模块六-数字信号的频带传输课件.ppt

1、教学导航教学导航1.1.知识重点知识重点 2.2.知识难点知识难点 3.3.推荐教学方式推荐教学方式 4.4.建议学时数建议学时数5.5.推荐学习方法推荐学习方法 6.6.必须掌握的理论知识必须掌握的理论知识 7.7.必须掌握的技能必须掌握的技能 1.知识重点知识重点数字调制的目的、概念及分类。数字调制的目的、概念及分类。数字频带传输系统组成。数字频带传输系统组成。2ASK、2FSK、2PSK信号的调制解调原理、波形、信号的调制解调原理、波形、频谱特点。频谱特点。二进制数字调制系统的性能比较。二进制数字调制系统的性能比较。2.知识难点知识难点 2ASK、2FSK、2PSK解调原理、频谱分析。解

2、调原理、频谱分析。二进制数字调制系统的性能比较。二进制数字调制系统的性能比较。QPSK、MSK、GMSK、QAM、OFDM几种现几种现代代 调制技术的特点。调制技术的特点。3.推荐教学方式推荐教学方式通过介绍调制技术在移动通信系统中的应用案例，通过介绍调制技术在移动通信系统中的应用案例，导出数字调制的理论知识，激发学生学习兴趣。导出数字调制的理论知识，激发学生学习兴趣。对调制技术进行分析时，可多用图片、采用多媒体对调制技术进行分析时，可多用图片、采用多媒体方式教学。方式教学。通过实践训练，使学生加深理解数字信号调制解调通过实践训练，使学生加深理解数字信号调制解调的过程。的过程。通过对调制解调器

3、进行案例分析，巩固理论知识，通过对调制解调器进行案例分析，巩固理论知识，将理论与实际进行结合。将理论与实际进行结合。4.建议学时建议学时5.推荐学习方法推荐学习方法学习时要注意对比和前后联系，区分各学习时要注意对比和前后联系，区分各种调制技术的特点及应用。种调制技术的特点及应用。结合波形图、电路框图等来理解各种调结合波形图、电路框图等来理解各种调制技术。制技术。理论学习要注意结合给出的案例来理解。理论学习要注意结合给出的案例来理解。重视实践训练，通过调制解调过程中关重视实践训练，通过调制解调过程中关键信号的测试和分析来加强理解。键信号的测试和分析来加强理解。6.必须掌握的必须掌握的理论知识理论

4、知识数字调制的目的、概念及分类。数字调制的目的、概念及分类。数字频带传输系统组成。数字频带传输系统组成。2ASK、2FSK、2PSK信号的调制解调原理、信号的调制解调原理、波形、频谱特点。波形、频谱特点。二进制数字调制系统的性能比较。二进制数字调制系统的性能比较。7.必须掌握的必须掌握的技能技能会观测会观测2FSK调制系统关键点波形，并分调制系统关键点波形，并分析。析。会观测会观测2PSK调制系统关键点波形，并分调制系统关键点波形，并分析。析。案例导入案例导入6移动通信系统移动通信系统中中 的调制技术的调制技术在现代移动通信系统中，几乎全部都采用了数字调制技术，它在现代移动通信系统中，几乎全部

5、都采用了数字调制技术，它是实现高速，高效的移动通信系统的重要保证。是实现高速，高效的移动通信系统的重要保证。目前应用于移动通信系统的调制技术主要可分为两大类：线性目前应用于移动通信系统的调制技术主要可分为两大类：线性调制技术和非线性调制技术（恒包络调制技术）。调制技术和非线性调制技术（恒包络调制技术）。线性调制技术主要有：线性调制技术主要有：PSK、QPSK、OQPSK、/4-QPSK、QAM、16QAM、64QAM、256QAM等。等。非线性调制技术主要有：非线性调制技术主要有：MSK、TFM、GMSK。表表6-1 各移动通信系统采用的调制方式各移动通信系统采用的调制方式技术解读技术解读6.

6、1数字频带传输系统数字频带传输系统为适应某种需要（如无线信道传输或多路复用等），大部分传输系为适应某种需要（如无线信道传输或多路复用等），大部分传输系统都采用频带传输。数字信号对载波的调制与模拟信号对载波的调统都采用频带传输。数字信号对载波的调制与模拟信号对载波的调制过程类似，同样可以用数字信号去控制正弦载波的振幅，频率或制过程类似，同样可以用数字信号去控制正弦载波的振幅，频率或相位的变化。典型的频带传输系统有数字微波系统、数字光纤通信相位的变化。典型的频带传输系统有数字微波系统、数字光纤通信系统。系统。由图可见，原始数字序列经基带信号形成器变成适合信道传输的基由图可见，原始数字序列经基带信号

7、形成器变成适合信道传输的基带信号，然后送到调制器处理，形成数字已调信号，并送至信道。带信号，然后送到调制器处理，形成数字已调信号，并送至信道。接收滤波器把叠加有干扰的有用信号提取出来，并经过解调器恢复接收滤波器把叠加有干扰的有用信号提取出来，并经过解调器恢复出数字基带信号。出数字基带信号。图图6-1 数字频带传输系统方框图数字频带传输系统方框图6.2二进制幅移键控二进制幅移键控幅移键控是用数字信号控制载波振幅的一种数字调制方式。幅移键幅移键控是用数字信号控制载波振幅的一种数字调制方式。幅移键控（控（Amplitude Shift Keying）简记为）简记为ASK，二进制幅移键控常记，二进制幅

8、移键控常记作作2ASK。2ASK最简单的形式是利用代表数字信息最简单的形式是利用代表数字信息“0”或或“1”的矩形脉冲去的矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。即有载波输出时表键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。即有载波输出时表示发送示发送“1”码，无载波输出时表示发送码，无载波输出时表示发送“0”码，这种方法又称通断码，这种方法又称通断键控（键控（OOK）。）。6.2.1 2ASK信号的调制信号的调制 12ASK信号的产生信号的产生6.2二进制幅移键控二进制幅移键控22ASK信号的波形信号的波形32ASK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽6.2二进制幅移键控二进制幅移键

9、控6.2.2 2ASK信号的解调信号的解调1包络解调法包络解调法 2相干解调法相干解调法6.3二进制频移键控二进制频移键控频移键控（频移键控（Freguency Shift Keying）是利用载波的频率变化来传）是利用载波的频率变化来传送数字信息，即用数字信息来控制调频波的频率变化。送数字信息，即用数字信息来控制调频波的频率变化。6.3.1 2FSK信号的调制信号的调制12FSK信号的产生信号的产生2FSK信号的产生方法有两种，一种是数字键控法，一种是模拟调信号的产生方法有两种，一种是数字键控法，一种是模拟调制法（直接调频法）制法（直接调频法）6.3二进制频移键控二进制频移键控22FSK信号

10、的波形信号的波形32FSK信号的频谱及带宽信号的频谱及带宽（1）2FSK信号的频谱图信号的频谱图（2）2FSK信号的带宽信号的带宽 2f|f-f|BB126.3二进制频移键控二进制频移键控6.3.2 2FSK信号的解调信号的解调 过零检测法过零检测法包络检测法包络检测法同步解调法同步解调法 6.4二进制相移键控二进制相移键控相移键控（相移键控（PSK，Phase Shift Keying）是用数字信号控制载波的）是用数字信号控制载波的相位，使载波的相位随数字信号的变化而变化的一种数字调制方式。相位，使载波的相位随数字信号的变化而变化的一种数字调制方式。相移键控可分为绝对相移键控（相移键控可分为

11、绝对相移键控（PSK）和相对相移键控（）和相对相移键控（DPSK）两种；根据数字基带信号进制的不同又可分为二进制相移键控和多两种；根据数字基带信号进制的不同又可分为二进制相移键控和多进制相移键控。进制相移键控。6.4.1绝对码和相对码绝对码和相对码绝对码和相对码是相移键控的基础。绝对码和相对码是相移键控的基础。绝对码是以基带信号码元的电平直接表示数字信息，如用高电平代绝对码是以基带信号码元的电平直接表示数字信息，如用高电平代表表“1”码，低电平代表码，低电平代表“0”码。码。相对码（又称差分码）是用基带信号码元的电平相对前一码元的电相对码（又称差分码）是用基带信号码元的电平相对前一码元的电平有

12、无变化来表示数字信息的。平有无变化来表示数字信息的。绝对码和相对码是可以相互转换的。绝对码和相对码是可以相互转换的。6.4二进制相移键控二进制相移键控6.4.2二进制绝对相移键控（二进制绝对相移键控（2PSK）绝对相移键控是利用载波的相位偏移绝对相移键控是利用载波的相位偏移(指某一码元所对应的已调波指某一码元所对应的已调波与参考载波的初相差与参考载波的初相差)直接表示数字信号的相移方式。直接表示数字信号的相移方式。12PSK信号的产生信号的产生 2PSK信号的产生可采用相位选择法，其原理框图如图信号的产生可采用相位选择法，其原理框图如图6-16所示。所示。6.4二进制相移键控二进制相移键控22

13、PSK信号的波形信号的波形 32PSK信号的相干解调信号的相干解调 为了克服为了克服2PSK存在的相位模糊问题，引入了相对相移键控存在的相位模糊问题，引入了相对相移键控（DPSK）6.4二进制相移键控二进制相移键控6.4.3二进制相对移相键控（二进制相对移相键控（2DPSK）相对相移键控是利用前后相邻码元的相对载波相位值来表示数字信相对相移键控是利用前后相邻码元的相对载波相位值来表示数字信号的相移方式。号的相移方式。12DPSK调制调制22DPSK信号的波形信号的波形6.4二进制相移键控二进制相移键控32DPSK解调解调（1）相干解调法（又称极性比较法）相干解调法（又称极性比较法）（2）差分相

14、干解调法（又称相位比较法）差分相干解调法（又称相位比较法）42PSK（2DPSK）信号的功率谱及带宽）信号的功率谱及带宽 2PSK信号的带宽信号的带宽52PSK与与2DPSK系统的性能比较系统的性能比较2DPSK系统的抗噪性能不及系统的抗噪性能不及2PSK系统，系统，2PSK系统存在系统存在“相位模相位模糊糊”问题，而问题，而2DPSK不存在这一问题。因此，实际应用中，由于不存在这一问题。因此，实际应用中，由于DPSK在抗噪声性能及频带利用率方面比在抗噪声性能及频带利用率方面比FSK好，故被广泛用于数好，故被广泛用于数字通信中。字通信中。B2PSK2fB6.5二进制数字调制系统的性能比较二进制

15、数字调制系统的性能比较二进制数字传输系统的误码率与信号的调制及解调方式有关。无论二进制数字传输系统的误码率与信号的调制及解调方式有关。无论采用何种方式，其共同点是当输入信噪比增大时，系统的误码率就采用何种方式，其共同点是当输入信噪比增大时，系统的误码率就降低；反之，误码率就增大。由此可得出以下几点：降低；反之，误码率就增大。由此可得出以下几点：在调制方式相同的情况下，相干解调的抗噪声性能优于非相干解在调制方式相同的情况下，相干解调的抗噪声性能优于非相干解调。但是，随着信噪比调。但是，随着信噪比r的增大，相干与非相干的误码性能的相对的增大，相干与非相干的误码性能的相对差别愈不明显，误码率曲线愈靠

16、拢。另外，相干解调的设备比非相差别愈不明显，误码率曲线愈靠拢。另外，相干解调的设备比非相干的要复杂。干的要复杂。相干解调时，在相同误码率的条件下，对信噪比相干解调时，在相同误码率的条件下，对信噪比r的要求是：的要求是：2PSK比比2FSK小小3dB，2FSK比比2ASK小小3dB。在非相干解调时，在。在非相干解调时，在相同误码率的条件下，对信噪比相同误码率的条件下，对信噪比r的要求是：的要求是：2DPSK比比2FSK小小3 dB，2FSK比比2ASK小小3 dB。2ASK要严格工作在最佳判决门限电平较困难，其抗振幅衰落的要严格工作在最佳判决门限电平较困难，其抗振幅衰落的性能差。性能差。2FSK

17、、2PSK、2DPSK最佳判决门限电平为最佳判决门限电平为0，容易设置，容易设置，都有很强的抗振幅衰落性能。都有很强的抗振幅衰落性能。6.5二进制数字调制系统的性能比较二进制数字调制系统的性能比较2FSK的调制指数的调制指数h通常大于通常大于0.9，此时，在相同传码率的条件下，此时，在相同传码率的条件下，2FSK的传输带宽比的传输带宽比2PSK、2DPSK、2ASK的宽，即的宽，即2FSK的频带的频带利用率低。利用率低。6.6现代数字调制技术现代数字调制技术6.6.1正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）正交振幅调制（正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，

18、QAM）是）是一种频带利用率很高的数字调制方式。它是用载波的不同幅度及不一种频带利用率很高的数字调制方式。它是用载波的不同幅度及不同相位来表示数字信息的。正交振幅调制是用两个独立的基带信号同相位来表示数字信息的。正交振幅调制是用两个独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。传输。6.6.2最小频移键控（最小频移键控（MSK）最小频移键控是对频移键控做某种改进，使其相位始终保持连续变最小频

19、移键控是对频移键控做某种改进，使其相位始终保持连续变化的一种调制。化的一种调制。MSK又称快速频移键控（又称快速频移键控（FFSK），），“快速快速”指的指的是这种调制方式对于给定的频带能以比是这种调制方式对于给定的频带能以比2PSK传输更高速的数据；传输更高速的数据；而最小频移键控中的而最小频移键控中的“最小最小”指的是这种调制方式能以最小的调制指的是这种调制方式能以最小的调制指数（指数（h=0.5）获得正交的调制信号。）获得正交的调制信号。MSK调制方式的突出优点是调制方式的突出优点是信号具有恒定的振幅以及信号的功率谱在主瓣之外衰减较快。信号具有恒定的振幅以及信号的功率谱在主瓣之外衰减较快

20、。6.6现代数字调制技术现代数字调制技术6.6.3高斯滤波最小频移键控（高斯滤波最小频移键控（GMSK）高斯滤波的高斯滤波的MSK就是在就是在MSK调制器之前，用高斯型低通滤波器对调制器之前，用高斯型低通滤波器对输入数据进行处理，如果恰当地选择此滤波器的带宽，就能使信号输入数据进行处理，如果恰当地选择此滤波器的带宽，就能使信号的带外辐射功率小到可以满足移动通信的要求。的带外辐射功率小到可以满足移动通信的要求。由于成型后的高斯脉冲其包络无陡峭沿，亦无拐点，因此相位路径由于成型后的高斯脉冲其包络无陡峭沿，亦无拐点，因此相位路径得以进一步平滑。得以进一步平滑。GMSK信号的频谱特性也优于信号的频谱特

21、性也优于MSK。6.6.4 QPSK调制技术调制技术QPSK是英文是英文QuadraturePhaseShiftKeying的缩略语简称，意为的缩略语简称，意为正交相移键控。四相相移键控信号简称正交相移键控。四相相移键控信号简称“QPSK”。它分为绝对相。它分为绝对相移和相对相移两种。四相制相移键控（移和相对相移两种。四相制相移键控（4PSK）是目前微波和卫星）是目前微波和卫星数字通信中最常用的一种载波传输方式，它具有较高的频谱利用率、数字通信中最常用的一种载波传输方式，它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性能等优点。较强的抗干扰性能等优点。PSK 数字调制技术灵活多样，更适应数字调制技术灵活

22、多样，更适应于高速数据传输和快速衰落的信道。在于高速数据传输和快速衰落的信道。在2G 向向3G 演进的过程中，演进的过程中，它已成为各移动通信系统主要的调制方式。它已成为各移动通信系统主要的调制方式。6.6现代数字调制技术现代数字调制技术6.6.5 OFDM 技术技术OFDM的英文全称为的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术。，中文含义为正交频分复用技术。OFDM 是一种多载是一种多载波数字通信调制技术，属于复用方式。它是由多载波调制（波数字通信调制技术，属于复用方式。它是由多载波调制（MCM）技术发展而来，

23、应用已有近技术发展而来，应用已有近40 年的历史。它开始主要用于军用的年的历史。它开始主要用于军用的无线高频通信系统。这种多载波传输技术在无线数据传输方面的应无线高频通信系统。这种多载波传输技术在无线数据传输方面的应用是近十年来的新发展。由于其具有频谱利用率高、抗噪性能好等用是近十年来的新发展。由于其具有频谱利用率高、抗噪性能好等特点，适合高速数据传输，已被普遍认为是第四代移动通信系统最特点，适合高速数据传输，已被普遍认为是第四代移动通信系统最热门的技术之一。热门的技术之一。OFDM 的另一个优点在于每个载波所使用的调制方法可以不同。的另一个优点在于每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能

24、够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM 等，实现频谱利用率等，实现频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。和误码率之间的最佳平衡为原则。模块小结模块小结61知识体系知识体系2.知识要点知识要点数字信号的传输有基带传输和频带传输两种方式。未经调制而直接数字信号的传输有基带传输和频带传输两种方式。未经调制而直接进行传输的方式称为基带传输；包含调制和解调装置的数字信号传输进行传输的方式称为基带传输；包含调制和解调装置的数字信号传输方式称为频带传输。方式称为频带传输。数字调制与解调是数字通信

25、系统的基本组成部分，数字信号经过模数字调制与解调是数字通信系统的基本组成部分，数字信号经过模拟信道传输必须调制。数字调制有振幅键控（拟信道传输必须调制。数字调制有振幅键控（ASK）、频移键控）、频移键控（FSK）和相移键控（）和相移键控（PSK）三种基本方式。）三种基本方式。振幅键控就是用数字基带信号去控制载波的幅度变化。振幅键控就是用数字基带信号去控制载波的幅度变化。2ASK信号可信号可由乘法器产生，其解调可采用相干解调和非相干解调两种方法。由乘法器产生，其解调可采用相干解调和非相干解调两种方法。2ASK信号的频谱由载频分量及上下边频分量组成，其带宽是数字基带信号信号的频谱由载频分量及上下边

26、频分量组成，其带宽是数字基带信号带宽的两倍。振幅键控的优点是设备简单、频带利用率较高，缺点是带宽的两倍。振幅键控的优点是设备简单、频带利用率较高，缺点是抗噪声性能差。抗噪声性能差。频移键控就是利用不同频率的载波来传送数字信号。频移键控就是利用不同频率的载波来传送数字信号。2FSK信号的产信号的产生有直接调频法和键控法，解调有相干解调和非相干解调以及过零点生有直接调频法和键控法，解调有相干解调和非相干解调以及过零点检测法等。检测法等。2FSK信号频带较宽，频带利用率比信号频带较宽，频带利用率比2ASK信号低，一般用信号低，一般用于低速数据传输系统。频移键控的优点是抗干扰能力强，缺点是占用于低速数

27、据传输系统。频移键控的优点是抗干扰能力强，缺点是占用频带较宽。频带较宽。2.知识要点知识要点相移键控就是用同一个载波的不同相位来传送数字信号，分为绝对相移键控就是用同一个载波的不同相位来传送数字信号，分为绝对相移和相对相移两种。相移和相对相移两种。2PSK信号频谱中没有载频分量，带宽与信号频谱中没有载频分量，带宽与2ASK相同，为数字基带信号带宽的两倍，其解调只能用相干解调法。由于相同，为数字基带信号带宽的两倍，其解调只能用相干解调法。由于绝对相移存在绝对相移存在“相位模糊相位模糊”问题，所以实际应用以相对相移为主。问题，所以实际应用以相对相移为主。2DPSK信号的产生，解调方法，功率谱结构及

28、带宽与信号的产生，解调方法，功率谱结构及带宽与2PSK相同，但相同，但输入输出信号都要完成绝对码到相对码和相对码到绝对码的转换。输入输出信号都要完成绝对码到相对码和相对码到绝对码的转换。2DPSK信号的解调还可采用差分相干解调法。相移键控在频带利用和信号的解调还可采用差分相干解调法。相移键控在频带利用和抗干扰方面都较完善，因此应用较广泛。抗干扰方面都较完善，因此应用较广泛。现代调制解调方式有现代调制解调方式有QAM、MSK和和GMSK，QPSK等。正交振幅调等。正交振幅调制制QAM是一种对载波的振幅和相位同时进行调制的方式，有是一种对载波的振幅和相位同时进行调制的方式，有4QAM，16QAM，

29、64QAM等；等；QPSK是一种多进制相移键控方式，在微波和卫是一种多进制相移键控方式，在微波和卫星数字通信中应用较多。星数字通信中应用较多。MSK是是FSK的一种改进形式，其突出优点是的一种改进形式，其突出优点是信号具有恒定的振幅及信号的功率谱在主瓣以外衰减较快。高斯最小信号具有恒定的振幅及信号的功率谱在主瓣以外衰减较快。高斯最小移频键控移频键控GMSK是针对某些场合对信号带外辐射功率的限制非常严格是针对某些场合对信号带外辐射功率的限制非常严格而提出的一种改进型的调制方式。而提出的一种改进型的调制方式。OFDM是一种多载波数字通信调制是一种多载波数字通信调制技术，属于复用方式。技术，属于复用方式。