第6章 正弦载波数字调制系统

22:24:34第六章正弦载波数字调制系统6.1引言6.2二进制数字调制原理6.3二进制数字调制系统的抗噪声性能6.4二进制数字调制系统的性能比较6.5多进制数字调制系统6.6改进的数字调制方式22:24:346.1引言实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓载波调制。从原理上来说，受调制载波的波形可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输就可以了。但实际上，在大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波。这是因为正弦信号形式简单，便于产生及接收。22:24:34数字调制数字调制有调幅、调频和调相三种基本形式，并可以派生出多种其它形式。数字调制都是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。根据已调信号的频谱结构特点的不同，数字调制也可分为线性调制和非线性调制。振幅键控属于线性调制，而移频键控常属于非线性调制。22:24:34正弦载波的三种键控波形2ASK2FSK2PSK2DPSK100122:24:346.2二进制数字调制原理1二进制振幅键控2二进制移频键控3二进制移相键控移相键控（Phase-ShiftKeying）差分移相键控（DifferentialPhase-ShiftKeying）22:24:346.2.1二进制振幅键控(2ASK)2ASK是用基带信号控制载波的幅度作离散变化，也就是载波的幅度随着数字信号1和0在两个电平之间转换。e0(t)s(t)100122:24:342ASK一个2ASK信号可以表示为一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的相乘。tnTtgatecnsncos])([)(0g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲P1,1P,0－概率为概率为nansnnTtgats)()(令ttsteccos)()(022:24:342ASK调制的实现产生方法两种：模拟幅度调制法、键控法×cosωcts(t)e0(t)模拟幅度调制法e0(t)~载波开关电路s(t)K键控法22:24:34OOK的解调—非相干解调(包络检波法)输入BPFLPF抽样判决定时脉冲输出半波或全波整流器22:24:342ASK解调——相干解调(同步检测法）BPFLPF抽样判决定时脉冲cosωct输出输入22:24:34OOK信号的频谱由于二进制振幅键控信号是随机的、功率型的信号，所以我们讨论他的功率谱。设e0(t)的功率谱密度是PE(f)，s(t)的功率谱密度是Ps(f)，所以)]()([41)(cscsEffPffPfP因为s(t)是单极性的随机矩形脉冲序列，所以直接推得Ps(f)msssssmffmfGpffGppffP)()()1()()1()(222222:24:34OOK信号的频谱根据矩形波g(t)的频谱特点，对于所有m≠0的整数，有G(mfs)=0,所以)()0()1()()1()(2222fGpffGppffPsss)]()([)0()1(41])()()[1(41)(22222ccsccsEffffGpfffGffGppffPP＝1/2)]()([)0(161])()([161)(2222ccsccsEffffGfffGffGffP22:24:34OOK信号的频谱)]()([161]|)()(sin||)()(sin[|16)(22ccscscscscsEffffTffTffTffTffTfPsfTjsssefTfTTfG)sin()(22:24:34OOK信号的功率谱密度示意图22:24:34频谱特点功率谱由连续谱和离散谱两部分组成，其中，连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量决定OOK信号的带宽是基带脉冲波形带宽的两倍OOK信号的第一旁瓣值比主峰值衰减14dB22:24:346.2.2二进制移频键控(2FSK)2FSK是用数字基带信号控制载波的频率变化，0符号对应于载频ω1，1符号对应于载频ω2，而且ω1和ω2之间的改变是瞬间完成的。s(t)1001e0(t))cos()()cos()()(210nsnnnsnntnTtgatnTtgateP11P0概率为概率为的反码，是nnnaaa22:24:342FSK调制的实现：模拟调频法和键控法~f1载波开关电路s(t)e0(t)K~f2载波键控法模拟调频器S(t)e0(t)模拟调频法22:24:342FSK一般说来，键控法得到的是与序列n无关的，反映在e0(t)上，仅表现出ω1与ω2改变时其相位是不连续的；而用模拟调频法时，由于当ω1与ω2改变时e0(t)相位是连续的，故不仅与第n个信号码元有关，而且也保持一定的关系。nn、nn、nn、2FSK的常用解调方法是非相干检测法和相干检测法。这里的抽样判决器是判定哪一个输入样值大，此时可以不专门设置门限电平。还有其他的解调方法，鉴频法、过零检测法及差分检波法等。22:24:342FSK信号的解调——相干解调BPFLPF抽样判决定时脉冲cosω1t输出输入BPFLPFcosω2t22:24:342FSK信号的解调——非相干解调输入BPF抽样判决定时脉冲输出包络检波BPF包络检波22:24:342FSK信号的解调——过零检测法限幅微分整流宽脉冲发生器低通abcdef22:24:342FSK信号的解调——差分检波法BPFLPF抽样判决定时脉冲输出输入×τ22:24:34差分检波法解调原理设输入为Acos(ω0+ω)t，与延时波形的乘积为LPF的输出为：V=(A2/2)cos(ω0+ω)τ])()(2cos[2)cos(2))(cos()cos(0020200tAAtAtA适当选择τ，使cosω0τ=0，则有sinω0τ=±1，此时，V=-(A2/2)sinωτ当ω0τ=π/2或V=+(A2/2)sinωτ当ω0τ=-π/2若角频偏较小，即ωτ1，则有V≈-(A2/2)ωτ当ω0τ=π/2V≈+(A2/2)ωτ当ω0τ=-π/222:24:34差分检波法的特点差分检波法基于输入信号与其延迟τ的信号相比较，信道上的延迟失真将同时影响相邻信号，故不能影响最终的鉴频效果。实践表明，当延迟失真为零时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法；但当有较严重延迟失真时，他的性能要比鉴频法优越。不过差分检波法的实现将受条件cosω0τ=0限制22:24:342FSK2FSK是数字通信中用的较广的一种形式。在话带内进行数据传输时，国际电报电话咨询委员会(CCITT)推荐在话音频带内低于1200bits/s数据率时使用FSK方式。在衰落信道中传输数据时，他也被广泛采用。22:24:342FSK的频谱2FSK调制属于非线性调制，其频谱特性的研究常用把2FSK信号看成是两个2ASK信号相叠加的方法。根据相位不连续2FSK信号的表达式，可求得功率谱密度)()()()(21snnsnnnTtgatsnTtgats设ttsttste22110cos)(cos)()(22:24:342FSK的频谱2FSK信号的功率谱密度为)]()([41)]()([41)(22111211ffPffPffPffPfPssssE将s1(t)与s2(t)的功率谱代入，得到2FSK信号的功率谱密度)]()([|)0(|41)]()([|)0(|)1(41]|)(||)()[|1(41]|)(||)()[|1(41)(222221122222222121ffffGPfffffGPfffGffGPPfffGffGPPffPssssE22:24:34当概率P＝1/2，)]()()()([161])()(sin)()(sin)()(sin)()(sin[16)(2121222222211211ffffffffTffTffTffTffTffTffTffTffTfPsssssssssE)]()()]()([|)0(|161]|)(||)(||)(||)([|161)(22112222222121ffffffffGfffGffGffGffGffPssE又因为g(t)是矩形脉冲|sin||)(|sssfTfTTfG22:24:342FSK信号的功率谱二进制FSK信号的频带宽度可表示为BFSK=2fs+∣f2-f1∣ssffffffa0201,:曲线ssffffffb4.0,4.0:0201曲线22:24:342FSK频谱特点由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上。若两个载频之差较小，则连续谱出现单峰，若载频之差增大连续谱将出现双峰。传输2FSK所需的第一零点带宽约为sFSKfffB221222:24:346.2.3二进制移相键控及二进制差分相位键控相位键控是用数字基带信号控制载波的相位作振荡变化，分绝对调相和相对(差分)调相两种。绝对调相(2PSK)利用载波相位(初相)的绝对值来表示数字信号。例如“1”码用相位π(或0)表示，“0”码用相位0(或π)表示。相对调相(2DPSK)又称差分调相，是利用相邻码元的载波相位的相对变化来表示数字信号。例如“1”码载波相位变化π(或0)，“0”码载波相位变化0（或π）。22:24:342PSK波形100110信息代码cosωct2PSKcosωct2PSK22:24:342PSK信号的时域表示如果g(t)是宽度为Ts的矩形脉冲，在其一码元持续时间Ts内观察时，e0(t)为P1cosPcos)(0－概率为概率为ttteccP11P1－概率为概率为na这里an为双极性数字信号tnTtgatecnsncos])([)(02PSK信号一般表示为22:24:342PSK的缺点如果采用绝对移相方式，由于发送端是以某一个相位作为基准，因而在接受系统中也必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化(0相位变π相位或π相位变0相位)，则恢复的数字信息就会发生0变为1或1变为0，从而造成错误的恢复。考虑到实际通信时，参考基准相位的随机跳变是可能的，而且在通信过程中不易被发觉，比如，由于某种突然的骚动，系统中的分频器可能发生状态的转移、锁相环路的稳定状态也可能发生转移等。这样就会在接收端发生错误的恢复。这种现象称为2PSK方式的“倒π”现象或“反相工作”现象。所以实际中，通常采用2DPSK方式。22:24:342DPSK2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。假设相位值用相位偏移表示001数字信息数字信息数字信息00111001012DPSK相位000π0πππ00π或πππ0π000ππ022:24:342PSK与2DPSK的波形数字信息00001111绝对码PSK波形DPSK波形000001111相对码参考22:24:342PSK与2DPSK由图可以看出，2PSK与2DPSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号。这说明，解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息，这就避免了2PSK中的倒π现象。而且，单纯从波形上，2PSK与2DPSK的波形是无法分别的。我们可以把2DPSK看作是另一符号序列(相对码)经绝对移相而形成的。22:24:34相对码与绝对码以上说明：一方面，只有已知移