现代通信原理课件

2019/4/18,1,现代通信原理,西南科技大学信控学院 YAOYCH263.NET,2019/4/18,2,现代通信原理,第十章 数字信号的载波传输(2),2019/4/18,3,10.3 二进制数字调制的误比特率,对于二进制的数字调制2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK；采用相干解调或非相干解调的解调方式。都有不同的误码率计算公式。,2019/4/18,4,10.3.1 二进制最佳接收的误比特率,假设二进制调制信号由S1(t)和 S2(t)两种波形 组成。 再生判决前， S1(t)的均值为m1， S2(t)的均值 为m2 判决前的噪声功率：,2019/4/18,5,似然函数,最佳判决电平,2019/4/18,6,总误码比特：,令ES1、ES2分别为S1(t)、 S2(t)在一个码元周期内 （0tTS）的能量。,2019/4/18,7,为相关系数，表示两个波形的相似程度。,最小误比特率Pb,若ES1=ES2=Eb,2019/4/18,8,1、对于2ASK,表示两个波形的相似程度为0,若ES1=ES2=Eb,2019/4/18,9,2、对于2PSK,2019/4/18,10,2019/4/18,11,3、对于2FSK 经过推导：,Eb/n0是单比特的平均信号能量与单边噪声谱密度 之比，与S/N有一定的换算关系。 综上所述，在相同信噪比的条件下，2PSK比2ASK 和2FSK的误码率小。,2019/4/18,12,10.3.3 信噪比、 Eb/n0和带宽 1、信噪比和 Eb/n0之间的关系,S/N是信号平均功率与噪声平均功率之比。 Rb/B是单位带宽的比特率。,2019/4/18,13,2、带宽的几种定义 （1）半功率（3dB)带宽（B1） 在信号功率下降到最大值一半的的两个频点之差。 （2）等效噪声带宽（B2） 以功率谱峰值为高度，等效噪声带宽为宽度的矩形面积应等于总的信号功率 （3）谱零点带宽（B3） 以功率谱的主瓣为宽度。,2019/4/18,14,（4）功率比例带宽（B4） 以带外信号功率占总功率的某一百分比来 定义。 （5）最低功率谱密度带宽（B5） 以最小功率谱密度低于峰值多少分贝来定义。,几种不同定义带宽的示意图见下页。,2019/4/18,15,2019/4/18,16,10.4.多进制数字调制,对于二进制调制，能发送的符号有两种，一个波形周期（0，TS）内只能发送一个二进制符号。频带利用率只能达到2b/S/HZ。 对于高速传输，为了提高频带利用率，多采用多进制调制方法，在一个波形周期（0，TS）内发送多个二进制符号。频带利用率能成倍增加。 如4PSK（QPSK），载波有（0，/2， ， 3/2）四种不同的初相，可以在一个波形周期（0，TS）内发送2个二进制符号（00，01，10，11）。频带利用率能达到4b/S/HZ。,2019/4/18,17,8PSK，载波有（0， /4， /2， 3/4， ， 5/4 ，3/2， 7/4 ）八种不同的初相，可以在一个波形周期（0，TS）内发送3个二进制符号（000，001，010，011，100，101，110，111）。频带利用率能达到6b/S/HZ。 还有16PSK、32PSK，由于用载波的一个周期可以一次传输多位的二进制代码，提高了频带利用率，可用于高速系统。,2019/4/18,18,10.4.1多进制幅度键控(MASK),载波幅度有M种取值，（0，TS）间可以发送一种 幅度的载波信号，含有n位二进制信息， M=2n,2019/4/18,19,10.4.多进制相移键控(MPSK),1、MPSK的表述： 对于矩形包络的MPSK，已调信号的时域表达式：,ES-单位符号的信号能量 TS-周期,（n)为载波初相，对于不同进制调制，有不同 的取制，见下图,2019/4/18,20,PSK 信号的矢量图,2019/4/18,21,已调信号经过和角展开,2019/4/18,22,MPSK信号可看作两个正交载波进行MASK调制后信号 的叠加。,令,MPSK信号可以用矢量图来描述，以00载波作为 参考矢量，多进制数用一组圆周上等距的点来表示。 如图10-33所示。称为星座图。,2019/4/18,23,2019/4/18,24,2.MPSK的调制方式：主要有以下三种: 1、正交调制法 2、相位选择法 3、脉冲插入法 1、正交调制法 QPSK（4PSK），是最常用的MPSK，分为/2系统 和/4系统两种。 各自的调制方框图如下。 其中串/并变换电路将QPSK调制的两位编码按比 特分开，走上下两路，各自去调制相互正交的正弦波 ，再进行矢量合成。,2019/4/18,25,/2系统：四个初相为（0， /2， ， 3/2）,2019/4/18,26,/4系统：四个初相为（ /4 ， 3/4， 5/4， 7/4）,2019/4/18,27,8PSK的调制,2019/4/18,28,3比特码被分成三路。 b1,b21组合决定了合成矢量的象限， b1b2=11，合成矢量在第一象限； b1b2=01，合成矢量在第二象限。 b1b2=00，合成矢量在第三象限。 b1b2=10，合成矢量在第四象限。 B3控制了电平产生器的输出幅度，当 b3=1，I路电平幅度为0.924 Q路电平幅度为0.382 b3=0，I路电平幅度为0.382 Q路电平幅度为0.924,2019/4/18,29,合成结果:,2019/4/18,30,2、相位选择法,2019/4/18,31,3、脉冲插入法,主振频率振荡在4倍频上，,2019/4/18,32,推动脉冲：使第二次分频后倒相，相当于相移 /2推动脉冲：使第一次分频后倒相，相当于相移/2。 当b1b2=11，逻辑控制电路既不产生推动脉冲又不产生 /2推动脉冲，使载波初相为0。 当b1b2=10，逻辑控制电路不产生推动脉冲只产生/2 推动脉冲，使载波初相为/2 。 当b1b2=00，逻辑控制电路将不产生/2推动脉冲只 产生推动脉冲，使载波初相为 。 当b1b2=01，逻辑控制电路将既产生推动脉冲又 产生/2推动脉冲，使载波初相为3/2 。,2019/4/18,33,3.MPSK的解调 （1）、QPSK的解调,2019/4/18,34,采用了相关滤波器，上支路与同相信号匹配， 下支路与正交信号匹配。 位定时恢复信号确定了匹配滤波的积分界限。 并/串转换电路将发送时分开的比特进行间插。,2019/4/18,35,2019/4/18,36,8PSK的解调,2019/4/18,37,1、根据信号所在的相限来判决b1b2的值。 2、根据信号在=-/4的一组正交轴上的 投影来判决b3的值。,2019/4/18,38,10.4.3多进制数字调频(MFSK),SMFSK(t)=Acosit i=0,1,M-1,发送端,2019/4/18,39,接收端,2019/4/18,40,10.4.4 幅相结合的多进制调制（MQAM）,1、正交幅度调制 （1）、单独的幅度键控ASK，在矢量图上只利用了 坐标轴上的点。 （2）、单独的相移键控PSK，在矢量图上只利用了 圆周上的点。 当M增多，点会越来越密，误码也会随之增加，所 以要充分利用平面，将矢量点合理分布，引出幅度和 相位结合的多进制调制方式MQAM。,2019/4/18,41,1、MQAM和MPSK的性能比较 如图所示16PSK和16QAM。 设d为星座图上两点间的距离，设在r=1的圆内有 有M个点。有：,当M=4时，,2019/4/18,42,星座图,当M4时，,距离越大，抗误码性能越好。,2019/4/18,43,1.时域表达式,2.多电平QAM信号的产生,2019/4/18,44,QAM信号产生原理,2、QAM信号的调制和解调方式,2019/4/18,45,16QAM的星座矢量图,2019/4/18,46,10.5 几种新型数字调制方法介绍,（1）偏移四相相移键控（OQPSK） 由于信号输入的随机性，QPSK四个信号点的任何过渡都是可能的。00-11，11-00，10-01，01-10，都是对角线过渡（在星座图上），造成1800过渡点。 当通过窄带传输后，这一点将造成最大的包络起伏，如图所示。包络起伏将造成信号频谱扩展，对相邻信道信号产生干扰，所以QPSK不是理想的调制方式。,2019/4/18,47,2019/4/18,48,采取恒包络调制，在QPSK中就是要消除对角线过渡。 OQPSK属于恒包络调制，调制方框如图所示。,2019/4/18,49,对Q通道编码延时一个bit后，波形如图所示，将QPSK的10-01-00-10-01变成了OQPSK的11-10-00-01-01-00-10-10-00-01。消除了对角线过渡。,2019/4/18,50,（2）最小频移键控（MSK） 另一种恒包络调制形式MSK，源于FSK。 对于利用两个独立的振荡源产生的FSK信号，通常情况下在频率转换点上的相位不连续，如图所示。 相位不连续点由于变化快（频率高），通过限带系统的滤波后将产生功率损失，在功率谱上产生包络起伏，为克服上述缺点，需控制相位的连续性。,2019/4/18,51,MSK是2FSK的一种特殊情况，它具有正交信号的最小频差，在相邻符号交界处相位保持连续。 连续相位的2FSK信号表示为：,2019/4/18,52,式中 为随时间连续变化的相位。 当脉冲时宽为TB，对于频率分别是f1和f2的2FSK，要满足连续相位条件，就要求在一个码元期间，频率差而产生的相位差为1800的整数倍。有下式成立：,2019/4/18,53,最小频移键控（MSK）,若频差产生的相移在1个脉宽内能保证是 ，就能保证波形的连续性。 能保证波形连续的最小频差称为最小频差。,2019/4/18,54,即正交最小频差,设,MSK信号可以表示为:,式中,分别表示二进制信息“1”和“0”,2019/4/18,55,由上式可知，MSK信号在每个信息比特间隔内载波相位变化+900或-900，取决于二进制信息“1”或“0”，假设初相为0，相位随时间变化的规律可用如下图所示的网格图表示，图中粗线所对应的信息序列为1101000。,2019/4/18,56,MSK信号也可以看成是一种特殊类型的OQPSK。在MSK中，OQPSK的两路基带信号的矩形脉冲被正弦形脉冲所取代，可以表示为：,设an,bn为信息经过串并变换后的两个序列，取值为双极性（+/-1），rect为矩形函数。,2019/4/18,57,MSK调制器方框图如图所示：,2019/4/18,58,MSK的调制过程,先将输入的基带信号进行差分编码，然后将其分成I、Q两路，并互相交错一个码元宽度，再用加权函数cos（t/2Tb）和sin（t/2Tb）分别对I、Q两路数据加权，最后将两路数据分别用正交载波调制。,2019/4/18,59,MSK解调器方框图如图所示,2019/4/18,60,QPSK、OQPSK和MSK信号中的同相和正交信号比较图,2019/4/18,61,（3）高斯滤波最小频移键控（GMSK） 为了使MSK的带外频谱特性衰减的更快，GMSK调制在MSK调制的基础上作了改进，二进制矩形脉冲先通过高斯滤波，使其变成高斯形脉冲，然后进入MSK调制器。GMSK调制在公共移动通信系统中被广泛应用，并且被确定为欧洲新一代移动通信的标准调制方式。GMSK的的相位轨迹如图所示。,2019/4/18,62,GMSK的的相位轨迹图,2019/4/18,63,自测题,（1） 二进制绝对调相与相对调相的区别是什么？ （2） 二进制相对调相（2DPSK）采用相干解调和差分相干解调的区别是什么？误比特性能有什么差别？ （3） 比较2ASK、2FSK和BPSK的误比特率性能和频带利用率。 （4） 举出BPSK相干解调时的一种载波恢复电路。 （5） 为什么要采用匹配滤波器？,2019/4/18,64,（6） EB/NO的含义是什么？写出它与S/N之间的关系式。 （7） 画出8PSK信号的星座图。 （8） 画出QPSK信号的调制器方框图。 （9） MPSK和MQAM的频谱利用率是2ASK的几倍？ （10） 比较MPS