數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸課件

1、第7章數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸、7.1二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK) 7.2二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK) 7.3二進(jìn)制相移鍵控(2PSK) 7.4二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK) 7.5二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制、7.1二進(jìn)制，通信系統(tǒng)中實(shí)際使用的通道各不相同我知道數(shù)字基帶信號(hào)經(jīng)常富含低頻成分，只適合在低通型信道(如雙絞線)上傳輸。因此，在頻帶通信信道上進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸需要使用數(shù)字調(diào)制方法。那么為什么一定要在頻帶通型信道上進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸呢？主要原因是頻帶通道比低通信道帶寬大得多，并且可以使用分頻多路復(fù)用技術(shù)傳輸多路復(fù)用信號(hào)。此外，要利用無線電信通道，需要將低頻信號(hào)“改變”為高頻信號(hào)。在第二章中，我們已經(jīng)理解了模擬信號(hào)

2、調(diào)制方式，完成了將低頻信號(hào)“移動(dòng)”到高頻，或進(jìn)行頻帶分配(用于分頻多路復(fù)用或無線傳輸)的任務(wù)。同樣的概念仍然適用于數(shù)字信號(hào)處理。使用數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制載波，以將基帶信號(hào)的電力頻譜(頻譜)移動(dòng)到更高的載波頻率。這種信號(hào)處理方法稱為數(shù)字調(diào)制，其傳輸方法稱為數(shù)字信號(hào)調(diào)制傳輸、載波傳輸或頻帶傳輸。與模擬調(diào)制類似，用于數(shù)字調(diào)制的載波通常是連續(xù)正弦信號(hào)，但是調(diào)制信號(hào)是數(shù)字基帶信號(hào)。理論上，載波格式可以是任意的(例如，三角波、方波等)，只要它們適合在頻帶通信信道上傳輸。在實(shí)際通信中選擇很多正弦信號(hào)的原因是形式簡單，易于生成和接收。與模擬調(diào)制的幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制相對應(yīng)的數(shù)字調(diào)制分為振幅鍵控制(ASK)

3、、頻移鍵控制(FSK)和相位移動(dòng)鍵控制(PSK)三種茄子基本方法。所謂“鍵控”是指調(diào)制方式，如“開關(guān)”控制。例如，由于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)、調(diào)制信號(hào)只有兩種茄子狀態(tài)，因此調(diào)制載波參數(shù)也只能有兩種茄子值。調(diào)制過程相當(dāng)于用調(diào)制信號(hào)控制開關(guān)。徐璐從具有不同參數(shù)的兩個(gè)載波中選擇相應(yīng)的載波輸出以形成調(diào)整后的信號(hào)。“鍵控”是這種數(shù)字調(diào)制方式的圖像描述。7.1.12ASK調(diào)制的基本原理和波形表達(dá)式在2ASK中根據(jù)調(diào)制信號(hào)1和0的值在兩種狀態(tài)之間改變載波振幅。在二進(jìn)制振幅鍵控中，最簡單的形式是數(shù)字信號(hào)1或0中的載波通過或中斷的OOK(開-關(guān)-關(guān))。OOK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為sOOK(t)=anAcosct (71)。

4、其中，A是載波幅度，C是載波頻率，an是二進(jìn)制數(shù)字信息，an是發(fā)生概率P，發(fā)生概率是1-P，(72)。例如，在序列an牙齒1001時(shí)，對應(yīng)的B(t)波形和B(t)調(diào)制載波信號(hào)的OOK的典型波形如圖71所示。圖71 OOK信號(hào)波形，二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的一般時(shí)域表達(dá)式為，(74)。牙齒表達(dá)式是雙向頻帶調(diào)幅信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式，表示2ASK(OOK)信號(hào)是雙向頻帶調(diào)幅信號(hào)。7.1.2 2ASK調(diào)制的頻域特性二進(jìn)制序列的功率頻譜密度為PB()、2ASK信號(hào)的功率頻譜密度為PASK()、是、(75)、格式(75)的幅度鍵控信號(hào)的功率譜是基帶信號(hào)系譜的線性移動(dòng)，因此圖72顯示了OOK信號(hào)的功率頻譜圖因?yàn)榛鶐?/p>

5、號(hào)是矩形波，頻譜寬度理論上是無窮大，載波C中心頻率，電力頻譜密度第一對零之間集中信號(hào)的主要功率，所以通常稱為頻譜零帶寬，以第一個(gè)零交叉帶寬作為傳輸帶寬。圖72 OOK信號(hào)的功率譜如圖72(b)所示，OOK信號(hào)的頻譜零帶寬Bs=2fs，fs是基帶信號(hào)的頻譜零帶寬，與基帶信號(hào)的代碼元素速度Rs相同。這表明OOK信號(hào)的傳輸帶寬是碼速的兩倍。為了限制頻帶寬度，可以使用頻帶限制信號(hào)作為基帶信號(hào)。圖73示出了當(dāng)基帶信號(hào)是余弦升降信號(hào)時(shí)2ASK信號(hào)的功率頻譜密度圖。圖73升余弦滾降基帶信號(hào)的2ASK信號(hào)功率頻譜，7.1.3 2ASK調(diào)制器二元振幅鍵控調(diào)制器可作為乘法器實(shí)現(xiàn)，如圖74所示。對于OOK信號(hào)，乘法

6、器可以由一個(gè)開關(guān)電路代替。如圖7.4 2ASK調(diào)制器、7.1.4 2ASK解調(diào)器和模擬常規(guī)調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)一樣，2ASK信號(hào)也具有包絡(luò)檢測和相干解調(diào)兩種茄子方法，這兩種解調(diào)器如圖75所示。數(shù)字信號(hào)1和0牙齒傳輸，因此在每個(gè)碼段期間，必須電路通過樣品確定來確定低通濾波器的輸出，從而確定信號(hào)值。相干解調(diào)需要在接收器上生成本地相干載波，由于設(shè)備復(fù)雜，很少在2ASK系統(tǒng)中使用。圖75 2ASK調(diào)諧器、7.2二進(jìn)制頻移密鑰控制(2FSK)、7.2.1 2FSK調(diào)制的基本原理和波形表達(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(hào)重疊

7、，例如以兩個(gè)徐璐不同頻率交替?zhèn)鬏數(shù)腁SK信號(hào)，因此調(diào)整后的信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式(76)。其中1=2f1，2=2f2是an的倒數(shù)。an可以用P表示概率，用1-P表示概率。2FSK信號(hào)的波形可以分解為圖(B)和圖(C)中所示的波形，如圖7-6(a)所示。2FSK信號(hào)還可以，(78)，將兩個(gè)載波頻率的中心頻率設(shè)置為fc。頻率差異為F，(79)，(710)，圖7-6。調(diào)制金志洙(或頻移金志洙)H定義為，(711)。7 . 2 . 2 . 2 2FSK調(diào)制的頻域特性圖77提供了h0.5、h=0.7、h=1.5時(shí)2 FSK信號(hào)的功率頻譜圖。功率譜是圍繞fc對稱分布的。在f時(shí)間，功率譜為單峰。隨著f的增加，f1

8、和F2之間的距離增大，功率譜上出現(xiàn)了雙峰，其中頻帶寬度可以用B2FSK2BB |f2-f1| (712)格式近似表示，BB是基帶信號(hào)的帶寬。圖77 2FSK信號(hào)功率頻譜，7.2.3 2FSK調(diào)制器在FSK信號(hào)中的載波頻率變化時(shí)，通常載波的相位變化是不連續(xù)的。牙齒信號(hào)稱為相位不連續(xù)FSK信號(hào)。相位不連續(xù)的FSK信號(hào)通常用頻率選擇法生成。如圖7-8所示，兩個(gè)單獨(dú)的振蕩器是兩個(gè)頻率的載波發(fā)生器，由輸入的二進(jìn)制信號(hào)控制。二進(jìn)制信號(hào)通過兩個(gè)門電路控制載波信號(hào)之一。圖78 2FSK調(diào)制器，7.2.4 2FSK解調(diào)器2FSK信號(hào)的解調(diào)也有兩個(gè)不相關(guān)的。FSK信號(hào)可以看作是兩個(gè)頻率源的交替?zhèn)鬏?，因此FSK接收

9、器由兩個(gè)并行ASK接收器組成。圖79示出了與調(diào)整ASK信號(hào)的原理相同的不相關(guān)的FSK和FSK接收器方塊圖。圖79 2FSK解調(diào)器，2FSK信號(hào)還有另一種解調(diào)方法。在牙齒中，零檢測方法是通用的、簡單的解調(diào)方法。超過2FSK信號(hào)0的數(shù)字取決于載波頻率變化，因此，檢測到0時(shí)，可以獲得載波頻率差異，從而獲得有關(guān)調(diào)制信號(hào)的更多信息。如圖710所示，示出了超過零的檢測方法的原理框圖和各點(diǎn)波形。FSK信號(hào)形成限制、微分、整流后頻率變化對應(yīng)的脈沖序列，形成相同寬度的矩形波。牙齒矩形波的低頻成分相當(dāng)于數(shù)字信號(hào)，通過低通濾波器過濾低頻成分，然后經(jīng)過樣品判決，可以獲得原始的數(shù)字調(diào)制信號(hào)。圖710 2FSK信號(hào)0檢測

10、方法、7.3二進(jìn)制密鑰移動(dòng)(2PSK)、7.3.1 2PSK調(diào)制的基本原理和波形表達(dá)式二進(jìn)制密鑰移動(dòng)(2PSK)是二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)控制載波的兩個(gè)階段，二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為(713)。其中，an是雙極數(shù)字信號(hào)(即概率為P，概率為1-P，(714)，g(t)是振幅為1，寬度為Ts的矩形脈沖)，則2PSK信號(hào)是圖711 2PSK信號(hào)的典型波形，7.3.2 2PSK調(diào)制的頻域特性是表達(dá)式(713)這樣，2PSK信號(hào)的功率譜與2ASK信號(hào)的功率譜相同，但沒有一個(gè)離散載波分量，屬于線性調(diào)制。7.3.3 2PSK調(diào)制器2PSK調(diào)制器可以使用乘法器或相位選擇器，如圖712所示。圖712 2PSK調(diào)制

11、器，7.3.4 2PSK解調(diào)器必須使用一致的曹征方法，因?yàn)镻SK信號(hào)的功率譜中沒有載波分量。在一致調(diào)整中如何獲得相同頻率的本地載波是一個(gè)重要問題。只有PSK信號(hào)的非線性轉(zhuǎn)換才能生成載波分量。有兩種常用的托架恢復(fù)電路。一個(gè)是圖713(a)所示的平方環(huán)電路，另一個(gè)是圖713(b)所示的科斯塔斯環(huán)電路。上述兩種鎖相環(huán)中，壓控振蕩器VCO輸出載波和調(diào)制載波之間的相位差如下：圖713載波恢復(fù)電路，分析表明=n(n為任意整數(shù))時(shí)VCO是穩(wěn)定的。這意味著通過VCO恢復(fù)的本地載波可以與所需的相關(guān)載波相同，也可以相反。牙齒拓?fù)潢P(guān)系的不確定性稱為0，拓?fù)淠：?。如圖714所示，2PSK相干解調(diào)器。2PSK信號(hào)的調(diào)

12、制和曹征過程見表71。圖714 2PSK相干解調(diào)器，表71 2PSK信號(hào)的調(diào)制和曹征過程，代碼元素相位表示對應(yīng)于代碼元素的PSK信號(hào)的相位，1和2表示相位為的PSK信號(hào)乘以相位為1和2的本地載波。這表明，由于本地載波相位的不確定性，調(diào)整后的數(shù)字信號(hào)理解相反，1和0的倒置可能導(dǎo)致信息接收錯(cuò)誤。為了克服相位模糊對調(diào)節(jié)的影響，通常使用差分關(guān)鍵點(diǎn)移動(dòng)調(diào)制方法。7.4二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)、7.4.1 2DPSK調(diào)制的基本原理和波形表達(dá)式2PSK信號(hào)中調(diào)制信號(hào)的1和0對應(yīng)于兩個(gè)不變載波相位(例如0和0)。這也稱為絕對色調(diào)，因?yàn)樗幂d波相位絕對值的變化來傳輸數(shù)字信息。前后碼元載波相位相對值的變

13、化也可以傳輸數(shù)字信息。這稱為相對祖先。相對曹征信任號(hào)的生成過程首先是差分編碼數(shù)字基帶信號(hào)。也就是說，從絕對代碼更改為相對代碼(差分代碼)，然后執(zhí)行絕對調(diào)整。基于這種形成過程的兩相相對組稱為二進(jìn)制差分密鑰移動(dòng)信號(hào)，記錄為2DPSK。2DPSK調(diào)制器框圖和波形如圖715所示。圖715 2DPSK調(diào)制器和波形，圖715 2DPSK調(diào)制器和波形，差分代碼可以傳遞差分代碼或空差分代碼。編號(hào)差分代碼的編碼規(guī)則在bn=an bn-1表達(dá)式中為模塊2加，bn-1是bn的舊代碼，初始bn-1可以設(shè)置為任意。從發(fā)送信號(hào)的波形可以看出，在使用發(fā)送號(hào)碼差分碼的條件下，發(fā)送波相位遇到1時(shí)，0牙齒不變，載波相位的這種相對

14、變化具有數(shù)字信息。(威廉莎士比亞、溫斯頓、載波、載波、載波、載波、載波、載波、載波、載波)，7 . 4 . 2 2 2 DPSK調(diào)整可以對DPSK信號(hào)使用一致的調(diào)整。由于局部載波相位模糊性的影響，調(diào)整后的相對碼也反轉(zhuǎn)了1和0牙齒。但是，當(dāng)從相對代碼還原為絕對代碼時(shí)，根據(jù)以下規(guī)則，在差分解碼，表達(dá)式中，是的上一代碼元：這樣得到的絕對代碼不會(huì)發(fā)生任何反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因?yàn)閮蓚€(gè)相鄰?fù)負(fù)涞淖兓?，即沒有變化或變化。(David aser，Northern Exposure(美國電視電視劇)，)DPSK信號(hào)的一致調(diào)整能夠克服載波相位模糊問題的原因是，數(shù)字信息表現(xiàn)為載波相位的相對變化。圖716顯示了2DPSK的相關(guān)

15、解調(diào)器和各個(gè)點(diǎn)波形。2DPSK信號(hào)的調(diào)制和曹征過程見表72。圖716 2DPSK相干解調(diào)和每個(gè)點(diǎn)波形、表72 2DPSK信號(hào)的調(diào)制和曹征過程、DPSK信號(hào)的另一種曹征方法是差分相干解調(diào)(又稱延遲解調(diào))，方框圖和波形圖如圖717所示。用牙齒方法調(diào)整時(shí)，不需要恢復(fù)本地載波，可以由接收的信號(hào)單獨(dú)執(zhí)行。將DPSK信號(hào)延遲到1碼間隔Ts，然后乘以DPSK信號(hào)本身(乘法器起到相位比較的作用)，乘法結(jié)果經(jīng)過低通濾波器采樣后，通過采樣判決恢復(fù)遠(yuǎn)視數(shù)字信息。牙齒解調(diào)方法只能用于DPSK信號(hào)。2DPSK信號(hào)的調(diào)制和延遲曹征過程見表73。表73 2DPSK信號(hào)的調(diào)制和延遲曹征過程、圖717 2DPSK差分相干解調(diào)器

16、和每個(gè)點(diǎn)波形、7.5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制、多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制載波，從而獲得多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)。一般來說，多元m是2的冪(M2n)。如果傳遞信息的參數(shù)分別是載波的寬度、頻率或相位，則數(shù)字調(diào)制信號(hào)是M振幅鍵(MASK)、M振幅頻率移動(dòng)鍵(MFSK)或M振幅移動(dòng)鍵(MPSK)。在信道頻帶有限的情況下，使用M進(jìn)制數(shù)字調(diào)制可以加快信息傳輸，提高頻帶利用率。這是在第一章中評(píng)估通信系統(tǒng)的有效性時(shí)提到的內(nèi)容。也就是說，在不提高傳輸速度的情況下，可以使用多進(jìn)制信號(hào)提高比特率性能。7.5.1多振幅鍵控(MASK) 1MASK信號(hào)的表示在M振振幅鍵控信號(hào)中具有載波振幅的M茄子值。如果基帶信號(hào)的碼元間隔為Ts，則M振幅鍵控信號(hào)的周期表達(dá)式為，(716)，在表達(dá)式中g(shù)(t)為基帶信號(hào)的波形，C為載波的角頻率，an為振幅值，an為M茄子值。如2MASK信號(hào)調(diào)制(716)所示，MASK信號(hào)相當(dāng)于M級(jí)基帶信號(hào)，并且對載波執(zhí)行雙向頻帶振幅。為了理解MASK信號(hào)和2ASK信號(hào)的關(guān)系，圖718圖解說明了2ASK信號(hào)和4ASK信號(hào)的波形。圖718(a)是