通信原理第五章 基本的数字调制系统ppt课件.pptx

数字通信(1),第五章基本的数字调制系统,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,2,本章提要,二进制振幅键控（2ASK）二进制频移键控（2FSK）二进制相移键控（2PSK）二进制差分相移键控（2DPSK）二进制数字键控传输系统性能比较多进制数字键控,digital modulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,3,5.1 概述,数字基带信号的局限数字基带信号的功率谱集中于低频段，所以只适合在低通信道中传输，而不适合在频率较高的带通信道中传输。数字调制的目的为使数字信号能在带通信道中传输，必须将数字基带信号的功率谱从低频段搬移到较高的频率。实现频率搬移的方法就是调制，即用数字基带信号对载波进行调制。三种基本数字调制方式振幅键控（ASK）频移键控（FSK）相移键控（PSK）,digital modulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,4,5.1 概述,三种基本数字调制方式的典型波形,bandpass transmission,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,5,5.1 概述,数字调制与模拟调制的比较,analog modulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,6,5.2 二进制振幅键控（2ASK）,2ASK原理2ASK信号的码元“1 ”和“0 ”分别用两个不同的振幅 A 和 0 表示。2ASK信号的频率和初始相位保持不变。2ASK信号的时域表达式 2ASK = cos 0 + 发送“1”时 0 发送“0”时 通常称为通断键控（OOK）。,amplitude-shift keying (ASK),数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,7,5.2 二进制振幅键控（2ASK）,2ASK 信号的典型波形,On-Off Keying (OOK),t,t,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,8,5.2 二进制振幅键控（2ASK）,2ASK信号的调制相乘法开关法,binary ASK (BASK),数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,9,5.2 二进制振幅键控（2ASK）,2ASK 信号的非相干解调包络检波,noncoherent demodulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,10,5.2 二进制振幅键控（2ASK）,包络检波器各点的波形,envelope detect,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,11,5.2 二进制振幅键控（2ASK）,2ASK 信号的相干解调,full-wave rectify,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,12,5.2 二进制振幅键控（2ASK）,相干解调器各点的波形,coherent demodulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,13,5.2 二进制振幅键控（2ASK）,2ASK 信号的功率谱密度设二进制序列 () 的功率谱为 ，则 2ASK 信号的功率谱密度为 2ASK = 1 4 + 0 + 0 2ASK 信号的功率谱为基带信号功率谱的线性搬移。0-1等概率单极性 NRZ 码的功率谱密度 = 4 sinc 2 + 1 4 ,local carrier,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,14,5.2 二进制振幅键控（2ASK）,0-1 等概率 2ASK 信号的功率谱密度 = 4 sinc 2 + 1 4 2ASK = 1 4 + 0 + 0 = 16 sinc 2 + 0 + sinc 2 0 + 1 16 + 0 + 0 2ASK的带宽 2ASK =2 ,bandwidth,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,15,5.2 二进制振幅键控（2ASK）,2ASK 信号的误码率假设 0-1 等概率设 为信噪比相干解调器的信噪比与误码率 e = 1 2 erfc 2 包络检波器的信噪比与误码率 e = 1 4 erfc 2 + 1 2 4,error probability,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,16,5.2 二进制振幅键控（2ASK）,误码率曲线,signal-to-noise ratio,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,17,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 原理2FSK信号的码元 “0” 和“1”分别用两个不同频率的正弦波传输。2FSK信号的振幅和初始相位保持不变。2FSK信号的时域表达式 2FSK = cos 1 + 1 发送“1”时 cos 0 + 0 发送“0”时 数字信号 1 对应于载波频率 1 数字信号 0 对应于载波频率 0,frequency-shift keying (FSK),数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,18,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 信号的波形,1,1,1,1,0,0,0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0,数字基带信号,2FSK信号,binary FSK (BFSK),数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,19,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 信号的调制调频法开关法（选频法）,frequency selection,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,20,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 信号的非相干解调包络检波,lowpass filter (LPF),定时脉冲,输入,输出,带通滤波 0,包络检波器,抽样判决器,包络检波器,带通滤波 1,2FSK 信号的相干解调,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,21,5.3 二进制频移键控（2FSK）,bandpass filter (BPF),低通滤波,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,22,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 信号的非相干解调过零点检测法,amplitude limiter,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,23,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 过零检测法各点的波形,monostable trigger,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,24,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 信号的分解,signal resolution,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,25,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 信号的功率谱密度一个 2FSK 信号可表示成两个 2ASK 信号之和 2FSK = 1 + 0 = cos 1 + cos 0 一个 2FSK 信号的功率谱密度为两个 2ASK 信号的功率谱密度之和 2FSK = 1 4 1 + 1 + 1 1 + 1 4 0 + 0 + 0 0,power spectral density,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,26,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 信号的功率谱密度 2FSK = 16 sinc 2 + 1 + sinc 2 1 + 16 sinc 2 + 0 + sinc 2 0 + 1 16 + 1 + 1 + 1 16 + 0 + 0,sinc function,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,27,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 信号频谱图,impulse function,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,28,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 信号频谱图,impulse function,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,29,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 信号频谱图,impulse function,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,30,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 信号频谱图,impulse function,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,31,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 频谱分析信号带宽：= 1 0 +2 若 1 0 =2.0 ，在解调时可用两个滤波器分别滤出两个载波频率的信号，从而实现解调。若 1 0 =1.0 ，两个频带的信号发生重叠，用滤波器无法将它们分开，即无法用滤波法实现解调。若两个载波满足正交条件，可采用相干解调的方法将它们分离，从而实现解调。,orthogonal,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,32,5.3 二进制频移键控（2FSK）,最小频率间隔正交条件 0 cos 1 + 1 cos 0 + 0 =0 1 2 0 cos 1 + 0 + 1 + 0 + cos 1 0 + 1 0 = sin 1 + 0 + 1 + 0 sin 1 + 0 1 + 0 + sin 1 0 + 1 0 sin 1 0 1 + 0 =0 1 0 =2 为整数,interval,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,33,5.3 二进制频移键控（2FSK）,最小频率间隔 1 0 =2 1 0 = 1 0 = 当取 =1 时，得到最小频率间隔为 1 。当1 = 0 = 0 时，取n = 1，最小频率间隔 1/2T。 1 0 = 1 0 = 1 2 1 0 = 2,integer,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,34,5.3 二进制频移键控（2FSK）,2FSK 信号的误码率相干解调的信噪比与误码率 e = 1 2 erfc 2 其中 为信噪比包络检波的信噪比与误码率 e = 1 2 2,complementary error function,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,35,5.3 二进制频移键控（2FSK）,误码率曲线,curve,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,36,5.4 二进制相移键控（2PSK）,2PSK 原理2PSK信号的码元 “0” 和 “1” 分别用两个不同的初始相位 “0” 和 “” 表示。载波的幅度和频率保持不变。2PSK信号的时域表达式 2PSK = cos 0 发送“0”时 cos 0 + 发送“1”时 = cos 0 发送“0”时 cos 0 发送“1”时,phase-shift keying (PSK),数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,37,5.4 二进制相移键控（2PSK）,2PSK 信号的典型波形,binary PSK (BPSK),数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,38,5.4 二进制相移键控（2PSK）,2PSK 信号的调制相乘法（直接调相法）,polar signal,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,39,5.4 二进制相移键控（2PSK）,相乘法各点波形,phase discontinuity,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,40,5.4 二进制相移键控（2PSK）,2PSK信号的调制相位选择法,phase selection,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,41,5.4 二进制相移键控（2PSK）,相位选择法各点波形,inverter,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,42,5.4 二进制相移键控（2PSK）,2PSK 信号的解调,sampling decision,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,43,5.4 二进制相移键控（2PSK）,2PSK 解调器的各点波形,synchronization,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,44,5.4 二进制相移键控（2PSK）,本地载波提取中的相位不确定性从 PSK 信号中提取本地载波，其相位与原载波相比，可能为 0，也可能为 。这就是相位不确定性。,phase ambiguity,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,45,5.4 二进制相移键控（2PSK）,2PSK 信号的功率谱密度2PSK 的数字基带信号 为双极性非归零码。当“0”和“1”等概率出现时，其功率谱密度为 = 2 2PSK信号的功率谱密度为 2PSK = 1 4 + 0 + 0 = 4 sinc 2 + 0 + sinc 2 0 ,equal probability,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,46,5.4 二进制相移键控（2PSK）,2PSK 信号的频谱图,synchronization,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,47,5.4 二进制相移键控（2PSK）,2PSK 信号的信噪比与误码率相干解调的误码率 e = 1 2 erfc 其中 为信噪比2PSK 没有非相干解调,error rate,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,48,5.4 二进制相移键控（2PSK）,误码率曲线,curve,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,49,5.5 二进制差分相移键控（2DPSK）,基本原理2PSK 信号的特点2PSK 信号是利用载波的不同相位直接表示数字信息，也称为绝对相移。2DPSK 信号的特点2DPSK 信号利用载波的相对相位值表示数字信息，也称为相对相移。2DPSK 的实现首先，将基带信号由绝对码转换成相对码；然后，用相对码对载波进行2PSK调制。,differential phase-shift keying (DPSK),数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,50,5.5 二进制差分相移键控（2DPSK）,2DPSK 信号的表示 2DPSK = cos 0 + 0上式中， 为 =0 发送“0”时 = 发送“1”时,differential code,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,51,5.5 二进制差分相移键控（2DPSK）,码变换器把绝对码变换成相对码。,code converter,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,52,5.5 二进制差分相移键控（2DPSK）,2DPSK 信号的调制,oscillator,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,53,5.5 二进制差分相移键控（2DPSK）,2DPSK 调制器各点波形,absolute code,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,54,5.5 二进制差分相移键控（2DPSK）,2DPSK 信号的解调相位比较法,delay,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,55,5.5 二进制差分相移键控（2DPSK）,相位比较法各点波形,phase comparator,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,56,5.5 二进制差分相移键控（2DPSK）,2DPSK 信号的解调相干解调法（极性比较法）,polarity comparator,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,57,5.5 二进制差分相移键控（2DPSK）,相干解调法各点波形,inverse code converter,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,58,5.5 二进制差分相移键控（2DPSK）,逆码变换,sequence,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,59,5.5 二进制差分相移键控（2DPSK）,2DPSK 信号的功率谱密度2DPSK 信号的功率谱密度与 2PSK 信号的功率谱相同。2DPSK 信号的信噪比与误码率相位比较法（非相干法） e = 1 2 相干解调法（极性比较法） e = 1 2 erfc 1 1 2 erfc ,exponential function,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,60,5.5 二进制差分相移键控（2DPSK）,误码率曲线,decibel,5.6 二进制数字键控传输系统性能比较,各种二进制键控方法的误码率曲线,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,61,transmission performance,5.6 二进制数字键控传输系统性能比较,各种二进制键控方法的误码率公式,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,62,transmission performance,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,63,5.7 多进制数字调制,引言二进制中，每码元传输 1 比特信息； 进制中，每码元传输传输 比特的信息，有= log 2 或 = 2 二进制键控信号的信噪比为= 2 2 2 进制（即 比特）键控信号的信噪比为 = ,M-ary digital modulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,64,5.7.1 多进制振幅键控（MASK）,MASK 原理MASK 信号的码元 0, 1, , 1 分别用 种不同振幅的正弦波表示。MASK 信号的频率和初始相位保持不变。MASK 信号的时域表达式 MASK = 0 发送“0”时 cos 0 + 发送“1”时 1 cos 0 + 发送“1”时,M-ary ASK,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,65,5.7.1 多进制振幅键控（MASK）,MASK 信号的时间波形,multi-level signal,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,66,5.7.1 多进制振幅键控（MASK）,抑制载波的 MASK 信号的时间波形,waves,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,67,5.7.1 多进制振幅键控（MASK）,MASK 信号的时域分解,decomposition,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,68,5.7.1 多进制振幅键控（MASK）,MASK 信号的功率谱功率谱由于 MASK = 0 + 1 + 2 + 3 所以 MASK = 0 + 1 + 2 + 3 频带宽度由于 2ASK =2 B 所以 MASK =2 B 信息速率MASK 信号的信息速率为 2ASK 信号信息速率的 log 2 倍。,bit rate,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,69,5.7.1 多进制振幅键控（MASK）,MASK 信号的信噪比与误码率 e = 1 1 erfc 3 2 1 式中的 为 MASK 信号的信噪比。当 = 2 时，上式为 e = 1 2 erfc 这是 2PSK 相干解调的误码率公式。,error function complement,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,70,5.7.1 多进制振幅键控（MASK）,误码率曲线,signal-noise-ratio,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,71,5.7.2 多进制频移键控（MFSK）,MFSK 原理MFSK 信号的码元 0, 1, , 1 分别用 种不同频率的正弦波表示。MFSK 信号的振幅和初始相位保持不变。MFSK 信号的时域表达式 MFSK = cos 0 + 0 发送“0”时 cos 1 + 1 发送“1”时 cos 1 + 1 发送“1”时,M-ary FSK,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,72,5.7.2 多进制频移键控（MFSK）,MFSK 信号的时间波形,baseband signal,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,73,5.7.2 多进制频移键控（MFSK）,MFSK 信号的功率谱及其带宽 MFSK = 1 0 +2 其中 为数字基带信号的带宽。,frequency spectrum,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,74,5.7.2 多进制频移键控（MFSK）,MFSK 信号的调制,series-parallel converter,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,75,5.7.2 多进制频移键控（MFSK）,MFSK 信号的非相干解调,logical decoder,5.7.2 多进制频移键控（MFSK）,MFSK 信号的信噪比与误码率非相干解调的误码率 e = =1 1 1 1 1 1 +1 2 2 +1 2 式中， 1 为二项式展开系数。相干解调的误码率 e =1 1 2 2 2 1 2 + 2 2 2 1 ,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,76,parallel-series converter,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,77,5.7.2 多进制频移键控（MFSK）,误码率曲线非相干解调,non-coherent demodulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,78,5.7.2 多进制频移键控（MFSK）,误码率曲线相干解调,coherent demodulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,79,5.7.3 多进制相移键控（MPSK）,MPSK 原理MPSK 信号的码元 0, 1, , 1 分别用 种不同相位的正弦波表示。MPSK 信号的振幅和频率保持不变。MPSK 信号的时域表达式 MFSK = cos 0 + 0 发送“0”时 cos 0 + 1 发送“1”时 cos 0 + 1 发送“1”时,M-ary PSK,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,80,5.7.3 多进制相移键控（MPSK）,MPSK 的两种相位编码方式MPSK 的时域表达式 MPSK = cos 0 + =0,1,1方式 A = 2 =0,1,1方式 = 2 + =0,1,1,constellation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,81,5.7.3 多进制相移键控（MPSK）,MPSK 信号的星座图表示,constellation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,82,5.7.3 多进制相移键控（MPSK）,MPSK 信号的正交分解 MPSK = cos 0 + = cos 0 cos sin 0 sin = cos 0 sin 0 式中 称为同相分量； 称为正交分量。,quadrature modulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,83,5.7.3 多进制相移键控（MPSK）,QPSK 信号的正交调制,in-phase component,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,84,5.7.3 多进制相移键控（MPSK）,QPSK 正交调制的各点波形,quadrature component,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,85,5.7.3 多进制相移键控（MPSK）,QPSK 信号的相位选择调制,quadrature modulator,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,86,5.7.3 多进制相移键控（MPSK）,QPSK 相位选择调制各点波形,Quadrature Phase Shift Keying,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,87,5.7.3 多进制相移键控（MPSK）,QPSK信号的解调,regenerator,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,88,5.7.3 多进制相移键控（MPSK）,误码率曲线,Bit Error Rate (BER),数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,89,5.7.4 多进制差分相移键控（MDPSK）,基本原理类似于 2DPSK 对于 2PSK，MDPSK 是对当前码元的相位与前一相邻码元的相位之差进行 MPSK。例如：对于 QDPSK，若前一相邻码元的相位 90 ，而当前输入的码元为 180 ，则相应的 QDPSK 的相位为 270。再如：若前一相邻码元的相位为270 ，而当前输入的码元也为270，则相应的QDPSK的相位为540 ，即180 。与 2DPSK 相似，MDPSK 也可有效克服相位不确定的缺点。,M-ary differential PSK (MDPSK),数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,90,5.7.4 多进制差分相移键控（MDPSK）,QDPSK 信号的编码规则和码变换,code conversion,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,91,5.7.4 多进制差分相移键控（MDPSK）,QDPSK 正交调制, QDPSK , ,串并转换,码变换,载波发生,移相 45,移相 45,电平产生,电平产生,quadrature modulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,92,5.7.4 多进制差分相移键控（MDPSK）,QDPSK 信号的正交解调,quadrature demodulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,93,5.7.4 多进制差分相移键控（MDPSK）,逆码变换,inverse of code conversion,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,94,5.7.4 多进制差分相移键控（MDPSK）,QDPSK 信号的相位比较解调,phase comparer,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,95,5.7.4 多进制差分相移键控（MDPSK）,误码率曲线,phase comparator,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,96,5.7.5 振幅相位联合键控（APK）,基本原理 APK = cos 0 + , =0,1,2,1式中， 和 可取 个离散值。APK 信号的正交分解 APK = cos cos 0 sin sin 0 = cos 0 sin 0 和 分别为同相分量和正交分量。APK 信号常常被称为 QAM 信号QPSK 信号是一种最简单的 QAM 信号,amplitude phase keying (APK),数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,97,5.7.5 振幅相位联合键控（APK）,16PSK 和 16QAM 信号的星座图,quadrature amplitude modulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,98,5.7.5 振幅相位联合键控（APK）,32QAM 星座图,constellation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,99,5.7.5 振幅相位联合键控（APK）,128QAM 星座图,Quadrature Amplitude Modulation,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,100,5.7.5 振幅相位联合键控（APK）,MQAM 信号的调制,carrier generator,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,101,5.7.5 振幅相位联合键控（APK）,MQAM 信号的解调,phase shifter,数字通信(1) 第五章 基本的数字调制系统,102,本章习题,7-17-2,