通信原理06章基本的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)第1頁/共98頁26.1概述數(shù)字基帶信號的局限數(shù)字基帶信號的功率譜集中于低頻段，所以只適合在低通信道中傳輸，而不適合在頻率較高的帶通信道中傳輸。數(shù)字調(diào)制的目的為使數(shù)字信號能在帶通信道中傳輸，必須將數(shù)字基帶信號的功率譜從低頻段搬移到較高的頻率。實現(xiàn)頻率搬移的方法就是調(diào)制，即用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制。digitalmodulation第2頁/共98頁36.1概述三種基本數(shù)字調(diào)制方式1010ttt振幅鍵控ASK頻移鍵控FSK相移鍵控PSKbandpasstransmission第3頁/共98頁46.1概述數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的比較數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制載波正弦信號正弦信號調(diào)制信號數(shù)字基帶信號模擬信號幅度調(diào)制方式ASKAM頻率調(diào)制方式FSKFM相位調(diào)制方式PSKPM調(diào)制性能誤碼率信噪比analogmodulation第4頁/共98頁56.2二進制振幅鍵控（2ASK）2ASK原理2ASK信號的碼元“1”和“0”分別用兩個不同的振幅A和0表示。2ASK信號的頻率和初始相位保持不變。2ASK信號的時域表達式通常稱為通斷鍵控（OOK）。amplitude-shiftkeying(ASK)第5頁/共98頁66.2二進制振幅鍵控（2ASK）2ASK信號的典型波形1111100000數(shù)字基帶信號2ASK信號On-OffKeying(OOK)第6頁/共98頁76.2二進制振幅鍵控（2ASK）2ASK信號的調(diào)制相乘法開關(guān)法2ASK信號sASK(t)基帶信號A(t)載波信號cos(ω0t)基帶信號A(t)載波信號cos(ω0t)2ASK信號sASK(t)binaryASK(BASK)第7頁/共98頁86.2二進制振幅鍵控（2ASK）2ASK信號的非相干解調(diào)——包絡(luò)檢波帶通濾波全波整流低通濾波抽樣判決定時脈沖輸入輸出sASK(t)A(t)noncoherentdemodulation第8頁/共98頁96.2二進制振幅鍵控（2ASK）包絡(luò)檢波器各點的波形輸入1111100000輸出全波整流低通濾波ttttenvelopedetect第9頁/共98頁106.2二進制振幅鍵控（2ASK）2ASK信號的相干解調(diào)帶通濾波低通波器抽樣判決定時脈沖輸入輸出本地載波cos(ω0

t)sASK(t)A(t)full-waverectify第10頁/共98頁116.2二進制振幅鍵控（2ASK）相干解調(diào)器各點的波形1111100000輸出輸入本地載波低通濾波相乘coherentdemodulation第11頁/共98頁126.2二進制振幅鍵控（2ASK）2ASK信號的功率譜密度設(shè)二進制序列A(t)的功率譜為PA(f)

，則2ASK信號的功率譜密度為

2ASK信號的功率譜為基帶信號功率譜的線性搬移。0-1等概率單極性NRZ碼的功率譜密度localcarrier第12頁/共98頁136.2二進制振幅鍵控（2ASK）0-1等概率2ASK信號的功率譜密度2ASK的帶寬

B2ASK=2

BAbandwidth第13頁/共98頁146.2二進制振幅鍵控（2ASK）2ASK信號的頻譜圖powerspectra第14頁/共98頁156.2二進制振幅鍵控（2ASK）2ASK信號的誤碼率假設(shè)0-1等概率設(shè)r

為信噪比相干解調(diào)器的信噪比與誤碼率包絡(luò)檢波器的信噪比與誤碼率errorprobability第15頁/共98頁166.2二進制振幅鍵控（2ASK）誤碼率曲線6303691215181101102103104105106107信噪比r(dB)Pe相干ASK非相干ASKsignal-to-noiseratio第16頁/共98頁176.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK原理2FSK信號的碼元“0”和“1”分別用兩個不同頻率的正弦波傳輸。2FSK信號的振幅和初始相位保持不變。2FSK信號的時域表達式數(shù)字信號1對應(yīng)于載波頻率f1數(shù)字信號0對應(yīng)于載波頻率f0frequency-shiftkeying(FSK)第17頁/共98頁186.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK信號的波形1111000數(shù)字基帶信號2FSK信號binaryFSK(BFSK)第18頁/共98頁196.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK信號的調(diào)制調(diào)頻法開關(guān)法（選頻法）調(diào)頻器A(t)s2FSK(t)基帶信號2FSK信號基帶信號A(t)s2FSK(t)開關(guān)電路cos(ω0

t)cos(ω1

t)2FSK信號frequencyselection第19頁/共98頁206.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK信號的相干解調(diào)抽樣判決定時脈沖輸入輸出帶通濾波f1帶通濾波f0低通濾波低通濾波cos(ω0t)cos(ω1t)lowpassfilter(LPF)第20頁/共98頁216.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK信號的非相干解調(diào)——包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波器抽樣判決器定時脈沖輸入輸出帶通濾波f1帶通濾波f0包絡(luò)檢波器bandpassfilter(BPF)第21頁/共98頁226.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK信號的非相干解調(diào)——過零點檢測法單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器限幅低通濾波微分整流bacdef輸入輸出amplitudelimiter第22頁/共98頁236.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK過零檢測法各點的波形bacdefmonostabletrigger第23頁/共98頁246.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK信號的分解2FSK信號signalresolution第24頁/共98頁256.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK信號的功率譜密度一個2FSK信號可表示成兩個2ASK信號之和

s2FSK(t)=s1(t)+s0(t)

=Acos(ω1t)+Acos(ω0t)一個2FSK信號的功率譜密度為兩個2ASK的功率譜密度之和powerspectraldensity第25頁/共98頁266.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK信號的功率譜密度sincfunction第26頁/共98頁276.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK信號頻譜圖|f1

f0

|=0.7fc|f1

f0

|=1.0fc|f1

f0

|=2.0fcfsfimpulsefunction第27頁/共98頁286.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK頻譜分析信號帶寬：f=|f1

f0

|+2fc若|f1

f0

|=2.0fc

，在解調(diào)時可用兩個濾波器分別濾出兩個載波頻率的信號，從而實現(xiàn)解調(diào)。若|f1

f0

|=1.0fc

，兩個頻帶的信號發(fā)生重疊，用濾波器無法將它們分開，即無法用濾波法實現(xiàn)解調(diào)。若兩個載波滿足正交條件，可采用相干解調(diào)的方法將它們分離，從而實現(xiàn)解調(diào)。orthogonal第28頁/共98頁296.3二進制頻移鍵控（2FSK）最小頻率間隔正交條件interval第29頁/共98頁306.3二進制頻移鍵控（2FSK）最小頻率間隔當(dāng)取m=1時，得到最小頻率間隔為1/T。當(dāng)1=

0=0時，取n=1，最小頻率間隔1/2T。integer第30頁/共98頁316.3二進制頻移鍵控（2FSK）2FSK信號的誤碼率相干解調(diào)的信噪比與誤碼率其中r

為信噪比包絡(luò)檢波的信噪比與誤碼率complementaryerrorfunction第31頁/共98頁326.3二進制頻移鍵控（2FSK）誤碼率曲線6303691215181101102103104105106107信噪比r(dB)Pe相干FSK非相干FSKcurve第32頁/共98頁336.4二進制相移鍵控（2PSK）2PSK原理2PSK信號的碼元“0”和“1”分別用兩個不同的初始相位“0”和“”表示。載波的幅度和頻率保持不變。2PSK信號的時域表達式phase-shiftkeying(PSK)第33頁/共98頁346.4二進制相移鍵控（2PSK）2PSK信號的典型波形數(shù)字基帶信號2PSK信號010010ππbinaryPSK(BPSK)第34頁/共98頁356.4二進制相移鍵控（2PSK）2PSK信號的調(diào)制相乘法（直接調(diào)相法）單極性基帶信號2PSK信號電平轉(zhuǎn)換器載波發(fā)生器雙極性基帶信號Acos(ω0t)s2PSK(t)A(t)polarsignal第35頁/共98頁366.4二進制相移鍵控（2PSK）相乘法各點波形1111100000基帶信號雙極性信號載波2PSK信號phasediscontinuity第36頁/共98頁376.4二進制相移鍵控（2PSK）2PSK信號的調(diào)制相位選擇法振蕩器f0倒相2PSK信號數(shù)字基帶信號A(t)s2PSK(t)phaseselection第37頁/共98頁386.4二進制相移鍵控（2PSK）相位選擇法各點波形1111100000基帶信號載波倒相載波2PSK信號inverter第38頁/共98頁396.4二進制相移鍵控（2PSK）2PSK信號的解調(diào)定時脈沖帶通濾波本地載波提取低通濾波抽樣判決輸出輸入s2PSK(t)A(t)samplingdecision第39頁/共98頁406.4二進制相移鍵控（2PSK）2PSK解調(diào)器的各點波形1111100000輸出輸入本地載波低通濾波相乘synchronization第40頁/共98頁416.4二進制相移鍵控（2PSK）本地載波提取中的相位不確定性從PSK信號中提取本地載波，其相位與原載波相比，可能為0，也可能為π。這就是相位不確定性。2PSK信號本地載波相位為0本地載波相位為πphaseambiguity第41頁/共98頁426.4二進制相移鍵控（2PSK）2PSK信號的功率譜密度2PSK的數(shù)字基帶信號A(t)為雙極性非歸零碼。當(dāng)“0”和“1”等概率出現(xiàn)時，其功率譜密度為2PSK信號的功率譜密度為equalprobability第42頁/共98頁436.4二進制相移鍵控（2PSK）2PSK信號的頻譜圖synchronization第43頁/共98頁446.4二進制相移鍵控（2PSK）2PSK信號的信噪比與誤碼率相干解調(diào)的誤碼率其中r

為信噪比2PSK沒有非相干解調(diào)第44頁/共98頁456.4二進制相移鍵控（2PSK）誤碼率曲線6303691215181101102103104105106107信噪比r(dB)Pe第45頁/共98頁466.5二進制差分相移鍵控（2DPSK）基本原理2PSK信號的特點

2PSK信號是利用載波的不同相位直接表示數(shù)字信息，也稱為絕對相移。2DPSK信號的特點

2DPSK信號利用載波的相對相位值表示數(shù)字信息，也稱為相對相移。2DPSK的實現(xiàn)首先，將基帶信號由絕對碼轉(zhuǎn)換成相對碼；然后，用相對碼對載波進行2PSK調(diào)制。differentialphase-shiftkeying(DPSK)第46頁/共98頁476.5二進制差分相移鍵控（2DPSK）2DPSK信號的表示上式中，為基帶信號101101001110000

2DPSK信號0000002DPSK信號000000differentialcode第47頁/共98頁486.5二進制差分相移鍵控（2DPSK）碼變換器把絕對碼變換成相對碼。1001101010101011基帶序列變換后序列ttcodeconverter第48頁/共98頁496.5二進制差分相移鍵控（2DPSK）2DPSK信號的調(diào)制振蕩器f0倒相2DPSK信號數(shù)字基帶信號A(t)s2DPSK(t)碼變換器oscillator第49頁/共98頁506.5二進制差分相移鍵控（2DPSK）2DPSK調(diào)制器各點波形1001101010101011載波2DPSK信號絕對碼an相對碼bnttttabsolutecode第50頁/共98頁516.5二進制差分相移鍵控（2DPSK）2DPSK信號的解調(diào)相位比較法定時脈沖帶通抽樣判決器輸出輸入低通edcba延遲

Tdelay第51頁/共98頁526.5二進制差分相移鍵控（2DPSK）相位比較法各點波形ace10011010bdtttttphasecomparator第52頁/共98頁536.5二進制差分相移鍵控（2DPSK）2DPSK信號的解調(diào)相干解調(diào)法（極性比較法）定時脈沖帶通抽樣判決輸出輸入低通逆碼變換fedcba本地載波提取polaritycomparator第53頁/共98頁546.5二進制差分相移鍵控（2DPSK）相干解調(diào)法各點波形abcdef10011010ttttttinversecodeconverter第54頁/共98頁556.5二進制差分相移鍵控（2DPSK）逆碼變換1001101010101011基帶序列相對碼tttsequence第55頁/共98頁566.5二進制差分相移鍵控（2DPSK）2DPSK信號的功率譜密度

2DPSK信號的功率譜密度與2PSK信號的功率譜相同。2DPSK信號的信噪比與誤碼率相位比較法（非相干法）相干解調(diào)法（極性比較法）exponentialfunction第56頁/共98頁576.5二進制差分相移鍵控（2DPSK）誤碼率曲線6303691215181101102103104105106107信噪比r(dB)Pe相干2DPSK非相干2DPSKdecibel第57頁/共98頁586.6二進制數(shù)字鍵控傳輸系統(tǒng)性能比較6303691215181101102103104105106107信噪比r(dB)Pe相干2DPSK非相干2DPSK相干2PSK相干FSK非相干FSK相干ASK非相干ASKtransmissionperformance第58頁/共98頁596.7多進制數(shù)字調(diào)制引言二進制中，每碼元傳輸1比特信息；M

進制中，每碼元傳輸傳輸k

比特的信息，有

k=log2

M或M=2

k二進制鍵控信號的信噪比為M進制（即k

比特）鍵控信號的信噪比為M-arydigitalmodulation第59頁/共98頁606.7.1多進制振幅鍵控（MASK）MASK原理MASK信號的碼元0,1,,M

1分別用M種不同振幅的正弦波表示。MASK信號的頻率和初始相位保持不變。MASK信號的時域表達式M-aryASK第60頁/共98頁616.7.1多進制振幅鍵控（MASK）MASK信號的時間波形tA(t)ts4ASK(t)1320102301multi-levelsignal第61頁/共98頁626.7.1多進制振幅鍵控（MASK）抑制載波的MASK信號的時間波形tA(t)ts4ASK(t)1320102301第62頁/共98頁636.7.1多進制振幅鍵控（MASK）MASK信號的時域分解ts1(t)ts2(t)ts3(t)ts0(t)第63頁/共98頁646.7.1多進制振幅鍵控（MASK）MASK信號的功率譜功率譜由于s

MASK(t)=s0(t)+s1(t)+s2(t)+s3(t)所以PMASK(ω)=P0(f)+P1(f)+P2(f)+P3(f)頻帶寬度由于B2ASK=2BB

所以BMASK=2BB

信息速率

MASK信號的信息速率為2ASK信號信息速率的log2M倍。第64頁/共98頁656.7.1多進制振幅鍵控（MASK）MASK信號的信噪比與誤碼率式中的r

為MASK信號的信噪比。當(dāng)M=2時，上式為這是2PSK相干解調(diào)的誤碼率公式。第65頁/共98頁666.7.1多進制振幅鍵控（MASK）誤碼率曲線0510353015201101102103104105106信噪比r(dB)Pe25M=2M=4M=8M=16第66頁/共98頁676.7.2多進制頻移鍵控（MFSK）MFSK原理MFSK信號的碼元0,1,,M

1分別用M種不同頻率的正弦波表示。MFSK信號的振幅和初始相位保持不變。MFSK信號的時域表達式M-aryFSK第67頁/共98頁686.7.2多進制頻移鍵控（MFSK）MFSK信號的時間波形

ts

4FSK(t)tA(t)基帶信號MFSK信號第68頁/共98頁696.7.2多進制頻移鍵控（MFSK）MFSK信號的功率譜及其帶寬

fMFSK=fM–1–f0+2

fc其中fc

為數(shù)字基帶信號的帶寬。f0f1f3f2fP4FSK(f)第69頁/共98頁706.7.2多進制頻移鍵控（MFSK）MFSK信號的調(diào)制串并轉(zhuǎn)換10M?1…二進制信息邏輯譯碼電路門電路門電路門電路…10k?1…M=2kMFSK信號振蕩f0振蕩f1振蕩fM?1series-parallelconverter第70頁/共98頁716.7.2多進制頻移鍵控（MFSK）MFSK信號的非相干解調(diào)0M?1二進制信息包絡(luò)檢波f1f0fM?1MFSK信號帶通濾波1…抽樣判決并串轉(zhuǎn)換帶通濾波帶通濾波包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波logicaldecoder第71頁/共98頁726.7.2多進制頻移鍵控（MFSK）誤碼率曲線非相干解調(diào)1050181551101102103104105106信噪比rb(dB)Pe10M=2M=4M=8M=16M=32parallel-seriesconverter第72頁/共98頁736.7.2多進制頻移鍵控（MFSK）誤碼率曲線相干解調(diào)1050181551101102103104105106信噪比rb(dB)Pe10M=2M=4M=8M=16M=32第73頁/共98頁746.7.3多進制相移鍵控（MPSK）MPSK原理MPSK信號的碼元0,1,,M

1分別用M種不同相位的正弦波表示。MPSK信號的振幅和頻率保持不變。MPSK信號的時域表達式

M-aryPSK第74頁/共98頁756.7.3多進制相移鍵控（MPSK）MPSK的兩種相位編碼方式MPSK的時域表達式

sMPSK(t)=Acos(0t

+i)

i=0,1,,M1方式A方式Ｂ第75頁/共98頁766.7.3多進制相移鍵控（MPSK）MPSK信號的星座圖表示M=40100111010110001方式A方式BM=8100111000010001011110101000100101111110010011001constellation第76頁/共98頁776.7.3多進制相移鍵控（MPSK）MPSK信號的正交分解式中

a

i

稱為同相分量；

b

i

稱為正交分量。quadraturemodulation第77頁/共98頁786.7.3多進制相移鍵控（MPSK）QPSK信號的正交調(diào)制cosω0t?sinω0t移相90?

載波發(fā)生器電平產(chǎn)生a電平產(chǎn)生b串并轉(zhuǎn)換A(t)sQPSK(t)in-phasecomponent第78頁/共98頁796.7.3多進制相移鍵控（MPSK）QPSK正交調(diào)制的各點波形10110001absQPSK(t)abacosω0tbsinω0t10101100A(t)ttttttquadraturecomponent第79頁/共98頁806.7.3多進制相移鍵控（MPSK）QPSK信號的相位選擇調(diào)制串并轉(zhuǎn)換選相電路四相載波發(fā)生器帶通濾波A(t)s

QPSK(t)quadraturemodulator第80頁/共98頁816.7.3多進制相移鍵控（MPSK）QPSK相位選擇調(diào)制各點波形11110000sQPSK(t)01001110tttttt第81頁/共98頁826.7.3多進制相移鍵控（MPSK）QPSK信號的解調(diào)cosω0t?sinω0t移相90?bA(t)并串轉(zhuǎn)換

載波恢復(fù)

位定時恢復(fù)低通濾波a抽樣判決抽樣判決低通濾波s

QPSK(t)regenerator第82頁/共98頁836.7.3多進制相移鍵控（MPSK）誤碼率曲線1050181551101102103104105106信噪比r(dB)Pe10M=2M=4M=8M=16M=32第83頁/共98頁846.7.4多進制差分相移鍵控（MDPSK）基本原理類似于2DPSK對于2PSK，MDPSK是對當(dāng)前碼元的相位與前一相鄰碼元的相位之差進行MPSK。例如：對于QDPSK，若前一相鄰碼元的相位90，而當(dāng)前輸入的碼元為180，則相應(yīng)的QDPSK的相位為270。再如：若前一相鄰碼元的相位為270，而當(dāng)前輸入的碼元也為270，則相應(yīng)的QDPSK的相位為540，即180。與2DPSK相似，MDPSK也可有效克服相位不確定的缺點。M-arydifferentialPSK(MDPSK)第84頁/共98頁856.7.4多進制差分相移鍵控（MDPSK）QDPSK信號的編碼規(guī)則和碼變換abi00010901118001270a11011000101110b00110011010110i00i000c011100001010100d001010011111011010011102222232323223222323232322323第85頁/共98頁866.7.4多進制差分相移鍵控（MDPSK）QDPSK正交調(diào)制器sQPSK(t)移相45?

載波發(fā)生電平產(chǎn)生c電平產(chǎn)生d串并轉(zhuǎn)換A(t)移相45?碼變換ab第86頁/共98頁876.7.4多進制差分相移鍵控（MDPSK）QDPSK信號的正交解調(diào)bA(t)并串轉(zhuǎn)換

位定時恢復(fù)低通濾波c抽樣判決抽樣判決低通濾波sQPSK(t)移相45?

載波恢復(fù)移相45?逆碼變換ad第87頁/共98頁886.7.4多進制差分相