复旦大学：《信号与通信系统》教学课件_12 数字信号调制.pdf_大学文库

2014-06-18 1 第四章信号的调制传输  基带信号频率较低，不宜在一般信道中直接传输  发送端调制，接收端反调制(解调)  调制：用基带信号去改变载波的某些参数  已讨论脉冲调制：PAM、PCM  本章讨论正弦波调制 49 1 §1.1 数字信号的调制  数字信号调制的两种类型：  模拟调制法实现数字信号的调制：将数字基带信号视为模拟信号的特殊情况  用数字信号离散取值特点来键控载波(键控法)：一般用数字电路实现  数字双向通信中，将调制器和解调器装在一起，称为调制解调器(MODEM)  三种基本键控调制方式：  振幅键控(ASK)：正弦波幅度传递数字基带信号  频移键控(FSK)：正弦波频率传送数字基带信号  相移键控(PSK)：正弦波相位传送数字基带信号一振幅键控 49 2 、  正弦载波的幅度随数字基带信号而变化  最简单的形式：载波在二进制调制信号1和0的控制下通或断，也称为通-断键控(OOK) 1、定义：设数字基带信号为s(t)，则ASK信号为 s t As t t ASK c ( )  ( ) cos 2、两种调制方法： s(t) 乘法器 Acosct sASK(t) 数字基带信号与正弦载波直接相乘开关电路 49 3 载波发生器 sASK(t) s(t) 数字基带信号控制开关选择正弦载波的通、断 -A 0 A 1 Acosct s(t) 基带信号s(t)为1或0的二进制序列 49 4 0 -A 0 A Ts sASK(t)  一般情况，基带信号s(t)可为一定波形形状的二进制序列： ( )   (  ),  0or1 n n n s s t a g t nT a s t As t t A a g t nT t ASK c n s c ( ) ( ) cos ( ) cos         其中g(t)为一定形状的波形，且 ( ) 0, [0, ] Ts g t  t   此时的ASK信号为： 49 5 s t s t t a g t n tc n ASK ( ) ( ) cosc n ( s ) cos     3、ASK信号的频谱和带宽  设基带信号的功率谱为S()，则ASK信号的频谱为： [ ( ) ( )] 2 ( ) ( ) ( ) cos ASK c c ASK c S S A S s t As t t             0  S() s 2s -s -2s SASK() 49 6 ASK信号频谱宽度为基带信号的两倍若基带信号频谱宽度无穷大，则ASK信号的频谱宽度也无穷大 0 c -c -c+2s c+2s  c-2s -c-2s

2014-06-18 5  非相干解调输入带通滤波 1 包络检波器抽样定时脉冲判决器输出带通滤波 2 包络检波器 49 25 2  当发送1时，上面一路BPF的输出为：u t t1 ( ) cos 下面一路BPF的输出很小  包络检波后，可比较两路信号的大小检测发送信息  当发送0时，下面一路BPF的输出为： u t t2 ( ) cos 上面一路BPF的输出很小 0 0 FSK 1 0 0 1 BPF1 BPF2 49 26 0 0 0 Ts 2Ts 3Ts 4Ts ENV1 ENV2  两种解调，抽样判决均是判定哪路输出大，不像ASK那样需设定判决门限  不受信道衰落或变化影响  非相干解调设备简单，在FSK中较多应用  国际电报电话咨询委员会(CCITT)推荐在不大于1200 bit/s 的数据率时，在电话信道中使用FSK方式传输 f1=1300 Hz f2=2100 Hz 49 27 若取r=0.25： (1 0.25) (2100 1300) 2300 Hz 1/1200 1 (1 ) ( ) 1 2 ( ) 2 1 2 1           r  f  f T B B f f s FSK 电话信道：600~3000 Hz(带宽：2400 Hz) 三、移相键控 1、定义：发送1时载波相位为0，发送0时载频相位为  PSK信号可表示为：        cos( ) cos 0 cos 1 ( ) 发送发送 A t A t A t s t c c c PSK     49 28  ( c ) c 发送其中c为载波频率  一般，载波频率fc可为数字信号传输速率(1/Ts )的整数倍  若fc=3/Ts Ts 0 2Ts 3Ts 4Ts 1 0 0 1  直接调相法：环形调制器，用双极性数字基带信号来控制 2、两种调制方法： A B 载波振荡器 sPSK(t) 49 29 s(t)  发1时，A点电平高于B点，输出信号与载波振荡器同相  发0时，A点电平低于B点，输出信号与载波振荡器反相  相位选择法：用数字基带信号来控制选择两个相位相差的载波振荡器载波振荡器 sPSK(t) 键控器 s(t) 0相 49 30  发1时，s(t)控制键控器，使输出信号与载波振荡器同相 PSK( ) 倒相器 相  发0时，s(t)控制键控器，使输出信号与载波振荡器反相

2014-06-18 6  以载波不同相位来直接表示数字信息的相位键控法通常称为绝对相移方式  解调时需产生一个相位绝对正确的本地载波作为基准，技术复杂  倒现象：实际上参考基准相位有可能随机跳动  以后的接收均错误  一般不采用PSK方式，而采用相对相移方式(DPSK) 的定义 49 31 3、DPSK的定义：  DPSK利用载波的相位变化来传递数字信息  设相对相位偏移为，定义：本码元初始相位与前一码元初始相位之差  DPSK信号有：      0 0 1 发送  发送   例： DPSK 0 0 0  0 0   0 01 101 0 0 信号相位数字信号 0 0 PSK 1 0 0 1 DPSK 49 32 Ts 0 0 2Ts 3Ts 4Ts 4、DPSK的调制  DPSK的调制与PSK类似，只是需增加码变换器将数字基带信号变换为控制相位的信息  以相位选择法为例：载波振荡器 sDPSK(t) 倒相器键控器 s(t) 相 0相码变换器 49 33 s(t) 码变换器 5、PSK信号的带宽  PSK信号可视为一个双极性信号调制的ASK信号  PSK信号的带宽和ASK信号相同  若基带信号的带宽为B，则PSK信号的带宽为2B (1 ) 1 (1 ) then 2 1 if r T r B T B s PSK s     6、PSK信号的解调  PSK信号的解调只能用相干解调，需要频率和相位十分准确的参考信号 sPSK(t) 带通滤波器乘法器 cosct 低通滤波器抽样判决器定时脉冲 49 34 c  设接收端BPF收到的信号为：  经过乘法器后的信号为： x(t)  Acos( t ) c cos(2 ) 2 cos 2 ( ) cos cos( ) cos             t A A x t t A t t c c c c  经过LPF后的信号为：  抽样判决时，以零电平为门限电平：抽样值>0，判决为1；抽样值<0，判决为0               2 0 2 cos 2 ( ) A A A r t 49 35  若本地载波的频率和相位不十分准确：                                                0(?) 0(?) 0 cos( ) 2 cos[(2 ) ( )] 2 cos( ) 2 cos( ) cos[( ) ] LPF t A t A t A A t t c c c 0 0 sPSK(t) 0 1 1 0 1 0 cosct 49 36 0 Ts 0 2Ts 3Ts 4Ts 5Ts 6Ts MLT LPF

2014-06-18 7 7、DPSK信号的两种解调方法  相干解调 sDPSK(t) 带通滤波器乘法器 cosct 低通滤波器抽样判决器定时脉冲码(反) 变换器 49 37  DPSK的相干解调与PSK信号的相干解调基本相同，只是最后需将抽样判决器的输出从相对码序列绝对码序列  DPSK的相干解调同样需要本地的载波有十分准确的频率和相位抽样判决器输出：(0)0010110  码变换：0011101 0 0 s (0) 1 0 1 1 1 DPSK(t) cosct MLT 49 38 0 Ts 0 2Ts 3Ts 4Ts 5Ts 6Ts MLT LPF (0)11010  10111  差分相干解调：直接比较前后码元的相位差 sDPSK(t) 带通滤波器乘法器低通滤波器抽样判决器延迟器定时脉冲 Ts 49 39  不需要专门的相干载波，用BPF输出延迟一个码元时间代替相干解调的本地载波  不需要码变换器，解调器过程直接完成码元的变换  抽样判决时，仍以零电平为门限电平，但是：抽样值>0，判决为0；抽样值<0，判决为1  差分相干解调是一种实用的DPSK解调方式 0 0 sDPSK(t) (0) 1 0 1 1 1 D(Ts) 49 40 0 Ts 0 2Ts 3Ts 4Ts 5Ts 6Ts MLT LPF 四、多进制数字信号的调制  为在有限信道带宽内传输尽可能多的信息，在噪声允许下可使用多进制数字信号传输  多进制数字信号传输：振幅、频率和相位不再只有2个状态，可取多种状态 49 41 1、多进制振幅键控(MASK)  M进制振幅键控信号中，载波的振幅有M种取值，每个码元间隔TS内发送一种振幅的载波信号  多电平信号常采用格雷码编码(相邻电平所表示的二进码组间只有一个bit不同)  4电平格雷码：00 01 11 10  MASK信号的功率谱与ASK时类似，它相当于M电平的基带信号对载波进行调幅  带宽为M电平基带信号的M倍  8电平格雷码：000 001 011 010 110 111 101 100  MASK每个码元间隔Ts传送log2M 比特信息，信息速率为 2ASK的log2M倍 2 多进制相移键控(MPSK) 49 42 、多进制相移键控(MPSK)  MPSK中，载波的相位有M种取值  4PSK：载波的相位有四种情况或  经常采用 4 7 4 5 4 3 2 4 3 2 0       

2014-06-18 8  MPSK信号可用矢量图来描述：  8PSK：载波的相位有八种情况 8 15 8 13 8 11 8 9 8 7 8 5 8 3 4 8 7 2 3 4 5 4 3 4 2 0                或 PSK 4PSK 4PSK 49 43 8PSK 8PSK =0 =0 =/8 =/4  采用自然码：  采用格雷码： 11 10 01 00 =/4 4PSK 8PSK 10 11 01 00 =/4 4PSK 8PSK 49 44 =/8 000 001 011 010 100 101 110 111 =/8 8PSK 000 001 010 011 110 111 101 100 解调时相邻的相位最容易错判，采用格雷码后相邻码组只有1 bit信息出错(误码率相同时，误比特率比自然码低)  解调时，本地基准参考信号的相位跳变可能导致“倒”现象  MPSK实际采用的是MDPSK(前后码元的相对相位)  M越大，对接收波形的要求越高：信道噪声小；接收端需良好的自适应均衡器  M=2，4，8  MPSK每个码元间隔Ts传送log2M 比特信息，信息速率为 2PSK的log2M倍 49 45 ，，  国际电报电话咨询委员会(CCITT)推荐在2400 bit/s的数据率时，在电话信道中使用4DPSK方式传输 fc=1800 Hz Ts=1/(2400/2)=1/1200，若取r=1： (1 1) 2400 Hz 1/1200 1 (1 ) 1 4  2   r    T B B s DPSK 电话信道：600~3000 Hz(带宽：2400 Hz) 4DPSK频谱范围： 1800-(2400/2)~1800+(2400/2)=600~3000 Hz  国际电报电话咨询委员会(CCITT)推荐在4800 bit/s的数据率时，在电话信道中使用8DPSK方式传输 fc=1800 Hz 49 46 Ts=1/(4800/3)=1/1600，若取r=0.5： (1 0.5) 2400 Hz 1/1600 1 (1 ) 1 8  2   r    T B B s DPSK 8DPSK频谱范围： 1800-(2400/2)~1800+(2400/2)=600~3000 Hz 3、多进制频移键控(MFSK)  MFSK中，载波的频率有M种取值  MFSK每个码元间隔Ts传送log2M 比特信息，信息速率为 2FSK的log2M倍  通常将载波频率取为(正交MFSK)： n为正整数 T n f s i 2  49 47 4、振幅和相位复合的多进制调制  通常将矢量图中信号矢量的端点分布图称为星座图  MASK时，矢量端点在一条轴上分布；MPSK时，矢量端点在一个圆上分布  随着M增大，这些矢量端点间的最小距离随之减小  将矢量端点重新合理分布，则可以在不减小最小距离的情况下增加信号矢量的端点数目  振幅和相位复合的调制方式  16PSK和16ASK的星座图为：  若采用振幅和相位复合的16个信号点的调制，下列星座图均 16PSK 16ASK 49 48  若采用振幅和相位复合的16个信号点的调制，下列星座图均是可能的： 16QAM 8DPSK-AM 16APK 正交振幅调制