精品课件-数字通信技术-第四章 数字信号频带传输

脉冲经线性调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定。
2ASK信号的带宽 (4.7)
B=2fb =2/Tb
ASK系统的频带利用率 R b 1/ Tb 1 Bd / Hz （4.8） B 2 / Tb 2
由此可见，这种2ASK调幅的频带利用率低， 即在给定信道 带宽的条件下，它的单位频带内所能传送的数码率较低。
e( 单t)极 性 NRZ
电
平 双极 SPSK(
转 换
性 NRZ
cos ωct
t)
0 振荡器 相 门1
f
二进
制信 反相
号e(t) π
器
反相器 相 门2
＋ SPSK( t)
(a) 采用相乘器的
(b) 用相位选择器的2PSK
2PSK调制器框图图4.21 2PSK调调制制器器框图
2. 2PSK信号的解调
第四章 数字信号的频带传输
4.1 数字频带传输
在大多数的数字通信系统中，通常选择正弦波信号为载波， 这一点与模拟调制没有什么本质的差异，它们均属于正弦 波调制。然而数字调制与模拟调制又有不同点，其不同点 在于模拟调制需要对载波信号的参量连续进行调制，在接 收端需要对载波信号的已调参量连续进行估值；而在数字 调制中则可用载波信号参量的某些离散状态来表征所传输 的信息，在接收端也只要对载波信号的调制参量有限个离 散值进行判决，以便恢复出原始信号。
4.2 二进制数字调制
由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和 数字加密，便于集成化，并能够进入ISDN，所以数字调制技术广泛 应用在现代通信系统中。
数字调制用数字基带信号改变正弦型载波的幅度、频率或相 位中的某一个参数，产生相应的数字振幅调制、数字频率调制和数 字相位调制。随着数字通信技术发展的需要，也可以用数字基带信 号去改变正弦型载波的幅度、频率或相位中的某几个参数，产生新 型的数字调制技术。
x( 滤波 y( 判决 e(
t) 器 t) 器
t)
cosω 图c4t.12 相干解调原理框
定时 脉冲
图
3. 2ASK信号的功率谱及带宽
对于2ASK信号，若Pe(f)为e(t)的功率谱密度，Ps(f)为已调信 号S(t)的双边功率谱密度，则有
(4.5)
PS(f) = 0.25[PE(f+fc) + PE(f-fc)]
2PSK信号解调只能采用相干解调方法，相干解调所需的本 地载波可以单独产生也可从输入信号中提取。
从2PSK调制波形已知，2PSK信号是以一个固定初相的载波 为参考而形成。因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波。在 解调系统中，恢复同步载波出现与调制系统中载波相位相差1800称 为相位模糊，用此恢复的载波解调时就容易造成错误判决。从图 4.22看出，如果本地参考载波倒相，判决器输出数字信号全错，与 发送数码完全相反，这种情况称为反向工作或者称之为倒“π”现 象。反向工作时的波形见图 4.22(c)。2PSK的主要缺点是解调系统 载波容易产生相位模糊， 造成反向工作。 这也是它实际应用较少 的主要原因。 不过在卫星通信系统中BPSK获得广泛应用。
1.二进制频移键控调制原理
二进制频移键控是利用载波的频率变化来传递二进制数字信 息的调制方法。在二进制情况下，1码元对应于载波频率f1，0码元 对应于载波频率f2。根据FSK信号在码元变换点相位变化的不同情 况，频移键控信号可分为相位连续的FSK信号和相位不连续的FSK信 号。相位不连续的2FSK信号在形式上如同两个不同频率交替发送的 2ASK信号相叠加。
3.二进制频移键控的功率谱及带宽 (1) 相位不连续的2FSK情况
相位不连续的 2FSK信号可视其为两个2ASK信号的叠加， 其中一个载波为f1，另一个载波为f2。因此，对相位不连续的 2FSK信号的功率谱就可像 2ASK那样，分别在频率轴上搬移然后再 叠加。其功率谱曲线（正频域）如图4.18 所示。
2）第一个过零点之间频率间隔，即带宽为
(4.9)
B = |f2 -f1| + 2fb = ( 2 + h )fb
式中的h称为调频指数，定义为
h f2 f1 fb
（4.10）
(2) 相位连续的2FSK情况 相位连续的2FSK信号的功率谱，不可直接通过基带信号 频谱在频率轴上搬移，也不能用这种搬移后频谱的线性叠加来 描绘。 因此对相位连续的2FSK信号频谱的分析是十分复杂的， 在此不分析。图5.19 给出了几种不同调频指数下相位连续的 2FSK信号功率谱密度曲线。
与模拟调制中的幅度调制、频率调制和相位调制相对应， 数字调制也分为三种基本方式：幅度键控（ASK）、频移键控 （FSK）和相移键控（PSK）。
4.2.1 一般原理与实现方法
1.二进制幅移键控信号实现方法
二进制幅移键控是利用载波幅度随着二进制调制信号1和0的 取值而在两个状态之间变化的调制方法。二进制幅度键控中最简 单的形式称为通——断键控（OOK），即载波在数字信号1或0的控 制下来使开关实现通或断，如图4.10(a)所示。产生2ASK信号的具 体电路很多，但可用如图4.10(b)所示电路模型实现，即将调制器 用一个乘法器来实现。输出2ASK信号,波形图如图4.10(c)所示。
2PSK调制器可以采用相乘器，如图4.21(a)所示，但注意 调制信号必须是双极性不归零码。如果基带信号是单极性码，则 需转换为双极性码。2PSK调制器也可以用相位选择器来实现，如 图4.21(b)所示。
e( 1 1 0 1
t) 0 0 1 1
t
cos
ωCt
t
SPSK
(t)
t
图4.20 2PSK 信号的波形
带通
低通
滤波 器1
带通
cos ωC1t
滤波 器抽样 低通脉冲
抽样 判决 器
e( t)
滤波
滤波
器2 cos
器
图5.1ω7 C2t2FSK的相干
解调原理框图 P(f)
f
f1 f2
f
图b 4.18 相位不连续
2FSK的功率谱
从图4.18看出：
1）相位不连续 2FSK信号的功率谱与 2ASK信号的功率谱
相似，同样由离散谱和连续谱两部分组成。当频差△f =|f2 -f1| 较小时，连续频谱只有单峰；但频差加大相隔较远时为双峰。
框图
图4.10 2ASK调制方
法及波形
t t
t (c)波形图
(1) 非相干解调法
包络检波法是常用的一种非相干解调的方法，包络检波器往 往是半波或者全波整流器，整流后通过低通滤波器滤波（平滑）， 即可获得原来基带信号e(t)。2ASK信号的包络解调与AM信号的解调 有相似之处，但不同的是2ASK信号解调在低通滤波器后增加抽样判 决器和定时脉冲，这样才能将信号恢复为数字信号并提高接收机的 性能，如图4.11所示。
在图4.22(a)所示的解调原理框图中，可以用鉴相器代替 “相乘-低通”，这样解调过程实际上是已调信号2PSK与本地载波 信号进行比较过程，所以也称为极性比较法解调。
SPSK( t)
带通 滤波 器
SPSK (t)
本x( t)低通滤来自波器y( t)抽样判
决器 定时
e/( t)
地(a)
载框图 波
SPSK
1
t) 0
1
振
SFSK(
e(
荡 SFSK( t)
t)
电 t)
路
(a)FSK信
(b)波
号产生 图4.14 相位连续的FSK 形图
振荡器 二f1进
门信1号产生及波形 e( 1
1
t) 1
制信 号e(t)
反相 器
＋ SFSK( SFSK(t) t)
振荡器
门2
f2 (a)FSK信号
(b) 波形
产生 图4.15 相位不连续的图FSK
h=0.5 h=0.7
h=1.5
fc
f
图4.19相位连 续的2FSK信号功率谱
4.4 数字相位调制(2PSK)
1.2PSK信号调制
二进制相移键控（2PSK）是用二进制数字信号控制载波的 两个相位来传递信息的调制方式。通常这两个相位相隔π，例如1 和0用相位0和π分别表示，当然反之也可，所以这种调制又称二 相相移键控（BPSK）。如图5.20所示为2PSK波形。在2PSK信号中， 调制信号的1和0对应的是两个确定不变的载波相位（比如0和π）， 由于它是利用载波相位绝对数值的变化传送数字信息的，因此又 称为绝对调相。
对于数字调制技术一般分为两种类型：一是将数字基带信号 当作模拟信号的特殊情况处理，就可用模拟方法去实现数字调制； 二是利用数字信号的离散取值特点键控载波，从而实现数字调制， 称这种方法为键控法。
所谓“键控”是指一种如同“开关”控制的调制方式。 比如对于二进制数字信号，由于调制信号只有两个状态，调制 后的载波参量也只能具有两个取值，其调制过程就像用调制信 号去控制一个开关，从两个具有不同参量的载波中选择相应的 载波输出，从而形成已调信号。“键控”就是这种数字调制方 式的形象描述。
t t
0 t t
2.二进制频移键控信号的解调 对于相位不连续的2FSK信号可以看成两个2ASK信号的叠加， 用两路ASK信号的解调构成FSK信号的解调。FSK信号的解调分为相 干解调和非相干解调。非相干解调采用包络解调，其原理与ASK信 号的解调相同，如图5.16所示。相干解调原理及波形如图5.17所示。
从图4.13可知，如已调信号的功率谱中不含有fc的载波频 率分量，称为抑制载频的双边带调制。
二进制幅移键控方式在数字调制中出现较早，主要优点是 易于实现，但其缺点是抗干扰能力不强，功率利用率和频带利用 率较低，所以主要应用在低速数据传输中或者与其他调制方式结 合应用。
4.3 数字频率调制(2FSK)
相位连续的FSK信号通常由如图4.14(a)所示的调频电路产生， 其输出的已调信号波形如图4.14(b)所示。相位不连续的FSK信号可 由如图4.15(a)频移键控法产生，其已调波形如图4.15(b)所示。频 移键控法的特点是转换速度快，波形好，频率稳定度高，电路不是 很复杂，故得到广泛应用。