1 / 49

第 七 章 数字调制系统

第 七 章 数字调制系统. 主要内容. 1 数字频带调制概述 2 二进制数字调制原理（ ASK 、 FSK 、 PSK ） 3 二进制数字调制系统的性能分析与比较 4 多进制数字调制方式（ QPSK 、 QDPSK). 1 数字频带调制概述. 数字调制的概念 用二进制（多进制）数字信号作为调制信号，去控制载波某些参量的变化，这种把基带数字信号变换成频带数字信号的过程称为数字调制，反之，称为数字解调。 数字调制的分类

wynonna-romero
Download Presentation

第 七 章 数字调制系统

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 第七章 数字调制系统

  2. 主要内容 • 1 数字频带调制概述 • 2 二进制数字调制原理（ASK、FSK、PSK） • 3 二进制数字调制系统的性能分析与比较 • 4 多进制数字调制方式（QPSK、 QDPSK)

  3. 1 数字频带调制概述 • 数字调制的概念 • 用二进制（多进制）数字信号作为调制信号，去控制载波某些参量的变化，这种把基带数字信号变换成频带数字信号的过程称为数字调制，反之，称为数字解调。 • 数字调制的分类 • 在二进制时分为：振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。其中，ASK属于线性调制，FSK、PSK属于非线性调制（从频谱图上可看出） • 数字调制系统的基本结构 图 数字调制系统的基本结构

  4. 1 数字频带调制概述（续） • 举例

  5. 2 二进制数字调制原理（ASK、FSK、PSK） • 二进制幅移键控(ASK) • 二进制频移键控(FSK) • 二进制相移键控(PSK) • 二进制差分相移键控(DPSK)

  6. = w e ( t ) s ( t ) cos t o c w cos t c w cos t c 2 二进制幅移键控（ASK） • ASK信号的产生 一个二进制的ASK信号可视为一个单极性脉冲序列与一个高频载波 的乘积，即ASK的时域表达式为： s(t) 模拟法 NRZ 键控法 电子开关 e (t) o s(t) 1 0 信息代码2ASK

  7. 2 二进制幅移键控（ASK）（续） • ASK信号的功率谱特性 ASK信号的自相关函数为： ASK信号的功率谱密度为 式中， 为基带信号s(t)的功率谱密度 当0、1等概出现时，单极性基带信号功率谱密度为 则2ASK信号的功率谱密度为

  8. Ps(f) PE(f) f f -fs fs 0 0 fc fc -fs +fs 0 2 二进制幅移键控（ASK）（续） • ASK信号谱，形状为 ，双边带加载频谱线 • ASK信号传输带宽 （取主瓣宽度） • 带宽利用率

  9. x(t) r(t) 整流 抽样判决 BPF LPF cp(t) 已调ASK信号 位同步器 2 二进制幅移键控（ASK）（续） • ASK信号的解调方式 解调也可以分成相干解调与非相干解调两类。简单说，相干解调要求接收端提供相干载波。非相干解调，就是在接收端不需要相干载波，而根据已调信号本身的特点来解调 • 非相干解调（包络检波法） x(t) 无码间串扰 r(t) cp(t)

  10. x(t) r(t) 抽样判决 BPF LPF cp(t) 载波同步 位同步器 无码间串扰 x(t) r(t) cp(t) 2 二进制幅移键控（ASK）（续） • 相干解调（同步检测法）

  11. 直接调频法 s(t) VCO 相位连续 键控法 （频率转换法） 相位不连续 电子开关 s(t) 0 1 2 二进制频移键控（FSK） • FSK信号的产生 设FSK信号具有正交性，则要求 （ 、 分别为传号载频和空号载频） FSK时域表达式为： （注：正交性条件为-两个信号的相关系数 ） 2FSK信号

  12. 2 二进制频移键控（FSK）（续） • FSK信号（相位不连续）的功率谱特性 2FSK调制属于非线性调制，其频谱特性的研究常用把2FSK信号看成是两个2ASK信号相叠加的方法，即 2FSK信号的功率谱密度为 式中， 、 分别为基带信号 、 的功率谱密度 • 分别以 ， 为中心的两个抽样函数平方频谱（连续谱），且含有载频 ，的冲激谱（离散谱） • FSK信号传输带宽 其中 • 相位不连续的FSK信号所需传输带宽为

  13. f 0 或 f f 0 0 2 二进制频移键控（FSK）（续） f

  14. 2 二进制频移键控（FSK）（续） • FSK信号的解调方式 • 相干解调（同步检测法） a(t) LPF BPF1 输出 已调FSK信号 位同步 抽样判决 载波同步 LPF BPF2 b(t) 载波同步 f

  15. 2 二进制频移键控（FSK）（续） • 非相干解调 1、过零检测法 f

  16. 2 二进制频移键控（FSK）（续） • 非相干解调 2、差分检波法 差分检波法，或称延迟检波法。输入调频信号分为两路， 一路直接送到平衡调制器（乘法器）上，另一路经过延迟 后送到乘法器，在平衡调制器上将这两个信号作乘积处 理，输出经低通滤波器除去高频部分，即可取出基带信号。 f

  17. 2 二进制频移键控（FSK）（续） 差分检波法的数学证明： 设带通滤波器输入的2FSK信号的表示式为 它与延时 的波形相乘后，为 低通滤波器滤去高频分量后，输出为 适当选择 ，使 则有 ， 故此时有： 当角频偏较小，即 ，则有： 说明：当满足条件 以及 时，输出电压与角频偏成正比，达到了鉴频的目的。 f

  18. 信息代码 0 0 1 1 0 1 s(t) 2PSK cosωct （BNRZ） 2PSK 2PSK cosωct 电子开关 ° 180° 2PSK s(t) （NRZ） 2 二进制相移键控（PSK） • PSK信号的产生 一个二进制的PSK信号可视为一个双极性脉冲序列s(t)与一个载波 的乘积，即： 模拟调制法 键控法 f

  19. 参考矢量 0 π 0 0 参考矢量 2 二进制相移键控（PSK）（续） • PSK信号的产生 数字调相波可以用矢量图表示其相位变化的规则，根据CCITT规定，存在A、B两种表示相位变化的矢量图，如下图所示。图中的虚线表示参考矢量，它代表未调制载波的相位。 （a）方式A (b)方式B f 图 二相移相信号矢量图

  20. 2 二进制相移键控（PSK）（续） • PSK信号的功率谱特性 2PSK信号的功率谱密度采用与求2ASK信号功率谱密度相同的方法。 PSK信号的功率谱密度为 式中， 为基带信号s(t)的功率谱密度 当0、1等概出现时，双极性基带信号功率谱密度为 则2PSK信号的功率谱密度为 f

  21. PE(f) Ps(f) fc fc -fs +fs f 0 -fs fs 0 2 二进制频移键控（PSK）（续） f 0 • PSK信号谱，形状为 ，以 为中心的DSB谱 • PSK信号传输带宽 (取主瓣宽度） f

  22. a b c 已调PSK信号 抽样判决 BPF LPF cp(t) 载波同步 抽样判决 信息代码 0 1 信息代码 0 1 二进制相移键控（PSK）（续） • PSK信号的解调方式 一般采用相干解调，如图 设收发滤波器及信道对2PSK信号波形无影响，各点波形如下 a(t) a(t) cosωct -cosωct b(t) b(t) r(t) r(t) cp(t) cp(t) f c(t) c(t) （a）本地提供的载波和发送端一致 （b）本地提供的载波和发送端反相

  23. 2 二进制差分相移键控（DPSK） • DPSK调制原理 差分相移键控（DPSK）是利用相邻二个码元的载波信号初始相位的相对变化来表示所传输的码元。 例如，在二进制中传输“1”码时，则与此码元所对应的载波信号初始相位相对于前一码所对应的载波信号初始相位有 或π弧度的变化;，传输“0”码时，与此码元所对应的载波信号的初始相位相对于前一码元所对应的载波信号初始相位无变化（“1变0不变” ）；当然反过来也是可以的。 f

  24. 表 4 — 1 数字码元 1 0 1 1 0 0 1 0 1 { φ } 0 π π 0 π π π 0 0 π 1 已调载 2PSK { φ } 0 π 0 0 π π 0 π 0 { φ } π 0 0 π 0 0 0 π π 0 2 波每个 2DPSK 码元的 相位 { Δφ } π 0 π π 0 0 π 0 π （ 1 ） 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 相对码 （ 2 ） 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 2 二进制差分相移键控（DPSK） • 举例 若定义Δφ为2DPSK方式下本码元初相与前一码元初相之差，并设Δφ＝π相→“1”、 Δφ＝0相→“0”，为了比较，设2PSK方式下φ＝π相→“0”、 φ＝0相→“1”，则数字信息序列与2PSK、2DPSK信号的码元相位关系如表所示。 表：数字信息序列与已调载波相位关系 初相为0相 初相为π相 相位差与初相无关 初相为0相 f 初相为π相

  25. 2 二进制差分相移键控（DPSK）（续） f

  26. 参考矢量 0 π 0 0 参考矢量 2 二进制差分相移键控（DPSK）（续） • DPSK调制原理 2DPSK同样存在A、B方式矢量图，图中虚线表示的参考矢量代表前一个码元已调载波的相位。B方式下，每个码元的载波相位相对于参考相位可取 ，所以其相邻码元之间必然发生载波相位的跳变，接收端可以据此确定每个码元的起止时刻（即提供码元定时信息），而A方式却可能存在前后码元载波相位连续。 f （a）方式A (b)方式B 图 二相移相信号矢量图

  27. 2 二进制差分相移键控（DPSK）（续） • 2DPSK信号的产生 在2PSK方式中，由于解调过程中会出现“倒π”现象，即相位模糊现象（相干接收PSK信号需要提供稳定的本地载波，它的初始相位是0相或是π相，完全是随机的，因此很可能使相干载波与接收到的信号载波反相，于是恢复出与发送码元相反的码序列），参考p.23。因此，在实际中经常采用2DPSK方式。 用源码序列 对载波进行相对（差分）相移键控，等效于将源码序列 转换为差分码形式 ，之后对载波进行绝对相移键控。 绝对码和相对码之间的关系为 2DPSK信号的功率谱密度和带宽相同于2PSK信号的功率谱密度和带宽 2PSK(bk) 2PSK调制 2DPSK(ak) f

  28. bk 已调2DPSK信号 a c e f d BPF 抽样判决 LPF ak TS 位同步 bk-1 载波同步 cp(t) b 码反变换 2PSK解调 信息代码（发ak） 0 0 1 0 1 1 a(t) 设bk-1=1； 2PSK方式下： φ＝π相→“0” φ＝0相→“1” b(t) c(t) a d(t) -a cp(t) bk 1 1 0 0 1 0 e(t) ak 0 0 1 0 1 1 f(t) 2 二进制差分相移键控（DPSK）（续） • 2DPSK信号的解调 • 相干解调（同步检测法或极性比较法） f

  29. a 已调2DPSK信号 c e d BPF LPF 抽样判决 Ts cp(t) b 位同步 信息代码（发ak） 0 0 1 1 0 a(t) b(t) φ＝π相→“0” φ＝0相→“1” c(t) d(t) cp(t) e(t) 1 0 0 1 2 二进制差分相移键控（DPSK）（续） • 差分相干解调（相位比较法） 设bk-1=1； 则：bk 1 1 0 1 1 2PSK方式下:

  30. 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 恢复 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 2 二进制差分相移键控（DPSK）（续） • 举例：DPSK调制、解调过程 设源码序列为 =11010001011101，假设无传输差错

  31. 调制方式 相关系数 解调方式 误比特率 带宽 判决门限 2ASK 0 相干解调 非相干解调 2FSK 0 相干解调 无 非相干解调 2PSK 和2DPSK -1 相干2PSK 0 差分相干2DPSK 3 二进制数字调制系统的性能分析与比较 表中 为功率信噪比

  32. 3 二进制数字调制系统的性能分析与比较（续） • 二进制数字调制系统的性能比较 • 有效性（频带宽度） 2ASK、2DPSK为 ；2FSK 为 可见,2ASK、2DPSK的有效性相同且优于2FSK • 可靠性 (误码率) • 对于三种调制方式，相干解调方式都略优于非相干解调 • 在相同性能（误比特率）时，ASK、FSK、PSK依次可节省3dB信噪比；即相同输入信噪比时，从优到劣的抗噪声性能为：PSK 、FSK、ASK • 对信道的敏感性 2ASK最佳门限随信号功率变化,不方便； 2FSK对两个抽样值比较，不需设置判决门限； 2PSK门限为0,与信号功率无关； 2DPSK进行差分相干解调不需要相干载波,比较适用于信道不稳定系统.

  33. 0 a)ASK信号矢量 b)FSK信号矢量 c)DPSK信号矢量 图6-4三种信号的信号空间 3 二进制数字调制系统的性能分析与比较（续） • 结论 FSK与PSK、DPSK均为恒包络，功率谱特性好。目前用得最多的数字调制方式是相干2DPSK和非相干2FSK 图中所示：信号空间中信号点（矢端）距离——欧几里值距离比较明显不同。从三种调制系统的信号设计来说，三者均满足正交信号设计目标： 。并以PSK、DPSK信号 为最优，起到增加信噪比，降低误差率的作用、而ASK信号 FSK又分不连续与连续相位，也有少许差别 （ ， ）

  34. 4 四相相移键控（QPSK） • 多进制数字调制的概念、特点 • 用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率和相位，称为多进制数字调制。分为多进制数字振幅调制、多进制数字频率调制以及多进制数字相位调制三种基本方式。 • 多进制数字调制系统的特点 • 在相同的码元传输速率下（此时多元频带调制信号占用与二元信号相等带宽 ，多进制数字调制系统的信息传输速率高于二进制数字调制系统（ ），因此提高了信道带宽利用率。 • 在相同的信息传输速率下，多进制数字调制系统的码元传输速率低于二进制数字调制系统 • 多进制数字调制系统的抗噪声性能低于二进制数字调制系统。

  35. 4 四相相移键控（QPSK）（续） • 多进制数字相位调制的原理 • 多进制数字相位调制，它是利用载波的多种不同相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式。 用M种相位 来表k比特码元的 种状态。假设相位数 ， 比特码元的持续时间为 。则M相调制波可以表示为 式中， 为受调相位，可有 种不同取值； 下面主要讨论四相绝对相移调制，记为4PSK或QPSK和四相相对相移调制，记为4DPSK或QDPSK。

  36. j k 双比特码元 载波相位 （ ） a b A 方式 B 方式 o o 0 0 0 45 01 01 00 o o 0 1 90 135 o o 1 1 180 225 00 11 o o 1 0 270 315 参考相位 参考相位 11 10 10 4 四相相移键控（QPSK）（续） • 四相绝对相移键控QPSK 四进制码元又称为双比特码元。它的前一信息用a代表，后一信息比特称用b代表，双比特码元中两个信息比特ab提出按照格雷码（即反射码）排列的。它与载波相位的关系如下表示。矢量图如下。

  37. 同向支路a 平衡 调制器 载波 w cos t c 振荡 输出 p 输入 串/并 - 移相 相加 变换 2 w sin t c 平衡 调制器 正交支路b (a) 表 QPSK 信号相位编码逻辑关系 ab 1 1 0 1 0 0 1 0 a 1 0 0 1 I(t) cosωct -cosωct -cosωct cosωct b 1 1 0 0 o o o o a 平衡调制器输出 0 180 180 0 o Q(t) o o o b 平衡调制器输出 270 270 90 90 -sinωct -sinωct sinωct sinωct o o o o 合成相位 315 225 135 45 4PSK移相 225° 135° 45° 315° 4 四相相移键控（QPSK）（续） • QPSK信号的产生 • 调相法（B方式） • 注：串/并输入信号码速率等于 ,输出信号码速率等于 ，a支路和b支路信号的码元宽度为 ， 为二进制信号码元宽度。 b(0) (1,0) (0,0) a(0) a(1) (1,1)) (0,1) b(1) (b)

  38. 4 四相相移键控（QPSK）（续） • QPSK信号的产生 • 相位选择法 • QPSK信号的特点：在信号空间（星座图）有4个均匀分布在同圆上（恒包络）上的信号点（星点），4个不同相位载波互为正交。即说明：已调信号的幅度相等，依靠不同相位来区分各信号 输出 输入 串/并 带通 逻辑选相电路 变换 滤波器 四相载波发生器

  39. 4 四相相移键控（QPSK）（续） • QPSK信号的功率谱特性 串／并变换器将输入的二进制序列依次分为两个并行的双极性序列。a序列和b序列的码元周期为输入的二进制序列码元周期的2倍，码元传输速率为输入的二进制序列码元传输速率的1/2。 设输入的二进制序列的码元传输速率为 ，则QPSK的第一个零点以内的频带宽度为 。此时的频带利用率为1B/Hz。

  40. 平衡 低通 抽样 调制器 滤波器 判决 w cos t c a 相干 定时 载波 已调QPSK信号 输出 并/串 变换 p - 移相 定时 b 2 w sin t c 低通 抽样 平衡 调制器 滤波器 判决 4 四相相移键控（QPSK）（续） • QPSK信号的解调 • 相干解调 QPSK可以看作两个正交的2PSK的合成，因此QPSK解调器由两个2PSK信号相干解调器构成

  41. D j k 双比特码元 载波相位 （ ） a b A 方式 B 方式 o o 0 0 0 45 o o 0 1 90 135 o o 1 1 180 225 o o 1 0 270 315 01 01 00 00 11 参考相位 参考相位 11 10 10 4 四相差分相移键控（DQPSK） • 四相差分相移键控DQPSK • 相对移相调制利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。

  42. 平衡 调制器 p - 移相 4 输入 输出 串/并 载波 码变换 相加 变换 振荡 相对码 绝对码 p + 移相 4 平衡 调制器 4 四相差分相移键控（DQPSK）（续） • DQPSK信号的产生 • 码变换加调相法（A方式）

  43. 表 QDPSK信号相位编码逻辑关系 双比特码元 载波相位变化 a b A方式 o 0 0 0 o 0 1 90 o 1 1 180 o 1 0 270 前一对码元的相位状态： 绝对码 01 11 00 10 11 01 10 00 输入序列 o o o o o o o o QPSK 90 18 0 0 270 18 0 90 0 270 o o o o o o o o QDPSK 90 270 270 18 0 0 90 0 0 相对码 01 10 10 1 1 00 01 0 0 00 相对序列 4 四相差分相移键控（DQPSK）（续） 码变换器的功能：将绝对码转换成相对码 (设QDPSK的参考相位为0，采用A方式矢量图) • 举例：DQPSK信号（差分码及其相位）

  44. 输出 输入 串/并 带通 逻辑选相电路 变换 滤波器 四相载波发生器 4 四相差分相移键控（DQPSK）（续） • DQPSK信号的产生 • 码变换加相位选择法（B方式） DQPSK信号相位选择法与产生QPSK信号的框图相同。区别之处在于：这里的逻辑选相电路除了完成选择载波的相位外，还应实现将绝对码转换成相对码的功能。

  45. 平衡 低通 抽样 码元 调制器 滤波器 判决 形成 p - 移相 4 定时 输出 已调DQPSK信号 载波 并/串 码变换 振荡 变换 定时 p + 移相 4 码元 平衡 低通 抽样 调制器 滤波器 判决 形成 QPSK解调 码变换 4 四相差分相移键控（DQPSK）（续） • DQPSK信号的解调 • 相干解调（极性比较法） 这里码变换器的功能恰好与发送端的相反，它需要将判决器输出的相对码恢复成绝对码。

  46. 低通 抽样 码元 相乘器 滤波器 判决 形成 p - 移相 定时 4 已调DQPSK信号 输出 延迟 并/串 T 变换 S p 定时 + 移相 4 低通 抽样 码元 相乘器 滤波器 判决 形成 4 四相差分相移键控（DQPSK）（续） • 差分相干解调（相位比较法） 相位比较法适用于接收A方式规定的相位关系的QDPSK信号。这种解调方法与极性比较法相比，相位比较法解调的原理就是直接比较前后码元的相位。

  47. 本章要点 • 本章基本概念与内容要点 1、数字调制与解调的基本概念 2、理解2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、QPSK、QDPSK、MSK、QAM调制解调方法。 3、掌握2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、QPSK、QDPSK、MSK信号的有效带宽。 4、掌握2DPSK信号的产生。 5、掌握A方式与B方式矢量图QPSK信号的产生方法 6、掌握A方式与B方式矢量图QDPSK信号的产生方法 f

  48. 本章要点 • 本章内容要点 1、掌握2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、QPSK、QDPSK、MSK、QAM信号的产生。 2、掌握2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、QPSK、QDPSK、MSK信号的有效带宽 f

  49. 本章作业 1、假设单极性不归零码1101001直接与载波进行2ASK调制，若载波周期等于码元周期，画出2ASK波形。 2、基带数据信号序列为100110110，调制速率为1200B，载波频率f1=1200Hz， f2=2400Hz，分别画出相位连续和相位不连续的2FSK波形。 3、基带数据信号序列为11001011，调制速率为1200B，载波频率2400Hz，分别画出2PSK波形（设φ＝π→“0”、 φ＝0→“1”，）2DPSK波形（设Δφ＝π→“1”、 Δφ＝0→“0”，初相为0）并写出 2DPSK 下的差分码（ 设 为0相位 ） 4、一个QDPSK系统，调制方式分别为A、B两种方式，设已调载波初相为0，写出基带数据信号序列10001101的已调载波相位。（设 为0相位 ） 5、P186 6-18 f

More Related