第5课-基本的数字调制系统(1)

第5课基本的数字调制系统•（1）调制的相关概念•（2）调制的功能•（3）二进制数字幅度调制(2ASK)•（4）二进制数字频率调制(2FSK)•（5）二进制数字绝对相位调制(2PSK)•（6）二进制数字相对相位调制(2DPSK)•（7）二进制数字调制技术的比较•（8）多进制数字调制•数字信号有两种传输方式，一种是前面讨论的基带传输方式，另一种就是本章要介绍的调制传输或称为频带传输。1调制相关概念1调制相关概念•为什么需要进行调制?–因为任何特定的信道都有一个与其相关的频率范围，若某类信号的频带在这个范围内，则适合传输，而如果是在该范围外，通信将严重受阻，甚至不可能实现。–比如：无线通信的频段是800MHZ至900MHZ，而我们的语音是300HZ至3.4kHZ，因此，语音信号无法直接在无线信道中传。–要想在无线信道中传输语音信号必须要先进行调制。即通过处理将这些信号嵌入另一较高频率的信号中去。•在通信系统中实际使用的信道多为带通型，例如各个频段的无线信道。而我们知道数字基带信号往往具有丰富的低频成分，只适合在低通型信道中传输（比如双绞线），为了使数字信号能在带通信道中传输，必须采用数字调制，把低频信号“变”成高频信号。1调制相关概念•将输入的基带信号变换为适合于信道传输的频带信号形式，这个变换过程称为调制。调制是一种信号处理技术，本质是进行频谱变换，把携带有用信息的基带信号的频率从低频范围搬移到高频范围。•在数字调制中则可用载波信号参量的某些离散状态(高频载波的振幅、频率、相位)来表征所传输的信息，在接收端也只要对载波信号的调制参量有限个离散值进行判决，以便恢复出原始信号。1调制相关概念1调制相关概念•调制即是用基带信号控制高频载波的振幅、频率、或者相位，使高频载波的振幅、频率、相位随着基带信号的变化而变化。•根据所控制的参量的不同，调制方法可分为振幅调制、频率调制、相位调制。•解调是调制的反过程，是将基带信号从已调波上搬移下来的过程或方式。在实际的通信系统中，调制和解调总是成对出现的。把它们合起来称为调制系统。•我们把包括调制和解调过程的传输系统叫做数字信号的频带传输系统。1调制相关概念1调制相关概念原始数字序列基带信号形成器ans(t)键控器载波信号数字调制信号信道噪声接收滤波器解调器)(ˆts由图可见，原始数字序列经基带信号形成器后变成适合于信道传输的基带信号s(t)，然后送到键控器来控制载波的振幅、频率或相位，形成数字调制信号，并送至信道。在信道中传输的还有各种干扰。接收滤波器把叠加在干扰和噪声中的有用信号提取出来，并经过相应的解调器，恢复出数字基带信号、数字序列。2调制的功能除了前面介绍的基本功能外，调制还有以下功能：•（1）可以方便发射。在利用无线信道进行通信时，发射信号的波长与发射天线的长度尺寸应该匹配，发射信号才可以通过天线有效地发射出去。通常认为天线尺寸应该大于波长的10分之1（波长=光速/频率）。例如电话语音信号的频率范围只有300至3400，其最小波长大约为100公里，对于电话语音信号，要想直接利用天线发射信号，其天线尺寸要达到10公里，同时接收天线也要与信号波长进行匹配，显然，这是不可能的。如果对语音信号进行调制，提高发射信号的载波频率，则天线尺寸将大大减少。方便发射和接收。2调制的功能•（2）可以实现多路复用。多路复用是将多路信号在同一个物理信道中互不干扰的进行传输的一种通信方式。例如电话语音信号，一个物理信道只能通过一路语音信号，如果多于一路，则各语音信号之间会互相干扰，导致通信无法进行。但采用调制技术可以将不同的语音信号调制到不同的频率范围上，各个频率范围互不重叠，被称为频道；然后将位于不同的频道的频带信号混合，通过同一个物理信道进行传输。在接收端将混合的多路频带信号分别通过不同的滤波器将各频带信号分离出来并进行解调。这种技术称为频分复用。2调制的功能•比如无线电广播，各个广播电台将各自的广播节目调制到不同频率的载波上发送出去供听众接收。听众通过旋转调台按钮改变收音机内的带通滤波器的中心频率，当中心频率与广播节目的载频相同时，就可以将该节目选择出来，再经过处理可转成声音信号播放出来。类似原理的还有有线电视系统。某广播电台交通台调频102.6MHz声音如何传输到收音机呢？在发送端和接受端如何处理？2调制的功能•（3）调制可以减少噪声和干扰。通过不同的调制方式可以抑制噪声和干扰。例如信道噪声通常是加性噪声，对数字频带信号的幅度有较大影响，如果采用频率调制方式，将数字基带信号幅度的变化转为数字频带信号频率的变化，则可以大大降低信道噪声和干扰的影响。•数字调制所用的载波一般是连续的正弦型信号。理论上讲，载波形式可以是任意的（如三角波、方波等），只要适合在信道中传输即可。之所以在实际通信中多选用正弦型信号，是因为它具有形式简单、便于产生和接收等特点。与模拟调制中的幅度调制、频率调制和相位调制相对应，数字调制也分为三种基本方式：幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。3二进制数字幅度调制2ASK的基本原理是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去控制一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”2ASK振幅键控信号可以采用两种方式产生：（1）直接相乘法（2）键控法。2ASK基本原理数字振幅调制又称为幅移键控（ASK），二进制振幅键控记作2ASK。3二进制数字幅度调制ttstsASKccos)()(从上图不难看出单极性不归零信号为注意此处)(ts{sn}{Sn}表示待传送的数字序列；S(t)表示基带信号表示高频载波SASK(t)称为已调信号tccos3二进制数字幅度调制•（1）相乘法ttstScASKcos)()(2基带信号形成器相乘器带通滤波器s(t)e(t)2ASK信号ancosωct3二进制数字幅度调制•（2）键控法（用数字开关控制载波的通断）•用基带信号s(t)去控制开关，当输入信号为1时，开关接通载波信号，允许载波信号通过；当输入信号为0时，开关断开，输出端没有信号输出。3二进制数字幅度调制问题：接收端收到已调信号后，怎样恢复出调制信号（原始数字基带信号）呢？回答：要进行解调。2ASK幅移键控信号的解调方法有两种：–包络解调法（非相干解调法）–相干解调法3二进制数字幅度调制（1）包络解调法abcd带通滤波器全波整流器包络检波器低通滤波器抽样判决器输出定时脉冲S2ASK(t)abcd3二进制数字幅度调制•带通滤波器滤除传输过程中加入的频带以外的噪声干扰；整流器使信号变为单极性信号；包络检波器检出信号的包络；低通滤波器滤除包络信号中的高频成分，得到平滑的包络信号；抽样判决器在抽样脉冲的控制下对包络信号进行抽样判决，再生数字序列{sk}3二进制数字幅度调制•相干解调法的原理如下：已调信号可以表示为调制信号与载波信号的乘积，即：•如果在接收端将已调信号与载波信号相乘，则有：•第1项是数字基带信号，第2项是高频信号，通过低通滤波器可以滤除第2项。从而得到原信号s(t)ttstscmcos)()(2/2cos)(2/)(cos)(ttststtsccm①②（2）相干解调法3二进制数字幅度调制•相干解调需要在接收端产生一个与发送端的发送载波一样的本地载波，造成接收端设备复杂，因此在2ASK系统中很少使用。而包络检波器的实现则比较简单，得到了广泛的应用。4二进制数字频率调制2FSK的基本原理是使用代表二进制数字序列的数字基带信号去控制高频载波的频率变化。二进制数字序列只有1和0两种状态，1使用频率为f1的载波表示，0使用频率为f2的载波表示。2FSK频移键控信号可以采用两种方式产生：（1）直接调频法（不讲）（2）键控法。数字频率调制又称为频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。4二进制数字频率调制键控法使用数字基带信号控制电子开关在两个载波发生器之间进行切换载波发生器1电子开关1电子开关2载波发生器2相加器倒相器s(t)c1(t)c2(t)s2FSK(t)4二进制数字频率调制原始信息ttt2ASK2FSK1001014二进制数字频率调制t2FSK可分解成tt可见2FSK可看作是2个2ASK信号之和4二进制数字频率调制•2FSK的解调–同步检测法（相干解调法）–包络解调法（非相干解调法）、–过零检测法4二进制数字频率调制•因为2FSK信号可以看作是两个载波频率不同的2ASK信号的叠加，所以它的解调可以利用两个中心频率分别为f1和f2的带宽滤波器滤出两路2ASK信号，再将两路2ASK信号通过包络检波器和抽样判决器来实现。该解调方法经常采用。（1）包络解调法4二进制数字频率调制带通滤波器包络检波器带通滤波器包络检波器yi(t)抽样判别器输入21y1(t)y2(t)v2(t)v1(t)抽样脉冲输出)(ts1110ttttttt)(ts取样脉冲v2(t)v1(t)y2(t)y1(t)yi(t)(a)(b)4二进制数字频率调制设频率f1代表数字信号“1”；f2代表数字信号“0”，则抽样判决器的判决准则应为2121式中,v1,v2分别为抽样时刻两个包络检波器的输出值。这里的抽样判决器，要比较v1,v2的大小，或者说把差值v1-v2与零电平比较。因此，有时称这种比较判决器的判决门限为零电平。4二进制数字频率调制•因为2FSK信号可以看作是两个载波频率不同的2ASK信号的叠加，所以它的解调可以利用两个中心频率分别为f1和f2的带通滤波器滤出两路2ASK信号，再将两路2ASK信号分别与相应的相干载波相乘，然后通过低通滤波器和抽样判决器来生成基带数字信号。（2）相干解调法（同步检测法）4二进制数字频率调制•过零检测法是通过计算2FSK信号经过零点的数目的多少来解调出基带数字信号的。在基带数字信号的一个周期内，两种载波由于频率不一样，通过零点的次数是不同的。•过零检测法设备比较简单，是一样常用的频率键控解调方法。（3）过零检测法e图中的脉冲越密，代表输入信号的频率越高带通滤波器限幅器微分器低通滤波器采样判决器定时脉冲S(t)整流器脉冲展宽S2FSK(t)abcdef5二进制数字相位调制数字相位调制又称为相移键控，是用数字基带信号去控制载波的相位，使载波信号的相位随基带信号的变化而变化。它有两种形式：绝对相移PSK，和相对相移DPSK。二进制绝对相移记为2PSK,二进制相对相移记为2DPSK。5二进制数字相位调制•二进制绝对相移（2PSK）是利用载波的相位偏移来区分不同的数据信息，例如：规定已调载波与未调载波同相表示“0”，已调载波与未调载波反相（即相差π相位）表示“1”。5.1二进制绝对相移2PSK•2PSK波形)cos()(2ncPSKtts原始信息tt2PSKt载波011001nn码时码时1005.1二进制绝对相移2PSK•2PSK信号可以采用两种方法实现。一种是如图1所示的直接调相法（相乘法），二进制数字序列对应的单极性码先经过电平转换,然后变成双极性不归零码（正电平代表“0”，负电平代表“1”），与载波相乘而产生2PSK信号。另一种是如图2所示的键控法。5.1二进制绝对相移2PSK载波发生器电子开关1电子开关2相加器倒相器反相器s(t)cos(ωt+π)cosωts2PSK(t)键控法0相位表示0码元，用π相位表示1码元5.1二进制绝对相移2PSK2PSK信号的解调•2PSK信号的载波频率是单一频率，因此无法使用包络检波的方法解调。只能采用相干解调法。5.1二进制绝对相移2PSK带通滤波器低通滤波器抽样判决器相乘器相干载波抽样脉冲xs(t)y(t)s2PSK(t)cosωct)2cos(21cos21cos)cos(cos)()(2ncncnccPSKtttttsty假设0相位表示0码元，用π相位表示1码元若x0，则输出0；若x0,则输出15.1二进制绝对相移2PSK•由于采用相干解调法，所以在接收端必须要能够产生与发送端同