现代通信原理与技术第06章正弦载波数字调制系统

第六章正弦载波数字调制系统目录6.1引言6.2二进制数字调制原理6.3多进制数字调制原理6.4改进的数字调制系统6.1引言数字基带传输系统中，为使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性；而大多数实际信道具有带通传输特性，基带信号不能在这种带通传输特性的信道中传输，必须进行调制。数字调制与模拟调制原理相同，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制信号。6.1引言数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端只需对载波信号的离散调制参量进行检测就可以实现信号的解调。根据已调信号的频谱结构特点，数字调制也可分为线性调制和非线性调制；在线性调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同，只不过频率位置发生了搬移；在非线性调制中，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同，不仅频率位置发生了搬移，而且产生了新的频率分量。二进制数字调制信号有振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)三种基本形式；其中振幅键控6.1引言(ASK)属于线性调制，而移频键控(FSK)和移相键控(PSK)属于非线性调制。本章目的要求及重点：二进制数字调制、解调系统原理及抗噪性能；介绍多进制数字调制、现代数字调制原理；6.1引言数字调制原理图：m(t)调制器发滤波器e0(t)信道噪声收滤波器解调m(t)6.2二进制数字调制原理一、二进制振幅键控(2ASK)：1.2ASK信号的调制：设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，该二进制符号表示为：则2ASK信号可表示为：其中：g(t)是持续时间为的矩形脉冲；ppanTtgatsnnsn1,1,0)()(发送概率发送概率其中：ncsnASKtnTtgatecos)()(2m(t)tcosctcos)t(m)t(ecoNRZ模拟法键控法电子开关tcosceo(t)m(t)10信息代码2ASK图二进制振幅键控信号时间波形载波信号2ASK信号s(t)1011Tb001ttt6.2二进制数字调制原理2频谱显然s(t)可看作是单极性随机矩形脉冲序列，设其功率谱密度为，且：其中G(f)是g(t)的频谱函数，且：)()()(cos)()()()(22tCostmttmteteRccASKASKeo])[(41cos)(21)(coscos)()(ccjjmcmcceeRRtttmtm)]()([41)(cscseoffPffPfP6.2二进制数字调制原理所以的功率谱密度为：当P=1/2时：ps(f)-fs0fs零点带宽B=2fs=2RB；发滤波器最小带宽可为fs(理论值)；可将基带信号处理后再进行2ASK调制；6.2二进制数字调制原理推论：(1)2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成，连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带功率谱，而离散谱则由载波分量确定；(2)2ASK信号相当于双边带(DSB)信号，其带宽是基带信号的两倍，故其频带利用率为1/2；若采用单边带(SSB)形式，则其带宽与基带信号相同，频带利用率则为1；32ASK的解调2ASK信号的解调可采用包络检波法或相干解调法。（1）包络检波（非相干解调）：BPF整流LPF抽样判决位同步器y(t)r(t)cp(t)So(t)图2ASK信号非相干解调过程的时间波形11100000101abcd（2）相干解调（同步检测法）BPFLPF抽样判决位同步器y(t)r(t)cp(t)载波同步cosωctx(t)So(t)6.2二进制数字调制原理二、二进制移频键控(2FSK)：1.2FSK信号的调制：设信息流是由二进制符号0、1组成的序列，它们相互独立，且0符号出现的概率为P，1符号出现的概率1-P；若正弦载波的频率随二进制基带信号变化在f1和f2两个频率间变化，则产生二进制移频键控信号。如图，(a)表示产生相位连续的2FSK信号；(b)表示产生相位不连续的2FSK信号；（c）为波形；图数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图振荡器1f1选通开关反相器基带信号选通开关振荡器2f2相加器e2FSK(t)若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1(or1)，0符号对应于载波频率f2(or2),则二进制移频键控信号的时域表达式：其中：g(t)是持续时间为的矩形脉冲；和分别是第n个信号码元的初相位；令所有信号码元的初相位为零，即==0，则：形成波形：6.2二进制数字调制原理2频谱于是2FSK信号可以看作是两个2ASK信号的叠加，则由2ASK信号的频谱可得的功率谱密度：6.2二进制数字调制原理当P=1/2时：推论：(1)2FSK信号的功率谱同样由连续谱和离散谱两部分组成，其中连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱则出现在载频位置上；6.2二进制数字调制原理(2)若两个载频之差较小（小于），则连续谱出现单峰；若两个载频之差逐步增大（大于），则连续谱出现双峰；(3)2FSK信号的第一零点带宽约为：s2c1cf2|ff|s2c1cf2|ff|2FSK信号带宽：s2c1cf2|ff|B（针对相位不连续的情况，相位连续的情况频谱十分复杂）；2解调(1)包络检波（非相干解调）：BPF1BPF2整流LPF整流LPF位同步抽样判决f1f2a(t)b(t)sfff2||2101)()(kTsbkTsa条件：。判决准则：；（2）相干解调（同步解调）：BPF1BPF2LPFLPF位同步抽样判决a(t)b(t)载波同步cosω1t载波同步cosω2t判决准则同（1）（3）过零检测：基本原理：二进制移频键控信号的过零点数随载波频率不同而异，通过检测过零点数从而得到频率的变化。输入信号经过限幅后产生矩形波，经微分、整流、波形整形，形成与频率变化相关的矩形脉冲波，经LPF滤除高次谐波，便恢复出与数字信号对应的基带数字信号。判决准则：01)(21)(BAkTsf三．2PSK（BPSK绝对调相）当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，产生二进制移相键控（2PSK）信号。时域表达式：0,cos1,coscos])([)(2tttnTtgatecccnsnPSK其中：的矩形脉冲高为为脉宽为且设发送概率发送概率1,)(1,1,1snTtgppa则，当发送二进制符号1时，已调信号取00相位；发送二进制符号0时，取1800相位。若用表示第n个符号的绝对相位，则：注：1、常用相位00和1800来分别表示1和0，但也可以相反；2、此相位为各码元波形的初始相位，它是以此码元中未调载波的相位作为参考基准；说明：在2PSK信号中，相位变化是以各码元中未调载波的相位作为参考基准的。由于它是利用载波相位的绝对值来传送数字信息，因而称为绝对调相。符号发送符号发送01801000n1调制电子开关180°°m(t)BNRZcosωct2PSKcosωctm(t)NRZ2PSK100110信息代码cosωct2PSKcosωct2PSK信息代码2PSK规律：“异变同不变”，即本码元与前一码元相异时，本码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的未相变化180°，相同时则不变。2．频谱Peo(f)中无离散谱fc；ps(f)为m(t)的频谱；当p(1)=p(0)时ps(f)中无直流，带宽：B=2fs；)]ff(p)ff(p[41)f(Pcscseo3.解调：只能用相干解调法；不考虑收、发滤波器及信道对2PSK信号的影响，载波同步器：2PSK信号各点波形如下：载波提取电路中的二分频器有“1”和“0”两个不同的初始状态，故其输出信号有0、π两个不同相位。用其它方法（如castos环等）提取相干载波时也会出现上述现象，此为相干载波相位模糊现象。由于有两种相干载波，使解调输出有两种可能，即m(t)或。故工程上一般不用2PSK（除非在发端插入导频），而用2DPSK。2PSK的缺陷：四2DPSK（差分相位键控，相对调相）2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为，定义数字信息与之间的关系：”表示数字信息“”表示数字信息“1,0,0提示：1、可理解为前后相邻码元初始相位差。2、2DPSK利用前后码元载波相位的差值传送数字信息，因此称为相对调相或差分调相。1．调制：码变换—2PSK调制绝对码、相对码的转换：(a)绝对码转换成相对码；(b)相对码转换成绝对码绝对码ak相对码bk变化规律：“1变0不变”，设bk初始值为1，各点波形如图，第一个码元内信号的初相可任意假设。1kkkbab图：2DPSK调制波形ak2DPSK规律：“1变0不变”，即信息代码（绝对码）为“1”时，本码元内2DPSK信号的载波初相相对于前一码元内2DPSK信号的未相变化180°，信息代码为“0”时，则本码元内2DPSK信号的载波初相相对于前一码元内2DPSK信号的末相不变化。2．频谱：（同2PSK）3．解调：（1）相干解调设收发滤波器及信道对2DPSK信号波形无影响，则各点波形如下：信息代码（发aK）011100a(t)b(t)c(t)d(t)cp(t)e(t)f(t)a-a11001001011（2）差分相干解调（相位比较法）当码元宽度Ts与载波周期TC满足一定关系时才能用此方法解调2DPSK；设TS=KTc则判决规则为：若则判决规则为：01s0)kT(dcsT)5.0K(T10s0)kT(d例：6．3二进制数字调制系统的抗噪声性能通信系统的抗噪性能是指系统克服加性噪声影响的能力。在数字通信系统中，衡量系统抗噪性能的重要指标是误码率，因此，分析二进制数字调制系统的抗噪性能，也就是分析在信道等效加性高斯白噪声的干扰下系统的误码性能，得出误码率与信噪比之间的数学关系。条件：信道特性是恒参信道，在信号的频带范围内其具有理想矩形的传输特性(可取为k)；噪声为加性高斯白噪声，其均值为0，方差为；2一、数字调制系统无码间串扰条件线性数字调制系统（二进制或多进制ASK、PSK、QAM等）：Gmc(f)gm(t)δ(t)g(t)→Hc(f)波形形成Gm(f)发滤波器信道GTc’(f)Cc(f)h(t)→H(f)收滤波器GRc(f)LPF调制gmc(t)抽样判决x(t)→xc(f)cosωctHc(f)H(f)当h(t)、H(f)与基带系统相同时，系统无码间串扰，调制系统频率特征：式中,设Hc(f)为降系数为的余弦特性。)f(G)f(C)f(G)f(HRCcTcc)f(G)f(G)f(GTcmcTc0Wfc1cfWfc1cfffHcffXcW1cf2W1cf20LPF的作用是滤除高频，在0～（1+）W的范围内可为一常数，则频率特性H(f)如下图：无码间串扰的最大码速率为RB=2W（B）；占用信道带宽Bc=2(1+α)W；W1W10fH系统的频带利用率（信道的频带利用率）：当=0时，无码间串扰码速率数字调制系统无码间串扰频域条件为：)(1log,)/(11)1(222HzbpsMHzBWWbB)(log,)/(12HzbpsMHzBbBkWRB2CnRfHBc)(二．2ASK系统的抗噪性能1．包络检波BPF包络检波y(t)抽样判决低通V(t)cp(t)tsim)t(ntcos)t(n)t(s)t(ycsccm设，且包络检波及低通的增益为1，则：0,01,a)KT(ssm”码发“”码发“01)kT(n)]kT(na[)KTs(vns2s2sc式中，是一个功率的瑞利分布随机变量。)()(22ssscnkTnkTn2nf0(v)f1(v)P10V*avP01发“1”和