1、1,主要內(nèi)容,1 數(shù)字頻帶調(diào)制概述 2 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理（ASK、FSK、PSK） 3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能分析與比較 4 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式（QPSK、 QDPSK),2,1 數(shù)字頻帶調(diào)制概述,數(shù)字調(diào)制的概念 用二進(jìn)制（多進(jìn)制）數(shù)字信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，去控制載波某些參量的變化，這種把基帶數(shù)字信號(hào)變換成頻帶數(shù)字信號(hào)的過程稱為數(shù)字調(diào)制，反之，稱為數(shù)字解調(diào)。 數(shù)字調(diào)制的分類 在二進(jìn)制時(shí)分為：振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）。其中，ASK屬于線性調(diào)制，F(xiàn)SK、PSK屬于非線性調(diào)制（從頻譜圖上可看出） 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),圖 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),3,1 數(shù)字頻帶調(diào)

2、制概述（續(xù)）,舉例,4,2 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理（ASK、FSK、PSK）,二進(jìn)制幅移鍵控(ASK) 二進(jìn)制頻移鍵控(FSK) 二進(jìn)制相移鍵控(PSK) 二進(jìn)制差分相移鍵控(DPSK),5,2 二進(jìn)制幅移鍵控（ASK）,ASK信號(hào)的產(chǎn)生 一個(gè)二進(jìn)制的ASK信號(hào)可視為一個(gè)單極性脈沖序列與一個(gè)高頻載波 的乘積，即ASK的時(shí)域表達(dá)式為：,1,0,信息代碼2ASK,s(t),NRZ,模擬法,鍵控法,電子開關(guān),e,o,(t),s(t),6,2 二進(jìn)制幅移鍵控（ASK）（續(xù)）,ASK信號(hào)的功率譜特性 ASK信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)為： ASK信號(hào)的功率譜密度為,式中， 為基帶信號(hào)s(t)的功率譜密度,當(dāng)0、1等概出

3、現(xiàn)時(shí)，單極性基帶信號(hào)功率譜密度為 則2ASK信號(hào)的功率譜密度為,7,2 二進(jìn)制幅移鍵控（ASK）（續(xù)）,ASK信號(hào)譜，形狀為 ，雙邊帶加載頻譜線 ASK信號(hào)傳輸帶寬 （取主瓣寬度） 帶寬利用率,8,2 二進(jìn)制幅移鍵控（ASK）（續(xù)）,ASK信號(hào)的解調(diào)方式 解調(diào)也可以分成相干解調(diào)與非相干解調(diào)兩類。簡(jiǎn)單說，相干解調(diào)要求接收端提供相干載波。非相干解調(diào)，就是在接收端不需要相干載波，而根據(jù)已調(diào)信號(hào)本身的特點(diǎn)來解調(diào) 非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）,x(t),r(t),cp(t),無碼間串?dāng)_,9,2 二進(jìn)制幅移鍵控（ASK）（續(xù)）,相干解調(diào)（同步檢測(cè)法）,10,FSK信號(hào)的產(chǎn)生 設(shè)FSK信號(hào)具有正交性，則要求 （

4、 、 分別為傳號(hào)載頻和空號(hào)載頻） FSK時(shí)域表達(dá)式為： （注：正交性條件為-兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)系數(shù) ）,2 二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）,2FSK信號(hào),11,FSK信號(hào)（相位不連續(xù)）的功率譜特性 2FSK調(diào)制屬于非線性調(diào)制，其頻譜特性的研究常用把2FSK信號(hào)看成是兩個(gè)2ASK信號(hào)相疊加的方法，即 2FSK信號(hào)的功率譜密度為,2 二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）（續(xù)）,式中， 、 分別為基帶信號(hào) 、 的功率譜密度,分別以 ， 為中心的兩個(gè)抽樣函數(shù)平方頻譜（連續(xù)譜），且含有載頻 ，的沖激譜（離散譜） FSK信號(hào)傳輸帶寬 其中 相位不連續(xù)的FSK信號(hào)所需傳輸帶寬為,12,f,2 二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）（續(xù)）,13

5、,f,2 二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）（續(xù)）,FSK信號(hào)的解調(diào)方式 相干解調(diào)（同步檢測(cè)法）,a(t),b(t),BPF1,LPF,位同步,抽樣判決,LPF,載波同步,BPF2,載波同步,輸出,已調(diào)FSK信號(hào),14,f,2 二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）（續(xù)）,非相干解調(diào) 1、過零檢測(cè)法,15,f,2 二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）（續(xù)）,非相干解調(diào) 2、差分檢波法 差分檢波法，或稱延遲檢波法。輸入調(diào)頻信號(hào)分為兩路， 一路直接送到平衡調(diào)制器（乘法器）上，另一路經(jīng)過延遲 后送到乘法器，在平衡調(diào)制器上將這兩個(gè)信號(hào)作乘積處 理，輸出經(jīng)低通濾波器除去高頻部分，即可取出基帶信號(hào)。,16,f,2 二進(jìn)制頻移鍵控（FSK）（

6、續(xù)）,差分檢波法的數(shù)學(xué)證明： 設(shè)帶通濾波器輸入的2FSK信號(hào)的表示式為 它與延時(shí) 的波形相乘后，為 低通濾波器濾去高頻分量后，輸出為 適當(dāng)選擇 ，使 則有 ， 故此時(shí)有： 當(dāng)角頻偏較小，即 ，則有： 說明：當(dāng)滿足條件 以及 時(shí)，輸出電壓與角頻偏成正比，達(dá)到了鑒頻的目的。,17,f,2 二進(jìn)制相移鍵控（PSK）,PSK信號(hào)的產(chǎn)生 一個(gè)二進(jìn)制的PSK信號(hào)可視為一個(gè)雙極性脈沖序列s(t)與一個(gè)載波 的乘積，即：,模擬調(diào)制法,鍵控法,18,f,2 二進(jìn)制相移鍵控（PSK）（續(xù)）,PSK信號(hào)的產(chǎn)生 數(shù)字調(diào)相波可以用矢量圖表示其相位變化的規(guī)則，根據(jù)CCITT規(guī)定，存在A、B兩種表示相位變化的矢量圖，如下圖

7、所示。圖中的虛線表示參考矢量，它代表未調(diào)制載波的相位。,圖 二相移相信號(hào)矢量圖,（a）方式A,(b)方式B,19,f,2 二進(jìn)制相移鍵控（PSK）（續(xù)）,PSK信號(hào)的功率譜特性 2PSK信號(hào)的功率譜密度采用與求2ASK信號(hào)功率譜密度相同的方法。 PSK信號(hào)的功率譜密度為 式中， 為基帶信號(hào)s(t)的功率譜密度 當(dāng)0、1等概出現(xiàn)時(shí)，雙極性基帶信號(hào)功率譜密度為 則2PSK信號(hào)的功率譜密度為,20,f,2 二進(jìn)制頻移鍵控（PSK）（續(xù)）,0,f,PSK信號(hào)譜，形狀為 ，以 為中心的DSB譜 PSK信號(hào)傳輸帶寬 (取主瓣寬度）,21,f,二進(jìn)制相移鍵控（PSK）（續(xù)）,PSK信號(hào)的解調(diào)方式 一般采用相

8、干解調(diào)，如圖 設(shè)收發(fā)濾波器及信道對(duì)2PSK信號(hào)波形無影響，各點(diǎn)波形如下,a(t),cosct,r(t),cp(t),c(t),b(t),a(t),-cosct,b(t),r(t),cp(t),c(t),（a）本地提供的載波和發(fā)送端一致,（b）本地提供的載波和發(fā)送端反相,22,f,DPSK調(diào)制原理 差分相移鍵控（DPSK）是利用相鄰二個(gè)碼元的載波信號(hào)初始相位的相對(duì)變化來表示所傳輸?shù)拇a元。 例如，在二進(jìn)制中傳輸“1”碼時(shí)，則與此碼元所對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)初始相位相對(duì)于前一碼所對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)初始相位有 或弧度的變化;，傳輸“0”碼時(shí)，與此碼元所對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)的初始相位相對(duì)于前一碼元所對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)初始相位

9、無變化（“1變0不變” ）；當(dāng)然反過來也是可以的。,2 二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）,23,f,2 二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）,初相為0相,初相為相,相位差與初相無關(guān),表：數(shù)字信息序列與已調(diào)載波相位關(guān)系,舉例 若定義為2DPSK方式下本碼元初相與前一碼元初相之差，并設(shè)相“1”、 0相“0”，為了比較，設(shè)2PSK方式下相“0”、 0相“1”，則數(shù)字信息序列與2PSK、2DPSK信號(hào)的碼元相位關(guān)系如表所示。,初相為0相,初相為相,24,f,2 二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）（續(xù)）,25,f,2 二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）（續(xù)）,DPSK調(diào)制原理 2DPSK同樣存在A、B方式矢量圖，圖中虛

10、線表示的參考矢量代表前一個(gè)碼元已調(diào)載波的相位。B方式下，每個(gè)碼元的載波相位相對(duì)于參考相位可取 ，所以其相鄰碼元之間必然發(fā)生載波相位的跳變，接收端可以據(jù)此確定每個(gè)碼元的起止時(shí)刻（即提供碼元定時(shí)信息），而A方式卻可能存在前后碼元載波相位連續(xù)。,圖 二相移相信號(hào)矢量圖,（a）方式A,(b)方式B,26,f,2 二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）（續(xù)）,2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生 在2PSK方式中，由于解調(diào)過程中會(huì)出現(xiàn)“倒”現(xiàn)象，即相位模糊現(xiàn)象（相干接收PSK信號(hào)需要提供穩(wěn)定的本地載波，它的初始相位是0相或是相，完全是隨機(jī)的，因此很可能使相干載波與接收到的信號(hào)載波反相，于是恢復(fù)出與發(fā)送碼元相反的碼序列），參考p

11、.23。因此，在實(shí)際中經(jīng)常采用2DPSK方式。 用源碼序列 對(duì)載波進(jìn)行相對(duì)（差分）相移鍵控，等效于將源碼序列 轉(zhuǎn)換為差分碼形式 ，之后對(duì)載波進(jìn)行絕對(duì)相移鍵控。 絕對(duì)碼和相對(duì)碼之間的關(guān)系為 2DPSK信號(hào)的功率譜密度和帶寬相同于2PSK信號(hào)的功率譜密度和帶寬,2PSK(bk),2DPSK(ak),2PSK調(diào)制,27,f,2 二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）（續(xù)）,2DPSK信號(hào)的解調(diào) 相干解調(diào)（同步檢測(cè)法或極性比較法）,28,2 二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）（續(xù)）,差分相干解調(diào)（相位比較法）,設(shè)bk-1=1； 則：bk 1 1 0 1 1,2PSK方式下:,29,2 二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK

12、）（續(xù)）,舉例：DPSK調(diào)制、解調(diào)過程 設(shè)源碼序列為 =11010001011101 ，假設(shè)無傳輸差錯(cuò),30,3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能分析與比較,表中 為功率信噪比,31,3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能分析與比較（續(xù)）,二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較 有效性（頻帶寬度） 2ASK、2DPSK為 ；2FSK 為 可見,2ASK、2DPSK的有效性相同且優(yōu)于2FSK 可靠性 (誤碼率) 對(duì)于三種調(diào)制方式，相干解調(diào)方式都略優(yōu)于非相干解調(diào) 在相同性能（誤比特率）時(shí)，ASK、FSK、PSK 依次可節(jié)省3dB信噪比；即相同輸入信噪比時(shí)，從優(yōu)到劣的抗噪聲性能為：PSK 、FSK、ASK 對(duì)信道的敏感性 2A

13、SK最佳門限隨信號(hào)功率變化,不方便； 2FSK對(duì)兩個(gè)抽樣值比較，不需設(shè)置判決門限； 2PSK門限為0,與信號(hào)功率無關(guān)； 2DPSK進(jìn)行差分相干解調(diào)不需要相干載波,比較適用于信道不穩(wěn)定系統(tǒng).,32,3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能分析與比較（續(xù)）,結(jié)論 FSK與PSK、DPSK均為恒包絡(luò)，功率譜特性好。目前用得最多的數(shù)字調(diào)制方式是相干2DPSK和非相干2FSK 圖中所示：信號(hào)空間中信號(hào)點(diǎn)（矢端）距離歐幾里值距離比較明顯不同。從三種調(diào)制系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)來說，三者均滿足正交信號(hào)設(shè)計(jì)目標(biāo)： 。并以PSK、DPSK信號(hào) 為最優(yōu)，起到增加信噪比，降低誤差率的作用、而ASK信號(hào) FSK又分不連續(xù)與連續(xù)相位，也有少

14、許差別 （ ， ）,33,4 四相相移鍵控（QPSK）,多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的概念、特點(diǎn) 用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)去調(diào)制載波的振幅、頻率和相位，稱為多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。分為多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制、多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制以及多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制三種基本方式。 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的特點(diǎn) 在相同的碼元傳輸速率下（此時(shí)多元頻帶調(diào)制信號(hào)占用與二元信號(hào)相等帶寬 ，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的信息傳輸速率高于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)（ ），因此提高了信道帶寬利用率。 在相同的信息傳輸速率下，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的碼元傳輸速率低于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng) 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能低于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。,34,4 四相相移鍵控（QPSK）（續(xù)）,多

15、進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制的原理 多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制，它是利用載波的多種不同相位（或相位差）來表征數(shù)字信息的調(diào)制方式。 用M種相位 來表k比特碼元的 種狀態(tài)。假設(shè)相位數(shù) ， 比特碼元的持續(xù)時(shí)間為 。則M相調(diào)制波可以表示為 式中， 為受調(diào)相位，可有 種不同取值； 下面主要討論四相絕對(duì)相移調(diào)制，記為4PSK或QPSK和四相相對(duì)相移調(diào)制，記為4DPSK或QDPSK。,35,4 四相相移鍵控（QPSK）（續(xù)）,四相絕對(duì)相移鍵控QPSK 四進(jìn)制碼元又稱為雙比特碼元。它的前一信息用a代表，后一信息比特稱用b代表，雙比特碼元中兩個(gè)信息比特ab提出按照格雷碼（即反射碼）排列的。它與載波相位的關(guān)系如下表示。矢量圖如下。,

16、36,4 四相相移鍵控（QPSK）（續(xù)）,QPSK信號(hào)的產(chǎn)生 調(diào)相法（B方式） 注：串/并輸入信號(hào)碼速率等于 ,輸出信號(hào)碼速率等于 ，a支路和b支路信號(hào)的碼元寬度為 ， 為二進(jìn)制信號(hào)碼元寬度。,(b),b(0),b(1),a(0),a(1),(1,0),(1,1),(0,1),(0,0),37,4 四相相移鍵控（QPSK）（續(xù)）,QPSK信號(hào)的產(chǎn)生 相位選擇法 QPSK信號(hào)的特點(diǎn)：在信號(hào)空間（星座圖）有4個(gè)均勻分布在同圓上（恒包絡(luò)）上的信號(hào)點(diǎn)（星點(diǎn)），4個(gè)不同相位載波互為正交。即說明：已調(diào)信號(hào)的幅度相等，依靠不同相位來區(qū)分各信號(hào),串/并,變換,輸入,邏輯選相電路,四相載波發(fā)生器,帶通,濾波器,

17、輸出,38,4 四相相移鍵控（QPSK）（續(xù)）,QPSK信號(hào)的功率譜特性 串并變換器將輸入的二進(jìn)制序列依次分為兩個(gè)并行的雙極性序列。a序列和b序列的碼元周期為輸入的二進(jìn)制序列碼元周期的2倍，碼元傳輸速率為輸入的二進(jìn)制序列碼元傳輸速率的1/2。 設(shè)輸入的二進(jìn)制序列的碼元傳輸速率為 ，則QPSK的第一個(gè)零點(diǎn)以內(nèi)的頻帶寬度為 。此時(shí)的頻帶利用率為1B/Hz。,39,4 四相相移鍵控（QPSK）（續(xù)）,QPSK信號(hào)的解調(diào) 相干解調(diào) QPSK可以看作兩個(gè)正交的2PSK的合成，因此QPSK解調(diào)器由兩個(gè)2PSK信號(hào)相干解調(diào)器構(gòu)成,40,4 四相差分相移鍵控（DQPSK）,四相差分相移鍵控DQPSK 相對(duì)移相

18、調(diào)制利用前后碼元之間的相對(duì)相位變化來表示數(shù)字信息。,41,DQPSK信號(hào)的產(chǎn)生 碼變換加調(diào)相法（A方式）,4 四相差分相移鍵控（DQPSK）（續(xù)）,42,碼變換器的功能：將絕對(duì)碼轉(zhuǎn)換成相對(duì)碼 (設(shè)QDPSK的參考相位為0，采用A方式矢量圖) 舉例：DQPSK信號(hào)（差分碼及其相位）,4 四相差分相移鍵控（DQPSK）（續(xù)）,前一對(duì)碼元的相位狀態(tài)：,43,DQPSK信號(hào)的產(chǎn)生 碼變換加相位選擇法（B方式） DQPSK信號(hào)相位選擇法與產(chǎn)生QPSK信號(hào)的框圖相同。區(qū)別之處在于：這里的邏輯選相電路除了完成選擇載波的相位外，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)將絕對(duì)碼轉(zhuǎn)換成相對(duì)碼的功能。,4 四相差分相移鍵控（DQPSK）（續(xù)）,44,DQPSK信號(hào)的解調(diào) 相干解調(diào)（極性比較法） 這里碼變換器的功能恰好與發(fā)送端的相反，它需要將判決器輸出的相對(duì)碼恢復(fù)成絕對(duì)碼。,4 四相差分相移鍵控（DQPSK）（續(xù)）,45,差分相干解調(diào)（相位比較法） 相位比較法適用于接收A方式規(guī)定的相位關(guān)系的QDPSK信號(hào)。這種解調(diào)方法與極性比較法相比，相位比較法解調(diào)的原理就是直接比較前后碼元的相位。,4 四相差分相移鍵控（DQPSK）（續(xù)）,46,f,本章要點(diǎn),本章基本概念與內(nèi)容要點(diǎn) 1、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)的基本概念 2