第六章 數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)

通信技術(shù)基礎(chǔ)主編：于寶明王鈞銘主審：宮錦文新世紀(jì)高職高專通信類課程規(guī)劃教材國(guó)家級(jí)精品課件配套教材大連理工大學(xué)出版社內(nèi)容回顧

調(diào)制：調(diào)制（Modulation）是用基帶信號(hào)去控制正弦波的參數(shù)的過(guò)程。用于調(diào)制的基帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)，被調(diào)制的正弦波稱為載波，經(jīng)過(guò)調(diào)制以后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。數(shù)字基帶信號(hào)能否直接在信道中傳輸與信道的傳輸特性有關(guān)。由于數(shù)字基帶信號(hào)具有豐富的低頻成分，但現(xiàn)有的許多信道（包括信道端口的一些設(shè)備）的傳輸特性并不能使這些成分有效地傳輸。為了完整的傳輸信號(hào)，必須要進(jìn)行調(diào)制。（頻譜搬移的過(guò)程）

0.112

3510f(kHz)L(dB)

-4

-8

-12

-16

-20

-24

雙絞線的傳輸特性

模擬用戶線的傳輸特性

話音信號(hào)頻譜

數(shù)字基帶信號(hào)頻譜

調(diào)制的必要性：數(shù)字調(diào)制是指調(diào)制信號(hào)為數(shù)字型的正弦波調(diào)制。利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)去鍵控載波的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。這種方法通常稱為鍵控法。一個(gè)正弦載波有三個(gè)參數(shù)，分別是幅度、頻率與相位，它們都可以受調(diào)制信號(hào)的控制而發(fā)生變化，常見(jiàn)的數(shù)字調(diào)制有振幅鍵控（ASK）（調(diào)幅度）移頻鍵控（FSK）(頻率調(diào)制)相移鍵控（PSK）（相位調(diào)制）以及它們的組合或改進(jìn)。1.二進(jìn)制振幅鍵控（ASK)正弦載波的有無(wú)受到信碼控制，當(dāng)信碼為1時(shí)，ASK的波形是若干個(gè)周期的高頻等幅波（圖中為兩個(gè)周期）；當(dāng)信碼為0時(shí)，ASK信號(hào)的波形是零電平。

載波

ASK信號(hào)波形基帶信號(hào)波形

（單極性NRZ）

10011011100

信碼

E0信號(hào)波形二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的產(chǎn)生方法（調(diào)制方法）有兩種：圖（a）是采用模擬調(diào)制方式的ASK調(diào)制方法，相乘器將數(shù)字基帶信號(hào)（單極性NRZ波形）和高頻載波相乘，得到ASK信號(hào)。圖（b）則是采用數(shù)字鍵控方法，由數(shù)字基帶信號(hào)去控制一個(gè)開(kāi)關(guān)電路。當(dāng)出現(xiàn)1碼時(shí)開(kāi)關(guān)K閉合，有高頻載波輸出；當(dāng)出現(xiàn)0碼時(shí)開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，無(wú)高頻載波輸出。相乘器

數(shù)字基帶信號(hào)（單極性NRZ）載波

ASK信號(hào)（a）載波ASK信號(hào)（b）數(shù)字基帶信號(hào)（單極性NRZ）相乘器數(shù)字基帶信號(hào)載波ASK信號(hào)載波數(shù)字基帶信號(hào)ASK信號(hào)ASK信號(hào)的頻譜ASK信號(hào)實(shí)際上是信碼的單極性NRZ波形與高頻載波的相乘。重要結(jié)論：ASK信號(hào)的頻帶寬度是基帶信號(hào)的兩倍。

（a）

（b）

f

f

0

0

fC

fS

UASK(f)

UB(f)

2.

二進(jìn)制頻移鍵控（FSK)信號(hào)波形二進(jìn)制頻移鍵控就是用兩種不同頻率的正弦載波來(lái)表示其兩種狀態(tài)(0和1)，而載波的幅度則保持不變。

載波頻率FSK信號(hào)波形基帶信號(hào)波形

10011011100信碼f1

f2

f2

f1

f1

f2

f1f1f1

f2

f2

FSK信號(hào)的產(chǎn)生可以是直接用NRZ基帶信號(hào)對(duì)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻，如同將其看作一個(gè)模擬基帶信號(hào)，或采用鍵控的方法，用NRZ基帶信號(hào)去控制一個(gè)選通器，通過(guò)選通開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)向來(lái)輸出不同的振蕩頻率。FSK調(diào)制載波數(shù)字基帶信號(hào)FSK信號(hào)載波數(shù)字基帶信號(hào)FSK信號(hào)FSK調(diào)制器框圖與電路1011010110

如果用兩個(gè)中心頻率分別為f1和f2的帶通濾波器對(duì)FSK信號(hào)進(jìn)行濾波，可以將其分離成兩個(gè)ASK信號(hào)波形FSK信號(hào)波形=濾波器Ⅰ輸出波形+濾波器Ⅱ輸出波形

如前所述，F(xiàn)SK信號(hào)可以看作是兩個(gè)頻率分別為f1和f2的ASK信號(hào)的合成，因此它的頻譜也是這兩個(gè)ASK信號(hào)頻譜的合成，通常FSK信號(hào)的頻帶寬度可根據(jù)下式計(jì)算：與ASK相比，在同樣的碼元速率下，F(xiàn)SK信號(hào)的頻帶寬度要大一個(gè)頻差。FSK信號(hào)的頻譜

Df（a）

f

0

UASK1(f)（c）

0

f1

f2

f

FSK帶寬

f1

ASK帶寬

（b）

f

0

UASK1(f)f2

3.二進(jìn)制相移鍵控(PSK)及二進(jìn)制差分相移鍵控(DPSK)信號(hào)波形二進(jìn)制相移鍵控(PSK)和差分相移鍵控(DPSK)是載波相位按基帶脈沖序列的規(guī)律而改變的一種數(shù)字調(diào)制方式。+E0-E0101110100100T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9T10T11T12T13

0111001110110PSK波形信碼

DPSK波形

相對(duì)碼

載波基準(zhǔn)基帶信號(hào)波形

在T1時(shí)刻，信碼為1（這里，對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)波形為低電平），PSK信號(hào)與載波基準(zhǔn)相位相反；在Tn時(shí)刻，信碼為0，PSK信號(hào)與載波基準(zhǔn)的相位相同。這種以信號(hào)與載波基準(zhǔn)的不同相位差直接去表示相應(yīng)數(shù)字信息的相位鍵控，通常被稱為絕對(duì)相移鍵控方式。

+E0-E0111001110110PSK波形信碼

載波基準(zhǔn)基帶信號(hào)波形T1Tn在T1時(shí)刻，信碼為1（這里，對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)波形為低電平），PSK信號(hào)與前一碼元的相位相反；在Tn時(shí)刻，信碼為0，PSK信號(hào)與前一碼元的相位相同。這種以信號(hào)碼元之間不同相位差直接去表示相應(yīng)數(shù)字信息的相位鍵控，通常被稱為相對(duì)相移鍵控或差分相移鍵控方式。

+E0-E0111001110110信碼

載波基準(zhǔn)基帶信號(hào)波形

T1TnDPSK波形

0101110100100相對(duì)碼問(wèn)題：下列兩個(gè)波形哪個(gè)是PSK波形？哪個(gè)是DPSK波形？答1：不清楚，兩個(gè)波形類似答2：波形1是PSK信號(hào)，波形2是DPSK信號(hào)答3：波形1不是DPSK信號(hào)，波形2是PSK信號(hào)011100111011010111010010

波形1波形2信碼與PSK信號(hào)的相位關(guān)系也可以用矢量圖表示“0”相位

“π”相位

1

0

反相

同相PSK調(diào)制器中，載波發(fā)生器和移相電路分別產(chǎn)生兩個(gè)同頻反相的正弦波，由信碼控制電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行選通，當(dāng)信碼是“0”時(shí)，輸出“0”相信號(hào)，當(dāng)信碼為“1”時(shí)輸出“”相信號(hào)。PSK調(diào)制反相載波信碼PSK0

πDPSK信號(hào)調(diào)制器比PSK調(diào)制器電路多了一個(gè)“碼變換”電路，信碼在碼變換電路中變換成相對(duì)碼，再用這個(gè)相對(duì)碼對(duì)載波進(jìn)行PSK調(diào)制得到DPSK信號(hào)。DPSK調(diào)制010100111011000101信碼相對(duì)碼PSK解調(diào)

對(duì)PSK信號(hào)的解調(diào)的方法有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種，相干解調(diào)器方框圖和各功能塊輸出點(diǎn)的波形如下圖。帶通

濾波器

相乘器

低通

濾波器

取樣

判決器

載波提取電路

判決輸出取樣脈沖

載波基準(zhǔn)PSK波形相乘輸出低濾輸出DPSK解調(diào)DPSK信號(hào)的波形與PSK相同，因此也能用上面的框圖進(jìn)行解調(diào)，但得到的只能是相對(duì)碼，還必須有一個(gè)碼變換器將相對(duì)碼變換為絕對(duì)碼。此外，DPSK信號(hào)解調(diào)還可采用差分相干解調(diào)的方法，直接將信號(hào)前后碼元的相位進(jìn)行比較，如下圖。由于此時(shí)的解調(diào)已同時(shí)完成了碼變換，故無(wú)需再安排碼變換器。這種解調(diào)方法由于無(wú)需專門的相干載波，因而是一種很實(shí)用的方法。當(dāng)然，它需要一延遲電路精確地延遲一個(gè)碼元長(zhǎng)度（TS），這是在設(shè)備上所要花費(fèi)的代價(jià)。帶通

濾波器

相乘器

低通

濾波器

取樣

判決器

帶通

濾波器

延遲TS

延遲輸出相乘輸出低濾輸出

取樣脈沖

判決輸出

DPSK波形PSK與DPSK信號(hào)的頻譜PSK與DPSK信號(hào)實(shí)際上是一個(gè)雙極性矩形脈沖序列與高頻載波相乘的結(jié)果，因此其頻譜與ASK信號(hào)的頻譜相似，所不同的是ASK調(diào)制時(shí)基帶信號(hào)是單極性信號(hào)，含有直流分量，相乘后信號(hào)中就有載波分量；PSK信號(hào)（或DPSK）調(diào)制時(shí)基帶信號(hào)是雙極性信號(hào)，如果信碼1、0出現(xiàn)的概率相同，則基帶信號(hào)中沒(méi)有直流分量，已調(diào)波中也就沒(méi)有載波分量，兩者的頻帶寬度相同，都是基帶信號(hào)帶寬的兩倍。6.3多相制相移鍵控

在數(shù)據(jù)通信中，為了提高信息傳遞速率，可以用載波的一種相位代表一組二進(jìn)制信號(hào)碼元，也就是多進(jìn)制碼元。由于碼組長(zhǎng)度為m的二進(jìn)制信碼有2m種排列方式，因此，表示它們的載波相位在0～2π范圍內(nèi)也應(yīng)有2m個(gè)取值，這就是多相制的基本概念。目前用得較多的多相制PSK（或DPSK）是四相制和八相制。下而以四相制為例介紹多相制PSK和DPSK的原理。

設(shè)基準(zhǔn)載波的相位為0，4PSK信號(hào)的四個(gè)相位相隔為π/2，它們與基準(zhǔn)載波的相位關(guān)系有兩種情況，如下表所列，分別稱為π/2系統(tǒng)和π/4系統(tǒng)。通常用二位二進(jìn)制碼元表示一個(gè)四進(jìn)制碼元，故圖中的信碼是二進(jìn)制形式。四相制PSK與DPSK波形4PSK相位排列表信碼（AB）相位（π/4系統(tǒng)）相位（π/2系統(tǒng)）00π/40013π/4π/2115π/4π107π/43π/2

與DPSK一樣，4DPSK也是用相鄰碼元（四進(jìn)制碼元）的相位差表示四種狀態(tài)。例如，第一個(gè)碼元為01，它與前一個(gè)碼元（參考相位為0）的相位差就是π/2；第二個(gè)碼元為00，它與第一個(gè)碼元的相位差是0，與基準(zhǔn)載波的相位差則是π/2。π/2

0

π

π/2

π

3π/23π/2

0

π/2

π/2

3π/20

ππ/2

00信碼

基準(zhǔn)載波（“0”相）4PSK信號(hào)波形PSK信號(hào)相位

4DPSK信號(hào)波形DPSK相對(duì)于基準(zhǔn)的相位

參考相位

01001101111010004PSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)4PSK信號(hào)的合成相位AB合成信號(hào)輸出000sin(ωCt-π/4)+cos(ωCt-π/4)π/210-sin(ωCt-π/4)+cos(ωCt-π/4)π11-sin(ωCt-π/4)-cos(ωCt-π/4)3π/201sin(ωCt-π/4)-cos(ωCt-π/4)4PSK信號(hào)的向量圖信號(hào)源

sinωt

900相移cosωt

反相

-sinωt

反相

-cosωt

四選一電路

AB

cos(ωt-π/4)

sin(ωt-π/4)

-sin(ωt-π/4)

-cos(ωt-π/4)

00

11

10

01

sinωt

cosωt

-cosωt

-sinωt

4PSK信號(hào)產(chǎn)生器原理圖

從向量圖中可以看到，4PSK信號(hào)的每一個(gè)向量都可以由兩個(gè)相鄰π/4的向量（用虛線表示）合成。例如，信碼為10的向量可以用-sin(ωCt-π/4)+cos(ωCt-π/4)表示。表4-2列出了信碼與合成向量的關(guān)系。對(duì)這個(gè)表進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)合成向量sin(ωCt-π/4)和cos(ωCt-π/4)的極性分別與兩位信碼A和B有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如A=1，則sin(ωCt-π/4)的極性為“-”，否則為“+”；B=1，cos(ωCt-π/4)的極性為“-”，否則為“+”?！瑼2A1

…B2B1

cos(ωt-π/4)

sin(ωt-π/4)

載波

發(fā)生器

碼元

分配器

相乘器

90o相移

相乘器

線性

相加器

帶通

濾波器

I通道

二進(jìn)碼元入

4PSK信號(hào)出Q通道

…B2A2B1A1相乘器

4PSK信號(hào)調(diào)制

取樣脈沖sin(ωt-π/4)cos(ωt-π/4)載波發(fā)生器

90o相移相乘器相乘器

低通濾波器低通濾波器

碼元

合成器

二進(jìn)碼元出4PSK信號(hào)入

…B2A2B1A1低通濾波器

4PSK信號(hào)解調(diào)6.4多進(jìn)制正交幅度調(diào)制

在同樣的碼元速率下，4PSK的傳信率是2PSK的二倍，但是由于4PSK相鄰狀態(tài)之間的相位差（π/2）要比2PSK的相位差（π）小，解調(diào)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤判決的可能性就要大，同樣，8PSK的傳信率更高，但誤碼率也會(huì)更大；不難發(fā)現(xiàn)，接收端對(duì)這些信號(hào)相鄰狀態(tài)的分辯能力與它們的矢量端點(diǎn)之間的間隔有關(guān)，間隔越大，越容易分辯，也就是越不易受干擾的影響。(a)

(b)(c)

(d)(e)L/2+L0信號(hào)幅度范圍L

0

L/3

2L/3

噪聲容限

噪聲容限

0

0p

p

0

0-p/2

-p/2-p/2

p/2p/2p+p/4-p/4-3p/4

+3p/