模塊六數字信號的頻帶傳輸.ppt

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數字通信技術及應用,模塊六 數字信號的頻帶傳輸,教學導航,知識重點 知識難點 推薦教學方式 建議學時數 推薦學習方法 必須掌握的理論知識 必須掌握的技能,1.知識重點,⑴數字調制的目的、概念及分類。 ⑵數字頻帶傳輸系統(tǒng)組成。 ⑶2ASK、2FSK、2PSK信號的調制解調原理、波形、頻譜特點。 ⑷二進制數字調制系統(tǒng)的性能比較。,2.知識難點,⑴ 2ASK、2FSK、2PSK解調原理、頻譜分析。 ⑵二進制數字調制系統(tǒng)的性能比較。 ⑶QPSK、MSK、GMSK、QAM、OFDM幾種現(xiàn)代 調制技術的特點。,3.推薦教學方式,⑴通過介紹調制技術在移動通信系統(tǒng)中的應用案例，導出數字調制的理論知識，激發(fā)學生學習興趣。 ⑵對調制技術進行分析時，可多用圖片、采用多媒體方式教學。 ⑶通過實踐訓練，使學生加深理解數字信號調制解調的過程。 ⑷通過對調制解調器進行案例分析，鞏固理論知識，將理論與實際進行結合。,4.建議學時 ：14學時,5.推薦學習方法,⑴學習時要注意對比和前后聯(lián)系，區(qū)分各種調制技術的特點及應用。 ⑵結合波形圖、電路框圖等來理解各種調制技術。 ⑶理論學習要注意結合給出的案例來理解。 ⑷重視實踐訓練，通過調制解調過程中關鍵信號的測試和分析來加強理解。,6.必須掌握的理論知識,⑴數字調制的目的、概念及分類。 ⑵數字頻帶傳輸系統(tǒng)組成。 ⑶2ASK、2FSK、2PSK信號的調制解調原理、波形、頻譜特點。 ⑷二進制數字調制系統(tǒng)的性能比較。,7.必須掌握的技能,⑴會觀測2FSK調制系統(tǒng)關鍵點波形，并分析。 ⑵會觀測2PSK調制系統(tǒng)關鍵點波形，并分析。,案例導入6 移動通信系統(tǒng)中 的調制技術,在現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中，幾乎全部都采用了數字調制技術，它是實現(xiàn)高速，高效的移動通信系統(tǒng)的重要保證。 目前應用于移動通信系統(tǒng)的調制技術主要可分為兩大類：線性調制技術和非線性調制技術（恒包絡調制技術）。 線性調制技術主要有：PSK、QPSK、OQPSK、π/4-QPSK、QAM、16QAM、64QAM、256QAM等。 非線性調制技術主要有：MSK、TFM、GMSK。 表6-1 各移動通信系統(tǒng)采用的調制方式,技術解讀,6.1 數字頻帶傳輸系統(tǒng) 6.2 二進制幅移鍵控 6.3 二進制頻移鍵控 6.4 二進制相移鍵控 6.5 二進制數字調制系統(tǒng)的性能比較 6.6 現(xiàn)代數字調制技術,6.1數字頻帶傳輸系統(tǒng),為適應某種需要（如無線信道傳輸或多路復用等），大部分傳輸系統(tǒng)都采用頻帶傳輸。數字信號對載波的調制與模擬信號對載波的調制過程類似，同樣可以用數字信號去控制正弦載波的振幅，頻率或相位的變化。典型的頻帶傳輸系統(tǒng)有數字微波系統(tǒng)、數字光纖通信系統(tǒng)。 由圖可見，原始數字序列經基帶信號形成器變成適合信道傳輸的基帶信號，然后送到調制器處理，形成數字已調信號，并送至信道。接收濾波器把疊加有干擾的有用信號提取出來，并經過解調器恢復出數字基帶信號。 圖6-1 數字頻帶傳輸系統(tǒng)方框圖,6.2二進制幅移鍵控,幅移鍵控是用數字信號控制載波振幅的一種數字調制方式。幅移鍵控（Amplitude Shift Keying）簡記為ASK，二進制幅移鍵控常記作2ASK。 2ASK最簡單的形式是利用代表數字信息“0”或“1”的矩形脈沖去鍵控一個連續(xù)的載波，使載波時斷時續(xù)地輸出。即有載波輸出時表示發(fā)送“1”碼，無載波輸出時表示發(fā)送“0”碼，這種方法又稱通斷鍵控（OOK）。 6.2.1 2ASK信號的調制 1．2ASK信號的產生,6.2二進制幅移鍵控,2．2ASK信號的波形 3．2ASK信號的功率譜及帶寬,6.2二進制幅移鍵控,6.2.2 2ASK信號的解調 1．包絡解調法 2．相干解調法,6.3二進制頻移鍵控,頻移鍵控（Freguency Shift Keying）是利用載波的頻率變化來傳送數字信息，即用數字信息來控制調頻波的頻率變化。 6.3.1 2FSK信號的調制 1．2FSK信號的產生 2FSK信號的產生方法有兩種，一種是數字鍵控法，一種是模擬調制法（直接調頻法）,6.3二進制頻移鍵控,2．2FSK信號的波形 3．2FSK信號的頻譜及帶寬 （1）2FSK信號的頻譜圖 （2）2FSK信號的帶寬,,6.3二進制頻移鍵控,6.3.2 2FSK信號的解調 ⑴過零檢測法 ⑵包絡檢測法 ⑶同步解調法,6.4二進制相移鍵控,相移鍵控（PSK，Phase Shift Keying）是用數字信號控制載波的相位，使載波的相位隨數字信號的變化而變化的一種數字調制方式。相移鍵控可分為絕對相移鍵控（PSK）和相對相移鍵控（DPSK）兩種；根據數字基帶信號進制的不同又可分為二進制相移鍵控和多進制相移鍵控。 6.4.1絕對碼和相對碼 絕對碼和相對碼是相移鍵控的基礎。 絕對碼是以基帶信號碼元的電平直接表示數字信息，如用高電平代表“1”碼，低電平代表“0”碼。 相對碼（又稱差分碼）是用基帶信號碼元的電平相對前一碼元的電平有無變化來表示數字信息的。 絕對碼和相對碼是可以相互轉換的。,6.4二進制相移鍵控,6.4.2二進制絕對相移鍵控（2PSK） 絕對相移鍵控是利用載波的相位偏移(指某一碼元所對應的已調波與參考載波的初相差)直接表示數字信號的相移方式。 1．2PSK信號的產生 2PSK信號的產生可采用相位選擇法，其原理框圖如圖6-16所示。,6.4二進制相移鍵控,2．2PSK信號的波形 3．2PSK信號的相干解調 為了克服2PSK存在的相位模糊問題，引入了相對相移鍵控（DPSK）,6.4二進制相移鍵控,6.4.3二進制相對移相鍵控（2DPSK） 相對相移鍵控是利用前后相鄰碼元的相對載波相位值來表示數字信號的相移方式。 1．2DPSK調制 2．2DPSK信號的波形,6.4二進制相移鍵控,3．2DPSK解調 （1）相干解調法（又稱極性比較法） （2）差分相干解調法（又稱相位比較法） 4．2PSK（2DPSK）信號的功率譜及帶寬 2PSK信號的帶寬 ： 5．2PSK與2DPSK系統(tǒng)的性能比較 2DPSK系統(tǒng)的抗噪性能不及2PSK系統(tǒng)，2PSK系統(tǒng)存在“相位模糊”問題，而2DPSK不存在這一問題。因此，實際應用中，由于DPSK在抗噪聲性能及頻帶利用率方面比FSK好，故被廣泛用于數字通信中。,,6.5二進制數字調制系統(tǒng)的性能比較,二進制數字傳輸系統(tǒng)的誤碼率與信號的調制及解調方式有關。無論采用何種方式，其共同點是當輸入信噪比增大時，系統(tǒng)的誤碼率就降低；反之，誤碼率就增大。由此可得出以下幾點： ⑴在調制方式相同的情況下，相干解調的抗噪聲性能優(yōu)于非相干解調。但是，隨著信噪比r的增大，相干與非相干的誤碼性能的相對差別愈不明顯，誤碼率曲線愈靠攏。另外，相干解調的設備比非相干的要復雜。 ⑵相干解調時，在相同誤碼率的條件下，對信噪比r的要求是：2PSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB。在非相干解調時，在相同誤碼率的條件下，對信噪比r的要求是：2DPSK比2FSK小3 dB ，2FSK比2ASK小3 dB。 ⑶2ASK要嚴格工作在最佳判決門限電平較困難，其抗振幅衰落的性能差。2FSK、2PSK、2DPSK最佳判決門限電平為0，容易設置，都有很強的抗振幅衰落性能。,6.5二進制數字調制系統(tǒng)的性能比較,⑷2FSK的調制指數h通常大于0.9，此時，在相同傳碼率的條件下，2FSK的傳輸帶寬比2PSK、2DPSK、2ASK的寬，即2FSK的頻帶利用率低。,6.6現(xiàn)代數字調制技術,6.6.1正交振幅調制（QAM） 正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是一種頻帶利用率很高的數字調制方式。它是用載波的不同幅度及不同相位來表示數字信息的。正交振幅調制是用兩個獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調制，利用這種已調信號在同一帶寬內頻譜正交的性質來實現(xiàn)兩路并行的數字信息傳輸。 6.6.2最小頻移鍵控（MSK） 最小頻移鍵控是對頻移鍵控做某種改進，使其相位始終保持連續(xù)變化的一種調制。 MSK又稱快速頻移鍵控（FFSK），“快速”指的是這種調制方式對于給定的頻帶能以比2PSK傳輸更高速的數據；而最小頻移鍵控中的“最小”指的是這種調制方式能以最小的調制指數（h=0.5）獲得正交的調制信號。MSK調制方式的突出優(yōu)點是信號具有恒定的振幅以及信號的功率譜在主瓣之外衰減較快。,6.6現(xiàn)代數字調制技術,6.6.3高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK） 高斯濾波的MSK就是在MSK調制器之前，用高斯型低通濾波器對輸入數據進行處理，如果恰當地選擇此濾波器的帶寬，就能使信號的帶外輻射功率小到可以滿足移動通信的要求。 由于成型后的高斯脈沖其包絡無陡峭沿，亦無拐點，因此相位路徑得以進一步平滑。GMSK信號的頻譜特性也優(yōu)于MSK。 6.6.4 QPSK調制技術 QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的縮略語簡稱，意為正交相移鍵控。四相相移鍵控信號簡稱“QPSK”。它分為絕對相移和相對相移兩種。四相制相移鍵控（4PSK）是目前微波和衛(wèi)星數字通信中最常用的一種載波傳輸方式，它具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性能等優(yōu)點。 PSK 數字調制技術靈活多樣，更適應于高速數據傳輸和快速衰落的信道。在2G 向3G 演進的過程中，它已成為各移動通信系統(tǒng)主要的調制方式。,6.6現(xiàn)代數字調制技術,6.6.5 OFDM 技術 OFDM的英文全稱為Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含義為正交頻分復用技術。OFDM 是一種多載波數字通信調制技術，屬于復用方式。它是由多載波調制（MCM）技術發(fā)展而來，應用已有近40 年的歷史。它開始主要用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)。這種多載波傳輸技術在無線數據傳輸方面的應用是近十年來的新發(fā)展。由于其具有頻譜利用率高、抗噪性能好等特點，適合高速數據傳輸，已被普遍認為是第四代移動通信系統(tǒng)最熱門的技術之一。 OFDM 的另一個優(yōu)點在于每個載波所使用的調制方法可以不同。各個載波能夠根據信道狀況的不同選擇不同的調制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM 等，實現(xiàn)頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。,模塊小結6,1．知識體系,2.知識要點,⑴數字信號的傳輸有基帶傳輸和頻帶傳輸兩種方式。未經調制而直接進行傳輸的方式稱為基帶傳輸；包含調制和解調裝置的數字信號傳輸方式稱為頻帶傳輸。 ⑵數字調制與解調是數字通信系統(tǒng)的基本組成部分，數字信號經過模擬信道傳輸必須調制。數字調制有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）三種基本方式。 ⑶振幅鍵控就是用數字基帶信號去控制載波的幅度變化。2ASK信號可由乘法器產生，其解調可采用相干解調和非相干解調兩種方法。2ASK信號的頻譜由載頻分量及上下邊頻分量組成，其帶寬是數字基帶信號帶寬的兩倍。振幅鍵控的優(yōu)點是設備簡單、頻帶利用率較高，缺點是抗噪聲性能差。 ⑷頻移鍵控就是利用不同頻率的載波來傳送數字信號。2FSK信號的產生有直接調頻法和鍵控法，解調有相干解調和非相干解調以及過零點檢測法等。2FSK信號頻帶較寬，頻帶利用率比2ASK信號低，一般用于低速數據傳輸系統(tǒng)。頻移鍵控的優(yōu)點是抗干擾能力強，缺點是占用頻帶較寬。,,2.知識要點,⑸相移鍵控就是用同一個載波的不同相位來傳送數字信號，分為絕對相移和相對相移兩種。2PSK信號頻譜中沒有載頻分量，帶寬與2ASK相同，為數字基帶信號帶寬的兩倍，其解調只能用相干解調法。由于絕對相移存在“相位模糊”問題，所以實際應用以相對相移為主。2DPSK信號的產生，解調方法，功率譜結構及帶寬與2PSK相同，但輸入輸出信號都要完成絕對碼到相對碼和相對碼到絕對碼的轉換。2DPSK信號的解調還可采用差分相干解調法。相移鍵控在頻帶利用和抗干擾方面都較完善，因此應用較廣泛。 ⑹現(xiàn)代調制解調方式有QAM、MSK和GMSK，QPSK等。正交振幅調制QAM是一種對載波的振幅和相位同時進行調制的方式，有4QAM， 16QAM，64QAM等；QPSK是一種多進制相移鍵控方式，在微波和衛(wèi)星數字通信中應用較多。MSK是FSK的一種改進形式，其突出優(yōu)點是信號具有恒定的振幅及信號的功率譜在主瓣以外衰減較快。高斯最小移頻鍵控GMSK是針對某些場合對信號帶外輻射功率的限制非常嚴格而提出的一種改進型的調制方式。OFDM是一種多載波數字通信調制技術，屬于復用方式。,,,,,,,,