数据通信原理第5章

☉相对调相DPSK 每一个码元载波相位的变化不是以固定相位作参考，
而是以前一码元载波相位作参考 2DPSK：只有两种载波相位差（0、π）
= i - i-1 = （表示”1”信号时） 或0（表示”0”信号时）
2PSK信号的实现方法
调制：二进制移相键控信号的调制原理图如图7-12所示
双极性
s(t)
六、解调
1、非相干解调 ：分路滤波、过零点检测 2、相干解调 （1）分路滤波
带通 y1(t) 包络
滤波器
检波器
低通 v1(t) 滤波器
e(t)
fc1
抽样
fc2 带通 y2(t) 包络
滤波器
检波器
判决器
低通 v2(t) 滤波器
e(t)
Tb
y1(t)
y2(t)
v1(t)
v2(t)
抽样脉冲
Tb
判决结果 1 0
信道
滤波 调 判决 DTE 器器器
统
噪声
说明：
基带数据信号在送入信道前，必须先对其进行调制， 使它的频率由零频附近搬移到了较高处，由低通型 信号变成了带通型信号，随后再经过放大等功能转 换，送入信道传输。在收端信号通过接收滤波器进 入解调器，解调器对信号的变换正好与调制器相反， 即把一个高频的已调信号变成低频的基带信号，随 后再通过抽样判决器恢复成标准的数据基带信号。
（3）相干解调
带通
低通
滤波器
滤波器
e(t)
fc1
C(t)=cos(2πfc1t)
抽样
fc2
判决器
带通
低通
滤波器
滤波器
C(t)=cos(2πfc2t)
思考题
设发送的二进制信息为11001000101，采用2FSK方 式传输。已知码元传输速率为1000B，“1”码元的 载波频率为3000Hz， “0”码元的载波频率为 2000Hz 。
载波分量来确定；
⑵ 2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍：
B2ASK = 2f b
（f b= 1/Tb 是二进制数字信号的码元速率）
(3)频带利用率
r2 ASK
RB B
fb 2 fb
1 2
Baud / Hz
四、2ASK信号的解调
对2ASK信号也能够采用非相干解调(包络检波法)和相干解调 (同步检测法)，其相应原理方框图如图7-4所示。
Ps
f
f s P(1
P) G(
f
)
2
f
2 s
(1
P)2
G(0)
2
(
f
)
得到
P2ASK
1 4
f s P(1 P)
G( f
fc) 2
G( f
fc) 2
1 4
f
2 s
(1
P)
2
G(0) 2 ( f
fc) ( f
fc )
当概率P =1/2时，并考虑到 G( f ) TS Sa( f TS ) G(0) TS
（1）构成一种2FSK信号调制器原理框图，并画出 2FSK信号的时间波形；
（2）计算2FSK信号带宽；
（3）若对2FSK信号采用非相干解调方式进行解调， 试构成解调器原理框图，并画出各点时间波形。
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5.2.3 二进制相移键控
一、定义：
☉用基带数据信号控制载波的相位，使它作不连续 的、有限取值的变化以实现信息传输的方法。又称 数字调相。
相乘器
cos c t
低通 滤波器
抽样 输出
判决器 定时脉冲
（b) 相干解调方式
思考题 设发送的二进制信息为101100011，采用2ASK方式传 输。已知码元传输速率为1200B，载波频率为2400Hz。 （1）试构成一种2ASK信号调制器原理框图，并画出 2ASK信号的时间波形； （2）简略画出2ASK信号的频谱结构示意图； （3）若对2ASK信号采用包络检波方式进行解调，试 构成解调器原理框图，并画出各点时间波形。
则2ASK信号的功率谱密度为
P2 ASK (
f
)
Ts 16
sin ( ( f
f fc )Ts fc )Ts
2
sin ( ( f
f fc )Ts fc )Ts
2
1 ( f
16
fc) ( f
fc )
说明：
⑴ 由连续谱和离散谱组成：其中连续谱则由基带
谱中的连续谱经调制后的双边带谱，而离散谱则由
二、应用
2FSK设备较简单，主要应用于低速或中低速的 数据传输中（是因为在相同传信率下，需要比 数字调幅ASK和数字调相PSK更宽的传输频带 [带宽] 。在话路频带下，一般传信率只能达到 1200bit/s）
三、分类
根据前后相邻码元的载波相位是否连续，FSK可
分为两种：
☉相位连续的频移键控:CPFSK
e2 ASK (t) 带通
a
包络
b
滤波器
检波器
（a)
低通 c 抽样 d
滤波器
判决器 输出
定时脉冲
时间波形
(a) 非相干解调方式
2ASK
t
信号
幅度 包络
抽样 脉冲
判决 结果
Tb
1
0
1
Tb
t t
1
0
1
t
2ASK包络检波法解调过程示意图
2、相干解调 ：接收端产生一个相干载波来解调
e2 ASK (t) 带通 滤波器
n
g(t)是单位矩形脉冲，周期为Tb，an取值为：
1 “1”码元 an 0 “0”码元
5、2ASK波形
7.1 二进制数字调制与解调原理
1 01 1 00 1
S(t)
Tb
载波信号
2ASK 信号
• 功率谱密度
2ASK信号可以表示成 e2ASK (t) st cosct
式中 s(t) －二进制单极性随机矩形脉冲序列
s(t)
压控 e(t)
振荡器
五、频谱和带宽
2FSK信号表达式：
e(t) s(t) cos(2fc1t) s(t) cos(2fc2t)
2FSK信号频谱：
Pe(f)
f
0
fc2
fc1
fb
fb
2FSK信号带宽：
B | fc1 fc2 | 2 fb (h 2) fb
其中h=|fc1－fc2|/fb，称为调制指数或频移指数,为 保证接收端能够正确接收，|fc1－fc2|通常取2fb或更
☉相位不连续的频移键控:DPFSK
四、调制实现
1、表示 相位不连续的数字调频信号可看成是两个数字调幅 信号之和
e(t) an g(t nTb ) cosc1t an g(t nTb ) cosc2t
n
n
其中an为第n个数据符号的幅度
0, 概率为p an 1, 概率为1 p
an 为an的反码，即若an = 1，则an = 0。
5.2.1 二进制幅移键控
一、定义
用基带数据信号控制一个载波的幅度，又称数字 调幅，简称ASK（Amplitude Shift Keying）。是利 用数字信号来控制一定形式高频载波的幅度参数， 以实现其调制的一种方式。若数字信号是二进制信 号，则称为二进制幅移键控（2ASK），若是多 （M）进制，则称为MASK，若M ，则MASK 数字信号就变成了AM模拟信号。
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5.2 二进制数字调制解调
• 5.2.1 二进制幅移键控 • 5.2.2 二进制频移键控 • 5.2.3 二进制相移键控
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Hale Waihona Puke 5.2 二进制数字调制解调
数字调制分类
1、按实现途径 模拟调制法：将数字信号看成是模拟信号的特殊 形式； 键控法：控制载波某一参量的变化，采用数字电 路
2、按基带信号的状态 二进制调制、多进制调制
两者关系： 下表给出数据信号（码）和已调载波相位关系
数据信号码元
1011001
序 号
绝对调 相
{}
码元状 态
0000
1
已调载波每
个码元的相
位
相对调
相
{1} {2} {}
0
0 0
2
00000
3
0 0 0
4
相对（差分）码
状态(1) 状态
(2)
1 0
0010001
5
1101110
6
由表可知：相对调相本质上就是经过相对码变换后 的数字信号序列的绝对调相。
设：Ps (f) － s(t)的功率谱密度
P2ASK (f) － 2ASK信号的功率谱密度
则由上式可得
P2ASK ( f )
1 4
Ps
(
f
fc ) Ps ( f
fc )
由上式可见，2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱 Ps (f)的线性搬移（属线性调制）。 知道了Ps (f)即可确定P2ASK (f) 。
二、2ASK调制实现
1、基本框图：调制解调器本质上就是一个乘法器
2、产生：一个单极性（或双极性）矩形脉冲序列与 一个正弦载波相乘
3、两种实现方法：
(a)模拟相乘法
(b)数字键控法
(c)对应波形
4、表示
ASK信号 e(t) s(t) cos(2fct)
其中
s(t) an g(t nTb )
模拟电话信道特性
P(f)
H(f)
f 0 fb 2fb
f Hz
300
3400
三、频带传输系统组成
基
基带波形形成网络H(ω)
带 传 输
DTE
a
码型 变换器
b
发送 c 滤波器
信道
d 接收 滤波器
e
抽样 判决器
f
DTE
系
CP
统
噪声
同步系统
频 带
基带 调 发送
接收 解 抽样
传 输
DTE
系
信号 形成
制 器
滤波 器
二、应用：
☉中速和中高速(1200bit/s----4800bit/s)的数据传输系 统中
三、分类：
☉绝对调相PSK ☉相对调相DPSK
☉绝对调相PSK 已调信号的相位变化都是相对于一个固定的参考相
位——未调载波的相位来取值 2PSK：已调信号只有两种相位取值（0、π）。
= 0（表示”1”信号时） 或（表示”0”信号时）
2、波形 相位不连续的数字调频信号可看成是两个数字调 幅信号之和
3、实现方法
（1）键控法，产生相位不连续频移键控信号
调制 基带信号
振荡器1
f1
基带信号 反相器
选通开关
e (t) 2 FSK
相加器
振荡器2
f2
选通开关
数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图
3、实现方法 方法（2）：基带信号直接控制压控振荡器产相位 连续频移键控信号（CPFSK）
1
Tb
t
t t
t t t
1
0
1
t
（2）过零点检测
a
放大 b 限幅器
微分器 c
整流器
d
脉冲 形成器
e
低通 滤波器
f
抽样 判决器
g
在上图中，输入信号经过限幅后产生矩形波， 经微分、整流、波形整形，形成与频率变化 相关的矩形脉冲波，经低通滤波器滤除高次 谐波，便恢复出与原数字信号对应的基带数 字信号。
Ps(f)
f -2fb -fb 0 fb 2fb
Pe(f)
-fc-fb -fc+fb
-fc
0
2fb
fc-fb
fc+fb f
fc
2fb
由第四章节知，单极性的随机脉冲序列功率谱的一般
表达式为
Ps ( f ) fs P(1 P) G( f ) 2 fs (1 P)G(mf s ) 2 ( f mf s )
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5.2.2 二进制频移键控
一、定义：(Frequency Shift Keying，又称数字 调频)
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fc1，传送“0”码时送出另一个频率 fc2 ，这种调制信号为二进制的信号，称为二进制 频移键控，简称2FSK，若是M进制，则称MFSK。 当MFSK的进制数M 时，MFSK FM。
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5.1 频带传输系统组成
一、定义
所谓频带传输是指在发送端，经过调制，
把基带信号变成频带信号传输，接收端再
由解调器将频带信号恢复成基带信号的传
输系统，调制解调器是频带传输系统的核
心部分。
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二、调制必要性
实际通信中很多信道都不能直接传送基带
信号。 如：使用模拟电话信道传呼数据信
号
单极性NRZ码频谱
大
频带利用率：
r RB
fb
1
B | fc1 fc2 | 2 fb 4
总结：
2FSK信号的功率谱密度的特点是： （1）2FSK由连续谱和离散谱组成，其中连续谱由 两个双边带谱叠加而成，离散谱出现在fc1和fc2的两 个载频位置上 （2）当两个载频之差较小时，如小于fb = 1 / Tb，则 连续谱为单峰；当载频之差增大时，连续谱呈现双 峰 （3）带宽： B = 2fb + | fc1 – fc2 |
目的要求
• 掌握频带传输系统的组成； • 二进制数字调制解调的基本原理系统构
成和它的基本特点； • 了解多进制数字调制解调的基本原理。 • 本章是本课程的重点。
授课内容
• 5.1 频带传输系统的构成 • 5.2 二进制数字调制解调 • 5.3 二进制数字调制系统性能分析 • 5.4 多进制数字调制解调 • 5.5 正交幅度调制
m
式中 fs = 1/Ts
G(f) － 单个基带信号码元g(t)的频谱函数。
对于全占空矩形脉冲序列，根据矩形波形g(t)的频谱特
点，对于所有的m 0的整数，有
G(mf S ) TS Sa(n ) 0
，故上式可简化为
P2ASK ( f )
1 4
Ps
(
f
f c ) Ps ( f
fc )
将其代入
不归零
e2PSK (t)
码型变换
乘法器
cos c t
(a)
cos c t
00
1800
开关电路 e2PSK (t)
18移0 相0
(b)
s(t)
其中图(a)是采用模拟调制的方法产生2PSK信号，图(b)是 采用数字键控的方法产生2PSK信号。
☉说明：图中幅度都保持恒定，用相位代表数据信
息。从波形上看，无法区分是PSK还是DPSK，只 有与S(t)联系起来才能确定