中国科学技术大学：《现代通信原理》课程教学资源（课件讲稿）第五章 带通调制与解调

第5章带通调制与解调

第5章 带通调制与解调

本章内容 §5.1二进制数字调制解调 §5.2数字信号的最佳接收 §5.3二进制数字调制解调的误比特率 §5.4多进制数字调制解调 §5.5恒包络调制 §5.6各种数字调制的比较 书中第4章和第9章

本章内容 §5.1 二进制数字调制解调 §5.2 数字信号的最佳接收 §5.3 二进制数字调制解调的误比特率 §5.4 多进制数字调制解调 §5.5 恒包络调制 §5.6 各种数字调制的比较 书中第4章和第9章

>为什么需要载波调制 ·数字基带信号的功率谱从零频开始而且集中在低频段，因此只适合在 低通型信道中传输。但常见的实际信道是带通型的，因此必须用数字 基带信号对载波进行调制，使基带信号的功率谱搬移到较高的载波频 率上；数字调制是将信元转换为适合信道特性的波形的过程。 ·发送/接收天线尺寸(/4④)，其中=f为载波波长。 >数字调制 ·是以基带数字信号直接控制载波的某一参量（幅度、频率或相位)来 实现的，形成振幅键控（ASK)、频率键控（FSK)和相移键控 (PSK)。数字基带信号可以是二进制的，也可以是多进制的，因此 就有二进制数字调制和多进制数字调制。 s(1)=A(t)cos @t+(t)

3  为什么需要载波调制 • 数字基带信号的功率谱从零频开始而且集中在低频段，因此只适合在 低通型信道中传输。但常见的实际信道是带通型的，因此必须用数字 基带信号对载波进行调制，使基带信号的功率谱搬移到较高的载波频 率上；数字调制是将信元转换为适合信道特性的波形的过程。 • 发送/接收天线尺寸(/4)，其中 =c/f 为载波波长。  数字调制 • 是以基带数字信号直接控制载波的某一参量（幅度、频率或相位）来 实现的，形成振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）和相移键控 （PSK）。数字基带信号可以是二进制的，也可以是多进制的，因此 就有二进制数字调制和多进制数字调制。 s t A t t t ( ) ( )cos ( )     0 

5.1二进制数字调制 >5.1.1二进制幅度键控（2ASK) 在幅度键控中载波幅度随调制信号而变化，也就是载波的幅 度随着数字信号1和0在两个电平之间转换。二进制幅度键控 中最简单的形式称为通-断键控（OOK)，即载波在数字信 号1或0的控制下通或断。OOK信号的时域表达式为： Sook(t)=aAcos@t 其中a为二进制信息，可表示为： 1 出现概率为P a,= 10 出现概率为1-P

4 5.1 二进制数字调制  5.1.1 二进制幅度键控（2ASK） 在幅度键控中载波幅度随调制信号而变化，也就是载波的幅 度随着数字信号1和0在两个电平之间转换。二进制幅度键控 中最简单的形式称为通-断键控（OOK），即载波在数字信 号1或0的控制下通或断。OOK信号的时域表达式为： 其中an为二进制信息，可表示为： ( ) cos OOK n c S t a A t    1 0 1 n P a P      出现概率为 出现概率为

>其典型波形为： s(t) 载波信号M个1个个1个MM ask.m :VVVVVVVVVV 2ASK信号M个个 个ΛhΛ个 !VVV VVVVVV >一般情况下，调制信号是具有一定波形形状的二进制脉冲序列，可表示 为： B(t)=∑angt-nI,) 其中T为调制信号间隔，g()为单个脉冲信号的时间波形，因此，二进制 幅度键控的一般时域表达式为： 5-a.-w)cwol 5

5  其典型波形为：  一般情况下，调制信号是具有一定波形形状的二进制脉冲序列，可表示 为： 其中Ts为调制信号间隔，g(t)为单个脉冲信号的时间波形，因此，二进制 幅度键控的一般时域表达式为： 0 t t t s(t) 载波信号 2ASK信号 1 1 1 ( ) ( ) n s n B t a g t nT    ( ) ( ) cos ASK n s c n S t a g t nT t           ask.m

>假设二进制序列的功率谱密度为Po)，则二进制幅度键控 信号的功率谱密度为P4Sx(o),，有： G(f) Psx(o)=4[P.(o+a.)+P(@-a,】 或 f P)B+)+Rf-f】 个P(① 推导得 -fs fs P0=s(+g,+saW-Jz}+66f+)+U-】 PASK(f) -fc-fs -fc -fc+fs fc-fs fcfc+fs

6  假设二进制序列的功率谱密度为 PB (ω) ，则二进制幅度键控 信号的功率谱密度为 PASK(ω) ，有： 或 推导得   1 ( ) ( ) ( ) 4 P P P ASK B c B c          fs f PB(f) -fs 0 -fc f PASK(f) -fc-fs -fc+fs 0 fc-fs fc fc+fs   1 ( ) ( ) ( ) 4 P f P f f P f f ASK B c B c         2 2 1 ( ) ( ( ) ( ( ) ( ) ( ) 16 16 s ASK a c s a c s c c T P f S f f T S f f T f f f f             fs f G(f) 0 -fs

>因此它是一个双边带信号。由此式可以看出，幅度键控信号 的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移，其频谱宽度是二进 制基带信号的两倍。 >2ASK的调制器框图如下图所示 基带信号 B() SASK (1) 带通 形成器 滤波器 载波Acos@t (1) 带通 滤波器 B()

7  因此它是一个双边带信号。由此式可以看出，幅度键控信号 的功率谱是基带信号功率谱的线性搬移，其频谱宽度是二进 制基带信号的两倍。  2ASK的调制器框图如下图所示 基带信号 形成器 带通 滤波器 载波 A t c cos an B(t) S (t) ASK B(t) 带通 滤波器 S (t) ASK

>2ASK信号的解调有两种方式：包络检波和相干解调。其解 调器框图为： 输入 带通 包络 输出 滤波器 检波器 抽样判决 (a)包络检波 定时脉冲 输入 带通 低通 输出 滤波器 滤波器 抽样判决 cosw t 定时脉冲 (b)相干解调 如果接收机利用了载波相位来 在数字通信中，解调和检测常互 检测信号，称为相干检测；否 用；解调侧重于波形的恢复，检 则，称为非相干检测； 测侧重于码元的判决。 8

8  2ASK信号的解调有两种方式：包络检波和相干解调。其解 调器框图为： （a）包络检波 （b）相干解调 带通 滤波器 包络 检波器 抽样判决 定时脉冲 输入 输出 带通 滤波器 低通 滤波器 抽样判决 定时脉冲 输入 输出 t c cos 如果接收机利用了载波相位来 检测信号，称为相干检测；否 则，称为非相干检测； 在数字通信中，解调和检测常互 用；解调侧重于波形的恢复，检 测侧重于码元的判决

5.1.2二进制频移键控（2FSK) >频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在二进制 情况下，“1”对应于载波频率￡，“0”对应于载波频率E,因 此2FSK信号的时域表达式为： -nwet .t)com 其中an是an的反码。 出现概率为P a-8 出现概率为P 出现概率为1-P 出现概率为1-P 9

9 5.1.2 二进制频移键控（2FSK）  频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在二进制 情况下， “1”对应于载波频率f 1， “0”对应于载波频率f 2，因 此2FSK信号的时域表达式为： 其中 是an的反码。 2 1 2 ( ) ( ) cos ( ) cos FSK n s n s n n S t a g t nT t a g t nT t                     n a 1 0 1 n P a P      出现概率为 出现概率为 0 1 1 n P a P      出现概率为 出现概率为

>其典型波形为： Ts (a) 八A fsk.m 从图中我们可以看出，二 进制频移键控信号可以看 Ts A 成是两个不同载频的ASK 信号之和，2FSK信号还可 (b) 以表示为： _S(t)=Acos2πfi S2x={S,(0=Acos2πfL (c) f

10  其典型波形为： 1 0 0 1 Ts A -A 1 f 2 f 2 f 1 f t (a) 1 0 0 1 T s A -A 1 f 1 f t (b) 1 0 0 1 Ts A -A 2 f 2 f t (c) 从图中我们可以看出，二 进制频移键控信号可以看 成是两个不同载频的ASK 信号之和，2FSK信号还可 以表示为： 1 1 2 2 2 ( ) cos 2 ( ) cos 2 FSK S t A f t S S t A f t         fsk.m