第5課-基本的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)課件

第5課基本的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

（1）調(diào)制的相關(guān)概念（2）調(diào)制的功能（3）二進制數(shù)字幅度調(diào)制(2ASK)（4）

二進制數(shù)字頻率調(diào)制(2FSK)（5）

二進制數(shù)字絕對相位調(diào)制(2PSK)（6）

二進制數(shù)字相對相位調(diào)制(2DPSK)（7）二進制數(shù)字調(diào)制技術(shù)的比較（8）

多進制數(shù)字調(diào)制第5課基本的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)（1）調(diào)制的相關(guān)概念

數(shù)字信號有兩種傳輸方式，一種是前面討論的基帶傳輸方式，另一種就是本章要介紹的調(diào)制傳輸或稱為頻帶傳輸。1調(diào)制相關(guān)概念數(shù)字信號有兩種傳輸方式，一種是前面討論的基帶傳輸方式，另一1調(diào)制相關(guān)概念為什么需要進行調(diào)制?因為任何特定的信道都有一個與其相關(guān)的頻率范圍，若某類信號的頻帶在這個范圍內(nèi)，則適合傳輸，而如果是在該范圍外，通信將嚴重受阻，甚至不可能實現(xiàn)。比如：無線通信的頻段是800MHZ至900MHZ，而我們的語音是300HZ至3.4kHZ，因此，語音信號無法直接在無線信道中傳。要想在無線信道中傳輸語音信號必須要先進行調(diào)制。即通過處理將這些信號嵌入另一較高頻率的信號中去。1調(diào)制相關(guān)概念為什么需要進行調(diào)制?在通信系統(tǒng)中實際使用的信道多為帶通型，例如各個頻段的無線信道。而我們知道數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻成分，只適合在低通型信道中傳輸（比如雙絞線），為了使數(shù)字信號能在帶通信道中傳輸，必須采用數(shù)字調(diào)制，把低頻信號“變”成高頻信號。1調(diào)制相關(guān)概念在通信系統(tǒng)中實際使用的信道多為帶通型，例如各個頻段的無線信道將輸入的基帶信號變換為適合于信道傳輸?shù)念l帶信號形式，這個變換過程稱為調(diào)制。調(diào)制是一種信號處理技術(shù)，本質(zhì)是進行頻譜變換，把攜帶有用信息的基帶信號的頻率從低頻范圍搬移到高頻范圍。在數(shù)字調(diào)制中則可用載波信號參量的某些離散狀態(tài)(高頻載波的振幅、頻率、相位)來表征所傳輸?shù)男畔?，在接收端也只要對載波信號的調(diào)制參量有限個離散值進行判決，以便恢復出原始信號。1調(diào)制相關(guān)概念將輸入的基帶信號變換為適合于信道傳輸?shù)念l帶信號形式，這個變換1調(diào)制相關(guān)概念調(diào)制即是用基帶信號控制高頻載波的振幅、頻率、或者相位，使高頻載波的振幅、頻率、相位隨著基帶信號的變化而變化。根據(jù)所控制的參量的不同，調(diào)制方法可分為振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。1調(diào)制相關(guān)概念調(diào)制即是用基帶信號控制高頻載波的振幅、頻率解調(diào)是調(diào)制的反過程，是將基帶信號從已調(diào)波上搬移下來的過程或方式。在實際的通信系統(tǒng)中，調(diào)制和解調(diào)總是成對出現(xiàn)的。把它們合起來稱為調(diào)制系統(tǒng)。我們把包括調(diào)制和解調(diào)過程的傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字信號的頻帶傳輸系統(tǒng)。1調(diào)制相關(guān)概念解調(diào)是調(diào)制的反過程，是將基帶信號從已調(diào)波上搬移下來的過程或1調(diào)制相關(guān)概念由圖可見，原始數(shù)字序列經(jīng)基帶信號形成器后變成適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘杝(t)，然后送到鍵控器來控制載波的振幅、頻率或相位，形成數(shù)字調(diào)制信號，并送至信道。在信道中傳輸?shù)倪€有各種干擾。接收濾波器把疊加在干擾和噪聲中的有用信號提取出來，并經(jīng)過相應(yīng)的解調(diào)器，恢復出數(shù)字基帶信號、數(shù)字序列。1調(diào)制相關(guān)概念由圖可見，原始數(shù)字序列經(jīng)基帶信號形成器后變2調(diào)制的功能除了前面介紹的基本功能外，調(diào)制還有以下功能：（1）可以方便發(fā)射。在利用無線信道進行通信時，發(fā)射信號的波長與發(fā)射天線的長度尺寸應(yīng)該匹配，發(fā)射信號才可以通過天線有效地發(fā)射出去。通常認為天線尺寸應(yīng)該大于波長的10分之1（波長=光速/頻率）。例如電話語音信號的頻率范圍只有300至3400，其最小波長大約為100公里，對于電話語音信號，要想直接利用天線發(fā)射信號，其天線尺寸要達到10公里，同時接收天線也要與信號波長進行匹配，顯然，這是不可能的。如果對語音信號進行調(diào)制，提高發(fā)射信號的載波頻率，則天線尺寸將大大減少。方便發(fā)射和接收。2調(diào)制的功能除了前面介紹的基本功能外，調(diào)制還有以下功能：2調(diào)制的功能（2）可以實現(xiàn)多路復用。多路復用是將多路信號在同一個物理信道中互不干擾的進行傳輸?shù)囊环N通信方式。例如電話語音信號，一個物理信道只能通過一路語音信號，如果多于一路，則各語音信號之間會互相干擾，導致通信無法進行。但采用調(diào)制技術(shù)可以將不同的語音信號調(diào)制到不同的頻率范圍上，各個頻率范圍互不重疊，被稱為頻道；然后將位于不同的頻道的頻帶信號混合，通過同一個物理信道進行傳輸。在接收端將混合的多路頻帶信號分別通過不同的濾波器將各頻帶信號分離出來并進行解調(diào)。這種技術(shù)稱為頻分復用。2調(diào)制的功能（2）可以實現(xiàn)多路復用。多路復用是將多路信號2調(diào)制的功能比如無線電廣播，各個廣播電臺將各自的廣播節(jié)目調(diào)制到不同頻率的載波上發(fā)送出去供聽眾接收。聽眾通過旋轉(zhuǎn)調(diào)臺按鈕改變收音機內(nèi)的帶通濾波器的中心頻率，當中心頻率與廣播節(jié)目的載頻相同時，就可以將該節(jié)目選擇出來，再經(jīng)過處理可轉(zhuǎn)成聲音信號播放出來。類似原理的還有有線電視系統(tǒng)。某廣播電臺交通臺

調(diào)頻102.6MHz

聲音如何傳輸?shù)绞找魴C呢？在發(fā)送端和接受端如何處理？2調(diào)制的功能比如無線電廣播，各個廣播電臺將各自的廣播節(jié)目2調(diào)制的功能（3）調(diào)制可以減少噪聲和干擾。通過不同的調(diào)制方式可以抑制噪聲和干擾。例如信道噪聲通常是加性噪聲，對數(shù)字頻帶信號的幅度有較大影響，如果采用頻率調(diào)制方式，將數(shù)字基帶信號幅度的變化轉(zhuǎn)為數(shù)字頻帶信號頻率的變化，則可以大大降低信道噪聲和干擾的影響。2調(diào)制的功能（3）調(diào)制可以減少噪聲和干擾。通過不同的調(diào)制數(shù)字調(diào)制所用的載波一般是連續(xù)的正弦型信號。理論上講，載波形式可以是任意的（如三角波、方波等），只要適合在信道中傳輸即可。之所以在實際通信中多選用正弦型信號，是因為它具有形式簡單、便于產(chǎn)生和接收等特點。與模擬調(diào)制中的幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制相對應(yīng)，數(shù)字調(diào)制也分為三種基本方式：幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。數(shù)字調(diào)制所用的載波一般是連續(xù)的正弦型信號。理論上講，載波形式3二進制數(shù)字幅度調(diào)制2ASK的基本原理是利用代表數(shù)字信息“0”或“1”的基帶矩形脈沖去控制一個連續(xù)的載波，使載波時斷時續(xù)地輸出。有載波輸出時表示發(fā)送“1”，無載波輸出時表示發(fā)送“0”2ASK振幅鍵控信號可以采用兩種方式產(chǎn)生：（1）直接相乘法（2）鍵控法。2ASK基本原理數(shù)字振幅調(diào)制又稱為幅移鍵控（ASK），二進制振幅鍵控記作2ASK。3二進制數(shù)字幅度調(diào)制2ASK的基本原理是利用代表數(shù)字信息3二進制數(shù)字幅度調(diào)制{sn}{Sn}表示待傳送的數(shù)字序列；S(t)表示基帶信號

表示高頻載波SASK(t)稱為已調(diào)信號3二進制數(shù)字幅度調(diào)制{sn}{Sn}表示待傳送的數(shù)字序列3二進制數(shù)字幅度調(diào)制（1）相乘法3二進制數(shù)字幅度調(diào)制（1）相乘法3二進制數(shù)字幅度調(diào)制（2）鍵控法（用數(shù)字開關(guān)控制載波的通斷）用基帶信號s(t)去控制開關(guān)，當輸入信號為1時，開關(guān)接通載波信號，允許載波信號通過；當輸入信號為0時，開關(guān)斷開，輸出端沒有信號輸出。3二進制數(shù)字幅度調(diào)制（2）鍵控法（用數(shù)字開關(guān)控制載波的通3二進制數(shù)字幅度調(diào)制問題：接收端收到已調(diào)信號后，怎樣恢復出調(diào)制信號（原始數(shù)字基帶信號）呢？回答：要進行解調(diào)。

2ASK幅移鍵控信號的解調(diào)方法有兩種：包絡(luò)解調(diào)法（非相干解調(diào)法）相干解調(diào)法3二進制數(shù)字幅度調(diào)制問題：接收端收到已調(diào)信號后，怎樣恢復3二進制數(shù)字幅度調(diào)制（1）包絡(luò)解調(diào)法abcd帶通濾波器全波整流器包絡(luò)檢波器低通濾波器抽樣判決器輸出定時脈沖S2ASK(t)abcd3二進制數(shù)字幅度調(diào)制（1）包絡(luò)解調(diào)法abcd帶通全波包絡(luò)3二進制數(shù)字幅度調(diào)制帶通濾波器濾除傳輸過程中加入的頻帶以外的噪聲干擾；整流器使信號變?yōu)閱螛O性信號；包絡(luò)檢波器檢出信號的包絡(luò)；低通濾波器濾除包絡(luò)信號中的高頻成分，得到平滑的包絡(luò)信號；抽樣判決器在抽樣脈沖的控制下對包絡(luò)信號進行抽樣判決，再生數(shù)字序列{sk}3二進制數(shù)字幅度調(diào)制帶通濾波器濾除傳輸過程中加入的頻帶以3二進制數(shù)字幅度調(diào)制相干解調(diào)法的原理如下：已調(diào)信號可以表示為調(diào)制信號與載波信號的乘積，即：如果在接收端將已調(diào)信號與載波信號相乘，則有：第1項是數(shù)字基帶信號，第2項是高頻信號，通過低通濾波器可以濾除第2項。從而得到原信號s(t)①②（2）相干解調(diào)法3二進制數(shù)字幅度調(diào)制相干解調(diào)法的原理如下：已調(diào)信號可以表3二進制數(shù)字幅度調(diào)制相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生一個與發(fā)送端的發(fā)送載波一樣的本地載波，造成接收端設(shè)備復雜，因此在2ASK系統(tǒng)中很少使用。而包絡(luò)檢波器的實現(xiàn)則比較簡單，得到了廣泛的應(yīng)用。3二進制數(shù)字幅度調(diào)制相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生一個與發(fā)送端4二進制數(shù)字頻率調(diào)制2FSK的基本原理是使用代表二進制數(shù)字序列的數(shù)字基帶信號去控制高頻載波的頻率變化。二進制數(shù)字序列只有1和0兩種狀態(tài)，1使用頻率為f1的載波表示，0使用頻率為f2的載波表示。2FSK頻移鍵控信號可以采用兩種方式產(chǎn)生：（1）直接調(diào)頻法（不講）（2）鍵控法。數(shù)字頻率調(diào)制又稱為頻移鍵控（FSK），二進制頻移鍵控記作2FSK。4二進制數(shù)字頻率調(diào)制2FSK的基本原理是使用代表二進制數(shù)4二進制數(shù)字頻率調(diào)制鍵控法使用數(shù)字基帶信號控制電子開關(guān)在兩個載波發(fā)生器之間進行切換載波發(fā)生器1電子開關(guān)1電子開關(guān)2載波發(fā)生器2相加器倒相器s(t)c1(t)c2(t)s2FSK(t)4二進制數(shù)字頻率調(diào)制鍵控法載波發(fā)生器1電子開關(guān)1電子開4二進制數(shù)字頻率調(diào)制原始信息ttt2ASK2FSK1001014二進制數(shù)字頻率調(diào)制原始信息ttt2ASK2FSK1004二進制數(shù)字頻率調(diào)制t2FSK可分解成tt可見2FSK可看作是2個2ASK信號之和4二進制數(shù)字頻率調(diào)制t2FSK可分tt可見2FSK可看作4二進制數(shù)字頻率調(diào)制2FSK的解調(diào)同步檢測法（相干解調(diào)法）包絡(luò)解調(diào)法（非相干解調(diào)法）、過零檢測法4二進制數(shù)字頻率調(diào)制2FSK的解調(diào)4二進制數(shù)字頻率調(diào)制因為2FSK信號可以看作是兩個載波頻率不同的2ASK信號的疊加，所以它的解調(diào)可以利用兩個中心頻率分別為f1和f2的帶寬濾波器濾出兩路2ASK信號，再將兩路2ASK信號通過包絡(luò)檢波器和抽樣判決器來實現(xiàn)。該解調(diào)方法經(jīng)常采用。（1）包絡(luò)解調(diào)法4二進制數(shù)字頻率調(diào)制因為2FSK信號可以看作是兩個載波頻4二進制數(shù)字頻率調(diào)制4二進制數(shù)字頻率調(diào)制4二進制數(shù)字頻率調(diào)制設(shè)頻率f1代表數(shù)字信號“1”；

f2代表數(shù)字信號“0”，則抽樣判決器的判決準則應(yīng)為

式中,v1,v2分別為抽樣時刻兩個包絡(luò)檢波器的輸出值。這里的抽樣判決器，要比較v1,v2的大小，或者說把差值v1-v2與零電平比較。因此，有時稱這種比較判決器的判決門限為零電平。4二進制數(shù)字頻率調(diào)制設(shè)頻率f1代表數(shù)字信號“1”；4二進制數(shù)字頻率調(diào)制因為2FSK信號可以看作是兩個載波頻率不同的2ASK信號的疊加，所以它的解調(diào)可以利用兩個中心頻率分別為f1和f2的帶通濾波器濾出兩路2ASK信號，再將兩路2ASK信號分別與相應(yīng)的相干載波相乘，然后通過低通濾波器和抽樣判決器來生成基帶數(shù)字信號。（2）相干解調(diào)法（同步檢測法）4二進制數(shù)字頻率調(diào)制因為2FSK信號可以看作是兩個載波頻4二進制數(shù)字頻率調(diào)制過零檢測法是通過計算2FSK信號經(jīng)過零點的數(shù)目的多少來解調(diào)出基帶數(shù)字信號的。在基帶數(shù)字信號的一個周期內(nèi)，兩種載波由于頻率不一樣，通過零點的次數(shù)是不同的。過零檢測法設(shè)備比較簡單，是一樣常用的頻率鍵控解調(diào)方法。（3）過零檢測法4二進制數(shù)字頻率調(diào)制過零檢測法是通過計算2FSK信號經(jīng)過e圖中的脈沖越密，代表輸入信號的頻率越高帶通濾波器限幅器微分器低通濾波器采樣判決器定時脈沖S

(t)整流器脈沖展寬S2FSK(t)abcdefe圖中的脈沖越密，代表輸入信號的頻率越高帶通濾波器限幅器微分5二進制數(shù)字相位調(diào)制數(shù)字相位調(diào)制又稱為相移鍵控，是用數(shù)字基帶信號去控制載波的相位，使載波信號的相位隨基帶信號的變化而變化。它有兩種形式：絕對相移PSK，和相對相移DPSK。二進制絕對相移記為2PSK,二進制相對相移記為2DPSK。5二進制數(shù)字相位調(diào)制數(shù)字相位調(diào)制又稱為相移鍵控，是用數(shù)字5二進制數(shù)字相位調(diào)制二進制絕對相移（2PSK）是利用載波的相位偏移來區(qū)分不同的數(shù)據(jù)信息，例如：規(guī)定已調(diào)載波與未調(diào)載波同相表示“0”，已調(diào)載波與未調(diào)載波反相（即相差π相位）表示“1”。5二進制數(shù)字相位調(diào)制二進制絕對相移（2PSK）是利用載波5.1二進制絕對相移2PSK2PSK波形原始信息tt2PSKt載波0110015.1二進制絕對相移2PSK2PSK波形原始信息tt2PS5.1二進制絕對相移2PSK2PSK信號可以采用兩種方法實現(xiàn)。一種是如圖1所示的直接調(diào)相法（相乘法），二進制數(shù)字序列對應(yīng)的單極性碼先經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換,然后變成雙極性不歸零碼（正電平代表“0”，負電平代表“1”

），與載波相乘而產(chǎn)生2PSK信號。另一種是如圖2所示的鍵控法。5.1二進制絕對相移2PSK2PSK信號可以采用兩種方法實5.1二進制絕對相移2PSK載波發(fā)生器電子開關(guān)1電子開關(guān)2相加器倒相器反相器s(t)cos(ωt+π)cosωts2PSK(t)鍵控法0相位表示0碼元，用π相位表示1碼元5.1二進制絕對相移2PSK載波發(fā)生器電子開關(guān)1電子開關(guān)25.1二進制絕對相移2PSK2PSK信號的解調(diào)2PSK信號的載波頻率是單一頻率，因此無法使用包絡(luò)檢波的方法解調(diào)。只能采用相干解調(diào)法。5.1二進制絕對相移2PSK2PSK信號的解調(diào)5.1二進制絕對相移2PSK帶通濾波器低通濾波器抽樣判決器相乘器相干載波抽樣脈沖xs(t)y(t)s2PSK(t)cosωct假設(shè)0相位表示0碼元，用π相位表示1碼元若x>0，則輸出0；若x<0,則輸出15.1二進制絕對相移2PSK帶通濾波器低通濾波器抽樣判決器5.1二進制絕對相移2PSK由于采用相干解調(diào)法，所以在接收端必須要能夠產(chǎn)生與發(fā)送端同頻率同相位的相干載波信號，一般2PSK系統(tǒng)接收端的本地載波是從接收信號中提取出來的，由于信道噪聲的影響，其相位會產(chǎn)生誤差。如果產(chǎn)生的相干載波信號與發(fā)送端不同步，有相位誤差，則會造成錯誤判決。該現(xiàn)象為相位模糊現(xiàn)象。例如：假設(shè)本地載波與原載波反相，則最后的輸出與發(fā)送的信號完全相反，這種現(xiàn)象通常稱為2PSK方式的“倒π現(xiàn)象”。5.1二進制絕對相移2PSK由于采用相干解調(diào)法，所以在接收5.2二進制相對相移2DPSK為了解決2PSK解調(diào)中的“相位模糊”問題，人們發(fā)明了2DPSK，2DPSK調(diào)制的基本原理及波形表達式如下：相對相移(2DPSK)是利用載波的相對相位變化來表示數(shù)字信號的相移方式。所謂相對相位是指本碼元初相與前一碼元末相的相位差（或者是本碼元初相與前一碼元初相的相位差）。例如：若碼元為1，則本碼元載波相位對于前一碼元相位移動π；若碼元為0，則本碼元載波相位與前一碼元相位相同。由此可見，與絕對相移不同，相對相移中所有相同的相位并不對應(yīng)相同的碼元，碼元值要由前后碼元相對相位差決定。因此相對相移是利用前后碼元載波相位的相對變化來傳遞信息的，只要前后碼元的相對相位關(guān)系不破壞，則鑒別這個相位關(guān)系就可正確恢復數(shù)字信息，從而避免了相位模糊問題5.2二進制相對相移2DPSK為了解決2PSK解調(diào)中的“相(1)波形t載波100110t2DPSK初始相位2DPSK規(guī)則：若碼元為1，則其載波相位對于前一碼元相位移動π；若碼元為0，則其載波相位與前一碼元相位相同。5.2二進制相對相移2DPSK(1)波形t載波100110t2DPSK初始相位2DPSK5.2二進制相對相移2DPSK100110t差分編碼初始電平t如果我們對差分編碼以后的碼進行直接2PSK調(diào)制…差分編碼后的2PSK就是原碼的2DPSK載波差分(相對)碼1110015.2二進制相對相移2DPSK100110t差分編碼初始電5.2二進制相對相移2DPSK100110t差分編碼初始電平絕對碼100101差分(相對)碼111001絕對碼和相對碼是可以互相轉(zhuǎn)換的，實現(xiàn)的方法就是使用模二加法器和延遲器5.2二進制相對相移2DPSK100110t差分編碼初始電5.2二進制相對相移2DPSK+延遲Tsan模2加bn+延遲Tsbn模2加an差分編碼器差分譯碼器絕對碼100101差分(相對)碼1110015.2二進制相對相移2DPSK+延遲Tsan模2加bn+延5.2二進制相對相移2DPSKbn：1001000110或bn：0110111001按反變換公式：

an=bn

⊕bn－1an101100101由上圖可見，盡管有兩種差分碼（它們互為反碼），但是它們含有的絕對碼信息是一樣的，所以經(jīng)過反變換可恢復原絕對碼序列。按變換公式：

bn=an⊕bn－1

101100101an5.2二進制相對相移2DPSKbn：10二進制相對相移2DPSK信號的產(chǎn)生過程是：首先對數(shù)字基帶信號進行差分編碼，即由絕對碼變?yōu)橄鄬Υa（差分碼），再進行