通信技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）課件 第6章 頻帶傳輸

6.1概述6.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制6.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制6.1概述6.1.1調(diào)制的概念通信信道的基本特征是帶寬有限,帶寬取決于可使用的頻率資源和信道的傳播特性,受干擾和噪聲影響大。針對(duì)通信信道的特點(diǎn),通信中信號(hào)傳輸通常采用頻帶傳輸。頻帶傳輸是指將基帶信號(hào)的頻譜搬移到某一高頻頻段后再在信道中進(jìn)行傳輸,這個(gè)頻譜搬移過程稱為調(diào)制。為什么要進(jìn)行調(diào)制?首先,由于頻率資源的有限性,限制了我們用開路信道傳輸信息。再者,通信的最終目的是遠(yuǎn)距離傳遞信息。由于傳輸失真、傳輸損耗以及保證帶內(nèi)特性的原因,基帶信號(hào)是無法在無線信道或光纖信道上進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸?shù)?。為了進(jìn)行長(zhǎng)途傳輸,必須對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制將信號(hào)頻譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸。實(shí)現(xiàn)頻譜搬移后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào),調(diào)制過程用于通信系統(tǒng)的發(fā)送端。在接收端需將已調(diào)信號(hào)還原成要傳輸?shù)脑夹盘?hào),該過程稱為解調(diào)。把包括調(diào)制和解調(diào)過程的傳輸系統(tǒng)稱為頻帶傳輸系統(tǒng),而把調(diào)制器和解調(diào)器簡(jiǎn)稱為Modem。頻帶傳輸與基帶傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別就是增加了調(diào)制與解調(diào)的環(huán)節(jié)。6.1.2調(diào)制的種類按照輸入的基帶信號(hào)(該信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào))不同,調(diào)制可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制是利用模擬信號(hào)調(diào)制載波信號(hào)的幅度、頻率或相位,可得到調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)或調(diào)相(PM)信號(hào)。數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號(hào)控制載波信號(hào)的幅度、頻率或相位。因數(shù)字信號(hào)只有幾個(gè)離散值,數(shù)字調(diào)制可以通過數(shù)字信號(hào)去控制開關(guān),選擇具有不同參量的載波來實(shí)現(xiàn),為此把數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式稱為鍵控。常用的數(shù)字調(diào)制有:幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)等。根據(jù)數(shù)字信號(hào)進(jìn)制的不同,數(shù)字調(diào)制可分為二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制。如2ASK、QAM、MQAM、2FSK、MFSK、2PSK、2DPSK、QPSK、OQPSK等6.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制6.2.1二進(jìn)制幅移鍵控1.2ASK信號(hào)的波形二進(jìn)制幅移全速控(2ASK)是一種最簡(jiǎn)單的數(shù)字調(diào)幅方式。所謂數(shù)字調(diào)幅,是指載波幅度隨基帶數(shù)據(jù)信號(hào)變化的調(diào)制方式。實(shí)現(xiàn)2ASK最簡(jiǎn)單的方法是在單極性二進(jìn)制數(shù)字信息序列的控制下,1時(shí)發(fā)送載波,0時(shí)不發(fā)送載波,2ASK信號(hào)波形示意圖如圖6-1所示。通常把這種二進(jìn)制幅移鍵控方式稱為通斷鍵控(OOK)。它的第n個(gè)碼元已調(diào)信號(hào)的時(shí)表達(dá)式為2.2ASK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)1)2ASK信號(hào)的產(chǎn)生方法(1)相乘法。如圖6-2(a)所示,m(t)為單極性信號(hào),可以為0或1。當(dāng)m(t)=0時(shí),輸出信號(hào)為0;當(dāng)m(t)=1時(shí),輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相同。(2)鍵控法。如圖6-2(b)所示,m(t)為單極性信號(hào),可以為0或1。當(dāng)m(t)=0時(shí),開關(guān)斷開,輸出信號(hào)為0;當(dāng)m(t)=1時(shí),開關(guān)閉合,輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相同。2)2ASK信號(hào)的解調(diào)方法常見2ASK信號(hào)的解調(diào)方法有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種,其中,非相干解調(diào)方法如圖6-3所示。圖6-3中各部分作用如下:帶通濾波器:限制頻帶寬度(濾除信道中所產(chǎn)生的干擾);包絡(luò)檢波器:檢出信號(hào)波形(用于大信號(hào)解調(diào));低通濾波器:濾除高頻雜波(由載波所產(chǎn)生的高頻雜波);抽樣判決器:恢復(fù)原信號(hào)(判斷是“1”還是“0”)2ASK信號(hào)的相干解調(diào)過程如圖6-4所示,利用乘法原理來實(shí)現(xiàn)解調(diào)。發(fā)送端(調(diào)制):接收端(解調(diào)):經(jīng)過相乘器產(chǎn)生的高頻載波,再通過低通濾波器就可濾除。3.2ASK信號(hào)的功率譜分析2ASK信號(hào)的功率譜如圖6-5所示,該功率譜具有兩個(gè)邊帶,且兩個(gè)邊帶含有相同的信息。由圖6-5可以看出:(1)2ASK信號(hào)的功率譜密度由連續(xù)譜和離散譜組成。(2)2ASK信號(hào)的功率譜是雙邊帶譜,其帶寬是基帶信號(hào)帶寬的兩倍。即調(diào)制后信號(hào)所占帶寬為式中,fs為基帶信號(hào)的帶寬。通過以上分析可以看出,2ASK信號(hào)易于實(shí)現(xiàn),但抗干擾能力差,頻帶利用率較低。6.2.2二進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控和二進(jìn)制差分相移鍵控相移鍵控(PSK)是利用載波相位變化來傳遞信息的。PSK與ASK相比,抗干擾性能好;與FSK相比,頻譜利用率高。因此,PSK是一種適用于中、高速數(shù)字傳輸?shù)恼{(diào)制方式。1.二進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控所謂二進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控(2PSK),是用輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)控制載波初始相位θ(an)的變化,使信號(hào)“0”和“1”分別對(duì)應(yīng)載波的兩個(gè)不同初始相位。通常這兩個(gè)相位相隔π弧度,其表達(dá)式為其中:當(dāng)θ0等于0時(shí):用0相(0°)和π相(180°)分別表示二進(jìn)制信號(hào)“0”和“1”。當(dāng)θ0等于

時(shí)：用

相(90°)和

相(270°)分別表示二進(jìn)制信號(hào)“0”和“1”,如圖6-6所示。1)2PSK信號(hào)的產(chǎn)生方法(1)鍵控法(相位選擇法)。如圖6-7所示,數(shù)字信息序列m(t)為單極性信號(hào),可以為0或1。若m(t)=0,則sPSK(t)=cosωct;若m(t)=1,則sPSK(t)=sinωct。(2)相乘法。相乘法PSK信號(hào)產(chǎn)生框圖如圖6-8所示。an為雙極性信號(hào),即2)2PSK信號(hào)的解調(diào)方法PSK解調(diào)可采用相干解調(diào),如圖6-9所示。若y(t)>0,則判決為“+1”;若y(t)<0,則判決為“-1”。2.二進(jìn)制差分相移鍵控2PSK信號(hào)在接收端會(huì)產(chǎn)生倒相現(xiàn)象,這對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸是不允許的,所以有實(shí)用價(jià)值的是二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)。所謂二進(jìn)制差分相移鍵控,是以相鄰前一碼元的已調(diào)載波相位作為基準(zhǔn)的數(shù)字調(diào)相,利用載波相位的相對(duì)變化來傳遞數(shù)字信息。2DPSK信號(hào)能夠克服相位倒置現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)起來也不困難,只需在PSK調(diào)制器的輸入端加一級(jí)差分編碼電路,如圖6-10所示。各信號(hào)間的關(guān)系有其中,ak稱為絕對(duì)碼,dk稱為差分碼或相對(duì)碼,為模2加符號(hào)。相位基準(zhǔn):初相位:雖然對(duì)同一an,因θ(an-1)可能有兩種不同的取值而使得θ(an)也可能有兩種不同的取值,但本碼元相對(duì)于相鄰前一碼元已調(diào)載波初相位的相對(duì)變化量與二進(jìn)制碼元an的關(guān)系卻是唯一的。因此,我們可以利用相位差來表示二進(jìn)制碼元的不同狀態(tài)信息。例如,我們可以規(guī)定當(dāng)相鄰碼元載波的初始相位倒相,當(dāng)后一碼元相對(duì)前一碼元有相位差π時(shí),則傳送二進(jìn)制信息“1”;而當(dāng)載波相位不發(fā)生變化,相位差為0時(shí),則傳送二進(jìn)制信息“0”,即1)2DPSK信號(hào)的波形2DPSK信號(hào)的波形如圖6-11所示。2)2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法將利用載波相位的相對(duì)變化來傳遞數(shù)字信息的差分相移鍵控與利用碼元電平的相對(duì)變化來表示數(shù)字信息的差分編碼聯(lián)系起來,可以找到實(shí)現(xiàn)DPSK的方法是先對(duì)要發(fā)送的數(shù)字信息序列進(jìn)行差分編碼,再進(jìn)行PSK調(diào)制。由此可以看出,從發(fā)送端來看,DPSK與PSK的區(qū)別僅僅在于對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制的數(shù)字信息序列是否經(jīng)過差分編碼。也就是說,若待傳送的數(shù)字信息序列直接對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制,則為絕對(duì)相移鍵控;若待傳送的數(shù)字信息序列(稱為絕對(duì)碼)先經(jīng)過差分編碼變?yōu)椴罘执a(又稱為相對(duì)碼)再對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制,則為差分相移鍵控,又稱為相對(duì)相移鍵控。3)2DPSK的解調(diào)方法2DPSK常見的解調(diào)方法有兩種:極性比較法和相位比較法。圖6-12所示是極性比較法的實(shí)現(xiàn)原理框圖。極性比較法是對(duì)2DPSK信號(hào)先進(jìn)行2PSK解調(diào),然后用碼變換器將相對(duì)碼變?yōu)榻^對(duì)碼,2DPSK信號(hào)另一種解調(diào)方法是相位比較法,又稱差分相干解調(diào)法。由于2DPSK信號(hào)的參考相位是相鄰前一碼元的載波相位,故解調(diào)時(shí)可直接比較前后碼元載波的相位,從而直接得到相位攜帶的數(shù)據(jù)信息。相位比較法解調(diào)的原理框圖如圖6-13所示。其解調(diào)方法是將2DPSK信號(hào)延遲一個(gè)碼元,由于2DPSK信號(hào)的參考載波相位是相鄰前一個(gè)碼元的載波相位,因此將2DPSK信號(hào)時(shí)延T后與輸入的2DPSK信號(hào)比較就能實(shí)現(xiàn)相對(duì)調(diào)相波的解調(diào)。2DPSK信號(hào)分成兩路,一路直接到乘法器,另一路經(jīng)延遲一個(gè)碼元的時(shí)間后作為相干載波也加于乘法器,乘法器完成相位比較功能。當(dāng)前后碼元相位相同時(shí),輸出一個(gè)正極性脈沖,當(dāng)前后碼元相位相反時(shí),輸出負(fù)脈沖,再經(jīng)低通(低通濾除2fc產(chǎn)物)、取樣判決、碼形成電路輸出原來的二元碼(數(shù)據(jù)信號(hào)),其各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波形如圖6-14所示。這種解調(diào)方法電路簡(jiǎn)單,但解調(diào)過程是以延遲一個(gè)碼元的接收信號(hào)作為相干載波進(jìn)行解調(diào),這時(shí)相當(dāng)于解調(diào)過程的噪聲干擾較大,故性能較差。2PSK信號(hào)帶寬與2ASK信號(hào)相同。6.2.3二進(jìn)制頻移鍵控載波的幅度、相位不變,用兩個(gè)不同的頻率攜帶傳遞二進(jìn)制數(shù)字信息,當(dāng)發(fā)送“1”時(shí)對(duì)應(yīng)于某個(gè)載波頻率ωc1,當(dāng)發(fā)送“0”時(shí)對(duì)應(yīng)于另一個(gè)載波頻率ωc0,我們把這種調(diào)制方式稱為二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)。1.2FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的產(chǎn)生通常采用鍵控法,使兩個(gè)獨(dú)立載波發(fā)生器的輸出受控于輸入的二進(jìn)制信號(hào),按照“1”或“0”分別選擇一個(gè)載波作為輸出,如圖6-15所示。2FSK信號(hào)的波形和頻譜如圖6-16所示。2.2FSK信號(hào)的解調(diào)方法1)相干解調(diào)2FSK信號(hào)的相干解調(diào)原理如圖617所示。假設(shè)頻率ωc1代表“1”,頻率ωc0代表“0”。抽樣判決準(zhǔn)則為x1>x2判為“1”,反之,判為“0”。為了將兩者分開,圖中采用兩個(gè)中心頻率分別為ωc1和ωc0的帶通濾波器,把代表“1”和“0”的載波信號(hào)分成獨(dú)立的兩路,再采用相干解調(diào)的方式分別進(jìn)行解調(diào)。為了恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信號(hào),對(duì)兩路低通濾波器的輸出進(jìn)行抽樣判決。2)非相干解調(diào)將收到的FSK信號(hào)首先通過分路濾波器將兩個(gè)頻率ωc1和ωc0分開,再由包絡(luò)檢波器取出它們的包絡(luò)。在時(shí)鐘的控制下,對(duì)兩個(gè)包絡(luò)抽樣并進(jìn)行判決,即可恢復(fù)原始數(shù)字序列。非相干解調(diào)如圖6-18所示。3.2FSK的特點(diǎn)2FSK的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力較強(qiáng),不受信道變化的影響,實(shí)現(xiàn)起來較容易,在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。2FSK的缺點(diǎn)是占用頻帶較寬,如圖6-16(b)可知,B=(fc1-fc0)+2fs,其中fs為基帶信號(hào)的帶寬。6.3多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制6.3.1多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)概述二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的基帶數(shù)字信號(hào)只有兩個(gè)狀態(tài)即“1”“0”或“+1”“-1”。在多進(jìn)制系統(tǒng)中,一位多進(jìn)制符號(hào)代表若干位進(jìn)制符號(hào)。在相同傳碼率條件下,多進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)的信息速率高于二進(jìn)制系統(tǒng)。在二進(jìn)制系統(tǒng)中,隨著傳碼率的提高,所需信道帶寬增加。采用多進(jìn)制可降低碼元速率和減少信道帶寬。同時(shí),加大碼元寬度,可增加碼元能量,有利于提高通信系統(tǒng)的可靠性。用M進(jìn)制基帶數(shù)字信號(hào)調(diào)制載波的幅度、相位和頻率,可分別產(chǎn)生MASK、MFSK和MPSK三種多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)。6.3.2四相相移鍵控調(diào)制1.信號(hào)星座所謂信號(hào)星座,即坐標(biāo)系上的一個(gè)點(diǎn)陣,該點(diǎn)陣定義了信號(hào)所有狀態(tài)的變化。點(diǎn)的含義如圖6-19所示,其中,點(diǎn)由長(zhǎng)度(點(diǎn)到原點(diǎn)的距離)以及它與水平坐標(biāo)軸的夾角所確定。2.四相相移生成QPSK四相相移鍵控調(diào)制,即4PSK,是用載波的四種不同相位來表示傳送的數(shù)據(jù)信息。如前所述,在PSK調(diào)制中,首先對(duì)輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行分組,將二位數(shù)字編成一組,即構(gòu)成雙比特碼元,雙比特碼元有22種組合,即有22種不同狀態(tài),故可以用M=22種不同相位或相位差來表示,這里M=22=4,故稱為四相調(diào)相。我們把組成雙比特碼元的前一信息比特用A代表,后一信息比特用B代表,并按格雷碼排列,以便提高傳輸?shù)目煽啃浴０磭H統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,雙比特碼元與載波相位的對(duì)應(yīng)關(guān)系有兩種,稱為A方式和B方式,它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6-1所示,它們之間的矢量關(guān)系如圖6-20所示。4PSK信號(hào)可采用調(diào)相法產(chǎn)生,產(chǎn)生4PSK信號(hào)的原理圖如圖621(a)所示。4PSK信號(hào)可以看作兩種正交的2PSK信號(hào)的合成,可用串/并變換電路將輸入的二進(jìn)制序列依次分為兩個(gè)并行的序列。設(shè)二進(jìn)制數(shù)字分別以A和B表示,每一對(duì)AB稱為一個(gè)雙比特碼元。雙極性A和B數(shù)據(jù)脈沖分別經(jīng)過平衡調(diào)制器,對(duì)0°相位載波cosωct和與之正交的載波進(jìn)行二相調(diào)相,得到如圖621(b)所示四相信號(hào)的矢量表示圖。6.3.3正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制(QAM),又稱正交雙邊帶調(diào)制,是一種節(jié)省頻帶的數(shù)字調(diào)幅方法。中、高速調(diào)制解調(diào)器中一般采用QAM,它對(duì)Modem的發(fā)展起了重要作用。大約在1966—1976年的十年間,許多國家對(duì)部分響應(yīng)單邊帶調(diào)制、殘余邊帶調(diào)制和正交振幅調(diào)制進(jìn)行了大量研究,最后肯定了QAM的優(yōu)越性。因?yàn)閱芜厧д{(diào)制對(duì)發(fā)送濾波器的性能要求還是很高的,而且解調(diào)所需的相干載波必須通過發(fā)送導(dǎo)頻來獲取,這在信道允許功率限額不變時(shí)就相當(dāng)于降低了信噪比;而殘余邊帶調(diào)制又要求殘余邊帶濾波器的傳遞函數(shù)在截止頻率fc點(diǎn)呈現(xiàn)嚴(yán)格的奇對(duì)稱滾降特性,且相頻特性保持線性。當(dāng)滾降系數(shù)較小時(shí),從接收信號(hào)中提取相干載波就很困難。而QAM調(diào)制,不僅頻帶利用率和單邊帶調(diào)制相同,而且它不需要發(fā)送用于載波同步的導(dǎo)頻信號(hào),故使信噪比占了很大優(yōu)勢(shì)。1.基本原理正交調(diào)幅是由兩路在頻譜上成正交的抑制載頻的雙邊帶調(diào)幅所組成。具體方法是用兩路獨(dú)立的基帶波形分別對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制,然后將所得到的兩路已調(diào)信號(hào)疊加起來。在QAM系統(tǒng)中,由于兩路已調(diào)信號(hào)在相同的帶寬內(nèi)頻譜正交,故可以在同一頻帶內(nèi)并行傳輸兩路數(shù)據(jù)信息,因此,其頻帶利用率和單邊帶系統(tǒng)相同。在QAM方式中,基帶信號(hào)可以是二電平的,也可以是多電平的,當(dāng)為多電平時(shí),就構(gòu)成多進(jìn)制正交振幅調(diào)制。正交振幅調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生和解調(diào)原理如圖6-22所示。輸入數(shù)據(jù)序列經(jīng)串/并變換得A、B兩路信號(hào),分別通過低通濾波器形成s1(t)和s2(t)兩路獨(dú)立的基帶波形,它們都是無直流分量的雙極性基帶脈沖序列。A路的基帶信號(hào)s1(t)與載波cosωct相乘,形成抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號(hào)B路的基帶信號(hào)s2(t)與載波相乘,形成另一路抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號(hào)于是兩路合成的輸出信號(hào)為由于A路的調(diào)制載波與B路的調(diào)制載波相位差90°,所以形成兩路正交的頻譜,故稱為正交調(diào)幅。這種調(diào)制方法的A、B兩路都是雙邊帶調(diào)制,但兩路信號(hào)同處于一個(gè)頻段之中,所以可同時(shí)傳輸兩路信號(hào),因此,雙邊帶比單邊帶增加一倍帶寬,可以傳送兩路信號(hào),故頻帶利用率是雙邊帶調(diào)制的兩倍,即與單邊帶方式或基帶傳輸方式的頻帶利用率相同,并且對(duì)發(fā)送濾波器沒有特殊的要求。正交振幅調(diào)制信號(hào)的解調(diào)必須采用相干解調(diào)方法,解調(diào)原理如圖622右半部分所示。假定相干載波與信號(hào)載波完全同頻同相,且假設(shè)信道無失真、帶寬不限、無噪聲,認(rèn)為接收信號(hào)r(t)=e(t),則兩個(gè)解調(diào)乘法器的輸出分別為可見,在s'1(t)、s'2(t)表示式中,分別只有第一項(xiàng)為原來的基帶信號(hào),其余均為2ωc的調(diào)制產(chǎn)物。所以,分別用低通濾波器濾除高次諧波分量,將基帶信號(hào)s'1(t)和s'2(t)濾出,以實(shí)現(xiàn)正確區(qū)分兩路信號(hào)。上、下兩個(gè)支路的輸出信號(hào)分別為經(jīng)判決合成后即為原數(shù)據(jù)序列。這樣就可以實(shí)現(xiàn)無失真的波形傳輸。2.星座表示法圖6-23(a)所示是用矢量表示QAM信號(hào),如果只畫出矢量端點(diǎn),則如圖6-23(b)所示,稱為QAM的星座表示。如星座圖上有4個(gè)星點(diǎn),則稱為4QAM。這種以矢量端點(diǎn)來表示信號(hào),如同天空中的星星的方法稱為星座。從圖6-23(b)的星座圖上很容易看出:A路的“1”碼在星座圖的右側(cè),“0”碼在左側(cè);而B路的“1”碼在上側(cè),“0”碼在下側(cè)。星座圖上各信號(hào)點(diǎn)之間的距離越大,抗誤碼能力越強(qiáng)。上面討論的4QAM方式是A、B各路傳送二電平碼的情況。如果采用二路四電平碼送到A、B調(diào)制器,就能更進(jìn)一步提高頻譜利用率。由于采用四電平基帶信號(hào),因此,每路在星座上有4個(gè)點(diǎn),于是4×4=16,組成16個(gè)點(diǎn)的星座圖,如圖6-24所示。這種正交調(diào)幅稱為16QAM。同理,將二路八電平碼送到A、B調(diào)制器,可得64點(diǎn)星座