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

13、 0判为0,38,2DPSK解调波形,判决准则: x 0判为0,输入波形,延迟波形,乘积波形,39,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,40,多进制数字调制系统,二进制基带数字信号只有两种可能的状态1、0或+1、-1。数据通信的发展，要求频带利用率提高，多进制数字调制系统获得了广泛的应用。 多进制调制系统的优点： 一位多进制符号代表若干位二进制符号，传码率相同时，多进制的信息速率高于二进制。 随着传码率的提高，二进制系统所需信道带宽增加。采用多进制可降低码元速率，减小传输带宽。加大码元宽度，可增加码元能量，能提高系统的可

14、靠性。,41,MASK系统,可表示为 式中 g(t)高度为1，宽度为Ts的矩形脉冲，且有 。,42,MASK系统波形图,离散的波形图,等效为右图诸波形的叠加,可以看作由时间上互不重叠的 M-1个不同幅度的2ASK信号叠加而成,而且其带宽只与脉冲周期有关，因此其频谱依然是基带信号的两倍。,43,MASK系统,调制： 首先使用逻辑电路将二进制序列转换为M进制序列 然后用M进制序列对高频载波进行调制。 解调: 相干和非相干解调.,44,MFSK系统,多进制频移键控(MFSK)简称多频制，是用M个频率不同的正弦波分别代表M进制数字信号的M个状态 多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字信号，某一码元时间

15、内只发送其中一个频率。 波形表达式,45,MFSK系统模型,串/并变换将输入的二进制码每k位分为一组，由逻辑电路转换成多进制码。 逻辑电路输出一方面打开相应的门电路，使对应的载波发送出去，同时关闭其它门电路。加法器输出MFSK波形。 接收端通过M个不同中心频率的带通滤波器进行分频，然后通过抽样判决恢复M进制信号,46,MFSK频谱,特点：系统频带较宽，频带利用率低。 应用：调制速率不高的传输系统。 MFSK的带宽： MFSK信号可看作是M个振幅相同、载波不同、时间上互不相容的2ASK信号的叠加。其带宽 H最高载频；L最低载频；s码元频率,47,是高度为宽度为 的门函数 为M进制码元的持续时间,

16、MPSK调制系统,多进制相移键控是二进制相移键控的推广 在MPSK中，用正弦波的一个相位来代表一组二进制码。M=2k个相位，代表k位二进制码的不同组合 表示式如下，其中 表示第n个码元对应的相位 n= 0,1,M -1。,对其展开可得：,48,MPSK调制系统,n= 0,1,M -1,令,MPSK信号可以看成是两个正交载波进行多电平调幅所得两路MASK信号的叠加 因此，带宽与MASK一样，为调制信号带宽的2倍,对表达式进行进一步变换：,I(t)和Q(t)是周期性变化的序列,49,相位配置,MPSK信号的M个相位与其代表的k位二进制码元之间的对应关系成为相位配置。 通常相位采用下图两种形式，虚线

17、为基准相位（参考相 位） 相位配置形式采用的等间隔的相位差来区分各个相位状态，M相调制的相位间隔为2/M,(a):/2相移系统，(b) :/4相移系统。,M增大，间隔变小，系统可靠性下降，一般M不能太大，常使用4相和8相系统。,50,/2 系统中4PSK波形,当传双比特码元00时，发送起始相位为0的载波； 当传双比特码元10时，发送起始相位为/2的载波； 当传双比特码元11时，发送起始相位为的载波； 当传双比特码元01时，发送起始相位为3/2的载波。,51,4PSK信号调制,四相调制信号是一种四状态符号，即符号有00,01,10,11四种状态。 根据其组合情况，用载波的四种相位表征它们。 每个

18、四进制码元又被称为双比特码元，习惯上把双比特的前一位用A代表，后一位用B代表。,52,4PSK信号调制,相位选择法调制： 四相载波发生器产生4PSK信号所需的四种不同相位的载波。 输入的二进制数码经串/并变换器输出双比特码元。按照输入的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波 。,53,4PSK信号调制正交调制法,串行输入的二进制序列每两位分成一组，前位用A表示，后位用B表示 将输入的二进制序列变成两路并行的双极性序列，然后分别与载波相乘，形成正交双边带信号，加法器输出4PSK信号。,ABABAB序列,54,调制解调器,调制解调器Modem：是为数字信号在有限带宽的模拟信道进行远距离传

19、输而设计的 调制：将数字信号转换为模拟信号 解调：将模拟信号转换为数字信号 数字信号在模拟信道上传输，计算机远距离互连，位于计算机和模拟信道之间,55,调制解调器,常采用的调制技术 ASK，FSK，PSK，QAM 组合调制 分类 同步调制解调器 同步时钟与数据一起发送，同步信息在接收机中恢复 采用PSK，QAM技术，用于高速数据传输 异步调制解调器 不必恢复同步信息 采用ASK，FSK技术，用于低速数据传输,56,调制解调器,常采用的调制技术 ASK，FSK，PSK，QAM 组合调制 分类 有线调制解调 vs.无线调制解调器 用于有线信道的数据传输 vs.用于无线信道的数据传输 外置调制解调

20、vs. 内置调制解调器 外置解调器位于计算机外部，需要单独占用计算机端口，单独供电。性能相对较好 内置解调器位于计算机内部，插入扩展槽即可。有干扰,57,调制解调器,常采用的调制技术 ASK，FSK，PSK，QAM 组合调制 分类 硬件调制解调 所有解调调制功能都有自身电路完成，拥有自己的DSP芯片用来信号处理 软件调制解调器 部分工作由CPU处理，本身只保留调制解调芯片。 体积小、耗电低。适用范围窄、速率低，影响应用程序速度。,58,调制解调器,常采用的调制技术 ASK，FSK，PSK，QAM 组合调制 分类 按速度分 低速调制解调器：2.4kbps 中速调制解调器：4.8kbps9.6kb

21、ps 高速调制解调器：9.6kbps以上 按工作方式分 单工、半双工、全双工,59,高速调制解调器,限制调制解调器的因素：(香农定理) 语音信道的有限带宽 信道的信噪比 模/数转换过程中引入的量化噪声 调制解调器的速率分为DTE速率和DCE速率 DTE速率是指调制解调器与计算机连接的接口速率，典型值为115.2kbps和57.6kbps DCE速率是指调制解调器与电话线连接的接口速率,典型值为56kbps、33.6kbps,14.4kbps以及9.6kbps 上行速率:DTE通过Modem向服务器传输数据时提供的速率 下行速率:DTE通过Modem从服务器下载数据时的速率,通常说的56的Mod

22、em是指下行速率为56kbps,60,早期调制解调对称传输,包交换网络,61,高速调制解调器,限制调制解调器的因素：(香农定理) 语音信道的有限带宽 信道的信噪比 模/数转换过程中引入的量化噪声 ITU V.90，56k modem 不对称传输技术 发送速率： 33.6Kbps，被认为是话音信道调制解调器所能达到的最高速率。 可由香农定理计算：量化信噪比35dB,信道带宽3kHz 接收速率：56Kbps,56K Modem超出了香农极限了吗？,62,PCM传输语音，每秒采 样8000次，量化值为7bit 所以速率限制在56kbps,包交换网络,63,数字用户线调制解调器,数字用户线DSL 利用

23、数字技术使电话网能进行数据、语音、视频的高速传输 电话线所支持的实际频率范围：1MHz 而语音传输只利用了300Hz3400Hz的范围 DSL调制解调器(1997年期一系列技术) 不对称数据用户线 高速数字用户线 可调速率数字用户线 对称数字用户线 甚高比特速率数字用户线,详细数据速率参数见p146,64,不对称数字用户线ADSL,不对称数字用户线ADSL 采用频分复用技术把传输信道的频带分成三部分，语音和数据在不同的频带上传输。 最低的25kHz用户传输话音，真正用到的只有04kHz，其余用于防止语音和数据之间干扰 数据传输占用 25kHz以上的 频率范围，该 部分分别用于 上行和下行数 据

24、传输。,0 20 25,200 250,传统电 话业务,上行流,下行流,kHz,65,不对称数字用户线ADSL,不对称数字用户线ADSL 利用普通电话线提供高速数据传输的技术，在频谱中不对称的分配带宽，支持不对称数据传输 不对称传输：下行数据流速率高于上行数据速率:这是用户所需要的。 上行：1Mbps 下行：8Mbps,0 20 25,200 250,传统电 话业务,上行流,下行流,kHz,66,经ADSL MODEM编码后的信号通过电话线传到机房后经过一个分离器，如果是语音信号就传到程控机房，是数据信号就留在数据设备上，最后接入INTERNET,67,作业,同步和异步调制解调器之间的区别？ 简要描述ASDL带宽分配方法和不对称传输的含义。 已知数字基带信号为1101001，如果码元宽度是载波周期的两倍，画出绝对码、相对码相应的二进制PSK和DPSK的信号波形。 课外作业：查资料了解ASDL的原理、结构和发展过程。,