數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)第一次課

1、7.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理7.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能7.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較7.4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理7.5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能本章主要內(nèi)容 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),是將信源發(fā)出的信息碼經(jīng)碼型變換及波形形成后直接傳送至接收端。雖然碼型變換及波形形成可使其頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生某些變化，但分布的范圍仍然在基帶范圍內(nèi)。數(shù)字基帶信號(hào)能否直接在信道中傳輸與信道的傳輸特性有關(guān)。由于數(shù)字基帶信號(hào)具有豐富的低頻成分，但現(xiàn)有的許多信道（包括信道端口的一些設(shè)備）的傳輸特性并不能使這些成分有效地傳輸。為了完整的傳輸信號(hào)，必須要進(jìn)行調(diào)制。 0.1 1 2 3 5 10 f(kHz)L(dB) -4 -8

2、-12 -16 -20 -24 雙絞線的傳輸特性 模擬用戶線的傳輸特性 話音信號(hào)頻譜 數(shù)字基帶信號(hào)頻譜 調(diào)制的必要性： 在實(shí)際信道中，大多數(shù)信道具有帶通傳輸特性，數(shù)字基帶信號(hào)不能直接在這種信道中傳輸，因此，必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生已調(diào)數(shù)字信號(hào)，才能在無(wú)線信道、光纖信道等媒質(zhì)中傳輸。類似與模擬調(diào)制，有數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制。由于對(duì)于大多數(shù)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于數(shù)字基帶信號(hào)往往具有豐富的低頻成分，而實(shí)際的通信信道又具有帶通特性，有不少信道都不能直接傳送基帶信號(hào)，而必須用基帶信號(hào)來(lái)控制高頻載波的某些參量，這種把數(shù)字基帶信號(hào)變換為數(shù)字帶通信號(hào)（已調(diào)信號(hào)）的過(guò)程稱為數(shù)字

3、調(diào)制，反之，稱為數(shù)字解調(diào)。在接收端通常把包括調(diào)制和解調(diào)過(guò)程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)稱做數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)。數(shù)字帶通系統(tǒng)也稱為數(shù)字頻帶系統(tǒng)，由于借助于正弦載波的幅度、頻率或相位傳輸數(shù)字基帶信息，數(shù)字帶通系統(tǒng)也稱為載波傳輸系統(tǒng)。 數(shù)字調(diào)制就是對(duì)基帶數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行變換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜的“搬移”，即把含有大量低頻成分的基帶信號(hào)頻譜搬移到一個(gè)很高的頻段上去。這種向高頻的搬移在數(shù)據(jù)的發(fā)送端進(jìn)行，搬移的過(guò)程稱作“調(diào)制”，在稱作調(diào)制器的設(shè)備中完成。在數(shù)據(jù)的接收端，有一個(gè)相反的變換被稱作“解調(diào)”的過(guò)程，解調(diào)過(guò)程在稱作解調(diào)器的設(shè)備中完成。 經(jīng)過(guò)調(diào)制的后的信號(hào)在一個(gè)很高的頻段上占有一定的帶寬，由于所處頻段很高，使得其最高頻率和最低

4、頻率的相對(duì)偏差變?。ㄗ罡哳l率和最低頻率的比值略大于1），這樣的信號(hào)稱為頻帶信號(hào)或射頻信號(hào)，相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)稱作頻帶傳輸系統(tǒng)。 調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶數(shù)據(jù)信號(hào)頻譜的“搬移”，即把含有大量低頻成分的基帶信號(hào)頻譜搬移到一個(gè)很高的頻段上去。其目的主要有兩個(gè)： 無(wú)線(Wireless)傳輸 頻分多路復(fù)用(FDM)接收器發(fā)送器 調(diào)制器發(fā)送帶通接收帶通接收低通抽樣判決 解調(diào)器 信 道噪聲n（t） 發(fā)送數(shù)據(jù) 接收數(shù)據(jù) 頻帶傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 基帶信號(hào)為什么要進(jìn)行調(diào)制？有的信道有很寬的頻率范圍，但用戶的信息帶寬卻很窄，用這樣的信道去傳輸一個(gè)用戶的信號(hào)顯然會(huì)造成頻率資源的浪費(fèi)。這時(shí)可以將一個(gè)信道按頻率劃分成多個(gè)子信道，每個(gè)信

5、道分配一個(gè)載波，傳送一個(gè)用戶的信號(hào)，這種方式稱為頻分多路復(fù)用（FDM）。采用頻分多路復(fù)用方式時(shí)數(shù)字基帶信號(hào)必須通過(guò)調(diào)制將頻譜搬到對(duì)應(yīng)的子信道上。調(diào)制（Modulation）是用基帶信號(hào)去控制正弦波的參數(shù)的過(guò)程。用于調(diào)制的基帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)（Modulating Signal），被調(diào)制的正弦波稱為載波（Carrier），經(jīng)過(guò)調(diào)制以后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)（Modulated Signal）。在接收端，接收設(shè)備要將原來(lái)的基帶信號(hào)從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)，這個(gè)過(guò)程稱為解調(diào)（Demodulation）。雙向傳輸系統(tǒng)中的傳輸設(shè)備既要完成調(diào)制功能，又要完成解調(diào)功能，因此稱為調(diào)制解調(diào)器（Modem）。 調(diào)制器 解調(diào)器

6、 已調(diào)信號(hào) 載波 調(diào)制信號(hào) （基帶信號(hào)） （頻帶信號(hào)） 調(diào)制器 解調(diào)器 （Modem） （Modem） 恢復(fù)信號(hào) （基帶信號(hào)） 載波的波形是任意的，但大多數(shù)的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)都選擇單頻信號(hào)（正弦波或余弦波）作為載波，因?yàn)楸阌诋a(chǎn)生與接收。常用的載波信號(hào)為 ，其中為A為載波的振幅,c為載波的角頻率, 為載波的初始相位。2、數(shù)字調(diào)制分類(1) 根據(jù)控制載波波形參量不同，分為： 振幅鍵控（ASK） 用數(shù)字消息控制載波的振幅。 移頻鍵控（FSK） 用數(shù)字消息控制載波的頻率。 移相鍵控（PSK） 用數(shù)字消息控制載波的相位。(2) 根據(jù)已調(diào)信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，分為：線性調(diào)制(如ASK) 非線性調(diào)制（如FSK，

7、PSK） 線性調(diào)制中已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)與基帶信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，只不過(guò)搬移了一個(gè)頻率位置，無(wú)新的頻率成分出現(xiàn)。非線性調(diào)制已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)與基帶信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)不同，有新的頻率成分出現(xiàn)。數(shù)字調(diào)制技術(shù)有兩種方法：(1) 利用模擬調(diào)制的方法去實(shí)現(xiàn)數(shù)字式調(diào)制；(2) 通過(guò)開(kāi)關(guān)鍵控載波，通常稱為鍵控法。數(shù)字調(diào)制可分為二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制。在二進(jìn)制時(shí)有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、移相鍵控（PSK）調(diào)制方式。 振幅鍵控 頻移鍵控 相移鍵控?cái)?shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制相似，其原理沒(méi)有什么區(qū)別。模擬調(diào)制：發(fā)射端連續(xù)調(diào)制，接收端連續(xù)估值。數(shù)字調(diào)制：發(fā)射端數(shù)字調(diào)制，接收端抽樣估值。調(diào)制器信 道解調(diào)器噪聲源基帶信

8、號(hào)輸入基帶信號(hào)輸出數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2ASK是利用代表數(shù)字信息“0”或“1”的基帶矩形脈沖去鍵控一個(gè)連續(xù)的載波，使載波時(shí)斷時(shí)續(xù)地輸出。有載波輸出時(shí)表示發(fā)送“1”，無(wú)載波輸出時(shí)表示發(fā)送“0”。2ASK信號(hào)的時(shí)間波形隨二進(jìn)制基帶信號(hào)s(t)通斷變化，所以又稱為通（on）、斷(off)鍵控OOK。6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK, OOK）設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號(hào)序列由0、1序列組成，發(fā)送0符號(hào)的概率為P，發(fā)送1符號(hào)的概率為1-P，且相互獨(dú)立。該二進(jìn)制符號(hào)序列可表示為：(6.2 - 1)一、二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的表示單極性NRZ矩形脈沖，周期Ts6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK, OOK）其中(

9、6.2 - 2)(6.2 - 3)6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK, OOK）則二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)可表示為：(6.2 - 4)6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK, OOK）圖 4 .21 二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)時(shí)間波型二、二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的時(shí)間波形6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK, OOK）TB習(xí)題 已知某OOK系統(tǒng)的傳碼率為103B,所用的載波信號(hào)為Acos(4103t)。（1）設(shè)傳送數(shù)字信息為011001，畫(huà)出相應(yīng)的2ASK信號(hào)波形。（2）求2ASK信號(hào)的帶寬。6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK, OOK）ASK調(diào)制器框圖與電路相乘器數(shù)字基帶信號(hào)載波ASK信號(hào)載波數(shù)字基帶信號(hào)AS

10、K信號(hào)ASK信號(hào)載波ASK信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)載波二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)調(diào)制器原理框圖模擬相乘數(shù)字鍵控2ASK信號(hào)的時(shí)間波形隨二進(jìn)制基帶信號(hào)s(t)通斷變化，所以又稱為通斷鍵控信號(hào)（OOK信號(hào)）。 非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法) 相干解調(diào)(同步檢測(cè)法)。四、二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的解調(diào)6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK, OOK）圖 6 .23 ASK非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)原理框圖 包絡(luò)檢波器e2ASK(t)帶通濾波器全波整流器低通濾波器抽樣判決器輸出abcd定時(shí)脈沖6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK, OOK） 帶通濾波器（BPF）恰好使2ASK信號(hào)完整地通過(guò)，經(jīng)包絡(luò)檢測(cè)后，輸出其包絡(luò)。 低通濾波器（L

11、PF）的作用是濾除高頻雜波，使基帶信號(hào)（包絡(luò)）通過(guò)。 抽樣判決器包括抽樣、判決及碼元形成器。定時(shí)抽樣脈沖（位同步信號(hào)）是很窄的脈沖，通常位于每個(gè)碼元的中央位置，其重復(fù)周期等于碼元的寬度。6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK, OOK）圖 6.2 -42ASK信號(hào)非相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形圖 6.2 5 2ASK相干解調(diào)器原理框圖 相干檢測(cè)就是同步解調(diào)，要求接收機(jī)產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)送載波同頻同相的本地載波信號(hào)，稱其為同步載波或相干載波。e2ASK(t)帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時(shí)脈沖輸出coswcty(t)6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK, OOK）相干解調(diào)低通濾波器的截止頻率與基帶數(shù)字

12、信號(hào)的最高頻率相等。6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK, OOK）相干解調(diào)過(guò)程6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK, OOK）ASK信號(hào)實(shí)際上是信碼的單極性NRZ波形與高頻載波的相乘。重要結(jié)論：ASK信號(hào)的頻帶寬度是基帶信號(hào)的兩倍。 （a） （b） f f 0 0 fC fS UASK(f) UB(f) 7.1.2 二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK） 在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化，則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)(2FSK信號(hào))。2FSK產(chǎn)生法： 1 模擬調(diào)頻法 2 鍵控法二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的產(chǎn)生及波形示例在2FSK中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f

13、2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。故其表達(dá)式為： 典型波形： 分別代表第n個(gè)信號(hào)碼元的初始相位。在2FSK信號(hào)中，它們不攜帶信息，通?？稍O(shè)為零。反碼因此，二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式可簡(jiǎn)化為 式中: g(t) 單個(gè)矩形脈沖，Ts 脈沖持續(xù)時(shí)間；2FSK信號(hào)表達(dá)式還可簡(jiǎn)化為：式中：圖6-8中波形g可分解為波形e和波形f，即二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的疊加。一、2FSK信號(hào)的表示6.2.2 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK） 圖 6.2-7 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形aak1011001ts(t)ts(t)bcdtefgt2FSK信號(hào)ttt 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的產(chǎn)生，可以采用模擬調(diào)

14、頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以采用數(shù)字鍵控的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。二、二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的產(chǎn)生6.2.2 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK） 圖 6.28 二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的原理圖(b)數(shù)字鍵控法(b)模擬調(diào)頻法壓控振蕩器問(wèn)題：區(qū)別載波載波f1f2sFSK(t)s(t)=0s(t)=1載波載波f1f2sFSK(t)核心思想：一路2FSK視為2路2ASK信號(hào)的合成。6.2.2 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK） f1振蕩器f2振蕩器選通開(kāi)關(guān)反向器選通開(kāi)關(guān)相加器基帶信號(hào))(ts)(ts)(ts)(0te圖5-8 數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)2FSK信號(hào)的電路框圖7.1.3 二進(jìn)制移相鍵控（2PSK） 在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制

15、數(shù)字基帶信號(hào)離散變化時(shí)，則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)信號(hào)。通常用已調(diào)信號(hào)載波的0和 180分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的 1 和 0。二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為(7.1 - 23)若用n表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位，則有其中, an統(tǒng)計(jì)特性：(7.1 - 27)因此，式(7.1.23)可以改寫(xiě)為由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK信號(hào)可以表述為一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波的相乘。式中即發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“0”時(shí)（an取+1），e2PSK(t)取0相位；發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“1”時(shí)（an取 -1）， e2PSK(t)取相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方

16、式，稱為二進(jìn)制絕對(duì)相移方式。二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的時(shí)間波形 圖(a)是采用模擬調(diào)制的方法產(chǎn)生2PSK信號(hào)，圖(b)是采用數(shù)字鍵控的方法產(chǎn)生2PSK信號(hào)。2PSK信號(hào)的調(diào)制原理圖 由于發(fā)送端是以某個(gè)相位為基準(zhǔn)的，在接收端移必須有這樣一個(gè)固定基準(zhǔn)的相位作參考。如果參考的同步載波相位發(fā)生180倒相時(shí)，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好是相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號(hào)全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象通常稱為“倒”現(xiàn)象。 由于在2PSK信號(hào)的載波恢復(fù)過(guò)程中存在著180的相位模糊，從而使得2PSK方式在實(shí)際中很少采用。一次課6.2.3 二進(jìn)制移相鍵控三、二進(jìn)制相對(duì)(差分)相位鍵控（2DPSK） 在2PSK信號(hào)中

17、，信號(hào)相位的變化是以未調(diào)正弦載波的相位作為參考，用載波相位的絕對(duì)數(shù)值表示數(shù)字信息的，所以稱為絕對(duì)移相。但相干載波恢復(fù)中載波相位的180相位模糊，導(dǎo)致解調(diào)出的二進(jìn)制基帶信號(hào)出現(xiàn)反向現(xiàn)象，從而難以實(shí)際應(yīng)用。為了解決2PSK信號(hào)解調(diào)過(guò)程的反向工作問(wèn)題，提出了二進(jìn)制差分相位鍵控(2DPSK)。6.2.3 二進(jìn)制移相鍵控2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化來(lái)表示數(shù)字信息。即本碼元初相與前一碼元初相之差。假設(shè)前后相鄰碼元的載波相位差為，可定義一種數(shù)字信息與之間的關(guān)系為：6.2.3 二進(jìn)制移相鍵控則一組二進(jìn)制數(shù)字信息與其對(duì)應(yīng)的2DPSK信號(hào)的載波相位關(guān)系如下所示:二進(jìn)制數(shù)字信息： 1 1 0 1

18、 0 0 1 1 1 02DPSK信號(hào)相位： 0 0 0 0 0 0或 0 0 0 0 0 由于初始參考相位有兩種可能，因此2DPSK信號(hào)的波形可以有兩種。6.2.3 二進(jìn)制移相鍵控圖 6.2 21 2DPSK信號(hào)調(diào)制過(guò)程波形圖絕對(duì)碼an相對(duì)碼載波DPSK信號(hào)101100101 0 0 1 0 1 1 0(0) 與2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不對(duì)應(yīng)相同的數(shù)字信息符號(hào)，而前后碼元的相對(duì)相位才唯一確定信息符號(hào)。 解調(diào)2DPSK信號(hào)時(shí)，并不依賴于某一固定的載波相位參考值，只要前后碼元的相對(duì)相位關(guān)系不破壞，則鑒別這個(gè)相位關(guān)系就可正確恢復(fù)數(shù)字信息。這就避免了2PSK方式中的“倒 ”現(xiàn)象

19、發(fā)生。說(shuō)明6.2.3 二進(jìn)制移相鍵控 單從波形上看，2DPSK與2PSK是無(wú)法分辯的，比如圖6-20中2DPSK也可以是另一符號(hào)序列（見(jiàn)圖中的序列bn，稱為相對(duì)碼，而將原符號(hào)序列an 稱為絕對(duì)碼）經(jīng)絕對(duì)移相而形成的。只有已知移相鍵控方式是絕對(duì)的還是相對(duì)的，才能正確判定原信息；相對(duì)移相信號(hào)可以看作是把數(shù)字信息序列（絕對(duì)碼）變換成相對(duì)碼，然后再根據(jù)相對(duì)碼進(jìn)行絕對(duì)移相而形成。這就為2DPSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)指出了一種借助絕對(duì)移相途徑實(shí)現(xiàn)的方法。6.2.3 二進(jìn)制移相鍵控 相對(duì)相移本質(zhì)上就是對(duì)差分碼信號(hào)的絕對(duì)相移。那么，2DPSK信號(hào)的表達(dá)式與2PSK的形式應(yīng)完全相同，所不同的只是此時(shí)式中的s(t) 信號(hào)表示的是差分碼數(shù)字序列。即: 6.2.3 二進(jìn)制移相鍵控圖6.2-22 二相調(diào)制移相信號(hào)矢量圖A方式參考相位0B方式參考相位/2-/2在2PSK中，參考相位是未調(diào)載波的相位； 在2DPSK中，參考相位是前一碼元載波的相位。 四、2DPSK的調(diào)制與解調(diào)s(t)碼型變換差分碼乘法器e2DPSK(t)cosw ct(a)圖 6.2 23(a)2DPSK信號(hào)