通信原理第6章.ppt

通信原理 第6章北京邮电大学txyl 6 1引言6 2二进制数字信号正弦型载波调制6 3四相移相键控6 4M进制数字调制6 5恒包络连续相位调制 第六章数字信号的频带传输 可以把数字调制看成是把第4章中的m t 变成第5章中的数字基带信号把第5章中数字基带信号的基带脉冲g t 换成频带脉冲 6 1引言 或者 6 2 1二进制启闭键控 OOK OOK传输 1 0 信息的方法是 用一个开关打开 ON 或关闭 OFF 载波的发射 OOK等价于 用单极性NRZ码b t 对载波fc进行DSB调制 OOK也等价于 用双极性NRZ码b t 对载波fc进行标准调幅 AM OOK还等价于 将单极性2PAM信号的脉冲变成频带脉冲 此处需要假设fc是Rb 1 Tb的整倍数 作为双极性2PAM信号b t 对载波的DSB调制 OOK信号的功率谱密度为 2 OOK信号的功率谱密度 图6 2 3单极性不归零码及OOK信号的双边功率谱密度 2 OOK信号的平均功率谱密度 3 OOK信号的接收及其误比特率 图6 2 4利用带通型匹配滤波器进行解调的最佳接收 带通匹配滤波器的传递函数表示为 条件概率密度函数 图6 2 5条件概率密度函数p y s1 及p y s2 最佳门限 最佳接收的平均误比特率公式 图中的低通滤波器可以换成匹配滤波器 另一种解调方法 先按DSB解出b t 再按5 3节的方法检测数据 频带信道的理想现限带特性是指在信道频带内幅频特性是恒定的 相频特性是线性相移 但信道的频带 在理想限带及加性白噪干扰信道条件下的最佳接收 在理想限带及加性白噪干扰信道条件下OOK信号的最佳频带传输系统 将图5 5 1调制到频带 图6 2 9OOK信号的非相干解调 OOK信号的非相干解调 用二进制数字基带信号去控制正弦载波的载频称为二进制移频键控 2FSK 此时 对应于传号与空号的载波频率分别为f1及f2 6 2 2二进制移频键控 2FSK 1 相位不连续的2FSK信号 图6 2 16利用VCO做调频器产生连续相位2FSK信号 2 相位连续的2FSK信号 复包络 2FSK中s1 t 与s2 t 两信号波形之间的互相关系数 3 2FSK两个信号波形之间的互相关系数 2FSK的两信号之间的互相关系数是两载频的频率间隔 f f 2 f 的函数 在 0时 表示s1 t 与s2 t 正交 此时的两载频的最小频率间隔为 图6 2 172FSK两信号的互相关系数 与两载波间隔2 f之间的关系 2FSK信号的近似带宽由卡松公式给出 4 2FSK信号的带宽 假设以数字基带信号功率谱密度的主瓣宽度为带宽B 则B Rb 于是 2FSK信号的带宽是 最佳接收中的解调是利用带通型匹配滤波器或相关解调器 如下图所示 5 2FSK信号的解调及其误比特率 1 在加性白噪干扰下正交2FSK的最佳接收 图6 2 14在加性白噪信道条件下2FSK的最佳接收 上支路匹配滤波器的冲激响应为 下支路匹配滤波器冲激响应为 h1 t s1 Tb t h2 t s2 Tb t 条件概率密度函数 最佳接收的平均误比特率计算公式 2 2FSK信号的非相干解调 FSK信号的非相干解调方案有两个 一是由鉴频器对它进行解调 常用锁相环作鉴频器 另一是用包络检波方案 图6 2 162FSK信号的非相干解调 6 2 3二进制移相键控 2PSK或BPSK 图6 2 172PSK信号的产生框图 1 2PSK信号的产生及其功率谱密度 2PSK信号表示式为平均功率谱密度 图6 2 23在加性白高斯噪声干扰信道条件下2PSK的最佳接收 2 2PSK信号的接收 Y的条件概率密度函数 图6 2 20条件概率密度函数p y s1 及p y s2 2PSK最佳接收的平均误比特率为 在理想限带及加性白高斯噪声干扰的信道条件下 2PSK的最佳频带传输系统框图 平均误比特率计算公式 图6 2 27平方环法提取载波 6 2 42PSK的载波同步 1 平方环法 图6 2 23利用COSTAS环从2PSK信号中提取载波 2 科斯塔斯 COSTAS 环法 在2PSK相干解调时 利用上述两种方法所恢复的载波有可能与接收的2PSK信号的载波同频同相 也可能会发生同频反相的情况 这种恢复载波的相位不确定关系称为相位模糊 为了解决此问题 采取的措施之一是利用差分移相键控 DPSK 调制方案 3 恢复载波的相位模糊问题 图6 2 30DPSK信号的产生 6 2 5差分移相键控 DPSK 1 DPSK信号的产生 DPSK的特点是利用在当前比特的载波相位 n与前一比特的载波相位 n 1的相位差 n n 1 来传递当前的绝对码 bn 2 DPSK信号的平均功率谱密度 DPSK信号的平均功率谱密度与2PSK信号的平均功率谱密度是相同的 图6 2 26DPSK解调的两种方案 3 DPSK信号的解调 绝对移相键控系统的Pb很小时 DPSK的平均误比特率近似等于2倍的2PSK的平均误比特率 在实际应用中 经常用DPSK代替2PSK 因为DPSK不受恢复载波的相位模糊对相干解调的影响 4 DPSK解调的平均误比特率 6 3 1四相移相键控 QPSK 1 QPSK信号的产生 四相移相键控 QPSK 信号的正弦载波有4个可能的离散相位状态 每个载波相位携带2个二进制符号 其信号表示式为 返回目录 图6 3 2产生QPSK信号的正交调制原理图 公式6 3 2 由于QPSK信号是由两正交载波的2PSK线性叠加而成 所以QPSK信号的平均功率谱密度是同相支路及正交支路2PSK信号平均功率谱密度的线性叠加 2 QPSK信号的平均功率谱密度 QPSK功率谱为 在给定信息速率为Rb条件下 2PSK及QPSK双边功率谱密度 1 在加性白高斯噪声信道条件下QPSK最佳接收平均误比特率计算公式 3 QPSK信号的解调及其平均误比特率 图6 3 5QPSK信号的最佳接收框图 2 在理想限带及加性白高斯噪声干扰的信道条件下QPSK最佳接收 最佳平均误比特率计算公式 6 3 3偏移四相移相键控 OQPSK 1 OQPSK调制 产生OQPSK信号的框图 OQPSK的功率谱与QPSK的相同 2 OQPSK信号的平均功率谱密度 OQPSK最佳接收的平均误比特率与QPSK的相同 图6 3 13OQPSK最佳接收框图 3 OQPSK的最佳解调及其误比特率 在实际的频带传输系统中 由于信道的频率资源有限 因而要求有效地利用信道频带 希望尽量提高信道频带的利用率 在有限的信道频带内 传输高速数据 为此 必须采用M进制数字调制方式 将高速的二进制码经过M进制 M 2 数字调制后 使已调信号频带达到给定的限带要求 6 4M进制数字调制 返回目录 6 4 1数字调制信号的矢量表示 1 正交矢量空间 正交矢量空间可用下式表示 定义 若信号波形是实信号 两信号波形的互相关系数为 2 正交信号空间 两信号波形或两信号矢量之间的距离 OOK信号 波形表示式为 3 M进制线性数字调制信号波形的矢量表示 归一化正交基函数为 正交展开式为 一维矢量表示式为 两信号矢量之间的欧氏距离 数字通信系统中 按照使平均错判概率最小的要求 应用统计的方法来设计最佳接收 这就是统计判决理论应用在数字通信中所要解决的问题 6 4 2统计判决理论 1 问题的提出 步骤如下 1 作出 假设 2 信道的转移概率 3 选择合适的判决准则 4 最佳地划分判决域 5 最佳判决 2 统计判决理论简述 判决规则 3 最小平均错判概率及MAP准则 图6 4 4信号波形的产生及系数的恢复 6 4 3加性白高斯噪声干扰下M进制确定信号的最佳接收 6 4 4M进制振幅键控 MASK 1 MASK信号的产生及其功率谱密度 图6 4 8MASK信号的产生框图 MASK信号的平均功率谱密度是将MPAM基带信号的平均功率谱密度搬移到载频上 MPAM基带信号的平均功率谱密度 MASK信号平均功率谱密度的特点是 主瓣宽度仅与M进制符号速率Rs 1 Ts有关 由于Rs Rb K 所以MASK信号的功率谱主瓣宽度为2Rs 2Rb K 2 MASK信号的正交展开及其矢量表示 MASK信号表示式 归一化正交基函数为 一维矢量表示式为 MASK的各信号波形或信号矢量之间的欧氏距离 3 MASK的最佳接收及其误码率 在加性白高斯噪声信道条件下 接收信号为 由于MASK信号可用一维矢量表示 所以对它的最佳接收 只要将接收波形r t 变换为一维观察矢量r1 然后根据r1 并利用MAP准则进行统计判断 就可使得平均错判概率最小 图6 4 11最佳接收框图 若M进制符号与K个二进制符号之间符合格雷编码规则 那么MASK信号矢量与所携带的K个二进制符号之间也符合格雷编码规则 则在Eb N0比较大时 由于噪声引起错判 在K个比特中仅错一个比特 于是平均误比特率为 6 4 5M进制移相键控 1 MPSK信号的矢量表示及其功率谱密度 MPSK信号的二维矢量表示 MPSK信号的二维矢量表示 MPSK信号的产生 图6 4 16产生8PSK信号的原理框图 MPSK信号的平均功率谱密度 图6 4 18MPSK单边功率谱密度 仅画正频率 接收信号为 2 MPSK信号的最佳接收及其误符率 二维矢量表示为 图6 4 19MPSK的最佳接收框图 MPSK的平均误比特率与平均误符率之间的关系为 综上所述 MASK的信号空间是一维空间 信号矢量的端点分布在一条直线轴上 MPSK的信号空间是二维 信号矢量的端点分布在一个圆上 在发送信号平均比特能量给定时 随着M的增大 信号矢量端点之间的欧氏距离也随之减小 MQAM信号波形的二维矢量表示 6 4 6正交幅度调制 1 MQAM信号的矢量表示及功率谱密度 图6 4 23矩形星座MQAM信号的产生 图6 4 25MQAM信号的复包络的平均功率谱密度 单边功率谱 MQAM功率谱主瓣宽度为2Rs Rs Rb K 在给定信息速率Rb时 随着M的增加 MQAM的功率谱主瓣宽度变窄 使得频带信道的频带利用率提高 数字调制信号的频带利用率 所传输的信息速率与已调信号频带宽度B之比 2 矩形星座MQAM信号最佳接收及其误符率 图6 4 26最佳接收框图 MQAM的误符率 综上所述 MASK MPSK 及MQAM的频带利用率相同 但在相同的Eb N0条件下