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第6章数字频带传输系统 本章介绍数字频带传输系统的基础知识 包括二进制及多进制数字频带系统原理 抗噪性能 载波同步原理 并将数字基带传输系统中有关概念及结论应用到数字频带系统 本章内容目录 6 1二进制调制原理6 2多进制数字调制原理6 3余弦滚降数字频带传输系统6 4正交部分响应幅度调制系统6 5数字频带传输系统的抗噪声性能6 6各类数字调制系统的性能比较6 7数字频带信号的最佳接收6 8数字频带系统的载波同步原理 二进制振幅键控 2ASK B2ASK 2fs fs在数值上等于信息速率Rb 2ASK调制和功率谱 二进制振幅键控 续 2ASK解调 二进制移频键控 2FSK B2FSK f2 f1 2fs fs在数值上等于信息速率Rb 2FSK调制和功率谱 二进制移频键控 续 2FSK解调 包络检波和相干解调 二进制移频键控 续 2FSK解调 过零检测 二进制移相键控 2PSK或BPSK B2PSK 2fsfs在数值上等于信息速率Rb 2PSK调制和功率谱 二进制移相键控 续 2PSK解调 相干解调 二进制差分移相键控 2DPSK 2DPSK调制和波形 二进制差分移相键控 续 2DPSK解调 相干解调和差分相干解调 二进制调制举例 例设某2FSK调制系统的码元传输速率为1000Bd 载频为1000Hz或2000Hz 1 若发送数字信息为011010 画出2FSK信号波形 2 若发送数字信息是等概的 画其功率谱密度草图 3 试讨论这个2FSK信号应选择怎样的解调器解调 解 3 不能采用相干解调法及包络检波法解调此2FSK信号 可以采用过零检测解调器解调此2FSK信号 因为它不需要用滤波器将两个组成2FSK信号的2ASK信号分开 二进制调制举例 续 例假设在2DPSK系统中 载波频率为2400Hz 码元速率为1200Bd 已知相对码序列为1100010111 1 试画出2DPSK信号波形 2 若采用差分相干解调法接收该信号 试画出解调系统方框图及各点波形 3 若采用相干解调法接收该信号 试画出解调系统方框图及各点波形 思路 此题给的是相对码序列 对于绝对码是2DPSK的信号 对于相对码则是2PSK信号 因此就相对码序列1100010111画出2PSK波形即是题目要求的2DPSK信号波形解 二进制调制举例 续 接上例 2 差分相干解调 二进制调制举例 续 接上例 3 相干解调 当b t 反相时 c t d t e t 也反相 但f t 不变 本章内容目录 6 1二进制调制原理6 2多进制数字调制原理6 3余弦滚降数字频带传输系统6 4正交部分响应幅度调制系统6 5数字频带传输系统的抗噪声性能6 6各类数字调制系统的性能比较6 7数字频带信号的最佳接收6 8数字频带系统的载波同步原理 多进制振幅调制 MASK 4ASK信号 多进制频率调制 MFSK MFSK系统和功率谱 多进制相位调制 I t 及Q t 有M 2个电平 其码元宽度为M进制信号的码元宽度 由于M 4时 MQAM信号比MPSK信号的抗噪性能好 故目前常用的多进制相位调制信号是四进制移相键控调制 四进制移相键控 4PSK或QPSK 4PSK正交调制和相位选择法调制 四进制移相键控 续 B4PSK fs fs在数值上等于信息速率Rb B方式A方式 四进制移相键控 续 4PSK相干接收机和载波相位模糊现象 四进制差分移相键控 4DPSK或QDPSK 4DPSK与4PSK的关系类似2DPSK与2PSK的关系 四进制差分移相键控 续 双比特绝对码与4DPSK信号的相位变化之间的关系为 四进制差分移相键控 续 四进制差分移相键控 续 4DPSK差分相干解调 四进制差分移相键控 续 4DPSK差分相干解调 多进制正交振幅调制 MQAM eMQAM t I t cos ct Q t sin ct 16ASK 16PSK 16QAM星座图 多进制正交振幅调制 续 BMQAM 2Rb log2M 16QAM系统 多进制正交振幅调制 续 MQAM星座图 多进制数字调制举例 例设发送数字信息序列为01011000110100 分别画出相应的4PSK及4DPSK信号的波形 思路一般采用A方式画4PSK信号波形图 本题没给出载波频率及信息速率 画波形时可设在一个双比特码元内有一个载波周期 解 本章内容目录 6 1二进制调制原理6 2多进制数字调制原理6 3余弦滚降数字频带传输系统6 4正交部分响应幅度调制系统6 5数字频带传输系统的抗噪声性能6 6各类数字调制系统的性能比较6 7数字频带信号的最佳接收6 8数字频带系统的载波同步原理 数字频带系统无码间串扰条件 Hc f H f fc H f fc 可见 将无码间串扰的数字基带传输系统的频率特性线性地搬移至载频两边 就是无码间串扰线性数字频带系统的频率特性 余弦滚降频率特性 无码间串扰余弦滚降特性 B 1 1 Bd Hz b log2M 1 bps Hz 余弦滚降频率特性 续 采用余弦滚降LPF的2PSK及MQAM通信系统原理框图 本章内容目录 6 1二进制调制原理6 2多进制数字调制原理6 3余弦滚降数字频带传输系统6 4正交部分响应幅度调制系统6 5数字频带传输系统的抗噪声性能6 6各类数字调制系统的性能比较6 7数字频带信号的最佳接收6 8数字频带系统的载波同步原理 正交部分响应幅度调制系统 能否设计一种数字频带传输系统 它的频带利用率可以达到最大值1Bd Hz 系统的频率特性易于实现 而且又能放宽对定时信号抖动范围的要求 MQPR系统原理图 MQPR系统 续 9QPR及49QPR星座图 MQPR系统频率特性 第I类及第IV类 本章内容目录 6 1二进制调制原理6 2多进制数字调制原理6 3余弦滚降数字频带传输系统6 4正交部分响应幅度调制系统6 5数字频带传输系统的抗噪声性能6 6各类数字调制系统的性能比较6 7数字频带信号的最佳接收6 8数字频带系统的载波同步原理 数字频带系统抗噪性能分析 2ASK包络检波解调 数字频带系统抗噪性能分析 续 2ASK相干解调 本章内容目录 6 1二进制调制原理6 2多进制数字调制原理6 3余弦滚降数字频带传输系统6 4正交部分响应幅度调制系统6 5数字频带传输系统的抗噪声性能6 6各类数字调制系统的性能比较6 7数字频带信号的最佳接收6 8数字频带系统的载波同步原理 数字调制系统的性能比较 有效性 关于数字调制系统有效性的主要结论如下 1 频带利用率从高至低的排队次序为 MQPR MASK MPSK MQAM MFSK 2 线性调制系统的进制数越大 频带利用率越高 且与log2M成正比 3 非线性调制系统的进制数越大 频带利用率越低 数字调制系统的性能比较 续 可靠性 各类数字调制系统误码率公式 数字调制系统的性能比较 续 可靠性结论1 在二进制数字调制系统中 可靠性最好的是2PSK 最差的是2ASK 若误码率相同 则2ASK接收机的信号功率比2FSK大3dB 2FSK接收机的信号功率比2PSK大3dB 2 调制方式相同时 相干解调接收机的可靠性优于非相干解调接收机 3 线性调制系统 MASK MPSK MQAM MQPR 的可靠性随着进制数的增大而降低 4 MFSK系统的可靠性随着进制的增大而增强 数字调制系统的性能比较 续 5 在二进制及四进制数字调制系统中 常用2DPSK和4DPSK 因为2DPSK的抗噪能力优于2ASK和2FSK且频率利用率高于2FSK 4DPSK的抗噪能力优于4ASK而频带利用高于4FSK 在十六进制以上的线性调制系统中一般不采用MASK MPSK而采用MQAM或MQPR 因为MQAM和MQPR的抗噪能力优于MASK MPSK且频带利用率不低于MASK MPSK 6 采用格雷码时 M进制线性调制系统的误码率为误比特率的log2M倍 MFSK系统的误码率为误比特率的2倍 综合有效性及可靠性特点可见 线性多进制调制系统牺牲可靠性换取有效性 MFSK系统则牺牲有效性换取可靠性 这一现象是与香农定律相吻合的 数字调制系统的性能比较 续 除有效性及可靠性外 在选取调制方式和解调方式时还应考虑其它问题 如 1 2ASK系统的最佳判决门限与接收信号功率有关 不便使用 其它二进制系统不存在此问题 2 2DPSK及4DPSK差分相干解调接收不需提取相干载波 比较适合于信道不稳定的系统 但此系统解调器输入信号的载频与码速率必须满足一定的关系 这就对系统的组成有一定限制 比如发端不允许用独立的本振信号对已调信号进行上变频 在收端也不允许用独立的本振信号对接收信号进行下变频等 3 当可用包络检波解调且误码率能满足要求时 一般不采用相干解调接收机 因为相干解调接收机需提取相干载波 设备比较复杂 4 在随参信道中 存在着频率选择性衰落 不宜采用只有一个载波的线性调制方式传输信息 数字调制系统举例 例已知电话信道可用的信号传输频带为600 3000Hz 取载频为1800Hz 试说明 1 采用升余弦滚降基带信号时 QPSK调制可以传输2400bit s数据 2 采用升余弦滚降基带信号时 16QAM调制可以传输6400bit s数据 3 画出 1 和 2 传输系统的频率特性草图 解 1 Bc 3000 600 Hz 2400Hz b bps Hz 1bps HzRb Bc b 2400 1bit s 2400bit s 2 b log216 1 0 5 8 3bps HzRb Bc b 2400 8 3bit s 6400bit s 数字调制系统举例 续 接上题解 3 数字调制系统举例 续 例采用8PSK调制传输4800bit s数据 1 信道带宽的最小理论值是多少 2 若信道带宽不变 而信息速率加倍 则调制方式应作何改变 为达到相同误比特率 发送功率应作何变化 解 1 最大频带利用率 b log2M log28 bps Hz 3bps Hz最小理论带宽Bc Rb b 48 3Hz 1600Hz 2 若信道带宽不变 而信息速率加倍 则系统的频带利用率 b也应加倍 即 b log2M 6bps Hz由此得M 26 64 即应采取64进制的线性调制方式 如64PSK 64QAM或64QPR 为达到相同的误比特率 应加大发射功率 本章内容目录 6 1二进制调制原理6 2多进制数字调制原理6 3余弦滚降数字频带传输系统6 4正交部分响应幅度调制系统6 5数字频带传输系统的抗噪声性能6 6各类数字调制系统的性能比较6 7数字频带信号的最佳接收6 8数字频带系统的载波同步原理 线性数字频带信号最佳接收机 二进制线性数字频带信号最佳接收机 2DPSK最佳相干接收机 线性数字频带信号最佳接收机 续 多进制线性数字频带信号最佳接收机 将线性数字调制信号的相干接收机中的低通滤波器换为积分器 就可构成最佳相干接收机 另外 在理论上最佳相干接收机的输入端可以不加带通滤波器 这也是最佳接收机与一般相干接收机的区别 QPSK及MQAM最佳相干接收机 线性数字频带信号最佳接收机 续 最佳线性数字频带系统 MFSK信号最佳接收机 正交MFSK信号最佳接收机 MFSK信号最佳接收机 续 随相MFSK信号接收机 数字频带信号最佳接收机抗噪性能 用Es n0取代普通接收机误码率公式中的信噪比r 就是数字频带信号最佳接收机的误码率 对于M进制信号Es Eblog2M式中Eb为每比特信号能量 Es为每码元信号能量 数字频带信号最佳接收机的误码率 数字频带信号的最佳接收举例 数字频带信号的最佳接收举例 接上题解 2 3 本章内容目录 6 1二进制调制原理6 2多进制数字调制原理6 3余弦滚降数字频带传输系统6 4正交部分响应幅度调制系统6 5数字频带传输系统的抗噪声性能6 6各类数字调制系统的性能比较6 7数字频带信号的最佳接收6 8数字频带系统的载波同步原理 数字频带系统的载波同步原理 载波同步 非线性变换法 2PSK载波同步器 载波同步 非线性变换法 续 2PSK载波同步器 同相正交环分析 载波同步 插入导频法 当M比较大时 用插入导频法更有利用节省信号功率 可以用频分复用法及时分复用法插入导频 在收端用窄带带通滤波器或载波跟踪锁相环提取出导频信号 进而得到相干载波 本章作业 6 26 46 66 116 126 136 156 166 18 第6章结束 第7章现代调制技术 本章对各种现代调制技术加以介绍 包括几种适合在非线性信道中传输的相位连续调制技术和同时具有较强抗衰落能力及较大频带利用率的正交频分复用调制技术 本章内容目录 7 1偏移四相移相键控 OQPSK 7 2 4移位差分四相移相键控 4 DQPSK 7 3最小移频键控 MSK 7 4高斯滤波最小移频键控 GMSK 7 5正交频分复用 OFDM 调制 偏移四相移相键控 OQPSK OQPSK调制器基带波形QPSK或OQPSK相位转移图 本章内容目录 7 1偏移四相移相键控 OQPSK 7 2 4移位差分四相移相键控 4 DQPSK 7 3最小移频键控 MSK 7 4高斯滤波最小移频键控 GMSK 7 5正交频分复用 OFDM 调制 4移位差分四相移相键控 4 DQPSK信号星座图和调制器A方式QPSKB方式QPSK 4 DQPSK 4移位差分四相移相键控 续 4 DQPSK信号相位跳变规则和转移图 本章内容目录 7 1偏移四相移相键控 OQPSK 7 2 4移位差分四相移相键控 4 DQPSK 7 3最小移频键控 MSK 7 4高斯滤波最小移频键控 GMSK 7 5正交频分复用 OFDM 调制 最小移频键控 MSK MSK是一种特殊的2FSK信号 它满足以下两个条