5.2-二进制数字调制与解调原理

CCEE第五章数字调制与解调数字通信原理重庆大学通信工程学院数字通信原理主要内容5.1引言5.2二进制数字调制与解调原理5.3二进制数字调制系统的抗噪声性能5.4二进制数字调制系统的性能比较5.5多进制数字调制与解调原理5.6现代数字调制解调技术重庆大学通信工程学院数字通信原理5.2二进制数字调制与解调原理若调制信号是二进制数字基带信号时，这种调制称为二进制数字调制。二进制振幅键控（2ASK）1二进制频移键控（2FSK）2二进制相移键控（2PSK）3重庆大学通信工程学院数字通信原理5.2.1二进制振幅键控（2ASK）振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。二进制振幅键控（2ASK）调制二进制振幅键控（2ASK）解调重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）调制二进制振幅键控（2ASK）信号二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号011nPaP发送概率为发送概率为2ASK信号的产生结论：二进制振幅键控（2ASK）信号表示为一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波相乘发送的二进制符号序列其中sT是二进制基带信号时间间隔2ASK信号重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号2ASK信号的时域波形2ASK信号的时间波形随二进制基带信号通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）单极性矩形脉冲序列t1111000s(t)tt载波信号2ASK信号重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号2ASK信号产生的两种调制方法：模拟相乘与数字键控乘法器二进制不归零信号()st2()ASKetcosctcosωct开关电路数字键控模拟相乘重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）调制二进制振幅键控（2ASK）信号二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱e2ASK(t)的功率谱密度为P2ASK(f)s(t)的功率谱密度为Ps(f)推导Ps(f)2ASK调制信号频谱功率谱密度重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制基带信号s(t)是单极性随机矩形脉冲，其功率谱密度Ps(f)为式中矩形波频谱：对于所有的m≠0的整数，有G(mfs)=0因此重庆大学通信工程学院数字通信原理假设P＝1/2，则g(t)的频谱因此连续谱离散谱重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱结论：二进制振幅键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱两部分组成。离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形g(t)确定，带宽则是基带波形的两倍，B2ASK=2B。传输2ASK信号所需频带0fs2fs-fs-2fsPs(f)fs-f00fcfc＋fsPE(f)－fc重庆大学通信工程学院数字通信原理5.2.1二进制振幅键控（2ASK）二进制振幅键控（2ASK）调制二进制振幅键控（2ASK）解调重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制振幅键控（2ASK）解调非相干解调(包络检波法)相干解调(同步检测法)重庆大学通信工程学院数字通信原理非相干解调非相干解调(包络检波法)方式的接收系统框图半波或全波整流器：包络检波器低通滤波器：输出信号是恢复后的基带信号抽样判决器：通过积分，抽样和判决，再生成基带信号，去掉传输中叠加的干扰和噪声包络检波器抽样判决器全波整流器低通滤波器2()ASKet带通滤波器定时脉冲输出重庆大学通信工程学院数字通信原理2ASK信号非相干解调过程的时间波形单极性矩形脉冲序列调制信号整流信号低通滤波器输出信号抽样判决器输出信号11010001001重庆大学通信工程学院数字通信原理二、二进制振幅键控（2ASK）解调非相干解调(包络检波法)相干解调(同步检测法)重庆大学通信工程学院数字通信原理相干解调相干解调(同步检测法)方式的接收系统框图解调原理：将已调信号e(t)与相干载波c(t)在相乘器中相乘，然后由低通滤波器输出所需的基带波形。抽样判决器相乘器低通滤波器2()ASKet带通滤波器定时脉冲输出c(t)重庆大学通信工程学院数字通信原理假设相乘器输出低通滤波器滤除低通滤波器输出KC为低通滤波器的电压传输系数相干条件满足相干条件下，相干检测器的输出为重庆大学通信工程学院数字通信原理相干解调抽样判决器相乘器低通滤波器2()ASKet带通滤波器定时脉冲输出e(t)相干解调条件：接收端必须提供一个与2ASK信号的载波保持同频同相的相干载波，否则将会造成解调后的波形失真。相干载波一般可通过窄带滤波或锁相环路来提取。重庆大学通信工程学院数字通信原理5.2二进制数字调制与解调原理二进制频移键控（2FSK）2二进制振幅键控（2ASK）1二进制相移键控（2PSK）3重庆大学通信工程学院数字通信原理5.2.2二进制频移键控（2FSK）二进制频移键控（2FSK）调制二进制频移键控（2FSK）解调若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号（2FSK）重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制频移键控（2FSK）调制2FSK调制是数字通信中用得较广得一种方式，用于话音通信（频率低于1200bps）、衰落信道中传输数据等情况。二进制频移键控（2FSK）信号二进制频移键控（2FSK）信号的频谱重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制频移键控（2FSK）信号2FSK信号的产生二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为Tsψn，θn分别是第n个信号码元的初相位其中重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制频移键控（2FSK）信号2FSK信号产生的两种调制方法：模拟调频数字键控通过基带信号控制振荡器中的某一元件数值(例如电容量的大小)来得到不同频率的信号，它产生的两个频率f1和f2在转换时刻的相位是连续的，故这种2FSK信号称为相位连续的2FSK信号。模拟调频模拟调频器二进制不归零信号()stoet重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制频移键控（2FSK）信号由于两个频率来自两个振荡源，所以在f1与f2之间的转换瞬间相位不连续。这种方法产生的2FSK信号称为相位不连续的2FSK信号，或相位离散的2FSK信号。数字键控反相器振荡器1f1振荡器2f2选通开关选通开关相加器基带信号重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制移频键控信号的时间波形输入序列s(t)载波f1e1(t)e2(t)调制信号110111000/s(t)载波f2重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制频移键控（2FSK）调制二进制频移键控（2FSK）信号二进制频移键控（2FSK）信号的频谱重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制频移键控（2FSK）信号的频谱相位离散的2FSK信号相位连续的2FSK信号重庆大学通信工程学院数字通信原理相位离散的2FSK信号相位离散的二进制移频键控信号，可以看成由两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加功率谱密度可以近似表示成两个不同载波的二进制振幅键控信号功率谱密度的叠加。推导2FSK信号的频谱重庆大学通信工程学院数字通信原理ψn和θn分别代表第n个信号码元的初始相位。通常可令ψn和θn为零相位离散的2FSK调制信号令两路二进制数字基带信号重庆大学通信工程学院数字通信原理根据2ASK信号功率谱密度的表示式，可得2FSK信号功率谱密度的表示式重庆大学通信工程学院数字通信原理假设P＝1/2，则g(t)的频谱因此连续谱离散谱重庆大学通信工程学院数字通信原理频谱分析图中a曲线对应的f1＝f0+fs，f2＝f0-fs，曲线b对应的f1=f0+0.4fs，f2＝f0-0.4fs。f0=（f1+f2）/22fs0.8fsff0f0＋fsf0-fsf0＋2fsf0-2fsPe(f)（单边谱）ab重庆大学通信工程学院数字通信原理频谱分析2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两上双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上；若f1和f2之差较小（如小于fs）则连续谱出现单峰，若f1和f2之差较大出现双蜂。传输2FSK信号所需的频带为重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制频移键控（2FSK）信号的频谱相位离散的2FSK信号相位连续的2FSK信号重庆大学通信工程学院数字通信原理相位连续的2FSK信号相位连续的2FSK信号是利用基带信号对一个振荡器进行频率调制而产生的。在理想情况下，振荡器产生的频率随基带信号线性变化。调频信号:载波振幅未调制时振荡器产生的固有载波频率频偏因子初始相位重庆大学通信工程学院数字通信原理相位连续的2FSK信号an是码元脉冲的振幅，其可能取值为1。发送的二进制符号序列调频指数化简重庆大学通信工程学院数字通信原理相位连续的2FSK信号t0fcf1f22πfctΦ(t)θ(t)φ(t)t重庆大学通信工程学院数字通信原理相位连续的2FSK信号分析FSK信号时，常用到归一化相关系数2FSK信号在一个码元期间内波形为重庆大学通信工程学院数字通信原理相位连续的2FSK信号选2cTs1,或2cTs＝K，因此有：0-0.21ρπ2π3π1.43π(ω2-ω1)Ts讨论重庆大学通信工程学院数字通信原理讨论当(2-1)Ts＝K(k＞1)时，为零，两信号具有正交特性。在K＝l时，相应的h=0.5，这是满足正交条件的最小调制指数。因这种信号占带最小。称之为最小频移键控(MSK)信号。当(2-1)Ts＝1.43时,h=0.75=-2/3,为最小值,这种情况两信号之间具有超正交特性。重庆大学通信工程学院数字通信原理相位连续的2FSK信号的功率谱密度相位连续的FSK信号功率谱密度的计算很复杂只讨论二元等概信码单边谱密度表达式：式中载波频率远大于频偏，此项可忽略重庆大学通信工程学院数字通信原理相位连续的2FSK信号的功率谱密度功率谱密度仍然是X的偶函数调制指数h＝0.5时，功率谱密度曲线呈现单峰。在h＝0.715时，曲线呈现双峰。在h趋近于1时曲线的双峰变得非常尖锐。当h＝l时，曲线的双峰变成了两条线状谱每条线谱所占的功率都是信号功率的1/4．两条共占信号总功率的1/2。h＞1之后，双峰的距离将逐渐增大。h=0.5h=0.7150.80.4Pe(x)1.0x0.5-1.0-0.5重庆大学通信工程学院数字通信原理带宽以包含90％的功率来计算信号所占的带宽．可得不同调制指数时的信号带宽1.5fs2.5fs3fs(2+h)fs(2+h)fs(2+h)fs(2+h)fs(2+h)fs2fs2fs2fs2fs2fs2fs2fs2fs相位连续FSK相位离散FSKASKPSK0.6～0.70.8～1.01.52频带Δfh重庆大学通信工程学院数字通信原理结论h＞2时，相位连续的FSK信号与相位离散的FSK信号的带宽基本相同当h＜1时,信号的能量大部分都集中在x＝0.5的范围以内，在h为0.6～0.7时，相位连续的FSK信号的带宽约为1.5fs比ASK信号和PSK信号的带宽还窄。在调制指数h较小的条件下，相位连续的FSK信号具有能量集中，包络恒定，抗干扰能力强的特点，目前用得较多的是h＝0.5的相位连续的FSK方式,即最小移频键控方式(MSK)。重庆大学通信工程学院数字通信原理5.2.2二进制频移键控（2FSK）二进制频移键控（2FSK）调制二进制频移键控（2FSK）解调重庆大学通信工程学院数字通信原理二进制移频键控（2FSK）解调常用解调方法：非相干解调相干解调其它解调方法鉴频法过零检测法差分检波法重庆大学通信工程学院数字通信原理非相干解调抽样判决器：判定哪一个输入样值大，此时可以不专门设置门限电平包络检波器包络检波器抽样判决器带通滤波器ω1带通滤波器ω2定时脉冲输出最佳非相干解调重庆大学通信工程学院数字通信原理最