數(shù)字基帶信號的頻帶傳輸課件

本章內(nèi)容簡介：數(shù)字調(diào)制與解調(diào)：ASK、FSK、PSK及各種變形；頻分多路復用；擴頻技術。數(shù)字基帶信號能否直接在信道中傳輸與信道的傳輸特性有關。由于數(shù)字基帶信號具有豐富的低頻成分，但現(xiàn)有的許多信道（包括信道端口的一些設備）的傳輸特性并不能使這些成分有效地傳輸。為了完整的傳輸信號，必須要進行調(diào)制。

0.112

3510f(kHz)L(dB)

-4

-8

-12

-16

-20

-24

雙絞線的傳輸特性

模擬用戶線的傳輸特性

話音信號頻譜

數(shù)字基帶信號頻譜

調(diào)制的必要性：有的信道有很寬的頻率范圍，但用戶的信息帶寬卻很窄，用這樣的信道去傳輸一個用戶的信號顯然會造成頻率資源的浪費。這時可以將一個信道按頻率劃分成多個子信道，每個信道分配一個載波，傳送一個用戶的信號，這種方式稱為頻分多路復用（FDM）。采用頻分多路復用方式時數(shù)字基帶信號必須通過調(diào)制將頻譜搬到對應的子信道上。4.1數(shù)字調(diào)制與解調(diào)調(diào)制（Modulation）是用基帶信號去控制正弦波的參數(shù)的過程。用于調(diào)制的基帶信號稱為調(diào)制信號（ModulatingSignal），被調(diào)制的正弦波稱為載波（Carrier），經(jīng)過調(diào)制以后的信號稱為已調(diào)信號（ModulatedSignal）。在接收端，接收設備要將原來的基帶信號從已調(diào)信號中恢復，這個過程稱為解調(diào)（Demodulation）。雙向傳輸系統(tǒng)中的傳輸設備既要完成調(diào)制功能，又要完成解調(diào)功能，因此稱為調(diào)制解調(diào)器（Modem）。

調(diào)制器

解調(diào)器

已調(diào)信號

載波

調(diào)制信號

（基帶信號）

（頻帶信號）

調(diào)制器

解調(diào)器

（Modem）

（Modem）

恢復信號

（基帶信號）

載波的波形是任意的，但大多數(shù)的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)都選擇單頻信號（正弦波或余弦波）作為載波，因為便于產(chǎn)生與接收。一個正弦載波有三個參數(shù)，分別是幅度、頻率與相位，它們都可以受調(diào)制信號的控制而發(fā)生變化，因此對應地就有幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）三種調(diào)制類型。數(shù)字調(diào)制是指調(diào)制信號為數(shù)字型的正弦波調(diào)制。數(shù)字調(diào)制技術可分兩種類型：①利用模擬方法實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，即把數(shù)字基帶信號當作模擬信號的特殊情況來處理。②利用數(shù)字信號的離散取值特點去鍵控載波的參數(shù)，從而實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。后一種方法通常稱為鍵控法。常見的數(shù)字調(diào)制有振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）以及它們的組合或改進。4.1.1二進制振幅鍵控正弦載波的有無受到信碼控制，當信碼為1時，ASK的波形是若干個周期的高頻等幅波（圖中為兩個周期）；當信碼為0時，ASK信號的波形是零電平。

載波

ASK信號波形基帶信號波形

（單極性NRZ）

10011011100

信碼

E0信號波形二進制振幅鍵控信號的產(chǎn)生方法（調(diào)制方法）有兩種：圖（a）是采用模擬調(diào)制方式的ASK調(diào)制方法，相乘器將數(shù)字基帶信號（單極性NRZ波形）和高頻載波相乘，得到ASK信號。圖（b）則是采用數(shù)字鍵控方法，由數(shù)字基帶信號去控制一個開關電路。當出現(xiàn)1碼時開關K閉合，有高頻載波輸出；當出現(xiàn)0碼時開關K斷開，無高頻載波輸出。相乘器

數(shù)字基帶信號（單極性NRZ）載波

ASK信號（a）載波ASK信號（b）數(shù)字基帶信號（單極性NRZ）ASK調(diào)制器框圖與電路相乘器數(shù)字基帶信號載波ASK信號載波數(shù)字基帶信號ASK信號ASK信號載波ASK信號數(shù)字基帶信號載波相乘器數(shù)字基帶信號載波ASK信號載波數(shù)字基帶信號ASK信號ASK信號的解調(diào)非相干解調(diào)相干解調(diào)ASK信號的頻譜ASK信號實際上是信碼的單極性NRZ波形與高頻載波的相乘。重要結論：ASK信號的頻帶寬度是基帶信號的兩倍。

（a）

（b）

f

f

0

0

fC

fS

UASK(f)

UB(f)

4.1.2

二進制頻移鍵控信號波形二進制頻移鍵控就是用兩種不同頻率的正弦載波來表示其兩種狀態(tài)，而載波的幅度則保持不變。

載波頻率FSK信號波形基帶信號波形

10011011100信碼f1

f2

f2

f1

f1

f2

f1f1f1

f2

f2

FSK信號的產(chǎn)生可以是直接用NRZ基帶信號對一個載波進行調(diào)頻，如同將其看作一個模擬基帶信號，或采用鍵控的方法，用NRZ基帶信號去控制一個選通器，通過選通開關的轉(zhuǎn)向來輸出不同的振蕩頻率。FSK調(diào)制與解調(diào)

載波數(shù)字基帶信號FSK信號載波數(shù)字基帶信號FSK信號FSK調(diào)制器框圖與電路

如果用二個中心頻率分別為f1和f2的帶通濾波器對FSK信號進行濾波，可以將其分離成二個ASK信號波形FSK信號波形=濾波器Ⅰ輸出波形+濾波器Ⅱ輸出波形

f1

f2

ASK檢波Ⅱ輸出

FSK信號波形

基帶信號波形

帶通濾波器Ⅰ

帶通濾波器Ⅱ

ASK檢波Ⅰ

ASK檢波Ⅱ

相減器

取

樣判決器

取樣脈沖

帶通濾波器Ⅰ輸出ASK檢波Ⅰ輸出

帶通濾波器Ⅱ輸出相減輸出

取樣脈沖

解調(diào)輸出解調(diào)輸出（b）FSK解調(diào)器組成框圖

（a）FSK解調(diào)器工作波形

FSK解調(diào)

對每一個波形都進行ASK檢波（可以采用相干檢波或非相干檢波），并將兩個檢波輸出送到相減器，相減后的信號是雙極性信號，0電平自然作為判決電平，不再象ASK解調(diào)那樣要從信號幅度中提取判決電平。在取樣脈沖的控制下進行判決，就可完成FSK信號的解調(diào)。二進制頻移鍵控信號還有其它解調(diào)方法，如鑒頻法、過零檢測法及差分檢波法等。

如前所述，F(xiàn)SK信號可以看作是兩個頻率分別為f1和f2的ASK信號的合成，因此它的頻譜也是這兩個ASK信號頻譜的合成，通常FSK信號的頻帶寬度可根據(jù)下式計算：與ASK相比，在同樣的碼元速率下，F(xiàn)SK信號的頻帶寬度要大一個頻差。FSK信號的頻譜

Df（a）

f

0

UASK1(f)（c）

0

f1

f2

f

FSK帶寬

f1

ASK帶寬

（b）

f

0

UASK1(f)f2

0

f1(Hz)

U(f)

1070

1270

2025

2225

[例4-2]如果在電話信道中接入基于V.21標準的Modem，要求電話信道的帶寬為多少（假設電話信道為具有理想傳輸特性的信道）？解：根據(jù)V.21標準規(guī)定，主呼與被呼的信號頻譜分配如圖。因此，電話信道的帶寬應為B=2×300+（2225-1070）=1455Hz。FSK應用4.1.3二進制相移鍵控及二進制差分相移鍵控信號波形二進制相移鍵控(PSK)和差分相移鍵控(DPSK)是載波相位按基帶脈沖序列的規(guī)律而改變的一種數(shù)字調(diào)制方式。+E0-E0101110100100T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9T10T11T12T13

0111001110110PSK波形信碼

DPSK波形

相對碼

載波基準基帶信號波形

在T1時刻，信碼為1（這里，對應的基帶信號波形為低電平），PSK信號與載波基準相位相反；在Tn時刻，信碼為0，PSK信號與載波基準的相位相同。這種以信號與載波基準的不同相位差直接去表示相應數(shù)字信息的相位鍵控，通常被稱為絕對相移鍵控方式。

+E0-E0111001110110PSK波形信碼

載波基準基帶信號波形T1Tn在T1時刻，信碼為1（這里，對應的基帶信號波形為低電平），PSK信號與前一碼元的相位相反；在Tn時刻，信碼為0，PSK信號與前一碼元的相位相同。這種以信號碼元之間不同相位差直接去表示相應數(shù)字信息的相位鍵控，通常被稱為相對相移鍵控或差分相移鍵控方式。

+E0-E0111001110110信碼

載波基準基帶信號波形

T1TnDPSK波形

問題：下列兩個波形哪個是PSK波形？哪個是DPSK波形？答1：不清楚，兩個波形類似答2：波形1是PSK信號，波形2是DPSK信號答3：波形1不是DPSK信號，波形2是PSK信號結論：波形與信碼的關系決定是PSK還是DPSK波形011100111011010111010010

波形1波形2信碼與PSK信號的相位關系也可以用矢量圖表示“0”相位

“π”相位

1

0

PSK調(diào)制器中，載波發(fā)生器和移相電路分別產(chǎn)生兩個同頻反相的正弦波，由信碼控制電子開關進行選通，當信碼是“0”時，輸出“0”相信號，當信碼為“1”時輸出“”相信號。PSK調(diào)制移相載波信碼PSK0

πDPSK信號調(diào)制器比PSK調(diào)制器電路多了一個“碼變換”電路，信碼在碼變換電路中變換成相對碼，再用這個相對碼對載波進行PSK調(diào)制得到DPSK信號。DPSK調(diào)制010100111011000101PSK解調(diào)

對PSK信號的解調(diào)的方法有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種，相干解調(diào)器方框圖和各功能塊輸出點的波形如下圖。如果將相干解調(diào)方式中的“相乘——低通濾波”器件用鑒相器代替，就變?yōu)榉窍喔山庹{(diào)器。也稱為相位比較法解調(diào)。帶通

濾波器

相乘器

低通

濾波器

取樣

判決器

載波提取電路

判決輸出取樣脈沖

載波基準PSK波形相乘輸出低濾輸出DPSK解調(diào)DPSK信號的波形與PSK相同，因此也能用上面的框圖進行解調(diào)，但得到的只能是相對碼，還必須有一個碼變換器將相對碼變換為絕對碼。此外，DPSK信號解調(diào)還可采用差分相干解調(diào)的方法，直接將信號前后碼元的相位進行比較，如下圖。由于此時的解調(diào)已同時完成了碼變換，故無需再安排碼變換器。這種解調(diào)方法由于無需專門的相干載波，因而是一種很實用的方法。當然，它需要一延遲電路精確地延遲一個碼元長度（TS），這是在設備上所要花費的代價。帶通

濾波器

相乘器

低通

濾波器

取樣

判決器

帶通

濾波器

延遲TS

延遲輸出相乘輸出低濾輸出

取樣脈沖

判決輸出

DPSK波形PSK與DPSK信號的頻譜PSK與DPSK信號實際上是一個雙極性矩形脈沖序列與高頻載波相乘的結果，因此其頻譜與ASK信號的頻譜相似，所不同的是ASK調(diào)制時基帶信號是單極性信號，含有直流分量，相乘后信號中就有載波分量；PSK信號（或DPSK）調(diào)制時基帶信號是雙極性信號，如果信碼1、0出現(xiàn)的概率相同，則基帶信號中沒有直流分量，已調(diào)波中也就沒有載波分量，兩者的頻帶寬度相同，都是基帶信號帶寬的兩倍。4.1.4多相制相移鍵控

在數(shù)據(jù)通信中，為了提高信息傳遞速率，可以用載波的一種相位代表一組二進制信號碼元，也就是多進制碼元。由于碼組長度為m的二進制信碼有2m種排列方式，因此，表示它們的載波相位在0～2π范圍內(nèi)也應有2m個取值，這就是多相制的基本概念。目前用得較多的多相制PSK（或DPSK）是四相制和八相制。下而以四相制為例介紹多相制PSK和DPSK的原理。

設基準載波的相位為0，4PSK信號的四個相位相隔為π/2，它們與基準載波的相位關系有兩種情況，如下表所列，分別稱為π/2系統(tǒng)和π/4系統(tǒng)。通常用二位二進制碼元表示一個四進制碼元，故圖中的信碼是二進制形式。四相制PSK與DPSK波形4PSK相位排列表信碼（AB）相位（π/4系統(tǒng)）相位（π/2系統(tǒng)）00π/40013π/4π/2115π/4π107π/43π/2

與DPSK一樣，4DPSK也是用相鄰碼元（四進制碼元）的相位差表示四種狀態(tài)。例如，第一個碼元為01，它與前一個碼元（參考相位為0）的相位差就是π/2；第二個碼元為00，它與第一個碼元的相位差是0，與基準載波的相位差則是π/2。π/2

0

π

π/2

π

3π/23π/2

0

π/2

π/2

3π/20

ππ/2

00信碼

基準載波（“0”相）4PSK信號波形PSK信號相位

4DPSK信號波形DPSK相對于基準的相位

參考相位

4PSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)4PSK信號的合成相位AB合成信號輸出000sin(ωCt-π/4)+cos(ωCt-π/4)π/210-sin(ωCt-π/4)+cos(ωCt-π/4)π11-sin(ωCt-π/4)-cos(ωCt-π/4)3π/201sin(ωCt-π/4)-cos(ωCt-π/4)4PSK信號的向量圖信號源

sinωt

900相移cosωt

反相

-sinωt

反相

-cosωt

四選一電路

AB

cos(ωt-π/4)

sin(ωt-π/4)

-sin(ωt-π/4)

-cos(ωt-π/4)

00

11

10

01

sinωt

cosωt

-cosωt

-sinωt

4PSK信號產(chǎn)生器原理圖

從向量圖中可以看到，4PSK信號的每一個向量都可以由兩個相鄰π/4的向量（用虛線表示）合成。例如，信碼為10的向量可以用-sin(ωCt-π/4)+cos(ωCt-π/4)表示。表4-2列出了信碼與合成向量的關系。對這個表進行分析不難發(fā)現(xiàn)，兩個合成向量sin(ωCt-π/4)和cos(ωCt-π/4)的極性分別與兩位信碼A和B有對應的關系，如A=1，則sin(ωCt-π/4)的極性為“-”，否則為“+”；B=1，cos(ωCt-π/4)的極性為“-”，否則為“+”?！瑼2A1

…B2B1

cos(ωt-π/4)

sin(ωt-π/4)

載波

發(fā)生器

碼元

分配器

相乘器

90o相移

相乘器

線性

相加器

帶通

濾波器

I通道

二進碼元入

4PSK信號出Q通道

…B2A2B1A1相乘器

4PSK信號調(diào)制

取樣脈沖sin(ωt-π/4)cos(ωt-π/4)載波發(fā)生器

90o相移相乘器相乘器

低通濾波器低通濾波器

碼元

合成器

二進碼元出4PSK信號入

…B2A2B1A1低通濾波器

4PSK信號解調(diào)4.1.5多進制正交幅度調(diào)制

在同樣的碼元速率下，4PSK的傳信率是2PSK的二倍，但是由于4PSK相鄰狀態(tài)之間的相位差（π/2）要比2PSK的相位差（π）小，解調(diào)時出現(xiàn)錯誤判決的可能性就要大，同樣，8PSK的傳信率更高，但誤碼率也會更大；不難發(fā)現(xiàn)，接收端對這些信號相鄰狀態(tài)的分辯能力與它們的矢量端點之間的間隔有關，間隔越大，越容易分辯，也就是越不易受干擾的影響。(a)

(b)(c)

(d)(e)L/2+L0信號幅度范圍L

0

L/3

2L/3

噪聲容限

噪聲容限

0

0p

p

0

0-p/2

-p/2-p/2

p/2p/2p+p/4-p/4-3p/4

+3p/4

p/2+p/4-p/4

+3p/4

-3p/4

PSK和ASK只是單單從相位上和幅度上將信號的各種狀態(tài)區(qū)分開來，它們的幅度和相位是相同的。如果既從相位上、同時又從幅度上使信號相鄰狀態(tài)有區(qū)別，那么在相同的進制數(shù)下，可以得到較大的噪聲容差，也就可以得到較小的誤碼率。這就是正交幅度調(diào)制的基本概念。

為便于觀察，可以在矢量圖上只