第2章 数字信号的调制与解调

第2章数字信号的调制与解调信息传递方式一般分为基带传输和频带传输两种。基带传输是指无需进行基带频谱搬移就能以基带信号形式传输的方式。若将基带信号的频谱搬移到某个载波频带内进行传输，此方式就是频带传输。2.1微波与卫星通信中的调制、解调技术的特点和应用种类2.2频分复用与模拟信号的调制2.4相干解调的载波跟踪技术2.1微波与卫星通信中的调制、解调技术的特点和应用种类2.1.1微波通信中的调制、解调技术的特点和种类微波信道既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。由于数字信号的抗干扰性能强，数字信号的传输质量要优于模拟信号的传输质量。常用脉冲形式的基带序列对中频频率70MHz或140MHz进行调制后，再变换到微波频率，且（1）（2）（3）相对短波而言，具有较好的传输特性。2.1.2卫星通信中的调制、解调技术的特点和运用种类卫星通信中使用的数字调制方式有数字幅移键控（ASK）、相移键控（PSK）和频移键控（FSK）（1）不主张采用ASK技术（抗干扰性差，（2）选择尽可能少地占用射频频带，而又能高效利用有限频带资源，抗衰落和干扰性能强（3）采用的调制信号的旁瓣应较小，以减少相邻通道之间的干扰。2.2频分复用与模拟信号的调制2.2.1频分复用原理频分复用系统中的主要问题在于各路信号之间存在相互干扰。这是由于系统非线性器件的影响使各路信号之间产生组合波，当其落入本波道通带之内时，就构成干扰。2.2.2模拟信号的调制调制是指用基带信号对载波波形的某些参数（如幅度、相位和频率）进行控制，使这些参数随基带信号的变化而变化。因此，根据调制信号的性质，调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。1产生调频信号的方法有两种。一种是直接法，用倍频法产生调频信号时，首先是利用窄带调频器来产生窄带调频信号（如图2-1所示），然后再用倍频的方法将其变换成宽带信号。图2-1用倍频法实现宽带调频（1由调频的概念可以得出已调频信号x（t）与调制信号s（t）式中A为调频信号的载波振幅;ω0为调频信号载波的角频率；Kf为调制灵敏度（这是一个常数）；s（t）调制信号；φ0为t=0时的载波相位。（2）倍频器是一个非线性器件。其输入、输出端之间的关系为其中α为常数。2．限幅器起到保持中频载波包络恒定的作用，而微分器和包络检测器则起鉴相器的作用。首先让我们分析一下微分器的输出，由式（2-3）可图2-2接收系统的FM解调过程3．频率调制信号系统的传输特性（1）只要系统所提供的传输带宽（B）足以容纳调频波频谱能量的98%以上时，就可忽略信号失真的影响。我们把此时的带宽称为射频传输带宽。此时可认为传输带宽为（2）信噪比是衡量系统传输质量的一种重要参数，其数值等于信号功率与噪声功率之比。【例2-1】在采用FDM/FM方式工作的卫星通信系统中，已知工作频率为6GHz，试计算一个载波传输252路电话信号时所需的传输带宽和信噪比增益。解①调频信号的传输带宽为B设每一话路占4kHz的带宽，考虑到相邻话路之间留出5%的间隔，Fm≈4（1+5%）×n=4.2×252=1058kHzB=2(FplΔfr+Fm)=2×（3.16×2.82×577+1058）kHz=12.4MHz式中，取多路电话信号的峰值因数Fp=3.16，负载因数l=2.82，测试音有效频偏Δfr=577kHz通常考虑到卫星转发器设计时，给各载波都留有10%~25%的保护带宽，故取B=15MHz2.3时分复用与数字信号的调制与解调2.3.11．TDM是从时域的角度进行分析的，使各路信号在时间上彼此分开，而在频域上彼此混叠在一起；FDM是从频域的角度进行分析的，使各路信号在频率上彼此分开，而在时域上彼此混叠采用TDM方式工作的系统具有以下主要优（1）多路信号的复接与分路都是数字电路，比FDM（2）信道的非线性在FDM系统中产生交调失真与高次谐波，引起相邻信道间的串话，因此对信道的非线性要求很高；而TDM系统的非线2．当用以调制的信号是数字信号时,我们称这种调制为数字调制，此时载波参量随基带数字信号的变化而变化。在数字调制中仍然采用正弦波作为载波信号。由于正弦信号有幅度、相位和频率三种基本参量，因此可以构成数字调幅、数字调相和数字调频三种基本调制方式，如图2-3三种调制方式所对应的功率谱如图2-4所示。图2-3二进制基带信号的调制波形图2-4三种调制方式所对应的功率谱2.3.2PSK1．相对调相是利用载波信号相位的相对关系表示数字信号的“1”和“0”码的，其变换规则是：数据信号的“1”使已调信号的相位变化180°相位，数据信号的“0”使已调信号的相位变化0°相位；或反之。图中的0°和180°的变化是相对于已调信号的前一码元的相位，或者说，这里的变化是以已调信号的前一码元相位作参考相位的。图2-52PSK与2DPSK的调相波形2．（1）（2）图2-6二进制绝对调相信号的产生电路图2-7二相绝对调相信号的解调图2-82DPSK信号的产生与解调3．PSK（1）（2四相调制是用载波的四种相位（起始相位）与两位二进制信息码（AB）的组合（00，01，11，10）对应。图2-9多相调相的相位矢量图（3四相调相也有绝对调相和相对调相两种方式，分别记作4PSK和4DPSK。（4）QPSK四相调相的电路有很多种，常见的有正交调制法和相位选择法。（5）在调相系统中，通常是不采用绝对调相方式的。这是因为在性能较好的调相系统中，都使用相干解调方式，为了克服相干载波的倒π现象可能造成的严重误码，实际的四相调相系统都采用相对调相方式，即4DPSK。①四相相对调相可采用类似两相调相系统码变换的方法。②在存在多普勒频移情况下的差分相干图2-12（a）给出了4PSK信号的产生原理图。如在此图的串／并变换之前加入一个码变换器，即把输入数据序列变换为差分码序列，则即为4DPSK4．OQPSK（1）OQPSKOQPSK称为参差四相移相键控，它是在QPSK基础之上发展起来的。（2）OQPSK在图2-18中给出了OQPSK调制解调器的原理示意图。在与图2-12进行比较后，我们可以得出这样的结论，就是它们之间的区别仅仅在于OQPSK调制解调器的B支路增加了一个延时器，所延时的时间Tb为符号间隔（T0）Tb=T0/2。本图中即延时1bit图2-18OQPSK调制解调方框图2.3.3QAMQAM是正交幅度调制的英文缩写，又称正交双边带调制。1．2ASK（1）2ASK信号的产生2ASK是一种最简单的数字调幅方式。所谓数字调幅是指载波幅度随基带数据信号变化的调（2）2ASK根据分析，我们可以获得调制信号S(t)的功率谱密度，同时由此求出2ASK已调信2．QAM由调相的原理知道，增加载波调相的相位数，可以提高信息传输速率，即增加信道的传输容量。（1）16QAM图2-22给出了16QAM正交调制法的调制解调原理图。（2图2-22正交幅度调制信号的产生与解调2.3.4MSK，GMSKMSK是FSK的一种特例。FSK称为数字调频，它是指载波频率随基带数据信号而变化的一种调制方式，又称频移键控。MSK称为最小频移键控，它是一种恒定包络的调制方式，而且其频带利用率低于QPSK，它的功率效率与QPSK相同，但其抗非线性的性能要优于QPSK，甚至优于后面将介绍的π/4-QPSK。1.FSK首先从2FSK谈起。2FSK是二进制的移频键控，它用二进制数字信号来控制载波频率，当传送“1f1，当传送“0”码时输出频率f02.最小移频键控——MSK在实际应用中，有时要求发送信号具有包络恒定、高频分量较小的特点。PSK，QAM等调制方式具有相位突变的特点，因而影响已调信号高频分量的衰减。（1）MSK最小移频键控MSK是相位连续2FSK的一个特例。MSK又称快速移频键控FFSK。它的特点①能以最小的调制指数（h=0.5）获得正交信号。②能使相差半个周期的正弦波产生最大的相位差。③已调信号的相位路径是连续的。④MSK信号在第K码元的相位不仅与当前码元aK有关，而且与前面的码元aK-1及其相位有关。（2）MSK按上述概念，MSK信号可写成3.GMSK在邻道间隔很小的场合，例如在移动通信以及卫星移动通信系统中，要求邻道干扰小于-60～70dB。GMSK是在MSK之前加上一个高斯滤波器，如图2-29所示。这个滤波器是用来抑制旁瓣输出的，（1）带宽窄，可抑制高频分量，具有陡峭（2）冲击响应的过冲较小，可以避免出现（3）滤波器输出脉冲的面积保持恒定，即保证调制指数h=0.5。图2-29GMSK调制原理2.3.51.对MQAM系统而言，A，B各路基带信号的电平数应是【例2-2】已知一个正交调幅系统采用16QAM调制，带宽为2400Hz，滚降系数α=1。试求出每路所采用的电平数、调制速率（符号速率）、总比特率和频带利用率为多少。2.在模拟系统中是用信噪比来衡量系统性能的，而在数字系统中则是用误码率来衡量的。（1）当Eb/n0一定时，M愈大，系统的误码率也愈大。（2）差分数字调相方式的误码性能要优于一般的PSK方式的误码性能。（3）前面已经分析过高斯滤波器的BTb参数与抑制基带数据信号高频分量的关系，从中可知高斯滤波器对高频分量的抑制作用愈强，则可获得更为平滑的相位路径曲线，但给系统引入的码间干扰愈大，对系统的误码性能的影响愈大。2.4相干解调的载波跟踪技术1.目前，接收端获取相干载波的方法主要分为两类：一类是直接从已调接收信号中提取；一类是利用插入导频提取相干载波。例如，2PSKe(t)=S(t)cosωct其中S(t)为双极性基带信号，不含有直流分量(一般是“1”，“0”等概率出现)，所以，e(t)中不含载波频率分量。2.为了防止和减少由于接收信号幅度波动和接收信号瞬时中断所造成的提取相干载波的频率和相位不稳定和减少提取相干载波的相位抖动，可以采用介入锁相环的方式。