中職中專-數(shù)字通信技術(shù)電子.ppt

第五章,數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸,教學(xué)重點(diǎn),1理解典型數(shù)字調(diào)制信號(hào)的波形與特點(diǎn)，能畫出這些信號(hào)的波形。,2理解頻分多路復(fù)用原理。,3理解調(diào)制解調(diào)器的功能、類型，基本原理框圖。,4了解各種數(shù)字調(diào)制方式中調(diào)制和解調(diào)的方法。,5了解數(shù)字通信中的同步技術(shù)。,掌握典型數(shù)字調(diào)制信號(hào)的波形與特點(diǎn)；調(diào)制解調(diào)器。,學(xué)時(shí)分配,教學(xué)難點(diǎn),第五章 數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸,5.1 概述,5.2 振幅鍵控調(diào)制（ASK）,5.3 移頻鍵控調(diào)制（FSK）,5.4 移相鍵控調(diào)制（PSK）,5.5 常用改進(jìn)型數(shù)字調(diào)制技術(shù),5.6 同步技術(shù)概念,5.1 概述,一、頻帶傳輸系統(tǒng)組成,二、數(shù)字調(diào)制的三種基本形式,有線信道中數(shù)字信號(hào)一般利用基帶傳輸，而在無線信道中數(shù)字信號(hào)則是采用頻帶傳輸?shù)摹?一、頻帶傳輸系統(tǒng)組成,頻帶傳輸系統(tǒng)圖5.1所示，工作過程如下：,原始數(shù)字序列經(jīng)基帶信號(hào)形成器后變換成適合于傳輸?shù)幕鶐盘?hào)。然后送到鍵控器來控制射頻載波的振幅、頻率或相位，形成數(shù)字調(diào)制信號(hào)后送至信道。在信道中傳輸?shù)倪€有各種干擾。接收濾波器把淹沒在干擾和噪聲中的有用信號(hào)提取出來，并經(jīng)過相應(yīng)的解調(diào)器，還原出數(shù)字基帶信號(hào)(t)。,圖 5.1 頻帶傳輸系統(tǒng)的組成方框圖,頻帶傳輸系統(tǒng)的性能和質(zhì)量，主要通過誤碼率和頻帶利用率來表示。,1數(shù)字信號(hào)調(diào)制：用數(shù)字信號(hào)去控制高頻載波的振幅、頻率和相位，使高頻載波的振幅、頻率和相位隨數(shù)字信號(hào)而變化，稱為數(shù)字信號(hào)調(diào)制。數(shù)字信號(hào)對(duì)高頻載波的調(diào)制與模擬信號(hào)對(duì)高頻載波的調(diào)制相似。,二、數(shù)字調(diào)制的三種基本形式,2數(shù)字鍵控：數(shù)字信號(hào)是離散的，其對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，的過程相似于對(duì)高頻載波信號(hào)進(jìn)行開關(guān)控制的工作狀態(tài)，所以數(shù)字調(diào)制又稱為數(shù)字鍵控。,數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的振幅調(diào)制稱為振幅鍵控(ASK)，對(duì)載波頻的率調(diào)制稱為頻移鍵控(FSK)，對(duì)載波的相位調(diào)制稱為相移鍵控(PSK)。,若數(shù)字信號(hào)S(t)是二進(jìn)制的，則ASK、FSK、PSK實(shí)現(xiàn)原理框圖及鍵控信號(hào)的輸出波形如圖5.2所示。,圖 5.2 2ASK、2FSK、2PSK調(diào)制方框圖及輸出波形,5.2 振幅鍵控調(diào)制（ASK）,一、振幅鍵控信號(hào)的產(chǎn)生,二、振幅鍵控信號(hào)的解調(diào),一、振幅鍵控信號(hào)的產(chǎn)生,振幅鍵控信號(hào)輸出波形特點(diǎn)是：當(dāng)數(shù)字信號(hào)為“1”時(shí)，高頻載波有輸出；當(dāng)數(shù)字信號(hào)為“0”時(shí)，高頻載波沒有輸出。,振幅鍵控調(diào)制的實(shí)現(xiàn)可由數(shù)字信號(hào)與載波信號(hào)相乘來得到，其原理框圖如圖5.3所示：,圖 5.3 振幅調(diào)制的一般模型,上圖中，COSct 為高頻載波信號(hào)， S(t)為數(shù)字基帶信號(hào)，載波信號(hào)與基帶信號(hào)在乘法器中相乘，乘法器輸出為：,m(t)= S(t)COSct,當(dāng)S(t)為“0”時(shí)，乘法器輸出為0；當(dāng)S(t)為“1”時(shí)，乘法輸出COSct 的高頻載波信號(hào)?？傻贸觯?當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)S(t)含有直流分量時(shí)，S(t)可看成是由直流分量E和交流分量S(t)疊加而成，即S(t) = E + S(t)，則m(t)可分解成：,2ASK的實(shí)質(zhì)是由二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)去控制一個(gè)連續(xù)的載波振蕩信號(hào)，使載波振蕩信號(hào)時(shí)斷時(shí)續(xù)。,m(t) = S(t)COSct = E + S(t) COSct = ECOSct + S(t) COSct,ECOSct為高頻載波分量， S(t)COSct為上、下邊頻分量。,可見：當(dāng)數(shù)字調(diào)制信號(hào)含有直流時(shí)，振幅鍵控調(diào)制（ASK）信號(hào)是一個(gè)普通調(diào)幅信號(hào)。當(dāng)數(shù)字信號(hào)中不含有直流分量E時(shí)，則此時(shí)的已調(diào)信號(hào)為抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號(hào)(DSB)。,圖5.3中的帶通濾波器用來選取所需的頻率分量，以得到符合傳輸要求的振幅鍵控信號(hào)SASK。,當(dāng)帶通濾波器只取出已調(diào)信號(hào)的兩個(gè)邊頻分量時(shí)，輸出信號(hào)為抑制掉載波的雙邊帶調(diào)幅信號(hào)(DSB)；當(dāng)只取出一個(gè)邊頻分量而將載波和另一個(gè)邊頻分量濾除掉時(shí)，輸出信號(hào)為單邊帶信號(hào)(SSB)。,二、振幅鍵控信號(hào)的解調(diào),振幅鍵控信號(hào)的解調(diào)方法分成包絡(luò)解調(diào)和相干解調(diào)（同步解調(diào)）二種。,對(duì)于一般的調(diào)幅波信號(hào)（即含有載波分量的調(diào)幅信號(hào)），解調(diào)既可以用包絡(luò)檢波，也可以相干檢波。但對(duì)于抑制掉載波的雙邊帶調(diào)幅信號(hào)和單邊帶調(diào)幅信號(hào)，由于它們的振幅包絡(luò)不反映原來的調(diào)制信號(hào)，因而解調(diào)不能用包絡(luò)檢波而必須用相干檢波。,適應(yīng)范圍:,1包絡(luò)解調(diào)器,圖5.4 2ASK信號(hào)的包絡(luò)解調(diào),包絡(luò)解調(diào)法的原理方框圖如圖5.4所示。,包絡(luò)解調(diào)法的原理:,帶通濾波器恰好使2ASK信號(hào)完整地通過，經(jīng)包絡(luò)檢測(cè)后，輸出其包絡(luò)。低通濾波器的作用是濾除高頻雜波，使基帶包絡(luò)信號(hào)通過。,抽樣判決器包括抽樣、判決及碼元形成，有時(shí)又稱譯碼器。定時(shí)抽樣脈沖是很窄的脈沖，通常位于每個(gè)碼元的中央位置，其重復(fù)周期等于碼元的寬度。,帶通濾波器輸出為2ASK信號(hào)，即m(t) = S(t)COSct，包絡(luò)檢波器輸出為S(t)，經(jīng)抽樣、判決后將碼元再生，即可恢復(fù)出數(shù)字序列。,2相干解調(diào)器,相干解調(diào)原理方框圖如圖5.5所示。,圖5.5 2ASK信號(hào)的相干解調(diào),基帶信號(hào)（上式第一項(xiàng)）與載波成分（上式第二項(xiàng)）之間頻譜相差很遠(yuǎn)。經(jīng)低通濾波后，即可輸出S(t)2信號(hào)。,相干解調(diào)就是同步解調(diào)，同步解調(diào)時(shí)，接收機(jī)要產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)送載波同頻同相的本地載波信號(hào)，稱其為同步載波或相干載波，利用此載波與收到的已調(diào)波m(t) = S(t)COSct相乘，相乘器輸出為,Z(t) = m(t)COSct = S(t)COS2ct = S(t)1 + COS2ct =S(t) + S(t) COS2ct,5.3 移頻鍵控調(diào)制（FSK）,一、FSK信號(hào)的產(chǎn)生,二、FSK信號(hào)的解調(diào),移頻鍵控調(diào)制是用數(shù)字信號(hào)來控制高頻載波頻率的變化，調(diào)制后的載波信號(hào)頻率代表了要傳送的數(shù)字信號(hào)。,2FSK波形特點(diǎn)：數(shù)字信號(hào)的“1”對(duì)應(yīng)于高頻載波f1，數(shù)字信號(hào)的“0”對(duì)應(yīng)于高頻載波f2，用二個(gè)高頻載波來代表二個(gè)數(shù)字信號(hào)，而且頻率f1和f2之間的改變是瞬間完成。,一、 FSK信號(hào)的產(chǎn)生,1.直接調(diào)頻法 圖5.6給出了直接調(diào)頻法產(chǎn)生2FSK信號(hào)的電路原理圖。,圖5.6 直接調(diào)頻法產(chǎn)生2FSK信號(hào),直接調(diào)頻法簡單易行，但頻率穩(wěn)定度差，因而實(shí)際應(yīng)用范圍不廣。,隨著所要傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)取值不同，振蕩器的振蕩頻率相應(yīng)改變，從而達(dá)到了對(duì)高頻載波鍵控的目的。,從圖中可見用數(shù)字基帶信號(hào)控制電容C1是否接入LC振蕩回路，從而改變振蕩器的輸出頻率。,直接調(diào)頻法簡單易行，但頻率穩(wěn)定度差，因而實(shí)際應(yīng)用范圍不廣。,隨著所要傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)取值不同，振蕩器的振蕩頻率相應(yīng)改變，從而達(dá)到了對(duì)高頻載波鍵控的目的。,2.頻率鍵控法,頻率鍵控又稱為頻率轉(zhuǎn)換法，它是用數(shù)字信號(hào)去控制電子開關(guān)門電路，使電子開關(guān)在二個(gè)獨(dú)立的振蕩器之間轉(zhuǎn)換，從而在輸出端得到不同頻率的已調(diào)信號(hào)，其原理框圖和各點(diǎn)波形如圖5.7所示。,圖5.7 頻率鍵控法原理框圖及其波形,圖中選通門I和選通門II均為電子開關(guān)，用于控制振蕩信號(hào)f1和f2是否到達(dá)加法器。兩個(gè)電子開關(guān)均受控于輸入信號(hào)S(t)。由于選通門II的前方接有反相器，因而對(duì)于同一碼元而言，它們的工作狀態(tài)剛好相反。,f1和f2兩個(gè)信號(hào)經(jīng)加法器輸出，便形成了頻移鍵控信號(hào)SFSK，有關(guān)各點(diǎn)的波形如圖5.7(b)所示。,在這種方法中，產(chǎn)生的f1和f2兩個(gè)振蕩信號(hào)要與碼元參數(shù)有固定的關(guān)系，輸出的2FSK信號(hào)的相位才會(huì)是連續(xù)的。,頻移鍵控法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，波形好，頻率穩(wěn)定度高，電路不甚復(fù)雜，故得到廣泛應(yīng)用。,二、FSK信號(hào)的解調(diào),數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)方法主要有相干解調(diào)和非相干解調(diào)。,過零檢測(cè)法的基本思想是：數(shù)字調(diào)頻波的過零點(diǎn)數(shù)隨高頻載波的變化而變化。高頻載波頻率高，過零點(diǎn)數(shù)目多；高頻載波頻率低，過零點(diǎn)數(shù)目少。從檢測(cè)過零點(diǎn)的數(shù)目，就可以得到頻率的差異，從而還原出數(shù)字信號(hào)，所以過零檢測(cè)法又稱為計(jì)數(shù)法。,1.過零檢測(cè)法,過零檢測(cè)法的原理方框圖及各點(diǎn)波形如圖5.8所示。,圖5.8 過零檢測(cè)法方框圖及各點(diǎn)波形圖,設(shè)輸入是一個(gè)相位連續(xù)的FSK信號(hào)a，經(jīng)放大限幅得到一個(gè)矩形方波b，微分電路得到雙向微分脈沖c，經(jīng)全波整流得到單向尖脈沖d。單向尖脈沖的密集程度反映了輸入信號(hào)的頻率高低，尖脈沖的個(gè)數(shù)就是信號(hào)過零點(diǎn)的數(shù)目。,單向脈沖觸發(fā)一個(gè)脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生一串幅度為E、寬度為的矩形歸零脈沖e。脈沖串e的直流分量代表著信號(hào)的頻率，脈沖越密，直流分量越大，反映著輸入信號(hào)的頻率越高。經(jīng)低通濾波器就可得到脈沖串e的直流分量f ，這樣就完成了頻率幅度變換，再根據(jù)直流分量幅度上的區(qū)別還原出數(shù)字信號(hào)“1”和“0”。,原理分析：,2.包絡(luò)檢測(cè)法 包絡(luò)檢測(cè)法是FSK信號(hào)非相干解調(diào)方法， 其方框圖和各點(diǎn)波形如圖5.9(a)(b)所示。,圖5.9（a） 2FSK信號(hào)包絡(luò)檢波方框圖,圖5.9(b) 2FSK信號(hào)包絡(luò)檢波波形圖,框圖中用二個(gè)窄帶的帶通濾波器分別濾出代表數(shù)字信號(hào)的高頻載波f1和f2，經(jīng)過包絡(luò)檢波器后分別取出它們的包絡(luò)。把兩路輸出同時(shí)送到取樣判決器進(jìn)行比較，從而判決出基帶數(shù)字信號(hào)。,設(shè)頻率f1代表數(shù)字信號(hào)“1”，f2代表數(shù)字信號(hào)“0”，則抽樣判決器的判決準(zhǔn)則應(yīng)為：,1 2 即 1 2 0，判為1 1 2 即 1 2 0，判為0,式中，1、2分別為抽樣時(shí)刻兩個(gè)包絡(luò)檢波器的輸出值。這里的抽樣判決器，要比較1、2的大小，或者說把差值1 2與零電平比較。,5.4 移相鍵控調(diào)制（PSK）,一、基本概念,二、相對(duì)調(diào)相（DPSK）信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),1移相鍵控調(diào)制：用高頻載波二種相位的變化來代表“0”“1”數(shù)字信號(hào)的變化。,一、基本概念,2絕對(duì)調(diào)相（PSK）：是利用高頻載波二種不同的相位去代表“0”“1”兩種不同狀態(tài)的數(shù)字信號(hào)，是以一個(gè)固定參考相位的載波為基準(zhǔn)的。如用=0代表“0”碼，=代表“1”碼。如圖5.10(b)所示。,移相鍵控調(diào)制根據(jù)相位變化的參考對(duì)象不同，可以分成絕對(duì)調(diào)相（PSK）和相對(duì)調(diào)相（DPSK）。,3相對(duì)調(diào)相（DPSK） :是利用高頻載波相位的相對(duì)變化來代表“0”“1”兩種不同狀態(tài)的數(shù)字信號(hào)，載波相位變化的參考點(diǎn)是前一個(gè)碼元，即如果絕對(duì)碼出現(xiàn)“1”，DPSK的相位改變；出現(xiàn)“0”時(shí)載波相位不變。如圖5.10(d)所示。,PSK是以一個(gè)固定參考相位的載波為基準(zhǔn)的。解調(diào)時(shí)存在反向工作的情況； 在DPSK系統(tǒng)中，解調(diào)時(shí)不存在反向工作而造成接收相位模糊的問題。實(shí)際工程中大多采用DPSK方式。,絕對(duì)調(diào)相（PSK）與相對(duì)調(diào)相（DPSK）的比較 ：,圖5.10 二進(jìn)制絕對(duì)移相和相對(duì)相移,二、相對(duì)調(diào)相（DPSK）信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào),復(fù)習(xí)：絕對(duì)碼和相對(duì)碼的相互轉(zhuǎn)換。,絕對(duì)碼為an、相對(duì)碼為bn，編碼輸出bn與輸入an的關(guān)系可以用一個(gè)方程表示： bn = bn-1 + an,解碼方程為： an = bn-1 + fan,在解調(diào)時(shí)，相對(duì)調(diào)相信號(hào)(DPSK)經(jīng)過絕對(duì)調(diào)相解調(diào)器，得到相對(duì)碼(bn)，再經(jīng)碼型變換器，得到絕對(duì)碼(an)，即基帶數(shù)字信號(hào)S(t)。如圖5.11所示。,要得到相對(duì)調(diào)相(DPSK)信號(hào)，只要把數(shù)字信號(hào)（絕對(duì)碼an ）變換成相對(duì)碼(bn)，然后再對(duì)相對(duì)碼進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相（PSK）。,圖5.11 相對(duì)調(diào)相(DPSK)信號(hào)產(chǎn)生示意圖,直接調(diào)相法產(chǎn)生相對(duì)調(diào)相信號(hào)原理圖及波形圖如圖5.12所示。,(1)直接調(diào)相法,二進(jìn)制絕對(duì)調(diào)相信號(hào)的產(chǎn)生方法有兩種：直接調(diào)相法和相位選擇法 。,1.絕對(duì)調(diào)相（PSK）信號(hào)的產(chǎn)生,圖5.12 直接調(diào)相法產(chǎn)生2PSK信號(hào),圖中S(t)為雙極性數(shù)字基帶信號(hào)。假設(shè)S(t)正電平代表“0”，負(fù)電平時(shí)代表“1”。若原始數(shù)字信號(hào)是單極性碼，則必須先進(jìn)行極性變換再與載波相乘。,工作過程：,當(dāng)圖中A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位時(shí)，S(t)代表“0”，二極管V1、V3導(dǎo)通，V2、V4截止，載波經(jīng)變壓器正向輸出e(t)= COSct。,A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位時(shí)， S(t)代表“1”，二極管V2、V4導(dǎo)通，V1、V3截止，載波經(jīng)變壓器反向輸出，e(t)=COSct = COS(ct )，即絕對(duì)移相 。,相位選擇法的原理框圖如圖5.13所示。,(2)相位選擇法,相位選擇法基本原理就是用數(shù)字基帶信號(hào)S(t)控制門電路，選擇不同相位的載波輸出（此時(shí)的S(t)通常是單極性的）。,圖5.13 相位選擇法產(chǎn)生2PSK信號(hào),S(t) = 1時(shí)，門2通，門1閉，輸出e(t)= COSct 。,S(t) = 0時(shí)，門1通，門2閉，輸出e(t)= COSct；,2. DPSK信號(hào)的解調(diào),DPSK信號(hào)的解調(diào)，最方便的方法是將前后碼元對(duì)應(yīng)載波的相位進(jìn)行比較。該方法稱之為相位比較法或差分檢波法。,相位比較法的原理方框圖和波形圖如圖5.14所示。,圖5.14(a) 相位比較法原理框圖,圖5.14(b) 相位比較法波形圖,圖指輸入相對(duì)調(diào)相信號(hào)，利用延遲電路將前一碼元延遲一個(gè)碼元時(shí)間Ts作為參考相位（如圖所示），并與后一碼元相乘（鑒相）（產(chǎn)生如圖所示波形）。,圖所示波形經(jīng)低通積分，當(dāng)前后碼元相位相同時(shí)，輸出正極性積分脈沖，當(dāng)前后碼元相位相反時(shí)，則輸出負(fù)脈沖（如圖所示）。定時(shí)脈沖如圖所示，在低通積分輸出最大處進(jìn)行判決（如圖）。,假設(shè)發(fā)送端用前后碼元載波相位差為0表示數(shù)字信號(hào)“0”，用前后碼元載波相位差為表示數(shù)字信號(hào)“1”，那么將解調(diào)輸出的正極性脈沖判為發(fā)送“0”，而將負(fù)極性脈沖判為發(fā)送“1”，經(jīng)過碼元形成電路，便可恢復(fù)原二進(jìn)制碼（圖）數(shù)字信號(hào)，該碼就是原來的絕對(duì)碼。,5.5 常用改進(jìn)型數(shù)字調(diào)制技術(shù),一、正交振幅調(diào)制（QAM）,二、多相移相鍵控調(diào)制（MPSK）,三、最小移頻鍵控調(diào)制MSK與GMSK,四、調(diào)制解調(diào)器（MODEM）,五、 非對(duì)稱數(shù)字用戶專線（ADSL）,一、正交振幅調(diào)制（QAM）,目前在數(shù)字通信系統(tǒng)中使用了若干改進(jìn)型數(shù)字調(diào)制方式來提高頻率利用率和提高可靠性，如多進(jìn)制鍵控(MASK、MFSK、MPSK)、正交振幅調(diào)制(QAM)、高斯濾波最小移頻鍵控調(diào)制(GMSK)等。,正交振幅調(diào)制(QAM)是用兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形對(duì)兩個(gè)相互正交的載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用已調(diào)信號(hào)在相同帶寬內(nèi)的頻譜正交來實(shí)現(xiàn)兩路數(shù)字信息的傳輸。,正交振幅調(diào)制(QAM)的信道頻帶利用率同單邊帶一樣，因而主要用于高速數(shù)字通信系統(tǒng)中。,正交振幅調(diào)制系統(tǒng)的組成如圖5.15所示。,圖5.15 QAM系統(tǒng)方框圖,S(t) = S1(t) COSct + S2(t) Sinct,假設(shè)接收端所產(chǎn)生的相干載波與發(fā)送端完全相同，那么兩個(gè)解調(diào)器的輸出分別為：,m1(t) = S1(t) COSct + S2(t) Sinct COSct = S1(t) + S1(t) COS2ct + S2(t) Sin2ct m2(t) = S1(t) COSct + S2(t) Sinct Sinct = S2(t) + S1(t) Sin2ct S2(t) COS2ct ,S1(t)和S2(t)是兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形，COSct和Sinct是兩個(gè)相互正交的載波。這樣，發(fā)端形成的正交振幅調(diào)制信號(hào)為：,從而實(shí)現(xiàn)了波形無失真地傳輸。,在QAM系統(tǒng)中，對(duì)信道傳輸函數(shù)的對(duì)稱性和接收端相干載波的相位誤差必須有嚴(yán)格要求，否則在接收端恢復(fù)的基帶波形中將出現(xiàn)鄰道干擾和正交干擾。,經(jīng)過低通濾波器濾除二倍載波份量后，上下兩路的基帶波形分別為 ：,二、多相移相鍵控調(diào)制（MPSK）,利用高頻載波多種狀態(tài)（幅度、頻率或相位）來表示要傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，分別稱為多電平振幅鍵控調(diào)制(MASK)，多頻率移頻鍵控調(diào)制(MFSK)，多相移相鍵控調(diào)制(MPSK)。,由于MASK、MFSK占據(jù)了較寬的頻帶，信道利用率低，抗噪聲性能低，一般不被采用，經(jīng)常被采用的是多相移相鍵控調(diào)制(MPSK)，它是微波和衛(wèi)星數(shù)字通信中最常用的一種數(shù)字調(diào)制方式。,多相移相鍵控調(diào)制是通過多種不同相位來表示所要傳送的數(shù)字信號(hào) 。,多相制相位狀態(tài)有A、B兩種方式，圖5.16所示向量圖表示了2相、4相，8相數(shù)字調(diào)制方式。,1基本概念,圖5.16 多相調(diào)制向量圖,2相、4相、8相相位狀態(tài)的A、B兩種方式，分別為：,2PSK,A方式：,B方式：,4PSK,A方式：,A方式：,B方式：,B方式：,8PSK,2四相移相鍵控（QPSK）,四相移相鍵控?cái)?shù)字調(diào)制的英文縮寫是4PSK，因?yàn)樗梢杂梢粋€(gè)載波經(jīng)正交調(diào)制而得到，又稱它為正交移相鍵控（QPSK）。,四種相位分別是：,四相調(diào)制的相位與二位二進(jìn)制信號(hào)相對(duì)應(yīng)，所以它的傳輸速率是比較快的。,常用的信息碼相位變化圖和時(shí)間波形如圖5.17所示。,圖5.17 QPSK移相鍵控信號(hào)的相位及波形圖,多相移相鍵控信號(hào)的載波相位有多個(gè)值，可表示為,式中，mn(t)為非歸零n電平的對(duì)稱基帶信號(hào)，例如1，2，3，；=2/n為相鄰信號(hào)的相位間隔。 設(shè),則有,式中,在信號(hào)持續(xù)期間，均為常數(shù)。COS0t與Sin0t相差，故相互正交。并稱余弦項(xiàng)為同相信號(hào)（I信號(hào)），正弦項(xiàng)為正交信號(hào)（Q信號(hào)），分別記作I和Q。,可見：四相調(diào)相可以看作是兩個(gè)正交的二相調(diào)相的合成。,圖5.18給出產(chǎn)生移相鍵控信號(hào)的原理框圖。,圖5.18 產(chǎn)生移相鍵控調(diào)制的方框圖,經(jīng)載波提取電路得到高頻載波信號(hào)COS0t，經(jīng)過乘法器，I信道輸出yI(t)可表示為,四相移相鍵控信號(hào)的解調(diào)框圖如圖5.19所示。,圖5.19 4相移相鍵控解調(diào)框圖,Q信道的輸出yQ(t)：,這兩個(gè)分量的信號(hào)經(jīng)過取樣判決及并/串變換后輸出。,I信道和Q信道的輸出經(jīng)過低通濾波器濾除高頻成分，分別解出原始調(diào)制信號(hào)的同相分量 和 。,四相鍵控和二相鍵控一樣，也存在相位模糊問題，為了防止輸出信號(hào)的不確定性，實(shí)際通信中采用四相相對(duì)調(diào)相(4DPSK)。,把圖5.18所示的4PSK調(diào)制變成4DPSK調(diào)制，在圖所示的串/并變換電路之后，需再加碼型變換器（差分編碼器），把絕對(duì)碼變換成相對(duì)碼，然后再進(jìn)行4PSK調(diào)制，就可得到4DPSK調(diào)制。,4DPSK解調(diào)器同樣需要在并/串變換電路前加碼型變換器，把相對(duì)碼變成絕對(duì)碼。,三、最小移頻鍵控調(diào)制MSK與GMSK,(1)最小頻移鍵控(MSK)信號(hào),最小頻移鍵控是頻移鍵控(FSK)的一種改進(jìn)形式。MSK信號(hào)的一般表達(dá)式為：,1最小頻移鍵控（MSK）,( i1)T tiT i =1,2,3,式中，ct為載波角頻度，其頻率為fc =c/2 ；T為碼元的時(shí)間寬度； 為碼元的幅值，其值為1； 為相位常數(shù)，在碼元寬度T內(nèi)保持不變。,當(dāng) =+1時(shí)， MSK信號(hào)的頻率為：f1 = fc + T 當(dāng) =1時(shí)，MSK信號(hào)的頻率為：f2 = fc T,這說明了MSK信號(hào)確實(shí)具有FSK的屬性，即已調(diào)信號(hào)SMSK的頻率值隨數(shù)字信號(hào)的取值 而變。,根據(jù)調(diào)頻指數(shù)Mf的定義：Mf = ( f1f2 )T 。顯然，MSK的調(diào)頻指數(shù)Mf = 0.5。由于MSK的調(diào)頻指數(shù)比一般FSK的調(diào)頻指數(shù)?。ㄒ话愕腇SK通常都在0.5以上），所以稱這種頻移鍵控方式為最小頻移鍵控。,( i1)T t iT,MSK信號(hào)隨碼元變化的相位函數(shù)為：,在每個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)，MSK信號(hào)的相位必須準(zhǔn)確地增加或減小 。,為了滿足碼元轉(zhuǎn)換時(shí)MSK信號(hào)的相位連續(xù)，即對(duì)應(yīng)于第i個(gè)碼元MSK信號(hào)的起始相位，等于第(i1)個(gè)碼元MSK信號(hào)的終止相位，所以要求相位常數(shù)的取值必須滿足下式：,例 假設(shè)t = 0，初相 = 0，若輸入數(shù)字序列為：+111 + 1 + 1+ 11+ 1，則其相位函數(shù)(t)和相位常數(shù)如圖(5.20)所示。,圖5.20 MSK信號(hào)的相位變化路徑,MSK信號(hào)的另一種表達(dá)式形式如下：,MSK信號(hào)的產(chǎn)生過程 ：,（1）最小移頻鍵控（MSK）調(diào)制和解調(diào)器,式中，,上式表明MSK信號(hào)可看作是由兩個(gè)彼此正交的數(shù)據(jù)信道所組成。,等號(hào)后面的第一項(xiàng)是同相信道，即I信道，cosct是載波， 為余弦符號(hào)加權(quán)函數(shù)，Ik是由輸入數(shù)據(jù)決定的同相分量等效數(shù)據(jù)。類似地，上式等號(hào)后面的第二項(xiàng)為正交信道，即Q信道，四sinct是正交載波， 是正弦符號(hào)加權(quán)函數(shù)，Qk是由輸入數(shù)據(jù)決定的正交分量等效數(shù)據(jù)。根據(jù)以上分析，畫出MSK調(diào)制器的框圖如圖5.21所示，各處波形如圖5.22所示。,圖5.21 MSK調(diào)制器方框圖,圖5.22 MSK信號(hào)的波形圖,MSK信號(hào)的本質(zhì)是數(shù)字調(diào)頻波，所以它可以利用鑒頻器來解調(diào)，但更常用的是相關(guān)解調(diào)，如圖5.23所示。,圖5.23 MSK信號(hào)解調(diào)器,圖5.23所示電路利用相關(guān)載波提取電路從MSK信號(hào)中提取出I、Q通道的兩個(gè)正交載波 和 ，然后分別與MSK信號(hào)相乘，分別得到 、 ，取樣判決后變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)差分譯碼（相對(duì)碼絕對(duì)碼）通過并串變換電路，把I、Q信號(hào)合成一路解調(diào)后的基帶數(shù)字信號(hào)輸出。,2高斯濾波最小移頻鍵控（GMSK）,GMSK:在信號(hào)調(diào)制之前，采用高斯濾波器進(jìn)行濾波處理，將基帶信號(hào)變成高斯脈沖，再進(jìn)行最小移頻鍵控，就是所謂的GSMK。,(1)GMSK,GMSK具有較小的帶外輻射的特點(diǎn)，因而在現(xiàn)代移動(dòng)通信中得到了廣泛的應(yīng)用。,GMSK調(diào)制器框圖如圖5.24所示。,圖5.24 GMSK調(diào)制器方框圖,圖中LPF為高斯低通濾波器，數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過高斯低通濾波器后的波形如圖5.25所示，從圖中可見，經(jīng)過高斯低通濾波器后，數(shù)字信號(hào)的高頻分量得到了抑制，比較圓滑的數(shù)字信號(hào)送入MSK調(diào)制器，得到GMSK信號(hào)輸出。,圖5.25 數(shù)字信號(hào)通過高斯低通濾波器后的波形,GMSK信號(hào)的頻譜如圖5.26所示,從圖中可見，與MSK信號(hào)的頻譜相比，GMSK信號(hào)的邊頻分量小，帶寬窄，功率集中。所以發(fā)射機(jī)中沒有必要再使調(diào)制器的輸出通過帶通濾波器，接收機(jī)中在同樣接收帶寬的條件下，能夠通過的功率也較大。,圖5.26 GMSK的頻譜,GMSK的調(diào)制最簡單的方法是輸入序列經(jīng)高斯濾波器后，直接對(duì)調(diào)頻器進(jìn)行調(diào)頻（如圖5.24所示）。但中心頻率易改變， 故通常采用鎖相環(huán)調(diào)制器，如圖5.27所示。,(2)GMSK的調(diào)制與解調(diào),圖5.27 鎖相環(huán)GMSK調(diào)制器,鎖相環(huán)GMSK調(diào)制器由/2相移的二相移相鍵控（BPSK）調(diào)制器后面接一個(gè)鎖相環(huán)組成，其中/2相移的BPSK是保證每個(gè)碼元相位變化為/2，而鎖相環(huán)對(duì)BPSK的相位突跳進(jìn)行平滑，使得在碼元轉(zhuǎn)換點(diǎn)處相位連續(xù)，沒有尖角。因此，最重要的是正確選擇鎖相環(huán)的傳輸函數(shù)，滿足輸出功率譜特性要求。,現(xiàn)有的電話線路主要用于傳送模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)所能處理的是數(shù)字信號(hào)。 由計(jì)算機(jī)送出的數(shù)字信號(hào)直接送到電話線路傳送，勢(shì)必產(chǎn)生大量的誤碼，致使數(shù)據(jù)通信無法進(jìn)行。,四、調(diào)制解調(diào)器（MODEM）,1調(diào)制解調(diào)器的作用,把以數(shù)字形式表示的信息變換成適合電話網(wǎng)傳輸?shù)哪M信號(hào)（即前邊介紹的載波傳輸技術(shù)），這一變換稱之為調(diào)制。接收時(shí)把收到的模擬信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)成原始的數(shù)字信號(hào)。實(shí)現(xiàn)這一變換與反變換的設(shè)備稱之為調(diào)制解調(diào)器(MODEM)，如圖5.28所示。,問題：,解決方法：,圖5.28 數(shù)據(jù)信號(hào)在電話信道上的傳輸,圖中DTE為數(shù)據(jù)終端設(shè)備，例如上網(wǎng)用的計(jì)算機(jī)。調(diào)制解調(diào)器（MODEM）是電話網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸不可缺少的設(shè)備，是數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸應(yīng)用的一種實(shí)例，當(dāng)然它的載波頻率應(yīng)該是在音頻信號(hào)范圍內(nèi)。,(1)高速與低速,2調(diào)制解調(diào)器的類型,按傳輸速率分類，則可分成： 低速(600bit/s)、中速(1200、4800、5600bit/s)、高速(9600、14400、19200bit/s)、寬帶(19200bit/s),(2)同步與異步,按同步方式分類，則速率在1200 bit/s以下的調(diào)制解調(diào)器均為異步式或起止式，內(nèi)部沒有時(shí)鐘，而是在每一個(gè)字符前后加上起、停位來控制同步。運(yùn)行速率在2400 bit/s以上的均為同步方式，允許數(shù)據(jù)或字符無間隔地傳輸。,(3)內(nèi)置與外置,內(nèi)置即插在計(jì)算機(jī)里邊，內(nèi)置無獨(dú)立電源，通過ISA接口與電腦相連，安裝時(shí)要打開機(jī)箱。外置即可放在計(jì)算機(jī)外邊，即插即用，具有獨(dú)立電源，裝拆比較方便 。可按需要選用。,MODEM的常用調(diào)制方式有FSK、PSK、QAM、4PSK等。FSK、PSK用于低速調(diào)制解調(diào)器，QAM、4PSK用于高速調(diào)制解調(diào)器。,(4)調(diào)制方式,圖5.29展示出了半雙工同步調(diào)解器的調(diào)制-解調(diào)過程。,3調(diào)制解調(diào)器工作過程框圖,圖5.29 調(diào)制解調(diào)器工作過程框圖,工作步驟：,1. 發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)加擾后，變成偽隨機(jī)碼，防止當(dāng)輸入是長連“0”或長連“1”時(shí)，因長時(shí)間不出現(xiàn)零交點(diǎn)，位時(shí)鐘出現(xiàn)漂移，從而使定時(shí)誤差過大，引起失步。,2. 進(jìn)行編碼，變成合適的數(shù)字波形。,3. 進(jìn)入數(shù)字濾波器和調(diào)制器，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的調(diào)制，把數(shù)字信號(hào)變成模擬信號(hào)。,4. 經(jīng)選擇器選入相應(yīng)的信道濾波器，目的是進(jìn)行發(fā)送信道的均衡，使信號(hào)在傳輸時(shí)所引起的失真小一些。,工作步驟：,5. 經(jīng)混合線圈42線轉(zhuǎn)換后輸入線路。,由線路上來的接收數(shù)據(jù)，經(jīng)自動(dòng)增益控制器調(diào)整電平及數(shù)字解調(diào)，或經(jīng)均衡器后解碼、解擾，整個(gè)電路的同步信號(hào)由發(fā)送定時(shí)脈沖鎖相環(huán)進(jìn)入微調(diào)，并設(shè)有定時(shí)脈沖恢復(fù)電路和載波恢復(fù)電路，來保證調(diào)解器的正常工作。,五、非對(duì)稱數(shù)字用戶專線（ADSL）,如果采用了調(diào)制解調(diào)器(moden)上網(wǎng)，它占用的頻帶和電話相同，因此打電話時(shí)不能上網(wǎng)，或上網(wǎng)時(shí)不能打電話 。同時(shí)modem上網(wǎng)的速率太慢只有56kbit/s。 所以目前在各大城市中的上網(wǎng)方式大多選用非對(duì)稱數(shù)字用戶專線(ADSL)，上下行速率是非對(duì)稱的，即上下行速率不相等，下載的速率遠(yuǎn)大于上傳的速率，故稱為是非對(duì)稱數(shù)字用戶專線。符合上網(wǎng)時(shí)，瀏覽信息多于上傳信息的實(shí)際要求。傳統(tǒng)的電話線使用了0kHz4kHz的低頻段進(jìn)行語音傳送，而電話線理論上有接近2MHz的帶寬，為了充分利用2MHz的帶寬，當(dāng)在電話線端放置了ADSL調(diào)制解調(diào)器的時(shí)候，在電話線上便產(chǎn)生了三個(gè)信息通道：,1.速率為 1.5Mbit/s9 Mbit/s的高速下行通道，用于用戶下載信息； 2.速率為16 kbit/s1 Mbit/s的中速雙工通道，用于用戶傳輸上行信息； 3.傳統(tǒng)的電話服務(wù)通道，用于普通電話服務(wù)。 ADSL的頻譜分割如圖5.30所示。,圖5.30 ADSL的頻譜分割,這三個(gè)通道可以同時(shí)工作，這意味著你可以在下載文件的同時(shí)在網(wǎng)上觀賞你點(diǎn)播的大片，并且通過電話和你的朋友對(duì)大片進(jìn)行一番評(píng)論。,ADSL靠什么實(shí)現(xiàn)這一切呢？它采用了高級(jí)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和新的算法壓縮數(shù)據(jù)，為了在電話線上分隔有效帶寬，產(chǎn)生多路信道，ADSL調(diào)制解調(diào)器一般采用兩種方法實(shí)現(xiàn)，頻分多路復(fù)用 (FDM) 和回波消除(Echo Cancellation)技術(shù)。FDM在現(xiàn)有帶寬中分配一段頻帶作為數(shù)據(jù)下行通道，同時(shí)分配另一段頻帶作為數(shù)據(jù)上行通道。下行通道通過時(shí)分多路復(fù)用(TDM)技術(shù)再分為多個(gè)高速信道和低速信道。同樣，上行通道也由多路低速信道組成。而回波消除技術(shù)則使上行頻帶與下行頻帶疊加，通過本地回波抵消來區(qū)分兩頻帶。它非常有效的使用了有限的帶寬。,頻分多路復(fù)用 (FDM)主要采用了2種線路調(diào)制技術(shù)，分別稱為抑制載波幅度和相位調(diào)制(CAP)，離散多音復(fù)用調(diào)制 (DMT)。其中CAP的基礎(chǔ)是正交幅度調(diào)制(QAM)，在CAP中，數(shù)據(jù)被調(diào)制到單一載波之上；而在DMT中，數(shù)據(jù)被調(diào)制到多個(gè)載波之上，每個(gè)載波上的數(shù)據(jù)使用QAM進(jìn)行調(diào)制。DMT使用04kbit/s頻帶傳輸電話音