第6章 正弦载波数字调制系统
第六章数字调制系统数字频带传输系统1引言
第六章 数字调制系统（数字频带传输系统）6.1 引 言在实际通信中，有不少信道都不能直接传送基带信号，而必须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，即所谓调制。
数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在收端对载波信号的离散调制参量进行检测。
数字调制信号也称键控信号。
在二进制时，有ASK ~ 振幅键控 FSK ~ 移频键控PSK ~ 移相键控正弦载波的三种键控波形 见樊书P129，图6－16.2 二进制数字调制原理6.2.1 二进制振幅键控（2ASK ） 一、一般原理及实现方法2ASK 是用“0”，“1”码基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。
最早使用的载波电报就是这种情况。
数字序列{}n a()t s 单极性基带脉冲序列 ()()t t s t e cω=cos 0 与t c ωcos 相乘，()t s 频谱搬移到c f ±附近，实现2ASK 。
{}n a 信号2ASK 调制的方框图转换成数字调制系统的基本结构图带通滤波器滤出所需已调信号，防止带外辐射，影响邻台。
二、2ASK 信号的功率谱及带宽()()()()∑∞-∞=-=ω=n s n c nT t g a t s tCos t s t e 0 ⎩⎨⎧-=ppa n 110，概率为，概率为随机变量()()()()()()()()()ss T f j s a s T j s a s e fT S T f G eT S T G E t e S t s G t g 002 π-ω-⋅π=⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛ω=ωω↔ω↔ω↔或，设 ()()()[]c c S S E ω-ω+ω+ω=ω21()()()的功率为：则在频率轴上互不重叠，，假如t e S S c c 0ω-ωω+ω()()()[]()()()[]c S c S E c S c S E f f P f f P f P P P P -++=ω-ω+ω+ω=ω4141或)(f P S 为)(t s 的功率谱，可见，知道了)(f P S 即可知道)(f P E 。
现代通信原理正弦载波数字调制系统
2ASK信号的非相干解调
r t eo t nR t
包络检波
低通 滤波器
eo t
带通 滤波器
半波或全 波整流器
y t
输出 抽样 判决器 定时脉冲
n t
Hf
B 2BG
BG B f c
nR t nc t cosct ns t sin ct 窄带高斯噪声
-9-
-2
-1
1
2
fc
现代通信原理 Principle of Modern Communications
2ASK信号的产生
模拟相乘法
s(t ) an g (t nTs )
cos ct
eo t
二进制单极性不 归零基带信号
数字键控法：利用数字基带信号控制载波的幅值 载波 开关电路 cosct an 1 eo t an 0 0 cosct s(t) 通-断键控(OOK,On-Off Keying)
BG：基带信号带宽
-12-
fc
f
f
现代通信原理 Principle of Modern Communications
1 nc t cos ct ns t sin ct r t eo t nR t nc t cos ct ns t sin ct
st an g t nTs
n
2ASK信号的功率谱
eo t PE f , st Ps f PE f 1 Ps f f c Ps f f c 4
所以2ASK属于线性调制。
-7-
现代通信原理 Principle of Modern Communications
第6章 正弦载波数字调制
第四章 数字调制与解调技术
图6-20 2DPSK波形画法举例
第四章 数字调制与解调技术
3．二进制相位键控信号的频谱和带宽
图6-21 二进制相位键控信号的功率谱
由图6-21可见，若只计及功率谱主瓣宽度，则二进制相位 键控信号的带宽为
B2PSK= B2DPSK 2Bg = 2fB =
第四章 数字调制与解调技术
第四章 数字调制与解调技术
相对移相键控（DPSK—Differential Phase Shift Keying），又称为差分相位键控。它是利用前后相 邻码元之间已调信号中载波相位的相对变化来表示 数字基带信号的。载波相位的相对变化通常是指本 码元初相与前一码元的终相比较，是否发生相位变 化。2DPSK信号的波形示例如图6-16所示。 假设码元宽度为 TB 载波周期 Tc 的1.5倍，并假 设“1”码相位发生变化，“0”码相位不变。为了便 于比较，图中还画出了载波和2PSK信号的波形。
第四章 数字调制与解调技术
为了满足某些特定的要求，人们还在一些 基本的数字调制方式的基础上，研制出了多种派 生的、新型的数字调制方式，如正交振幅调制、 最小频式来。
第四章 数字调制与解调技术
第二节
二进制数字调制与解调
一、二进制振幅键控
第四章 数字调制与解调技术
因此，2FSK信号的功率谱密度可以看成是这两 个2ASK信号功率谱密度（中心频率不同）之和。根据 式(4-7)知，这种2FSK信号的功率谱密度为
P2FSK ( f ) =
1 2 2 f B P(1 − P)[ G ( f + f 1 ) + G ( f − f1 ) ] 4 1 2 2 + f B P(1 − P)[ G ( f + f 2 ) + G ( f − f 2 ) ] 4 1 2 2 2 + f B P G (0) [δ ( f + f1 ) + δ ( f − f1 )] 4 1 2 2 + f B (1 − P) 2 G (0) [δ ( f + f 2 ) + δ ( f − f 2 )] 4
通信原理第6-7章正弦载波数字调制课件
B
2 ASK
=2
f
b
f
b
是数字基带信号的码元速率
6.2.1 二进制数字振幅键控（2ASK） 二进制数字振幅键控（ ） 系统性能（ 中的部分内容） 四、2ASK系统性能（6.3中的部分内容） 系统性能 中的部分内容 计算由于噪声影响所造成的码元错误概率。方法是： 计算由于噪声影响所造成的码元错误概率。方法是： （1）求出用于取样判决的瞬时值的概率密度函数； ）求出用于取样判决的瞬时值的概率密度函数； （2）根据判决门限，求出系统误码率公式。 ）根据判决门限，求出系统误码率公式。 1、相干解调 、 取样判决器输入端的瞬时值为： 取样判决器输入端的瞬时值为：
p = P(0)P(1/ 0) + P(1)P(0 /1)
e
= P ( 0 ) P ( x > b ) + P (1) P ( x ≤ b ) ∞ b = P ( 0 ) ∫b f 0 ( x ) dx + P (1) ∫− ∞ f1 ( x ) dx r 1 = erfc 2 2
第6章 正弦载波数字调制 章
本章主要内容： 本章主要内容： 1、2ASK 、 2、2FSK 、 3、2PSK 、 4、2DPSK 、 5、QPSK、OQPSK 、 、 6、MSK 、 7、QAM 、 这些调制技术的实现方法及性能
6.2.1 二进制数字振幅键控（2ASK） 二进制数字振幅键控（ ）
概念图
6.2.2 二进制数字频率调制
振荡器 f1 控制门 1
基带 信号 输入
S(t) 倒相器 S(t) 相加器
e(t) 输出
振荡器 f2
控制门 2
频率键控法产生2FSK信号的方框图 频率键控法产生2FSK信号的方框图 2FSK
第6章---基本的数字调制系统
【例6.1】设有一个2ASK信号传输系统，其中码元速率RB =
4.8 106 Baud，接收信号的振幅A = 1 mV，高斯噪声的单边 功率谱密度n0 =2 10-15 W / Hz。试求：1）用包络检波法时 的最佳误码率；2）用相干解调法时的最佳误码率。
解：基带矩形脉冲的带宽为1/T Hz。2ASK信号的带宽应该
第六章 基本数字调制系统
概述
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
4
概述
数字信号的基带传输
举例：以太网 原因：很多信道是带通型的，不适合传输基带 信号 举例：无线信道（卫星通信、移动通信），光 纤信道（光纤通信）
sm (f ) m (f )
线性调制
sm (f )
AM、ASK
非线性调制
FM、PM、FSK
概述
正弦形载波 ：
或
式中，A － 振幅 (V)； f0 － 频率 (Hz)； 0 = 2 f0 － 角频率 (rad/s)； 为初始相位 (rad)。
3种基本的调制制度：
振幅键控ASK
― 1‖ ― 0‖ ― 1‖
频移键控FSK
― 1‖ ― 0‖
T
― 1‖
相移键控PSK
T
T
T
概述
矢量表示法和矢量图
二进制振幅键控
基本原理 功率谱密度
误码率
基本原理
表示式： 式中，0 ＝ 2f0为载波的角频率；
[课件]第六章数字调制系统(1)数字调制原理PPT
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12
《通信原理》九江学院
OOK信号功率谱图形
Ps(f)
-2fs
-fs
0 PE(f)
fs
2fs
f
-fC-fs -fC
-fC+fs
0
fC-fs
fC
fc+fs
f
特点：理论上谱宽→∞，但有效带宽 B≈2RB ≈2fs
13
《通信原理》九江学院
2、2FSK
14
《通信原理》九江学院
(1)2FSK信号表达式
S 2 FSK (t ) = s(t ) cos(1t n ) s(t ) cos( 2t n )
S(t)为单极性波形
S ( t ) [ a g ( t nT ) ] cos t [ a g ( t nT ) ] co t 2 F SK n s 1 n s 2
n n
a
1
n
2 f 2 , a n 为 a n 的反码 0， P 0， 1 P ， an 1， 1 P 1， P
2 2
故上式可简化为
2 2 P f f P ( 1 P ) G ( f ) f ( 1 P ) G ( 0 ) ( f ) s s s
将其代入
1 P ( f ) P ( f f ) P ( f f ) 2A SK s c s c 4
11
《通信原理》九江学院
n
s(t)为单极性不归零波形
s ( t ) cos t cos t c c
s ( t) cos t cos t c c
0
OOK(通断键控)
第6章正弦载波数字调制系统2
6.6 调制解调器相关标准•Modem（调制解调器）是由英文Modulator （调制器）和Demodulator（解调器）两个字组合而成的。
•在发送方，其功能是将一组有限的逻辑数据符号（通常为二进制数或比特）变换至代表数据的一系列物理符号（波形）。
•接收端的功能是对所收信号序列作出正确判决以恢复数据。
•单位时间发送的符号数称为波特率（调制速率）。
Modem连接示意图：调制解调器的分类：•按组成元器件有：分立元件、集成电路、专用芯片。
•按传输速率可分为：低速(1200bps以下)、中速(1200~4800bps)、高速(9600bps以上)。
•按采用调制技术有：频移键控(FSK)、相移键控(DPSK)、正交双边带振幅调制(QAM)、网格编码调制(TCM)。
•按连接方式分：内置和外置两种。
•按传输方式有：点-点和点-多点，半双工和全双工。
•按工作方式分：异步和同步两类。
调制解调器的标准制订：•国际电报电话咨询委员会（CCITT）•国际电信联盟电信标准部门（ITU-T）•字母前缀“V”被用于标识与调制解调器相关的标准，通常称为“V系列”标准。
6.4.1 V.24建议•定义了数据终端设备（Data Terminal Equipment）和数据电路终接设备（Data Circuit terminating Equipment）之间的接口标准。
包括接口的功能和过程性两方面的内容。
•DTE是用于处理用户数据的设备，通常是一台计算机，或I／O设备。
•DCE介于DTE和传输介质之间，它用于将DTE发出的数字信号变为适合于在传输介质上传输的信号形式，或进行反变换。
Modem是典型的DCE。
V.24（RS-232）接口的针脚分配：V.24接口主要信号功能定义：9振铃指示器224数据终端就绪（DTE 就绪）201接收线信号检测器85信号地／公共回路76数据集就绪（DCE 就绪）68清除发送57请求发送42接收数据33发送数据2保护机架地（屏蔽）1DB-9信号描述DB-25管脚编号Null Modem连接示意图：6.4.2 V.28建议描述不平衡双流接口电路的电气特性。
第六章 正弦载波数字调制系统
第六章正弦载波数字调制系统6.1知识点结构框架本章的知识点结构框架如图6-1所示。
图6-1 知识点结构框图6.2教学要求（1）了解数字调制系统的基本概念、与模拟调制系统的区别联系、以及多进制调制系统的概念和原理；（2）理解振幅键控、移频键控和移相键控三种基本调制信号的波形特点和功率谱密度；（3）掌握2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号的调制解调原理及抗噪声性能。
6.3难点重点教学难点：各类数字调制方式的区别联系。
教学重点：二进制数字调制解调原理，2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK系统的抗噪声性能，二进制数字调制系统的性能比较。
6.4教学安排本章共分为6节，即正弦数字调制的概述、二进制数字调制原理、二进制数字调制系统的抗噪声性能、二进制数字调制系统的性能比较、多进制数字调制系统和改进的数字调制方式。
讲授8学时，其安排见表6-1。
表6-1 课时安排学时教学内容第一讲 2 6.1 正弦数字调制的概述；6.2 二进制数字调制原理。
第二讲 2 6.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能。
第三讲 2 6.4 二进制数字调制系统的性能比较；6.5 多进制数字调制系统（部分）。
第四讲 2 6.5 多进制数字调制系统（部分）；6.6 改进的数字调制方式。
1176.4.1第一讲安排（1）教学要求了解数字调制系统的基本概念及与模拟调制系统的区别联系，理解振幅键控、移频键控和移相键控三种基本调制信号的波形特点和功率谱密度，掌握其调制解调的基本原理。
（2）难点重点教学难点：2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK三种基本调制的区别联系。
教学重点：2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK调制解调原理。
（3）知识回顾在第四章中介绍了模拟调制系统，分析了幅度调制（常规幅度调制，抑制载波双边带调制，单边带调制，残留边带调制）、频率调制、相位调制三种基本的模拟调制方式。
本章将模拟基带信号变为数字基带信号，高频载波仍为正弦载波，分析数字调制的基本理论。
第6章数字载波调制
第6章 正弦载波数字调制系统
6.1 引言
6.2 二进制数字调制与解调原理
6.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能
6.4
6.5 多进制数字调制系统
本章重点
本章思考
6.1 引言
数字基带传输系统,•是将信源发出的信息码经 码型变换及波形形成后直接传送至接收端。虽 然码型变换及波形形成可使其频谱结构发生某 些变化，但分布的范围仍然在基带范围内。
s(t)c o （ s 1 t n ) s(t)c o s( 2 t n )
其中基带信号（NRZ）
s(t) ang(tnTB)
0, an 1,
n
1,
s(t) bng(tnTB) ang(tnTB)bn 0,
n
n
第6章 数字载波调制
发送概率 P 为 发送概率 1P为
发 送 概 率 为 P 发 送 概 率 为 1P
第6章 数字载波调制
第六章 正弦载波数字调制系统
SCUT DT&P Labs
6.2.3 2PSK 及 2DPSK
？问题：如何克服“倒”现象？
要使相位的本身与信息符号无关。怎么做？ 第五章中介绍了差分码，它用电位的改变来表示“1”和 “0”，因此它代表的信息符号与码元本身的电位无关。 用相位的改变来表示“1”和“0” ，这样的话，相位的本 身与信息符号无关。 原理：不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而 是利用前后码元的相对相位变化传送数字信息。例如：
第六章 正弦载波数字调制系统
主讲教师：任峻
6.1 引言
正弦载波调制：用基带信号对正弦载波波形 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。
模拟调制：待传输的原始信号s(t)是连续信号。 数字调制：待传输的原始信号s(t)是离散信号。
调制方法：调幅、调频、调相
模拟调制信号： 调幅(DSB、SSB、AM)，调频(FM)，调相(PM)
eOOK(t) = an Acosct
A为载波幅度，c 为载波频率，an为二进制数字。
an =
1，出现概率为P 0，出现概率为1-P
2001 Copyright
SCUT DT&P Labs
6.2.1 二进制幅度键控 2ASK (重点)
在一般情况下，调制信号是具有一定波形形状的二进制 序列（二元基带信号），即 n Ts为信号间隔，g(t)是持续时间为Ts单个矩形的波形。 二进制幅度键控信号的一般时域表达式为： n
6.1 引言
移相键控(PSK)
2001 Copyright
SCUT DT&P Labs
正弦波数字调制系统ch6_1
f
fc f s fc fc f s
0
fc fs
fc
fc fs
TS sin ( f f c )Ts 2 sin ( f - f c )Ts 2 PE ( f ) | | | | 16 ( f f c )Ts ( f - f c )Ts 1 [ ( f f c ) ( f - f c )] 16
6.1 引言
实际通信系统中，不少信道不能传送基带信
号，必须用基带信号对载波波形的某些参量 进行调制。 在原理上，受调载波波形可以是任意的，但 已调信号要适于信道传输。 数字调制有三种基本形式：调幅、调频和调 相。 数字调制都是利用载波信号的某些离散状态 来表征所传送的信息，接收端对载波信号离 散调制参量进行检测。
2 S c c
1
第六章 正弦波数字调制系统（sine wave digital modulation system ）
当 概 率 P＝ 时 ， 2
1
PS ( f ) 1 16
2
1 16
fS[| G ( f fc ) |2 | G ( f - fc ) |2 ]
2
fS | G (0) | [ ( f fc ) ( f - fc )]
PS ( f )
1
16 6.2-10 2 1 fS | G (0) |2 [ ( f fc ) ( f - fc )] 16
fS[| G ( f fc ) |2 | G ( f - fc ) |2 ]
| G ( f f c ) | T S |
sin ( f f c )T s
输入 带通 a 半波或全 b 低通
滤波器
第六章 数字调制系统
定义：2PSK是用已调信号相位相对未调载波相位的变化来表示 二进制数字基带信号。
信号表示及波形:
A c o s ( t 0 ) A c o s t" 0 " c c e ( t ) S ( t ) c o s 2 P S K c A c o s ( t ) A c o s t" 1 " c c A c o s ( t ) ; . c n n 0
BPF
c 2fs
e2Dpsk(t)
差分 编码
S(t)
2DPSK解调方式（同步检测、差分相干检测）
e2Dpsk(t)
×
cos c t
LPF fs
抽样 判决 位同步 恢复
差分 译码 S(t)
e2Dpsk(t)
BPF
×
延迟Ts
LPF fs
抽样 判决
S(t)
位同步 恢复
差分相干检测分析
c o s t c k
PE (f )
0
fc fS
f
c
fc fS
f
2 fS
6.2.2 二进制频率键控 2FSK 1.信号定义及表示
定义：用二进制数字基带信号控制正弦载波的频率，
使其一一对应变换。 “1” →ACOSω1t = e1(t) “0” →ACOSω2t = e2(t)
1 1 0 1 0 0 1 1 1 …
第六章 正弦载波数字调制系统
6.1 引言
6.2 二进制数字调制原理
6.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能
6.4 二进制数字调制系统的性能比较
6.5 多进制数字调制系统
现代通信原理与技术第06章正弦载波数字调制系统
1．调 制：
▪ 码变换—2PSK调制
绝对码、相对码的转换：
(a)绝对码转换成相对码； (b) 相对码转换成 绝对码
绝对码ak相对码bk变化规律： “1变0不变”
▪bk ak bk 1 ，设bk初始值为1，各点波
形如图，第一个码元内信号的初相可任意假设。
图： 2DPSK调制波形
ak2DPSK规律：
其中：g(t)是持续时间为 的矩形脉冲；
和 分别是第n个信号码元的初相位； 令所有信号码元的初相位为零，即 = = 0 ，则：
形成波形：
6.2 二进制数字调制原理
2 频谱
于是2FSK信号可以看作是两个2ASK信号的叠加，则由
2ASK信号的频谱可得
的功率谱密度
：
6.2 二进制数字调制原理
当P = 1/2时：
二进制数字调制信号有振幅键控(ASK)、移频键控 (FSK)和移相键控(PSK)三种基本形式；其中振幅键控
6.1 引言
(ASK)属于线性调制，而移频键控(FSK)和移相键控(PSK) 属于非线性调制。
▪ 本章目的要求及重点： 二进制数字调制、解调系统原理及抗噪性能； 介绍多进制数字调制、现代数字调制原理；
▪ 条 件：信道特性是恒参信道，在信号的频带范围内 其具有理想矩形的传输特性(可取为k)；噪声为加性 高斯白噪声，其均值为0，方差为 2；
一、数字调制系统无码间串扰条件
▪ 线性数字调制系统（二进制或多进制ASK、
PSK、QAM等）：
δ(t) 波形 gm(t) 调 gmc(t) 发滤
形成
制 Gmc(f) 波器
为：
当P = 1/2时：
ps(f) -fs
0 fs
零点带宽 B=2fs=2RB ；发滤波器最小带宽可为 fs(理论值)；可将基带信号处理后再进行2ASK调制；
正弦载波数字调制系统
n
其中: an=0,
发送概率为P
1,
发送概率为1-P
令 s(t) an g(t nTS )
n
则 e0 (t) s(t) cosct
波形与调制器
1
0
1
1
0
0
1
s(t)
Tb
t
载 波 信号 t
2A SK信 号 t
乘 法 器 e2ASK (t) s(t)
cos ct
(a)
发送为1的错误概率为包络值V小于门限值
b的概率，即
P(0/1)=P(V≤b)=
b
0
f1(v)dv
bv
v0
2 n
I0
( aV
2 N
)e(v2 a2 ) / 2an2
dv
1
v
vb 2 n
I0
(
aV
2 N
)e(v2
a2
) / 2an2
dv
该积分可以用Q函数表示， Q函数的定义为
噪声为加性高斯白噪声（AWGN），均值
为零，方差为 2
分析内容：
相干、非相干ASK、FSK、PSK、DPSK
6.3.1通断键控(OOK)系统抗噪声性能
接收端带通滤波器输出波形为
y(t
)
[a
nc nc (t
(t)]cosct ) cosct ns
ns (t) sin (t) sin ct
e0 (t) [ an g(t nTS )]cos(1t n )
n
[ an g(t nTS )]cos(2t n )