复旦大学：《信号与通信系统》教学课件_12 数字信号调制

2014-06-18 第四章信号的调制传输 三种基本键控调制方式: 振幅锭控(ASK)正弦波幅度传递数字基带信号 ·基带信号频率较低,不宜在一般信道中宜接传输 颜移键控(FSK):正弦波颜率传送数字基带信号 ·发送端调制,接收端反调制解 相移键控(PSK):正弦波相位传送数字基带信号 调制:用基带信号去改变裁波的某些参数 数字双向通信中,将调制器和解调器装在一起,称 已讨论脉冲调制:PAM、PCM 为调制解调器( MODEM 本章讨论正弦波调制 振幅键控 §11数字信号的调制 正弦载波的幅度随数字基带信号而变化 数字信号调制的两种类型: 最简单的形式:敦波在二进制调制信号1和0的控制 模抿训制法实现数字信号的训制:将字基带信号视为 下通或断,也称为通断键控(OOK) 1、定义:设数字基带信号为s(),则ASK信号为 ◆用数字信号高散取值特点来键控载波键控法):一般用数 字电路实现 asK (=As(o)@I 2、两种调制方法 基带信号s(为戚0的二进制序列 AsK(n 数字基带信号与正弦敦波直接相乘 开关电略 发生器 数字基带信号控制开关选择正弦載波的通 一般情况,基带信号5()可为一定波形形状的二进制序列: y Oor l 其中g(为一定形状的波形,且g(D)=0,ts[0,T 此时的ASK信号为 ask ()=As()cos0)I=AEa,g(/-n, ) cos o,! 3、ASK信号的频谱和带宽 ·设基带信号的功率谱为S(a,则ASK信号的频谱为 ASK信号频谱宽度为基带信号的两倍 →SAs()=[S(+)+S(a-02) 若基带信号频谱宽度无穷大,则ASK信号的频谱宽度也无穷大

2014-06-18 1 第四章 信号的调制传输  基带信号频率较低，不宜在一般信道中直接传输  发送端调制，接收端反调制(解调)  调制：用基带信号去改变载波的某些参数  已讨论脉冲调制：PAM、PCM  本章讨论正弦波调制 49 1 §1.1 数字信号的调制  数字信号调制的两种类型：  模拟调制法实现数字信号的调制：将数字基带信号视为 模拟信号的特殊情况  用数字信号离散取值特点来键控载波(键控法)：一般用数 字电路实现  数字双向通信中，将调制器和解调器装在一起，称 为调制解调器(MODEM)  三种基本键控调制方式：  振幅键控(ASK)：正弦波幅度传递数字基带信号  频移键控(FSK)：正弦波频率传送数字基带信号  相移键控(PSK)：正弦波相位传送数字基带信号 一 振幅键控 49 2 、  正弦载波的幅度随数字基带信号而变化  最简单的形式：载波在二进制调制信号1和0的控制 下通或断，也称为通-断键控(OOK) 1、定义：设数字基带信号为s(t)，则ASK信号为 s t As t t ASK c ( )  ( ) cos 2、两种调制方法： s(t) 乘法器 Acosct sASK(t) 数字基带信号与正弦载波直接相乘 开关电路 49 3 载波 发生器 sASK(t) s(t) 数字基带信号控制开关选择正弦载波的通、断 -A 0 A 1 Acosct s(t) 基带信号s(t)为1或0的二进制序列 49 4 0 -A 0 A Ts sASK(t)  一般情况，基带信号s(t)可为一定波形形状的二进制序列： ( )   (  ),  0or1 n n n s s t a g t nT a s t As t t A a g t nT t ASK c n s c ( ) ( ) cos ( ) cos         其中g(t)为一定形状的波形，且 ( ) 0, [0, ] Ts g t  t   此时的ASK信号为： 49 5 s t s t t a g t n tc n ASK ( ) ( ) cosc n ( s ) cos     3、ASK信号的频谱和带宽  设基带信号的功率谱为S()，则ASK信号的频谱为： [ ( ) ( )] 2 ( ) ( ) ( ) cos ASK c c ASK c S S A S s t As t t             0  S() s 2s -s -2s SASK() 49 6 ASK信号频谱宽度为基带信号的两倍 若基带信号频谱宽度无穷大，则ASK信号的频谱宽度也无穷大 0 c -c -c+2s c+2s  c-2s -c-2s

2014-06-18 ·若基带信号s(为正弦滚降信号,其带宽B为 ASK信号的频谱形状与基带信号一致,只是移到载波频率a 此时其带宽为 B=(1+r)其中为滚降因子 BsK =2B=-(1+r) 下图以=1为例 4、两种解调方法 相干解调 滤波 A 定时脉冲 经过BPF后的信号为:S2(D)=l(1)cose!t 其中m(为1码的包络,一般与数字基带信号s()不同 乘以本地载波信号: S2()=a()cosocost=la()+()cos2 经过LPF后的信号为:S2()=l() 相干解调的缺点:接收端需产生频率、相位与发送端载波 完全一致的高频信号,设备相对复杂 非相干解调:包络检波法 定时脉冲 经过BP后的信号为:Sg()=(1)cos!t 经过包络检波器后的信号为m(),包含二进码信息 最简单的包络检波器 时间常数RC比载波周期T=1 大得多→输出保持在包络值上 RC比码元持续时间工小得多→ 保证信号1、0间的 ASK出现最早,最简单,但抗噪声能力较差

2014-06-18 2  若基带信号s(t)为正弦滚降信号，其带宽B为： (1 ) 2 1 r T B s   其中r为滚降因子 S()  下图以r=1为例 49 7 0 2.5  -2B 2B (1 ) 1 2 r T B B s ASK     ASK信号的频谱形状与基带信号一致，只是移到载波频率c 的中心附近，此时其带宽为： SASK() 49 8 0  -c-2B -c -c+2B c-2B c c+2B 4、两种解调方法：  相干解调 sASK(t) 带通 滤波器 乘法器 cosct 低通 滤波器 抽样 判决器 定时脉冲 49 9  经过BPF后的信号为：s t u t t R c ( )  ( ) cos 其中u(t)为1码的包络，一般与数字基带信号s(t)不同  乘以本地载波信号： [ ( ) ( ) cos 2 ] 2 1 s (t) u(t) cos t cos t u t u t t g c c   c    经过LPF后的信号为： s (t) u(t) o  0 0 sASK(t) sR(t) sg(t) 49 10 相干解调的缺点：接收端需产生频率、相位与发送端载波 完全一致的高频信号，设备相对复杂 0 0 so(t) Ts  非相干解调：包络检波法  经过BPF后的信号为：s t u t t R c ( )  ( ) cos sASK(t) 带通 滤波器 包络 检波器 低通 滤波器 抽样 判决器 定时脉冲 49 11  经过包络检波器后的信号为u(t)，包含二进码信息  最简单的包络检波器： 时间常数RC比载波周期Tc=1/fc 大得多  输出保持在包络值上 RC比码元持续时间Ts小得多  保证信号1、0间的变化 R C 0 0 sASK(t) sR(t) 49 12  ASK出现最早，最简单，但抗噪声能力较差 0 so(t) Ts

2014-06-18 二、频移键控 1、定义: sx()≈J4cosa2-△O)发送1 Acos(o+△o)发送0 发送1时载波频率为a,发送0时载频频率为a2 FSK信号可表示为 2、两种调制方法 Acos(o+)发送l1 直接训频法→连续相位的FSK信号 s(t)2Acos(o21+a2)发送0 6和B分别为发送和0时的载波的初相位 信号 常令:1=02-△OO2=02+△O △a称为颜偏:2△O=02-O1 ·不失一散性,令日==0,则FSK信号为 发送0时,开关不通,LC振荡回路的电容为C,则其振荡颜 两个独立的振荡器+键控电路→相位不连续的FSK信号 率为 发送1时,开关接通,LC振荡回路的电容为C与△C的并联, 则其振荡频率为 [ 基带信号 B=f:1 5 +B 双蜂 2T 1.5B=zf1 3、FSK信号的频谱和带宽 二进制FSK信号可视为两个ASK信号的叠加→ 频谐带寬为基带带宽的2倍利f2J之和 BEsx=2B+2-D) fr-B f f2 2+B

2014-06-18 3 二、频移键控 1、定义： 发送1时载波频率为1，发送0时载频频率为2  FSK信号可表示为：       cos( ) 0 cos( ) 1 ( ) 1 1 发送 发送     A t A t s t FSK 49 13 Acos(2t  2 ) 发送0 其中1和2分别为发送1和0时的载波的初相位  常令：1 c   2 c     称为频偏： 2 1 2    不失一般性，令1=2=0，则FSK信号为：         cos( ) 0 cos( ) 1 ( ) 发送 发送 A t A t s t c c FSK      直接调频法  连续相位的FSK信号 2、两种调制方法： 基带 49 14 1 0 信号 C C L sFSK(t) LC 振荡 回路  发送0时，开关不通，LC振荡回路的电容为C，则其振荡频 率为： LC 1 2   发送1时，开关接通，LC振荡回路的电容为C与C的并联， 则其振荡频率为： 1 1  1 0 1 49 15 ( ) 1 L C  C  2Ts 0 Ts 3Ts  两个独立的振荡器＋键控电路  相位不连续的FSK信号 1 振荡器 1 键控器 49 16 0 基带信号 sFSK(t) 振荡器 2 1 0 0 1 49 17 3、FSK信号的频谱和带宽 Ts 2Ts 3Ts  二进制FSK信号可视为两个ASK信号的叠加  频谱带宽为基带带宽的2倍和f2-f1之和 2 ( ) 2 1 B B f f FSK    2B=f2-f1 f1 0 f2 f1-B f2+B 2B 双峰 49 18 1.5B=f2-f1 f1 0 f2 f1-B f2+B 1.5B 双峰

2014-06-18 B=1 定义调频指数m: .=7,为二进制码元的时间宽度 frB, 2+B ·若基带信号s(为正弦滚降倍号,其带宽B为 0.8B=21 2Z(+r) 信号的带宽为 Bsx=2B+(2-A)=r(1+r)+(2-f) 2丌B 5 2(+n+(-)=a(+)+2o f- B ff 2+B ·若为升余弦滚降,m1,有 当发送时,Ss(1)= AcOsOr 20.+2△O 经过上面一路,其输出与ASK相干检测类似,得到: 4、两种解调方法 经过下面一路,乘法器的输出为 相干解调 so2(t=u(Ocos o,f coso 带通减波山乘法「低還减波 O2)+cos(a-02)川 若低通截止频率足够低,则经过LPF的输出为 帚通滅L「乘法器]「低通滅被 当发送0时,Ssx(D)= A coso2 经过下面一路,其输出与ASK相干检测类似,得到 mYW人 BPF2 经过上面一路,乘法器的输出为: s,(=u(r)cos@, f cos M~~ ==(cos(a1+O2)+cos(a1-02川] 八 同样若低通止颜率足够低,则经过LPF的输出为 sol(o<so2(n) 2T

2014-06-18 4 B=f2-f1 f1 0 f2 f1-B f2+B B 单峰 49 19 0.8B=f2-f1 f1 0 f2 f1-B f2+B 0.8B f1 f2 f1 f 单峰 2  定义调频指数mf ： s mf    2 Ts为二进制码元的时间宽度 其中 2 2 ( ) 2 1 2 1      f  f s s T   2   若基带信号s(t)为正弦滚降信号，其带宽B为： 1 49 20 (1 ) 2 1 r T B s   FSK信号的带宽为： (1 ) ( ) 1 2 ( ) 2 1 2 1 r f f T B B f f s FSK                (1 )  (  )  (1 )  2 2 2 2 1 r r T B s s FSK  若为升余弦滚降，r=1，有： 2 BFSK  2s  2 4、两种解调方法：  相干解调 带通滤波 乘法器 低通滤波 49 21 输入 带通滤波 1 乘法器 cos1t 低通滤波 抽样 定时脉冲 判决器 输出 带通滤波 2 乘法器 cos2t 低通滤波  当发送1时， s t A t FSK 1 ( )  cos  经过上面一路，其输出与ASK相干检测类似，得到： ( ) ( ) 1 s t u t o   经过下面一路，乘法器的输出为： ( ) ( ) cos cos 2 1 2 s t u t t t o     49 22 ( )[cos( ) cos( ) ] 2 1 1 2 1 2  u t   t    t 若低通截止频率足够低，则经过LPF的输出为： so2 (t)  0 ( ) ( ) 1 2 s t s t  o  o  当发送0时， s t A t FSK 2 ( )  cos  经过下面一路，其输出与ASK相干检测类似，得到： ( ) ( ) 2 s t u t o   经过上面一路，乘法器的输出为： ( ) ( ) cos cos 1 2 1 s t u t t t o     49 23 ( )[cos( ) cos( ) ] 2 1 1 2 1 2  u t   t    t 同样若低通截止频率足够低，则经过LPF的输出为： so1(t)  0 ( ) ( ) 1 2 s t s t  o  o 0 0 0 0 FSK 1 0 0 1 BPF1 BPF2 MT1 49 24 0 0 0 Ts 0 2Ts 3Ts 4Ts LPF1 LPF2 MT2

2014-06-18 非相干解调 BPFI 定时脉冲 判决器 当发送1时,上面一路BPF的输出为;a() coso,l ENVI 下面一路BPF的输出很小 ◆当发送0时,下面一路BPF的输出为:u(1)cosO ENV2 上面一路BPF的输出很小 →包络检波后,可比较两路信号的大小检测发送信息 两种解调,抽样判决均是判定哪路输出大,不像ASK那样 三、移相键控 蓄设定判决门限→不受信道衰落或变化影响 非相千解调设备简单,在FSK中较多应用 发送1时载波相位为0,发送0时载频相位为 国际电报电话咨询委员会(CCIT推荐在不大于1200bi/s 的数据率时,在电话信道中使用FSK方式传输 PSK信号可表示为 Acoso t 发送1 1300Hzf2100Hz SpsK(0=t 若取0.25 Acos(ot+x)=- Acos t发送0 Bx=2B+(6-f)=2a+r)+(5- 一般,嗽波颜率可为数字信号传输遠率(1T)的整数倍 3/T (1+025)+(2100-1300=2300Hz 电话信道:600-3000Hz(带宽:2400Hz) 2T 3T. 2、两种调制方法 相位选择法 直接调相法:环形调制器,用双极性数字基带信号来控制 用数字基带信号来控制选择两个相位相差r的载波振荡器 振荡器 键控器 振荡器 SpsK(n 发1时,A点电平高于B点,输出信号与载波振荡器同相 发1时,s(n控制键控器,使输出信号与载波振荡器同相 发0时,A点电平低于B点,输出信号与载波振荡器反相 发0时,s(控制键控器,使输出信号与载波振荡器反相 5

2014-06-18 5  非相干解调 输入 带通滤波 1 包络 检波器 抽样 定时脉冲 判决器 输出 带通滤波 2 包络 检波器 49 25 2  当发送1时，上面一路BPF的输出为：u t t1 ( ) cos 下面一路BPF的输出很小  包络检波后，可比较两路信号的大小检测发送信息  当发送0时，下面一路BPF的输出为： u t t2 ( ) cos 上面一路BPF的输出很小 0 0 FSK 1 0 0 1 BPF1 BPF2 49 26 0 0 0 Ts 2Ts 3Ts 4Ts ENV1 ENV2  两种解调，抽样判决均是判定哪路输出大，不像ASK那样 需设定判决门限  不受信道衰落或变化影响  非相干解调设备简单，在FSK中较多应用  国际电报电话咨询委员会(CCITT)推荐在不大于1200 bit/s 的数据率时，在电话信道中使用FSK方式传输 f1=1300 Hz f2=2100 Hz 49 27 若取r=0.25： (1 0.25) (2100 1300) 2300 Hz 1/1200 1 (1 ) ( ) 1 2 ( ) 2 1 2 1           r  f  f T B B f f s FSK 电话信道：600~3000 Hz(带宽：2400 Hz) 三、移相键控 1、定义： 发送1时载波相位为0，发送0时载频相位为  PSK信号可表示为：        cos( ) cos 0 cos 1 ( ) 发送 发送 A t A t A t s t c c c PSK     49 28  ( c ) c 发送 其中c为载波频率  一般，载波频率fc可为数字信号传输速率(1/Ts )的整数倍  若fc=3/Ts Ts 0 2Ts 3Ts 4Ts 1 0 0 1  直接调相法：环形调制器，用双极性数字基带信号来控制 2、两种调制方法： A B 载波 振荡器 sPSK(t) 49 29 s(t)  发1时，A点电平高于B点，输出信号与载波振荡器同相  发0时，A点电平低于B点，输出信号与载波振荡器反相  相位选择法： 用数字基带信号来控制选择两个相位相差的载波振荡器 载波 振荡器 sPSK(t) 键控器 s(t) 0相 49 30  发1时，s(t)控制键控器，使输出信号与载波振荡器同相 PSK( ) 倒相器 相  发0时，s(t)控制键控器，使输出信号与载波振荡器反相