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數(shù)字通信技術(shù)及應(yīng)用,模塊六 數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸,教學(xué)導(dǎo)航,知識(shí)重點(diǎn) 知識(shí)難點(diǎn) 推薦教學(xué)方式 建議學(xué)時(shí)數(shù) 推薦學(xué)習(xí)方法 必須掌握的理論知識(shí) 必須掌握的技能,1.知識(shí)重點(diǎn),⑴數(shù)字調(diào)制的目的、概念及分類。 ⑵數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)組成。 ⑶2ASK、2FSK、2PSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)原理、波形、頻譜特點(diǎn)。 ⑷二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較。,2.知識(shí)難點(diǎn),⑴ 2ASK、2FSK、2PSK解調(diào)原理、頻譜分析。 ⑵二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較。 ⑶QPSK、MSK、GMSK、QAM、OFDM幾種現(xiàn)代 調(diào)制技術(shù)的特點(diǎn)。,3.推薦教學(xué)方式,⑴通過介紹調(diào)制技術(shù)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用案例，導(dǎo)出數(shù)字調(diào)制的理論知識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。 ⑵對(duì)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，可多用圖片、采用多媒體方式教學(xué)。 ⑶通過實(shí)踐訓(xùn)練，使學(xué)生加深理解數(shù)字信號(hào)調(diào)制解調(diào)的過程。 ⑷通過對(duì)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行案例分析，鞏固理論知識(shí)，將理論與實(shí)際進(jìn)行結(jié)合。,4.建議學(xué)時(shí) ：14學(xué)時(shí),5.推薦學(xué)習(xí)方法,⑴學(xué)習(xí)時(shí)要注意對(duì)比和前后聯(lián)系，區(qū)分各種調(diào)制技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用。 ⑵結(jié)合波形圖、電路框圖等來理解各種調(diào)制技術(shù)。 ⑶理論學(xué)習(xí)要注意結(jié)合給出的案例來理解。 ⑷重視實(shí)踐訓(xùn)練，通過調(diào)制解調(diào)過程中關(guān)鍵信號(hào)的測(cè)試和分析來加強(qiáng)理解。,6.必須掌握的理論知識(shí),⑴數(shù)字調(diào)制的目的、概念及分類。 ⑵數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)組成。 ⑶2ASK、2FSK、2PSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)原理、波形、頻譜特點(diǎn)。 ⑷二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較。,7.必須掌握的技能,⑴會(huì)觀測(cè)2FSK調(diào)制系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)波形，并分析。 ⑵會(huì)觀測(cè)2PSK調(diào)制系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)波形，并分析。,案例導(dǎo)入6 移動(dòng)通信系統(tǒng)中 的調(diào)制技術(shù),在現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，幾乎全部都采用了數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它是實(shí)現(xiàn)高速，高效的移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要保證。 目前應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)主要可分為兩大類：線性調(diào)制技術(shù)和非線性調(diào)制技術(shù)（恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)）。 線性調(diào)制技術(shù)主要有：PSK、QPSK、OQPSK、π/4-QPSK、QAM、16QAM、64QAM、256QAM等。 非線性調(diào)制技術(shù)主要有：MSK、TFM、GMSK。 表6-1 各移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的調(diào)制方式,技術(shù)解讀,6.1 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 6.2 二進(jìn)制幅移鍵控 6.3 二進(jìn)制頻移鍵控 6.4 二進(jìn)制相移鍵控 6.5 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較 6.6 現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù),6.1數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng),為適應(yīng)某種需要（如無(wú)線信道傳輸或多路復(fù)用等），大部分傳輸系統(tǒng)都采用頻帶傳輸。數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制與模擬信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制過程類似，同樣可以用數(shù)字信號(hào)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(shù)字微波系統(tǒng)、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。 由圖可見，原始數(shù)字序列經(jīng)基帶信號(hào)形成器變成適合信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)，然后送到調(diào)制器處理，形成數(shù)字已調(diào)信號(hào)，并送至信道。接收濾波器把疊加有干擾的有用信號(hào)提取出來，并經(jīng)過解調(diào)器恢復(fù)出數(shù)字基帶信號(hào)。 圖6-1 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)方框圖,6.2二進(jìn)制幅移鍵控,幅移鍵控是用數(shù)字信號(hào)控制載波振幅的一種數(shù)字調(diào)制方式。幅移鍵控（Amplitude Shift Keying）簡(jiǎn)記為ASK，二進(jìn)制幅移鍵控常記作2ASK。 2ASK最簡(jiǎn)單的形式是利用代表數(shù)字信息“0”或“1”的矩形脈沖去鍵控一個(gè)連續(xù)的載波，使載波時(shí)斷時(shí)續(xù)地輸出。即有載波輸出時(shí)表示發(fā)送“1”碼，無(wú)載波輸出時(shí)表示發(fā)送“0”碼，這種方法又稱通斷鍵控（OOK）。 6.2.1 2ASK信號(hào)的調(diào)制 1．2ASK信號(hào)的產(chǎn)生,6.2二進(jìn)制幅移鍵控,2．2ASK信號(hào)的波形 3．2ASK信號(hào)的功率譜及帶寬,6.2二進(jìn)制幅移鍵控,6.2.2 2ASK信號(hào)的解調(diào) 1．包絡(luò)解調(diào)法 2．相干解調(diào)法,6.3二進(jìn)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(shù)字信息，即用數(shù)字信息來控制調(diào)頻波的頻率變化。 6.3.1 2FSK信號(hào)的調(diào)制 1．2FSK信號(hào)的產(chǎn)生 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法有兩種，一種是數(shù)字鍵控法，一種是模擬調(diào)制法（直接調(diào)頻法）,6.3二進(jìn)制頻移鍵控,2．2FSK信號(hào)的波形 3．2FSK信號(hào)的頻譜及帶寬 （1）2FSK信號(hào)的頻譜圖 （2）2FSK信號(hào)的帶寬,,6.3二進(jìn)制頻移鍵控,6.3.2 2FSK信號(hào)的解調(diào) ⑴過零檢測(cè)法 ⑵包絡(luò)檢測(cè)法 ⑶同步解調(diào)法,6.4二進(jìn)制相移鍵控,相移鍵控（PSK，Phase Shift Keying）是用數(shù)字信號(hào)控制載波的相位，使載波的相位隨數(shù)字信號(hào)的變化而變化的一種數(shù)字調(diào)制方式。相移鍵控可分為絕對(duì)相移鍵控（PSK）和相對(duì)相移鍵控（DPSK）兩種；根據(jù)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)制的不同又可分為二進(jìn)制相移鍵控和多進(jìn)制相移鍵控。 6.4.1絕對(duì)碼和相對(duì)碼 絕對(duì)碼和相對(duì)碼是相移鍵控的基礎(chǔ)。 絕對(duì)碼是以基帶信號(hào)碼元的電平直接表示數(shù)字信息，如用高電平代表“1”碼，低電平代表“0”碼。 相對(duì)碼（又稱差分碼）是用基帶信號(hào)碼元的電平相對(duì)前一碼元的電平有無(wú)變化來表示數(shù)字信息的。 絕對(duì)碼和相對(duì)碼是可以相互轉(zhuǎn)換的。,6.4二進(jìn)制相移鍵控,6.4.2二進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控（2PSK） 絕對(duì)相移鍵控是利用載波的相位偏移(指某一碼元所對(duì)應(yīng)的已調(diào)波與參考載波的初相差)直接表示數(shù)字信號(hào)的相移方式。 1．2PSK信號(hào)的產(chǎn)生 2PSK信號(hào)的產(chǎn)生可采用相位選擇法，其原理框圖如圖6-16所示。,6.4二進(jìn)制相移鍵控,2．2PSK信號(hào)的波形 3．2PSK信號(hào)的相干解調(diào) 為了克服2PSK存在的相位模糊問題，引入了相對(duì)相移鍵控（DPSK）,6.4二進(jìn)制相移鍵控,6.4.3二進(jìn)制相對(duì)移相鍵控（2DPSK） 相對(duì)相移鍵控是利用前后相鄰碼元的相對(duì)載波相位值來表示數(shù)字信號(hào)的相移方式。 1．2DPSK調(diào)制 2．2DPSK信號(hào)的波形,6.4二進(jìn)制相移鍵控,3．2DPSK解調(diào) （1）相干解調(diào)法（又稱極性比較法） （2）差分相干解調(diào)法（又稱相位比較法） 4．2PSK（2DPSK）信號(hào)的功率譜及帶寬 2PSK信號(hào)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(shí)際應(yīng)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(shù)字通信中。,,6.5二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較,二進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼率與信號(hào)的調(diào)制及解調(diào)方式有關(guān)。無(wú)論采用何種方式，其共同點(diǎn)是當(dāng)輸入信噪比增大時(shí)，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(diǎn)： ⑴在調(diào)制方式相同的情況下，相干解調(diào)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干解調(diào)。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(duì)差別愈不明顯，誤碼率曲線愈靠攏。另外，相干解調(diào)的設(shè)備比非相干的要復(fù)雜。 ⑵相干解調(diào)時(shí)，在相同誤碼率的條件下，對(duì)信噪比r的要求是：2PSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB。在非相干解調(diào)時(shí)，在相同誤碼率的條件下，對(duì)信噪比r的要求是：2DPSK比2FSK小3 dB ，2FSK比2ASK小3 dB。 ⑶2ASK要嚴(yán)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(shè)置，都有很強(qiáng)的抗振幅衰落性能。,6.5二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較,⑷2FSK的調(diào)制指數(shù)h通常大于0.9，此時(shí)，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(shù)字調(diào)制技術(shù),6.6.1正交振幅調(diào)制（QAM） 正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是一種頻帶利用率很高的數(shù)字調(diào)制方式。它是用載波的不同幅度及不同相位來表示數(shù)字信息的。正交振幅調(diào)制是用兩個(gè)獨(dú)立的基帶信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用這種已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。 6.6.2最小頻移鍵控（MSK） 最小頻移鍵控是對(duì)頻移鍵控做某種改進(jìn)，使其相位始終保持連續(xù)變化的一種調(diào)制。 MSK又稱快速頻移鍵控（FFSK），“快速”指的是這種調(diào)制方式對(duì)于給定的頻帶能以比2PSK傳輸更高速的數(shù)據(jù)；而最小頻移鍵控中的“最小”指的是這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)（h=0.5）獲得正交的調(diào)制信號(hào)。MSK調(diào)制方式的突出優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)具有恒定的振幅以及信號(hào)的功率譜在主瓣之外衰減較快。,6.6現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù),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(diào)制器之前，用高斯型低通濾波器對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果恰當(dāng)?shù)剡x擇此濾波器的帶寬，就能使信號(hào)的帶外輻射功率小到可以滿足移動(dòng)通信的要求。 由于成型后的高斯脈沖其包絡(luò)無(wú)陡峭沿，亦無(wú)拐點(diǎn)，因此相位路徑得以進(jìn)一步平滑。GMSK信號(hào)的頻譜特性也優(yōu)于MSK。 6.6.4 QPSK調(diào)制技術(shù) QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的縮略語(yǔ)簡(jiǎn)稱，意為正交相移鍵控。四相相移鍵控信號(hào)簡(jiǎn)稱“QPSK”。它分為絕對(duì)相移和相對(duì)相移兩種。四相制相移鍵控（4PSK）是目前微波和衛(wèi)星數(shù)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(qiáng)的抗干擾性能等優(yōu)點(diǎn)。 PSK 數(shù)字調(diào)制技術(shù)靈活多樣，更適應(yīng)于高速數(shù)據(jù)傳輸和快速衰落的信道。在2G 向3G 演進(jìn)的過程中，它已成為各移動(dòng)通信系統(tǒng)主要的調(diào)制方式。,6.6現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù),6.6.5 OFDM 技術(shù) OFDM的英文全稱為Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含義為正交頻分復(fù)用技術(shù)。OFDM 是一種多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，屬于復(fù)用方式。它是由多載波調(diào)制（MCM）技術(shù)發(fā)展而來，應(yīng)用已有近40 年的歷史。它開始主要用于軍用的無(wú)線高頻通信系統(tǒng)。這種多載波傳輸技術(shù)在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)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(diǎn)，適合高速數(shù)據(jù)傳輸，已被普遍認(rèn)為是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)最熱門的技術(shù)之一。 OFDM 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)載波所使用的調(diào)制方法可以不同。各個(gè)載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào)制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM 等，實(shí)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(jié)6,1．知識(shí)體系,2.知識(shí)要點(diǎn),⑴數(shù)字信號(hào)的傳輸有基帶傳輸和頻帶傳輸兩種方式。未經(jīng)調(diào)制而直接進(jìn)行傳輸?shù)姆绞椒Q為基帶傳輸；包含調(diào)制和解調(diào)裝置的數(shù)字信號(hào)傳輸方式稱為頻帶傳輸。 ⑵數(shù)字調(diào)制與解調(diào)是數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成部分，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過模擬信道傳輸必須調(diào)制。數(shù)字調(diào)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(shù)字基帶信號(hào)去控制載波的幅度變化。2ASK信號(hào)可由乘法器產(chǎn)生，其解調(diào)可采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方法。2ASK信號(hào)的頻譜由載頻分量及上下邊頻分量組成，其帶寬是數(shù)字基帶信號(hào)帶寬的兩倍。振幅鍵控的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、頻帶利用率較高，缺點(diǎn)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(shù)字信號(hào)。2FSK信號(hào)的產(chǎn)生有直接調(diào)頻法和鍵控法，解調(diào)有相干解調(diào)和非相干解調(diào)以及過零點(diǎn)檢測(cè)法等。2FSK信號(hào)頻帶較寬，頻帶利用率比2ASK信號(hào)低，一般用于低速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。頻移鍵控的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是占用頻帶較寬。,,2.知識(shí)要點(diǎn),⑸相移鍵控就是用同一個(gè)載波的不同相位來傳送數(shù)字信號(hào)，分為絕對(duì)相移和相對(duì)相移兩種。2PSK信號(hào)頻譜中沒有載頻分量，帶寬與2ASK相同，為數(shù)字基帶信號(hào)帶寬的兩倍，其解調(diào)只能用相干解調(diào)法。由于絕對(duì)相移存在“相位模糊”問題，所以實(shí)際應(yīng)用以相對(duì)相移為主。2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生，解調(diào)方法，功率譜結(jié)構(gòu)及帶寬與2PSK相同，但輸入輸出信號(hào)都要完成絕對(duì)碼到相對(duì)碼和相對(duì)碼到絕對(duì)碼的轉(zhuǎn)換。2DPSK信號(hào)的解調(diào)還可采用差分相干解調(diào)法。相移鍵控在頻帶利用和抗干擾方面都較完善，因此應(yīng)用較廣泛。 ⑹現(xiàn)代調(diào)制解調(diào)方式有QAM、MSK和GMSK，QPSK等。正交振幅調(diào)制QAM是一種對(duì)載波的振幅和相位同時(shí)進(jìn)行調(diào)制的方式，有4QAM， 16QAM，64QAM等；QPSK是一種多進(jìn)制相移鍵控方式，在微波和衛(wèi)星數(shù)字通信中應(yīng)用較多。MSK是FSK的一種改進(jìn)形式，其突出優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)具有恒定的振幅及信號(hào)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(duì)某些場(chǎng)合對(duì)信號(hào)帶外輻射功率的限制非常嚴(yán)格而提出的一種改進(jìn)型的調(diào)制方式。OFDM是一種多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，屬于復(fù)用方式。,,,,,,,,