数字频带传输系统.ppt

第7章数字频带传输系统,引言,数字调制的两种方法：相乘法-利用模拟调制的方法；键控法-利用数字信号离散取值的特点，通过开关键控正弦载波的参量。,基本调制方式：,振幅监控（ASK）,频移键控（FSK),相移键控（PSK）,在二进制调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种可能的取值。此外，还有多进制数字调制和新型数字调制。,7.1二进制数字调制原理,7.1.1二进制振幅键控（2ASK）,原理：利用载波的幅度变化（两种）来传递数字信息（1和0），而载波的频率和初始相位保持不变。,波形：,表达式：,或,单极性基带信号,单极性基带信号,其中，an为第n个码元的电平取值。若,则相应的2ASK信号又称做OOK（On-OffKeying）信号。,调制,解调,（a）OOK信号的非相干解调,（b）OOK信号的相干解调,注意：判决规则应与调制规则相呼应。,7.1.2二进制移频键控（2FSK）,原理：利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，正弦载波的频率随二进制基带信号在和两个频率点上变化。,波形：,7.1二进制数字调制原理,表达式：,2FSK信号可视为两个不同载频的2ASK信号的叠加,模拟调频法（略）键控法：用基带信号及其反相分别控制两个选通开关，从而对两个独立的载波振荡器进行选通，使其在每一个码元期间输出频率为或的两个载波之一，如图所示：,调制：,键控法的特点是转换速度快、电路简单、产生的波形好、频率稳定度高，故被广泛采用。但这种方法产生的2FSK信号在相邻码元交界处的相位不一定连续。,其解调原理是将2FSK信号分解为两路2ASK信号分别进行解调，然后进行抽样判决。,解调：非相干解调和相干解调,2FSK非相干解调（包检）过程的时间波形：,此外，2FSK信号还有其他解调方法，比如：鉴频法、差分检测法、过零检测法等。,FSK在数字通信中应用较为广泛，尤其适用于衰落信道（如短波无线电信道）的场合。国际电信联盟（ITU）建议在数据率低于1200bit/s时采用2FSK体制。,应用：,7.1.3二进制相移键控（2PSK）,原理：,或,双极性基带信号,7.1二进制数字调制原理,波形：,表达式：,调制：,解调：,在相干解调中，接收端必须提供一个本地载波c(t)（详见第9章）。由于c(t)应与调制载波同频同相，所以把c(t)称作同步载波或相干载波。,2PSK存在问题：,采用差分相移键控（DPSK）体制。,解决方案：,7.1.4二进制差分相移键控（2DPSK）,原理：利用相邻码元载波相位的相对变化传递数字信息的，所以又称2DPSK为相对相移键控。,示例,若初始参考相位不同，则2DPSK信号的相位也不同。这说明，2DPSK信号的相位并不直接代表信息，而相邻码元载波相位的相对变化才是唯一决定信息符号的因素。,7.1二进制数字调制原理,设为当前码元与前一码元的载波相位差，并定义：,波形：,调制：,先进行差分编码（把绝对码变换成相对码），然后进行绝对调相。,解调：,（1）2DPSK相干解调+码反变换（差分译码）,（1）2DPSK相干解调码反变换原理框图及各点波形：,（2）2DPSK差分相干解调（相位比较法）,原理图及其各点波形：,7.1.5二进制数字已调信号的功率谱,分析目的：B和fc分量,分析方法：借用基带信号的功率谱,12ASK信号的功率谱,借助第6章图6-6（a）所示的单极性矩形脉冲序列的功率谱，将其平移到载频fc处，便可得到2ASK信号的功率谱，如下图所示：,7.1二进制数字调制原理,2ASK信号的功率谱由离散谱（即载波分量）和连续谱两部分组成。,2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍，谱零点带宽为,2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。,其中，是基带信号的谱零点带宽。,1、2FSK信号的离散谱位于两个载频f1和f2处；,2、连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化；,3、谱第一个零点宽为,22FSK信号的功率谱,它与2ASK的表示形式完全一样，区别仅在于这里的S(t)为双极性。,因此，2PSK信号的频谱特性与2ASK的十分相似，,当等概率发送信息时，2PSK谱中无离散谱。,2DPSK与2PSK信号具有相同的功率谱。,带宽均为基带信号带宽的两倍。,3.2PSK与2DPSK信号的功率谱,【例7-1】发送的二进制信息为10101，码元速率为1200baud，试求：,（3）计算2ASK、2PSK、2DPSK和2FSK信号的带宽和频带利用率。,（2）当2FSK的两个载波频率分别为1200Hz和2400Hz时，画出其时间波形；,（1）当载波频率为2400Hz时，试分别画出2ASK（OOK）、2PSK及2DPSK信号的时间波形；,解（1）,7.1二进制数字调制原理,（2）设1200Hz“1”、2400Hz“0”，,（3）2ASK、2PSK和2DPSK带宽和频带利用率为,2FSK信号的带宽和频带利用率为,目的：为选择适宜的调制和解调方式提供一定的参考依据。,7.2.1抗噪性能-误码率,7.2二进制数字调制系统性能比较,讨论：,对于相同的调制方式，但随着r增大，两者性能相差不大。,对于相同的解调方式（相干解调），抗高斯白噪声性能优劣的顺序是：2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,（图7-21误码率与信噪比的关系曲线）,为解调器输入端的信噪比,7.2.2有效性带宽和频带利用率,2FSK的带宽不仅与基带信号带宽有关，而且与信号的两个载频之差有关。,在码元速率相同的情况下，2FSK系统的频带利用率最低，有效性最差。,7.2.3对信道特性变化的敏感性,2ASK：,，易受信道参数变化的影响。2ASK不适于在变参信道中传输。,2PSK：,（等概时），不易受信道参数变化的影响。,2FSK：,对信道的变化不敏感，适用于变参信道传输场合。,综述：,选择调制和解调方式时需要考虑的因素较多。需全面考虑，抓主要。,7.3多进制数字调制原理,二进制调制是一种最基本的数字调制方式，具有较好的抗干扰能力。二进制的每个码元只携带1bit信息，因此频带利用率不高。,二进制：,为了提高信道的频带利用率，可采用多进制数字调制方式。,多进制：,每个码元携带携带的信息量,优点：,缺点：,误码率增大（因为判决范围减小）；系统复杂。,在信息速率一定时，通过增加进制数M，可以降低码元速率，从而减小信号带宽、节约频率资源。,在码元速率一定时，通过增加进制数M，可以增大信息速率，从而在相同的带宽中传输更多比特的信息，提高频带利用率。,7.3.1多进制振幅键控（MASK）,MASK可看成是二进制振幅键控（2ASK）的推广。,且有,例如：一种4ASK信号的时间波形,7.3多进制数字调制原理,4ASK信号的振幅有4种可能的取值，每个码元含有2bit的信息。,MASK的调制:,与2ASK的产生方法相似，区别在于发送端输入的二进制数字基带信号需要先经过电平变换器转换为M电平的基带脉冲，然后再去调制。,MASK的解调:,与2ASK信号解调也相似，有相干解调和非相干解调两种。,MASK的抗噪声能力差，现常用多进制正交振幅调制（MQAM）来代替。,7.3.2多进制频移键控（MFSK）,MFSK是2FSK方式的扩展。,例如：4FSK中，采用4种不同的频率分别表示双比特信息，如下图所示。,MFSK调制与解调的原理框图如下图所示：,7.3多进制数字调制原理,要求载频之间的距离足够大，以便用滤波器分离不同频率的谱,因此，MFSK信号占用较宽的频带，信道频带利用率不高。,MFSK一般用于调制速率不高的场合。,7.3.3多进制相移键控（MPSK/MDPSK）,多相调制是利用载波的M种不同相位来表示数字信息的。,信号矢量图（星座图）：,7.3多进制数字调制原理,在2PSK中，载波相位只有2种取值，分别代表1和0；,在4PSK中，载波相位有4种，分别表示双比特信息：00、01、10和11。,在8PSK中，载波相位有8种，分别表示八进制码元，每个码元包含3bit的信息。,随着进制数M的增加，多相制信号可以在相同的带宽中传输更多比特的信息，从而提高频带利用率。,随着进制数M的增加，星座图上的相邻信号点的距离会逐渐减小（相当于噪声容限减小），导致抗噪声性能下降。设备也复杂。,4PSK信号的产生与解调：,4PSK，也称正交相移键控QPSK，是利用载波的4种不同相位来表示数字信息的。,4PSK的每一种载波相位代表两个比特（00、01、10或11）。,两个比特的组合称做双比特码元，记为ab。,双比特ab与载波相位的关系如表7-2所列：,正交调相法：QPSK信号可视为两个互为正交的2PSK信号的合成。,相位选择法：逻辑选相电路根据双比特码元ab的不同，选择相应某个相位的载波输出。,QPSK解调：可分解为两路2PSK信号的解调。,解决方案：采用四相相对相位调制，即4DPSK方式。,4DPSK信号的产生与解调：,4DPSK（QDPSK）是利用相邻码元之间的相对相位变化来表示数字信息的。,QDPSK信号的一种时间波形如下图所示：,QDPSK调制：,在QPSK的调制框图中的串/并变换器之后插入双比特的码变换（差分编码器）将输入的绝对码双比特码元ab转换成相对码双比特码元cd，即可。,QDPSK也有调相法和相位选择法。下图为“码变换+调相法”原理图：,QDPSK解调：,在QPSK解调框图中的并/串变换器之前插入双比特的码反变换（差分译码器）将相对码cd变换成绝对码ab，即可。下图为“相干解调+码反变换”原理图：,此外，与2DPSK一样，4DPSK的解调也有差分相干解调方式，如下图所示：,7.4几种现代调制方式简介,7.4.1正交振幅调制（QAM）,需求背景：,在MPSK方式中，随着M的增大，频谱利用率提高了，但相邻相位的距离逐渐减小，误码率难以保证。为了改善M较大时的抗噪声性能，并进一步提高频谱利用率，发展出了正交振幅调制（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）技术。,QAM是一种振幅和相位联合键控的调制方式，其频谱利用率高，在中大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。,设计思想：,由图7-26所示的4PSK或8PSK的星座图可见，所有信号点（图中黑点）平均分布在一个圆周上，信号点所在的圆周半径就等于该信号的幅度。显然，在信号幅度相同（功率相等）的条件下，8PSK相邻信号点的距离比4PSK的小，并且随着的增加，星座图上的相邻信号点的距离会越来越小。这意味着在相同噪声条件下，系统的误码率增大。,那么，如何增大相邻信号点的距离，以减小误码率呢？,容易想到的一种解决办法是，通过增大圆周半径（即增大信号功率）来增大相邻信号点的距离，但这种方法往往会受发射功率的限制。,一种更好的设计思想是在不增大圆半径基础上（即不增加信号功率），重新安排信号点的位置，以增大相邻信号点的距离。,实现这种思想的可行性方案就是正交振幅调制（QAM）一种把ASK和PSK结合起来的调制方式。,举例比较：,16QAM信号和16PSK信号的星座图：,设两者的最大振幅为AM，则16QAM信号点的最小距离为,而16PSK信号点的最小距离等于,此最小距离代表着噪声容限的大小，而噪声容限越大，表明抗噪声性能就越强。,比较：,在最大振幅（功率）相等的条件下,即16QAM比16PSK信号的噪声容限大。这表明，16QAM系统的抗干扰能力优于16PSK。,16QAM信号的产生与解调：,在QAM中，载波的振幅和相位同时受基带信号控制，它的一个码元可以表示为,（7-4-3）,式（7-4-3）可以展开为,（7-4-4）,式（7-4-4）表明，MQAM可以看作是两路正交的L进制振幅键控（ASK）信号之和。而16QAM信号可以用两个正交的4ASK信号相加得到。,图7-3516QAM信号的调制原理框图,图7-3616QAM信号解调原理方框图,QAM信号的频带利用率：,（7-4-5）,（7-4-6）,式（7-4-5）和式（7-4-6）也适用于其他线性数字调制信号。,7.4.2最小频移键控（MSK）,基本原理：,需求背景：,为了克服2FSK的相位不连续、占用频带宽和功率谱旁瓣衰减慢等缺点，提出了2FSK的改进型最小频移键控（MSK）。,MSK是一种包络恒定、相位连续、占用带宽最小并且严格正交的2FSK信号。,表达式,（7-4-7）,7.4几种现代调制方式简介,附加相位,相位约束条件,信号频率,两者的频差为,它等于码元速率（1/Ts）的一半，是保证2FSK的两个信号正交的最小频率间隔，相对应的调制指数为,注：所谓“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数（0.5）获得正交信号；正交的信号，接收时便于分离。,【例7-2】设发送数据序列为0010110101，采用MSK方式传输，码元速率为1200Baud，载波频率为2400Hz。,（1）试求“0”符号和“1”符号对应的频率；,（2）画出MSK信号时间波形；,（3）画出MSK信号附加相位路径图（初始相位为0）。,解：,（1）设“0”符号对应频率f0，“1”符号对应频率f1，则有,（2）由于,所以MSK信号时间波形如图7-37所示。,MSK产生：,由式（7-4-7）进行三角函数展开，可以得到MSK信号的正交表示形式为,（7-4-16）,根据式（7-4-16）构成的MSK正交调制原理图如下图所示：,MSK解调：,由于MSK信号是一种2FSK信号，所以它也像2FSK信号那样，可以采用相干解调或非相干解调方法。下图为MSK信号相干解调器原理图。,MSK信号的功率谱：,MSK信号的归一化单边功率谱密度的计算结果如下：,由图可见，与QPSK信号相比，MSK信号的功率谱密度更为集中，即其旁瓣下降得更快，故它对于相邻频道的干扰较小。,MSK、GMSK和QPSK等信号的功率谱密度如图：,MSK信号的特点：,（1）信号包络是恒定的；,（2）信号相位在码元转换时刻是连续的；,（4）信号在每一码元周期内包含的波形周期数必须是1/4载波周期的整数倍，即,（5）与QPSK和2PSK信号相比，MSK信号的功率谱密度更为集中，即旁瓣下降得更快，故它对于相邻频道的干扰较小。,GMSK：,为了进一步使信号的功率谱密度集中和减小对邻道的干扰，可以在进行MSK调制之前，用一个高斯型的低通滤波器对输入基带矩形信号脉冲进行处理，这样的体制称为高斯最小移频键控（GaussianFilteredMinimumShiftKeying，GMSK）。,GMSK方式的功率谱密度比MSK的更加集中，旁瓣进一步降低（参见图7-41），能满足蜂窝移动通信环境下对带外辐射的严格要求。,7.4.3正交频分复用（OFDM）,OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一种多载波调制技术，具有较强的抗多径传播和抗频率选择性衰落的能力以及较高的频谱利用率，在高速无线通信系统中得到了广泛应用。,多载波与单载波调制：,单载波调制,是将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送，前面介绍的各种数字调制方式都属于单载波体制。,缺点：在高速数据传输的宽带业务中，受信道特性不理想而产生码间串扰（ISI）。如果采用传统的均衡技术来解决这一问题，需要引入复杂的均衡算法。此外，由于高速数据信号的码元持续时间短（小于信道的最大多径迟延），还会造成频率选择性衰落。,解决途径之一就是采用多载波传输技术。,7.4几种现代调制方式简介,多载波调制（MCM）,是将信道分成N个子信道，将高速数据信号串/并变换为N路速率较低的子数据流，然后分别调制到每个子信道上进行并行传输。由于每个子数据流的速率降低为原