通信产品分析与应用 第四章.ppt

第四章数字调制解调器的应用 4 1概述4 2二进制振幅键控2ASK4 3二进制频移键控2FSK4 4二进制相移键控2PSK4 52ASK2FSK2PSK性能比较4 6多进制数字调制4 7数字频带调制新技术 4 1调制的基本概念 什么是调制 调制波 载波 已调波的含义是什么 为什么要调制 有哪些调制种类 有哪些解调方式 调制前后的信号发生了什么变化 4 1调制的基本概念 一 什么是调制 载波调制 用携带信息的基带信号s t 去控制高频载波c t 的某个参量 使其随s t 线性变化 s t 调制波C t Acos t Acos t 载波调制后的信号称为已调波 si t 基带信号经过调制后的频谱发生了变化 二 调制的目的 1 频率变换 将信号的频带变换成适合信道传输的频带 频带传输 无线电发射 2 信道复用 提高信道的利用率 3 提高系统的抗干扰能力 牺牲有效性换取可靠性 扩频通信 三 调制的分类 按调制波的不同分 按调制器功能不同分 按调制器传输特性不同分 四 数字调制系统的组成 数字调制为什么叫键控 2ASK的已调波形有什么特点 2ASK的已调波带宽如何 2ASK已调波可采用什么解调方式 各自的抗噪声性能如何 2ASK的应用如何 4 2二进制振幅键控2ASK系统 4 2二进制振幅键控2ASK系统 2ASK调制器模型 2ASK Amplitude shiftKeying 一 2ASK的波形 t 1001 S t c t t t sASK t 即 SASK t S t C t 二 2ASK的功率谱和带宽 跳转 0 PS 2 TB 继续 PASK 0 0 0 调制定理 若f t 的频谱为F 则上式说明时域中将信号与正弦信号相乘 就等于在频域中将信号频谱在正 负频域内分别搬移到 0处 t f t 0 F 0 m m 0 0 m 0 0 BASK 2Bg 2 TB 2RB 1 TB RB ASK带宽 b a c d e 三 2ASK信号的解调与抗噪声性能 1 相干解调 返回 判决电压 A 2判决准则 v A 2判 1 v A 2判 0 系统总误码率最佳判决门限Vd A 2时信噪比 2 非相干解调 a b c d 包络检波 返回 判决电压 A 2判决准则 v A 2判 1 v A 2判 0 在大信噪比时 最佳判决电平为Vd A 2系统的总误码率为上式与相干解调时的误码率差别不大 由于包络解调设备简单 故在大信噪比时采用非相干解调比较广泛 ASK特点 调制电路简单已调波带宽的调制波带宽的2倍 BASK 2Bg 2RB抗噪声性能差 误码率较大应用较少 数字调制为什么叫键控 2ASK的已调波形有什么特点 2ASK的已调波带宽如何 2ASK已调波可采用什么解调方式 各自的抗噪声性能如何 2ASK的应用如何 4 2二进制振幅键控2ASK系统 4 3二进制频移键控2FSK系统 什么是2FSK 2FSK已调波形有什么特点 2FSK已调波的带宽如何 2FSK已调波可采用哪些解调方式 各自的抗噪声性能如何 为什么 2FSK主要应用在哪些场合 4 3二进制频移键控2FSK系统 2FSK Frequency ShiftKeying 一 2FSK调制器模型 二 2FSK的时域波形 载波频率随着基带信号0或1而变化 1 频率为f1的正弦波 0 频率为f2的正弦波 FSK波形 基带信号 0 1 0 1 f2 f1 f2 f1 设f2 4RB f1 3f2 2FSK信号可以看成二个频率分别是f1和f2的ASK信号的叠加 三 2FSK信号的功率谱与带宽 定义调制指数 B2FSK 2Bg f2 f1 2RB f2 f1 讨论 当用两个振荡器分别产生载波信号时 FSK信号波形的相位不连续 相应的功率谱旁瓣幅度较大 使带宽增大 有效性降低 用VCO产生载频可使相位连续 调制指数 的取值影响FSK的有效性和可靠性 n 2 n取正整数 时 FSK的2个ASK互为正交 其相关系数为零 使误码率较小 1 2时 BFSK 2 5RB 此时有效性最高 称为最小频移键控MSK GSM移动通信中采用 2FSK主要应用在中低速调制信道上 四 2FSK信号的解调 1 相干解调 2 非相干解调 ASK解调 ASK解调 相干解调系统总误码率 非相干解调系统误码率 误码率与ASK信号的误码率相比 在相同信噪比的情况下 FSK的误码率要小 因此 频移键控的抗噪声性能优于振幅键控 例 采用二进制频移键控方式在有效带宽为2400Hz的信道上传送二进制数字信号 已知2FSK信号的两个频率 f1 2025Hz f2 2225Hz fB 300Baud 信道输出端的信噪比为6dB 试求 1 2FSK信号的带宽2 采用包络检波解调时系统的误码率3 采用同步检测解调时系统的误码率解 1 带宽 f1 f2 2fB 800Hz 2 包络检波上下带通滤波器的带宽为2fB 600Hz信道带宽为2400Hz 是上下带通滤波器的带宽的4倍 输入信噪比6dB即4 所以带通滤波器的输出信噪比为4 4 16 输出噪声功率因带宽变窄而减小4倍 3 同步检测解调时系统的误码率 4 3二进制频移键控2FSK系统 什么是2FSK 2FSK已调波形有什么特点 2FSK已调波的带宽如何 2FSK已调波可采用哪些解调方式 各自的抗噪声性能如何 为什么 2FSK主要应用在哪些场合 4 4相移键控2PSK系统 什么是2PSK 2PSK有几种方式 各自特点是什么 2CPSK已调波如何产生 波形如何 2DPSK已调波如何产生 波形如何 什么的绝对码 什么是相对码 2PSK带宽如何 2PSK有几种解调方式 各自抗噪声性能如何 2PSK的应用情况如何 相移键控可分为绝对相移 CPSK 和相对相移 DPSK 两种 用载波的不同相位直接表示数字信号的方式 称为CPSK 矢量图用前后相邻码元的相对载波相位值表示数字信号的方式 称为DPSK 矢量图 0 1 1 0 4 4相移键控2PSK系统 2PSK Phase ShiftKeying C t S t ScPSK t SDPSK t 一 绝对相移键控 2CPSK或2PSK 用载波的不同相位直接表示数字信号的方式 如 1 码始终与载波同相位 0 码始终与载波反相位 1 码时已调波为Acos 0t 0 Acos 0t 0 码时已调波为Acos 0t Acos 0t ScPSK t S t cos otS t 为双极性不归零信号 2CPSK 1 1 ScPSK t S t cos otS t 为双极性不归零信号 2 PSK的功率谱及带宽 SCPSK t S t cos otS t 为双极性不归零信号 PS 0 2 TB 带宽BCPSK 2Bg 2RB PPSK 0 0 0 也可以把cPSK看成由2个ASK合成 只是2个ASK的载波频率相同 故2个ASK频谱重叠 Bg 2Bg 3 CPSK的解调及误码率 相干解调 极性比较法 b e a c d 判决准则 V 0判 1 V 0判 0 倒 现象 当载波倒相时 判决输出数字信号连续全错 称为倒 现象 c 判决准则 x 0判 1 X 0判 0 d e 非相干解调 相位比较法 c a b d e f 判决准则 已调波相位与前一码元相位相同 输出为正信号 判 0 码 已调波相位与前一码元相位相反 输出为负信号 判 1 码 非相干解调时噪声干扰引起的误码 二 2DPSK信号的产生 1 绝对码和相对码 bk akbk 1 ak bk 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 ak 2 DPSK的产生 按定义产生 SDPSK t 按电路产生 SDPSK t bk 载波 3 DPSK的功率谱及带宽 和CPSK一样 SDPSK t S t cos otS t 为双极性不归零信号 PS 0 2 TB 带宽BDPSK 2Bg 2RB PPSK 0 0 0 Bg 2Bg 4 DPSK的解调及误码 相干解调 极性比较法 e c d f 判决准则 x 0判 1 X 0判 0 倒 分析 b a c d e f 判决准则 x 0判 1 X 0判 0 只错2位码 2DPSK极性比较法解调的误码率为 非相干解调 相位比较法 b e c a d 判决准则 已调波相位与前一码元相位相同 输出为正信号 判 0 码 已调波相位与前一码元相位相反 输出为负信号 判 1 码 2DPSK相位比较法解调的误码率为 CPSK由于会出现倒 现象 实际中不采用 DPSK一般采用非相干解调方式 广泛应用于中高速数字通信系统 4 4相移键控2PSK系统 什么是2PSK 2PSK有几种方式 各自特点是什么 2CPSK已调波如何产生 波形如何 2DPSK已调波如何产生 波形如何 什么是绝对码 什么是相对码 2PSK带宽如何 2PSK有几种解调方式 各自抗噪声性能如何 2PSK的应用情况如何 作业 b a 画出c d e f点的波形 说明有几位码元出错 判决准则 x 0判 1 X 0判 0 4 52ASK 2FSK 2PSK性能比较 2ASK 2FSK 2PSK的有效性和可靠性分别怎样 哪种数字调制的性能好 4 52ASK 2FSK 2PSK性能比较 性能比较 1 有效性2FSK有效性最低 带宽最大 2ASK与2PSK有效性相同2 可靠性在相同信噪比下 同一种调制方式 Pe相干 Pe非相干同一种解调方式 PePSK PeFSK PeASK 4 52ASK 2FSK 2PSK性能比较 2ASK 2FSK 2PSK的有效性和可靠性分别怎样 哪种数字调制的性能好 4 6多进制数字调制 为什么要多进制调制 多进制调制的可靠性能怎样 实际应用中采用哪种多进制调制 4 6多进制数字调制 在二进制系统中 随着传信率的提高 所需信道带宽增加 采用多进制可降低码元速率 减小带宽 提高有效性 多进制数字调制有多进制数字振幅调制 MASK 多进制数字频率调制 MFSK 多进制数字相位调制 MPSK 一 多进制数字振幅调制 MASK MASK可看成由 M 1 个载频相同的ASK信号叠加组合而成 M 1 个ASK信号的功率谱零点相同 只是幅度不同 PASK 0 0 0 BMASK 2RB 多进制MASK与二进制ASK比较有以下特点 一 当码元速率相同时 二者带宽相同 BMASK 2RB二 在码元速率相同的条件下 信息速率是二进制的log2M倍 即频带利用率提高log2M倍 三 由于多进制数字信号的抗干扰能力低于二进制信号 所以多进制振幅调制的误码率通常大于二进制误码率 判决值越多 错误率越高 二 多进制数字频率调制 MFSK 与FSK一样 MFSK信号可以看成由M个载频不同的ASK信号的叠加 其功率谱为 P4FSK 0 max min BMFSK fmax fmin 2RB MFSK特点 BMFSK fmax fmin 2RB与FSK相似 由于多进制数字信号的抗干扰能力低于二进制信号 所以MFSK的误码率通常大于FSK的误码率 判决值越多 错误率越高 三 多进制数字相位调制 MPSK 4PSK QPSK 四进制相位调制 001101101101100010011100 C t 1011 11 01 10 QPSK信号功率谱 QPSK由两路2PSK信号合成 且两路信号的载波是相互正交的 f0 RB f0 RB 其功率谱是两者之和 零点频率相同 对于四进制信号RB Rb 2 BQPSK 2RB Rb如果是二进制信号传输 在相同的传信率时 B2PSK 2Rb QPSK频带利用率比2PSK高一倍 上 下支路都是2PSK信号的误码率总误码率为两者之和 即 讨论 1 M 相邻码元的相位差 各码元距离 抗噪声性能 2 M 3 当M较大时应用较多的是MQAM 4 6多进制数字调制 为什么要多进制调制 多进制调制的可靠性能怎样 实际应用中采用哪种多进制调制 4 7数字频带调制新技术 QAM与MPSK性能相比有哪些特点 QAM主要有哪些应用 什么是最小频移键控MSK 其特点如何 MSK主要应用在什么场合 什么是正交频分复用OFDM 它有什么特点 应用如何 什么是扩频通信 它有什么特点 应用如何 扩频有哪几种方式 4 7数字频带调制新技术 正交振幅调制QAM 幅度相位同时调制 可靠性高于MPSK 最小频移键控MSK 有效性最高的FSK正交频分复用OFDM 多载波 相互正交 调制 有效性 可靠性高 适合无线传输 扩频通信技术 一 正交振幅调制QAM和MQAM 矢量图 MQAM有16QAM 64QAM 256QAM 1024QAM 用调制波同时控制高频载波的幅度和相位参数 称为正交振幅调制QAM QAM比单一参量受控的频带传输更具有抗干扰能力 16QAM与16PSK星座图 QAM特点 由于各码元振幅不同 相邻信号的距离比QPSK大 因此抗噪声性能高于PSK 理论分析可知 d1 0 47A d2 0 39A 所以d1 d2 调制原理 二进制调制信号数据流 经过串 并变换后变成四路并行数据流 这四路数据两两结合 分别进入两个电平转换器 转换成两路4电平数据 例如 00转换成 3 01转换成 1 10转换成1 11转换成3 这两路4电平数据g1 t 和g2 t 分别对载波cos2 fct和sin2 fct进行调制 然后相加 矢量和 即可得到16 QAM信号 图4 216 QAM调制原理图 图4 316 QAM星座图 图4 216 QAM调制原理图 图4 316 QAM星座图 1111 1011 1110 1010 1101 1001 1100 1000 0011 0111 0010 0110 0001 0101 0000 0100 1011 1111 MQAM应用 数据通信系统数字电视系统移动通信系统 二 最小频移键控MSK和高斯最小频移键控GMSK MSK特点 相位连续的频移键控 由一个振荡器产生f1和f2包络恒定调制指数最小 1 2 即带宽最小f1和f2严格正交 用匹配滤波器解调时误码率与2PSK相同 当ak 1时 码元频率f1等于f0 1 4TB 当ak 1时 码元频率f2等于f0 1 4TB MSK的产生 MSK的功率谱 高斯最小频移键控GMSK MSK缺点 旁瓣太大 容易产生邻道干扰改进 在MSK调制之前 加入预调滤波器 高斯型低通滤波器 即形成了GMSK 高斯型低通滤波器特性 GMSK特点 带外辐射小GMSK应用 GSM网技术 三 正交频分复用OFDM 基本原理 将信道分成多个子信道 基带信号均匀分散到每个子信道上 采用不同的载波 任意2个载波频率都是相互正交的 进行任意进制和任意方式的调制 称为正交频分复用OFDM 正交频分复用OFDM特点 多载波调制 码元周期展宽 占用频带减小 使得码间干扰减小 由于各载波相互正交 允许子载波的已调信号频谱有部分重叠 故频带利用率高 OFDM频带利用率 其中N OFDM系统的子载波数T 码元周期M 每路子载波采用调制的进制数 显然 当N 1时 即单载波 值最小 而当N很大时 值比单载波调制的频带利用率约高1倍 OFDM应用 非对称数字用户环路ADSL高清晰电视HDTV信号传输数字音频广播DAB数字视频广播DVB无线局域网WLAN等领域无线广域网WWAN和下一代蜂窝网中 四 扩频通信技术 设W代表系统占用带宽 B代表信息带宽 则当W是B1 2倍时称为窄带通信 50倍以上为宽带通信 100倍以上为扩频通信 数据 扩频码 扩频信号 数据 扩频码 扩频码 恢复数据 扩频信号 扩频码 扩频 解扩 优点 1 扩频通信发送功率极低 1 650mW 易于重复使用频率 提高了无线频谱利用率 只要码率不同或者PN 伪随机序列 码不同 就可以实现不同的接收 2 抗噪声 抗干扰性强 误码率低 在强干扰情况下 甚至在信号被噪声淹没的情况下 仍然能保证可靠的通信 3 抗多径衰落 消除码间干扰 4 具有保密性 5 可以实现码分多址 扩频码具有正交性 继续 扩频技术的依据 香农公式C BLog2 1十S N 表示 对于给定的信道容量C可以用不同的带宽B和信噪比S N组合传输 即当信噪比太小 不能保证通信质量时 通常采用宽带系统 即增加系统带宽 展宽频谱 以改善通信质量 扩频通信就是将信息信号的频谱扩展100倍以上 然后进行传输 从而提高通信系统的抗干扰能力 使之在强干扰情况下 甚至在信号被噪声淹没的情况下 仍然能保证可靠的通信 牺牲有效性换取可靠性的提高 扩频技术的种类 直接序列扩频 直扩DS 方式 直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱 跳变频率 跳频FH 方式 用扩频码序列去进行频移键控调制 使载波频率不断地跳变 跳变时间 跳时TH 方式 用一定码序列进行选择的多时片的时移键控 各种混合方式 DS FH DS TH DS FH TH 直接序列扩频通信系统简化图 a 发射系统 b 接收系统 在发信机端 待传输的数据信号与伪随机码 扩频码 波形相乘 形成的复合码对载波进行调制 然后由天线发射出去 在收信机端 要产生一个和发信机中的伪随机码同步的本地参考伪随机码 对接收信号进行相关处理 这一相关处理过程通常常称为解扩 解扩后的信号送到解调器解调 恢复出传送的信息 发信机的发射频率 在一个预定的频率集内由伪随机码序列控制频率合成器 伪 随机的由一个跳到另一个 收信机中的频率合成器也按照相同的顺序跳变 产生一个和接收信号频率只差一个中频频率的参考本振信号 经混频后得到一个频率固定的中频信号 这一过程称为对跳频信号的解跳 解跳后的中频信号经放大后送到解调器解调 恢复出传输的信息 控制频率跳变的指令码 伪随机码 的速率 没有直接序列扩频通信系统中的伪随机码速率高 一般为几十b s 几kb s 由于跳频系统中输出频率的改变速率就是扩频伪随机码的速率 所以扩频伪随机码的速率也称为跳频速率 根据跳频速率的不同 可以将跳频系统分为频率慢跳变系统和频率快跳变系统两种 频率跳变扩频通信系统简化方框图 a 发射系统 b 接收系统 设数据调制采用二进制频移键控调制 TB是一个信息码元比特宽度 每秒数据调制器输出两个频率中的一个 每隔Tc秒系统输出信号的射频频率跳变到一个新的频率上 若Tc TB 这样的频率跳变系统称为频率慢跳变系统 BB 2 TB Tc 3TB BRF 8BB 数据调制器根据二进制数据信号选择两个频率中的一个 即每隔秒数据调制器从两个频率中选择一个 频率合成器有8个频率