第7章 数字载波调制

定时 脉冲
图 7 .2–3 ASK非相干解调(包络检波法)原理框图
18
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
a
b
c
d
图 7.2 -4
2ASK信号非相干解调过程的时间波形
19
带通滤波器（BPF）恰好使2ASK信号完整地通过， 经包络检测后，输出其包络。
低通滤波器（LPF）的作用是滤除高频杂波，使 基带信号（包络）通过。
ASK:Amplitude Shift Keying
振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而 变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则
为二进制振幅键控2ASK。
9
本节内容
二进制振幅键控信号的表示、时间波形
二进制振幅键控信号的调制原理
二进制振幅键控信号的解调 2ASK信号的功率谱密度
10
2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形
带数字信号的 最高频率相等。
22
e ASK (t)
cos c t
y(t)
图 7.2 -6
2ASK信号相干解调过程的时间波形
23
五、2ASK信号的功率谱密度 OOK信号 e0 (t) s(t)cos c t s(t)代表信息的随机 单极性矩形脉冲序列
由6.1.2节知：单极性二进制基带信号s(t)的功率谱密度为：
6
2、数字调制分类
(1) 根据控制载波波形参量不同，分为： 振幅键控（ASK-Amplitude Shift Keying） 用数字消息控制载波的振幅。
移频键控（FSK -Frequency Shift Keying ）
用数字消息控制载波的频率。 移相键控（PSK -Phase Shift Keying ） 用数字消息控制载波的相位。
脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地
输出。有载波输出时表示发送“ 1” ，无载波输出
时表示发送“0”。
2ASK信号的时间波形随二进制基带信号 s(t)通断
变化，所以又称为通（on）、断(off)键控OOK。
11
一、二进制振幅键控信号的表示
设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0 符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互 独立。该二进制符号序列可表示为：
抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时 抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于 每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。
20
相干解调(同步检测法)。
相干检测就是同步解调，要求接收机产生一个与发送 载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相 干载波。
y(t)
e2ASK (t ) 带通 滤波器 相乘器 低通 滤波器 输出 抽样 判决器 定时 脉冲
27
OOk信号e0(t)的功率谱密度为： G(f)¼后->左移右移
离散谱由载波分量决定
连续谱经传号波形 线性调制后决定
P2ASK ( f ) 0 dB
fc － -2 fb － fb
fc －
fc ＋ fb － fc +2 fb O －
fc -2 fb fc － fb
fc
fc ＋ fb
fc +2 fb
cos ct
图 7.2 –5 2ASK相干解调器原理框图
21
相干解调 e ASK (t) s(t)cos c t
y(t) e ASK (t) cos ct s(t)cos 2 ct 1 s(t) [cos( ct ct) cos( ct ct)] 2 1 1 s(t) s(t)cos 2c t 2 2 低通滤波器的 1 截止频率与基 低通 s(t) 2
教学动画
s(t) (b) 数字键控：
(a) 模拟相乘
开关电路受s(t)控制 图 7.2-2 二进制振幅键控信号调制器原理框图
16
四、二进制振幅键控信号的解调
非相干解调(包络检波法) 相干解调(同步检测法)。
17
非相干解调(包络检波法)
包络检波器
e2ASK (t ) a 带通 滤波器 b 全波 整流器 低通 滤波器 c d 抽样 判决器 输出
f
图 7.2-7
2ASK信号的功率谱密度示意图
二进制振幅键控信号的功率谱密度由离散谱和连 续谱两部分组成。 离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形 g(t)确定。 二进制振幅键控信号的带宽 B2ASK 是基带信号波形 带宽的两倍, 即B2ASK=2B=2fB。 因为系统的传码率 RB=fB(Baud)，故2ASK系统的频 带利用率为 RB fB 1
7
(2) 根据已调信号频谱结构特点不同，分为：
线性调制(如ASK) 线性调制中已调信号的频谱结构与基带信 号的频谱结构相同，只不过搬移了一个频 率位置，无新的频率成分出现。
非线性调制（如FSK，PSK）
非线性调制已调信号的频谱结构与基带信 号的频谱结构不同，有新的频率成分出现。
8
7.2
7.2.1 二进制振幅键控(2ASK, OOK)
14
二、二进制振幅键控信号的时间波形
1 s(t ) T TB b 载波信号 t 0 1 1 0
0
1
t
2 ASK信号 t
图 7 .2–1 二进制振幅键控信号时间波型
15
三、二进制振幅键控信号的调制原理
开关电路 e2 AS K(t) cos ct e2 AS K(t)
s(t)
乘法器 cos ct
Ps (f ) fB P(1 P) G(f )
2
m


fB (1 P)G(mfB ) (f mfB )
2
其中，波形为矩形波：G(f ) TB Sa ( fTB )
24
显然Ps( f )只在G（0）处有离散谱，且G（0）=TB，
所以有：
Ps (f ) fB P(1 P) G(f ) f B (1 P) G(0) (f )
其中基带信号（NRZ）
s(t) an g(t nTB )
n
(7.2 - 7)
0, an 1,
1, a n g(t nTB ) bn 0,
发送概率为P 发送概率为 1 P
发送概率为P 发送概率为1 P
36
s(t) b n g(t nTB )
信 道
解调器
基带信号输出
噪声源
图 7.1 – 1 数字调制系统的基本结构
4
1、概念
用数字基带信号去控制载波波形的某个参量， 使这个参量随基带信号的变化而变化。 数字调制利用数字脉冲信号对载波进行开关形 式的控制而实现，故称数字键控。
5
载波的波形是任意的，但大多数的数字调制系 统都选择单频信号（正弦波或余弦波）作为载波， 因为便于产生与接收。 常用的载波信号为 A cos(c t n )，其中为A为载波的 振幅,ω c为载波的角频率, n 为载波的初始相位。
第7章 正弦载波数字调制系统
7.1 引言
7.2 二进制数字调制与解调原理
7.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能
7.4 二进制数字调制系统的性能比较 7.5 多进制数字调制系统 本章重点 本章思考
7.1 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
3 3
RB 103 B
2 103 每个码元内有 =2个载波波形 3 10
(2)二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信 号波形带宽的两倍
B 2R B 2 103 2000Hz
31
7.2.2 二进制频移键控（2FSK
在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制 基带信号在f1和f2两个频率点间变化，则产生二进制 频移键控信号(2FSK信号)。
B 2ASK （Baud / Hz) 2fB 2
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[习题7-1] 已知某OOK系统的传码率为103B,所 用的载波信号为Acos(4π×103t)。 （1）设传送数字信息为011001，画出相应的 2ASK信号波形。
（2）求2ASK信号的带宽。
30
解：(1)
c 4 103 2fc 4 10 fc 2 10 Hz
n n
n , n 分别代表第n个信号码元的初始相位。在2ASK
信号中，它们不携带信息，通常可设为零。 因此，二进制频移键控信号的时域表达式可简化为：
e 2FSK (t) a n g(t nTB ) cos 1t an g(t nTB ) cos 2t n n s(t)cos 1 t s(t)cos 2 t
些变化，但分布的范围仍然在基带范围内。
2
在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，
数字基带信号不能直接在这种信道中传输，因此，
必须用数字基带信号对载波进行调制，产生已调数
字信号，才能在无线信道、光纤信道等媒质中传输。 类似于模拟调制，有数字振幅调制、数字频率调制 和数字相位调制。
3
调制器
基带信号输入
2 2
2 2
2
fB P(1 P) G(f ) (1 P)2 (f )
Tb 2 1 Sa (fTb ) (f ) 4 4
1 设P 2
(7.2 - 5)
25
s(t) Ps (f )
离散分量告诉我们信号中 有无特殊频率成份； 连续分量可以看出信号带 宽，第一零点fb。
“1” —> f1 “0” —> f2
可见，FSK是用不同频率的载波来传递数字消息的。
32
本节内容
二进制移频键控信号的表示、时间波形
二进制移频键控信号的调制原理与实现
二进制移频键控信号的解调
2FSK信号的功率谱密度
33
一、2FSK信号的表示
1
(a )2FSK信号
0
1
0
t
（b) s1 t cos 1t
(7.2 -8)
37
二、二进制移频键控信号的产生
二进制移频键控信号的产生，可以采用 模拟调频电路来实现，也可以采用数字键控 的方法来实现。
38
压控振荡器
载波 ~f1
s(t)=1 sFSK(t)
载波 ~f2
s(t)=0
单极性NRZ矩 形脉冲，周期 Ts s(t )
a g (t nT )
n B n
(7.2 - 1)
12
4.2.1 二进制振幅键控（2ASK, OOK）
s(t ) an g (t nTB )
n
其中
0, an 1,
1, g (t ) 0,
发送概率为P 发送概率为 1 P
2FSK信号 t
t
g
图 7.2-7 二进制移频键控信号的时间波形
假设二进制基带信号
“1” —> f1
“0” —> f2
则二进制移频键控信号的时域表达式为：
e2FSK (t) y1 (t) y 2 (t) s(t)cos （1t n ) s(t)cos(2 t n )
26
OOk信号e0(t)的功率谱密度为：
1 PE (f ) Ps (f fc ) Ps (f fc ) (7.2 - 6) 4 1 1 2 2 2 2 fs G(f fc ) G(f fc ) fs G(0) (f f c ) (f f c ) 16 16
t
(c) s2 t cos 2t
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1
t
图中波形a可分解为波形b和波形c，即二 进制频移键控信号可以看成是两个不同载 波的二进制振幅键控信号的叠加。
34
ak a b c s(t ) s(t )
1
0
1
1
0
0
1 t t t t
cos 1t cos 2 t
s(t)cos 1t
d
e
t
f
s(t)cos 2 t
2 Tb sin (f fc )TB sin (f fc )TB 16 (fc f )TB (f fc )TB 1 (f fc ) (f fc ) 16 2

Tb 2 2 Sa (f fc )TB Sa (f fc )TB 16 1 (f fc ) (f fc ) 16
0 t TB 其它
(7.2 - 2)
(7.2 - 3)
13
则当载波为 c(t) A cos c t 二进制振幅键控信号 可表示为：
e 2ASK (t) an g(t nTB )cos c t
n
(7.2 - 4)
cos c t 传信号“1” s(t)cos c t 传信号“0” 0