第四章-數(shù)字頻帶調(diào)制剖析課件

2023/7/211/133通信原理第4章數(shù)字頻帶調(diào)制2/1332023/7/21數(shù)字頻帶傳輸技術(shù)——在帶通信道上傳輸數(shù)字信號的方法。圖5.0二元ASK、FSK與PSK的信號波形單極性NRZ雙極性NRZASK信號PSK信號FSK信號3/1332023/7/21本章目錄：4.1ASK4.2FSK4.3PSK與DPSK4.4QPSK與DQPSK4.5多元數(shù)字頻帶調(diào)制4.6數(shù)字電視系統(tǒng)本章學(xué)習(xí)要求：掌握：二進(jìn)制幅度鍵控2ASK、頻率鍵控2FSK和相位鍵控2PSK三種基本調(diào)制方式的原理、調(diào)制和解調(diào)電路形式掌握：相干調(diào)制和鍵控調(diào)制兩種方法掌握：相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方法掌握：相位連續(xù)的移頻鍵控CPFSK、最小移頻鍵控MSK、高斯最小移頻鍵控GMSK等掌握：相位鍵控有絕對移相和相對移相兩種方案，其中相對移相可以克服傳輸過程中可能出現(xiàn)的相位模糊現(xiàn)象了解：多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制5/1332023/7/21信道噪聲接收設(shè)備信源信宿格式化脈沖基帶調(diào)制發(fā)送設(shè)備信源編碼信道編碼加密頻帶調(diào)制發(fā)射機(jī)格式化脈沖基帶檢測信源譯碼信道譯碼解密頻帶解調(diào)接收機(jī)數(shù)字通信系統(tǒng)簡化模型信號處理信號處理基帶信號基帶信號6/1332023/7/21調(diào)制信號已調(diào)帶通信號數(shù)字基帶信號數(shù)字基帶信號帶通信號數(shù)字載波系統(tǒng)模型：頻帶調(diào)制頻帶調(diào)制傳輸媒介(信道)7/1332023/7/214.1

2ASK(2AmplitudeShiftKeying)8/1332023/7/214.1.1基本原理2ASK或OOK(二進(jìn)制幅移鍵控)——鍵控（改變）正弦載波的振幅來傳輸0或1符號。1.2ASK信號及其調(diào)制方法圖4.1.12ASK（或OOK）信號的波形通斷鍵控或啟閉鍵控（OOK）ON-OFFKeying9/1332023/7/21復(fù)包絡(luò):2ASK信號也可以表示為：2ASK信號時(shí)域表示：第n個(gè)碼元10/1332023/7/21（a）乘積法 （b）開關(guān)法（鍵控法）乘法器單極性不歸零信號圖4.1.22ASK調(diào)制框圖載波產(chǎn)生2ASK信號的產(chǎn)生：11/1332023/7/212.包絡(luò)檢波解調(diào)方法發(fā)送端信道BPF包絡(luò)檢波器抽樣判決器定時(shí)信號輸出圖4.1.32ASK包絡(luò)檢波解調(diào)框圖帶寬B帶寬2BB=Rb帶寬2B12/1332023/7/21

非相干解調(diào)1AAAA13/1332023/7/214.1.2功率譜與帶寬復(fù)包絡(luò):單極性NRZ信號14/1332023/7/2115/1332023/7/21

向上頻移基帶接收濾波器抽樣與判決BPFLPFB2B基帶發(fā)送濾波器向下頻移AWGN頻帶信道符號定時(shí)最后，了解相干解調(diào)的2ASK傳輸系統(tǒng):16/1332023/7/214.2

2FSK

(2Frequency-ShiftKeying)17/1332023/7/214.2.1基本原理2FSK或BFSK（二進(jìn)制頻移鍵控）——鍵控正弦載波的頻率來傳輸二元符號。1.2FSK信號及其調(diào)制方法18/1332023/7/212FSK信號時(shí)域表示：也可以表示為（相當(dāng)于兩路ASK相加）：

與“互補(bǔ)”：19/1332023/7/21圖4.2.22FSK信號的時(shí)域波形及其互補(bǔ)OOK特點(diǎn)10100120/1332023/7/21單極性NRZ

2FSK信號的產(chǎn)生：圖4.2.12FSK信號的產(chǎn)生原理框圖21/1332023/7/21

相干解調(diào)頻差較大時(shí)適合抽樣判決LPFLPFBPFBPFW=2RbW=2Rbf1f022/1332023/7/213.包絡(luò)檢波解調(diào)方法兩個(gè)互補(bǔ)OOK接收系統(tǒng)的組合：(非相干解調(diào))包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器輸出定時(shí)信號圖5.2.4FSK信號的包絡(luò)檢波接收框圖W=2RbW=2Rb整流整流LPFLPF抽樣判決BPF(f1)BPF(f0)適合于頻差較大的場合23/1332023/7/21（2）判決準(zhǔn)則為：，或（1）上支路接收部分，下支路接收部分；系統(tǒng)必須滿足：；適合于頻差較大的場合24/1332023/7/21101001圖5.2.5包絡(luò)檢波器的輸出25/1332023/7/214.*過零檢測解調(diào)方法其主要過程：(1)檢測過零點(diǎn)；形成邊沿窄脈沖；(2)將脈沖的疏密變換為電平高低；最后得到0或1

(非相干解調(diào))26/1332023/7/21圖5.2.6過零檢測器中的主要信號波形(1)檢測過零點(diǎn)；形成邊沿窄脈沖；(2)將脈沖的疏密變換為電平高低；最后得到0或1LPFBPF位同步器輸出W=|f1-f0|+2Rb限幅微分整流單穩(wěn)抽樣判決27/1332023/7/214.2.2功率譜與帶寬兩個(gè)互補(bǔ)的2ASK信號的功率譜的相加，傳輸帶寬：28/1332023/7/21如果和過于接近時(shí)，功率譜中兩個(gè)2ASK頻譜將發(fā)生重疊。需要保持，

圖5.2.8FSK信號功率譜示意圖一般：29/1332023/7/212.*相位連續(xù)性(a) (b)圖4.2.3不連續(xù)與連續(xù)相位的2FSK信號相位不連續(xù)的信號占據(jù)很多的頻帶，應(yīng)該盡量避免相位不連續(xù)相位連續(xù)4．2．3相位連續(xù)的頻移鍵控CPFSK30相位不連續(xù)的2FSK信號“傳號”“空號”定義保持相位連續(xù)的方法：相位連續(xù)的2FSK信號31/1332023/7/21保持相位連續(xù)的方法：保持相位連續(xù)的條件：

當(dāng)n=1時(shí)，最小頻差：此時(shí)，CPFSK成為最小頻移鍵控（MSK）32最小移頻鍵控(MSK)附加相位函數(shù)：分段線性函數(shù)，以Ts為段+1-1-1+1+1+1ak33最小移頻鍵控(MSK)MSK信號的特點(diǎn)已調(diào)信號的振幅恒定；符號交界處信號的相位是連續(xù)的。MSK信號雙極性矩形不歸零脈沖h=0.534MSK的正交調(diào)制表示形式其中，35利用正交調(diào)制法產(chǎn)生MSK信號36MSK信號的功率譜密度372高斯最小移頻鍵控(GMSK)提出背景MSK信號的相位路徑為折線，其功率譜旁瓣衰減不夠快。在諸如移動通信等通信場合中，對信號帶外輻射功率限制嚴(yán)格，而MSK無法滿足要求。GMSK信號的產(chǎn)生在MSK調(diào)制器之前加入一高斯低通濾波器，作為MSK調(diào)制器的前置濾波器高斯低通濾波器h(t)MSK調(diào)制器GMSK信號雙極性不歸零矩形脈沖序列3dB帶寬為B38高斯最小移頻鍵控(GMSK)sBTsBTsBTs高斯濾波器的矩形脈沖響應(yīng)g(t)39GMSK信號的平均功率譜密度GMSK信號功率譜特性的改善是通過降低誤比特率性能換來的前置濾波器的帶寬越窄，輸出功率越緊湊，誤比特率性能越差當(dāng)BTs=0.25時(shí)，誤比特率性能下降并不嚴(yán)重。40/1332023/7/214.3

2PSK與2DPSK(2Phase-ShiftKeying)(2DifferentialPhase-ShiftKeying)41/1332023/7/211.2PSK信號及其調(diào)制方法4.3.12PSK2PSK或BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）——利用兩種相位來傳輸二元符號。2PSK最常用的兩種相位：0(同相)

或π（反相）

42/1332023/7/212PSK信號時(shí)域表示：或，令序列的雙極性二元NRZ基帶信號為，43/1332023/7/21雙極性NRZ2PSK信號的產(chǎn)生：乘積法與選擇法。開關(guān)電路44/1332023/7/21復(fù)包絡(luò):雙極性NRZ信號2.功率譜與帶寬45/1332023/7/21形狀與2ASK的相同，但沒有離散的載波譜線。傳輸帶寬

2PSK又可以看作抑制載波后的2ASK信號，或，2ASK信號確實(shí)是2PSK信號與載波的疊加。雙極性單極性46/1332023/7/213.2PSK的相干解調(diào)來自信道向下頻移符號定時(shí)基帶接收濾波器抽樣與判決BPFLPF圖5.3.32PSK相干解調(diào)框架B中心fcB為基帶信號帶寬2B注意：nc(t)的雙邊功率譜密度為N047/1332023/7/212PSK調(diào)制解調(diào)過程：48/1332023/7/214.3.22DPSK2PSK無法直接應(yīng)用：本地振蕩存在著“不確定性反相”的問題：“0”與“1”顛倒，而自身對此無法知道。2DPSK（二進(jìn)制差分相移鍵控）——將差分編碼與2PSK相結(jié)合，解決了“不確定性反相”的問題。49/1332023/7/21例:設(shè)DPSK

實(shí)質(zhì)：用前后碼元載波相位的相對變化傳數(shù)字信息傳號差分編碼50/1332023/7/21

0123456781001001110001110

100011101+1-1-1-1+1+1+1-1+10π

π

π000π

0

π

00-π

00π

-π

相對碼絕對碼電平相位n例5.4舉例說明2DPSK信號產(chǎn)生過程中各碼元的變換以及與載波相位變化的關(guān)系絕對相位相對相位通過相鄰時(shí)隙載波相位的變化與否來“攜帶”信息：

“1——相位變化”，“0——相位不變”

51/1332023/7/21取值0、12PSK相干解調(diào)器Tb模二加取值-1、1取值0、1電平轉(zhuǎn)換圖5.3.52DPSK傳輸系統(tǒng)取值0、1取值-1、1電平轉(zhuǎn)換2PSK調(diào)制器Tb取值0、1模二加52/1332023/7/21另一種重要的解調(diào)方法：比較兩個(gè)相鄰時(shí)隙上信號的相位，還原出絕對碼（信息比特），而不需要本地振蕩。4.差分相干接收（非相干解調(diào)）圖5.3.62DPSK的差分相干解調(diào)BPFLPF延時(shí)Tb抽樣判決符號定時(shí)53/1332023/7/2111+1-1-1+1

1100-1+1-1+1

00

與的關(guān)系信息比特兩者相同兩者不同表4.3.2差分相干解調(diào)的判決準(zhǔn)則，取值0、1取值-1、1電平轉(zhuǎn)換2PSK調(diào)制器Tb取值0、1模二加54/1332023/7/2155/1332023/7/21習(xí)題

設(shè)載頻為1800Hz，碼元速率為1200波特，發(fā)送信息為011010。試按下面兩種方式畫出2DPSK信號的波形。（1）若相位偏移代表“0”，代表“1”；（2）若相位偏移代表“0”，代表“1”。解：（1）01101056/1332023/7/21（2）01101057/1332023/7/214.4QPSK與DQPSK58/1332023/7/21——取值有四種可能，以傳送四元符號。5.4.1QPSK信號的基本原理1.QPSK信號QPSK或4PSK（四進(jìn)制相移鍵控）：（1）采用了4種相位；（2）采用了正交的載波。（00，01，11，10）四元符號59/1332023/7/21QPSK的兩種相位關(guān)系：A方式：B方式：（QPSK的兩套相位值）后面討論B方式。其實(shí)，兩種方式只相差（即）格雷碼好處：相鄰相位對應(yīng)的符號中只有1位不同，相位錯(cuò)誤通常只導(dǎo)致有1個(gè)比特的損失。60四相移相鍵控~同相支路~正交支路

B方式下，QPSK：兩路正交2PSK合成61四相移相鍵控(QPSK)1234567891011121314n{a2n}{an}+1+1-1+1+1-1+1-1+1+1-1-1-1+1{a2n-1}+1+1-1-1+1-1+1+1-1+1+1+1-1-162/1332023/7/211001B方式：恒包絡(luò)最大相位調(diào)變?yōu)?3/1332023/7/2164四相移相鍵控(QPSK)QPSK信號的功率譜密度：兩路2PSK信號功率譜密度的線性疊加QPSK調(diào)制—相位選擇法相位選擇法產(chǎn)生QPSK信號的組成方框圖如圖所示。圖中，四相載波發(fā)生器分別送出調(diào)相所需的四種不同相位的載波。按串/并變換器輸出的雙比特碼元的不同，邏輯選相電路輸出相應(yīng)相位的載波。66四相移相鍵控(QPSK)67/1332023/7/21QPSK每個(gè)時(shí)隙傳輸兩比特，頻帶利用率是2PSK的兩倍。68/1332023/7/21例

假定QPSK系統(tǒng)的輸入二進(jìn)制序列為011111011000,試說明(1)相應(yīng)的載波相位(B方式)序列;(2)同相與正交支路的比特序列;(3)傳輸速率為4800bps時(shí)需要的帶寬.解:四元符號序列:011111011000(1)載波相位:(2)同相支路:111100正交支路:011010(3)帶寬:69/1332023/7/214.4.2QPSK的調(diào)制解調(diào)方法1.調(diào)制解調(diào)方法基于“QPSK等效于兩路正交的2PSK之和”的想法：調(diào)制器：

QPSK信號基帶脈沖成型基帶脈沖成型串/并轉(zhuǎn)換速率減半速率減半70/1332023/7/21解調(diào)器：QPSK信號載波同步并/串轉(zhuǎn)換BPFLPF或MFLPF或MF符號定時(shí)抽樣判決抽樣判決圖.4.4QPSK調(diào)制解調(diào)框圖同相與正交解調(diào)器彼此獨(dú)立工作71/1332023/7/21例如，在上支路的相乘器之后，LPF后輸出為：22、相位選擇法相位選擇法產(chǎn)生QPSK信號的組成方框圖如圖所示。圖中，四相載波發(fā)生器分別送出調(diào)相所需的四種不同相位的載波。按串/并變