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《通信原理》——数字调制信号


第8章 数字调制信号
数字信号分为基带信号和带通信号(调制信号)。 在实际应用中,远距离的传输信道往往是带通型的,必须如模拟信号调制一 样,用数字基带信号f(t)去调制载波,得到数字调制信号s(t),然后通过带通 信道进行传输。这称为数字信号的调制传输。 用数字信号f[n]去改变载波的幅度、频率和相位以进行调制,得到数字的调 幅、调频和调相信号。 数字信号调制中的载波c(t),也是模拟载波(通常是正弦波)。已调信号可 表达为 s(t)=A(t)cos[ωct+θ(t)] 用数字信号调制模拟载波,一种方法是直接把数字信号波形当作模拟信号波 形,采用模拟调制的方法进行调制;另一种方法则是利用数字信号在时间和 取值上的离散特性,对载波的振幅A(t)、瞬时频率偏移dθ(t)/dt和瞬时相位偏 移θ(t)进行键位控制。键控可用数字电路来实现,具有变换速率快,调整方 便,设备通用性和可靠性高等优点。

对载波的幅度、频率和相位进行调制得到的信号,分别称为幅度键控 (ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)等。
二进制键控可分为二进制幅度键控(2ASK),二进制频率键控(2FSK)和二进 制相位键控(2PSK)等。

8.1 二进制幅度键控
8.1.1 二进制幅度键控(2ASK)的概念
?

用单极性的二进制信号对载波进行通断的开关调制。

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8.1.2 2ASK信号的调制 直接调制法和键控法

二进制幅度键控波形示意图

8.1.3 2ASK的频谱分析

方波二进制信号的2ASK功率密度

8.1.4 2ASK的解调
?
?

分为相干解调和非相干解调 二者均需要进行采样和判决

2ASK信号的包络检波解调模型

8.2 二进制频移键控(2FSK)
8.2.1 二进制频移键控的概念
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用二进制基带信号去调制载波信号的频率,产生2FSK信号。 已调制信号用两个不同频率对应码元0和1。 离散相位的2FSK(DP-FSK)和连续相位的FSk(CP-FSK)。 2FSK信号可以看作两个2ASK的叠加。

相位连续和相位不连续的2FSK信号波形 及分解

8.2.2 2FSK的调制
?

直接调制法,产生连续相位的2FSK

直接调制法生成的2FSK信号

?

键控法,产生离散相位的2FSK

8.2.3 2FSK的频谱分析
?

离散相位2FSK信号,频谱等于两个2ASK信号相加,功率谱和带宽分别为

?

连续相位2FSK,因其相位连续,情况 更加复杂,带宽小于同等情况下的离 散相位2FSK。

8.2.4 2FSK的解调
? ? ?

用滤波器分离两路2ASK信号后,分别进行解调。 解调可采用相干解调与非相干解调。 解调后的两路基带二进制信号进行比较以判定原码元。

2FSK信号相干解调模型

2FSK信号非相干解调模型

8.3 二进制相移键控和二进制差分相移键控
8.3.1 二进制相移键控的时域和频域特点

如图所示为2PSK的时域波形图。

2PSK的功率谱图

8.3.2 二进制相移键控的调制和解调

?

直接调制法:用双极性码乘以载波。 直接调制法生成2PSK

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键控法:用f(t)控制双向开关。

键控法生成2PSK
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解调:因信号不含载波分量,故只能用相干解调法。需要从接收到的信号中 恢复出本地载波用于解调。

2PSK相干解调模型
?

巨大风险:恢复本地载波如果发生反相,则会因为“相位模糊”,而造成解 调出来的码元与原信号完全相反。

8.3.3 二进制差分相移键控(DPSK)
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DPSK,用相对相移键控,传输的信号,用于表达原信号码元是否发生变化。 如此,可解决接收到信号完全反相的问题。

?

传号差分码和空号差分码

?

差分译码
传号差分码和空号差分码的编码器模型

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差分相干解调:直接用接收到的信号差分自乘。如下图所示为2DPSK差分相 干解调模型。

8.4 二进制数字调制信号的抗噪声性能
8.4.1 2ASK相干解调抗噪声性能

2ASK相干解调抗噪声模型

2ASK相干解调的概率密度函数

8.4.2 2ASK非相干解调的误比特率

2ASK非相干解调抗噪声模型

2ASK非相干解调的误码区

8.4.3 2FSK解调的误比特率
?

2FSK解调与2ASK解调存在区别,两路的误比特率完全对称。

2FSK的相干解调抗噪声模型

8.4.4 2FSK非相干解调的误比特率

2FSK非相干解调抗噪声模型

8.4.5 2PSK及2DPSK的抗噪声性能

2PSK相干解调抗噪声模型

8.4.6 几种二进制数字调制系统的性能比较

8.5 多进制数字调制
? ? ? ?

二进制数字调制,信道利用率较低。 M进制数字信号,一位可表示n比特信息,相当于n位二进制。 M进制数字调制分为M进制幅度键控,M进制频移键控和M进制相移键控等。 解调得到的可能是M进制数字信号,也可将其转换为二进制信号。 高速二进制码元序列与低速M进制码元序列的相互转换:串联-并联。

8.5.1 多进制幅度键控(MASK)
?

用M个幅度电平表示M个码元取值

s(t) ? ? a n g(t - nTb )cos?c t
n

可以看作多个2ASK信号叠加,带宽 与2ASK信号相同,而信息量增大。但因 门限之间差距减小,故误码概率增大。
? ? ?

调制也用直接调制和键控法 解调也用相干解调和包络检波

4ASK的基带信号图和波形图

8.5.2 多进制频移键控(MFSK)
? ? ? ?

原理与2FSK类似,有M种不同的频率 也有直接调制法和键控法两种方式产生 也是将各个频率的分量分离后分别进行解调然后比较判决 带宽利用率较低

四进制频移调 制的相干解调 和非相干解调

8.5.3 多进制相移键控

MPSK正交调制模型

MPSK信号的相位选择法调制

MPSK信号的正交相干解调法

本章小结
数字信号的调制就是基带数字信号对载波信 号的幅度、频率和相位进行调制,生成的已 调制信号携带数字基带信号的信息。 ? 二进制调制是最基本的数字调制,具有结构 简单、抗噪声系能高的特点,但是它的带宽 利用率不高。 ? 多进制调制信号是在二进制调制基础上拓展 的,包括MASK、MFSK、MPSK等。
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