第7章 数字信号的频带传输

第7章数字信号的频带传输第7章数字信号的频带传输7.1二进制幅度键控(2ASK)7.2二进制频移键控(2FSK)7.3二进制相移键控(2PSK)7.4二进制差分相移键控(2DPSK)7.5多进制数字调制第7章数字信号的频带传输7.1二进制幅度键控（2ASK）数字信号有两种传输方式，一种是第6章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。第7章数字信号的频带传输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、限定频率范围的同轴电缆等。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，必须采用数字调制方式。那么为什么一定要在带通型信道中传输数字信号呢？主要原因是带通型信道比低通型信道带宽大得多，可以采用频分复用技术传输多路信号；另外，若要利用无线电信道，必须把低频信号“变”成高频信号。第7章数字信号的频带传输在第2章我们已经了解了模拟信号的各种调制方式，并完成了把低频信号“搬移”到高频处或指定频段（为了频分复用或无线电发射）的任务。同样的概念依然适用于对数字信号的处理。用数字基带信号对载波进行调制，使基带信号的功率谱（频谱）搬移到较高的载波频率上，这种信号处理方式称为数字调制，相应的传输方式称为数字信号的调制传输、载波传输或频带传输。第7章数字信号的频带传输和模拟调制相似，数字调制所用的载波一般也是连续的正弦型信号，但调制信号则为数字基带信号。理论上讲，载波形式可以是任意的（比如三角波、方波等），只要适合在带通信道中传输即可。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：幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。第7章数字信号的频带传输所谓“键控”是指一种如同“开关”控制的调制方式。比如对于二进制数字信号，由于调制信号只有两个状态，调制后的载波参量也只能具有两个取值，其调制过程就像用调制信号去控制一个开关，从两个具有不同参量的载波中选择相应的载波输出，从而形成已调信号。“键控”就是这种数字调制方式的形象描述。第7章数字信号的频带传输7.1.12ASK调制的基本原理及波形表达式在2ASK中，载波幅度随着调制信号1和0的取值而在两个状态之间变化。二进制幅度键控中最简单的形式称为通——断键控（OOK），即载波在数字信号1或0的控制下来实现通或断。OOK信号的时域表达式为sOOK(t)=anAcosωct(7―1)这里，A为载波幅度，ωc为载波频率，an为二进制数字信息，an可表示为1,0,na出现概率为P出现概率为1-P(7―2)第7章数字信号的频带传输在一般情况下，调制信号是具有一定波形形状的二进制脉冲序列，可表示为()()nsnBtagtnT(7―3)这里，Ts为调制信号间隔，g(t)为单极性脉冲信号的时间波形，an为式（7―2）表示的二进制数字信息。比如当序列an为1001时所对应的B(t)波形以及B(t)对载波信号进行调制所得的OOK的典型波形如图7―1所示。第7章数字信号的频带传输图7―1OOK信号波形1001anB(t)sOOK(t)00A－Att第7章数字信号的频带传输二进制幅度键控信号的一般时域表达式为()[()]cosASKnscnstagtnTt(7―4)此式为双边带调幅信号的时域表达式，它说明2ASK（OOK）信号是双边带调幅信号。第7章数字信号的频带传输7.1.22ASK调制的频域特性若二进制序列的功率谱密度为PB(ω)，2ASK信号的功率谱密度为PASK(ω)，则有1()[()()]4ASKBcBcPPP(7―5)第7章数字信号的频带传输由式（7―5）可知幅度键控信号的功率谱是基带信号功系谱的线性搬移，所以2ASK调制为线性调制，其频谱宽度是二进制基带信号的两倍。图7―2给出OOK信号的功率谱示意图。由于基带信号是矩形波，其频谱宽度从理论上来说为无穷大，以载波ωc为中心频率，在功率谱密度的第一对过零点之间集中了信号的主要功率，因此,通常取第一对过零点的带宽作为传输带宽，称之为谱零点带宽。第7章数字信号的频带传输图7―2OOK信号的功率谱0fPB(f)0－fcfcfc－fsfc＋fs－fc－fs－fc＋fsfPASK(f)(a)(b)－fsfs第7章数字信号的频带传输由图7―2（b）可知，OOK信号的谱零点带宽Bs=2fs，fs为基带信号的谱零点带宽，在数量上与基带信号的码元速率Rs相同。这说明OOK信号的传输带宽是码元速率的2倍。为了限制频带宽度，可以采用带限信号作为基带信号。图7―3给出基带信号为升余弦滚降信号时，2ASK信号的功率谱密度示意图。第7章数字信号的频带传输图7―3升余弦滚降基带信号的2ASK信号功率谱－fc－B－fc＋B－fcfcfc－Bfc＋B－BB0PB(f)PASK(f)ff(a)基带信号功率谱(b)已调信号功率谱0第7章数字信号的频带传输7.1.32ASK调制器二进制幅度键控的调制器可以用一个相乘器来实现，如图7―4所示。对于OOK信号来说，相乘器可用一个开关电路来代替。图7.42ASK调制器基带信号已调信号载波Acosct第7章数字信号的频带传输7.1.42ASK解调器和模拟常规调幅信号的解调一样，2ASK信号也有包络检波和相干解调两种方式，两种解调器的方框图如图7―5所示。由于被传输的是数字信号1和0，因此，在每个码元持续期间要用抽样判决电路对低通滤波器的输出作一次判决以确定信号取值。相干解调需要在接收端产生一个本地的相干载波，由于设备复杂，因此在2ASK系统中很少使用。第7章数字信号的频带传输图7―52ASK解调器带通滤波器半波或全波整流器低通滤波器抽样判决器输出输入定时脉冲带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器输出输入定时脉冲cosct(a)包络检波(b)相干解调第7章数字信号的频带传输7.2二进制频移键控（2FSK）7.2.12FSK调制的基本原理及波形表达式2FSK是利用载波的频率变化来传递数字信息的。在二进制情况下，1对应于载波频率f1，0对应于载波频率f2。2FSK信号在形式上如同两个不同频率交替发送的ASK信号相叠加，因此已调信号的时域表达式为212()[()]cos[()]cosFSKnsnsnnstagtnTtagtnTt(7―6)第7章数字信号的频带传输这里，ω1=2πf1，ω2=2πf2，是an的反码,和an可表示为nana01na概率为P概率为1-P10na概率为P概率为1-P(7―7)第7章数字信号的频带传输在最简单也是最常用的情况下，g(t)为单个矩形脉冲。2FSK信号的波形如图7-6（a）所示，该波形可分解为图（b）和图（c）所示的波形。2FSK信号还可以表示为11222()cos2()()cos2FSKstAftststAft(7―8)设两个载频的中心频率为fc，频差为Δf即12212cffffff（7―9）（7―10）第7章数字信号的频带传输f2f1f1f2f1f1f2f2ttt(a)(b)(c)图7-6第7章数字信号的频带传输则我们定义调制指数（或频移指数）h为21ssfffhRR（7―11）式中,Rs是数字基带信号的速率。第7章数字信号的频带传输7.2.22FSK调制的频域特性图7―7给出了h＝0.5、h=0.7、h=1.5时2FSK信号的功率谱示意图。功率谱以fc为中心对称分布。在Δf较小时功率谱为单峰。随着Δf的增大，f1和f2之间的距离增大，功率谱出现了双峰，这时的频带宽度可近似表示为B2FSK≈2BB+|f2-f1|（7―12）式中,BB为基带信号的带宽。第7章数字信号的频带传输图7―72FSK信号功率谱fc－fsfcfc＋fsfP2FSK(f)h＝0.5h＝0.7h＝1.5第7章数字信号的频带传输7.2.32FSK调制器在FSK信号中，当载波频率发生变化时，一般来说载波的相位变化是不连续的。这种信号称为相位不连续的FSK信号。相位不连续的FSK信号通常用频率选择法产生，方框图如图7-8所示，两个独立的振荡器作为两个频率的载波发生器，它们受控于输入的二进制信号。二进制信号通过两个门电路控制其中一个载波信号通过。第7章数字信号的频带传输图7―82FSK调制器振荡器1门1倒相器求和器振荡器2门2二进制信息(NRZ)2FSK信号第7章数字信号的频带传输7.2.42FSK解调器2FSK信号的解调也有非相干和相干两种。FSK信号可以看作是用两个频率源交替传输得到的，所以FSK接收机由两个并联的ASK接收机组成。图7―9示出非相干FSK和相干FSK接收机方框图，其原理和ASK信号的解调相同。第7章数字信号的频带传输图7―92FSK解调器带通滤波器11包络检波器1抽样判决器带通滤波器22包络检波器2抽样脉冲输出输入(a)非相干解调带通滤波器11带通滤波器22低通滤波器1相乘器相乘器低通滤波器2抽样判决器抽样脉冲输出输入cos1tcos2t(b)相干解调第7章数字信号的频带传输2FSK信号还有其它的解调方法，其中过零检测法是一种常用而简便的解调方法。2FSK信号的过零点数随载频的变化而不同，因此，检测出过零点数就可以得到载频的差异，从而进一步得到调制信号的信息。过零检测法的原理框图及各点波形如图7―10所示。FSK信号经限幅、微分、整流后形成与频率变化相对应的脉冲序列，由此再形成相同宽度的矩形波。此矩形波的低频分量与数字信号相对应，由低通滤波器滤出低频分量，然后经抽样判决，即可得到原始的数字调制信号。第7章数字信号的频带传输图7―102FSK信号过零检测法限幅微分整流宽脉冲发生低通abcdefabcdef第7章数字信号的频带传输7.3二进制相移键控（2PSK）7.3.12PSK调制的基本原理及波形表达式二进制相移键控（2PSK）是用二进制数字信号控制载波的两个相位，这两个相位通常相隔π弧度，例如用相位0和π分别表示1和0，所以这种调制又称二相相移键控（BPSK）。二进制相移键控信号的时域表达式为2()[()]cosPSKnscnstagtnTt(7―13)第7章数字信号的频带传输这里的an为双极性数字信号，即11na概率为P概率为1-P(7―14)如果g(t)是幅度为1，宽度为Ts的矩形脉冲，则2PSK信号可表示为s2PSK(t)=±cosωct(7―15)当数字信号的传输速率Rs=1/Ts与载波频率间有整数倍关系时，2PSK信号的典型波形如图7―11所示。第7章数字信号的频带传输图7―112PSK信号典型波形11000tA－ATs第7章数字信号的频带传输7.3.22PSK调制的频域特性将式（7―13）所示的2PSK信号与式（7―4）所示的2ASK信号相比较，它们的表达式在形式上是相同的，其区别在于2PSK信号是双极性不归零码的双边带调制，而2ASK信号是单极性非归零码的双边带调制。由于双极性不归零码没有直流分量，因此2PSK信号是抑制载波的双边带调制。这样，2PSK信号的功率谱与2ASK信号的功率谱相同，只是少了一个离散的载波分量，也属于线性调制。第7章数字信号的频带传输7.3.32PSK调制器2PSK调制器可以采用相乘器，也可以采用相位选择器，如图7―12所示。图7―122PSK调制器电平转换载波发生器二进制基带信号(单极性NRZ)双极性NRZ已调信号cosct选相开关二进制基带信号(双极性NRZ)已调信号载波发生器0(a)相乘法(b)相位选择法第7章数字信号的频带传输7.3.42PSK解调器由于PSK信号的功率谱中无载波分量，因此必须采用相干解调的方式。在相干解调中，如何得到同频同相的本地载波是个关键问题。只有对PSK信号进行非线性变换，才能产生载波分量。常用的载波恢复电路有两种，一种是图7―13（a）所示的平方环电路，另一种是图7―13（b）所示的科斯