第六章数字调制系统
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第六章 数字调制系统精选版演示课件.ppt
E
4s
c
s
c
S(t)是单极性的随机矩形脉冲序列
p( s
f
)
fs
p(1
p) G(
f
)2
f 2 (1 p)2 s
2
G(mf ) ( f s
mf ) s
m
根据矩形波形g（t）的频谱特点，对于
所有m≠0的整数有 G(mfs ) 0
p( s
f
)
fs
p(1
p) G(
第六章 数字调制系统
6.1 引言
6.2 二进制数字调制原理
6.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能
6.4 多进制数字调制系统
yyty
1
6.1 引言
数字调制也称键控信号,有三种基本的调 制方式：ASK，FSK，PSK可看成是模 拟线性调制和角调制的特殊情况
载波 —— 正弦波 调制信号 —— 数字信号
yyty
e 0
(t )
ccoossctct
概率为P 概率为1 P
13
0相位发送0, π相位发送1. 发送端与接收端必须要有相同的相位参考.
若参考基准相位随机跳变,就会在接 收端发生错误的恢复,“倒π”现象。
2DPSK是利用前后相邻码元的相对 载波相位值去表示数字信息的一种方式。
相位偏移 ΔΦ
ΔΦ=π
数字信息“1”
ΔΦ=0
数字信息“0”
yyty
14
数字信息
绝对码 0 0 1 1 1 0 0 1
PSK
DPSK
0 相对码yyty 0 0 1 0 1 1 1 015
相对移相：绝对码→相对码→绝对移相
数字调制系统(数字频带传输系统)
121第六章 数字调制系统（数字频带传输系统）6.1 引 言在实际通信中，有不少信道都不能直接传送基带信号，而必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓调制。
数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在收端对载波信号的离散调制参量进行检测。
数字调制信号也称键控信号。
在二进制时，有ASK ~ 振幅键控 FSK ~ 移频键控 PSK ~ 移相键控 正弦载波的三种键控波形 见樊书P129，图6－16.2 二进制数字调制原理6.2.1 二进制振幅键控（2ASK ） 一、一般原理及实现方法2ASK 是用“0”，“1”码基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。
最早使用的载波电报就是这种情况。
数字序列{}n a()t s 单极性基带脉冲序列 ()()t t s t ec ω=cos 0 与t c ωcos 相乘，()t s 频谱搬移到c f ±附近，实现2ASK 。
{}n a 信号2ASK 调制的方框图转换成数字调制系统的基本结构图122带通滤波器滤出所需已调信号，防止带外辐射，影响邻台。
二、2ASK 信号的功率谱及带宽()()()()∑∞-∞=-=ω=n s n c nT t g a t s tCos t s t e 0 ⎩⎨⎧-=ppa n 110，概率为，概率为随机变量()()()()()()()()()s s T f j s a s T j s a s e fT S T f G eT S T G E t e S t s G t g 002 π-ω-⋅π=⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛ω=ωω↔ω↔ω↔或，设 ()()()[]c c S S E ω-ω+ω+ω=ω21()()()的功率为：则在频率轴上互不重叠，，假如t e S S c c 0ω-ωω+ω()()()[]()()()[]c S c S E c S c S E f f P f f P f P P P P -++=ω-ω+ω+ω=ω4141或)(f P S 为)(t s 的功率谱，可见，知道了)(f P S 即可知道)(f P E 。
第6章数字调制技术++
Sa2 ( f f1 )Ts Sa2 ( f f1 )Ts
1 16
Sa2 ( f f2 )Ts Sa2 ( f f2 )Ts
1 (
16
f
f1 ) (
f
f1
)(
f
f2
)(
f
f2
)
15
2FSK 信号波形
S( t ) 1 0 0 1 0 1 1
S1( t ) 载波
频谱图
+EV
-EV
4
6.2.1 幅度键控（ 2ASK ）
1、信号表达式 2、频谱结构
e0 ( t ) S( t ) cosct
PE (
f
)
1 4
Ps
(
f
fc
)
Ps (
f
fc
)
信号波形及频谱图 重要参数：信号带宽 B2ASK = 2 fs
3、调制方法
重要参数：信道带宽 BW2ASK = 2 fs 4、解调方法: 1）非相干解调
e0 ( t ) S( t ) cosct 非严格推导： e02( t ) S2( t ) cos2 ct
e02 ( t ) ⇔ PE ( f )
S 2 ( t ) ⇔ Ps ( f )
cosct
⇔
1 (
2
f
fc ) (
f
fc )
关于δ( f )
cos2 ct ⇔
1 (
2
f
fc
)(
f
fc
低通
相干解调 e0( t )
带通
相乘
低通
cosωc t
抽样 判决
S( t )
定时脉冲
抽样 判决
第六章 数字基带调制
)
22
2
f
2 S
PG1 (mf S ) (1 P)G2 (mf S ) 2 ( f mf S ) , f 0
m1
➢离散谱是否存在，取决于g1(t)和g2(t)的波形 及其出现的概率P。
一般情况下，它也总是存在的，但对于双极
性信号 g1(t) = - g2(t) = g(t) ，且概率P=1/2（等
1 P, 以概率P
其中 an P, 以概率(1 P) 显然， u(t)是一个随机脉冲序列 。
19
稳态波v(t) 的功率谱为
Pv f
fS [PG1(mfS ) (1 P)G2 (mfS )] 2 ( f mfs )
m
交变波u(t) 的功率谱为
Pu ( f ) fS P(1 P) G1( f ) G2 ( f ) 2
P)g2
(t
nTs
)
n N
由于v(t)在每个码元内的统计平均波形相同，
故v(t)是以Ts为周期的周期信号。
18
交变波u(t)是s(t)与v(t)之差，即 u(t) s(t) v(t)
于是 u(t) un (t)
n
式中
g1(t nTs ) Pg1(t nTs ) (1 P)g2 (t nTs )
12
6. 多电平波形
多于一个二进制符号对应一个脉冲，波形 统称为多电平波形或多值波形。例下图4电 平波形。由于这种波形的一个脉冲可以代表 多个二进制符号，故在高数据速率传输系统 中，采用这种信号形式是适宜的。
3E
00
01
01
E
10
E
11
3E
00 01
11
13
消息代码的电波形并非一定是矩形的， 还 可以是其他形式。若数字基带信号中各码元 波形相同而取值不同，则可表示为
数字调制系统
数字信号的传输
数字信号在传输过程中可能会受到各种干扰和噪声的影响，导致信号失真或误码。因此，在传输过程 中需要进行适当的信号处理和纠错编码，以保证信号的可靠传输。
数字信号的接收
接收端在接收到信号后，需要进行解调和解码操作，以获取原始的数字信息。在接收过程中，还需要 进行必要的信号质量评估和误码检测，以确保信号的准确性和可靠性。
数字信号的生成
数字信号的生成通常由数字信号发生器完成，它能够根据需要产生各种数字信 号。这些信号可以是二进制、八进制、十六进制等不同进制形式的信号。
数字信号的编码
在数字信号的生成过程中，为了提高信号的抗干扰能力和传输效率，通常需要 对数字信号进行编码。常见的编码方式有曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。
现代数字调制系统
随着技术的发展，现代数字调制系统如16QAM、64QAM和256QAM等高阶调制方式 逐渐成为主流，能够实现高速数据传输。
未来发展趋势
未来数字调制系统将朝着更高阶的调制方式、更高的频谱利用率和更强的抗干扰能力方 向发展，以满足不断增长的数据传输需求。
02
数字调制系统的基本原 理
调制解调的基本概念
信道编码与解码技术
总结词
信道编码与解码技术是数字调制系统中用于 提高传输可靠性的关键技术。
详细描述
信道编码通过在信息位中添加冗余位，使得 在接收端能够检测和纠正传输过程中可能出 现的错误。常见信道编码技术包括线性分组 码、循环码、卷积码等。解码技术则是与编 码相对应的过程，用于从接收信号中提取原 始信息位。解码算法的选择应根据编码方式 和具体应用场景而定。
04
数字调制系统的性能优 化
调制方式的优化选择
总结词
调制方式的选择对于数字调制系统的性 能至关重要，合适的调制方式能够提高 系统的传输效率和可靠性。
数字信号在传输过程中可能会受到各种干扰和噪声的影响，导致信号失真或误码。因此，在传输过程 中需要进行适当的信号处理和纠错编码，以保证信号的可靠传输。
数字信号的接收
接收端在接收到信号后，需要进行解调和解码操作，以获取原始的数字信息。在接收过程中，还需要 进行必要的信号质量评估和误码检测，以确保信号的准确性和可靠性。
数字信号的生成
数字信号的生成通常由数字信号发生器完成，它能够根据需要产生各种数字信 号。这些信号可以是二进制、八进制、十六进制等不同进制形式的信号。
数字信号的编码
在数字信号的生成过程中，为了提高信号的抗干扰能力和传输效率，通常需要 对数字信号进行编码。常见的编码方式有曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。
现代数字调制系统
随着技术的发展，现代数字调制系统如16QAM、64QAM和256QAM等高阶调制方式 逐渐成为主流，能够实现高速数据传输。
未来发展趋势
未来数字调制系统将朝着更高阶的调制方式、更高的频谱利用率和更强的抗干扰能力方 向发展，以满足不断增长的数据传输需求。
02
数字调制系统的基本原 理
调制解调的基本概念
信道编码与解码技术
总结词
信道编码与解码技术是数字调制系统中用于 提高传输可靠性的关键技术。
详细描述
信道编码通过在信息位中添加冗余位，使得 在接收端能够检测和纠正传输过程中可能出 现的错误。常见信道编码技术包括线性分组 码、循环码、卷积码等。解码技术则是与编 码相对应的过程，用于从接收信号中提取原 始信息位。解码算法的选择应根据编码方式 和具体应用场景而定。
04
数字调制系统的性能优 化
调制方式的优化选择
总结词
调制方式的选择对于数字调制系统的性 能至关重要，合适的调制方式能够提高 系统的传输效率和可靠性。
第6章 正弦载波数字调制
振幅键控（ASK—Amplitude Shift Keying）又称 为幅度键控或幅移键控，它是数字调制中出现最早的， 也是最简单的一种方式。这种方式最初用于电报系统， 但由于它的抗噪声性能差，故在数字通信系统中用得不 多。不过，在信道条件较好的数字通信系统中也还有用， 而且二进制振幅键控是研究其他数字调制方式的基础， 因此，熟悉它仍然是必要的。
第四章 数字调制宽
图6-5 2ASK信号的功率谱密度及带宽 a)“1”码波形的频谱 b) 基带信号的功率谱 c) 2ASK信号功率谱
第四章 数字调制与解调技术
由图可看出，2ASK信号的带宽是基带信号带宽的2 倍，若只计及基带信号功率谱主瓣宽度 B g ，则2ASK信 号占用的信道带宽为
第四章 数字调制与解调技术
图6-2
2ASK信号的波形示例
第四章 数字调制与解调技术
2ASK的调制器可以用乘法器法来实现，如图6-3所示。
图6-3 用乘法器实现2ASK调制器
第四章 数字调制与解调技术
图中，输入随机信息序列以a k 表示， 其取值服从下述关系
1 , 概率为 P a k 0 , 概率为 ( 1 P )
二进制频率键控，记为2FSK或BFSK（Binary FSK），是利用二进制数字基带信号去控制载波信号的 频率，即以不同频率的载波来表示数字信息“1”或“0” 的调制方式。2FSK 信号的波形示例如图6-10所示。
第四章 数字调制与解调技术
图6-10 2FSK 信号的波形示例
第四章 数字调制与解调技术
第四章 数字调制与解调技术
二、二进制频率键控
频率键控（FSK—Frequency Shift Keying）又称 为频移键控，它在短波通信中应用较广泛，这是因为 它除了设备简单，调制与解调方便外，更重要的是这 种调制方式具有较好的抗多径时延性能。
第四章 数字调制宽
图6-5 2ASK信号的功率谱密度及带宽 a)“1”码波形的频谱 b) 基带信号的功率谱 c) 2ASK信号功率谱
第四章 数字调制与解调技术
由图可看出，2ASK信号的带宽是基带信号带宽的2 倍，若只计及基带信号功率谱主瓣宽度 B g ，则2ASK信 号占用的信道带宽为
第四章 数字调制与解调技术
图6-2
2ASK信号的波形示例
第四章 数字调制与解调技术
2ASK的调制器可以用乘法器法来实现，如图6-3所示。
图6-3 用乘法器实现2ASK调制器
第四章 数字调制与解调技术
图中，输入随机信息序列以a k 表示， 其取值服从下述关系
1 , 概率为 P a k 0 , 概率为 ( 1 P )
二进制频率键控，记为2FSK或BFSK（Binary FSK），是利用二进制数字基带信号去控制载波信号的 频率，即以不同频率的载波来表示数字信息“1”或“0” 的调制方式。2FSK 信号的波形示例如图6-10所示。
第四章 数字调制与解调技术
图6-10 2FSK 信号的波形示例
第四章 数字调制与解调技术
第四章 数字调制与解调技术
二、二进制频率键控
频率键控（FSK—Frequency Shift Keying）又称 为频移键控，它在短波通信中应用较广泛，这是因为 它除了设备简单，调制与解调方便外，更重要的是这 种调制方式具有较好的抗多径时延性能。
第6章-数字调制系统
9
6.2 二进制振幅键控(2ASK)
一、基本原理
1.表示式：
s ( t) A ( t)co 0 t s )(0 t T
式中，0＝2f0为载波的角频率；
A A(t)0
当发送 1”“ 时 , 当发送 0”“时。
2021/4/6
10
6.2 二进制振幅键控(2ASK)
2.调制方法 : – 相乘电路：包络可以是非矩形的 – 开关电路：包络是矩形的
2021/4/6
服务类型 蜂窝 蜂窝 蜂窝 蜂窝 蜂窝 无绳 无绳 无绳 个人通信
调制技术 GMSK GMSK /4-DQPSK QPSK/BPSK /4-DQPSK GFSK GFSK /4-DQPSK /4-DQPSK
信道带宽 200 kHz 200 kHz 1.25M Hz 1.25M Hz 25 kHz 100 kHz 1728 kHz 300 kHz 300 kHz
2021/4/6
2
目标要求
二、基本要求
1.掌握2DPSK信号的调制与解调基本原理， 2DPSK信号的功率谱密度及误码率分析；
2.熟悉二进制数字键控传输系统性能比较； 3.掌握多进制数字键控的调制与解调基本原理，
以及误码率分析。
2021/4/6
3
目标要求
三、重点、难点
1、重点：
二进制数字键控的原理和性能的理解、分析和掌握； 4PSK、4DPSK信号产生和解调的方法的理解和掌握； 16QAM信号的产生方法的理解和掌握。
2021/4/6
r2A 2n 2
1 06 26 1 21.9 21 08
32
6.2 二进制振幅键控(2ASK)－误码率
∴（1）包络检波法时的误码率为：
Pe1 2e4 r
6.2 二进制振幅键控(2ASK)
一、基本原理
1.表示式：
s ( t) A ( t)co 0 t s )(0 t T
式中，0＝2f0为载波的角频率；
A A(t)0
当发送 1”“ 时 , 当发送 0”“时。
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10
6.2 二进制振幅键控(2ASK)
2.调制方法 : – 相乘电路：包络可以是非矩形的 – 开关电路：包络是矩形的
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服务类型 蜂窝 蜂窝 蜂窝 蜂窝 蜂窝 无绳 无绳 无绳 个人通信
调制技术 GMSK GMSK /4-DQPSK QPSK/BPSK /4-DQPSK GFSK GFSK /4-DQPSK /4-DQPSK
信道带宽 200 kHz 200 kHz 1.25M Hz 1.25M Hz 25 kHz 100 kHz 1728 kHz 300 kHz 300 kHz
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2
目标要求
二、基本要求
1.掌握2DPSK信号的调制与解调基本原理， 2DPSK信号的功率谱密度及误码率分析；
2.熟悉二进制数字键控传输系统性能比较； 3.掌握多进制数字键控的调制与解调基本原理，
以及误码率分析。
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3
目标要求
三、重点、难点
1、重点：
二进制数字键控的原理和性能的理解、分析和掌握； 4PSK、4DPSK信号产生和解调的方法的理解和掌握； 16QAM信号的产生方法的理解和掌握。
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r2A 2n 2
1 06 26 1 21.9 21 08
32
6.2 二进制振幅键控(2ASK)－误码率
∴（1）包络检波法时的误码率为：
Pe1 2e4 r
通信原理第六章基本的数字调制系统精品PPT课件
2fc
2 T
f0
f
6.2.3 误码率
讨论在加性高斯白噪声信道中2ASK信号的误码率。
s(t)A(t)cos(0t) 带通
高斯白噪声 滤波
中心频率为 f 0 ， 带宽为 2 f c 。
s(t)
解调器
窄带高斯噪声
n ( t) n c ( t)c o s (0 t) n s ( t)s in (0 t)
1. 调制方法
• 模拟调幅法—乘法电路 • 键控法
A ( t ) 相乘器
s(t)
cos(0t )
s(t)
cos(0t )
A (t)
2. 解调方法
• 包络检波法 • 相干解调法
s ( t ) 带通
滤波
s ( t ) 带通
滤波
全波 整流
低通 滤波
包络检波器
相乘 电路
低通 滤波
抽样 A ( t )
判决
定时脉冲
第6章 基本的数字调制系统
6.1 概述 6.2 二进制振幅键控（2ASK） 6.3 二进制频移键控（2FSK） 6.4 二进制相移键控（2PSK） 6.5 二进制差分相移键控（2DPSK） 6.6 二进制数字键控传输系统性能比较 6.7 多进制数字键控
6.1 概述
数字调制：
调制信号 m ( t是) 数字信号 有限种状态
x(t)nAc(t)nc(t)
,发“1”时 ,发“0”时
在抽样时刻
t
，
1
x(t1)nAc(t1n)c(t1)
,发“ 1”时 ,发“0”时
为高斯型随机变量
发送“0”码时x ，( t 1 ) 的概率密度p0(x) 21nexp x2/2n 2
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14
数字信息
绝对码 0 0 1 1 1 0 0 1
PSK
DPSK
相对码 0 0 0 1 0 1 1 1 015
相对移相：绝对码→相对码→绝对移相
载波
～
0
e (t) 0
φ
π
移相
s (t )
2PSK调制方框图
16
载波
～ 0
e (t) 0
π
φ
移相
码变换
s (t )
2DPSK调制方框图
17
2PSK信号的功率谱密度
第六章 数字调制系统
6.1 引言 6.2 二进制数字调制原理 6.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能 6.4 多进制数字调制系统
1
6.1 引言
数字调制也称键控信号,有三种基本的调 制方式：ASK，FSK，PSK可看成是模 拟线性调制和角调制的特殊情况
载波 —— 正弦波 调制信号 —— 数字信号
2
6.2 二进制数字调制原理
6.2.1 二进制振幅键控（2ASK）
Amplitude Shift Keying
2ASK信号的产生
s (t )
乘法器
e (t) 0
co sct
co s t c ～
e (t) 0
s (t )
模拟幅度调制方法
键控方法
OOK On-Off Keying
3
s(t)ang(tnT s) n
p(f s
)fp (1 p )G (f)2 s
f2(1p)2 s
G (ms)f2(f
m)f s
m
根据矩形波形g（t）的频谱特点，对于
所有sp (1 p )G (f)2 fs2 (1 p )2 (f)G (0 )2
5
当P=1/2时
pE(f)1 1f6 s[G (f fc)2 G (f fc)2 ]
1 1 fs 6 2 G ( 0 )2 [(f fc )(f fc )
6
2ASK信号的功率谱由连续谱和 离散谱两部分组成
2ASK信号带宽是基带脉冲波 形带宽的两倍
7
6.2.2 二进制移频键控（2FSK） Frequency Shift Keying
f～ 1 f2 ～ s (t ) e (t) 0
sT(t) u（ T0t）发 发“ “ 1 0” ”
uT(t) Ac0 o c st
0tTs 其t它
20
接收端yi(t) u （ i tn ） （ itn ） （ i t） 发 发1 0 “ ” “ ”
加性高斯 白噪声
ui(t) ac0osct
0tT s 其t它
输入 BPF
半波或全
波整流器
1
s1
1
1 4[p s2(ff2)p s2(ff2)]
10
FSK功率谱密度同样由连续谱和离散
谱组成。离散谱出现在两个载频位置
pE( f )
2f s
0.8 fs
f
f 1
f 2
0
2
f 2f
0
s
f f
0
s
f 0
f f
0
s
f 2f
0
s
11
若两载频之差较小，如 f s
则连续谱出现单峰。
若两载频之差逐步增大，连续 谱将出现双峰。
22
1. 包络检波法的系统性能
包络 V ( t) [ a n ( t)2 ] n 2 ( t)
c
s
发“1” 时, 广义瑞利分布
V (t)n2(t)n 2(t)
18
当双极性基带信号“1” , “0”出现概率相等
则：pE(f)1 4fs[G (f fc)2 G (f fc)2 ]
连续谱部分与2ASK信号的连续谱基 本相同(仅相差一个常数因子)
因此 2PSK信号的带宽与2ASK相同
19
6.3 二进制数字调制系统的抗 噪声性能
6.3.1 2ASK抗噪声性能 在一个码元持续时间内,发送端:
概率 P为 概率 1P 为
13
0相位发送0, π相位发送1. 发送端与接收端必须要有相同的相位参考.
若参考基准相位随机跳变,就会在接 收端发生错误的恢复,“倒π”现象。
2DPSK是利用前后相邻码元的相对 载波相位值去表示数字信息的一种方式。
相位偏移 ΔΦ
ΔΦ=π
数字信息“1”
ΔΦ=0
数字信息“0”
e (t) 0
s (t )
8
已调信号
e 0
(t
) a ng(tns) T co1 ts(n)
n
a ng (tns) T co2 ts (n)
n
式中，g（t）为单个矩形脉冲，脉宽为T s
0 以概P率 an 1 以概1率 P
0 以概1率 P
a n
1
p
n
n 分别是第n个信号码元的初相位与序
a n
10
以概P率 以概1率 P
e 0
(t
)
=
s
(t
)
co s t c
OOK信号有两种基本的解调方法：非相
干解调（包络检波法）、相干解调（同
步检测法）、
s (t )
e (t) 0
4
2ASK的功率谱密度
p E (f) 1 4 [p s(ffc) p s(f fc)]
S(t)是单极性的随机矩形脉冲序列
LPF
非相干方式
抽样 输出 判决器
定时脉冲
21
接收端带通滤波器后
y(t) u （ i tn ） ( t)n(t)
发1“ ” 发0 “ ”
n ( t ) n c ( t ) cc t o n s ( t ) s sc i tn
y(t) [a n cn (tc) (tc )c ] octo s ctn s s (n t) s( s t)s ic n tic n t 发 发 1 0 ” ” “ “
频带 f f f 2 f
21
s
12
6.2.3 2PSK，2DPSK Phase Shift Keying， Differential PSK
e 0
(t
)
[ang(tnsT )]coc st
n
an 11
以概P率 以概1率 P
g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲 在某一码元持续时间Ts 内观察
e0(t) ccoo sctsct
p E (f) 1 4 [p s(ffc) p s(f fc)]
由于 ang(tnTs)为双极性矩形基带 n 信号，故：
pE(f)f s p ( 1 p ) G ( [ f f c ) 2 G ( f f c ) 2 ]
1 4 f s 2 ( 1 2 p ) 2 G ( 0 ) 2 [( f f c ) ( f f c )
列n无关，反映在
e 0
(t
)
上，表现为
1
与
2
改变时，其相位是不连续的。
9
FSK信号常用解调方法有非相干检测法，相干 检测法，鉴频法，过零检测法，差分检波法等
e 0
(t
)
s1(t)co1 ts s2(t)co2 ts
为简明起见，没有考虑相位的影响
p(f) 1 [p(f f) p(f f)]
E
4s1