通信产品分析与应用 第四章

第四章数字调制解调器的应用4.1概述4.2二进制振幅键控2ASK4.3二进制频移键控2FSK4.4二进制相移键控2PSK4.52ASK2FSK2PSK性能比较4.6多进制数字调制4.7数字频带调制新技术4.1调制的基本概念•什么是调制？•调制波、载波、已调波的含义是什么？•为什么要调制？•有哪些调制种类？•有哪些解调方式？•调制前后的信号发生了什么变化？4.1调制的基本概念一、什么是调制（载波调制）？用携带信息的基带信号s(t)去控制高频载波c(t)的某个参量，使其随s(t)线性变化。s(t)----调制波C(t)=Acosφ(t)=Acos(ωt+θ)---载波调制后的信号称为已调波---si(t)基带信号经过调制后的频谱发生了变化。二、调制的目的1、频率变换——将信号的频带变换成适合信道传输的频带。（频带传输、无线电发射）2、信道复用——提高信道的利用率。3、提高系统的抗干扰能力——牺牲有效性换取可靠性（扩频通信）。三、调制的分类调制信号是数字信号。—数字调制调制信号是模拟信号。模拟调制的相位参数。调制信号改变载波信号—相位调制的频率参数。调制信号改变载波信号—频率调制的幅度参数。调制信号改变载波信号—幅度调制。频谱呈非线性关系信号的已调信号的频谱与调制—非线性调制。频谱呈线性关系制信号的—已调信号的频谱与调—线性调制按调制波的不同分按调制器功能不同分按调制器传输特性不同分PSKFSKASKPMFMAM数字调制模拟调制四、数字调制系统的组成调制器信道解调器抽样判决噪声S(t)Si(t)Si(t)’S(t)’S(t)•数字调制为什么叫键控？•2ASK的已调波形有什么特点？•2ASK的已调波带宽如何？•2ASK已调波可采用什么解调方式？各自的抗噪声性能如何？•2ASK的应用如何？4.2二进制振幅键控2ASK系统4.2二进制振幅键控2ASK系统2ASK调制器模型：（2ASK:Amplitude_shiftKeying）c(t)S(t)SASK(t)一、2ASK的波形t1001S(t)c(t)ttsASK(t)c(t)S(t)SASK(t)即：SASK(t)=S(t)C(t)二、2ASK的功率谱和带宽t1001S(t)c(t)ttsASK(t)跳转BgBASKωC(ω)ω0-ω000ωPS(ω)2π/TB继续ωPASK(ω)-ω0ω00调制定理：若f(t)的频谱为F(ω)，则上式说明时域中将信号与正弦信号相乘，就等于在频域中将信号频谱在正、负频域内分别搬移到±ω0处。)](F)(F[21tcos)t(f000tf(t)0ωF(ω）0ωm-ωmω0ω0+ωm-ω0ω0)](F)(F[21tcos)t(f000BASK=2Bg=2/TB=2RB1/TB=RBASK带宽：bacde三、2ASK信号的解调与抗噪声性能1、相干解调返回判决电压：A/2判决准则：v＞A/2判“1”v＜A/2判“0”111100111100系统总误码率最佳判决门限Vd=A/2时信噪比1/010/10PPPPPe2erfc21]22A[erfc21PnenANS222/2、非相干解调abcd包络检波全波整流低通抽样判决bcd带通滤波器an(t)SASK(t)返回判决电压：A/2判决准则：v＞A/2判“1”v＜A/2判“0”111100111100在大信噪比时，最佳判决电平为Vd=A/2系统的总误码率为上式与相干解调时的误码率差别不大，由于包络解调设备简单，故在大信噪比时采用非相干解调比较广泛。1/010/10PPPPPe4ee21PASK特点•调制电路简单•已调波带宽的调制波带宽的2倍：BASK=2Bg=2RB•抗噪声性能差—误码率较大•应用较少4ee21P221erfcPe•数字调制为什么叫键控？•2ASK的已调波形有什么特点？•2ASK的已调波带宽如何？•2ASK已调波可采用什么解调方式？各自的抗噪声性能如何？•2ASK的应用如何？4.2二进制振幅键控2ASK系统4.3二进制频移键控2FSK系统•什么是2FSK？•2FSK已调波形有什么特点？•2FSK已调波的带宽如何？•2FSK已调波可采用哪些解调方式？各自的抗噪声性能如何？为什么？•2FSK主要应用在哪些场合？4.3二进制频移键控2FSK系统(2FSK:Frequency_ShiftKeying)反相器振荡器振荡器f1f2门门相加2FSK信号二进制信息（NRZ）一、2FSK调制器模型二、2FSK的时域波形载波频率随着基带信号0或1而变化“1”——频率为f1的正弦波“0”——频率为f2的正弦波FSK波形基带信号0101f2f1f2f1BT设f2=4RB，f1=3f2•2FSK信号可以看成二个频率分别是f1和f2的ASK信号的叠加。三、2FSK信号的功率谱与带宽β=0.5β=1.5ωf1f2β=0.7f2f1定义调制指数β：输入数据流的比特宽度数据速率，βBB1BR,BR12TTffB2FSK=2Bg+|f2-f1|=2RB+|f2-f1|BFSK讨论•当用两个振荡器分别产生载波信号时，FSK信号波形的相位不连续——相应的功率谱旁瓣幅度较大，使带宽增大，有效性降低。(用VCO产生载频可使相位连续）•调制指数β的取值影响FSK的有效性和可靠性：β=n/2（n取正整数）时，FSK的2个ASK互为正交，其相关系数为零，使误码率较小。β=1/2时，BFSK=2.5RB，此时有效性最高——称为最小频移键控MSK(GSM移动通信中采用）•2FSK主要应用在中低速调制信道上）BffR12β四、2FSK信号的解调：BPF1BPF2输入包络检波器1包络检波器2比较判决器输出抽样脉冲121、相干解调2、非相干解调BPF1BPF2输入相乘器相乘器比较判决器输出抽样脉冲12LPF1LPF2cos1tcos2tASK解调ASK解调相干解调系统总误码率：非相干解调系统误码率：误码率与ASK信号的误码率相比，在相同信噪比的情况下，FSK的误码率要小，因此，频移键控的抗噪声性能优于振幅键控。2erfc21)f/f(P)f(P)f/f(P)f(PP21e212e1e2/4/Aee21e21Pn22例：采用二进制频移键控方式在有效带宽为2400Hz的信道上传送二进制数字信号。已知2FSK信号的两个频率：f1=2025Hz,f2=2225Hz,fB=300Baud，信道输出端的信噪比为6dB。试求：1、2FSK信号的带宽2、采用包络检波解调时系统的误码率3、采用同步检测解调时系统的误码率解：1、带宽│f1-f2│+2fB=800Hz2、包络检波上下带通滤波器的带宽为2fB=600Hz信道带宽为2400Hz，是上下带通滤波器的带宽的4倍，输入信噪比6dB即4，所以带通滤波器的输出信噪比为4×4=16（输出噪声功率因带宽变窄而减小4倍）42/e1068.1e21P3、同步检测解调时系统的误码率5e1017.32erfc21P4.3二进制频移键控2FSK系统•什么是2FSK？•2FSK已调波形有什么特点？•2FSK已调波的带宽如何？•2FSK已调波可采用哪些解调方式？各自的抗噪声性能如何？为什么？•2FSK主要应用在哪些场合？4.4相移键控2PSK系统•什么是2PSK？•2PSK有几种方式？各自特点是什么？•2CPSK已调波如何产生？波形如何？•2DPSK已调波如何产生？波形如何？•什么的绝对码？什么是相对码？•2PSK带宽如何？•2PSK有几种解调方式？各自抗噪声性能如何？•2PSK的应用情况如何？•相移键控可分为绝对相移（CPSK）和相对相移（DPSK）两种。•用载波的不同相位直接表示数字信号的方式，称为CPSK。矢量图•用前后相邻码元的相对载波相位值表示数字信号的方式，称为DPSK。矢量图“0”“1”0前一码元相位（参考）π“1”“0”0载波相位（参考）π4.4相移键控2PSK系统(2PSK:Phase_ShiftKeying)C(t)S(t)ScPSK(t)0载波相位（参考）“1”“0”π0前一码元相位（参考）“0”“1”πSDPSK(t)一、绝对相移键控（2CPSK或2PSK）—用载波的不同相位直接表示数字信号的方式。如“1”码始终与载波同相位，“0”码始终与载波反相位。0载波相位“1”“0”π“1”码时已调波为Acos(ω0t+0)=Acosω0t“0”码时已调波为Acos(ω0t+π)=-Acosω0tScPSK(t)=S(t)cosωotS(t)为双极性不归零信号2CPSK基带信号波形1111000载波:+1-1载波C(t)已调信号电平转换二进制信息（单极NRZ）二进制信息（双极NRZ）Acos2f0tScPSK(t)=S(t)cosωotS(t)为双极性不归零信号2、PSK的功率谱及带宽SCPSK(t)=S(t)cosωotS(t)为双极性不归零信号PS(ω)ω02π/TB带宽BCPSK=2Bg=2RBωPPSK(ω)-ω0ω00也可以把cPSK看成由2个ASK合成，只是2个ASK的载波频率相同，故2个ASK频谱重叠。Bg2Bg3、CPSK的解调及误码率•相干解调——极性比较法erfc21)2A(erfc21Pne带通低通抽样判决cosω0tcpsk信号n(t)abcdebeacd判决准则：V＞0判”1”V＜0判”0”111100111100倒π现象——当载波倒相时，判决输出数字信号连续全错，称为倒π现象。带通低通抽样判决cosω0tcpsk信号n(t)abcdebac判决准则：x＞0判”1”X＜0判”0”de100111111100111100•非相干解调——相位比较法带通低通抽样判决cpsk信号n(t)abcdeTbTbf异或cabdef111100111100判决准则：已调波相位与前一码元相位相同（输出为正信号），判”0”码；已调波相位与前一码元相位相反（输出为负信号），判”1”码；非相干解调时噪声干扰引起的误码ePe二、2DPSK信号的产生1、绝对码和相对码bk=akbk-1ak=bkbk-110011001akbk11101110010011001ak相对码-绝对码变换电路TBbkakbk-1绝对码-相对码变换电路bakbk-1bkakTB(a)(b)图5-4-6绝对码与相对码变换电路2、DPSK的产生按定义产生0前一码元相位（参考）“0”“1”πakSDPSK(t)按电路产生SDPSK(t)bk绝对-相对变换CPSK调制akbkDPSK载波0载波相位（参考）“1”“0”π3、DPSK的功率谱及带宽和CPSK一样，SDPSK(t)=S(t)cosωotS(t)为双极性不归零信号PS(ω)ω02π/TB带宽BDPSK=2Bg=2RBωPPSK(ω)-ω0ω00Bg2Bg4、DPSK的解调及误码•相干解调—极性比较法带通低通抽样判决cosω0tDPSK信号n(t)abcde相对-绝对变换fbeacdf判决准则：x＞0判”1”X＜0判”0”111100111100倒π分析带通低通抽样判决cosω0tDPSK信号n(t)abcde相对-绝对变换fbacdef判决准则：x＞0判”1”X＜0判”0”111100111100111001只错2位码•2DPSK极性比较法解调的误码率为：erfc2AerfcPne•非相干解调——相位比较法beca带通低通抽样判决2DPSK信号n(t)abcdeTBd111100111100判决准则：已调波相位与前一码元相位相同（输出为正信号），判”0”码；已调波相位与前一码元相位相反（输出为负信号），判”1”码；e21Pe•2DPSK相位比较法解调的误码率为：CPSK由于会出现倒π现象，实际中不采用。DPSK一般采用非相干解调方式，广泛应用于中高速数字通信系统。4.4相移键控2PSK系统•什么