數(shù)字信號的頻帶傳輸PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1數(shù)字信號的頻帶傳輸數(shù)字信號的頻帶傳輸?shù)?章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 在通信系統(tǒng)中實(shí)際使用的信道多為帶通型，例如各個頻段的無線信道、限定頻率范圍的同軸電纜等。而我們知道數(shù)字基帶信號往往具有豐富的低頻成分，只適合在低通型信道中傳輸（比如雙絞線），為了使數(shù)字信號能在帶通信道中傳輸，必須采用數(shù)字調(diào)制方式。那么為什么一定要在帶通型信道中傳輸數(shù)字信號呢？主要原因是帶通型信道比低通型信道帶寬大得多，可以采用頻分復(fù)用技術(shù)傳輸多路信號；另外，若要利用無線電信道，必須把低頻信號“變”成高頻信號。 第2頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 在第2章我們已經(jīng)了解了模擬信號的各種調(diào)制方式，并完成了把低頻信號“搬移

2、”到高頻處或指定頻段（為了頻分復(fù)用或無線電發(fā)射）的任務(wù)。同樣的概念依然適用于對數(shù)字信號的處理。用數(shù)字基帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，使基帶信號的功率譜（頻譜）搬移到較高的載波頻率上，這種信號處理方式稱為數(shù)字調(diào)制，相應(yīng)的傳輸方式稱為數(shù)字信號的調(diào)制傳輸、載波傳輸或頻帶傳輸。 第3頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 和模擬調(diào)制相似，數(shù)字調(diào)制所用的載波一般也是連續(xù)的正弦型信號，但調(diào)制信號則為數(shù)字基帶信號。理論上講，載波形式可以是任意的（比如三角波、方波等），只要適合在帶通信道中傳輸即可。之所以在實(shí)際通信中多選用正弦型信號，是因?yàn)樗哂行问胶唵?、便于產(chǎn)生和接收等特點(diǎn)。與模擬調(diào)制中的幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)

3、制相對應(yīng)，數(shù)字調(diào)制也分為三種基本方式：幅度鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。 第4頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 所謂“鍵控”是指一種如同“開關(guān)”控制的調(diào)制方式。比如對于二進(jìn)制數(shù)字信號，由于調(diào)制信號只有兩個狀態(tài)，調(diào)制后的載波參量也只能具有兩個取值，其調(diào)制過程就像用調(diào)制信號去控制一個開關(guān)，從兩個具有不同參量的載波中選擇相應(yīng)的載波輸出，從而形成已調(diào)信號?！版I控”就是這種數(shù)字調(diào)制方式的形象描述。 第5頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.1.12ASK調(diào)制的基本原理及波形表達(dá)式 在2ASK中，載波幅度隨著調(diào)制信號1和0的取值而在兩個狀態(tài)之間變化。二進(jìn)制幅度鍵控中最

4、簡單的形式稱為通斷鍵控（OOK），即載波在數(shù)字信號1或0的控制下來實(shí)現(xiàn)通或斷。OOK信號的時域表達(dá)式為 sOOK(t)=anAcosct (71) 這里，A為載波幅度，c為載波頻率， an為二進(jìn)制數(shù)字信息，an可表示為 1,0,na出現(xiàn)概率為P 出現(xiàn)概率為1-P (72) 第6頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 在一般情況下，調(diào)制信號是具有一定波形形狀的二進(jìn)制脈沖序列，可表示為 ( )()nsnB ta g tnT(73) 這里，Ts為調(diào)制信號間隔，g(t)為單極性脈沖信號的時間波形，an為式（72）表示的二進(jìn)制數(shù)字信息。比如當(dāng)序列an為1001時所對應(yīng)的B(t)波形以及B(t)對載波信號

5、進(jìn)行調(diào)制所得的OOK的典型波形如圖71所示。 第7頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖71 OOK信號波形 1001anB(t)sOOK(t)00A Att第8頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 二進(jìn)制幅度鍵控信號的一般時域表達(dá)式為 ( )()cosASKnscnsta g tnTt(74) 此式為雙邊帶調(diào)幅信號的時域表達(dá)式，它說明2ASK（OOK）信號是雙邊帶調(diào)幅信號。 第9頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.1.2 2ASK調(diào)制的頻域特性 若二進(jìn)制序列的功率譜密度為PB()，2ASK信號的功率譜密度為PASK()，則有 1( )()()4ASKBcBcPPP(75) 第1

6、0頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 由式（75）可知幅度鍵控信號的功率譜是基帶信號功系譜的線性搬移，所以2ASK調(diào)制為線性調(diào)制，其頻譜寬度是二進(jìn)制基帶信號的兩倍。圖72給出OOK信號的功率譜示意圖。由于基帶信號是矩形波，其頻譜寬度從理論上來說為無窮大，以載波c為中心頻率，在功率譜密度的第一對過零點(diǎn)之間集中了信號的主要功率，因此,通常取第一對過零點(diǎn)的帶寬作為傳輸帶寬，稱之為譜零點(diǎn)帶寬。 第11頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖72 OOK信號的功率譜 0fPB( f )0 fcfcfc fsfc fsfc fsfc fsfPASK( f )(a)(b) fsfs第12頁/共93頁第

7、7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 由圖72（b）可知，OOK信號的譜零點(diǎn)帶寬Bs=2fs，fs為基帶信號的譜零點(diǎn)帶寬，在數(shù)量上與基帶信號的碼元速率Rs相同。這說明OOK信號的傳輸帶寬是碼元速率的2倍。 為了限制頻帶寬度，可以采用帶限信號作為基帶信號。圖73給出基帶信號為升余弦滾降信號時，2ASK信號的功率譜密度示意圖。 第13頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖73 升余弦滾降基帶信號的2ASK信號功率譜 fc Bfc B fcfcfc Bfc BBB0PB( f )PASK( f )ff(a) 基帶信號功率譜(b) 已調(diào)信號功率譜0第14頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.1.3 2A

8、SK調(diào)制器 二進(jìn)制幅度鍵控的調(diào)制器可以用一個相乘器來實(shí)現(xiàn)，如圖74所示。對于OOK信號來說，相乘器可用一個開關(guān)電路來代替。 圖7.4 2ASK調(diào)制器 基帶信號已調(diào)信號載波 Acosct第15頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.1.4 2ASK解調(diào)器 和模擬常規(guī)調(diào)幅信號的解調(diào)一樣，2ASK信號也有包絡(luò)檢波和相干解調(diào)兩種方式，兩種解調(diào)器的方框圖如圖75所示。由于被傳輸?shù)氖菙?shù)字信號1和0，因此，在每個碼元持續(xù)期間要用抽樣判決電路對低通濾波器的輸出作一次判決以確定信號取值。相干解調(diào)需要在接收端產(chǎn)生一個本地的相干載波，由于設(shè)備復(fù)雜，因此在2ASK系統(tǒng)中很少使用。 第16頁/共93頁第7章 數(shù)字信

9、號的頻帶傳輸 圖75 2ASK解調(diào)器 帶通濾波器半波或全波整流器低通濾波器抽樣判決器輸出輸入定時脈沖帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器輸出輸入定時脈沖cosct(a) 包絡(luò)檢波(b) 相干解調(diào)第17頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.2.1 2FSK調(diào)制的基本原理及波形表達(dá)式 2FSK是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息的。在二進(jìn)制情況下，1對應(yīng)于載波頻率f1，0對應(yīng) 于載波頻率f2。2FSK信號在形式上如同兩個不同頻率交替發(fā)送的ASK信號相疊加，因此已調(diào)信號的時域表達(dá)式為 212( )()cos()cosFSKnsnsnnsta g tnTta g tnTt(76) 第18頁/共93

10、頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 這里，1=2f1，2=2f2， 是an的反碼, 和an可表示為 nana01na概率為P 概率為1-P 10na概率為P 概率為1-P (77) 第19頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 在最簡單也是最常用的情況下，g(t)為單個矩形脈沖。2FSK信號的波形如圖7-6（a）所示，該波形可分解為圖（b）和圖（c）所示的波形。 2FSK信號還可以表示為 11222( )cos2( )( )cos2FSKs tAf tsts tAf t(78) 設(shè)兩個載頻的中心頻率為fc，頻差為f即 12212cffffff （79） （710） 第20頁/共93頁第7章 數(shù)字信號

11、的頻帶傳輸 f2f1f1f2f1f1f2f2ttt(a)(b)(c)圖 7-6第21頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 則我們定義調(diào)制指數(shù)（或頻移指數(shù)）h為 21ssfffhRR（711） 式中,Rs是數(shù)字基帶信號的速率。 第22頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.2.2 2FSK調(diào)制的頻域特性 圖77給出了h0.5、h=0.7、h=1.5時2FSK信號的功率譜示意圖。功率譜以fc為中心對稱分布。在f較小時功率譜為單峰。隨著f的增大，f1和f2之間的距離增大，功率譜出現(xiàn)了雙峰，這時的頻帶寬度可近似表示為 B2FSK2BB+|f2-f1| （712） 式中,BB為基帶信號的帶寬。 第

12、23頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖77 2FSK信號功率譜 fc fsfcfc fsfP2FSK( f )h0.5h0.7h1.5第24頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.2.3 2FSK調(diào)制器 在FSK信號中，當(dāng)載波頻率發(fā)生變化時，一般來說載波的相位變化是不連續(xù)的。這種信號稱為相位不連續(xù)的FSK信號。相位不連續(xù)的FSK信號通常用頻率選擇法產(chǎn)生，方框圖如圖7-8所示，兩個獨(dú)立的振蕩器作為兩個頻率的載波發(fā)生器，它們受控于輸入的二進(jìn)制信號。二進(jìn)制信號通過兩個門電路控制其中一個載波信號通過。 第25頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖78 2FSK調(diào)制器 振蕩器1門1倒相器

13、求和器振蕩器2門2二進(jìn)制信息(NRZ)2FSK信號第26頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.2.4 2FSK解調(diào)器 2FSK信號的解調(diào)也有非相干和相干兩種。FSK信號可以看作是用兩個頻率源交替?zhèn)鬏數(shù)玫降?，所以FSK接收機(jī)由兩個并聯(lián)的ASK接收機(jī)組成。圖79示出非相干FSK和相干FSK接收機(jī)方框圖，其原理和ASK信號的解調(diào)相同。 第27頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖79 2FSK解調(diào)器 帶通濾波器11包絡(luò)檢波器1抽樣判決器帶通濾波器22包絡(luò)檢波器2抽樣脈沖輸出輸入(a) 非相干解調(diào)帶通濾波器11帶通濾波器22低通濾波器1相乘器相乘器低通濾波器2抽樣判決器抽樣脈沖輸出輸入cos

14、1tcos2t(b) 相干解調(diào)第28頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 2FSK信號還有其它的解調(diào)方法，其中過零檢測法是一種常用而簡便的解調(diào)方法。2FSK信號的過零點(diǎn)數(shù)隨載頻的變化而不同，因此，檢測出過零點(diǎn)數(shù)就可以得到載頻的差異，從而進(jìn)一步得到調(diào)制信號的信息。過零檢測法的原理框圖及各點(diǎn)波形如圖710所示。FSK信號經(jīng)限幅、微分、整流后形成與頻率變化相對應(yīng)的脈沖序列，由此再形成相同寬度的矩形波。此矩形波的低頻分量與數(shù)字信號相對應(yīng)，由低通濾波器濾出低頻分量，然后經(jīng)抽樣判決，即可得到原始的數(shù)字調(diào)制信號。 第29頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖710 2FSK信號過零檢測法 限幅微分整流

15、寬脈沖發(fā)生低通abcdefabcdef第30頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.3.1 2PSK調(diào)制的基本原理及波形表達(dá)式 二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）是用二進(jìn)制數(shù)字信號控制載波的兩個相位，這兩個相位通常相隔弧度，例如用相位0和分別表示1和0，所以這種調(diào)制又稱二相相移鍵控（BPSK）。二進(jìn)制相移鍵控信號的時域表達(dá)式為 2( )()cosPSKnscnsta g tnTt(713) 第31頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 這里的an為雙極性數(shù)字信號，即 11na概率為P 概率為1-P (714) 如果g(t)是幅度為1，寬度為Ts的矩形脈沖，則 2PSK信號可表示為 s2PSK(t)

16、=cosct (715) 當(dāng)數(shù)字信號的傳輸速率Rs=1/Ts與載波頻率間有整 數(shù)倍關(guān)系時，2PSK信號的典型波形如圖711所示。 第32頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖711 2PSK信號典型波形 11000tAATs第33頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.3.2 2PSK調(diào)制的頻域特性 將式（713）所示的2PSK信號與式（74）所示的2ASK信號相比較，它們的表達(dá)式在形式上是相同的，其區(qū)別在于2PSK信號是雙極性不歸零碼的雙邊帶調(diào)制，而2ASK信號是單極性非歸零碼的雙邊帶調(diào)制。由于雙極性不歸零碼沒有直流分量，因此2PSK信號是抑制載波的雙邊帶調(diào)制。這樣，2PSK信號的功

17、率譜與2ASK信號的功率譜相同，只是少了一個離散的載波分量，也屬于線性調(diào)制。 第34頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.3.3 2PSK調(diào)制器 2PSK調(diào)制器可以采用相乘器，也可以采用相位選擇器，如圖712所示。 圖712 2PSK調(diào)制器 電平轉(zhuǎn)換載波發(fā)生器二進(jìn)制基帶信號(單極性NRZ)雙極性NRZ已調(diào)信號cosct選相開關(guān)二進(jìn)制基帶信號(雙極性NRZ)已調(diào)信號載波發(fā)生器0(a) 相乘法(b) 相位選擇法第35頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.3.4 2PSK解調(diào)器 由于PSK信號的功率譜中無載波分量，因此必須采用相干解調(diào)的方式。在相干解調(diào)中，如何得到同頻同相的本地載波是個關(guān)

18、鍵問題。只有對PSK信號進(jìn)行非線性變換，才能產(chǎn)生載波分量。常用的載波恢復(fù)電路有兩種，一種是圖713（a）所示的平方環(huán)電路，另一種是圖713（b）所示的科斯塔斯（Costas）環(huán)電路。 在以上兩種鎖相環(huán)中，設(shè)壓控振蕩器VCO輸出載波與調(diào)制載波之間的相位差為。 第36頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖713 載波恢復(fù)電路 帶通濾波器平方環(huán)路濾波器VCO2x(t)載波(a) 平方環(huán)鎖相環(huán)低通濾波器低通濾波器(b) 科斯塔斯環(huán)VCOcos(ct)90sin(ct)環(huán)路濾波器相位誤差x(t)udup第37頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 分析可知，在=n（n為任意整數(shù)）時,VCO都處于穩(wěn)定

19、狀態(tài)。這就是說，經(jīng)VCO恢復(fù)出來的本地載波與所需要的相干載波可能同相，也可能反相。這種相位關(guān)系的不確定性，稱為0,相位模糊度。 2PSK相干解調(diào)器如圖714所示。 2PSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程如表71所示。 第38頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖714 2PSK相干解調(diào)器 帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器位定時恢復(fù)本地載波恢復(fù)輸入BPSK信號二進(jìn)制信號第39頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 表71 2PSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程 第40頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 碼元相位表示碼元所對應(yīng)的PSK信號的相位，1和2表示相位為的PSK信號分別與相位為1和2的本地載波相乘

20、。這樣我們看到本地載波相位的不確定性造成了解調(diào)后的數(shù)字信號可能極性完全相反，形成1和0的倒置，引起信息接收錯誤。為了克服相位模糊度對于解調(diào)的影響，通常要采用差分相移鍵控的調(diào)制方法。 第41頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.4.1 2DPSK調(diào)制的基本原理及波形表達(dá)式 在2PSK信號中，調(diào)制信號的1和0對應(yīng)的是兩個確定不變的載波相位（比如0和），由于它是利用載波相位絕對數(shù)值的變化傳送數(shù)字信息的，因此又稱為絕對調(diào)相。而利用前后碼元載波相位相對數(shù)值的變化也同樣可以傳送數(shù)字信息，這種方法稱為相對調(diào)相。 第42頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 相對調(diào)相信號的產(chǎn)生過程是，首先對數(shù)字基帶信號

21、進(jìn)行差分編碼，即由絕對碼變?yōu)橄鄬Υa（差分碼），然后再進(jìn)行絕對調(diào)相?；谶@種形成過程的二相相對調(diào)相信號稱為二進(jìn)制差分相移鍵控信號，記作2DPSK。2DPSK調(diào)制器方框圖及波形如圖715所示。 第43頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖715 2DPSK調(diào)制器及波形 差分編碼二進(jìn)制信息(絕對碼)單極NRZ(相對碼)電平轉(zhuǎn)換相乘器雙極NRZ載波發(fā)生器2DPSK信號第44頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖715 2DPSK調(diào)制器及波形 1001011011100100絕對碼相對碼載波2DPSK信號第45頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 差分碼可取傳號差分碼或空號差分碼。傳號差分碼的

22、編碼規(guī)則為 bn=an bn-1 式中, 為模2加，bn-1為bn的前一個碼元，最初的bn-1可任意設(shè)定。由已調(diào)信號的波形可知，在使用傳號差分碼的條件下，載波相位遇1變而遇0不變,載波相位的這種相對變化就攜帶了數(shù)字信息。 第46頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.4.2 2DPSK解調(diào) 對DPSK信號可以采用相干解調(diào)。由于本地載波相位模糊度的影響，解調(diào)得到的相對碼 也是1和0倒置的。但由相對碼恢復(fù)為絕對碼時，要按以下規(guī)則進(jìn)行差分譯碼 nb1nnnabb第47頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 式中, 是 的前一個碼元。這樣得到的絕對碼只是反映了相鄰兩個相位的變化，即改變或者不改變，

23、所以不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象。DPSK信號的相干解調(diào)之所以能克服載波相位模糊的問題，就是因?yàn)閿?shù)字信息是用載波相位的相對變化來表示的。2DPSK的相干解調(diào)器和各點(diǎn)波形如圖716所示。 2DPSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程如表72所示。 1nbnb第48頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖716 2DPSK相干解調(diào)器及各點(diǎn)波形 abcdef1000110抽樣判決器帶通相乘器低通碼(反)變換器2DPSK信號acdef二進(jìn)制信息位定時本地載波b第49頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 表72 2DPSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程 第50頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 DPSK信號的另一種解調(diào)方法是差

24、分相干解調(diào)（又稱延遲解調(diào)），其方框圖和波形圖如圖717所示。用這種方法解調(diào)時不需要恢復(fù)本地載波，可由收到的信號單獨(dú)完成。將DPSK信號延時一個碼元間隔Ts，然后與DPSK信號本身相乘（相乘器起相位比較的作用），相乘結(jié)果經(jīng)低通濾波后再抽樣判決即可恢復(fù)出原始數(shù)字信息。 只有DPSK信號才能采用這種解調(diào)方法。 2DPSK信號的調(diào)制和延遲解調(diào)過程如表73所示。 第51頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 表73 2DPSK信號的調(diào)制和延遲解調(diào)過程 第52頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖717 2DPSK差分相干解調(diào)器及各點(diǎn)波形 abcd二進(jìn)制信息e1000110抽樣判決器帶通相乘器低通2D

25、PSK信號acde二進(jìn)制信息b延遲Ts位定時2DPSK信號第53頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 用多進(jìn)制的數(shù)字基帶信號調(diào)制載波，就可以得到多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號。通常，取多進(jìn)制數(shù)M為2的冪次（M2n）。當(dāng)攜帶信息的參數(shù)分別為載波的幅度、頻率或相位時，數(shù)字調(diào)制信號為M進(jìn)制幅度鍵控（MASK）、M進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）或M進(jìn)制相移鍵控（MPSK）。 第54頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 當(dāng)信道頻帶受限時，采用M進(jìn)制數(shù)字調(diào)制可以增大信息傳輸速率，提高頻帶利用率，這正是第1章中評價(jià)通信系統(tǒng)有效性時所提到的內(nèi)容，即在不提高波特率的前提下，采用多進(jìn)制信號提高比特率。 第55頁/共93頁第7章

26、 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.5.1多進(jìn)制幅度鍵控（MASK） 1MASK信號的表達(dá) 在M進(jìn)制的幅度鍵控信號中，載波幅度有M種取值。當(dāng)基帶信號的碼元間隔為Ts時，M進(jìn)制幅度鍵控信號的時域表達(dá)式為 ( )()cosMASKnncnsta g tnTt(716) 式中，g(t)為基帶信號的波形,c為載波的角頻率， an為幅度值，an有M種取值。 第56頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 2MASK信號調(diào)制 由式（716）可知，MASK信號相當(dāng)于M電平的基帶信號對載波進(jìn)行雙邊帶調(diào)幅。為了了解MASK信號與2ASK信號的關(guān)系，圖718示意性畫出2ASK信號和4ASK信號的波形。圖718（a）為四電平基

27、帶信號b(t)的波形，圖718（b）為4ASK信號的波形。圖718（b）所示的4ASK信號波形可等效為圖718（c）中的4種波形之和，其中3種波形分別是一個2ASK信號。 這就是說，MASK信號可以看成是由時間上互不相容的M-1個不同振幅值的2ASK信號的疊加。 第57頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 所以MASK信號的功率譜，便是這M-1個信號的功率譜之和。盡管疊加后功率譜的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，但就信號的帶寬而言，當(dāng)碼元速率Rs相同時，MASK信號的帶寬與2ASK信號的帶寬相同，都是基帶信號帶寬的2倍。但是M進(jìn)制基帶信號的每個碼元攜帶有l(wèi)bM比特信息，這樣在帶寬相同的情況下，MASK信號的信

28、息速率是2ASK信號的lbM倍?；蛘哒f在信息速率相同的情況下MASK信號的帶寬僅為2ASK信號的1/lbM。 第58頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 MASK的調(diào)制方法與2ASK相同，但是首先要把基帶信號由二電平變?yōu)镸電平。將二進(jìn)制信息序列分為n個一組，nlbM，然后變換為M電平基帶信號。M電平基帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，便可得到MASK信號。由于是多電平調(diào)制，因此要求調(diào)制器在調(diào)制范圍內(nèi)是線性的，即已調(diào)信號的幅度與基帶信號的幅度成正比。 第59頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 【例題71】 對數(shù)字基帶序列為01111000010010110001進(jìn)行4ASK調(diào)制。 解 nlb42，故首

29、先將序列每兩個一組變換為4電平信號，即用4組二進(jìn)制碼對4種電平編碼。我們用00表示0，01表示1，10表示2，11表示3。當(dāng)然，編碼方式不唯一。則原序列變?yōu)樗碾娖叫蛄校?320102301（如圖718（a）對載波調(diào)制后，可得4MASK波形如圖718（b）所示。 第60頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 (a)(b)TsB(t)000000s4ASK(t)s0(t)s1(t)s2(t)s3(t)1230102301tttttt(c)圖 718第61頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 MASK調(diào)制中最簡單的基帶信號波形是矩形。為了限制信號頻譜也可以采用其它波形，例如升余弦滾降信號或部分響應(yīng)

30、信號等。 3MASK信號解調(diào) MASK信號的解調(diào)可以采用包絡(luò)檢波或相干解調(diào)的方法，其原理與2ASK信號的解調(diào)完全相同。 第62頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.5.2多進(jìn)制相移鍵控（MPSK） 1MPSK信號的表達(dá) 在M進(jìn)制相移鍵控（MPSK）中，載波相位有M種取值。當(dāng)基帶信號的碼元間隔為Ts時，MPSK信號可表示為 2( )cos(),0,1,1sMPSKcisEsttiMT(717) 式中，Es為信號在一個碼元間隔內(nèi)的能量，c為載波角頻率，i為有M種取值的相位。 第63頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 MPSK信號僅用相位攜帶基帶信號的數(shù)字信息，為了表達(dá)出基帶信號與載波相位

31、的聯(lián)系，可將碼元持續(xù)時間為Ts的基帶信號用矩形函數(shù)表示，即 1( )0rect t0tTs 其它 (718) 這樣MPSK信號的表達(dá)式又可寫為 2( )()cos( )sMPSMscnsEstrect tnTtnT(719) 第64頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 式中，矩形函數(shù)與基帶信號的碼元相對應(yīng)；(n)為載波在t=nTs時刻的相位，取式（717）中i的某一種取值。i有M種取值，通常是等間隔的，即 2,0,1,1iiiMM 式中,為初相位。為計(jì)算方便，設(shè)=0，將式 （719）展開，得 (720) 2coscos ( )()sinsin ( )2()sMPSKcscnnssssEstn

32、rect tTtnTErect tnTT(721) 第65頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 令 2cos ( )2sin ( )snssnsEanTEbnT代入式（721），可得 ( )()cos()sinMPSKnscnscnnsta rect tnTtb rect tnTt(722) 第66頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 式（722）中的每一項(xiàng)都是一個M電平雙邊帶調(diào)幅信號即MASK信號，但載波是正交的。這就是說，MPSK信號可以看成是兩個正交載波的MASK信號的疊加，所以MPSK信號的頻帶寬度應(yīng)與MASK信號的頻帶寬度相同。與MASK信號一樣，當(dāng)信息速率相同時，MPSK信號與

33、2PSK信號相比，帶寬節(jié)省到1lbM，即頻帶利用率提高了lbM倍。 式（722）可簡寫成 ( )( )cos( )sin( )()( )()MPSKccnsnnsnstI ttQ ttI ta rect tnTQ tb rect tnT式中 (723) 第67頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 通常將式（723）的第一項(xiàng)稱為同相分量，第二項(xiàng)稱為正交分量。由此可知，MPSK信號可以用正交調(diào)制的方法產(chǎn)生。 MPSK信號是相位不同的等幅信號，所以用矢量圖可對MPSK信號進(jìn)行形象而簡單的描述。在矢量圖中通常以0相位載波作為參考矢量。圖719中畫出M=2、4、8三種情況下的矢量圖。當(dāng)初始相位=0和=

34、M時，矢量圖有不同的形式。2PSK信號的載波相位只有0和兩種取值，或者只有/2和3/2兩種取值，它們分別對應(yīng)于數(shù)字信息1和0，見圖719（a）、（d）。 第68頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 4PSK時，4種相位為0、/2、和3/2，或者為/4、3/4、5/4、7/4，它們分別對應(yīng)數(shù)字信息11、01、00和10，見圖719（b）、(e)。8PSK時，8種相位分別為0、/4、/2、3/4、5/4、3/2、7/4，或者為/8、3/8、5/8、7/8、9/8、11/8、13/8、15/8，見圖719（c）、(f)。不同初始相位的MPSK信號原理上沒有差別，只是實(shí)現(xiàn)的方法稍有不同。產(chǎn)生有M初始

35、相位的MPSK信號，同相路I(t)和正交路Q(t)均為M/2電平信號。 第69頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖719 MPSK信號的矢量圖表示 01011011110110000000101101011011110110000000101101111000111000011010(a) M2, 0(b) M4, 0(c) M8, 0(d) M2, / 2(e) M4, / 4(f) M8, / 8第70頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 2MPSK信號調(diào)制 在MPSK信號的調(diào)制中，隨著M值的增加，相位之間的相位差減小，使系統(tǒng)的可靠性降低。因此MPSK調(diào)制中最常用的是4PSK和8P

36、SK。 4PSK又稱QPSK。QPSK信號的產(chǎn)生方法有正交調(diào)制法、相位選擇法和插入脈沖法，后兩種方法的載波采用方波。 第71頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 QPSK正交調(diào)制器方框圖如圖720（a）所示。輸入的串行二進(jìn)制碼經(jīng)串并變換，分為兩路速率減半的序列，電平發(fā)生器分別產(chǎn)生雙極性二電平信號I(t)和Q(t)，然后分別對同相載波cosct和正交載波sinct進(jìn)行調(diào)制,相加后即得到了QPSK信號。I(t)和Q(t)的典型波形如圖720（b）所示。 第72頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖720 QPSK正交調(diào)制器 電平產(chǎn)生電平產(chǎn)生串并變換載波發(fā)生器90移相二進(jìn)制信息已調(diào)信號I(t)

37、Q(t)Acos2fctA sin2fct1001111011I(t)Q(t)101101001111111ttt(a)(b)0二進(jìn)制信息第73頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 QPSK也可以用相位選擇法產(chǎn)生，用數(shù)字信號去選擇所需相位的載波，從而實(shí)現(xiàn)相移鍵控，其原理框圖如圖721所示。載波發(fā)生器產(chǎn)生4種相位的載波，輸入的數(shù)字信息經(jīng)串并變換成為雙比特碼，經(jīng)邏輯選擇電路，每次選擇其中一種作為輸出，然后經(jīng)過帶通濾波器濾除高頻分量。這是一種全數(shù)字化的方法，適合于載波頻率較高的場合。 第74頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖721 相位選擇法產(chǎn)生的QPSK信號 串并變換選相電路四相載波發(fā)生

38、器帶通濾波輸入信號QPSK信號0223第75頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 8PSK是另一種常用的多相鍵控。它是用載波的8種相位代表八進(jìn)制碼元。八進(jìn)制的每個碼元包含3個二進(jìn)制碼，稱為3比特碼元。8PSK調(diào)制方框圖如圖722（a）所示。輸入的二進(jìn)制信息序列經(jīng)串并變換，每次產(chǎn)生一個3位碼組b1b2b3，在b1b2b3的控制下，同相路和正交路分別產(chǎn)生一個四電平基帶信號I(t)和Q(t)。b1用于決定同相路信號的極性,b2決定正交路信號的極性,b3則用于確定同相路和正交路信號的幅度。 第76頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 為保證已調(diào)信號的幅度相同，同相路與正交路的基帶信號幅度互相關(guān)聯(lián)，

39、不能獨(dú)立選取。如圖722（b）所示，設(shè)8PSK信號幅度為1，則b3=1時同相路基帶信號應(yīng)為0.924，而正交路幅度為0.383。b3=0時同相路幅度為0.383，而正交路幅度為0.924。這樣I(t)的極性和幅度由b1b3決定，Q(t)的極性和幅度由b2決定。I(t)和Q(t)分別對同相載波和正交載波進(jìn)行幅度調(diào)制，得到2個4ASK信號，由式（723）可知，其疊加結(jié)果為8PSK信號。 第77頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖722 8PSK正交調(diào)制器 電平產(chǎn)生電平產(chǎn)生串并變換載波發(fā)生器90移相二進(jìn)制信息8PSK信號I(t)Q(t)Acos2fctA sin2fct倒相b1b3b2(a)b

40、3第78頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖722 8PSK正交調(diào)制器 110100110010001001011111101000010100101111001b2b3(b)1b1b3第79頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 3MPSK信號解調(diào) 由式（722）可知MPSK信號等效于兩個正交載波的幅度調(diào)制，所以MPSK信號可以用兩個正交的本地載波信號實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)。以QPSK為例，圖723示出相干解調(diào)器的框圖。同相路和正交路分別設(shè)置兩個相關(guān)器。QPSK信號同時送到解調(diào)器的兩個信道，在相乘器中與對應(yīng)的載波相乘，并從中取出基帶信號送到積分器，在02Tb時間內(nèi)積分，分別得到I(t)和Q(t)

41、，再經(jīng)抽樣判決和并串變換，即可恢復(fù)原始信息。 8PSK也可采用圖73所示的相干解調(diào)方式。但電平判決為四電平判決。8PSK還可采用其它相干解調(diào)方式。 第80頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 圖723 QPSK相干解調(diào)器 積分載波恢復(fù)QPSK信號I(t)Q(t)90移相積分判決判決并串變換二進(jìn)制信息位定時恢復(fù)第81頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 在MPSK相干解調(diào)中恢復(fù)載波時，同樣存在相位模糊度問題。與BPSK一樣，對于M進(jìn)制調(diào)相也要采用相對調(diào)相的方法。對輸入的二進(jìn)制信息進(jìn)行串并變換時，同時進(jìn)行邏輯運(yùn)算，將其編為多進(jìn)制差分碼，然后再進(jìn)行絕對調(diào)相。解調(diào)時，可以采用相干解調(diào)和差分譯碼的方法，也可采用差分相干解調(diào)法。 第82頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 7.5.3 多進(jìn)制頻移鍵控（MFSK） 在MFSK中，載波頻率有M種取值。MFSK信號的表達(dá)式為 2( )cos,0,0,1,1sMFSKissEstttT iMT (724) 式中，Es為單位符號的信號能量；i為載波角頻 率,有M種取值。 第83頁/共93頁第7章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 MFSK調(diào)制可用頻率選擇法實(shí)現(xiàn)，如圖724（a）所示。二進(jìn)制信息經(jīng)串并變換后形成M種形式，通過邏輯電路分別控制M個振蕩源。M