通信技術基礎（第二版）課件 第6章 頻帶傳輸

6.1概述6.2二進制數(shù)字調(diào)制6.3多進制數(shù)字調(diào)制6.1概述6.1.1調(diào)制的概念通信信道的基本特征是帶寬有限,帶寬取決于可使用的頻率資源和信道的傳播特性,受干擾和噪聲影響大。針對通信信道的特點,通信中信號傳輸通常采用頻帶傳輸。頻帶傳輸是指將基帶信號的頻譜搬移到某一高頻頻段后再在信道中進行傳輸,這個頻譜搬移過程稱為調(diào)制。為什么要進行調(diào)制?首先,由于頻率資源的有限性,限制了我們用開路信道傳輸信息。再者,通信的最終目的是遠距離傳遞信息。由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內(nèi)特性的原因,基帶信號是無法在無線信道或光纖信道上進行長距離傳輸?shù)?。為了進行長途傳輸,必須對數(shù)字信號進行載波調(diào)制將信號頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。實現(xiàn)頻譜搬移后的信號稱為已調(diào)信號,調(diào)制過程用于通信系統(tǒng)的發(fā)送端。在接收端需將已調(diào)信號還原成要傳輸?shù)脑夹盘?該過程稱為解調(diào)。把包括調(diào)制和解調(diào)過程的傳輸系統(tǒng)稱為頻帶傳輸系統(tǒng),而把調(diào)制器和解調(diào)器簡稱為Modem。頻帶傳輸與基帶傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別就是增加了調(diào)制與解調(diào)的環(huán)節(jié)。6.1.2調(diào)制的種類按照輸入的基帶信號(該信號稱為調(diào)制信號)不同,調(diào)制可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制是利用模擬信號調(diào)制載波信號的幅度、頻率或相位,可得到調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)或調(diào)相(PM)信號。數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號控制載波信號的幅度、頻率或相位。因數(shù)字信號只有幾個離散值,數(shù)字調(diào)制可以通過數(shù)字信號去控制開關,選擇具有不同參量的載波來實現(xiàn),為此把數(shù)字信號的調(diào)制方式稱為鍵控。常用的數(shù)字調(diào)制有:幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)等。根據(jù)數(shù)字信號進制的不同,數(shù)字調(diào)制可分為二進制調(diào)制和多進制調(diào)制。如2ASK、QAM、MQAM、2FSK、MFSK、2PSK、2DPSK、QPSK、OQPSK等6.2二進制數(shù)字調(diào)制6.2.1二進制幅移鍵控1.2ASK信號的波形二進制幅移全速控(2ASK)是一種最簡單的數(shù)字調(diào)幅方式。所謂數(shù)字調(diào)幅,是指載波幅度隨基帶數(shù)據(jù)信號變化的調(diào)制方式。實現(xiàn)2ASK最簡單的方法是在單極性二進制數(shù)字信息序列的控制下,1時發(fā)送載波,0時不發(fā)送載波,2ASK信號波形示意圖如圖6-1所示。通常把這種二進制幅移鍵控方式稱為通斷鍵控(OOK)。它的第n個碼元已調(diào)信號的時表達式為2.2ASK信號的調(diào)制與解調(diào)1)2ASK信號的產(chǎn)生方法(1)相乘法。如圖6-2(a)所示,m(t)為單極性信號,可以為0或1。當m(t)=0時,輸出信號為0;當m(t)=1時,輸出信號與輸入信號相同。(2)鍵控法。如圖6-2(b)所示,m(t)為單極性信號,可以為0或1。當m(t)=0時,開關斷開,輸出信號為0;當m(t)=1時,開關閉合,輸出信號與輸入信號相同。2)2ASK信號的解調(diào)方法常見2ASK信號的解調(diào)方法有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種,其中,非相干解調(diào)方法如圖6-3所示。圖6-3中各部分作用如下:帶通濾波器:限制頻帶寬度(濾除信道中所產(chǎn)生的干擾);包絡檢波器:檢出信號波形(用于大信號解調(diào));低通濾波器:濾除高頻雜波(由載波所產(chǎn)生的高頻雜波);抽樣判決器:恢復原信號(判斷是“1”還是“0”)2ASK信號的相干解調(diào)過程如圖6-4所示,利用乘法原理來實現(xiàn)解調(diào)。發(fā)送端(調(diào)制):接收端(解調(diào)):經(jīng)過相乘器產(chǎn)生的高頻載波,再通過低通濾波器就可濾除。3.2ASK信號的功率譜分析2ASK信號的功率譜如圖6-5所示,該功率譜具有兩個邊帶,且兩個邊帶含有相同的信息。由圖6-5可以看出:(1)2ASK信號的功率譜密度由連續(xù)譜和離散譜組成。(2)2ASK信號的功率譜是雙邊帶譜,其帶寬是基帶信號帶寬的兩倍。即調(diào)制后信號所占帶寬為式中,fs為基帶信號的帶寬。通過以上分析可以看出,2ASK信號易于實現(xiàn),但抗干擾能力差,頻帶利用率較低。6.2.2二進制絕對相移鍵控和二進制差分相移鍵控相移鍵控(PSK)是利用載波相位變化來傳遞信息的。PSK與ASK相比,抗干擾性能好;與FSK相比,頻譜利用率高。因此,PSK是一種適用于中、高速數(shù)字傳輸?shù)恼{(diào)制方式。1.二進制絕對相移鍵控所謂二進制絕對相移鍵控(2PSK),是用輸入的二進制數(shù)字信號控制載波初始相位θ(an)的變化,使信號“0”和“1”分別對應載波的兩個不同初始相位。通常這兩個相位相隔π弧度,其表達式為其中:當θ0等于0時:用0相(0°)和π相(180°)分別表示二進制信號“0”和“1”。當θ0等于

時：用

相(90°)和

相(270°)分別表示二進制信號“0”和“1”,如圖6-6所示。1)2PSK信號的產(chǎn)生方法(1)鍵控法(相位選擇法)。如圖6-7所示,數(shù)字信息序列m(t)為單極性信號,可以為0或1。若m(t)=0,則sPSK(t)=cosωct;若m(t)=1,則sPSK(t)=sinωct。(2)相乘法。相乘法PSK信號產(chǎn)生框圖如圖6-8所示。an為雙極性信號,即2)2PSK信號的解調(diào)方法PSK解調(diào)可采用相干解調(diào),如圖6-9所示。若y(t)>0,則判決為“+1”;若y(t)<0,則判決為“-1”。2.二進制差分相移鍵控2PSK信號在接收端會產(chǎn)生倒相現(xiàn)象,這對于數(shù)據(jù)信號的傳輸是不允許的,所以有實用價值的是二進制差分相移鍵控(2DPSK)。所謂二進制差分相移鍵控,是以相鄰前一碼元的已調(diào)載波相位作為基準的數(shù)字調(diào)相,利用載波相位的相對變化來傳遞數(shù)字信息。2DPSK信號能夠克服相位倒置現(xiàn)象,實現(xiàn)起來也不困難,只需在PSK調(diào)制器的輸入端加一級差分編碼電路,如圖6-10所示。各信號間的關系有其中,ak稱為絕對碼,dk稱為差分碼或相對碼,為模2加符號。相位基準:初相位:雖然對同一an,因θ(an-1)可能有兩種不同的取值而使得θ(an)也可能有兩種不同的取值,但本碼元相對于相鄰前一碼元已調(diào)載波初相位的相對變化量與二進制碼元an的關系卻是唯一的。因此,我們可以利用相位差來表示二進制碼元的不同狀態(tài)信息。例如,我們可以規(guī)定當相鄰碼元載波的初始相位倒相,當后一碼元相對前一碼元有相位差π時,則傳送二進制信息“1”;而當載波相位不發(fā)生變化,相位差為0時,則傳送二進制信息“0”,即1)2DPSK信號的波形2DPSK信號的波形如圖6-11所示。2)2DPSK信號的產(chǎn)生方法將利用載波相位的相對變化來傳遞數(shù)字信息的差分相移鍵控與利用碼元電平的相對變化來表示數(shù)字信息的差分編碼聯(lián)系起來,可以找到實現(xiàn)DPSK的方法是先對要發(fā)送的數(shù)字信息序列進行差分編碼,再進行PSK調(diào)制。由此可以看出,從發(fā)送端來看,DPSK與PSK的區(qū)別僅僅在于對載波進行調(diào)制的數(shù)字信息序列是否經(jīng)過差分編碼。也就是說,若待傳送的數(shù)字信息序列直接對載波進行調(diào)制,則為絕對相移鍵控;若待傳送的數(shù)字信息序列(稱為絕對碼)先經(jīng)過差分編碼變?yōu)椴罘执a(又稱為相對碼)再對載波進行調(diào)制,則為差分相移鍵控,又稱為相對相移鍵控。3)2DPSK的解調(diào)方法2DPSK常見的解調(diào)方法有兩種:極性比較法和相位比較法。圖6-12所示是極性比較法的實現(xiàn)原理框圖。極性比較法是對2DPSK信號先進行2PSK解調(diào),然后用碼變換器將相對碼變?yōu)榻^對碼,2DPSK信號另一種解調(diào)方法是相位比較法,又稱差分相干解調(diào)法。由于2DPSK信號的參考相位是相鄰前一碼元的載波相位,故解調(diào)時可直接比較前后碼元載波的相位,從而直接得到相位攜帶的數(shù)據(jù)信息。相位比較法解調(diào)的原理框圖如圖6-13所示。其解調(diào)方法是將2DPSK信號延遲一個碼元,由于2DPSK信號的參考載波相位是相鄰前一個碼元的載波相位,因此將2DPSK信號時延T后與輸入的2DPSK信號比較就能實現(xiàn)相對調(diào)相波的解調(diào)。2DPSK信號分成兩路,一路直接到乘法器,另一路經(jīng)延遲一個碼元的時間后作為相干載波也加于乘法器,乘法器完成相位比較功能。當前后碼元相位相同時,輸出一個正極性脈沖,當前后碼元相位相反時,輸出負脈沖,再經(jīng)低通(低通濾除2fc產(chǎn)物)、取樣判決、碼形成電路輸出原來的二元碼(數(shù)據(jù)信號),其各點對應的波形如圖6-14所示。這種解調(diào)方法電路簡單,但解調(diào)過程是以延遲一個碼元的接收信號作為相干載波進行解調(diào),這時相當于解調(diào)過程的噪聲干擾較大,故性能較差。2PSK信號帶寬與2ASK信號相同。6.2.3二進制頻移鍵控載波的幅度、相位不變,用兩個不同的頻率攜帶傳遞二進制數(shù)字信息,當發(fā)送“1”時對應于某個載波頻率ωc1,當發(fā)送“0”時對應于另一個載波頻率ωc0,我們把這種調(diào)制方式稱為二進制頻移鍵控(2FSK)。1.2FSK信號的產(chǎn)生方法二進制頻移鍵控信號的產(chǎn)生通常采用鍵控法,使兩個獨立載波發(fā)生器的輸出受控于輸入的二進制信號,按照“1”或“0”分別選擇一個載波作為輸出,如圖6-15所示。2FSK信號的波形和頻譜如圖6-16所示。2.2FSK信號的解調(diào)方法1)相干解調(diào)2FSK信號的相干解調(diào)原理如圖617所示。假設頻率ωc1代表“1”,頻率ωc0代表“0”。抽樣判決準則為x1>x2判為“1”,反之,判為“0”。為了將兩者分開,圖中采用兩個中心頻率分別為ωc1和ωc0的帶通濾波器,把代表“1”和“0”的載波信號分成獨立的兩路,再采用相干解調(diào)的方式分別進行解調(diào)。為了恢復原始數(shù)據(jù)信號,對兩路低通濾波器的輸出進行抽樣判決。2)非相干解調(diào)將收到的FSK信號首先通過分路濾波器將兩個頻率ωc1和ωc0分開,再由包絡檢波器取出它們的包絡。在時鐘的控制下,對兩個包絡抽樣并進行判決,即可恢復原始數(shù)字序列。非相干解調(diào)如圖6-18所示。3.2FSK的特點2FSK的優(yōu)點是抗干擾能力較強,不受信道變化的影響,實現(xiàn)起來較容易,在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應用。2FSK的缺點是占用頻帶較寬,如圖6-16(b)可知,B=(fc1-fc0)+2fs,其中fs為基帶信號的帶寬。6.3多進制數(shù)字調(diào)制6.3.1多進制調(diào)制技術概述二進制數(shù)字調(diào)制的基帶數(shù)字信號只有兩個狀態(tài)即“1”“0”或“+1”“-1”。在多進制系統(tǒng)中,一位多進制符號代表若干位進制符號。在相同傳碼率條件下,多進制數(shù)字系統(tǒng)的信息速率高于二進制系統(tǒng)。在二進制系統(tǒng)中,隨著傳碼率的提高,所需信道帶寬增加。采用多進制可降低碼元速率和減少信道帶寬。同時,加大碼元寬度,可增加碼元能量,有利于提高通信系統(tǒng)的可靠性。用M進制基帶數(shù)字信號調(diào)制載波的幅度、相位和頻率,可分別產(chǎn)生MASK、MFSK和MPSK三種多進制數(shù)字調(diào)制信號。6.3.2四相相移鍵控調(diào)制1.信號星座所謂信號星座,即坐標系上的一個點陣,該點陣定義了信號所有狀態(tài)的變化。點的含義如圖6-19所示,其中,點由長度(點到原點的距離)以及它與水平坐標軸的夾角所確定。2.四相相移生成QPSK四相相移鍵控調(diào)制,即4PSK,是用載波的四種不同相位來表示傳送的數(shù)據(jù)信息。如前所述,在PSK調(diào)制中,首先對輸入的二進制數(shù)據(jù)進行分組,將二位數(shù)字編成一組,即構成雙比特碼元,雙比特碼元有22種組合,即有22種不同狀態(tài),故可以用M=22種不同相位或相位差來表示,這里M=22=4,故稱為四相調(diào)相。我們把組成雙比特碼元的前一信息比特用A代表,后一信息比特用B代表,并按格雷碼排列,以便提高傳輸?shù)目煽啃?。按國際統(tǒng)一標準規(guī)定,雙比特碼元與載波相位的對應關系有兩種,稱為A方式和B方式,它們的對應關系如表6-1所示,它們之間的矢量關系如圖6-20所示。4PSK信號可采用調(diào)相法產(chǎn)生,產(chǎn)生4PSK信號的原理圖如圖621(a)所示。4PSK信號可以看作兩種正交的2PSK信號的合成,可用串/并變換電路將輸入的二進制序列依次分為兩個并行的序列。設二進制數(shù)字分別以A和B表示,每一對AB稱為一個雙比特碼元。雙極性A和B數(shù)據(jù)脈沖分別經(jīng)過平衡調(diào)制器,對0°相位載波cosωct和與之正交的載波進行二相調(diào)相,得到如圖621(b)所示四相信號的矢量表示圖。6.3.3正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制(QAM),又稱正交雙邊帶調(diào)制,是一種節(jié)省頻帶的數(shù)字調(diào)幅方法。中、高速調(diào)制解調(diào)器中一般采用QAM,它對Modem的發(fā)展起了重要作用。大約在1966—1976年的十年間,許多國家對部分響應單邊帶調(diào)制、殘余邊帶調(diào)制和正交振幅調(diào)制進行了大量研究,最后肯定了QAM的優(yōu)越性。因為單邊帶調(diào)制對發(fā)送濾波器的性能要求還是很高的,而且解調(diào)所需的相干載波必須通過發(fā)送導頻來獲取,這在信道允許功率限額不變時就相當于降低了信噪比;而殘余邊帶調(diào)制又要求殘余邊帶濾波器的傳遞函數(shù)在截止頻率fc點呈現(xiàn)嚴格的奇對稱滾降特性,且相頻特性保持線性。當滾降系數(shù)較小時,從接收信號中提取相干載波就很困難。而QAM調(diào)制,不僅頻帶利用率和單邊帶調(diào)制相同,而且它不需要發(fā)送用于載波同步的導頻信號,故使信噪比占了很大優(yōu)勢。1.基本原理正交調(diào)幅是由兩路在頻譜上成正交的抑制載頻的雙邊帶調(diào)幅所組成。具體方法是用兩路獨立的基帶波形分別對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調(diào)制,然后將所得到的兩路已調(diào)信號疊加起來。在QAM系統(tǒng)中,由于兩路已調(diào)信號在相同的帶寬內(nèi)頻譜正交,故可以在同一頻帶內(nèi)并行傳輸兩路數(shù)據(jù)信息,因此,其頻帶利用率和單邊帶系統(tǒng)相同。在QAM方式中,基帶信號可以是二電平的,也可以是多電平的,當為多電平時,就構成多進制正交振幅調(diào)制。正交振幅調(diào)制信號產(chǎn)生和解調(diào)原理如圖6-22所示。輸入數(shù)據(jù)序列經(jīng)串/并變換得A、B兩路信號,分別通過低通濾波器形成s1(t)和s2(t)兩路獨立的基帶波形,它們都是無直流分量的雙極性基帶脈沖序列。A路的基帶信號s1(t)與載波cosωct相乘,形成抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號B路的基帶信號s2(t)與載波相乘,形成另一路抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號于是兩路合成的輸出信號為由于A路的調(diào)制載波與B路的調(diào)制載波相位差90°,所以形成兩路正交的頻譜,故稱為正交調(diào)幅。這種調(diào)制方法的A、B兩路都是雙邊帶調(diào)制,但兩路信號同處于一個頻段之中,所以可同時傳輸兩路信號,因此,雙邊帶比單邊帶增加一倍帶寬,可以傳送兩路信號,故頻帶利用率是雙邊帶調(diào)制的兩倍,即與單邊帶方式或基帶傳輸方式的頻帶利用率相同,并且對發(fā)送濾波器沒有特殊的要求。正交振幅調(diào)制信號的解調(diào)必須采用相干解調(diào)方法,解調(diào)原理如圖622右半部分所示。假定相干載波與信號載波完全同頻同相,且假設信道無失真、帶寬不限、無噪聲,認為接收信號r(t)=e(t),則兩個解調(diào)乘法器的輸出分別為可見,在s'1(t)、s'2(t)表示式中,分別只有第一項為原來的基帶信號,其余均為2ωc的調(diào)制產(chǎn)物。所以,分別用低通濾波器濾除高次諧波分量,將基帶信號s'1(t)和s'2(t)濾出,以實現(xiàn)正確區(qū)分兩路信號。上、下兩個支路的輸出信號分別為經(jīng)判決合成后即為原數(shù)據(jù)序列。這樣就可以實現(xiàn)無失真的波形傳輸。2.星座表示法圖6-23(a)所示是用矢量表示QAM信號,如果只畫出矢量端點,則如圖6-23(b)所示,稱為QAM的星座表示。如星座圖上有4個星點,則稱為4QAM。這種以矢量端點來表示信號,如同天空中的星星的方法稱為星座。從圖6-23(b)的星座圖上很容易看出:A路的“1”碼在星座圖的右側,“0”碼在左側;而B路的“1”碼在上側,“0”碼在下側。星座圖上各信號點之間的距離越大,抗誤碼能力越強。上面討論的4QAM方式是A、B各路傳送二電平碼的情況。如果采用二路四電平碼送到A、B調(diào)制器,就能更進一步提高頻譜利用率。由于采用四電平基帶信號,因此,每路在星座上有4個點,于是4×4=16,組成16個點的星座圖,如圖6-24所示。這種正交調(diào)幅稱為16QAM。同理,將二路八電平碼送到A、B調(diào)制器,可得64點星座