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1、1,第六章 数字调制系统,本章重点二进制数字振幅键控2ASK（Amplitude Shift Keying）二进制数字频移键控2FSK（Frequency Shift Keying）二进制数字相移键控2PSK（Phase Shift Keying）多进制数字调制系统的基本原理和特点,2,6.1 二进制数字调制原理,当使用二进制数字信号来完成调制过程的时候，这种调制方式就被称为二进制数字调制。常见的二进制数字调制方式包括：二进制数字振幅键控2ASK（Amplitude Shift Keying）、二进制数字频移键控2FSK（Frequency Shift Keying）、二进制数字相移键控2PS
2、K（Phase Shift Keying）。,3,一、二进制幅移键控2ASK:,6.1 调 制,1定义：用数字基带信号对正弦载波的幅度进行控制的方式称为幅移键控。记为2ASK。,2.产生方法：,（1）模拟法：通过相乘器直接将载波和数字信号相乘得到输出信号，这种直接利用二进制数字信号的振幅来调制正弦载波的方式称为模拟法。,（2）键控法：使载波在二进制信号“1”和“0”的控制下分别接通和断开，这种二进制振幅键控方式称为开关键控OOK（On-Off Keying）方式。,4,设：调制信号为S(t),载波为cosc t,则,3数学表达式：,4波形：与输入序列010010相对应的输出波形如图所示。,0
3、1 0 0 1 0,S(t),2ASK信号,5,5产生框图：,图6.2 2ASK信号的产生（a）模拟法（b）键控法,6,2ASK常见的解调方法分为非相干解调和相干解调两种。（1）非相干解调 非相干解调又称为包络检波法，图6-9a）所示为一种采用包络检波法解调器的原理方框图。在图中，接收信号首先通过一个带通滤波器，滤除带外噪声和杂散信号，同时图中的整流器和低通滤波器构成一个包络检波器，与常见的模拟AM信号的解调器相比，该图中增加了一个抽样判决器，它是用来对解调后的有畸变的数字信号进行定时判决，以提高数字信号的接收性能。,62ASK的解调方法：,7,（2）相干解调 相干解调是一种常见的解调方法，它
4、是在接收端利用本地载波与接收信号进行相乘，得到包含基带信号频率分量的输出信号，然后通过低通滤波器滤除无用频率分量让基带信号通过，并将其送至抽样电路进行判决。其电路原理图如图6-9b）所示，因为在相干解调法中相乘电路需要有相干载波，这个信号是由收信机从接收信号中提取出来的，并且和接收信号的载波同频同相，所以这种方法比包络检波法要复杂些。,8,图6-9 a）非相干解调,图6-9 b）相干解调,9,由图6-15，可以得出2ASK信号有以下特点：（1）2ASK信号的功率谱密度中包含连续谱和离散谱两部分；连续谱部分决定于基带调制信号的谱，而离散谱部分则决定于载频。（2）2ASK信号的带宽等于基带调制信号
5、带宽的两倍。,10,12FSK的定义：二进制数字频移键控信号码元的“1”和“0”分别用两个不同频率的正弦波形来传送，而其振幅不变，所以其表达式为：,根据上面公式可以得出：当=1时=,而当=0时=。所以2FSK信号可以看作是由两路频率分别为 和 的2ASK信号合成的。,二、二进制数字频移键控(2FSK),11,2.产生方法,（1）直接调频法 直接调频法是采用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，使其能够输出两个不同频率的二进制码元，其基本电路图如图6-4所示。,（2）键控法 键控法是采用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡信号作为输出，如图6-8所示。为数字脉冲基带信号，起到
6、键控的作用。当=1的时候，开关电路选择载波（或），当=0的时候，开关电路选择载波（或）。,12,图6.4 2FSK调制器（a）模拟信号调频电路（b）键控法,13,3波形：,S(t),2FSK信号,14,42FSK的解调方法,2FSK的解调方法与2ASK一样2FSK信号的接收也分为相干和非相干接收两类。（1）相干解调 相干接收法的原理方框图如图6-10所示。图中接收信号通过并联的两路带通滤波器滤波，与接收机电路产生的本地相干载波相乘并经过包络检波后，在本地的定时脉冲的控制下进行抽样判决。判决的准则是比较两路信号包络的大小。在判决过程中需要的本地相干载波也必须从接收信号中提取出来，并且要保持和信号
7、码元同频同相，所以按照这种方式设计出来的接收机都比较复杂。,15,图6-10 2FSK相干解调电路原理图,（2）非相干解调 常见的2FSK信号的非相干解调方式包括两种：包络检波法和过零点检测法。,16,包络检测法的电路原理图如图4-10所示。这个电路同相干解调的电路很相似，它也是通过检测两个支路信号包络的大小。,图6-11 2FSK非相干解调电路原理图,17,图4-11是过零点检测法的原理方框图，由于在2FSK这种调制方式下，两种信号码元的频率不同，所以通过计算单位时间内码元中信号波形的过零点数目的多少，就能区分这两种不同频率的码元，这个过程的波形图如图4-12所示。,图6-12 过零点检测法
8、原理方框图,由于2FSK信号可以采用非相干接收方式，接受时不必利用信号的相位信息，所以在条件恶劣的无线信道中这种信号就特别适用。,18,图6-12过零点检测法波形图,19,三、二进制数字相移键控(2PSK),常见的相移键控方式包括二进制数字相移键控(2PSK)和差分相移键控DPSK两种。12PSK（1）2PSK基本原理 在二进制相移键控(2PSK)中，以二元数字信号“1”或“0”去控制载波相位改变，通常载波信号用相位0和 分别代表“1”和“0”，而其振幅和频率保持不变。所以2PSK信号表达式为：,20,在该公式中，当发送“0”时，=0；当发送“1”时=发送“0”时 发送“1”时 这个信号可以通
9、过键控的方式得到，其公式为:2PSK信号是以载波的不同相位直接表示相应的数字码元，这种调制方式称为绝对相移键控。其信号的波形图如图6-14所示:,21,图6-14 2PSK与2DPSK示意图,22,2）调制解调方式2PSK信号的产生方式主要有两种。相乘法:使用二进制基带不归零矩形脉冲信号与载波相乘，得到相位互为反相的两种码元 选择法:采用二进制数字基带信号去控制一个开关电路，以选择输入信号，开关电路的两个输入端分别输入相位相差的同频载波 2PSK信号的解调方法通常采用相干接收法，其具体电路框图如图6-15所示，图中经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘，然后用低通滤波器滤除高频分量，在对得
10、到的信号进行抽样判决。,23,“倒”现象：这种现象是由于在接收电路中在提取本地载波过程中会出现“0”相位和“”相位模糊造成的，其结果就是解调得到的数字信号可能与实际的信号的极性恰好相反。所以，在实际通信中2PSK这种调制方式并不常用，我们一般采用DPSK方式,图6-15 2PSK解调框图,24,2DPSK,（1）DPSK基本原理 与2PSK调制方式不同，DPSK的调制规则是利用前后相邻码元的相对相位变化来表示所传送的数字信息“0”和“1”的，这种调制方式称为相对相移方式。现在用 表示载波的初始相位。设 为当前码元和前一码元的相位之差：发送“0”时 发送“1”时 则信号码元可以表示为：,25,2
11、PSK和DPSK信号的比较,通过比较可以看出，对于2PSK信号来讲，只要有一个相位发生错误，随后的解调信息将全部倒相；但对于DPSK信号来讲，只要其相对相位关系正确，解调就不会出错。因此采用DPSK方式既可以保持2PSK方式下良好的误码率性能，又可以克服2PSK的“倒”现象。,26,（2）DPSK调制和解调,DPSK信号可以通过将绝对码输入码变换器得到相对码来实现。该电路原理框图如图6-18所示。DPSK信号的解调，主要有两种方法。第一种方法称为相位比较法，是通过直接比较相邻码元的相位，从而判决接收码元是“1”还是“0”。为此，需要将前一码元延迟1码元的时间，然后将当前码元的相位与前一码元的相
12、位作比较。该解调方法的原理方框图如图6-19所示。这种方法对于延迟单元的延时精度要求很高，很难做到，所以实际中应用较少。第二种方法称为极性比较法，该电路原理框图如图6-20所示。,码变换器（双稳态触发器）,绝对码,相对码,27,图6-19 相位比较法,图6-20 极性比较法,28,6.2 二进制数字调制信号的频谱特性,一、ASK信号的功率谱:,2ASK随机信号序列的一般表示式为：,根据该公式可以得到2ASK信号的功率谱密度表达式：,由此获得2ASK信号的功率谱密度曲线如图6-15 所示,29,已调信号频谱图6-15 2ASK频谱特性,30,由图可见，传输2ASK信号的带宽是基带脉冲波形带宽的两
13、倍,31,使用键控方式得到的2FSK信号的码元序列可以看作两个不同频率的2ASK信号的叠加，因此其功率谱密度可以比较容易的从2ASK信号的功率谱密度推导出来。已知2FSK信号表示为：2FSK信号应该的功率谱密度，应该是两个不同频率的2ASK信号的功率之和：,二、FSK信号的功率谱:,32,根据这个公式我们可以得出2FSK信号功率谱的特点：（1）2FSK功率谱由连续谱和离散谱共同构成，离散谱出现在 和 两个载频位置上。（2）当2FSK信号的两个载频间距不同的时候，它的连续谱的功率曲线有所变化：时，曲线为单峰；时，曲线为双峰，时，曲线双峰完全分离。（3）2FSK信号的带宽为：2FSK信号的实际频谱
14、示意图如图4-13所示。图总虚线表示的是完全分离的双峰功率谱曲线，实线表示的是单峰功率谱曲线。为调制信号脉冲的脉冲宽度，和 是两个调制载波的频率。,33,图6-13 2FSK的频谱图,34,三、PSK信号的功率谱,（1）一般情况下2PSK的功率谱和2ASK信号的功率谱相同，都是由连续谱和离散谱共同构成。（2）当数字信息中“0”和“1”等概率出现时，2PSK信号没有离散谱。（3）DPSK的频谱与2PSK相似。,35,6.3 二进制数字载波传输系统的抗噪声性能,下图示出了误码率Pe与输入信噪比r的关系曲线。,由图可见，r增大，Pe下降。对于同一种调制方式,相干解调的误码率小于非相干解调系统,但随着
15、r的增大，二者差别减小。当解调方式相同调制方式不同时，在相同误码率条件下，相干PSK系统要求的信噪比r比FSK系统小3dB，FSK系统比ASK系统要求的r也小3dB，并且FSK、PSK、DPSK的抗衰落性能均优于ASK系统。,36,6.4 二进制数字调制系统的性能比较,二进制数字调制系统的性能比较 1频带宽度 当码元宽度为 时,即码元速率为 二进制振幅键控信号带宽：二进制频移键控信号带宽：二进制相移键控信号带宽：从上面公式中可以得出，2FSK系统占用的系统频带最宽，其频带利用率最低。,37,2误码性能 在实际应用中，二进制数字通信系统的误码率与系统的信噪比有关。信噪比越大误码率越小。在相同的信
16、噪比和解调方式下，三种调制方式的误码率之间的关系为：2PSK的误码率最低，2FSK的误码率次之，2ASK的误码率最低。在要求相同误码率的前提下，三种调制方式的信噪比关系为：同时，对于同一数字调制方式来讲，相干解调的误码率低于非相干解调。3设备复杂程度 通常相干接收设备都要比非相干接收设备复杂。在同样的接收方式下，2DPSK设备最复杂，其次是2FSK，2ASK最简单。,38,一、多进制数字振幅键控(MASK),以多进制信号去调制载波信号的幅度，就可以产生多进制数字调幅信号（MASK），它的数学表示式为：是单极性的多进制信号：其中=，这里 为最低电平，可设为单位幅度。是载波角频率；是初始相位。,6
17、.5 多进制数字调制系统,39,下面通过单极性不归零的多进制数字基带信号的调制波形来分析MASK调制方式的特点，其波形图如图4-21所示：,40,通过该图可以看出一个4ASK信号波形可以分解为3个2ASK信号的叠加。其中每个2ASK信号的码元速率是相同的，都等于原来4ASK信号的码元速率。所以这3个2ASK信号具有相同的带宽，同时，因为这3个2ASK信号线性叠加后的频谱是其3个信号频谱的线性叠加，所以它们占用的带宽不变，故4ASK信号的带宽与它分解出的任何一个2ASK信号的带宽是相等的。在实际应用中我们经常采用格雷码的编码方式来对4ASK信号进行编码，在这种编码方式下，引入了相移键控的特性，通
18、过这种方式，可以减少电平的数量，同时增加了系统的抗干扰能力，采用这种方式设计的多进制数字振幅键控的电路原理框图如图4-22所示。,41,采用格雷码的4ASK信号波形图,42,二、多进制数字频移键控(MFSK),多进制数字频率键控（MFSK），是二进制数字频移键控方式的推广。下面以四进制频移键控方式（4FSK）来说明多进制数字频率键控（MFSK）的基本原理。在四进制频移键控方式（4FSK）中采用4个不同的频率分别表示四进制码元，每个码元含有2bit信息。同2FSK相同，为了便于使用带通滤波器分离不同频率码元的频谱，要求每个载频之间的频率间隔足够大，或者说要求不同频率的码元相互正交。由于MFSK的
19、码元采用M个不同的载波，所以它占用较大的带宽。其频带宽度为,43,MFSK调制器解调器原理电路,MFSK调制器的原理电路如图4-24所示,图 MFSK调制器的原理电路图,44,MFSK的相干解调较为复杂要求有精确的相位参考，因此较少使用，通常采用的是非相干解调方式。MFSK解调器的原理电路如图4-25所示,图 MFSK解调器的原理电路图,45,三、多进制数字相移键控(MPSK),1MPSK原理 以多进制数字信号编码序列去控制载波的相位，可以产生M个离散相位的已调波，各编码的调相波的相位均相隔，就形成了多进制数字相移信号(MPSK)。在MPSK调制方式中，M常取，即4、8、16等值，在本节下面的
20、讨论中主要以M=4为例作进一步的分析。4PSK表示四相调制，它是用载波的四个离散的相位来表示四种信号状态（即00、01、10、11），通常它也被称为正交相移键控QPSK，它的每个码元含有2bit的信息，可以用两位二进制代码“a”和“b”的组合来表示，通常我们使用的编码方式是格雷码。,46,格雷码的优点是相邻相位所代表的两个比特只有一位不同，由于在噪声和其他干扰产生相位误差时，最大的可能性是发生相邻相位的错误，所以这样的相邻相位错误只能造成一个比特的错误。在采用格雷码编码方式下，信号相位和码元之间的对应关系如下表所示：按照这种对应关系得到的矢量图如图所示。,47,2MPSK调制解调,4PSK信号
21、的产生原理框图如图所示。图中输入基带信号A(t)是二进制不归零双极性信号码元，它被“串/并变换”电路变成成对的两路码元a和b。它们分别和两路正交载波相乘，相乘的结果送入相加器中合成串行信号输出。4PSK信号可用两个正交的载波信号实现相干解调。其解调原理图如图所示。4PSK信号可以采用相干解调方法，即用两路正交的相干载波，可以很容易的分离出这两路正交的2PSK信号，解调后的两路基带信号码元a和b，经过并/串转换后，形成串行数字信号输出。,48,图 4PSK调制电路原理图,49,图 解调电路原理图,50,6.6 现代数字调制技术,随着数字通信的迅速发展，对传输频带的限制和对传输质量的要求越来越高。
22、为进一步减小信道带宽、减小带外幅射、提高功率利用率，研究人员在不断开发新技术。6.6.1 正交幅度调制QAM 正交幅度调制QAM是幅度和相位联合键控APK的一种调制方式。它可以提高系统的可靠性，具有较高的频带利用率，是目前应用较为广泛的一种调制方式。,51,通常，把信号矢量端点的分布图称为星座图。以16进制为例，在图6.28中所示的两个单位圆上分别画出了16PSK和16QAM的星座图。星座图上各端点之间的最小距离满足下式：式中M为进制数，L为星座图上信号点在轴和轴上的投影数目，L=M1/2。,图6.28 16QAM和16PSK信号的星座图,52,习题,1 什么叫做非相干接收，什么叫做相干接收？
23、2 请问2ASK信号的带宽和其基带信号的带宽之间有什么关系？3 请问2FSK信号的带宽和其基带信号的带宽之间有什么关系？4 请问2PSK和DPSK之间的区别是什么？5 请比较三种二进制数字调制系统的性能。6 多进制数字调制的特点是什么？7 设8ASK信号的波特率是1000B，它的信息传输速率是多少？,8.设某二进制数字信号的带宽是100kHz，试计算进行2ASK条之后信号的带宽。9.设二进制信号序列为111001011，请画出对应的2ASK、2FSK、2PSK和DPSK的示意波形。,53,10设有一个DPSK传输系统对信号采用A方式编码，其码元传输速率为2400B，载波频率为1800Hz。若输入码元序列01110010，试画出此DPSK信号序列的波形图。,
