08 第8章 数字调制与解调.pptx

第1页：数字调制与解调教学目标

知识目标通过本章学习，.掌握数字调制基本概念；理解二进制振幅键控调制产生方法和解调方法（非相干解调与相干解调法）；掌握二进制移频键控产生方法（直接调频法和数字键控法）及解调方法（非相干解调、相干解调、单稳态多谐振荡器法）；掌握二进制移相键控、二进制差分移相键控调制与解调工作原理

第2页：数字调制与解调能力目标

能力目标自测分数权重相关知识知识要点能力目标60%数字调制电路应用数字基带信号的表示、幅移键控调制(ASK)、频移键控调制(FSK)、相移键控调制(PSK)数字信号调制原理与特性40%2ASK信号的非相干解调、2ASK信号的相干解调、绝对调相的解调、相对调相的解调2ASK信号的解调、2FSK信号的解调、相移键控的解调数字信号解调的原理

第3页：数字机顶盒

图8-1数字机顶盒

第4页：数字通信系统概述

8.1数字通信系统概述数字调制与模拟调制相比，无本质上的差异，区别仅在于调制信号一个是数字量，一个是模拟量。基带信号为数字量时对载波信号的调制称为数字调制；基带信号为模拟量时对载波信号的调制称为模拟调制。数字信号调制与模拟信号调制相比具有许多优点，例如抗干扰能力强，易于加密处理，便利于与计算机联网，利用计算机对数字信号进行存储、处理和交换等；同时利于设备的集成化和微型化等。因此，原始的待传输信号为模拟量时，常常通过模数转换将其转换为数字量，然后通过数字通信实现信号的远距离传输，接收后再经数模转换复原为模拟量。这种利用数字调制进行的通信称为数字通信。在现代通信中，数字通信技术得到广泛应用，移动通信就是一个典型的例子

第5页：数字调制的分类

由于数字信号的离散性，在实现数字信号调制时，除了采用前面讲的一般调制方法外，还可以用键控法来实现，与模拟信号调制类似，根据载波信号受调制的是振幅、频率还是相位，数字调制也分为幅移键控调制（ASK）、频移键控调制（FSK）和相移键控调制（PSK）。上述三类调制也称幅移键控、移频键控和移相键控调制。幅移键控调制时，载波振幅随基带信号变化。根据基带信号是二进制还是多进制数，幅移键控调制又分二进制幅移键控调制（2ASK）和多进制幅移键控调制（MASK）。类似地，频移键控调制也分二进制频移键控调制（2FSK）和多进制频移键控调制（MFSK），相移键控调制也分二进制相移键控调制(2PSK)和多进制相移键控调制（MPSK），不加说明时，ASK、FSK和PSK常表示二进制幅移、频移和相移键控调制

第6页：数字基带信号表示方法

8.2数字信号调制原理与特性8.2.1数字基带信号表示方法由于数字基带信号可以是二进制数，也可以是多进制数，不同进制所对应的信号波形是不相同的。这里仅以二进制数为例，说明如何用波形法表示数字基带信号。常用的方法有两种：单极性波形和双极性波形。图8-2(a)所示的是用单极性波来表示二进制数，其特征是宽度为Tb的码位有两种状态，即低电平和高电平，高电平用数字“1”表示，低电平用数字“0”表示；而且电压脉冲都是正的，这种二进制数的脉冲属单极性波。图8-2(b)用正电平表示“1”，而负电平表示“0”，这种用正负两种脉冲表示二进制数的方法，称为双极性波。无论单极性还是多极性，信号波形的每个码位都只有两种状态，“高和低”或“正和负”，这类波形称为二元波。用波形来表示二进制数的方法很直观，但不便于进行数字信号的理论分析，下面讨论如何用数学表达式来表示数字基带信号

第7页：二元信号波形

图8-2二元信号波形

第8页：基带信号脉冲函数g(t)

以基带信号为单极性波时进行说明，定义函数：式中Tb为脉冲宽度，上式表明只有自变量t在0≤t<Tb范围内时，g(t)才等于1，除此之外都等于零，可见g(t)描述的是一个1～Tb之间的脉冲，其波形如图8-3所示。改变自变量t，可以得到不同时刻的脉冲，例如g(t-Tb)表示的是Tb至2Tb之间的脉冲，g(t-3Tb)表示的是3Tb至4Tb之间的脉冲波

第9页：函数表示脉冲波

图8-3函数表示脉冲波

第10页：数字基带信号的数学表示

通过对函数g(t)分析可知，数字基带信号可以用数字序列表示，则式中an——随机变量，表示数字信息中两种状态，an取0或1。g(t)——基带信号码元波形，常见的有矩形脉冲、升余弦脉冲、钟形脉冲等；Tb——码元宽度。例如，图8-1（a）的波形所表示的是二进制数101101，只要将a0=1，a1=0，a2=1，a3=1，a4=0，a5=1代入式（8-1），即可得到图8-1(a)所示的波形

第11页：幅移键控调制ASK

8.2.2幅移键控调制(ASK)以二进制幅移键控（2ASK）调制的产生为例来说明。所谓ASK调制，就是用数字基带信号去控制高频载波信号的振幅，使其振幅随基带信号变化。即当基带信号为“1”时，已调信号为相应的高频载波信号；当基带信号为“0”时，已调信号为零。常用产生ASK调制波的方法有相乘法和开关控制法

第12页：相乘法产生ASK波

1．相乘法相乘法就是将数字基带信号S(t)和载波信号输入乘法器相乘，如图8-4所示，图中带通滤波器的作用是抑制干扰和带外信号，而只允许ASK信号通过，乘法器的输出信号即为已调信号uASK(t)。图8-4相乘法产生ASK波方框图

第13页：相乘法产生ASK信号波形

图8-5为ASK信号产生的波形图。图8-5(a)所示为数字基带信号波形，图8-5(b)所示为高频载波信号波形；图8-5(c)所示为相乘后的ASK信号波形。可见，ASK信号是一个断续的波形。图8-4相乘法产生ASK信号波形图

第14页：开关控制法产生ASK波

2．开关控制法开关控制法产生ASK调制波的原理如图8-6所示，载波信号发生电路产生高频载波信号，经开关控制器形成ASK调制波。当数字基带信号为“1”时控制器开关接通，输出高频振荡波；当基带信号为“0”时开关断开，输出信号电平为零。可见，开关控制法产生ASK调制波与相乘法产生ASK调制波的结果是一样的。ASK调制比较简单，容易实现，因此早期无线电报以及某些低速数据传输设备多采用这种方式。其主要缺点是抗干扰能力差，对传输系统电平的稳定度要求高。图8-6开关控制法产生ASK信号方框图

第15页：频移键控调制FSK

8.2.3频移键控调制(FSK)图8-7 FSK信号产生方框图图8-8 FSK信号波形图

第16页：绝对调相PSK

8.2.4相移键控调制(PSK)1．绝对调相（PSK）绝对调相是以载波相位为基准。数字基带信号为“1”时，已调波的相位与载波信号同相，基带信号为“0”时，已调波的相位与载波相差180°，如图8-9所示为PSK信号波形图。产生PSK信号的方法也可用相乘法和开关控制法。图8-9 PSK信号波形图

第17页：相乘法产生PSK信号

用相乘法产生PSK已调信号，基带信号必须是双极性的，如果是单极性数字基带信号，首先将其通过电平转换电路变成双极性数字信号，然后在乘法器中和载波信号相乘，正极性时载波相位不变，负极性时载波相位倒相，于是输出为PSK波。如图8-10所示为产生PSK信号原理方框图。图8-10相乘法产生PSK信号原理方框图

第18页：开关控制法产生PSK波

开关控制法产生PSK调制波的原理如图8-11所示。图中开关控制器有两个输入信号，一个是未倒相载波信号，另一个是经倒相后的载波信号，当基带信号为高电平“1”时，开关控制器使未倒相载波信号与输出端接通，输出信号与载波信号同相位。基带信号为低电平“0”时，开关控制器使倒相载波信号与输出端接通，输出信号与载波信号反相位。于是形成相位随基带信号变化的PSK波。图8-11开关控制法产生PSK信号

第19页：相对调相DPSK

2．相对调相（DPSK）所谓相对调相，是指各码元的载波相位不是以未调制的载波相位为基准，而是以相邻的前一个码元的载波相位为基准去确定后一个码元载波相位的取值。当一个码元取值为“1”时，该码元载波的相位与相邻的前一个码元载波相位相同，即零相移。当码元取值为“0”时，该码元载波的相位与相邻的前一个码元的载波相位相差180°，相对调相信号（DPSK）波形如图8-12所示。图8-12 DPSK信号波形图

第20页：DPSK信号产生原理

相对调相信号的产生方法如图8-13所示。首先将绝对码通过差分编码电路变换成双极性的差分码，然后与载波相乘即可得到DPSK信号。图8-13 DPSK信号产生原理方框图

第21页：开关控制法产生ASK已调波

8.2.5数字调制电路应用1．ASK信号调制电路图8-14开关控制法产生ASK已调波

第22页：产生FSK信号直接调频电路

2．FSK信号调制电路图8-15产生FSK信号直接调频电路

第23页：2ASK信号的非相干解调

8.3数字信号解调的原理8.3.1 2ASK信号的解调2ASK信号有两种基本的解调方法，即非相干解调（包络检波法）与相干解调（同步检测法）。简单地说，非相干解调是指接收端不需要恢复载波信号即可实现解调的方法；相干解调法则是在接收端必须恢复与发送端一致的载波才能实现解调的方法。1．2ASK信号的非相干解调2ASK非相干解调方框图如图8-16所示。图8-16 2ASK非相干解调方框图

第24页：2ASK相干解调方框图

2．2ASK信号的相干解调2ASK相干解调方框图如图8-17所示。图8-17 2ASK相干解调方框图

第25页：2FSK信号的解调

8.3.2 2FSK信号的解调2FSK信号同样有两种基本的解调方法，即非相干解调（包络检波法）与相干解调（同步检测法）。但是，由于从FSK信号中提取载波较困难，目前多采用非相干解调的方法，如鉴频法、分路滤波包络检波法、过零点检测法等。1．分路滤波包络检波法分路滤波包络检波法方框图如图8-18所示

第26页：分路滤波包络检波法方框图

图8-18分路滤波包络检波法方框图

第27页：分路滤波包络检测法各点波形

分路滤波包络检波法方框图各点波形如图8-19所示。图8-19分路滤波包络检测法各点波形

第28页：过零点检测法方框图

2．过零点检测法过零点检测法的基本思想是：2FSK信号的过零数随不同的载波而异，即频率高则过零点数目多，频率低则过零点数目少，因此通过检测过零点数目可以判断载波的异同。过零点检测法方框图如图8-20所示。图8-20过零点检测法方框图

第29页：过零点检测法各点波形

将FSK信号经限幅、微分、整流得到与频率变化相应的单极性脉冲序列（该序列代表调频波的过零点数），然后经脉冲形成电路形成一定宽度的脉冲，经低通滤波器形成相应的数字信号，实现过零检测，各点波形如图8-21所示。图8-21过零点检测法各点波形

第30页：2PSK解调原理框图

8.3.3相移键控的解调1．绝对调相的解调绝对调相解调原理框图如图8-22所示。图8-22 2PSK解调原理框图

第31页：2PSK解调各点波形图

二进制绝对调相解调框图各点波形如图8-23所示。图8-23 2PSK解调各点波形图

第32页：倍频一分频法恢复载波

在2PSK解调中，关键是恢复发送端的载波信号。通常的方法是倍频一分频法，如图8-24所示。图8-24倍频一分频法框图

第33页：倍频分频法各点波形

2PSK解调各点波形如图8-25所示。图8-25倍频—分频法各点波形图

第34页：相对调相的解调

2．相对调相的解调2 DPSK信号的解调有两种方式，一种是极性比较法解调，另一种是相位比较法解调。极性比较法解调实际上是间接产生法相对调相的反过程，即先按绝对调相接收，把2DPSK信号解调为相对码基带信号，然后经过码变换器将相对码变换为绝对码。极性比较法解调方框图如图8-26所示。图8-26极性比较法解调方框图

第35页：2DPSK解调各点波形

图8-27说明了极性比较法解调的过程和DPSK是如何克服反向工作的。图8-27 2DPSK解调各点波形图

第36页：相位比较法解调方框图

相位比较法解调直接使用相位比较器比较前、后码元载波的相位差而实现解调，故又称差分相干解调法。相位比较法解调方框图如图8-28所示。图8-28相位比较法解调方框图

第37页：相位比较法各点波形

相位比较法不需要相干载波发生器，设备简单、实用，但需要精确的延时电路。延时电路的输出起着参考载波的作用，乘法器起着相位比较（鉴相）的作用。相位比较法各点波形如图8-29所示。图8-29相位比较法各点波形