第7章数字信号的调制与解调

第7章数字信号的调制与解调 • 数字通信系统概述 • 基带数字信号的特性 • 幅度键控的产生与解调 • 频率键控的产生与解调 • 相位键控的产生与解调内容提要：

7.1 数字通信系统概述 • 关于数字信号 • 数字通信系统的性能指标 • 数字通信系统模型 • 数字通信系统的特点本节内容：

关于数字信号 • 数字信号是量化后的离散时间信号 • 数字信号的主要特点是状态的离散性 • 离散信号的状态可以用二进制符号表示 • m位的二进制符号最多可以表示2m个状态 • 数字通信中采用的二进制符号只有0、1两种 • 0、1两个符号所组成的代码可表示任意信息 • 由0、1组成的一串代码称为“数字信号序列”，表示为：…a-k…a-3 a-2 a-1 a0 a1 a2 a3 …ak … （a是码元，k是其序号，简写为｛ak｝

数字通信系统的性能指标 • 性能指标之一——码元传输速率 码元传输速率即码元速率或传码率，指系统每秒钟传送或处理码元的数目，单位为“波特”，符号 “B” 。 信息传输速率即信息速率或传信率，指每秒钟传递的信息量，单位为比特/秒，记为bit/s。 码元速率及信息速率是有区别的。 • 性能指标之二——差错率 误码率——码元在传输系统中被传错的概率 误信率——信息量在传输过程中被丢失的概率

数字通信系统模型 ③收信机 • 五个组成部分 • ①发终端 • ②发信机 • ④收终端 • ⑤信道 • 系统模型见下图

数字通信系统的特点 • 数字通信的抗干扰（或噪声）能力强； • 传输中的差错可以通过抗干扰编码（检错纠错编码）加以控制，从而能有效地改善通信质量； • 便于使用现代技术对数字信号进行处理； • 数字信号易于加密，保密性强； • 数字通信系统可以传递各种信息，使通信系统变得通用、灵活； • 与模拟通信相比，数字通信要占据更宽的带宽。

7.2 基带数字信号 • 基带数字信号的波形 • 基带数字信号的一般表达式 • 基带数字信号的频域特点本节内容：

基带数字信号波形——矩形脉冲

基带数字信号波形——非矩形脉冲 • 矩形脉冲的产生比较容易，实际上也很有用，不过这种脉冲的频谱很宽。在数字通信系统中，为了节省频带，可采用频谱较窄的脉冲，如升余弦脉冲，三角形脉冲，半余弦脉冲等

基带数字信号波形——N进制 • 对于N进制的数字信号，每个码元可以有N种不同的数值，传输这种信号需要有N种不同的波形： g1(t)、g2(t)、g3(t)……gN(t)。 • （a）单极性四电平信号 • （b）双极性四电平信号 • 右图中电平为3U的脉冲代表“3”；2U代表“2”；U代表“1”；电平等于零时代表“0”，这种信号叫做多电平信号。

基带数字信号波形——绝对码与相对码 • （a）绝对码,它的特点是：每一个符号都和一个固定的波形相对应。 • （b）相对码,它是以前一个码元为基准来进行编码的。1时相同，0时相反。

基带信号的一般表达式 其中：时间函数S(t) 是一个随机函数，利用统计法可以得到其中规律。如果对于某一序列有：则有一般表达式：如果两脉冲波形相同极性相反，即g2(t)＝－g1(t)＝－g(t) ，则上式可改写为：

基带数字信号的频域特点 • 单极性周期性矩形脉冲的频谱 • 图示为周期为T，脉冲宽度为τ的单极性周期性矩形波及其利用傅立叶级数展开得到的频谱分布。

基带数字信号的频域特点 • 脉冲宽度与频谱的关系 • 脉冲宽度τ越窄，其频谱包络线的零点频率越高，相邻两个零值之间所含的谐波分量就越多，频带越宽。

7.3 幅度键控 • 什么是幅度键控？ • 利用基带信号S(t)对载频为ωc的正弦波幅度进行控制的方式，叫做调幅，也叫做幅度键控，记为ASK。 • 下面讨论六点问题：本节内容： • 模拟调制方法的调幅器 • 数字键控方法的调幅器 • 调幅信号产生的原理图 • ASK信号频域分布特点 • 折叠干扰及其消除方法 • 幅度键控信号的解调

模拟调制方法的调幅器 • 模拟调制方法的调幅器方框图 • 一般表达式：基带数字信号高频载波

数字键控方法的调幅器 由基带数字信号控制一开关电路。当“1”码时开关闭合，高频载波输出。当“0”码时开关断开，无高频载波输出。数字键控调幅器框图幅度键控信号波形

调幅信号产生的原理图 （a）图中两个二极管的导通与截止受基带信号控制。（b）图中三极管的导通与截止受基带信号控制。

ASK信号的频域分布特点 • 从频域上看，幅度调制的作用是将基带信号频谱移到以载频ωc为中心的频带内。调幅之后将产生上、下两个边带，每一个边带都是基带频谱的线性搬移，这种调制叫做线性调制。带宽BW＝2fs • 频谱结构特点

折叠干扰及其消除方法 由于调制时载波频率fc选择偏低导致调幅后的ASK信号频谱的下边带中出现“反转”的频率分量。由于“反转” 的频率是由“负频率”以零频率为中心 “反射(或折叠)而产生的，因而叫做零频率反射干扰或折叠干扰。 • 折叠干扰 • 消除方法用低通滤波器把基带数字信号中高于载波fc的频率分量滤掉。

幅度键控信号的解调 • 相干解调框图 • 非相干解调框图

ASK信号解调的波形 调幅信号检波输出 UP为判决电平整形输出

7.4 频率键控 • 频率键控信号的产生 • FSK信号产生的原理 • 二进制FSK信号波形 • FSK信号产生的电路 • 频率键控信号的解调 • 非相干检测法 • 相干检测法本节内容

FSK信号产生的原理  根据定义，频率键控信号uFSK(t)的瞬时频率为ω(t) =ωc+ωdS(t)ωc是未调载波频率，ωd为频率偏移对基带信号电压S(t)的变换系数。如果S(t)是归一化基带信号，即|S(t)|的最大值等于1，且没有量纲，则ωd是最大频率偏移，简称频偏。 • 什么是FSK信号？ •  用基带信号S(t)对载波的瞬时频率进行控制的方式，叫做调频。在数字通信中，称为频率键控（或频移键控），记为FSK。 • FSK信号中的瞬时频率与频偏

二进制FSK信号波形 基带信号相位不连续相位连续

FSK信号产生电路中和一种形式 • 晶体管及LC1回路组成一个振荡器，振荡频率主要由回路参数L、C1、C2决定。基带信号S(t)是双极性不归零矩形脉冲。S(t)为正时，V2V3截止，振荡频率由L和C1决定。S(t)为负时，V2V3导通，振荡频率由L和C1和C2决定。

频率键控信号的解调——非相干检测 • 图示为非相干检测法，为了消除失真或干扰，在输出端带有判决电路。

频率键控信号的解调——相干检测法 • 图示为相干检测法，特点是需要一个相干（同步）信号，在输出端同样有判决电路。

7.5 相位键控 本节内容： • 用基带数字信号对载波相位进行控制的方式，叫做调相，在数字通信中称之为“相位键控”，记为PSK。 • 相位键控分为绝对相位键控和相对相位键控（DPSK）两种 • 相位键控信号的产生 • 相位键控信号的解调

绝对相位键控 • 用未调载波的相位作为基准的调制，叫做绝对相位键控 • 码元取“1”时，已调高频振荡的相位与未调载波的相位相同；取“0”时相位相差180° • 采用绝对方式时，在接收系统中必须有一个与发送系统相同的基准相位作为参考，以识别接收到的是“1”码还是 “0”码 • 绝对PSK方式因参考相位的随机跳变，存在“倒π”现象或“反相工作”现象

绝对PSK信号的波形 基带数字信号载波信号绝对相位键控信号

相对相位键控 • 利用前后相邻码元的相对载波相位差值去表示数字信息的一种方式 • 设本码元与前一码元的载波相位差为π时，代表数字信息“0”，相邻码元载波相位差为0时，代表数字信息“1”，则数字信息序列与相对PSK信号的码元相位关系如下：数字信息　　 1 0 1 1 0 0 1 相对PSK信号相位　 00 ππ π 0 ππ 或　　π　π　00 0 π 0 0 • 相对PSK信号的初相特点：当数字信号是1时，该码元的相对PSK信号初相与前一码元的相同；当数字信号是0时，该码元的相对PSK信号初相与前一码元的相差π

相对PSK信号的波形 解调相对PSK信号时不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系正确，即可根据此相位关系恢复出数字信号。

相位键控信号的产生 • 相位键控（调相）电路分为两大类：一类是直接控制相位法；另一类是相位选择法。 • 直接控制相位法是指用基带数字信号控制载波的相位。 • 相位选择法是指根据基带数字信号的取值，从若干个相位不同的载波中选取所需要的波形。 • 下面以两相调相为例，介绍直接控制载波相位的调相电路。

绝对PSK调制器 • 用基带数字信号S(t)（叫做绝对码）去控制电子开关，电子开关按照S(t)的不同取值进行相应的动作，进而完成载波相位的切换，因此输出信号中载波的相位按基带数字信号的规律而变化，即实现了调相的功能。 • 框图 • 原理

相对PSK调制器 • 由“码变换”方框将绝对码波形S(t)变为相对码波形，再利用相对码去进行绝对调相，最终达到相对调相的目的。 • 框图 • 原理

两相调相电路（绝对） • 设S(t)是双极性不归零矩形脉冲，uc(t) 是载波。当基带信号为正时，V1V2导通，V3V4截止，uPSK(t)和uc(t)的相位相同，φ=0°；当基带信号为负时，V1V2截止，V3V4导通，uPSK(t) 和uc(t)相位相反，φ=180°，这样就得到了所需的两相调相信号。 • 电路 • 原理

两相相对调相信号的波形

相位键控信号的解调 • 相干解调的实现原理 • 相干解调的波形 • 相对调相信号的同步解调 • 相干信号的产生 • 相对调相信号的差分相干解调法 • 相对调相信号差分相干解调波形 • 差分相干解调的优缺点

相干解调的实现原理 • 调相信号的解调器方框图 • 相位键控信号经带通滤波后与本地振荡信号（插入载波）在相乘器中相乘后，其输出经低通滤波器滤波而得到所需基带信号，由采样判决器判决而得到“1”位或“0”位的数据输出。 • 基本原理

相干解调的波形 调相信号uPSK(t)为0相移时，它和相干信号相乘并把高频分量滤掉以后得到正脉冲可判决为“1”；当调相信号为π相移时，得到负脉冲，可判决为“0”。

相对调相信号的同步解调 • 相对调相信号同步解调方框图：

相干信号的产生 • 在相干解调时，如何产生相干信号是个关键。 • 相干信号不能从uPSK(t) 中直接提取，但可先对调相波进行全波整流，再从中取出2fc分量，然后利用分频而得到。 • 分频电路的相位具有不确定性

相对调相信号的相对差分解调法 • Ts是延迟时间，它等于一个码长，则延迟后的信号uDPSK(t－Ts)比原来的调相信号uDPSK(t)落后一个码元的时间。用相乘器（鉴相器）将它们相乘，再用低通滤波器滤掉其中的高频分量，然后进行判决，得到原来的基带信号。 • 框图 • 原理

相对调相信号差分相干解调波形

差分相干解调的优缺点 • 优点： • 抗干扰能力差。如果接收信号uDPSK(t)中混进了外来的干扰和噪声，那么这些有害杂波将同时在相干信号uDPSK(t－Ts)中出现，使解调后的信号中的干扰增加，因而更容易产生误码 • 载频fc的稳定度对解调性能的影响较小，即抗频漂性能好。 • 将相对调相信号进行解调后所得的信号序列，就是所需的绝对码，不需要再进行相对码-绝对码变换，因而电路比较简单。 • 缺点

本章小结 • 数字通信系统的性能指标为码元传输速率与差错率。 • 二进制基带数字信号有单极性脉冲、双极性脉冲、单极性归零脉冲和双极性归零脉冲等。 • 数字信号调制有三种基本方式，即振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）和相位键控（PSK）。 • 相位键控有绝对相位键控和相对相位键控。在通信系统中，一般采用相对相位键控DPSK方式。

第7章数字信号的调制与解调