現(xiàn)代通信技術（第二版）課件 第五章 數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)

第五章

數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)重點與難點內(nèi)容：數(shù)字頻帶傳輸?shù)母拍睢⒍M制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)的原理二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的功率譜密度二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能不同二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的差異多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理及應用現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理及應用

為何要進行頻帶傳輸？

在數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中，為了使數(shù)字基帶信號能夠在信道中傳輸，要求信道應具有低通形式的傳輸特性。

然而，在實際信道中，大多數(shù)信道是帶通傳輸特性，數(shù)字基帶信號不能直接在這種帶通傳輸特性的信道中傳輸。必須用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制，產(chǎn)生各種已調(diào)數(shù)字信號。

采用數(shù)字鍵控的方法實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制稱為鍵控法。

基本的三種數(shù)字調(diào)制方式是：振幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)移相鍵控(PSK或DPSK)。數(shù)字基帶信號比起模擬基帶信號有什么特點？數(shù)字調(diào)制有哪幾種？有限的離散狀態(tài)若調(diào)制信號是二進制數(shù)字基帶信號時，這種調(diào)制稱為二進制數(shù)字調(diào)制。振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號變化的數(shù)字調(diào)制?！M制振幅鍵控（2ASK）：當數(shù)字基帶信號為二進制時，稱為二進制振幅鍵控（2ASK）。5.1二進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)

5.1二進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)

2ASK實現(xiàn)方法一般有2種：模擬相乘法；數(shù)字鍵控法

5.1二進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)

2ASK解調(diào)方法

能夠采用非相干解調(diào)(包絡檢波法)和相干解調(diào)(同步檢測法)5.1二進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)

非相干解調(diào)法（包絡檢波法）

優(yōu)點：它能夠得到一個與輸入信號瞬時振幅大小成正比的輸出電壓。由于這種檢波器比較簡單，并具有穩(wěn)定性好、可靠性高和價格便宜等優(yōu)點。相干解調(diào)法條件

采用相干解調(diào)法，接收端必須提供一個與ASK信號的載波保持同頻同相的相干振蕩信號，否則會造成解調(diào)后的波形失真。通常接收端本身是無法獨立產(chǎn)生這種相干信號的。而此相干信號原則上可以通過窄帶濾波（如果已調(diào)信號中含有載波分量）或鎖相環(huán)路來提取，但是實現(xiàn)起來還是比較困難，將給設備增加復雜性。

目前在實際中很少采用同步檢波法來解調(diào)ASK信號。5.1二進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)

2ASK信號的功率譜

2ASK功率譜密度圖5.1二進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)

2ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，衡量系統(tǒng)抗噪聲性能的重要指標是誤碼率。

因此，分析二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能，也就是分析在信道等效加性高斯白噪聲的干擾下系統(tǒng)的誤碼性能，得出誤碼率與信噪比之間的數(shù)學關系。

由于信道加性噪聲被認為只對信號的接收產(chǎn)生影響，故分析系統(tǒng)的抗噪聲性能也只要考慮接收部分。

同時認為這里的信道加性噪聲既包括實際信道中的噪聲，也包括接收設備噪聲折算到信道中的等效噪聲。5.1二進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)

5.1二進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)

包絡檢波法系統(tǒng)抗噪聲性能5.1二進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)

與同步檢測法的系統(tǒng)總誤碼率相比，可以得出結論：在相同的信噪比條件下，同步檢測法的抗噪聲性能優(yōu)于包絡檢波法；在大信噪比時，兩者性能相差不大；包絡檢波法不需要相干載波，因而設備比較簡單；包絡檢波法存在門限效應，同步檢測法無門限效應。5.1二進制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)

二進制頻移鍵控（2FSK)調(diào)制，它是繼振幅鍵控信號之后出現(xiàn)比較早的一種調(diào)制方式。

由于它的抗噪聲、抗衰減性能優(yōu)于ASK，設備又不算復雜，實現(xiàn)也比較容易，所以一直在很多場合應用。例如在中低速數(shù)據(jù)傳輸，尤其在有衰減的無線信道中。5.2二進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)

5.2二進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)

2FSK實現(xiàn)方法

二進制移頻鍵控信號的產(chǎn)生，可以采用模擬調(diào)頻電路來實現(xiàn)，也可以采用數(shù)字鍵控的方法來實現(xiàn)。5.2二進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)

5.2二進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)

2FSK解調(diào)方法

二進制移頻鍵控信號的解調(diào)方法很多，有非相干解調(diào)方法也有相干解調(diào)方法。其原理是將2FSK信號分解為兩路2ASK信號，分別進行解調(diào)，通過對兩路取樣值進行比較最終判決輸出信號。

由于從FSK信號中提取相干載波很困難，因此目前大多采用非相干解調(diào)。非相干解調(diào)法又有過零檢測法、分路包絡檢波法、鑒頻法等。相干解調(diào)非相干解調(diào)5.2二進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)

分路包絡檢波法解調(diào)的時間波形如圖所示，這種非相干解調(diào)器工作的條件是兩路ASK信號頻譜不重疊，其頻譜利用率不高，但因為比較容易實現(xiàn)，因此實際應用較多。5.2二進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)

過零檢測法的原理圖如圖所示，其原理是，2FSK信號的過零點數(shù)隨載波頻率不同而相異，通過檢測過零點密度（或頻率）從而得到頻率的變化5.2二進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)

5.2二進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)

5.2二進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)

5.2二進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)

比較同步檢測法及包絡檢波法解調(diào)時性能可知，在大信噪比情況下，兩者性能差距很小，但同步檢測時設備復雜的多，因此，包絡檢波法比同步檢測法更為常用。

此外，對于FSK信號的解調(diào)，除以上兩種方式外，還可以采用鑒頻法，在此不做深入討論。5.2二進制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)

數(shù)字調(diào)相通常分為絕對移相制和相對移相制兩種方式。絕對移相制PSK是利用載波的不同相位表示數(shù)據(jù)信息相對移相制DPSK是利用載波的相對相位值表示數(shù)據(jù)信息。5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

數(shù)字調(diào)相：

又稱相移鍵控調(diào)制，它是利用載波的相位變化來反映數(shù)字數(shù)據(jù)信息的，此時載波的振幅和頻率都不變化。**相移鍵控（PSK)信號抗噪聲性能比ASK信號和FSK信號都要好，在中高速的數(shù)據(jù)傳輸中廣泛采用調(diào)相技術。

5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

2PSK實現(xiàn)方法采用模擬調(diào)制如圖（a）或者數(shù)字鍵控如圖（b）的方法產(chǎn)生2PSK信號。5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

2PSK解調(diào)方法2PSK信號的解調(diào)通常都采用相干解調(diào)5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

這個2PSK的解調(diào)存在什么問題？5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

2DPSK調(diào)制原理相對移相信號也稱為差分移相，就是數(shù)字“1”和“0”信號的相位不是以某個固定的相位（載波的相位）作參考，而是以相鄰的前一碼元的相位為參考的。5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

2DPSK實現(xiàn)方法

首先對二進制數(shù)字基帶信號進行差分編碼，將絕對碼表示二進制信息變換為用相對碼表示信息，然后再進行絕對調(diào)相，從而產(chǎn)生二進制差分相位鍵控信號。5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

2DPSK解調(diào)方法

相干解調(diào)方式(極性比較法)，其解調(diào)原理是：對2DPSK信號進行相干解調(diào)，恢復出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復出發(fā)送的二進制數(shù)字信息。在解調(diào)過程中，若相干載波產(chǎn)生相位模糊，使得解調(diào)出的相對碼產(chǎn)生倒置現(xiàn)象。但是經(jīng)過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊度的問題。5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

差分相干解調(diào)方式(相位比較法)，解調(diào)原理：直接比較前后碼元的相位差，從而恢復發(fā)送的二進制數(shù)字信息。由于解調(diào)的同時完成了碼反變換，故解調(diào)器中不需要碼反變換器。由于差分相干解調(diào)不需要相干載波，所以實際上是一種非相干解調(diào)方法。5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)

二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的比較（誤碼率與帶寬）*誤碼率

各種二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率與輸入信噪比的關系，包括采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)方式

相干解調(diào)非相干解調(diào)精確值近似值2ASK2FSK2PSK

2DPSK5.4二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)比較

5.4二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)比較

5.4二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)比較

由于二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)頻帶利用率較低，在信道頻帶受限時為了提高頻帶利用率，通常采用多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，其代價是增加信號功率和實現(xiàn)上的復雜性。在信息傳輸速率不變的情況下，通過增加進制數(shù)，可以降低碼元傳輸速率，從而減小信號帶寬、節(jié)約頻帶資源、提高系統(tǒng)頻帶利用率；在碼元傳輸速率不變的情況下，通過增加進制數(shù)，可以增大信息傳輸速率，從而在相同的帶寬中傳輸更多的信息量。

MASKMFSKMPSK5.5多進制數(shù)字調(diào)制

為何要進行多進制？MASK調(diào)制原理MASK信號與2ASK信號產(chǎn)生的方法相同，可利用乘法器來實現(xiàn)。解調(diào)也與2ASK信號相同，可采用相干解調(diào)和非相千解調(diào)兩種方式5.5多進制數(shù)字調(diào)制

MFSK調(diào)制原理

在一個碼元期間在M個頻率中選擇一個輸出。其相位是不連續(xù)的，可看作是M個振幅相同、載波不同時間上互不相容的二進制ASK信號的疊加。5.5多進制數(shù)字調(diào)制

5.5多進制數(shù)字調(diào)制

數(shù)字幅度調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制，這三種方式是數(shù)字信號調(diào)制的基礎。

但這三種數(shù)字調(diào)制方式都存在某些不足，如頻譜利用率低、抗多徑衰落能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴重等，不能適應當前移動通信快速發(fā)展的需要。

因此，需要尋找頻帶利用率高，同時抗干擾能力強的調(diào)制方式，目前已有一些新型數(shù)字調(diào)制技術廣泛使用在通信系統(tǒng)中。5.6現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術

正交振幅調(diào)制QAM（QuadratureAmplitudeModulation）

一種幅度和相位聯(lián)合鍵控（APK)的調(diào)制方式。它可以提高系統(tǒng)可靠性，且能獲得較高的信息頻帶利用率，是目前應用較為廣泛的一種數(shù)字調(diào)制方式。

廣泛應用于大容量數(shù)字微波通信、有線電視網(wǎng)絡和衛(wèi)星通信中。正交振幅調(diào)制實現(xiàn)

用兩路獨立的基帶數(shù)字信號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，利用已調(diào)信號在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸，是將所得到的兩路已調(diào)信號疊加起來進行傳輸。交錯正交相移鍵控OQPSK

4PSK即（QPSK）是MPSK系統(tǒng)中應用較廣泛的一種調(diào)制方式。

為了克服QPSK調(diào)制已調(diào)信號帶寬無窮寬、包絡起伏、頻譜擴散的問題，消除QPSK調(diào)制載波相位翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在QPSK的基礎上提出了恒包絡調(diào)制方式OQPSK。

交錯四相相移鍵控（OQPSK）是繼QPSK之后發(fā)展起來的一種恒包絡數(shù)字調(diào)制技術，是QPSK的一種改進形式，也稱為偏移四相相移鍵控(offset-QPSK)技術，有時又稱為參差四相相移鍵控（SQPSK）或者雙二相相移鍵控（Double-QPSK)等。

高斯最小頻移鍵控GMSK

MSK信號雖然具有頻譜特性和誤碼性能較好的特點，然而在一些通信場合，例如在移動通信中，MSK所占帶寬仍較寬，而且其頻譜的帶外衰減仍不夠快，以至于會產(chǎn)生鄰道干擾。

為此，人們設法對MSK的調(diào)制方式進行改進：在頻率調(diào)制之前用一個低通濾波器對基帶信號進行預濾波，它通過濾出高頻分量，給出比較緊湊的功率譜，從而提高譜利用率。這就是高斯最小移頻鍵控（GMSK），GMSK調(diào)制方式能夠滿足移動通信環(huán)境下對鄰道干擾的嚴格要求，以其良好的性能被用于GSM數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中。

正交頻分復用

數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式都是屬于串行體制，和串行體制相對應的一種體制是并行體制。它是將高速率的信息數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并變換，分割為若干路低速率并行數(shù)據(jù)流，然后每路低速率數(shù)據(jù)采用一個獨立的載波調(diào)制并疊加在一起構成發(fā)送信號，這種系統(tǒng)也稱為多載波傳輸系統(tǒng)。OFDM調(diào)制與解調(diào)原理N個待發(fā)送的串行數(shù)據(jù)經(jīng)串/并變換后，得到N路并行碼，碼型選用雙極性NRZ矩形脈沖，經(jīng)N個子載波分別對N路并行碼進行2PSK調(diào)制，相加后得到OFDM信號，為了使這