第5章 数字频带传输系统.ppt

2020 1 30 1 第5章数字频带传输系统 5 1二进制数字幅移键控5 2二进制数字频移键控5 3二进制数字相移调制5 4二进制数字调制系统比较5 5多进制数字频带系统5 6正交振幅调制5 7恒包络调制方式5 8多载波调制 2020 1 30 2 本章内容目的要求 教学要求 掌握 信号调制与解调的基本方法 熟练掌握 及 信号调制与解调的基本方法 会分析与计算 及 信号采用相干解调时的系统抗燥声性能 误码率 了解多进制数字调制 的基本方法 知道 等窄带数字调制技术的方法及应用 内容提要 及性能分析 及性能分析 及性能分析 及性能分析 窄带数字调制技术 重点 二进制相移键控 及性能分析 难点 各种系统的抗噪声性能 误码率 分析 2020 1 30 3 5 1二进制数字幅移键控 调制信号为二进制数字信号时 这种调制称为二进制数字调制 在二进制数字调制中 载波的幅度 频率或相位只有两种变化状态 数字幅度调制又称幅度键控 ASK 二进制幅度键控记作2ASK 2020 1 30 4 5 1 12ASK信号的时域 频域和空间描述1 时域表示及波形2ASK信号可表示为 其中s t 为单极性NRZ矩形脉冲序列 2020 1 30 5 2 频域表示及频谱图2ASK信号傅氏变换可以表示成 设 调制信号的功率谱为Pd f 则已调信号的功率谱为P2ASK f 2020 1 30 6 2020 1 30 7 结论 1 2ASK信号的功率谱是信号s t 的功率谱的线性搬移 2 包含连续和离散两部分 3 信号带宽3 信号空间表示 P140图5 1 3 5 1 22ASK调制系统1 2ASK调制 2020 1 30 8 2 2ASK解调相干检测法和包络检波法 2020 1 30 9 3 频带利用率为4 2ASK系统的误码率误码率是指在无码间串扰条件下的错误概率 2020 1 30 10 假定信道噪声为加性高斯白噪声 其均值为0 方差为 发送的信号为 下面讨论在相干接收法和非相干接收 包络检波法 时的系统误码率 2020 1 30 11 包络检测时2ASK系统的误码率接收带通滤波器BPF的输出为 经包络检波器检测 输出包络信号 发 1 时 包络服从莱斯分布 发 0 时 瑞利分布 2020 1 30 12 存在两种错判可能性 发送的码元为 1 时 错判为 0 其概率记为 发送的码元为 0 时 错判为 l 其概率记为 2020 1 30 13 则系统的总误码率为 不难看出 当时 该阴影面积之和最小 即误码率最低 称此使误码率获最小值的门限为最佳门限 其值为 系统的误码率近似为 其中表示信噪比 2020 1 30 14 相干解调时2ASK系统的误码率其接收带通滤波器BPF的输出为 取本地载波 则乘法器输出 在抽样判决器输入端得到 2020 1 30 15 x t 值的一维概率密度为 2020 1 30 16 不难看出 最佳判决门限为 可以证明 这时系统的误码率为 当信噪比远大于1时 上式近似为 在大信噪比情况下 2ASK信号相干解调时的误码率总是低于包络检波时的误码率 即相干解调2ASK系统的抗噪声性能优于非相干解调系统 注意例题 2020 1 30 17 5 2二进制数字频移键控 定义 频移键控是用数字信号来控制载波的频率参数而实现其调制的一种方式 有2FSK MFSK等形式 5 2 12FSK信号的时域 频域和空间描述 2020 1 30 18 2FSK表达式 其中 2 频域表示及频谱图2FSK信号可视为两个2ASK信号的合成 则2FSK信号功率谱为两个2ASK功率谱之和 2020 1 30 19 则结论 1 属于非线性调制 2 单峰 否则双峰 3 带宽 2020 1 30 20 3 信号空间表示5 2 22FSK调制系统1 2FSK调制主要包括模拟调频法和频率键控法2 2FSK解调包括鉴频法 相干检测法 包络检波法 过零检测法 差分检测法等 2020 1 30 21 过零检测法 2020 1 30 22 差分检测法角频率频移有两种取值 乘法器输出为 合理的选取延迟 使得则经抽样判决器可检测出 1 和 0 2020 1 30 23 非相干解调 2020 1 30 24 相干接收法 2020 1 30 25 3 2FSK系统的频带利用率 4 2FSK系统的误码率非相干解调时2FSK系统的误码率信号 2020 1 30 26 发送 1 时 发送 0 时 2020 1 30 27 发送 1 时 包络为 发送 0 时 包络为 经计算2FSK信号采用包络检波法解调时系统的误码率为 2020 1 30 28 非相干解调时2FSK系统的误码率 发送 1 符号时发送 0 符号时 2020 1 30 29 发送 1 码而错判为 0 码 错误概率为 2020 1 30 30 其一维概率密度函数可表示为 2020 1 30 31 同理可得 发送 0 符号而错判为 1 符号的概率为 于是可得2FSK信号采用同步检测法解调时系统的误码率为 大信噪比下 近似表示为 2020 1 30 32 比较两种解调方法 可以得到结论 1 在输入信号信噪比一定时 相干解调的误码率小于非相干解调的误码率 当系统的误码率一定时 相干解调比非相干解调对输入信号的信噪比要求低 2 相干解调时 需要插入两个相干载波 电路较为复杂 3 信噪比增大 误码率降低 两个载频最好相距的远一点 2020 1 30 33 5 3二进制数字相位键控 根据载波相位表示数字信息的方式不同 数字调相分为绝对相移 PSK 和相对相移 DPSK 两种 5 3 1信号的时域 频域和空间表示1 2PSK 2DPSK信号的时域表示和波形2PSK信号 2020 1 30 34 2PSK信号的典型波形如图所示 2DPSK信号用本码元与前一码元相位之差来传送数字信息的 2020 1 30 35 2PSK和2DPSK信号的波形如图所示 注意绝对码和相对码的关系 2 频域表示和频谱图2PSK和2DPSK信号的功率谱密度是相同的 可以表示为 2020 1 30 36 对于双极性NRZ码 由于不存在直流成分 因此 2PSK和2DPSK信号功率谱示意图如图所示 带宽为 3 2PSK信号的空间表示 2020 1 30 37 5 3 12PSK和2DPSK的调制系统1 二进制相移键控的调制2PSK信号的调制2DPSK信号的调制 2020 1 30 38 2 二进制相移键控的解调2PSK信号的解调 通过乘法器 低通滤波以后得 2020 1 30 39 波考虑噪声时 2PSK接收系统各点波形如图所示 参看p160图 b 出现反向工作 2020 1 30 40 2DPSK信号的解调极性比较码变换法 相位比较法不需要码变换器 相干载波发生器 因此设备比较简单 实用 2020 1 30 41 相位比较法的数学分析经低通滤波后 得其中3 频带利用率 2020 1 30 42 4 2PSK系统的误码率 P 1 0 P 0 1 相干解调系统的误码率经信道传输 接收端输入信号为 2020 1 30 43 与本地载波相乘后 经低通滤波器滤除高频分量 在抽样判决器输入端得到 2020 1 30 44 2PSK系统的最佳判决门限电平为 在最佳门限时 2PSK系统的误码率为 在大信噪比下 上式成为 2020 1 30 45 极性比较码变换法解调时2DPSK系统的误码率为了分析码反变换器对误码的影响 以序列0110111001为例 可以得到下图 2020 1 30 46 2020 1 30 47 可以证明 码反变换器器总是使系统误码率增加 通常认为增加一倍 差分检测时2DPSK系统的误码率经过推导 差分检测时2DPSK系统的误码率为 2020 1 30 48 2PSK与2DPSK系统的比较 1 信号带宽均为2fb 2 检测这两种信号时判决器均可工作在最佳门限电平 零电平 3 2DPSK抗噪声性能不及2PSK 4 2PSK系统存在 反向工作 问题 而2DPSK系统不存在 反向工作 问题 见例题5 3 1 2020 1 30 49 5 4二进制数字调制系统比较 5 4 1传输宽度和频带利用率频带利用率 2020 1 30 50 5 4 2误码率和信号功率1 新噪比增大误码率降低 2 对于同一调制方式不同检测方法 相干检测的抗噪声性能优于非相干检测 3 相干检测时 在相同误码率条件下 对信噪比的要求是 2PSK比2FSK小3dB 2FSK比2ASK小3dB 非相干检测时 对信噪比的要求是 2DPSK比2FSK小3dB 2FSK比2ASK小3dB 2020 1 30 51 5 4 3信道特性对调制系统的影响信道特性变化的灵敏度对最佳判决门限有一定的影响 2ASK系统最差 2FSK系统和2PSK系统较好 5 4 4设备复杂性与成本在高速数据传输中 相干PSK及DPSK用得较多 而在中 低速数据传输中 特别是在衰落信道中 相干2FSK用得较为普遍 2020 1 30 52 5 5多进制数字频带系统 定义 利用多进制数字基带信号来改变载波的参数 实现频谱的搬移 特点 1 提高系统的有效性 2 在信息速率相同的情况下 降低码元速率 减小串扰 3 误码率提高 设备复杂 2020 1 30 53 5 5 1M进制幅移键控 2020 1 30 54 5 5 2M进制频移键控5 5 3M进制相移键控1 4PSK信号及系统4PSK信号的空间表示 2020 1 30 55 化简展开为存在两个标准 正交基这样4PSK有四种可能的信号空间参数表和图如p170 2020 1 30 56 4PSK信号的功率谱密度图给出了信息速率相同的信号单边功率谱 2020 1 30 57 4PSK调制系统调制部分 2020 1 30 58 解调系统 2020 1 30 59 相位选择调制方法 2 4DPSK信号及系统 2020 1 30 60 4DPSK信号的调制 2020 1 30 61 4DPSK信号的解调 2020 1 30 62 MPSK和MDPSK的抗噪