數(shù)字調(diào)制與解調(diào)

數(shù)字調(diào)制與解調(diào)第1頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理主要內(nèi)容7.1引言

7.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理7.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能7.4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較7.5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理第2頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理7.1引言數(shù)字傳輸?shù)膬煞N方式：基帶傳輸和頻帶傳輸數(shù)字基帶傳輸：直接傳輸數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)：來自數(shù)據(jù)終端的原始數(shù)據(jù)信號(hào)，包含豐富的低頻分量，甚至直流分量數(shù)字頻帶傳輸：實(shí)際信道具有帶通傳輸特性。具有豐富低頻成分的數(shù)字基帶信號(hào)不能通過帶通信道直接傳輸，必須將數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜變?yōu)檫m合信道傳輸?shù)念l譜后(數(shù)字調(diào)制)，才能在信道中傳輸，在接收端再將變換后的信號(hào)還原為基帶信號(hào)(數(shù)字解調(diào))。這種傳輸基帶信號(hào)的方式稱為數(shù)字頻帶傳輸完成數(shù)字頻帶傳輸?shù)膬蓚€(gè)關(guān)鍵過程：調(diào)制與解調(diào)第3頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理信源信源編碼器信道編碼器數(shù)字調(diào)制器信宿信源譯碼器信道譯碼器數(shù)字解調(diào)器信道噪聲基帶脈沖生成器采樣判決器數(shù)字系統(tǒng)模型（調(diào)制、解調(diào)的位置）7.1引言第4頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五調(diào)制器m(t)Sm(t)連續(xù)變化的模擬量離散的數(shù)字量模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制C(t)矩形脈沖連續(xù)波形脈沖載波調(diào)制連續(xù)載波調(diào)制單頻正弦波tt……第5頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理7.1引言調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：將基帶信號(hào)頻譜搬移至適合信道頻譜進(jìn)行傳輸?shù)倪^程.解調(diào)：調(diào)制的逆過程.調(diào)制與解調(diào)過程中的信號(hào)調(diào)制信號(hào)：被搬移頻譜的基帶信號(hào)已調(diào)信號(hào)：搬移頻譜后得到的信號(hào)載波信號(hào)：完成搬移頻譜的工具。從原理上說，載波信號(hào)的波形可以是任意的，但實(shí)際數(shù)字通信系統(tǒng)，都選擇正弦信號(hào)作為載波——正弦載波調(diào)制第6頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理7.1引言正弦載波調(diào)制用數(shù)字基帶信號(hào)改變正弦型載波的幅度、頻率或相位中的某個(gè)參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí)，相應(yīng)的三種數(shù)字調(diào)制信號(hào)：振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）第7頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理主要內(nèi)容7.1引言7.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理7.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能7.4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較7.5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理第8頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理7.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理若調(diào)制信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)時(shí)，這種調(diào)制稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）1二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）2二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）3第9頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）

AmplitudeShiftKeying

振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí)，則為二進(jìn)制振幅鍵控。二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）調(diào)制二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）解調(diào)第10頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)2ASK信號(hào)的產(chǎn)生結(jié)論：二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）信號(hào)表示為一個(gè)單極性矩形脈沖序列與一個(gè)正弦型載波相乘發(fā)送的二進(jìn)制符號(hào)序列

其中

2ASK信號(hào)

第11頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）信號(hào)2ASK信號(hào)的時(shí)域波形2ASK信號(hào)的時(shí)間波形隨二進(jìn)制基帶信號(hào)通斷變化，所以又稱為通斷鍵控信號(hào)（OOK信號(hào)）單極性矩形脈沖序列t1111000s(t)tt載波信號(hào)2ASK信號(hào)第12頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）信號(hào)2ASK信號(hào)產(chǎn)生的兩種調(diào)制方法：模擬相乘與數(shù)字鍵控乘法器二進(jìn)制不歸零信號(hào)數(shù)字鍵控

cosωct開關(guān)電路模擬相乘

第13頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）調(diào)制二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）信號(hào)二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）信號(hào)的頻譜第14頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)信號(hào)的功率譜密度實(shí)際的S(t)均為隨機(jī)脈沖序列，在討論2ASK信號(hào)的頻譜時(shí)，應(yīng)討論其功率譜密度。已假設(shè)S(t)為單極性脈沖序列，因此：2ASK調(diào)制信號(hào)

頻譜

S(t)的頻譜S(ω)搬移而得第15頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）信號(hào)的頻譜二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）信號(hào)的頻譜結(jié)論：二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的功率譜密度由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成。離散譜由載波分量確定，連續(xù)譜由基帶信號(hào)波形g(t)確定，帶寬則是基帶波形的兩倍，B2ASK=2B。

傳輸2ASK信號(hào)所需頻帶0fs2fs-fs-2fsPs(f)-fc-fs0fcfc＋fsPE(f)－fc第16頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理2ASK的帶寬和頻帶利用率第17頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制振幅鍵控二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）調(diào)制二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）解調(diào)第18頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）解調(diào)非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)相干解調(diào)(同步檢測法)第19頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理非相干解調(diào)非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)方式的接收系統(tǒng)框圖包絡(luò)檢波器抽樣判決器全波整流器低通濾波器帶通濾波器定時(shí)脈沖輸出t第20頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）解調(diào)非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)相干解調(diào)(同步檢測法)第21頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理相干解調(diào)相干解調(diào)(同步檢測法)方式的接收系統(tǒng)框圖解調(diào)原理：將已調(diào)信號(hào)e2ASK(t)與相干載波c(t)在相乘器中相乘，然后由低通濾波器輸出所需的基帶波形。抽樣判決器相乘器低通濾波器帶通濾波器定時(shí)脈沖輸出c(t)第22頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理解調(diào)假設(shè)相乘器輸出

低通濾波器濾除低通濾波器輸出KC為低通濾波器的電壓傳輸系數(shù)相干條件滿足相干條件下，相干檢測器的輸出為第23頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理相干解調(diào)相干解調(diào)條件：接收端必須提供一個(gè)與2ASK信號(hào)的載波保持同頻同相的相干載波，否則將會(huì)造成解調(diào)后的波形失真。相干載波一般可通過窄帶濾波或鎖相環(huán)路來提取。第24頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理相干解調(diào)波形圖×t低通濾波抽樣判決tt第25頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理7.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）2二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）1二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）3第26頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）

FrequencyShiftKeying

（1）2FSK波形原始信息ttt2ASK2FSK第27頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理(2)2FSK的表達(dá)式t2FSK可分解成tt可見2FSK可看作是2個(gè)2ASK信號(hào)之和原始信息t第28頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理(2)2FSK的表達(dá)式第29頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）調(diào)制二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）解調(diào)第30頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）調(diào)制2FSK調(diào)制是數(shù)字通信中用得較廣得一種方式，用于話音通信（頻率低于1200bps）、衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)等情況。二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）信號(hào)二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）信號(hào)的頻譜第31頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）信號(hào)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號(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。若二進(jìn)制基帶信號(hào)的1符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率f1，0符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率f2，則二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為g(t)為單個(gè)矩形脈沖，脈寬為Ts其中

第32頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）信號(hào)2FSK信號(hào)產(chǎn)生的兩種調(diào)制方法：模擬調(diào)頻數(shù)字鍵控通過基帶信號(hào)控制振蕩器中的某一元件數(shù)值(例如電容量的大小)來得到不同頻率的信號(hào)，它產(chǎn)生的兩個(gè)頻率f1和f2在轉(zhuǎn)換時(shí)刻的相位是連續(xù)的，故這種2FSK信號(hào)稱為相位連續(xù)的2FSK信號(hào)。模擬調(diào)頻

模擬調(diào)頻器二進(jìn)制不歸零信號(hào)第33頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）信號(hào)由于兩個(gè)頻率來自兩個(gè)振蕩源，所以在f1與f2之間的轉(zhuǎn)換瞬間相位不連續(xù)。這種方法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)稱為相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)，或相位離散的2FSK信號(hào)。數(shù)字鍵控

反相器振蕩器1f1振蕩器2f2選通開關(guān)選通開關(guān)相加器基帶信號(hào)第34頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）調(diào)制二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）信號(hào)二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）信號(hào)的頻譜第35頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理2FSK的功率譜密度P2FSK(f)=P1(f)+P2(f)

P1(f)=[Ps(f+f1)+Ps(f-f1)]

P2(f)=[Ps(f+f2)+Ps(f-f2)]

第36頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理頻譜分析第37頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理7.2.2二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）調(diào)制二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）解調(diào)第38頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK）解調(diào)常用解調(diào)方法：非相干解調(diào)相干解調(diào)其它解調(diào)方法過零檢測法第39頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）抽樣判決器：判定哪一個(gè)輸入樣值大，此時(shí)可以不專門設(shè)置門限電平第40頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK）解調(diào)常用解調(diào)方法：非相干解調(diào)相干解調(diào)其它解調(diào)方法過零檢測法第41頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理2FSK相干解調(diào)法第42頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)間波形輸入序列s(t)已調(diào)信號(hào)載波f1e1(t)110111000載波f2e2(t)e1(t)e2(t)抽樣判決器：判定哪一個(gè)輸入樣值大，此時(shí)可以不專門設(shè)置門限電平第43頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK）解調(diào)常用解調(diào)方法：非相干解調(diào)相干解調(diào)其它解調(diào)方法過零檢測法第44頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理其它解調(diào)方法——過零檢測法該序列與頻率變化相對(duì)應(yīng)，代表著調(diào)頻波的過零點(diǎn)低通濾波器濾除高次諧波得到帶通濾波器限幅微分整流ui(t)a寬脈沖發(fā)低通bcdef基本思想：數(shù)字調(diào)頻波的過零點(diǎn)數(shù)隨不同載頻而異，故檢出零點(diǎn)數(shù)可以得到關(guān)于頻率的差異abcdef第45頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理7.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）2二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）1二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）3第46頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理7.3二進(jìn)制相位鍵控正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化，則產(chǎn)生二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)信號(hào)二進(jìn)制相位鍵控信號(hào)表達(dá)式：第47頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制相位鍵控絕對(duì)移相(2PSK)相對(duì)移相(2DPSK)2PSK信號(hào)及2DPSK信號(hào)的解調(diào)二進(jìn)制相位鍵控信號(hào)的功率譜密度第48頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理絕對(duì)移相(2PSK)S(t)實(shí)際是取值為±1的雙極性的矩形脈沖序列，其矩形脈沖寬度為TS。所以可表示為2PSK表達(dá)式

an為雙極性第49頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理絕對(duì)移相（2PSK）若用?(n)表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位，則有

原始信息tt2PSKt載波100110第50頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理絕對(duì)移相(2PSK)2PSK信號(hào)的兩種產(chǎn)生方法（調(diào)制方式）：模擬調(diào)制數(shù)字鍵控模擬調(diào)制數(shù)字鍵控cosωct開關(guān)電路180°移相0π乘法器雙極性不歸零碼型變換第51頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理2PSK的相干解調(diào)器注意:2PSK只能采用相干解調(diào),因?yàn)榘l(fā)”0”或發(fā)”1”時(shí),采用相位變化攜帶信息。具體地說：其振幅不變(無法提取不同的包絡(luò))頻率也不變(無法用濾波器分開)第52頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理2PSK相干解調(diào)框圖

（與2ASK相干解調(diào)基本一樣）只不過低通濾波器的輸出是雙極性的×低通濾波抽樣判決第53頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理2PSK的“相位模糊”現(xiàn)象第54頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理絕對(duì)移相（2PSK）絕對(duì)移相2PSK存在的問題——“倒π”現(xiàn)象當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180o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π”現(xiàn)象。由于在2PSK信號(hào)的載波恢復(fù)過程中存在著180o的相位模糊，而且這種模糊不易被發(fā)現(xiàn)。所以2PSK信號(hào)的相干解調(diào)存在隨機(jī)的“倒π”現(xiàn)象2PSK方式在實(shí)際中很少采用。第55頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制相位鍵控絕對(duì)移相（2PSK）相對(duì)移相（2DPSK）2DPSK信號(hào)的解調(diào)二進(jìn)制相位鍵控信號(hào)的功率譜密度第56頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理相對(duì)移相（2DPSK）二進(jìn)制差分相位鍵控(2DPSK)方式的提出在2PSK信號(hào)中，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，所以稱為絕對(duì)移相。為了解決2PSK信號(hào)解調(diào)過程的“倒π”現(xiàn)象，提出了二進(jìn)制差分相位鍵控(2DPSK)方式2DPSK方式中，用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化來表示數(shù)字信息——相對(duì)移相第57頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理相對(duì)移相(2DPSK)假設(shè)前后相鄰碼元的載波相位差為Δ?數(shù)字信息與Δ?之間的關(guān)系也可以定義為第58頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)調(diào)制各時(shí)間點(diǎn)波形DPSK信號(hào)載波絕對(duì)碼1100011010011100相對(duì)碼第59頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理相對(duì)移相(2DPSK)2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法間接法：通常采用的方法，即將絕對(duì)碼變成相對(duì)碼后再對(duì)其絕對(duì)移相.

直接法：主要用微波調(diào)相法(用得較少)2DPSK信號(hào)的兩種調(diào)制電路(用間接法)模擬調(diào)制數(shù)字鍵控第60頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)調(diào)制模擬調(diào)制絕對(duì)碼相對(duì)碼2PSK調(diào)制第61頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)調(diào)制數(shù)字鍵控cosωct開關(guān)電路移相π0π碼變換絕對(duì)碼轉(zhuǎn)換為到相對(duì)碼第62頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制相位鍵控絕對(duì)移相（2PSK）相對(duì)移相（2DPSK）2DPSK信號(hào)的解調(diào)二進(jìn)制相位鍵控信號(hào)的功率譜密度第63頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)解調(diào)2DPSK信號(hào)解調(diào)的兩種方式相干解調(diào)(極性比較法)差分相干解調(diào)方式(相位比較法)第64頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五通信原理2DPSK解調(diào)——相干解調(diào)對(duì)2DPSK信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對(duì)碼，再通過碼反變換器變換為絕對(duì)碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。在解調(diào)過程中，若相干載波產(chǎn)生相位模糊，使得解調(diào)出的相對(duì)碼產(chǎn)生倒置現(xiàn)象。但是經(jīng)過碼反變換器后，輸出的絕對(duì)碼不會(huì)發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊度