通信原理PPT电子课件教案-第7章数字带通传输.ppt

1,第七章 数字带通传输系统,7.1 二进制数字调制原理 7.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能 7.3 二进制数字调制系统的性能比较 7.4 多进制数字调制原理 7.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能,2,第七章 数字带通传输系统,实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓载波调制。 从原理上来说，受调制载波的波形可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输就可以了。但实际上，在大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波。这是因为正弦信号形式简单，便于产生及接收。,第七章 数字带通传输系统,数字调制有调幅、调频和调相三种基本形式，并可以派生出多种其它形式。 数字调制都是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。 二进制数字调制信号有振幅键控(ask)、移频键控(fsk)和移相键控(psk)三种基本信号形式。 根据已调信号的频谱结构特点的不同，数字调制也可分为线性调制和非线性调制。振幅键控属于线性调制，而移频键控常属于非线性调制。,3,第七章 数字带通传输系统,4,2ask 2fsk 2psk 2dpsk,1 0 0 1,第七章 数字带通传输系统,国际电报电话咨询委员会ccitt对利用电话线路进行数据传输提出建议：传输数码率r （2001200）bit/s时，采用2fsk；r （12002400）bit/s时，采用2psk；r （24004800）bit/s或更高速率时，采用多进制相移键控如4psk、8psk等。,5,7.1 二进制数字调制原理,调制信号是二进制数字基带信号时，这种调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率和相位只有两种变化状态。相应的调制方式有二进制振幅键控(2ask)、二进制移频键控(2fsk)和二进制相移键控(2psk)。,6,7.1.1 二进制振幅键控,1.基本原理 2ask信号的时域表示： 设数字序列的取值服从下述关系： g(t)是持续时间为ts的矩形脉冲，现令 s(t)=ang(t-nts) 则 e0(t)=s(t)cosct=ang(t-nts) cosct,7,7.1.1 二进制振幅键控,8,2ask 信号波形,1 0 0 1 0 1 1,+e v,0 v,s( t ),载波,2ask,7.1.1 二进制振幅键控,2ask/ook信号的产生通常有两种：模拟调制法(相乘器法)和键控法。,9,载波,开关电路,s(t),e2ask(t),k,7.1.1 二进制振幅键控,与am信号的解调方式一样。2ask/ook信号也有两种基本的解调方法：非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)，相应的接收系统组成方框图如图所示。与模拟信号的接收系统相比，这里增加了一个“抽样判决器”方框，这对于提高数字信号的接收性能是必要的。,10,7.1.1 二进制振幅键控,11,非相干解调,7.1.1 二进制振幅键控,12,s(t),带通滤波器抑制噪声；整流后经低通滤波器恢复出基带信号，他与一般am信号解调相比增加了一个抽样判决器，目的是为了提高数字信号接受性能。,7.1.1 二进制振幅键控,13,相干解调,7.1.1 二进制振幅键控,带通滤波器抑制噪声； 相乘器使信号与本地相干载波相乘； 低通滤波器去掉高次谐波； 抽样判决在最佳时刻进行判决，恢复数字信号。 相干解调的明显缺点是接收端要产生本地相干载波，使设备复杂且技术要求较高，但抗干扰能力较强，且在高速传输系统中码元宽度较窄，无明显包络，必须用相干解调。,14,7.1.1 二进制振幅键控,2. 2ask信号的功率谱 已知s(t)的功率谱密度为ps(f)，设e0(t)的功率谱密度为p2ask(f)，则： 二进制ask信号的功率谱为： p2ask(f)= 1/4ps(f+fc)+ps(f-fc) 可见，2ask信号的功率谱是基带信号功率谱ps(f)的线性搬移(属线性调制)。知道了ps(f)即可确定p2ask(f) 。,15,7.1.1 二进制振幅键控,当s(t)为单极性矩形随机脉冲序列时： ps(f)=fsp(1-p)|g(f)|2+fs2(1-p)2|g(mfs)|2(f-mfs) 式中：fs=1/ts；g(f)是单个基带信号码元g(t)的频谱函数。 对于全占空矩形脉冲序列，根据矩形波形g(t)的频谱特点，对于所有m0的整数，有g(mfs)=0， 有ps(f)=fsp(1-p)|g(f)|2+fs2(1-p)2|g(0)|2(f),16,7.1.1 二进制振幅键控,pe(f)=1/4 fsp(1-p)|g(f+fc)|2+|g(f-fc)|2 +1/4 fs2(1-p)2|g(0)|2(f+fc)+(f-fc) 将g(0)= ts ，g(f)= ts sa(fts)，p=0.5代入得 ps(f)=ts/4sa2(fts)+1/4(f) pe(f)= ts/16 sa2 (f+fc) ts + sa2(f-fc)ts +1/16(f+fc) +(f-fc),17,18,7.1.1 二进制振幅键控,由图可见，2ask信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。 连续谱取决于经线性调制后的双边带谱。 离散谱由载波分量决定。（注：考虑的单极性脉冲随机序列） 2ask信号的频带宽度是基带脉冲带宽的两倍。这与模拟am、dsb一样。 若只计及基带脉冲频谱的主瓣，其带宽：b=2fs=2/ts,19,7.1.2 二进制移频键控,1. 基本原理 移频键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2fsk中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为,20,7.1.2 二进制移频键控,21,1 0 0 1 0 1 1,s( t ),载波,2fsk,- e v,s1( t ),+ e v,0 v,+ e v,0 v,载波,7.1.2 二进制移频键控,2fsk信号的时域表示： s(t)=ang(t-nts) 则e2fsk(t)=ang(t-nts)cos(1t+n)+ ang(t-nts)cos(2t+n) 这里，1=2f1，2=2f2，an是an的反码， an为,7.1.2 二进制移频键控,2fsk信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟调频电路来实现；另一种可以采用键控法来实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在一个码元期间输出f1或f2两个载波之一。这两种2fsk信号的差异在于：由调频法产生的2fsk信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。而键控法产生的2fsk信号，是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成，故相邻码元之间的相位是不一定连续。,23,7.1.2 二进制移频键控,24,模拟调频,7.1.2 二进制移频键控,25,键控法,7.1.2 二进制移频键控,26,2fsk信号非相干解调,7.1.2 二进制移频键控,解调器两支匹配滤波器分别与f1(t)和f2(t)匹配；当输入为f1(t)时，与之匹配的滤波器输出一个幅度随时间线性增长的振荡，在t=ts时达到最大值，而此时另一匹配滤波器输出为0。 滤波器输出经包络检波器后在t=ts时刻取样，得v1和v2，则当v1v2时，认为发送f1(t)，判输出“1”码；则当v1v2时，认为发送f2(t)，判输出“0”码。,27,28,7.1.2 二进制移频键控,29,2fsk信号相干解调,7.1.2 二进制移频键控,30,2fsk信号过零检测解调,7.1.2 二进制移频键控,2. 2fsk信号的功率谱 e0(t)= s1(t)cos(1t)+ s2(t)cos(2t) = e1(t)+ e2(t) 2个2ask信号 式中：s1(t)=ang(t-nts)，s2(t)=ang(t-nts) 因此，二进制fsk信号的功率谱为： p2fsk(f)= 1/4ps1(f+f1)+ps1(f-f1)+ 1/4ps2(f+f2)+ps2(f-f2),31,7.1.2 二进制移频键控,p2fsk(f)=1/4fsp(1-p)|g(f+f1)|2+|g(f-f1)|2 + 1/4fsp(1-p)|g(f+f2)|2+|g(f-f2)|2+ 1/4fs2(1-p)2|g(0)|2(f+f1)+(f-f1)+ 1/4fs2(1-p)2|g(0)|2(f+f2)+(f-f2),32,7.1.2 二进制移频键控,当p=1/2时，上式可以写成： p2fsk(f)=1/16fs|g(f+f1)|2+|g(f-f1)|2+ |g(f+f2)|2+|g(f-f2)|2+ 1/16fs2|g(0)|2(f+f1)+(f-f1)+ (f+f2)+(f-f2),33,7.1.2 二进制移频键控,34,7.1.2 二进制移频键控,fsk信号的功率谱密度等于载频分别为1和2的两个ask信号功率谱的叠加，对单极性数字基带信号（不归零码），同样由离散谱和连续谱两部分组成，离散谱是位于1 , 2处的两对冲激。fsk信号的带宽为b2fsk2fs+f2-f1,35,7.1.2 二进制移频键控,36,7.1.3 二进制相移键控,1. 基本原理 相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2psk中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，2psk信号的时域表达式为 则 e2psk(t)=acos(ct+n) 其中， n表示第n个符号的绝对相位：,37,7.1.3 二进制相移键控,2psk信号的时域表达式改为 由于表示信号的两个码元的波形相同，极性相反，故2psk信号一般可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的乘积， e2psk(t)=s(t)cosct 其中s(t)=ang(t-nts),38,7.1.3 二进制相移键控,即发送二进制符号“0”时(an取+1)，e2psk取0相位；即发送二进制符号“1”时(an取-1)，e2psk取相位。这种以载波的不同相位去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式,39,s(t),0 1 0 0 1 1 0 1,绝对码,绝对相移,7.1.3 二进制相移键控,2psk信号的调制原理图,40,7.1.3 二进制相移键控,2psk信号的解调器原理图,41,7.1.3 二进制相移键控,当恢复的相干载波产生180倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象通常称为“倒”现象。,42,7.1.3 二进制相移键控,2. 功率谱密度 2psk的表达式与2ask相同，只是的取值不同，故2psk信号的功率谱为： p2psk(f)= 1/4ps(f+fc)+ps(f-fc) 若 2psk信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与正弦载波相乘，则2psk信号的功率谱为 p2psk(f)=1/4fsp(1-p)|g(f+fc)|2+|g(f-fc)|2+ +1/4 fs2(1-2p)2|g(0)|2(f+fc)+ (f-fc),43,7.1.3 二进制相移键控,若等概(p=1/2)，并考虑到矩形脉冲的频谱，则2psk信号的功率谱为 p2psk(f)=,44,7.1.3 二进制相移键控,包括离散谱和连续谱。结构与2ask的功率谱相似，带宽也是基带信号带宽的二倍。当“1”和“0”等概相时，不存在离散谱。,45,7.1.4 二进制差分相移键控,1. 基本原理 2psk信号中，相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的。由于它利用载波相位的绝对数值表示数字信息，所以称为绝对相移。为了克服“倒”现象，提出了二进制差分相移键控(2dpsk) 2dpsk是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称为相对相移键控。假设为当前码元与前一码元的载波相位差，可定义一种数字信息与之间的关系,46,7.1.4 二进制差分相移键控,=0, 表示数字信息“0” , 表示数字信息“1” 例 数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 2dpsk信号相位： (0) 0 0 0 0 0 或 () 0 0 0 0 0 ,47,7.1.4 二进制差分相移键控,48,7.1.4 二进制差分相移键控,调相信号用载波的相位来表示相应数字信息。因此，在讨论调相信号时，常用矢量图来表述。虚线矢量位置称为基准相位。在绝对相移中，它是未调制载波的相位；在相对相移中，它是前一码元的载波相位，当前码元的相位可能是0或。但是按照这种定义，在某个长的码元序列中，信号波形的相位可能仍没有突变点，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。2dpsk没有解决码元的定时问题。,49,7.1.4 二进制差分相移键控,50,7.1.4 二进制差分相移键控,为了解决定时问题，可以采用图b所示的相移方式。这时，当前码元的相位相对于前一码元的相位改变/2。因此，在相邻码元之间必定有相位突跳。在接收端检测此相位突变就能确定每个码元的起止时刻，即可提供码元定时信息。根据itu-t建议，图 a的相移方式称为a方式；图 b的相移方式称为b方式。由于后者的优点，目前被广泛使用。,51,7.1.4 二进制差分相移键控,2dpsk信号的产生,52,7.1.4 二进制差分相移键控,差分码可取传号差分码或空号差分码。其中，传号差分码的编码规则为： bn=anbn-1 上式称为差分编码(码变换)，即绝对码变换为相对码；其逆过程称为差分译码(码变换)，即 an=bnbn-1,53,7.1.4 二进制差分相移键控,相干解调(极性比较法）,54,7.1.4 二进制差分相移键控,55,7.1.4 二进制差分相移键控,差分相干解调(相位比较法）,56,7.1.4 二进制差分相移键控,57,7.1.4 二进制差分相移键控,2dpsk与2psk信号有相同的功率谱。若 2dpsk信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与正弦载波相乘，则2dpsk信号的功率谱为,58,7.2二进制数字调制系统的抗噪声性能,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。在数字通信系统中，信道噪声有可能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。因此，与分析数字基带系统的抗噪声性能一样，分析数字调制系统的抗噪声性能，也就是求系统在信道噪声干扰下的总误码率。噪声为加性高斯白噪声（awgn），均值为零。,59,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,1. 同步检测法的系统性能 对2ask信号，分析模型 接收机带通滤波器的输入波形(在一个码元时间内)。,60,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,yi(t)= 其中，ui(t)=acosct (信号传输后受到衰减而未畸变)，ni(t)是均值为0的加性高斯白噪声。 假设接收端带通滤波器具有理想矩形传输特性，则带通滤波器的输出波形为 y(t)=,61,ui(t)+ ni(t) 发送“1”时 ni(t) 发送“0”时,ui(t)+ n(t) 发送“1”时 n(t) 发送“0”时,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,其中，n (t)是均值为0、方差为n2的窄带高斯噪声 n (t) =nc(t)cosct- ns(t) sin ct y(t)= y(t)=,62,acos (ct) + nc(t)cosct- ns(t) sin ct 发送“1”时 nc(t)cosct- ns(t) sin ct 发送“0”时,a+nc(t)cosct- ns(t) sin ct 发送“1”时 nc(t)cosct- ns(t) sin ct 发送“0”时,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,y(t)与相干载波2cosct相乘，然后由低通滤波器滤除高频分量，在抽样判决器输入端得到的波形x(t)为 x(t)= 其中，a为信号成分，由于n c(t)是均值为0、方差为n2的高斯噪声，所以x(t)也是一个高斯随机过程，其均值为a(发“1”)和0发“0”)时，方差为n2。,63,a+ nc(t) 发送“1”时 nc(t) 发送“0”时,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,设对第k个符号的抽样时刻为kts，则x(t)在kts时 x=x(kts)= 是一个高斯随机变量。发“1”时的一维概率密度函数为 发“0”时的一维概率密度函数为,64,a+ nc(kts) 发送“1”时 nc(kts) 发送“0”时,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,65,取判决门限为b，规定判决准则：xb，判为1；xb，判为0。,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,66,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,总误码率：pe= p1 pe1+ p0 pe0 可以求出最佳判决门限： b=a/2+n2/a ln(p0/p1) 将p1=p0=0.5，可以求出最佳判决门限b*=a/2 则： pe= 1/2erfc(a/(22n)= 1/2erfc(r/2) 在大信噪比的情况下，系统的误码率为 pe(1/r)e-r/4 式中，r=a2/(2 n 2)为输入信噪声比。,67,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,2. 包络检波法的系统性能 与同步检测法的分析模型类似，带通滤波器的输出波形 y(t)=,68,a+nc(t)cosct- ns(t) sin ct 发送“1”时 nc(t)cosct- ns(t) sin ct 发送“0”时,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,包络检波器输出波形v(t)为 当发送“1”时，服从广义瑞利分布，概率密度函数为,69,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,当发送“0”时，服从瑞利分布，概率密度函数为 判决规则： 若样值v判决门限b， 则判决接收为“1”； 若样值v判决门限b， 则判决接收为“0”；,70,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,发送为1的错误概率为包络值v小于门限值b的概率，即 p(0/1)=p(vb)= 该积分可以用q函数表示， q函数的定义为,71,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,式中的积分值可以用marcum q函数计算，q函数定义为 q(, )= 将q函数代入上式可得 p(0/1)=1-q 式中, b0= 可看为归一化门限值,72,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,发送为0的错误概率为包络值v大于门限值b的概率，即,73,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,若发送“1”符号的概率为p(1)，发送“0”符号的概率为p(0)，则系统的总误码率pe为 pe=p(1)p(0/1)+p(0)p(1/0) 输入信噪比一定时， 误码率与归一化门限值b0有关。为求最佳门限b*0，可令,74,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,可得 p(1)f1(v*)=p(0)f0(v*) 当p(1)=p(0)时，f1(v*)=f0(v*)，最佳判决门限为b*= 。对于大信噪比的情况,75,7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,例：已知2ask 的码元速率 rb= 4.810 6 波特，解调器输入 信号的幅度a = 1 mv，信道加性噪声的单边功率谱密度 n0=210-15 w/hz ， 试求: 1）包络检波的误码率 2）同步检波的误码率,76,解：, rb = rb = 4.810 6 bit/s, 带通滤波器的带宽 b = 2rb = 9.610 6 （ hz ）, 带通的输出噪声功率n2 = n0 b = 1.9210 - 8 ( w ),7.2.1 2ask系统的抗噪声性能,77, 解调器的输入信噪比, 此系统为大信噪比工作,1）包络检波,2）同步检波,7.2.2 2fsk系统的抗噪声性能,1. 同步检测法的系统性能,78,判决规则：x1 x2 判 “ 1 ”,x1 x2 判 “ 0 ”,7.2.2 2fsk系统的抗噪声性能,79,发 “1 ” ：,x0( t ) = n2c( t ),解调器上支路输入：, a+n1c ( t ) cos1 t - n1s ( t ) sin1 t,下支路输入：,n2c ( t )cos2 t - n2s ( t ) sin2 t,x1( t ) = a + n1c( t ),解调器上支路输出：,下支路输出：,均为正态分布,7.2.2 2fsk系统的抗噪声性能,80, 发 “1” 错判,7.2.2 2fsk系统的抗噪声性能,81, 2fsk 的系统总误码率,同理：发 “0” 错判,7.2.2 2fsk系统的抗噪声性能,2. 包络检测法的 系统性能,82,发 “1 ” ：上支路输出为,一路 2fsk 信号是两路 2ask 信号的合成,下支路输出为,与 2ask 信号分析相似,7.2.2 2fsk系统的抗噪声性能,83,发 “0 ” ：上支路输出为,下支路输出为,其中：,判决规则：v1 v2 判 “ 1 ”,v1 v2 判 “ 0 ”,7.2.2 2fsk系统的抗噪声性能,84,发“ 1 ” 错判, 2fsk 的系统总误码率,发“ 0 ” 错判,7.2.2 2fsk系统的抗噪声性能,85,例：已知2fsk信号的 f1=2025 hz , f2=2225 hz , rb= 300 波特。信道有效带宽 2400 hz , 信道输出端信噪比为 6 db , 求：1）2fsk信号的带宽。 2）包络检波时的误码率； 同步检波时的误码率。,解：,2fsk 的带宽 f = | f2 - f1 | + 2 fs,1） fs = rb = 300 （hz ）,= ( 2225- 2025 ) + 2300 = 800 (hz),7.2.2 2fsk系统的抗噪声性能,86,2） pe 与解调器输入端的 有关,令 接收系统结构选用上、下支路形式,b = 2rb = 600 （hz ）, 带通带宽,又 信道带宽为 2400 hz ,为带通带宽的 4 倍, 带通的输出信噪比是其输入信噪比的 4 倍,7.2.2 2fsk系统的抗噪声性能,87, 包络检波, 同步检波,带 通,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,相移键控分为绝对相移键控（psk）和相对相移键控（dpsk）。 解调绝对相移键控（psk），采用同步检波； 解调相对相移键控（dpsk），有两种方法：同步检波+差分译码（极性比较法）、差分相干检测（相位比较法）,88,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,1. 2psk相干解调系统性能,89, s( t ) 为双极性非归零信号, 判决器的输入信号为,x( t ) =,- a + nc( t ) 发 “0”,a + nc( t ) 发 “1”,x(t)服从正态分布，均值为零，方差为2,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,90, 发 “1” 错判,发 “0” 错判,2psk 系统总误码率,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,2. 2dpsk相干解调系统性能,91,系统特征：在 2psk 系统的基础上增加码反变换电路。,码反变换电路自身不产生误码（与噪声无关），但其输入相对码有误差时，必然会造成其输出绝对码与发端基带信号失真，因而系统总误码应为2psk 系统的误码加码反变换的误码积累。,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,其简化模型如图如下： 码反变换器对误码的影响,92,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,误码率 设pe为码反变换器输入端相对码序列bn的误码率，并假设每个码出错概率相等且统计独立， pe 为码反变换器输出端绝对码序列an的误码率，由以上分析可得 式中pn为码反变换器输入端bn序列连续出现n个错码的概率，进一步讲，它是“n个码元同时出错，而其两端都有1个码元不错”这一事件的概率。由上图分析可得，,93,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,94, ,得到,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,因为误码率总小于1，所以下式必成立 将上式代入式 可得 由上式可见，若pe很小，则有pe / pe 2 若pe很大，即pe 1/2，则有pe / pe 1 这意味着pe总是大于pe 。也就是说，反变换器总是使误码率增加，增加的系数在12之间变化。,95,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,将2psk信号相干解调时系统的总误码率式 代入 可得到2dpsk信号采用相干解调加码反变换器方式时的系统误码率为 当pe 1时，式 可近似为,96,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,3. 2dpsk 差分相干解调系统性能 相乘的两路信号分别为,97,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,经过相乘和低通滤波后，输出的信号为 判决的规则是： 若x0，则判决收到“1”； 若x0，则判决收到“0”； 利用恒等式：,98,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,发送为1码元，而判决为0码元的概率为：,99,设：,则：,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,因为n1c、n2c、n1s、n2s是相互独立的高斯随机变量， 且均值为0，方差相等为2n。根据高斯随机变量之和仍为高斯随机变量，且均值为各随机变量的均值的代数和，方差为各随机变量方差之和的性质，则n1c+n2c， n1s+n2s，n1c-n2c，n1s-n2s 都是零均值，方差为22n的高斯随机变量。r1的一维分布服从广义瑞利分布，r2的一维分布服从瑞利分布，概率密度函数为,100,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,101,结论：系统总误码率,7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,102,例：已知2dpsk 信号 的码元速率 rb= 10 6 波特，信道加性噪声的单边功率谱密度为 n0=210-10 w/hz ，要求系统的误码率不大于 10- 4 。试求: 1）采用差分相干解调时，接收机输入端所需的信号功率 2）采用相干解调码变换时，接收机输入端所需的信号功率,解：, 带通滤波器的带宽 b = 2rb = 210 6 （ hz ）, 带通的输出噪声功率n2 = n0 b = 410 - 4 ( w ),7.2.3 2psk系统的抗噪声性能,103,1）差分相干解调,2）相干解调码变换,查表,7.3二进制数字调制系统的性能比较,104,7.3二进制数字调制系统的性能比较,1. 误码率 在每一对相干和非相干的键控系统中，误码性能（抗噪性能）相干方式优于非相干方式（如ask的相干检测法优于ask的包络法）抗噪性能的优劣排序（同一条件下）： psk、fsk、ask 优 差,105,7.3二进制数字调制系统的性能比较,106,7.3二进制数字调制系统的性能比较,2. 带宽比较 码元宽度为ts、速率为rs时,以谱包络第一零点计算带宽 bask=2rs=2/ts bfsk= |f2-f1|+2rs= |f2-f1|+ 2/ts bpsk= 2rs=2/ts 因此，从频带宽度或频带利用率上看fsk 系统最不可取。,107,7.3二进制数字调制系统的性能比较,3. 对信道特性变化的敏感性比较 2fsk：直接比较两路解调输出做出判决。 2psk：最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。 2ask：最佳判决门限为a/2时，它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机最佳判决门需随输入信号的幅度a而变化。接收机不容易保持在最佳判决门限，从而导致误码率增大。因此，就对信道特性变化的敏感性而言，ook的性能最差.,108,7.3二进制数字调制系统的性能比较,4. 设备的复杂程度比较 对于二进制振幅键控、移频键控及移相键控这三种方式来说，发送端设备的复杂程度相差不多。而接收端的复杂程度则与所选用的调制和解调方式有关。对于同一种调制方式，相干解调的设备要比非相干解调时复杂；而同为非相干解调时，2dpsk的设备最复杂、2fsk次之、2ask最简单。,109,7.4 多进制数字调制原理,多进制数字调制是利用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率或相位。相应地有三种基本方式： 多进制数字振幅调制(m-ary ask) 多进制数字频率调制(mfsk) 多进制数字相位调制(mpsk),110,7.4 多进制数字调制原理,为了提高频带利用率，最有效的办法是使一个码元传输多个比特的信息。 由7.3节中的讨论得知，各种键控体制的误码率都决定于信噪比r： 它还可以改写为码元能量e和噪声单边功率谱密度n0之比：,111,7.4 多进制数字调制原理,设多进制码元的进制数为m，码元能量为e，一个码元中包含信息k比特，则有k = log2 m 若码元能量e平均分配给每个比特，则每比特的能量eb等于e / k。故有 在研究不同m值下的错误率时，适合用r b为单位来比较不同体制的性能优略。,112,7.4.1 多进制振幅键控,mask又称多电平调制，是指用具有多个电平的随机基带脉冲序列对载波进行振幅调制。这种方式原理上是ook方式的推广。 mask信号与二进制ask信号产生的方法相同，解调方式也相同。 mask信号的功率谱等于m个二进制ask信号功率谱之和。叠加后的mask信号功率谱的带宽等于每一个二进制ask信号功率谱的带宽，即：bm=2fs=2/ts,113,7.4.1 多进制振幅键控,mask信号的时域表示： e0(t)=bng(t-nts)cosct 其中 bn = g(t)是高度为1，宽度为ts的矩形脉冲，且有pi=1。,114,0， 概率为p0 1， 概率为p1 ， n-1， 概率为pn-1,7.4.1 多进制振幅键控,4ask信号的波形及分解,115,7.4.2 多进制频移键控,mfsk是指用多个频率不同的正弦波分别代表不同的数字信号。在某一码元时间内只发送其中一个频率。 mfsk相对于mask或mpsk要占据较宽的频带，因此，一般用于调制速率不高的传输系统。 mfsk信号的带宽为 bmfsk=fh-fl+2fs 其中fh为最高载频，fl为最低载频，fs为单个码元信号的带宽。,116,7.4.2 多进制频移键控,1. mfsk信号的产生,117,逻 辑 电 路,串/并变换,f1,门电路,f2,门电路,fm,门电路,1 2 m,1 2 m,输入,相加器,7.4.2 多进制频移键控,2. mfsk信号的解调,118,7.4.3 多进制相移键控,基本原理 一个mpsk信号码元可以表示为 式中，a 常数， k 一组间隔均匀的受调制相位 它可以写为 通常m取2的某次幂： m = 2k， k = 正整数,119,7.4.3 多进制相移键控,在下图中示出当k = 3时，k取值的一例。图中示出当发送信号的相位为1 = 0时，能够正确接收的相位范围在/8内。对于多进制psk信号，不能简单地采用一个相干载波进行相干解调。例如，若用cos2f0t作为相干载波时，因为cosk = cos(2-k)，使解调存在模糊。这时需要用两个正交的相干载波解调。,120,7.4.3 多进制相移键控,121,图7-34 8psk信号相位,7.4.3 多进制相移键控,可以将mpsk信号码元表示式展开写成 式中 上式表明，mpsk信号码元sk(t)可以看作是由正弦和余弦两个正交分量合成的信号，并且ak2 + bk2 = 1 。因此，其带宽和mask信号的带宽相同。 本节下面主要以m = 4为例，对4psk作进一步的分析。,122,7.4.3 多进制相移键控,正交相移键控(qpsk) 4psk常称为正交相移键控(qpsk) 格雷(gray)码 4psk信号每个码元含有2 比特的信息，现用ab代表这两个比特。 两个比特有4种组合，即00、01、10和11。它们和相位k之间的关系通常都按格雷码的规律安排，如下表所示。,123,7.4.3 多进制相移键控,qpsk信号的编码,124,7.4.3 多进制相移键控,qpsk信号矢量图 格雷码的好处在于相邻相位所代表的两个比特只有一位不同。由于因相位误差造成错判至相邻相位上的概率最大，故这样编码使之仅造成一个比特误码的概率最大。,125,7.4.3 多进制相移键控,多位格雷码的编码方法 格雷码又称反射码,126,序号 格雷码 二进码 0 0 0 0 0 0000 1 0 0 0 1 0001 2 0 0 1 1 0010 3 0 0 1 0 0011 4 0 1 1 0 0100 5 0 1 1 1 0101 6 0 1 0 1 0110 7 0 1 0 0 0111 8 1 1 0 0 1000 9 1 1 0 1 1001 10 1 1 1 1 1010 11 1 1 1 0 1011 12 1 0 1 0 1100 13 1 0 1 1 1101 14 1 0 0 1 1110 15 1 0 0 0 1111,7.4.3 多进制相移键控,码元相位关系 k称为初始相位，常简称为相位，而把(0t + k)称为信号的瞬时相位。 当码元中包含整数个载波周期时，初始相位相同的相邻码元的波形和瞬时相位才是连续的，如下图：,127,7.4.3 多进制相移键控,若每个码元中的载波周期数不是整数，则即使初始相位相同，波形和瞬时相位也可能不连续，如下图 或者波形连续而相位不连续，如下图,128,7.4.3 多进制相移键控,在码元边界，当相位不连续时，信号的频谱将展宽，包络也将出现起伏。 在后面讨论各种调制体制时，还将遇到这个问题。并且有时将码元中包含整数个载波周期的假设隐含不提，认为psk信号的初始相位相同，则码元边界的瞬时相位一定连续。,129,7.4.3 多进制相移键控,qpsk调制 两种产生方法: 相乘电路法,130,7.4.3 多进制相移键控,131,码元串并变换：,7.4.3 多进制相移键控,矢量图：,132,7.4.3 多进制相移键控,二进制信号码元“0”和“1在相乘电路中与不归零双极性矩形脉冲振幅的关系如下： 二进制码元“1” 双极性脉冲“+1”； 二进制码元“0” 双极性脉冲“-1”。 符合上述关系才能得到第6章中的b方式编码规则。,133,7.4.3 多进制相移键控,选择法,134,7.4.3 多进制相移键控,qpsk解调 原理方框图,135,7.4.3 多进制相移键控,用两路正交的相干载波去解调，可以很容易地分离这两路正交的2psk信号。 相干解调后的两路并行码元a和b，经过并/串变换后，成为串行数据输出。,136,7.4.3 多进制相移键控,偏置qpsk(oqpsk) qpsk体制的缺点：它的相邻码元最大相位差达到180，这在频带受限的系统中会引起信号包络的很大起伏。 偏置qpsk的改进：为了减小此相位突变，将两个正交分量的两个比特a和b在时间上错开半个码元，使之不可能同时改变。这样安排后相邻码元相位差的最大值仅为90（见下表），从而减小了信号振幅的起伏。,137,7.4.3 多进制相移键控,oqpsk和qpsk的唯一区别在于：对于qpsk，上表中的两个比特a和b的持续时间原则上可以不同；而对于oqpsk，a和b的持续时间必须相同。,138,7.4.3 多进制相移键控,oqpsk信号的波形与qpsk信号波形的比较,139,7.4.3 多进制相移键控,/4相移qpsk 4相移qpsk信号是由两个相差4的qpsk星座图交替产生的，它也是一个4进制信号：,140,7.4.3 多进制相移键控,当前码元的相位相对于前一码元的相位改变45或135。例如，若连续输入“11 11 11 11”，则信号码元相位为“45 90 45 90 ” 优点：这种体制中相邻码元间总有相位改变、最大相移为135，比qpsk的最大相移小。,141,7.4.4 多进制差分相移键控,基本原理 mdpsk信号和mpsk信号类似，只需把mpsk信号用的参考相位当作是前一码元的相位，把相移k当作是相对于前一码元相位的相移。 这里仍以4进制dpsk信号为例作进一步的讨论。4进制dpsk通常记为qdpsk。,142,7.4.4 多进制差分相移键控,143,qdpsk信号编码方式,7.4.4 多进制差分相移键控,产生方法 第一种方法 图中a和b为经过串/并变换后的一对码元，它需要再经过 码变换器变换成相对码c和d 后才与载波相乘。 c 和d 对载波的相乘实际是 完成绝对相移键控。,144,7.4.4 多进制差分相移键控,145,7.4.4 多进制差分相移键控,146,码变换器：输入ab和输出cd间的16种可能关系(a方式)：,7.4.4 多进制差分相移键控,码变换器的电路 二进制码元“0” 和“1”与相乘电路输入电压关系： 二进制码元“0” “1” 二进制码元“1” “1” 第二种方法： 第二种产生方法和qpsk信号的第二种产生方法（选择法）原理相同，只是在串/并变换后需要增加一个 “码变换器”。,147,7.4.4 多进制差分相移键控,解调方法：有极性比较法和相位比较法两种。 极性比较法： 原理方框图（a方式） 原理和qpsk信号的一样，只是多一步逆码变换。,148,7.4.4 多进制差分相移键控,相干解调过程 设第k个接收信号码元可以表示为 相干载波： 上支路： 下支路：,149,7.4.4 多进制差分相移键控,信号和载波相乘的结果： 上支路： 下支路： 低通滤波后：上支路： 下支路：,150,7.4.4 多进制差分相移键控,低通滤波后：上支路： 下支路： 判决规则 按照k的取值不同，此电压可能为正，也可能为负，故是双极性电压。在编码时曾经规定： 二进制码元“0” “1” 二进制码元“1” “1” 现在进行判决时，也把正电压判为二进制码元“0”，负电压判为“1”，即 “” 二进制码元“0” “” 二进制码元“1” 因此得出判决规则如下表：,151,7.4.4 多进制差分相移键控,判决规则,152,7.4.4 多进制差分相移键控,逆码变换器 设逆码变换器的当前输入码元为ck和dk，当前输出码元为ak和bk，前一输入码元为ck-1和dk-1。 为了正确地进行逆码变换，这些码元之间的关系应该符合码变换时的规则。为此，现在把码变换表中的各行按ck-1和dk-1的组合为序重新排列，构成下表。,153,7.4.4 多进制差分相移键控,154,7.4.4 多进制差分相移键控,表中的码元关系可以分为两类： (1) 当 时，有 (2)当 时，有 上两式表明，按照前一时刻码元ck-1和dk-1之间的关系不同，逆码变换的规则也不同，并且可以从中画出逆码变换器的原理方框图如下：,155,7.4.4 多进制差分相移键控,156,原理方框图,7.4.4 多进制差分相移键控,图中将ck和ck-1以及dk和dk-1分别作模2加法运算，运算结果送到交叉直通电路。 另一方面，将延迟一个码元后的ck-1和dk-1也作模2加法运算，并将运算结果去控制交叉直通电路； 若ck-1dk-1 = 0 ，则将ckck-1结果直接作为ak输出； 若ck-1dk-1 = 1，则将ckck-1结果作为bk输出。 对于dkdk-1的结果也作类似处理。 这样就能得到正确的并行绝对码输出ak和bk。它们经过并/串变换后就变成为串行码输出。,157,7.4.4 多进制差分相移键控,相位比较法: 原理方框图 由此原理图可见，它和2dpsk信号相位比较法解调的原理基本一样，只是由于现在的接收信号包含正交的两路已调载波，故需用两个支路差分相干解调。,158,7.5 多进制系统的抗噪声性能,159,7.5.1 mask系统的抗噪声性能,误码率：设抑制载波mask信号的基带调制码元可以有m个电平，如右图,160,7.5.1 mask系统的抗噪声性能,于是，此抑制载波mask信号的表示式可以写为 若接收端的解调前信号无失真，仅附加有窄带高斯噪声，则在忽略常数衰减因子后，解调前的接收信号可以表示为,161,7.5.1 mask系统的抗噪声性能,设接收机采用相干解调，则噪声中只有和信号同相的分量有影响。这时，信号和噪声在相干解调器中相乘，并滤除高频分量之后，得到解调器输出电压为 上式中已经忽略了常数因子1/2。 这个电压将被抽样判决。,162,7.5.1 mask系统的抗噪声性能,对于抑制载波mask信号，判决电平应该选择在0、2d、(m-2)d。当噪声抽样值|nc|超过d时，会发生错误判决。 但是，也有例外情况发生，这就是对于信号电平等于(m-1)d的情况。当信号电平等于+(m-1)d时，若nc +d，不会发生错判； 同理，当信号电平等于-(m-1)d时，若nc - d，也不会发生错判。 所以，当抑制载波mask信号以等概率发送时，即每个电平的发送概率等于1/m时，平均误码率等于,163,7.5.1 mask系统的抗噪声性能,式中 p( |nc| d) 噪声抽样绝对值大于d的概率。 因为nc是均值为0，方差为n2的正态随机变量，故有,164,7.5.1 mask系统的抗噪声性能,将 代入上式，得到 误码率和信噪比的关系 为了找到误码率pe和接收信噪比r 的关系，我们将上式作进一步的推导。首先来求信号平均功率。对于等概率的抑制载波mask信号，其平均功率等于,165,7.5.1 mask系统的抗噪声性能,由上式得到 将上式代入误码率公式，得到误码率 上式中的ps/n2 就是信噪比r，所以上式可以改写为 当m = 2时，上式变为,166,7.5.1 mask系统的抗噪声性能,误码率曲线,167,7.5.2 mfsk系统的抗噪声性能,非相干解调时的误码率 分析模型,168,7.5.2 mfsk系统的抗噪声性能,误码率分析计算 假设：1、当某个码元输入时，m个带通滤波器的输出中仅有一个是信号加噪声，其他各路都只有噪声。 2 、 m路带通滤波器中的噪声是互相独立的窄带高斯噪声，其包络服从瑞利分布。 故这(m-1)路噪声的包络都不超过某个门限电平h的概率等于 其中p(h)是一路滤波器的输出噪声包络超过此门限h的概率，由瑞利分布公式它等于 式中，n 滤波器输出噪声的包络； n2 滤波器输出噪声的功率,169,7.5.2 mfsk系统的抗噪声性能,假设这(m-1)路噪声都不超过此门限电平h就不会发生错误判决，则式 的概率就是