第5章数字调制系统.ppt
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1、第5章 数字调制系统,石高涛 天津大学计算机科学与技术学院,2,概述,数字基带信号通过带通信道传输需要借助载波调制进行频谱搬移,转换成适合信道传输的数字频带信号,然后再进行传输。 使用数字基带信号控制载波的幅度、频率和相位形成数字频带信号成为数字调制。 从已调高频载波上将数字信号恢复过来,或者将数字基带信号的频谱从高频载波频率上再搬回来成为数字解调。,3,模拟与数字调制对比,调制同样使用连续变化的正弦波作为载波。 模拟调制信号是连续变化的模拟基带信号;数字调制信号是时间和取值都离散的数字基带信号。 与模拟调制中的幅度调制、频率调制和相位调制相对应,数字调制也有三种方式。 数字调制的三种方式:
2、幅度键控、频移键控和相位键控。 数字调制一般使用键控方式实现,其含义使用开关控制的数字调制方式。,4,本章主要内容,二进制幅移键控 二进制频移键控 二进制相移键控 多进制幅移键控 多进制频移键控 多进制相移键控,5,二进制幅移键控,幅移键控记为ASK。也有称为“开关键控” 的ASK是一种相对简单的调制方式。 幅移键控(ASK)相当于模拟信号中的调幅,只不过与载频信号相乘的是二进制数码而已。 幅移就是把频率、相位作为常量,而把振幅作为变量,信息比特是通过载波的幅度来传递的。 二进制振幅键控(2ASK):,调制信号:单极性非归零的矩形脉冲序列。 1码,输出载波Acos0t; 0码,输出载波为0。,
3、6,2ASK幅移键控调制和波形见附件动画,2ASK调制模型和时间波形,7,基带数字信号f(t)为单极性二进制序列,其波形表达式:,二进制幅移键控波形表达式,an为第n个码元的电平值,对于单极性码an=0或者1,对于双极性码an=1或者-1。g(t)是时间宽度为Ts的基本脉冲。 2ASK的波形表达式可写为:,f(t),8,2ASK调制模型和时间波形,由于调制信号只有0或1两个电平,相乘的结果相当于将载频或者关断,或者接通, 它的实际意义是当调制的数字信号为“1”时,传输载波;当调制的数字信号为“0”时,不传输载波。 乘法器完成调制,实现频谱搬移;BPF取出已调信号,同时抑制已调信号带外的频谱分量
4、。,9,2ASK幅移键控调制和波形见附件动画,2ASK调制模型和时间波形,10,二进制幅移键控信号频谱,二进制序列的频谱,2ASK信号的频谱,ASK信号的带宽是调制信号带宽的两 倍,其主瓣带宽为:,2ASK信号的频谱是将数字基带频谱中心搬移到载频处,11,非相干解调:通过包络检测器来实现。 相干解调利用乘法器实现,使信号频谱再次搬移,调制信号的频谱重新搬回零频附近。,二进制幅移键控信号解调,12,2ASK非相干解调,调制波形,抽样判决,包络整形,13,2ASK的相干解调,BPF滤除接收信号频带以为的噪声干扰,其输出加到乘法器与本地载波相乘,输出为:,14,之后通过低通滤波器滤除基带信号频带以外
5、的高频分量和噪声,同时对波形起到平滑作用。LPF输出:,2ASK的相干解调,与AM调制不同的是,需要在AM解调器之后增加一采样判决器,目的是恢复标准的原数字序列。,相干解调和包络检测的动画见附件,15,本章主要内容,二进制幅移键控 二进制频移键控 二进制相移键控 多进制幅移键控 多进制频移键控 多进制相移键控,16,二进制频移键控,数字频率调制又称频移键控(FSK),二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息,即用所传送的数字消息控制载波的频率。 2FSK键控法则是利用瘦矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源1和2进行选通。,2FSK键控法则见附件动画,17
6、,FSK信号的产生,输入1码时K1闭合,K2打开,输出1 ; 输入0码时K2闭合,K1打开,输出2。这种方法产生的FSK信号一般相位不连续。,调制过程和波形图见附件动画,18,2FSK信号表达式,FSK信号的表达式为:,g(t)是宽度为Ts的矩形脉冲, 表示an的非。 两个载频之间的间隔成为频差 两个载频的平均值称为2FSK的中心频率,19,相位不连续的2FSK信号可看作是载频不同的两个ASK信号的叠加,因此频谱是两个ASK信号频谱之和。 当基带信号不含直流时,频谱如图:,2FSK信号带宽,可见2FSK信号的带宽为:,20,相干解调:1代表1码,2代表0码。FSK信号相当于两个交错的ASK信号
7、之和。 中心频率为1和2的BPF1和BPF2,把代表 1 码的y1( t )和代表 0 码的y2( t )分成两路,分别进行相干解调。,2FSK信号解调,解调过程见附件动画,21,带通滤波器的输出:,2FSK信号解调判决,乘法器的输出:,22,2FSK信号解调判决,LPF的输出:,判决准则:x1x2判为1,x1x2判为0。,23,2FSK的非相干解调,两个带通滤波器(带宽相同,皆为相应的2ASK信号带宽;中心频率不同,分别为 f1、f2 )起分路作用,用以分开两路2ASK信号 抽样判决器起比较器作用,把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较,从而判决输出基带数字信号 。,判决准则:x1x2判为
8、1; x1x2判为0。,24,解调波形,解调过程见附件动画,25,本章主要内容,二进制幅移键控 二进制频移键控 二进制相移键控 多进制幅移键控 多进制频移键控 多进制相移键控,26,二进制相移键控调制,利用载波的相位变化来传递信息。分为:绝对调相和相对(差分)调相 绝对调相:利用载波初相位绝对值表示数字信号。例如,1用载波的0相位表示,0用载波的相位表示。记为PSK。 相对调相:利用相邻码元载波相位的相对变化表示数字信号。称为二进制差分相移键控,记为2DPSK。 相对相位指本码元载波初相与前一码元载波终相的相位差。 例如,1码载波相位变化,即与前一码元载波终相差,0码载波相位不变化,即与前一码
9、元载波终相相同。,27,PSK模型和波形,PSK信号表达式,an为双极性不归零码,-1或1,根据调制模型,若绝对码为1,0单极性序列,可将其先变成1,-1双极性序列,28,二进制差分相移键控DPSK,利用相邻码元载波相位的相对变化表示数字信号,称为二进制差分相移键控,记为2DPSK。 相对相位指本码元载波初相与前一码元载波终相的相位差。 例如,1码载波相位变化,即与前一码元载波终相差,0码载波相位不变化,即与前一码元载波终相相同。,29,DPSK信号的相位与信息代码的关系是:码元为“1”时,DPSK信号的相位变化180。码元为“0”时,2DPSK信号的相位不变,可简称为“1变0不变”。 相位变
10、或不变,是指将本码元内信号的初相与上一码元内信号的末相进行比较,而不是将相邻码元信号的初相进行比较,假设码元宽度等于载波周期的1.5倍,二进制差分相移键控DPSK,30,bn是an的差分码,an的绝对码,bn是把DPSK看成PSK的序列,DPSK信号对绝对码是相对相移键控,但对于差分码是绝对相移键控。 因此,其实现可以在2PSK之前加上差分编码进行调制。,使得绝对码每出现1相对码变化一次电平,二进制差分相移键控DPSK,31,2PSK的带宽,当调制信号为双极性NRZ序列时,带宽与ASK相同。,32,2PSK解调,与DSB-SC解调类似,只能用相干解调器解调。,到来乘法器的输出,LPF输出,到来
11、乘法器的输出,LPF输出,判决准则:抽样值0,判为1;抽样值0,判为0.,33,2PSK解调,与DSB-SC解调类似,只能用相干解调器解调。,相干解调器解调需要产生同频同相的本地载波,否则会产生相位误差,称为倒现象:本地载波的相位与发送端的载波相位反相时,则恢复的数字信息就会与发送的数字信息完全相反。 而本地载波一般是通过接收信号提取出来的,在传输过程中难免会受到噪声干扰,从而使其相位发生随机变化而带来误差。这种相位误差难以消除,因此2PSK不常用。,34,2DPSK相干解调,把DPSK看作PSK,所对应的序列是bn。bn是an的差分码。可采用相干解调,解调出bn 由bn求 an :an=bn
12、bn-1。码变换器将bn变换an 。,35,2DPSK差分相干解调,用前一码元的载波相位作为解调后一码元的参考相位,通过比较前后码元载波的初相位完成解调。 解调器输出就是原绝对码,无需再进行码变换。,查分相干解调数学模型,36,低通滤波后输出:,2DPSK差分相干解调,判决准则: x 0判为0,假定相邻码元的载波相位分别为 和 ,信号表示式为,相乘器的输出:,是前后码元的相位差,x(t),37,2DPSK差分相干解调,BPF取出DPSK信号,一路直接加到乘法器,另一路延迟一个码元周期Ts,作为解调后一码元的参考载波。 LPF取出调制码元序列,去除高频分量。抽样判决,恢复 an。,判决准则: x
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