数字调制技术课件.ppt
2023年1月21日星期六,数字通信原理,数 字 通 信 原 理 Principles of Digital Communication,中南大学信息科学与工程学院Central South UniversityCollege of Information Science and Engineering,2023年1月21日星期六,数字通信原理,第一讲 绪论第二讲 信息论基础和信号分析第三讲 模拟调制技术第四讲 信源编码技术第五讲 数字基带传输第六讲 数字调制技术第七讲 差错控制编码,目 录,2023年1月21日星期六,数字通信原理,第六讲 数字调制技术,6.1 概 述6.2 二进制数字调制6.3 多进制调制系统6.4 改进型数字调制技术,2023年1月21日星期六,数字通信原理,1 概 述,一、基本概念1、调制与解调为使基带信号能利用某些不能直接传输基带信号的信道有效进行传输，或要进行多路信号复用，用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，这种方法称为。必要性：基于实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号。,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2、频带信号和载波信号频带信号是基带信号对载波进行调制后产生的信号。载波信号又称载波，即被调信号。一般选正弦信号为基准信号。3、数字传输系统分为两种：基带传输系统和频带传输系统。基带传输系统：直接在信道中传输基带信号的系统。频带传输系统是解决在模拟信道上数据传输的问题。基本原理：把数据信号寄生在载波的某个参数上：幅度、频率和相位，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制和相位调制频带传输与基带传输的区别：增加调制（发端）和解调（收端）,2023年1月21日星期六,数字通信原理,4、键控法数字信号采用时间和取值的离散性对正弦振荡的振幅、频率和相位变化进行控制，使受控参数离散化，实现开关控制，称为。分为三种：振幅键控、移频键控和相移键控。振幅键控是指用载波幅度的变化来反映调制信号变化的调制过程。移频键控是指用载波的频率反映调制信号变化的调制过程。相移键控是指用载波的相位变化来反映调制信号变化的调制过程。,2023年1月21日星期六,数字通信原理,二、分类 1、按调制参数不同：ASKAmplitude_Shift KeyingFSKFrequency_Shift KeyingPSKPhase_Shift Keying 2、按电平数目的不同：二进制调制多进制调制 3、根据已调信号的频谱结构的不同特点：线性调制满足线性关系，频谱搬移非线性调制,2023年1月21日星期六,数字通信原理,4、解调分类：相干解调同步检波法，由接收信号与本地参考载波信号的互相关运算完成。非相干解调包络检波法，不需载波信号。三、数字调制系统基本结构,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2 二进制数字调制,1、调制原理 用开关的通或断来进行调制，即用二进制矩形脉冲信号的“1”和“0”控制开关的通和断，从而是载波通过或不通过。,6.2.1 振幅键控ASK,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2、调制原理框图,2023年1月21日星期六,数字通信原理,3、ASK信号波形,2023年1月21日星期六,数字通信原理,（2）频域表示,2023年1月21日星期六,数字通信原理,（2）频域表示,设0、1等概出现，且采用单极性矩形随机脉冲序列，则：,2023年1月21日星期六,数字通信原理,（3）频谱图（P172，图72）,2023年1月21日星期六,数字通信原理,4、结论：（1）ASK信号是由连续谱和离散谱两部分组成，连续谱取决于双边带谱，离散谱取决于载波分量，只在本身的载波分量上出现；（2）信号带宽为原基带信号带宽的两倍，即。,（3）OOK信号的第一旁瓣值比主峰值衰减14dB。,频带利用率是原基带信号的一半，即,2023年1月21日星期六,数字通信原理,5、解调主要方法：相干检测法、非相干检测法非相干解调法原理框图,特点：电路简单；准确性不太理想，信号影响较大；在相同误码率情况下，S/N比相关解调的信噪比高1dB；抗噪声性能稍差于相干解调；,2023年1月21日星期六,数字通信原理,相干解调法原理框图,解调部分由乘法器和低通滤波器组成，由本机产生同步信号为AcosLt，则 解调器接收到的信号为：SASK(t)=s(t)Acosct 通过相乘器的信号变为：y(t)A*As(t)cosct*cosLt 因为幅度与讨论结果无关，故省去，同时，积化和差：y(t)=s(t)cos(c-L)t+s(t)cos(c+L)t 经过低通滤波器输出为:y(t)=0.5*S(t)cos(c-L)t,2023年1月21日星期六,数字通信原理,特点采用同步解调法，需有一个和载波保持同频同相的相干振荡信号，否则会造成解调后的波形失真，一般采用锁相环路或窄带滤波来提取同步信号；实现困难，技术要求高，设备复杂；,2023年1月21日星期六,数字通信原理,一、调制原理 用基带数据信号控制载波频率。当传送“1”码时送出一个频率f1，传送“0”码时送出另一个频率f0。应用在低速或中低速的数据传输中。1、分类相位连续的频移键控相位不连续的频移键控,6.2.2 频移键控FSK,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2、信号组成,定义：(1)标称载频(2)频移宽度,2023年1月21日星期六,数字通信原理,图5-50 2FSK信号的产生及波形,2023年1月21日星期六,数字通信原理,3、信号波形,4、ITU建议 对于600/1200Baud的数据调制解调器，使用二进制FSK调制，安排如下：码元速率 1 23 600Baud 1300 1700 1500 400 1200Baud 1300 2100 1700 800,2023年1月21日星期六,数字通信原理,5、频谱表示及频谱图,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2023年1月21日星期六,数字通信原理,二、调制方式和框图两种调制方法：频率选择法键控法载波调制法直接调频法频率选择法：通过数字信号控制两个载波的通断，产生相位不连续的信号；载波调制法：用数字脉冲直接控制振荡器的某个参数，从而实现跳频转换，产生的是相位连续的FSK信号，但频率稳定性差。,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2023年1月21日星期六,数字通信原理,三、结论相位不连续FSK信号的功率谱与ASK信号相似，由连续谱和离散谱组成，离散谱出现在两个频率1和2的位置；两个载频相隔较远，则出现两个峰值，当下降时，则变成了ASK信号，设带宽为第一个零点之间的带宽间隔，则：BFSK=2s+|2-1|=BFSK=ms+2s 相对频偏（频率偏移量）：D|2-1|/s 归一化频率：x(-0)/smin=1/3bit/s/Hz；相位连续信号的带宽小于相位不连续的带宽；,2023年1月21日星期六,数字通信原理,解调方法有多种：鉴频法、零交点法（过零检测法）、分路滤波、包络检波、差分检波等；分路检波法原理框图,四、解调,2023年1月21日星期六,数字通信原理,图5-52 2FSK信号包络检波方框图及波形图,2023年1月21日星期六,数字通信原理,基本原理是根据频移键控的过零率的大小来检测已调信号中的频率变化。输入待调信号，经整形、微分、整流后形成与频率变化相立的脉冲序列，用此形成一定宽度的矩形波，经积分电路滤除高次谐波，抽样判决立即可得到原始的数字信号序列。工作原理框图,过零检测法,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2023年1月21日星期六,数字通信原理,利用载波的相位变化来反映数字信号，载波的振幅和频率均不变化。应用很广泛，抗噪声性能比ASK和FSK都更优，频带利用率较高。应用在中、高速的数据传输中。分类绝对调相PSK，利用载波的绝对相位表示0和1；相对调相DPSK，利用载波的相对相位表示0和1；,6.2.3 移相键控PSK和DPSK,2023年1月21日星期六,数字通信原理,设正弦信号（载波）为Acosct，则：,一、2PSK,S(t)看成双极性不归零信号，则：,其中，g(t)为矩形脉冲，码宽为Tc。,2023年1月21日星期六,数字通信原理,1、PSK信号波形,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2、频谱分析,由于信号为双极性不归零信号，设p0.5，则：,2023年1月21日星期六,数字通信原理,3、结论,2PSK信号不具备离散谱，而只存在连续谱；B2s，=1/2Baud/Hz；,4、PSK信号产生,直接调相法：根据绝对移相信号等于双极性基带信号与载波相乘的原理产生PSK信号，用平衡调制器来实现；相位选择法：选择输出2种不同相位的载波表示原始信号。,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2023年1月21日星期六,数字通信原理,5、解调,相干解调：关键在于提取相干载波，通常采用倍频分频法获取载波。,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2023年1月21日星期六,数字通信原理,差分调相，利用前后码元载波相位的差值传送数字信号。可解决相位模糊的问题，实际系统中采用的就是DPSK方法。,二、2DPSK,1、DPSK调制原理,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2、DPSK信号波形,2023年1月21日星期六,数字通信原理,3、DPSK信号的产生,直接调相法：在每次脉冲到来时都变换一次极性；间接调相法：先将基带信号变为差分码，然后进行绝对调相；,4、DPSK信号的解调,相位比较法：又称差分相干解调法，根据前后码元相差来获得信息基带信号；极性比较法：先将DPSK信号按绝对移相接收，获得码元序列后进行码变换，变为绝对码。,2023年1月21日星期六,数字通信原理,6.2.4 各种数字调制的性能比较,一、误码率1、ASK相干解调2、ASK非相干解调3、FSK相干解调4、FSK非相干解调5、PSK非相干解调6、DPSK差分相干解调,2023年1月21日星期六,数字通信原理,Pe,10,10-1,10-2,10-3,10-4,10-5,10-6,10-7,0,4,8,12,16,PSK,DPSK,ASK,FSK,（非相干）,ASK,FSK,（相干）,图4-21 各种数字调制系统Pe曲线,2023年1月21日星期六,数字通信原理,二、结论在Pe小于104区域内，双极性PCM抗噪声性能最好，PSK相干解调较好，其次是DPSK、ASK/FSK相干解调、ASK/FSK非相干解调；在DPSK和PSK相同误码率情况下，相同误码率条件下，,2023年1月21日星期六,数字通信原理,在抗高斯噪声方面，PSK最好，依次是DPSK，ASK/FSK最差；在相同误码率条件下，PSK和ASK信号的频带利用率比FSK好；相干系统的性能优于非相干系统；传输速率与系统的误码率的关系来看，同一调制解调方式下，较高数码率的系统误码率将大于较低数码率的系统；,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2023年1月21日星期六,数字通信原理,3 多进制调制系统,为提高传输信息的有效性（提高传信率或系统利用率）和可靠性（抗噪声性能），对基本的数字调制进行改进；常用的多进制调制系统有多进制键控系统，MASK、MFSK、MPSK等；高斯最小频移键控GMSK最小频移键控MSK正交部分响应键控QPRK时域调制方式幅相键控APK等,2023年1月21日星期六,数字通信原理,优点在相同信道码元传输速率下，传信率是二进制的log2L；在相同传信率下，多进制的传码率小于二进制的传码率，因此，需要带宽小；,2023年1月21日星期六,数字通信原理,一、MASK1、键控信号：,6.3.1 多进制幅度键控MASK和 多进制频率键控MFSK,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2、结论由于SMASK(t)可以看成是时间上互不相关的L个不同振幅的二电平通断键控信号的叠加，因此其功率谱密度便是L个信号的功率谱密度之和；多电平调制信号的带宽必定和二电平调制信号带宽相同，但其信息传输速率是二电平的logL倍，实现了6bit/s/Hz的频带利用率；若保持与2ASK系统相同的误码率，则多进制的信噪比和二进制相比大6dB，功率消耗大，实际工程中很少采用；,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2023年1月21日星期六,数字通信原理,二、MFSK是二进制FSK的简单推广，又称多频制；,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2023年1月21日星期六,数字通信原理,主要特点多频制同样具有多进制调制的一切特点，占用较宽频带，抗噪声性能低于2FSK信号；多频制的信道利用率不高多频制一般在调制速率不高的传输系统使用MFSK信号的产生方式是频率选择法，获得相位不连续的MFSK信号；解调一般采用非相干解调；,2023年1月21日星期六,数字通信原理,三、MPSK是多相调制，用多种相位或相位差表示数据信息，可提高通信有效性和可靠性；常用的有4相制和8相制；,2023年1月21日星期六,数字通信原理,2相、4相、8相数字调制方式的向量图:,2023年1月21日星期六,数字通信原理,QPSK四相绝对相位键控有两种方式：A、B方式(ITU定义）信号表示：,2023年1月21日星期六,数字通信原理,QPSK四相绝对相位键控调制方式：直接调相法、相位选择法直接调相法原理框图：,2023年1月21日星期六,数字通信原理,相位选择法原理框图：,解调：,2023年1月21日星期六,数字通信原理,QDPSK四相相对相位键控调制方式：码型变换直接调相 码型变换相位选择解调方法：相干解调码型变换 差分相干解调2DPSK与4DPSK、8DPSK的比较 2DPSK QDPSK 8DPSK信息量：1倍 2倍 3倍误码率：低 较高 高,2023年1月21日星期六,数字通信原理,4 改进型数字调制技术,目标提高频带利用率；减小信号功率占用带宽；减小带外辐射，针对于十分密集的频道；抗多径效应，抗码间干扰，提高纠错能力等；,2023年1月21日星期六,数字通信原理,一、MSK,Minimum Frequency Shift Keying最小移频键控,是2FSK的改进方式，是调制指数为0.5的连续相位频率键控调制；2FSK的缺点：每个码元的频率不变或跳变某一固定值，可能引起带外辐射增大；MSK主要是消除两码元之间跳变处的高频辐射；信号表示：,2023年1月21日星期六,数字通信原理,产生方式：正交载波调制方法解调：相干解调，其误码率为,结论：MSK相干解调的抗噪声性能与2PSK系统相同，具有最优的抗噪声性能；MSK带宽利用率高，并减少了相邻信道的干扰；频带利用率，MSK优于FSK和2PSK,同步恢复比较方便，可广泛采用；,2023年1月21日星期六,数字通信原理,二、APKAmplitude Phase Keying,又称QAM方式，是对载波的振幅和相位同时进行调制的方式，常称为数字复合调制方式；信号表示：,g(t)为宽度是Tb的单个矩形脉冲；an和 可取多个值（N个值）；当MN4时，得16APK信号，星座调制；,2023年1月21日星期六,数字通信原理,三、偏移四相相移键控OQPSK,是在QPSK基础上发展起来的一种恒包络数字调制技术，QPSK的改进型，又称交错正交移频键控；目的：减小高频分量；保持已调信号包络的恒定；做法：在QPSK信号的基础上，将同相和正交两支路码流在时间上错开半个码元周期。,
