通信原理第7章数字带通传输系统1.ppt

1,第 7 章 数字带通传输系统, 7.0 引言, 7.2 二进制数字调制系统抗噪声性能, 7.1 二进制数字调制原理, 7.3 二进制数字调制系统的性能比较,2, 7.0 引言,在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种信道中传输，因此，必须用数字基带信号对载波进行调制，产生已调数字信号，才能在无线信道、光纤信道等媒质中传输。类似于模拟调制，有数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制。,3,数字调制是把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。利用数字脉冲信号对载波进行开关形式的控制而实现，故称数字键控。 载波的波形是任意的，但大多数的数字调制系统都选择单频信号作为载波，因为便于产生与接收。 常用的载波信号为 。,1、概念,4,2、数字调制分类,(1) 根据控制载波波形参量不同，分为：,振幅键控(ASK)用数字消息控制载波的振幅 频移键控(FSK)用数字消息控制载波的频率 相移键控(PSK)用数字消息控制载波的相位,(2) 根据已调信号频谱结构特点不同，分为：,线性调制(如ASK) 频谱结构相同，只不过搬移了一个频率位置，无新的频率成分出现。 非线性调制(如FSK) 频谱结构不同，有新的频率成分出现。,5,3、数字载波调制与模拟调制的异同,相同点：调制目的相同，都是进行频谱搬移，以适合信道传输；调制种类相同，都是通过改变载波的幅度、相位或频率达到调制的目的； 不同点：模拟调制是以模拟信号对载波参量作连续调制；数字调制是以数字信号对载波参量作离散调制。,6,7.1 二进制数字调制原理,7.1.1二进制振幅键控（2ASK),7.1.2二进制频移键控（2FSK),7.1.3二进制相移键控（2PSK),7.1.4二进制差分相移键控（2DPSK),7,7.1.1二进制振幅键控（2ASK) ASK: Amplitude Shift Keying,振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。 设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送1符号的概率为P，发送0符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为：,8,其中: 发送概率为P 发送概率为1-P,2ASK信号时域表达式,g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲,9,2ASK信号波形,2ASK信号波形,10,2ASK 调制方式,模拟调制方式,键控方式,也称 OOK 信号,开关K的动作由s(t) 决定，,11,2ASK 解调方式,非相干解调,带通滤波器（BPF）恰好使2ASK信号完整地通过。 低通滤波器（LPF）的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。 抽样判决器 包括抽样、判决及码元形成器。,12,13,2ASK 解调方式,相干解调,相干解调就是同步解调，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。,14,15,相干解调,低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。,16,2ASK频谱,设 e2ASK(t)的功率谱为P2ASK(f)，s(t)的功率谱为Ps(f)，则：,式（7.17）,推导,单极性的随即脉冲序列功率谱的一般表达式：,17,设 s( t ) 的功率谱密度为Ps ( f ), e0( t ) 的功率谱密度为 PE( f ),非严格推导：,证毕,18,矩形波形g(t)的频谱为：,当P=1/2时,（7.110）,19,2ASK频谱,20,2ASK信号的功率谱密度由离散谱和连续谱两部分组成。连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量确定。 2ASK信号的带宽B2ASK是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣，则有 B2ASK=2B=2fs =2*1/RB 2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。 2ASK系统的频带利用率为:,21,例 已知某OOK系统的传码率为103B，所用的载波信号为Acos(4103t)。(1)设传送数字信息为011001，画出相应的2ASK信号波形; (2)求2ASK信号的带宽。,(2)二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍,解：(1),22,7.1.2二进制频移键控（2FSK) (Frequency Shift-Keying),在二进制数字调制中，若正弦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，则产生二进制频移键控信号(2FSK信号) 。,“1” f1 “0” f2 FSK是用不同频率的载波来传递数字消息的。,23,1、 2FSK信号的表示,若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为:,24,是 an 的反码,将一路 2FSK信号看成两路 2ASK信号的合成,S1( t )为单极性信号,二进制移频键控信号的时域表达式为:,25,2FSK 信号波形,1 0 0 1 0 1 1,+ E V,S( t ),载波w1,2FSK,- E V,S1( t ),+ E V,0 V,+ E V,0 V,载波w2,26,2、2FSK 调制方式,模拟调制方式：,键控方式,2FSK信号的产生，可采用模拟调频电路来实现，也可采用数字键控的方法来实现。,27,28,3、2FSK 解调方法,非相干解调法（包络检波） （一路2FSK视为2路2ASK信号的合成） 相干解调法 鉴频法 过零检测法（2FSK特有） 差分检测法,29,3.1 2FSK 包络检波法解调,条件：| f1 - f2 | 2 fs,两个带通滤波器带宽皆为相应的2ASK信号带宽（中心频率不同)，起分路作用； 包络检测后分别取出它们的包络s(t) 及 ； 抽样判决器 起比较器作用。,演示,30,若上、下支路 及 的抽样值分别用v1、v2 表示，则抽样判决器的判决准则为：,31,图 2FSK非相干解调过程的时间波形,1,1,1,0,0,0,0,0,1,0,1,2FSK信号,v1,下支路全波整流,输出,v2,上支路全波整流,32,3.2 2FSK 相干解调,条件：| f1 - f2 | 2 fs,带通滤波器的作用同包络检波法，起分路作用; 抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值 进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。,33,3.3 2FSK信号的鉴频法,原理：鉴频器输出电压与输入信号频率偏移成正比。,抽样判决,34,3.4 2FSK 过零检测法,特点：“1”、“0” 码元对应的载波频率不同，即在单位时间内载波的过零点数目不同，利用此特点，还原基带信号。,思路：把过零数目不同转换为电压不同。,35,各点波形示意图,图 7-10 过零检测法原理图和各点时间波形,36,输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列； 微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点； 尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率； 低通滤波器得到脉冲波的直流分量。完成频率幅度变换，根据直流分量幅度还原出“1” “0”。,37,3.5 2FSK 差分检波法,差分检波法基于输入信号与其延迟的信号相比较,信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。 实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，其检测性能优于鉴频法。,38,近似分析法：2 路 2ASK 信号的叠加,4、2FSK 频谱结构,且 S1( t )、 均为 NRZ 信号，脉宽为Ts,当 p = 时,（7.1-21）,39,频谱图,f1,f1,40,相位不连续的2FSK信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成； 离散谱位于载频f1和f2处；连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加形成； 若|f1-f2|fs，连续谱在fc处出现单峰； 若|f1-f2|fs，则连续谱出现双峰。 所需传输带宽BFSK=|f1 -f2|+2 fs,41,例 设某2FSK调制系统的码元传输速率为1000B，已调信号的载频为1000Hz或2000Hz： 1）发送数字信息为011010，画出相应的2FSK信号波形； 2）这时的2FSK信号应选择怎样的解调方法。,解： 1）设载频1000Hz对应“1”,2000Hz对应“0”。,42,解： 2）由于2FSK载波频差|f2-f1|=1000=fs, 功率谱密度会出现单峰，频谱有较大重叠，用包络检测法不合适，上下两支路有较大串扰，调制性能降低，所以可以用相干解调或过零检测法解调。,例 设某2FSK调制系统的码元传输速率为1000B，已调信号的载频为1000Hz或2000Hz： 1）发送数字信息为011010，画出相应的2FSK信号波形； 2）这时的2FSK信号应选择怎样的解调方法。,43,7.1.3相移键控信号( 2PSK) PSK(Phase shift-keying),模拟调相：载波的相位随调制信号的变化而变化 数字相移：以载波不同的初始相位值去表示不同的数字信号。,一、相移原理,44,载波初相 ：每个码元起始时刻对应的载波相位,二进制相移键控（2PSK）,在二进制数字调制中，当正弦载波的相位(初相)随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常用已调信号载波的0和180分别表示二进制数字基带信号的0和1。,45,2PSK信号的时域表达式为： 式中，n表示第n个符号的绝对相位： 因此，上式可以改写为：,由于两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号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相乘。,46,式中 这里，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特性为 发送二进制符号“0”时(an取+1), e2PSK(t)取0相位;发送二进制符号“1”时(an取 -1)，e2PSK(t)取相位。以载波的不同相位直接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。,47,2PSK ：绝对移相信号,0 表示 “0”, 表示 “1”,载波初相,1 0 0 1 0 1 1,+ E,S( t ),- E, 0 0 0 ,48,模拟调制的方法 键控法,2PSK信号的调制器原理方框图,49,2PSK信号的解调器原理方框图和波形图：,50,波形图中，假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致。 由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为2PSK 方式的“倒”现象或“反相工作”。这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。,51,另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。 为了解决上述问题，可以采用7.1.4节中将要讨论的差分相移键控（DPSK）体制。,52,功率谱密度 比较2ASK信号表达式和2PSK信号表达式： 2ASK： 2PSK： 两者区别仅在于基带信号s(t)不同(an不同)，前者为单极性，后者为双极性。因此，可以直接引用2ASK信号功率谱密度的公式来表述2PSK信号的功率谱，即,53,由6.1.2节知，双极性的全占空矩形随机脉冲序列的功率谱密度为 将其代入上式，得:,注意，这里的Ps(f)是双极性矩形脉冲序列的功率谱。,54,若P =1/2，并考虑到矩形脉冲的频谱： 则2PSK信号的功率谱密度为,55,2PSK 频谱图,B2PSK = 2 fs,2PSK信号的频谱特性与2ASK的十分相似，带宽也是基带信号带宽的两倍。区别仅在于当P=1/2时，其谱中无离散谱(载波分量)，2PSK信号实际上相当于抑制载波的双边带信号。因此，可看作是双极性基带信号作用下的调幅信号。,56,7.1.4 二进制差分相移键控（2DPSK）,相对载波初相 ：后码元的载波初相2与前相邻码元载波初相1的差值, = 2 - 1,利用前后码元载波相位相对数值的变化也同样可以传送数字信息，这种方法称为相对调相。 2DPSK方式：利用前后码元载波相位相对数值的变化传送数字信息，所以又称相对相移键控。,57,假设为当前码元与前一码元的载波相位差，定义数字信息与 之间的关系为 于是可以将一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系示例如下：,58,相应的2DPSK信号的波形如下：,2DPSK信号的相位并不直接代表基带信号，而前后码元的相对相位才决定信息符号。,59,与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。 解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。这就避免了2PSK方式中的“倒 ”现象发生。,说明:,60,1 0 0 1 0 1 1,+ E,S( t ),- E,0, 0 0 0 ,2PSK,2DPSK,判,0 1 1 0 1 0 0,到 现象：,0,判,0 0 0 1 0 1 1,全错,错1位, 0 0 0,61,单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的，比如图717中2DPSK也可以是另一符号序列（见图中的相对码序列，而将原符号序列称为绝对码）经绝对移相而形成的。,相对码,62,只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息； 相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。这就为2DPSK信号的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。,63,相对相移本质上就是对差分码信号的绝对相移。那么，2DPSK信号的表达式与2PSK的形式应完全相同，所不同的只是此时式中的s(t) 信号表示的是差分码数字序列。即:,其中s(t)是由绝对码变换而成的相对码。,64,数字信息与之间的关系也可定义为 2DPSK信号的矢量图 在B方式中，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跳就能确定每个码元的起止时刻。,(a) A方式,(b) B方式,65,1 0 0 1 0 1 1,+ E,S( t ),- E,A 方式：,B 方式：,绝对码,相对码,参考点,0,0,1 1 1 0 0 1 0,码变换,66,2DPSK信号的产生方法 先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码（差分码），然后再根据相对码进行绝对调相，从而产生二进制差分相移键控信号。,相对