通信电路与系统 第十章
第十章数字频带调制
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本章主要内容
10-1 概述
10-2 二进制数字频带调制104抗噪声性能对比结论10-4 抗噪声性能对比结论10-5 多进制数字频带调制多进制数字频带调制
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10-1 101 概述
数字频带调制的定义
利用数字基带信号(二进制或多进制) 分别或者联合控制载波
的幅度、频率和相位的调制传输方式
数字频带调制的基本方式
载波被传数字¾二进制vs. vs 多进制基带信号BASK ¾ASK / FSK / PSK
(2ASK)BPSK (2PSK)BFSK (2FSK)
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10-1 101 概述
数字已调信号的星座
已调载波信号的数学表达方式已调载波信号的数学表达方式：
1、实信号(real signal)表达[教材采用的表达方式]
s r (t ) =A cos (ωc t +ϕ)
2、复信号(complex signal)表达
s c (t ) =A exp[j (ωc t +ϕ)]=A exp (j ϕ)exp (j ωc t )=A [cos((ωc t +ϕ) +j sin (ωc t +ϕ) ]
其中A exp (j ϕ)称为复包络，包含了调制信号的全部基带信息，也称为基带等效
¾信号星座图: 北京理工大学
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10-1 101 概述
数字已调信号的星座
¾信号星座图
s c (t ) =A exp[j (ωc t +ϕ)]=A exp (j ϕ)exp (j ωc t )=A [cos((ωc t +ϕ) +j sin (ωc t +ϕ) ]
复平面
Im j sin ωc t +j
ωc
A φ
−1
Re
+1c t
−j
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10-1 101 概述
¾某一种进制的任意一个码元间隔内，只出现一个信号点，某种进制的任意个码元间隔内，只出现个信号点，
星座图中的所有信号点代表了这种调制方式的所有可能的信号点分布
¾比较不同调制方式之间的抗干扰性能时，都要限定彼此有相同的信号幅度(归归一化化) ，通常是在通常是在“单位圆”上讨论问题单位圆上讨论问题¾PSK 信信号是用载波相位携带信息，载位带信ASK 信信号是用载波幅度载幅携带信息，FSK 信号是用载波频率携带信息
¾信号点越多→ 表示数据的进制越高→ 传信效率越高→ 信号距离越小→ 抗干扰能力越低
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10-2 102 二进制数字频带调制
10-2-1 BASK
¾调制方式
键控电子开关
载波
振荡器
S ( t )
(a ) 通断键控法( a )
S 2ASK
载波
振荡器
×
S ( t )
S 2ASK
(b ) 乘积法( b )
¾解调方式
输入
非相干解调(包络检波)
带通
滤波器全波整流器低通滤波器
位同步提取
取样判决器
输出
T s
输入
相干解调(同步检波)
带通滤波器
载波提取
×
cos ωc t
低通滤波器
位同步提取
取样判决器
输出
T s
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10-2 102 二进制数字频带调制
10-2-2 BPSK
¾调制方式
载波
cos ωt b n = { +1, -电平转换a n = { 0, 1 }
( a ) 乘法器方案
×
S BPSK (t)a n
数据选择0o
180o
载波振荡cos ωc t
带通
S BPSK (t)
( b ) 相位选择器方案
¾解调方式
输入
带通滤波器
载波提取
×
cos ωc t
低通滤波器
位同步提取
取样判决器
输出
相干解调(同步检波)
T s
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10-2 102 二进制数字频带调制
10-2-2 BPSK
¾BPSK 传输存在的问题
对BPSK 信号解调常采用相干解调(同步检波) ，接收端需要从接收信
号中提取同步载波；而由于BPSK 信号频谱中无载频离散谱分量，因而只能使用“平方环”或“科斯塔斯环”进行载波提取，但这两种方法无疑都存在着同步载波的“180º相位模糊性”问题 当接收端提取出的载波与调制时的发射载波同相时，可以正确恢复基带数据{a n }
当接收端提取出的载波与调制时的发射载波反相时，恢复出的时恢复出的基带数据不再是{a n }，而是{n }, 码序列逻辑全部反相！
Q ：由于我们并不知道同步载波是否发生相位倒相，因而不知道解由于我们并不知道同步载波是否发生相位倒相因而不知道解调后的数据是否反相，导致解调出错。发生这种情况，怎么办？A ：采用差分BPSK 传输方式
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10-2 102 二进制数字频带调制
10-2-3 BDPSK
¾对2DPSK 信号的解调，即可以选用信号的解调即可以选用2PSK 的相干解调(借助平方环提取
同步载波) 方法，也可以选用下面的“差分相干”方案
2DPSK
带通滤波器
延迟T s
r (t)
正确解调，即差分译码：
输入
×
低通滤波器
位同步提取
取样判决器
T s
输出
b n =d n −1⊕d n
⎧cos ωc t , d n =1
S 2DPSK (t ) =sgn(d n ) cos ωc t =⎨
⎩−cos ωc t , d n =0
⎧cos ωc (t −T s ), d n −1=1
S 2DPSK (t −T s ) =⎨
) d n −1=0⎩−cos ωc (t −T s ),
r (t ) =S 2DPSK (t ) S 2DPSK (t −T s ) =sgn(d n ) sgn(d n −1) cos ωc t cos ωc (t −T s )
即当前解调输出：=sgn(d n ) sgn(d n −1)[0. 5cos ωc T s +0. 5cos(2ωc t −ωc T s )]
≈sgn(d n ) sgn(d n −1) ×0. 5cos ωc T s b n =d n −1⊕d n
⎧0. 5cos ωc T s , d n =d n −1取样判决输出1=⎨
⎩−0. 5cos ωc T s , d n ≠d n −1取样判决输出0北京理工大学
解调出的码序列与原码正好相反，取反即可
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10-2 102 二进制数字频带调制
10-2-4 BFSK
¾时域和频域波形
模拟调频波带宽:
2FSK 单边谱零点带宽(h >>1) :
B FM =2(m f +1) F =2Δf m +2F B BF SK =(h +2) R b s =Δf +2R b s
⇓
⇓
⇓
¾调制方式
载波f 0载波f 1
模拟开关
S BFSK (t)
a n
模拟调频器
S BFSK (t)
a n
(b) 载波调频法
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(a) 频率选择法
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10-2 102 二进制数字频带调制
10-2-4 BFSK
¾解调方式
cos ω0t
带通
(ω) 带通(ω)
LPF 位同步T s
BPF (ω)
取样判决
PLL
带通滤波
PD
LPF
包络检波位同步T s 包络检波
取样判决
×
cos 1t
2FSK 信号的相干解调
位同步T S
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×
BPF (ω)
2FSK 信号的非相干解调
LPF
u c
VCO
取样判决
2FSK 信号的锁相非相干解调
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10-4 104 二进制键控信号的抗干扰性能差异
（1）在抗噪声性能上，某种键控信号的相干解调性能优于其非相干解调性能
（2）同样发射功率的）同样发射功率的二进制键控信号相比较，进制键控信号相比较，PSK 的抗噪声性能最优，ASK 最差
（3）频带占用上，2FSK 最宽，2ASK 和2PSK 相同；在相同传输速率情况下，2PSK 和2ASK 比2FSK 信号所占的带宽小；因而从频带利用率来看2PSK 和2ASK 优于2FSK 因而从频带利用率来看，
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10-5 105 多进制数字频带调制
10-5-1 四进制相位键控(QPSK)
¾二进制到四进制序列的串并转换
二进制序列{ Bn }
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
四进制序列{ Qn }
11
01
10
01
00
01
10
11
10
0100
11
10
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10-5 105 多进制数字频带调制
10-5-1 四进制相位键控(QPSK)
¾正交调制原理分析
显然：QPSK 相当于两个正交
载波的BPSK 信号合成
电平变换
{Qn }
二进制进制
串并转换序列{Bn }
{Qn }
电平变换
I(t)
ωc t Asin ωc t Q(t)
QPSK
S QPSK (t ) =A cos(ωc t +φn )
=A cos((ωc t ) cos φn −A sin(i (ωc t ) sin i φn =A cos(ωc t ) I (t ) −A sin(ωc t ) Q (t )
电平变换过程：
⎧π/4
⎪3π/4⎪φn =⎨
⎪5π/4⎪⎩7π/4
Q
01
Q (t )
00
I (t ) =cos φn Q (t ) =sin φn
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Q n =00
Q n =01Q n =11Q n =10
A ϕ
I (t )
I
11
10
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10-5 105 多进制数字频带调制
10-5-2 多进制正交幅度调制(MQAM) 自学
MQAM ：就是利用两路N 电平信号去调制两个正交载波，并
进行合成所得到的调制信号
电平转换
I
载波振荡
90º移相
I
Σ
Q
串/并转换
电平转换
Q
串并转换和电平转换是关键(自学教材第306～307页)
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16QAM 对应的I/Q波形(电平数N =4)
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本章小结
●数字频带调制的概念
●信号星座图
¾星座图的含义
¾最小信号距离的计算及其与信号抗干扰能力的关系●二进制键控系统
¾2ASK 、2FSK 、2PSK 的调制和解调方法制
¾2ASK 、2FSK 、2PSK 的功率谱分析及谱零点带宽计算¾2PSK 和2DPSK 的联系与区别
¾几种键控信号抗干扰性能差异
●多进制数字频带调制原理
¾多进制与二进制数字频带调制信号在码元速率、带宽多进制与二进制数字频带调制信号在码元速率带宽之间的关系
¾QPSK 正交调制的工作原理和分析计算
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课后作业
¾题1010-11，1010-22，1010-44北京理工大学32
下节课期终复习下节课：期终复习
Q Q & A
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