ASK信號(hào)的疊加:n 是an的反碼212( )()cos()cosFSKnsnsnnsta g tnTta g tnTtna322ASK1t2ASK2t 1 0 1 1 0 1 0+= = 1122coscossFSKnsnsnnta g tnTta g tnTt2FSKtt 2

11、22cossASKnsnta g tnTt 11nsn1ASKtnTtgats cos2FSK信號(hào)的時(shí)域波形332FSK信號(hào)的時(shí)域波形34f1f1-fsf2f2+fs Pc( ) Pc( ) Pc( )f2f2+fsf1f1-fsf2f2+fsf1f1-fs21222FSKBsBBffBhfB為頻移指數(shù)為頻移指數(shù)或調(diào)制指數(shù)或調(diào)制指數(shù)12sffhf定義2B2BB2FSK頻移指數(shù)h越大，2FSK信號(hào)的頻帶 f越寬。2FSK信號(hào)的功率譜2ASK信號(hào)的功率譜信號(hào)的功率譜Pc fc-fs fc fc+fsPc( )35頻差12212cffffff 設(shè)：中心頻率調(diào)制指數(shù)21ssfffhRR基帶信號(hào)帶寬BB

12、則：B2FSK2BB+|f2-f1|2FSK的頻域特性36fc fsfcfc fsfP2FSK( f )h0.5h0.7h1.52FSK信號(hào)功率譜377.2.3 2FSK調(diào)制器n頻率選擇法：n產(chǎn)生相位不連續(xù)的FSK信號(hào)n壓控振蕩器n產(chǎn)生相位連續(xù)的FSK信號(hào)38圖78 2FSK調(diào)制器 振蕩器1門1倒相器求和器振蕩器2門2二進(jìn)制信息(NRZ)2FSK信號(hào)39門1數(shù)字信號(hào)輸入數(shù)字信號(hào)輸入門0反相f1f02FSK信號(hào)輸出信號(hào)輸出產(chǎn)生相位不連續(xù)的產(chǎn)生相位不連續(xù)的2FSK2FSK信號(hào)信號(hào)壓控振蕩器FSK信號(hào)輸出信號(hào)輸出數(shù)字信息序列數(shù)字信息序列an產(chǎn)生相位連續(xù)的產(chǎn)生相位連續(xù)的FSKFSK信號(hào)信號(hào)2FSK信號(hào)

13、的產(chǎn)生407.2.4 2FSK解調(diào)器n兩個(gè)并聯(lián)的ASK接收機(jī)一個(gè)FSK接收機(jī)。n非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）n相干解調(diào)n過零檢測法41 f1 f0 f1 f1 f0 f1 f02FSKttatb帶通濾波器1帶通濾波器0包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器位定時(shí)恢復(fù)判決器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2FSK輸入輸入abcdc 1 0 1 1 0 1 0d非相干解調(diào)器要良好的工作，要求較大的頻移指數(shù)。2FSK的非相干解調(diào)42帶通濾波器1帶通濾波器2低通濾波低通濾波位定時(shí)恢復(fù)判決數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸入輸入本地相干載波1本地相干載波2tcos1 2cost 12coscossFSKnsnsnnta g tnTta g tnTt nsnnTtga21 nsnnTtga212FSK的非相干解調(diào)43 1 0 1 1 0 1 0限幅微分整流脈沖發(fā)