第七章 數(shù)字調(diào)制技術(shù)

第七章數(shù)字調(diào)制技術(shù)第1頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DigitalData,AnalogSignalTreattransmissionandreceptionasdigitizedAmplitudeShiftKeying(ASK)PhaseShiftKeying(PSK)Freq.ShiftKeying(FSK)ExampleShortmessage(短信息)Modem(調(diào)制解調(diào)器)7.1概述第2頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Modulationanddemodulationsynchronizationdecisiondigitaldataanalogdemodulationradiocarrieranalogbasebandsignal101101001radioreceiverdigitalmodulationdigitaldataanalogmodulationradiocarrieranalogbasebandsignal101101001radiotransmitter第4頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DigitalDatatoAnalogSignals第5頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ModulationofdigitalsignalsknownasShiftKeyingAmplitudeShiftKeying(ASK,幅移鍵控)verysimplelowbandwidthrequirementsverysusceptibletointerferenceFrequencyShiftKeying(FSK,頻移鍵控)needslargerbandwidthPhaseShiftKeying(PSK,相移鍵控)morecomplexrobustagainstinterferenceDigitalDatatoAnalogSignals第6頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

7.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制

7.2.1二進(jìn)制幅度鍵控（2ASK）

幅度鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí)，則為二進(jìn)制幅度鍵控。第7頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GenerationofASKSignalsSimplestmethodforbinaryASKistouseaswitchtogatethecarrieronandoff,drivenbythedatasignal.第8頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DigitalamplitudemodulationbyabinarysignalisThemodulatingsignal[vm(t)]isanormalizedbinarywaveform,where+1V=logic1and–1V=logic0.ASK第9頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ASKForlogic1input,vm(t)=1andEquationreducestoForlogic0input,vm(t)=-1andEquationreducesto第10頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ASKOnebinarydigitrepresentedbypresenceofcarrier,atconstantamplitude.Otherbinarydigitrepresentedbyabsenceofcarrier.第11頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Figure第12頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ASKThecarrierissimplyturnedonoroff.DigitalamplitudemodulationisalsoknownasON–OFFKeying(OOK,開(kāi)關(guān)鍵控).Low-quality,lowcost,therefore,seldomusedinhigh-capacity,highperformancecommunicationssystem.第13頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ASK第14頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ASK信號(hào)的功率譜由于二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)是隨機(jī)的、功率型的信號(hào)，故研究頻譜特性時(shí)，應(yīng)該討論它的功率譜密度。 第15頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

ASK信號(hào)的功率譜密度PE(f)是相應(yīng)的單極性數(shù)字基帶信號(hào)功率譜密度Ps(f)形狀不變地平移至±fc處形成的。

ASK信號(hào)的功率譜密度由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成。ASK信號(hào)的功率譜第16頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

ASK信號(hào)的帶寬BASK是單極性數(shù)字基帶信號(hào)帶寬fs的兩倍。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)的基本脈沖是矩形不歸零脈沖時(shí)，fs=1/Ts。于是ASK信號(hào)的帶寬為BASK=2fs=2/Ts

ASK信號(hào)的主要優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是抗干擾能力不強(qiáng)，主要應(yīng)用在低速數(shù)據(jù)傳輸中。ASK信號(hào)的帶寬第17頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ASK信號(hào)的功率譜密度示意圖第18頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ASK信號(hào)的解調(diào)方法帶通濾波器整流器低通濾波器取樣判決器(a)包絡(luò)檢波定時(shí)脈沖帶通濾波器取樣判決器低通濾波器相乘器(b)相干解調(diào)定時(shí)脈沖第19頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 在相同的信噪比條件下，相干解調(diào)法的誤碼性能優(yōu)于包絡(luò)檢波法的性能； 在大信噪比條件下，包絡(luò)檢波法的誤碼性能將接近相干解調(diào)法的性能。 包絡(luò)檢波法存在門(mén)限效應(yīng)，相干解調(diào)法無(wú)門(mén)限效應(yīng)。ASK信號(hào)的抗噪聲性能第20頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.2.2FrequencyShiftKeying(FSK)FSKhasbeenthemostwidelyusedformofdigitalmodulationuntilrecently.simpletogenerateanddetectinsensitivetoamplitudefluctuationsonthechanneldistinctcarrierfrequenciesrepresentsymbolstates第21頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FSKCanbeviewedastwo,separateASKsymbolstreamssummedpriortotransmission:第22頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FSKGenerationSwitch–>phasejumps第23頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FSKThegeneralexpressionforbinaryFSKisWhere△f

=peakfrequencydeviation

vm(t)=binaryinputmodulatingsignal(±1)△fisproportionaltotheamplitude.Themodulatingsignal[vm(t)]isanormalizedbinarywaveform,where+1V=logic1and–1V=logic0.第24頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FSKForlogic1input,vm(t)=1andEquation12-2reducestoForlogic0input,vm(t)=-1andEquationreducesto第25頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FSK第26頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1101FSKExampleDataFSKSignal第27頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月BFSKfs=fc+△f

iscalledthemarkfrequency(傳號(hào)頻率),fm=

fc－△f

iscalledthespacefrequency(空號(hào)頻率).LesssusceptibletoerrorthanASKUsedforhigh-frequency(3to30MHz)radiotransmission第28頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 相位不連續(xù)的二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的功率譜密度可以近似表示成兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)功率譜密度的疊加。相位不連續(xù)的二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為BFSK信號(hào)的功率譜密度第29頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的功率譜密度，我們可以得到二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的功率譜密度P2FSK(f)為相位不連續(xù)的二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的功率譜由離散譜和連續(xù)譜所組成,離散譜位于兩個(gè)載頻fm和fs處；連續(xù)譜由兩個(gè)中心位于fm和fs處的雙邊譜疊加形成； 第30頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月BandwidthofFSK第31頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月BandwidthofFSKTheminimumbandwidthtopassaFSKis

where第32頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月BandwidthofFSKThepeakfrequencydeviationisgivenas第33頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Non-coherentFSKDetection第34頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FSKBinaryFSKhasapoorererrorperformancethanPSKorQAM.Seldomusedforhigh-performancedigitalradiosystems.Lowperformance,lowcost,asynchronousdatamodems第35頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.2.3PhaseShiftKeying(PSK)

1.BinaryPSK(BPSK)BPSK(二進(jìn)制相移鍵控)UsestwophasestorepresentbinarydigitsPhasesareseparatedby180degrees.Simpletoimplement,inefficientuseofbandwidth.Veryrobust,usedextensivelyinsatellitecommunication.第36頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月BPSKExampleDataCarrierCarrier+pBPSKwaveform110101第37頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第38頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ConstellationDiagram(星座圖)Aconstellationdiagram,whichissometimescalledasignalstate-spacediagram(信號(hào)狀態(tài)空間圖),issimilartoaphasor(向量)diagramexceptthattheentirephasorisnotdrawn.PropertiesofModulationSchemecanbeinferredfromConstellationDiagram.第39頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TruthTable(真值表)andConstellationDiagram第40頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.DifferentialPSK(DPSK)DPSK(差分相移鍵控):itisabouttheproblemofestablishingacoherentreferenceatthereceiver.PhaseshiftwithreferencetopreviousbitBinary0–signalburstofsamephaseasprevioussignalburstBinary1–signalburstofoppositephasetoprevioussignalburst第41頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DPSKSimplereceiver–nocarrierrecoverymechanismandstillgoodperformance.logic‘1’–>changeoflogicstatefrompreviouscodedbitlogic‘0”–>nochangeofstatefromthepreviouscodedbit第42頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DPSK第43頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DPSK第44頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PSK及DPSK信號(hào)的功率譜密度

PSK與DPSK信號(hào)有相同的功率譜。 PSK信號(hào)可表示為雙極性不歸零二進(jìn)制基帶信號(hào)與正弦載波相乘，則PSK信號(hào)的功率譜為

一般情況下二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的功率譜密度由離散譜和連續(xù)譜所組成，其結(jié)構(gòu)與二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的功率譜密度相類(lèi)似，帶寬也是基帶信號(hào)帶寬的兩倍。 當(dāng)二進(jìn)制基帶信號(hào)的“1”符號(hào)和“0”符號(hào)出現(xiàn)概率相等時(shí)，則不存在離散譜，如上式所示。第45頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PSK(DPSK)信號(hào)的功率譜密度第46頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較在數(shù)字通信中，誤碼率是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，下面我們將對(duì)二進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率性能、頻帶利用率、對(duì)信道的適應(yīng)能力等方面的性能做進(jìn)一步的比較。

1.誤碼率二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式有2ASK、2FSK、2PSK及2DPSK，每種數(shù)字調(diào)制方式又有相干解調(diào)方式和非相干解調(diào)方式。下表列出了各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率Pe與輸入信噪比r的數(shù)學(xué)關(guān)系。第47頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率公式一覽表調(diào)制方式誤碼率相干調(diào)節(jié)非相干調(diào)節(jié)2ASK2FSK2PSK/2DPSK第48頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 橫向比較，對(duì)同一種數(shù)字調(diào)制信號(hào)，采用相干解調(diào)方式的誤碼率低于采用非相干解調(diào)方式的誤碼率。 縱向比較，在誤碼率Pe一定的情況下，2PSK/2FSK/2ASK系統(tǒng)所需要的信噪比關(guān)系為第49頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月誤碼率Pe與信噪比r的關(guān)系曲線

第50頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表2Pe=10-5時(shí)2ASK、2FSK和2PSK所需要的信噪比方式信噪比倍分貝2ASK36.415.62FSK18.212.62PSK9.19.6表3r=10時(shí)2ASK、2FSK方式誤碼率相干解調(diào)非相干解調(diào)2ASK1.26×10-2

4.1×10-2

2FSK7.9×10-4

3.37×10-32PSK3.9×10-6

2.27×10-5

第51頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.頻帶寬度若傳輸?shù)拇a元時(shí)間寬度為T(mén)s，則2ASK系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)的頻帶寬度近似為2/Ts，即

2ASK系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)具有相同的頻帶寬度。2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度近似為

大于2ASK系統(tǒng)或2PSK系統(tǒng)的頻帶寬度。因此，從頻帶利用率上看，2FSK系統(tǒng)的頻帶利用率最低。第52頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.對(duì)信道特性變化的敏感性

在2FSK系統(tǒng)中，判決器是根據(jù)上下兩個(gè)支路解調(diào)輸出樣值的大小來(lái)作出判決，不需要人為地設(shè)置判決門(mén)限，因而對(duì)信道的變化不敏感。 在2PSK系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)送符號(hào)概率相等時(shí)，判決器的最佳判決門(mén)限為零，與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)。因此，判決門(mén)限不隨信道特性的變化而變化，接收機(jī)總能保持工作在最佳判決門(mén)限狀態(tài)。 對(duì)于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門(mén)限為a/2(當(dāng)P(1)=P(0)時(shí))，它與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度有關(guān)。當(dāng)信道特性發(fā)生變化時(shí)，接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度將隨著發(fā)生變化，從而導(dǎo)致最佳判決門(mén)限也將隨之而變。這時(shí)，接收機(jī)不容易保持在最佳判決門(mén)限狀態(tài)，因此，2ASK對(duì)信道特性變化敏感，性能最差。第53頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 在恒參信道傳輸中，如果要求較高的功率利用率，則應(yīng)選擇相干2PSK和2DPSK，而2ASK最不可??； 如果要求較高的頻帶利用率，則應(yīng)選擇相干2PSK和2DPSK，而2FSK最不可取。 若傳輸信道是隨參信道，則2FSK具有更好的適應(yīng)能力。第54頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)BinaryFSKandBPSKareM-arysystemswhereM=2.ThenumberofoutputconditionsisexpressedmathematicallyasWhereN=numberofbitsencoded第55頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.4.1Four-levelPSK(QPSK)Eachelementrepresentsmorethanonebit.MultilevelModulationTechnique:2bitspersymbolMorespectrallyefficient,morecomplexreceiver.TwotimesmorebandwidthefficientthanBPSK第56頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月QPSKTimePlot0O90O180O270O第57頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第58頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FigureThe4-PSKcharacteristics第59頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月QPSKWithQPSK,eachofthefourpossibleoutputphasorshasexactlythesameamplitude.DistinguishPSKfromQAMaccordingtothecharacteristic.第60頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.4.28-PSK第61頁(yè)，課件共72頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8-PSKTheangularseparationbetweenanytwoadjacentphasorsis45degree,halfwhatitiswithQPSK.Itcanundergoalmosta±22.5degree.Graycode(格雷編碼):thetribitcode(3比特組編碼)betweenanytwoadjacentphaseschangesbyonlyonebit.第62頁(yè)