2001 Copyright SCUT DT&P Labs 1
数字通信原理
（ 8）
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 2
第十章 数字信号的载波传输
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 3
10.0 概述
1,调制的目的：使数字信号适合在带通信道中传输；
2,模拟调制与数字调制的异同相同点,a,实现信号的频谱搬移和变换；
b,载波为正弦信号；
c,可采用调幅、调频和调相等方式。
区别,a,通常受控参数变化离散化；
b,可同时调制多于一个的参数，如相位与幅度。
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 4
10.1 二进制数字调制
1,二进制幅度键控（ 2ASK）
调制器工作原理已调信号：
若,g(t)为单极性脉冲,SASK(t)为含载波分量双边带信号；
g(t)为双极性脉冲,SASK(t)为不含载波分量双边带信号；
带通滤波X
n SnB nTtgatS )()(
tc?cos
)(tSASK
载波信号 已调信号
tnTtgatS cn SnA S K?c o s)()(
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 5
10.1 二进制数字调制
OOK( On-Off Keying )键控方式用二进制序列 g(t)作为开关控制量：
,0”? 开关断，不发送载波；
“1”? 开关通，发送载波。 1 0 1 1 0 1
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 6
10.1 二进制数字调制
2ASK信号的功率谱若基带信号与功率谱有如下的对应关系：
则：
2ASK信号的频带利用率若原基带信号的带宽为 B
则 2ASK信号的带宽为 2B,即频带利用率下降为原来的 1/2。
)()()(?Bn SnB nTtgatS
)()( 22?A S KA S K tS
)()(41)(2 cBcBA S K
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 7
10.1 二进制数字调制
2ASK信号的解调
（ 1）包络检波：适用与 OOK信号或普通 AM调制信号的解调特点：简单、易于实现。
1 0 1 1 0 1
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 8
10.1 二进制数字调制
2ASK信号的解调普通 AM调制信号的解调
1 0 1 1 0 1
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 9
2ASK信号的解调 10.1 二进制数字调制
（ 2）相干解调 适合于包括抑制载波传输在内的各种情况。
特点：因需在本地恢复载波，实现较复杂；
一般有较高的信噪比。
1 0 1 1 0 1
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 10
10.1 二进制数字调制
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK）
调制器工作原理
a.键控法键控 FSK的输出相位一般不连续。
b.直接法直接法可保证输出的相位连续。
+
W1
W2
n SnB nTtgatS )()(
)(2 tS FSK
压控振荡器
n SnB nTtgatS )()(
)(2 tS FSK
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 11
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK） 10.1 二进制数字调制
2FSK信号
2FSK信号的功率谱计算由上式,2FSK信号可看作两 2ASK信号之和，功率谱可分别计算在合成。
1 0 1 1 0 1
tnTtgatnTtgatS cn Sncn SnA S K 21 c o s)(c o s)()(
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 12
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK） 10.1 二进制数字调制
2FSK信号的带宽由二进制 2FSK信号的表达式，带宽近似为，
其中 B为基带信号带宽。
一般 2FSK信号的频带利用率低于 2ASK。
f
2
f
1
B
122 ffBf
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 13
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK） 10.1 二进制数字调制
2FSK信号的解调
a.非相干解调通常有信号的带通滤波器检出的信号值远大于无信号带通滤波器检出的信号值。
W
1
带通滤波器
W
2
带通滤波器包络检波器包络检波器抽样判决器输入输出抽样脉冲
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 14
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK） 10.1 二进制数字调制
2FSK信号的解调
b.鉴频法利用 FM模拟信号解调的原理解调 2FSK信号。
f
0
f
1
f
2
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 15
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK） 10.1 二进制数字调制
2FSK信号的解调
c.相干解调相干解调输出通常有较好的输出信噪比，但须在本地恢复载波信号，一般较复杂。
W
1
带通滤波器
W
2
带通滤波器低通滤波器低通滤波器抽样判决器输入输出抽样脉冲相乘器相乘器
C O S ( W
1
t )
C O S ( W
2
t )
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 16
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK） 10.1 二进制数字调制
2FSK信号的解调
d.过零检测法解调限幅 整流 单稳a 微分 低通b c d e f
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 17
10 10 0 0
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 18
10.1 二进制数字调制
（ 3）二进制移相键控（ 2PSK/BPSK）
调制器工作原理
a.相乘法双极性非归零脉冲序列
b.相位选择法单极性非归零脉冲序列选择电路倒相
X
n SnB nTtgatS )()( )(2 tS PSK
tc?cos
tc?cos
)(2 tS PSK
n SnB nTtgatS )()(
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 19
（ 3）二进制移相键控（ 2PSK/BPSK） 10.1 二进制数字调制
2PSK信号波形
2PSK信号表达式与双极性非归零脉冲调制的 2ASK信号相同。
2PSK信号的 功率谱计算,频带利用率 与 2ASK信号相同。
1 0 1 1 0 1
tnTtgatS cn SnA S K?c o s)()(
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 20
（ 3）二进制移相键控（ 2PSK/BPSK） 10.1 二进制数字调制
2PSK信号的解调
2PSK信号依赖相位状态表示二进制信息，解调时一般要有相位比较的基准,载波信号 。
载波信号恢复,2PSK实际上为抑制载波的 2ASK信号，本身不含载波成分，所以必须用非线性的方法恢复载波。
载波信号恢复的平方环法带通滤波器平方环路滤波器压控振荡器除2X
锁相环（P L L ）
输入
2 P S K 信号输出载波信号
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 21
载波信号恢复的平方环法 10.1 二进制数字调制带通滤波器,滤除通带外其它可能存在信号的干扰。
带通滤波器输出：
平方运算输出,
假定 an取值为 +1或 -1,g(t)为宽度为一个码元的矩形脉冲。
压控振荡器输出,
乘法器输出,
tnTtgatS cn SnP S K?c o s)()(2
22co s)( tAtu cV C O?
tttnTtgatu cccn Sn 2c o s121c o sc o s)()( 222
2s in24s in
2
1
22s in
2
)()()(
tt
AK
tutuKtu
cc
p
V C Opp
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 22
载波信号恢复的平方环法 10.1 二进制数字调制环路滤波器输出,
鉴相特性：
在斜率为正的区间，
在斜率为负的区间，
2s i n21)( AKKtu pLd
0
pi- p i
- p i / 2 p i / 2
调节信号频率使鉴相器输出 V C Ou d
调节信号频率使鉴相器输出 V C Ou d
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 23
载波信号恢复的平方环法 10.1 二进制数字调制图中过零点均为平衡点，其中绿色点为稳定平衡点；
红色点为非稳定平衡点。
锁相环（ PLL） 系统最后会稳定在稳定点平衡点：
0,?,2?,3?,…
对应稳定点 0,2?,4?,…,VCO分频后输出,cos(wct)
对应稳定点?,3?,5? …,VCO分频后输出,- cos(wct)
即存在 180o的 相位模糊 问题，
相位模糊 可能 导致解调后输出的,0”,1” 状态点倒换。
解决相位模糊导致输出状态的不确定性的方法：
基带信号采用差分编码技术 。
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 24
10.1 二进制数字调制
4.二进制差分相移键控（ 2DPSK）
2DPSK信号的产生,
2DPSK信号的解调,
例：
信号相对码绝对码 调制 D P S Ka P S Knbabn nnn 2b 21
nbbanP S K aD P S K nnn 绝对码相对码信号 解调 1b2 2
1 1 1 10 0 0 0
原信息序列解调后差分序列解调后倒相的差分序列解调后的原信息序列
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 25
4.二进制差分相移键控（ 2DPSK） 10.1 二进制数字调制
2DPSK信号的差分相干解调特点：无须恢复载波信号，相对简单。
延迟 TS
带通 X
2DPSK
低通 抽样判决 解调输出位定时
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 26
0 1 1 0 1 0
1 1 0 1 0
接收信号延时信号乘法器输出信号低通输出信号
4.二进制差分相移键控（ 2DPSK） 10.1 二进制数字调制
2DPSK信号的差分相干解调
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 27
10.2 数字信号的最佳接收最佳的不同涵义,
（ 1）使信号的波形失真最小；
（ 2）是判决时刻的信噪比最大。
1,匹配滤波器匹配滤波器,使判决时刻信噪比达到最大的滤波器称之；
设输入信号：
其中 为信号,为高斯白噪声。
高斯白噪声的双边功率谱密度为：
设滤波器的传递函数为,H(w)
冲激响应为,h(t)
)()()( tntStx
)(tS )(tn
2)(
0nf
n
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 28
1,匹配滤波器 10.2 数字信号的最佳接收滤波器输出中的 信号部分,
输出 噪声功率,
在 t＝ T 时刻，输出信噪比：
问题：求 H(f),使 SNR达到最大。
dfefHfSthtSty ftjS?2)()()()()(
dffHfdffN nn 20 ()()(0
dffHf
dfefHfS
N
Ty
S N R
n
fTj
S
2
2
2
0
2
)()(
)()()(?
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 29
1,匹配滤波器 10.2 数字信号的最佳接收许瓦磁不等式一般地，若 X(f),Y(f)为复变函数，有仅当 （ k为任意整数），时，等式成立。
利用许瓦磁不等式，令
dffYdffXdffYfX 22
2
)()()()(
)()( fkXfY
fTj
n
effSfX?2)( )()( )()()( fHffY n
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 30
df
f
fS
dffHf
dffHfdf
f
fS
dffHf
dffHfe
f
fS
S N R
n
n
n
n
n
n
fTj
n
)(
)(
)()(
)()(
)(
)(
)()(
)()(
)(
)(
2
2
2
2
2
2
2?
1,匹配滤波器 10.2 数字信号的最佳接收由许氏定理，仅当时，等式成立,SNR达到最大。
fTj
n
effSkfH?2)( )()(?
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 31
1,匹配滤波器 10.2 数字信号的最佳接收匹配滤波器的,匹配,有如下的涵义：
a,|H(f)|正比与 |S(f)|,在信号频率分量较小的区域，滤波器的幅频特性也较小，因此有较好的抑制噪声的作用；
b,在各频率成分上，滤波器可对信号分量的相位进行调整，使信号分量在 t＝ T时达到最大；
c,若噪声功率密度谱是非均匀分布的，滤波器的幅频特性与此噪声功率密度谱成反比，有利于抑制噪声。
对 白噪声,
相应地：
2)(
0nf
n
fTjfTj efSke
n
fSkfH 22
0
)(2 )()(
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 32
数字通信原理
（ 8）
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 2
第十章 数字信号的载波传输
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 3
10.0 概述
1,调制的目的：使数字信号适合在带通信道中传输；
2,模拟调制与数字调制的异同相同点,a,实现信号的频谱搬移和变换；
b,载波为正弦信号；
c,可采用调幅、调频和调相等方式。
区别,a,通常受控参数变化离散化；
b,可同时调制多于一个的参数，如相位与幅度。
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 4
10.1 二进制数字调制
1,二进制幅度键控（ 2ASK）
调制器工作原理已调信号：
若,g(t)为单极性脉冲,SASK(t)为含载波分量双边带信号；
g(t)为双极性脉冲,SASK(t)为不含载波分量双边带信号；
带通滤波X
n SnB nTtgatS )()(
tc?cos
)(tSASK
载波信号 已调信号
tnTtgatS cn SnA S K?c o s)()(
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 5
10.1 二进制数字调制
OOK( On-Off Keying )键控方式用二进制序列 g(t)作为开关控制量：
,0”? 开关断，不发送载波；
“1”? 开关通，发送载波。 1 0 1 1 0 1
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 6
10.1 二进制数字调制
2ASK信号的功率谱若基带信号与功率谱有如下的对应关系：
则：
2ASK信号的频带利用率若原基带信号的带宽为 B
则 2ASK信号的带宽为 2B,即频带利用率下降为原来的 1/2。
)()()(?Bn SnB nTtgatS
)()( 22?A S KA S K tS
)()(41)(2 cBcBA S K
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 7
10.1 二进制数字调制
2ASK信号的解调
（ 1）包络检波：适用与 OOK信号或普通 AM调制信号的解调特点：简单、易于实现。
1 0 1 1 0 1
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 8
10.1 二进制数字调制
2ASK信号的解调普通 AM调制信号的解调
1 0 1 1 0 1
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 9
2ASK信号的解调 10.1 二进制数字调制
（ 2）相干解调 适合于包括抑制载波传输在内的各种情况。
特点：因需在本地恢复载波，实现较复杂；
一般有较高的信噪比。
1 0 1 1 0 1
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 10
10.1 二进制数字调制
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK）
调制器工作原理
a.键控法键控 FSK的输出相位一般不连续。
b.直接法直接法可保证输出的相位连续。
+
W1
W2
n SnB nTtgatS )()(
)(2 tS FSK
压控振荡器
n SnB nTtgatS )()(
)(2 tS FSK
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 11
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK） 10.1 二进制数字调制
2FSK信号
2FSK信号的功率谱计算由上式,2FSK信号可看作两 2ASK信号之和，功率谱可分别计算在合成。
1 0 1 1 0 1
tnTtgatnTtgatS cn Sncn SnA S K 21 c o s)(c o s)()(
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 12
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK） 10.1 二进制数字调制
2FSK信号的带宽由二进制 2FSK信号的表达式，带宽近似为，
其中 B为基带信号带宽。
一般 2FSK信号的频带利用率低于 2ASK。
f
2
f
1
B
122 ffBf
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 13
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK） 10.1 二进制数字调制
2FSK信号的解调
a.非相干解调通常有信号的带通滤波器检出的信号值远大于无信号带通滤波器检出的信号值。
W
1
带通滤波器
W
2
带通滤波器包络检波器包络检波器抽样判决器输入输出抽样脉冲
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 14
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK） 10.1 二进制数字调制
2FSK信号的解调
b.鉴频法利用 FM模拟信号解调的原理解调 2FSK信号。
f
0
f
1
f
2
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 15
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK） 10.1 二进制数字调制
2FSK信号的解调
c.相干解调相干解调输出通常有较好的输出信噪比，但须在本地恢复载波信号，一般较复杂。
W
1
带通滤波器
W
2
带通滤波器低通滤波器低通滤波器抽样判决器输入输出抽样脉冲相乘器相乘器
C O S ( W
1
t )
C O S ( W
2
t )
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 16
（ 2）二进制移频键控（ 2FSK） 10.1 二进制数字调制
2FSK信号的解调
d.过零检测法解调限幅 整流 单稳a 微分 低通b c d e f
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 17
10 10 0 0
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 18
10.1 二进制数字调制
（ 3）二进制移相键控（ 2PSK/BPSK）
调制器工作原理
a.相乘法双极性非归零脉冲序列
b.相位选择法单极性非归零脉冲序列选择电路倒相
X
n SnB nTtgatS )()( )(2 tS PSK
tc?cos
tc?cos
)(2 tS PSK
n SnB nTtgatS )()(
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 19
（ 3）二进制移相键控（ 2PSK/BPSK） 10.1 二进制数字调制
2PSK信号波形
2PSK信号表达式与双极性非归零脉冲调制的 2ASK信号相同。
2PSK信号的 功率谱计算,频带利用率 与 2ASK信号相同。
1 0 1 1 0 1
tnTtgatS cn SnA S K?c o s)()(
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 20
（ 3）二进制移相键控（ 2PSK/BPSK） 10.1 二进制数字调制
2PSK信号的解调
2PSK信号依赖相位状态表示二进制信息，解调时一般要有相位比较的基准,载波信号 。
载波信号恢复,2PSK实际上为抑制载波的 2ASK信号，本身不含载波成分，所以必须用非线性的方法恢复载波。
载波信号恢复的平方环法带通滤波器平方环路滤波器压控振荡器除2X
锁相环（P L L ）
输入
2 P S K 信号输出载波信号
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 21
载波信号恢复的平方环法 10.1 二进制数字调制带通滤波器,滤除通带外其它可能存在信号的干扰。
带通滤波器输出：
平方运算输出,
假定 an取值为 +1或 -1,g(t)为宽度为一个码元的矩形脉冲。
压控振荡器输出,
乘法器输出,
tnTtgatS cn SnP S K?c o s)()(2
22co s)( tAtu cV C O?
tttnTtgatu cccn Sn 2c o s121c o sc o s)()( 222
2s in24s in
2
1
22s in
2
)()()(
tt
AK
tutuKtu
cc
p
V C Opp
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 22
载波信号恢复的平方环法 10.1 二进制数字调制环路滤波器输出,
鉴相特性：
在斜率为正的区间，
在斜率为负的区间，
2s i n21)( AKKtu pLd
0
pi- p i
- p i / 2 p i / 2
调节信号频率使鉴相器输出 V C Ou d
调节信号频率使鉴相器输出 V C Ou d
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 23
载波信号恢复的平方环法 10.1 二进制数字调制图中过零点均为平衡点，其中绿色点为稳定平衡点；
红色点为非稳定平衡点。
锁相环（ PLL） 系统最后会稳定在稳定点平衡点：
0,?,2?,3?,…
对应稳定点 0,2?,4?,…,VCO分频后输出,cos(wct)
对应稳定点?,3?,5? …,VCO分频后输出,- cos(wct)
即存在 180o的 相位模糊 问题，
相位模糊 可能 导致解调后输出的,0”,1” 状态点倒换。
解决相位模糊导致输出状态的不确定性的方法：
基带信号采用差分编码技术 。
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 24
10.1 二进制数字调制
4.二进制差分相移键控（ 2DPSK）
2DPSK信号的产生,
2DPSK信号的解调,
例：
信号相对码绝对码 调制 D P S Ka P S Knbabn nnn 2b 21
nbbanP S K aD P S K nnn 绝对码相对码信号 解调 1b2 2
1 1 1 10 0 0 0
原信息序列解调后差分序列解调后倒相的差分序列解调后的原信息序列
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 25
4.二进制差分相移键控（ 2DPSK） 10.1 二进制数字调制
2DPSK信号的差分相干解调特点：无须恢复载波信号，相对简单。
延迟 TS
带通 X
2DPSK
低通 抽样判决 解调输出位定时
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 26
0 1 1 0 1 0
1 1 0 1 0
接收信号延时信号乘法器输出信号低通输出信号
4.二进制差分相移键控（ 2DPSK） 10.1 二进制数字调制
2DPSK信号的差分相干解调
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 27
10.2 数字信号的最佳接收最佳的不同涵义,
（ 1）使信号的波形失真最小；
（ 2）是判决时刻的信噪比最大。
1,匹配滤波器匹配滤波器,使判决时刻信噪比达到最大的滤波器称之；
设输入信号：
其中 为信号,为高斯白噪声。
高斯白噪声的双边功率谱密度为：
设滤波器的传递函数为,H(w)
冲激响应为,h(t)
)()()( tntStx
)(tS )(tn
2)(
0nf
n
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 28
1,匹配滤波器 10.2 数字信号的最佳接收滤波器输出中的 信号部分,
输出 噪声功率,
在 t＝ T 时刻，输出信噪比：
问题：求 H(f),使 SNR达到最大。
dfefHfSthtSty ftjS?2)()()()()(
dffHfdffN nn 20 ()()(0
dffHf
dfefHfS
N
Ty
S N R
n
fTj
S
2
2
2
0
2
)()(
)()()(?
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 29
1,匹配滤波器 10.2 数字信号的最佳接收许瓦磁不等式一般地，若 X(f),Y(f)为复变函数，有仅当 （ k为任意整数），时，等式成立。
利用许瓦磁不等式，令
dffYdffXdffYfX 22
2
)()()()(
)()( fkXfY
fTj
n
effSfX?2)( )()( )()()( fHffY n
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 30
df
f
fS
dffHf
dffHfdf
f
fS
dffHf
dffHfe
f
fS
S N R
n
n
n
n
n
n
fTj
n
)(
)(
)()(
)()(
)(
)(
)()(
)()(
)(
)(
2
2
2
2
2
2
2?
1,匹配滤波器 10.2 数字信号的最佳接收由许氏定理，仅当时，等式成立,SNR达到最大。
fTj
n
effSkfH?2)( )()(?
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 31
1,匹配滤波器 10.2 数字信号的最佳接收匹配滤波器的,匹配,有如下的涵义：
a,|H(f)|正比与 |S(f)|,在信号频率分量较小的区域，滤波器的幅频特性也较小，因此有较好的抑制噪声的作用；
b,在各频率成分上，滤波器可对信号分量的相位进行调整，使信号分量在 t＝ T时达到最大；
c,若噪声功率密度谱是非均匀分布的，滤波器的幅频特性与此噪声功率密度谱成反比，有利于抑制噪声。
对 白噪声,
相应地：
2)(
0nf
n
fTjfTj efSke
n
fSkfH 22
0
)(2 )()(
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 32
