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文档简介

1,第七章 正弦载波数字调制系统,7.1 引言 7.2 二进制数字调制原理 7.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能 7.4 二进制数字调制系统的性能比较 7.5 多进制数字调制系统 7.6 改进的数字调制方式,2,7.1 引言,为什么调制? 匹配带通信道传输特性:将基带信号变换成适合在带通信道中传输的已调信号。 有效地利用频带:实现信道的多路复用传输(FDM)。 天线设计:将基带信号加载到高频载波,可以减小无线传输时所使用的天线尺寸,便于实现。 无线通信时天线尺寸通常等于四分之一电磁波(EM)波长 提高通信系统抗噪声/干扰性能。,3,数字调制就是将数字符号变成适合于信道的波形。所用的载波一般是余弦波形,调制信号为数字基带信号。利用基带信号控制载波的参数,使载波的参数携带基带信息,就完成了调制。由于数字信息是离散的,因此,调制后的载波参数上只有有限个数值。类似于用数字信息控制开关,从几个具有不同参量的独立震荡源中选择参量,因此,又称键控。,4,数字调制与模拟调制的比较,数字调制与模拟调制的原理相同,调制的基本方法是按基带调制信号的变化规律去改变高频载波某些参数(幅值、相位、频率)的过程。 数字调制与模拟调制的不同之处在于,数字已调信号参数取值离散,而模拟已调信号参数取值连续。 根据已调信号的频谱结构,数字调制也可分为: 线性调制:从频谱上来看,已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同,只不过频率位置搬移了。 非线性调制:已调信号的频谱不再保持原来基带调制信号的频谱结构,有新的频率成分出现。,5,基带信号,FSK信号,1 0 0 1,f1 f2 f2 f1,f1 f1,ASK信号,PSK信号波形,图6-1 正弦载波的三种键控波形,6,7.2 二进制数字调制原理,数字载波传输系统方框图,7,7.2.1 二进制振幅键控(2ASK),ASK:Amplitude Shift Key ASK:利用数字基带信号控制载波的幅度。 已调信号 调制信号,8,2ASK信号的产生,模拟相乘法 数字键控法:利用数字基带信号控制载波的幅值,2ASK信号也被称为通-断键控(OOK,On-Off Keying)信号,9,若基带脉冲为矩形脉冲波形,则在一个码元周期内,ASK信号可以表示为,10,2ASK信号功率谱,11,12,13,14,频谱特性 2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成,其中连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱,离散谱则由载波分量决定。 2ASK信号的频谱只是将基带信号的频谱沿频率轴平移了一个fc,而基带信号的频谱结构并不改变。 基带信号带宽为fs,2ASK信号带宽为2fs。频带利用率仅为直接传输基带信号的1/2。,15,2ASK信号的非相干解调,定时脉冲,带通 滤波器,半波或全 波整流器,低通 滤波器,抽样 判决器,输出,包络检波,窄带高斯噪声,BG:基带信号带宽,16,判决规则(二元单极性不归零基带信号的判决规则):,17,2ASK信号的相干解调,带通 滤波器,低通 滤波器,抽样 判决器,输出,载波提取电路,定时脉冲,时钟提取电路,窄带高斯噪声,18,19,低通滤波之后,2倍频被滤掉,只留下低频信号:,系数1/2不影响结果,可以调整滤波器增益,使,判决规则(二元单极性不归零基带信号的判决规则):,20,2ASK频带传输系统,基带脉冲 生成器,单极性不归零基带脉冲序列,an取0或1,定时脉冲,带通 滤波器,抽样 判决器,输出,时钟提取电路,理想限带特性,低通滤波器,频带信道,相干解调,21,7.2.2 二进制频移键控(2FSK),FSK:Frequency Shift Key FSK:利用数字基带信号控制载波的频率。 FSK信号的产生 模拟调频法,22,若基带脉冲为矩形脉冲波形,则在一个码元周期内,FSK信号可以表示为,数字键控法,23,FSK信号为两个不同频率交替发送的ASK信号的和。,24,FSK信号为两个不同频率交替发送的ASK信号的和。,25,2FSK信号功率谱,26,27,28,29,Px(f),f,0,1/TS,fo=(f1+ f2)/2,30,2FSK信号功率谱,f1-f2fs,双峰,31,32,频谱特性 2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成,其中连续谱由两个双边谱叠加而成,而离散谱则出现在两个载频上。 若两个载频之差较小,比如小于fs,则连续谱出现单峰;若载频之差逐步增大,即f1与f2的距离增加,则连续谱将出现双峰。 非线性调制。CCITT推荐在话音频带内低于1200bit/s数据率时采用FSK方式,衰落信道中也广泛使用。 基带信号带宽为fs,2FSK信号带宽为,33,2FSK信号的非相干解调,f1,抽样脉冲,带通 滤波器,包络 检波器,抽样 判决器,输出,带通 滤波器,包络 检波器,f2,FSK 信号,34,35,2FSK信号的相干解调,带通 滤波器,抽样 判决器,带通 滤波器,FSK信号,低通滤波器,低通滤波器,f1,f2,36,37,低通滤波之后,2倍频被滤掉,只留下低频信号:,38,2PSK调制器及其波形,PSK:利用数字基带信号控制载波的相位。,若基带脉冲为矩形脉冲波形,则在一个码元周期内,PSK信号可以表示为,39,基带信号波形,PSK信号波形,绝对码,载波,1 0 0 1 0 1 1 0,40,2PSK信号功率谱,41,42,2PSK信号功率谱,Sx(),0,43,2PSK的相干解调器,定时脉冲,带通 滤波器,低通 滤波器,抽样 判决器,载波提取电路,时钟提取电路,44,低通滤波之后,2倍频被滤掉,只留下低频信号:,45,判决原则:,系数1/2不影响结果,可以调整滤波器增益,使,2PSK的缺点在于,系统存在“倒现象”或“反向工作”现象,导致2PSK通信过程中出错。,46,LPF,LPF,环路滤波,VCO,90O,载波恢复电路:科斯塔斯环,VCO: Voltage Controlled Oscillator 电压可控振荡器,47,其中是VCO输出信号与接收的PSK信号载波的相位差。,低通滤波之后,2倍频倍滤掉,只留下低频信号,48,在基带信号为双极性矩形脉冲时,v(),2,-,0,v()控制VCO。由图可以看出,VCO的稳定工作点在n上(即 ),也就是说,压控振荡器输出的载波可能和接收信号载波相同,也可能相位相差。这就是相位关系的不确定性,称为0、 相位模糊度。,49,相位模糊,50,二进制相对(差分)移相键控2DPSK,为了解决由于相位模糊所产生的“倒现象”问题,可以采用相对(差分)移相2DPSK数字调制技术。 二进制差分移相键控2DPSK是利用前后相邻码元的相对载波相位差值去表示数字信息的一种二进制数字调制方法。 假定相邻码元的相对相位偏移为 (当前码元初相与前一码元初相之差),则,CCITT标准,51,2DPSK波形示意图,2PSK信号,(0) () () (0) () (0) (0) (),载波,1 0 0 1 0 1 1 0,数字信息,1 0 0 0 1 1 0 1 1,(0) () () () (0) (0) () (0) (0),2DPSK信号,绝对码ak,相对码bk,52,2DPSK信号的产生,数字键控法:利用数字基带信号控制载波的相位 模拟相乘法,单双极性变换,双极性不归零脉冲序列,基带脉冲 生成器,模二加,dn取-1或1,绝对码到相对码变换,时延Ts,53,2DPSK信号解调,相干解调 差分解调:直接比较前后码元的相位差,54,2DPSK信号的相干解调,55,低通滤波之后,2倍频倍滤掉,只留下低频信号:,相对码到绝对码的反变换,56,2DPSK信号中无相位模糊问题,载波,1 0 0 1 0 1 1 0,数字信息,1 0 0 0 1 1 0 1 1,(0) () () () (0) (0) () (0) (0),绝对码ak,相对码bk,始终成立,57,7.2 二进制数字调制系统抗噪声性能分析,通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。 误码率是数字通信系统衡量抗噪声性能的重要指标,系统总的误码率定义为:将数字符号“1”误判为“0”的错误概率与将“0”误判为“1”的错误概率的统计平均,即 抗噪声性能分析的假定条件: 数字信源等概率发送二进制数字符号0和1; 信道为恒参信道; 噪声为零均值、方差为 的加性高斯白噪声;,58,2ASK数字调制系统的误码率,2ASK信号的相干解调的判决变量,类似于无码间干扰的单 极性二元码的基带传输,0/1等概时,判决变量服从 高斯分布时的最佳判决门限,59,2ASK数字调制系统的误码率(续),2ASK信号的非相干解调的判决变量(可选),由概率论可知,I0(t)为一类零阶修正Bessel函数。 y1(t)服从广义Rayleigh分布,y2(t)服从Rayleigh分布,60,若假定判决门限为 ,则,Marcum Q函数,61,最佳门限的确定,0/1等概,62,2ASK数字调制系统的误码率(续),2ASK信号的非相干解调的误码率 用平均信号功率S与噪声方差N的表示2ASK信号的相干与非相干解调的误码率为,相干解调,非相干解调,63,2ASK数字调制系统的误码率(续),在信干比足够大时,2ASK数字调制系统的相干接收和非相干接收的误码率性能相差不大。,64,2FSK数字调制系统的误码率,2FSK信号的相干解调的判决变量 信源发送“1”和“0”时两个通道接收到的判决变量为 接收端在下述条件下将出现误判:,65,2FSK数字调制系统的误码率(续),即 显然 在0/1等概时,2FSK数字调制系统相干解调的最佳判决门限与数字基带传输系统采用双极性波形时相同,即 则相干解调时2FSK的误码率为,66,2FSK数字调制系统的误码率(续),2FSK信号非相干解调时的判决变量(可选) 接收端在下述条件下将出现误判,67,68,2FSK数字调制系统的误码率(续),同理 0/1等概时2FSK数字信号非相干解调的误码率为,69,2PSK数字调制系统的误码率,2PSK信号相干解调的判决变量 接收端在下述条件下将出现误判:,70,2PSK数字调制系统的误码率(续),2PSK信号相干解调的误码率为 2DPSK信号差分相干解调系统的误码率(无需码变换) 2DPSK信号相干检测系统的误码率 (由2PSK相干解调误码率和码变换错误率两部分组成),71,-5,0,5,10,15,10,-6,10,-4,10,-2,10,0,SNR*,dB,Pe,coherent 2PSK,2DPSK, Differential detection,2FSK,72,2DPSK信号的抗噪声性能(可选),2DPSK信号的差分检测误码率性能: 相邻的两个相对码元共有四种可能的组合,即 在0/1等概时,若假定 则两种组合 或 出现的概率相等,且均为1/4。不失一般性,考虑组合,低通滤波滤掉2倍频分量,73,2DPSK信号的抗噪声性能(续),对应的差分检测判决规则为 即发送的绝对码为 ,接收判决为 的概率为,广义Rayleigh分布,Rayleigh分布,74,可以推导发送 时的出错概率也为 同理,2DPSK信号的抗噪声性能(续),75,2DPSK信号的抗噪声性能(续),2DPSK信号的相干检测误码率性能: 已知相对码元采用2PSK调制时相干检测的可靠性能为 相对码到绝对码的反变换 ,在相对码到绝对码的反变换过程中,无论相对码出现多个连续的错误,只要错误的相对码元前后的码元关系正确,则只会引起两个绝对码元错误,即绝对码的错误概率为,76,77,从上面可以看出:相干解调错一位,码变换错两位;相干解调错连续两位,码变换也错两位;相干解调错连续n为,码变换也错两位;故(假设Pn表示相干解调错连续n位的概率),78,-5,0,5,10,15,20,10,-10,10,-8,10,-6,10,-4,10,-2,10,0,SNR*,dB,Pe,Coherent 2PSK,Coherent 2DPSK,Differential 2DPSK,2FSK,2ASK,79,例7.1设某OOK信号的码元速率RB4.8106Bd,采用包络检波法或同步检测法解调。已知接收端输入信号的幅度a1mV,信道中加性高斯白噪声的单边功率谱密度n0 210-15W/Hz。试求: 1)包络检波法解调时系统的误码率; 2)同步检测法解调时系统的误码率。 解:OOK的码元速率RB4.8106Bd,接收端带通滤波器的近似带宽为B=2RB= 9.6106Hz 带通滤波器输出噪声的平均功率为 =1.9210-8W 输入信噪比r= =26 故(1)包络检波法解调时的误码率为 Pe=0.5e-r/4=7.510-4 (2)同步检波法解调时的误码率为 Pe=0.5erfc(r1/2/2)=1.6610-4,80,例7,2 采用二进制频移键控方式在有效带宽为2400Hz的信道上传送二进制数字信息。已知2FSK信号的两个频率:f1980Hz, f21580Hz, 码元速率RB300Bd,信道输出端的信噪比为6dB。试求: 1)2FSK信号的第一零点带宽; 2)采用包络检波法解调时系统的误码率; 3) 采用同步检测法解调时系统的误码率。 解:1)FSK带宽为 =1200Hz 2)由于码元速率为300Bd,故上、下支路带通滤波器f1和f2的带宽近似为2RB=600Hz,又信道的带宽为2400Hz,是上下支路带通滤波器带宽的4倍,所以带通滤波器输出信噪比r比输入信噪比提高了4倍。输入信噪比为6dB(即4倍),故带通滤波器输出信噪比为r=44=16 包络检波时的误码率Pe=0.5e-r/2=1.6810-4 3) 同步检测法时的误码率Pe=0.5erfc(r/2)0.5=3.1710-5,81,例7.3 假设采用2DPSK信号在微波线路上传送二进制信息。已知码元速率RS=106Bd,接收机

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