[信息与通信]2010第九章 数字调制与解调

L20 复习,电子工业出版社,1,基带系统最佳化理想信道的最佳基带系统理想信道最佳基带系统的性能非理想信道的最佳基带系统眼图眼图的作用眼图模型基带系统的均衡定义频域均衡和时域均衡,第九章 数字调制与解调,通信原理,电子工业出版社,通信原理,主要内容,电子工业出版社,通信原理,9.1 引 言,数字传输的两种方式：基带传输和频带传输数字基带传输：直接传输数字基带信号数字基带信号：来自数据终端的原始数据信号，包含丰富的低频分量，甚至直流分量数字频带传输：实际信道具有带通传输特性。具有丰富低频成分的数字基带信号不能通过带通信道直接传输，必须将数字基带信号的频谱变为适合信道传输的频谱后(数字调制)，才能在信道中传输，在接收端再将变换后的信号还原为基带信号(数字解调)。这种传输基带信号的方式称为数字频带传输完成数字频带传输的两个关键过程：调制与解调,电子工业出版社,通信原理,9.1 引 言,调制与解调调制：将基带信号频谱搬移至适合信道的频谱进行传输的过程.解调：调制的逆过程.调制与解调过程中的信号调制信号：被搬移频谱的基带信号已调信号：搬移频谱后得到的信号载波信号：完成搬移频谱的工具。从原理上说，载波信号的波形可以是任意的，但实际数字通信系统，都选择正弦信号作为载波正弦载波调制,电子工业出版社,通信原理,9.1 引 言,正弦载波调制用数字基带信号改变正弦型载波的幅度、频率或相位中的某个参数，产生相应的数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制数字基带信号为二进制时，相应的三种数字调制信号：振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）,电子工业出版社,通信原理,主要内容,电子工业出版社,通信原理,9.2 振幅键控,电子工业出版社,通信原理,二进制振幅键控,振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号的矩形波而变的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。,电子工业出版社,通信原理,二进制振幅键控(2ASK),2ASK信号的产生,发送的二进制符号序列,其中,电子工业出版社,通信原理,二进制振幅键控(2ASK),则二进制振幅键控信号可表示为：,电子工业出版社,通信原理,二进制振幅键控(2ASK),2ASK信号的时域波形,2ASK信号的时间波形随二进制基带信号通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）,单极性矩形脉冲序列,t,载波信号,2ASK信号,电子工业出版社,通信原理,二进制振幅键控(2ASK),2ASK信号的产生方法： 模拟相乘与数字键控,乘法器,cosct,数字键控,模拟相乘,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,二进制振幅键控(2ASK)信号的频谱,频谱,S(t)的频谱S()搬移而得,2ASK信号的频谱结构与S()成线性关系，所以也把数字调幅成为线性调制。,若s(t)为确知信号,电子工业出版社,通信原理,二进制振幅键控（2ASK）信号的频谱,s(t)的功率谱密度为Ps(f)e2ASK(t)的功率谱密度为P2ASK(f),推导Ps(f),设,功率谱密度,实际的S(t)均为随机脉冲序列，在讨论2ASK信号的频域特性时，应讨论其功率谱密度。,电子工业出版社,通信原理,推导,二进制基带信号s(t)是单极性随机矩形脉冲，其功率谱密度Ps(f)为,式中,矩形波频谱：对于所有的m0的整数，有G(mfs)=0,因此,电子工业出版社,通信原理,推导,假设P1/2，则,g(t)的频谱,因此,连续谱,离散谱,电子工业出版社,通信原理,二进制振幅键控(2ASK)信号的频谱,二进制振幅键控（2ASK）信号的功率谱特性,传输2ASK信号所需频带,电子工业出版社,通信原理,二进制振幅键控,二进制振幅键控（2ASK）调制二进制振幅键控（2ASK）解调,电子工业出版社,通信原理,二进制振幅键控（2ASK）解调,非相干解调(包络检波法)相干解调(同步检测法),电子工业出版社,通信原理,非相干解调,非相干解调(包络检波法)方式的接收系统框图,带通滤波器（BPF）恰好使2ASK信号完整地通过经包络检测后，输出其包络低通滤波器：滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过，输出信号是恢复后的基带信号抽样判决器：通过积分，抽样和判决，再生成基带信号，去掉传输中叠加的干扰和噪声。包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度,抽样判决器,全波整流器,低通滤波器,输出,电子工业出版社,通信原理,2ASK信号非相干解调过程的时间波形,单极性矩形脉冲序列,调制信号,整流信号,低通滤波器输出信号,抽样判决器输出信号,电子工业出版社,通信原理,二进制振幅键控（2ASK）解调,非相干解调(包络检波法)相干解调(同步检测法),电子工业出版社,通信原理,相干解调,相干解调(同步检测法)方式的接收系统框图,解调原理：将已调信号e2ASK(t)与相干载波c(t)在相乘器中相乘，然后由低通滤波器输出所需的基带波形。,抽样判决器,相乘器,低通滤波器,输出,电子工业出版社,通信原理,假设,相乘器输出,低通滤波器滤除,低通滤波器输出,KC为低通滤波器的电压传输系数,相干条件,满足相干条件下，相干检测器的输出为,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,相干解调,相干解调条件：接收端必须提供一个与2ASK信号的载波保持同频同相的相干载波，否则将会造成解调后的波形失真。相干载波一般可通过窄带滤波或锁相环路来提取。,第五章 数字载波调制,29,例 已知某OOK系统的传码率为103B,所用的载波信号为Acos(4103t)。,（1）设传送数字信息为011001，画出相应的2ASK信号波形。（2）求2ASK信号的带宽。,第五章 数字载波调制,30,(2)二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍,解：(1),电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,9.2 振幅键控,电子工业出版社,通信原理,多进制振幅键控,多进制振幅调制又称多电平调制，是一种频带利用率高的传输方式频带利用率高：在单位频带内有高的信息传输速率。,二电平调制信号,多电平调制信号,电子工业出版社,通信原理,多进制振幅键控,(a)为二电平调制波形，(b)为多电平调制波形。(b)波形等效 (c)中诸波形的叠加(c)中的每一个波形都可看成一个二电平调制波形。功率谱是各个信号之功率谱密度之和。就信号带宽而言，多电平调制信号的带宽必定与二电平调制的相同。,电子工业出版社,通信原理,2ASK系统性能,相干检测法的系统性能包络检波法的系统性能,电子工业出版社,通信原理,相干检测法的系统性能,2ASK信号相干检测法的系统性能分析模型,分析其抗噪声性能,发送端,带通滤波器,低通滤波器,电子工业出版社,通信原理,性能分析,码元时间间隔Ts内，发送端输出的2ASK信号,其中,c为载波角频率 Ts 为码元时间间隔,在(0,Ts)时间间隔，接收端带通滤波器输入合成波形yi(t)为,式中,加性高斯白噪声，均值为零，方差为2,电子工业出版社,通信原理,性能分析,带通滤波器的输出波形,假设接收端带通滤波器具有理想矩形传输特性,n(t)为窄带高斯噪声，均值为零方差为n2，表示为,电子工业出版社,通信原理,性能分析,与相干载波2cosct相乘后的波形,理想低通滤波器输出波形,a为信号成分 nc(t) 为低通型高斯噪声，均值为零，方差为n2,电子工业出版社,通信原理,性能分析,设对第k个符号的抽样时刻为kTs，则x(t)在kTs时刻的抽样值为,均值为零，方差为n2的高斯随机变量,发送“1”符号时的抽样值xanc的一维概率密度函数,发送“0”符号时的抽样值xnc的一维概率密度函数,电子工业出版社,通信原理,性能分析,假设抽样判决器的判决门限为b，则抽样值b时判为“1”符号输出，若抽样值1）条件下,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,L21 复习,电子工业出版社,48,调制与解调二进制振幅调制表达式时域波形功率谱分析产生方法（调制方法）解调方法系统性能多进制振幅调制,电子工业出版社,通信原理,2ASK系统性能,相干检测法的系统性能包络检波法的系统性能,电子工业出版社,通信原理,包络检测法的系统性能,2ASK信号包络检测法的系统性能分析模型,分析其抗噪声性能,电子工业出版社,通信原理,性能分析,码元时间间隔Ts内，发送端输出的2ASK信号,其中,c为载波角频率 Ts 为码元时间间隔,在(0,Ts)时间间隔，接收端带通滤波器输入合成波形yi(t)为,式中,加性高斯白噪声，均值为零，方差为2,电子工业出版社,通信原理,性能,带通滤波器输出信号,n(t)为窄带高斯噪声，均值为零方差为n2,电子工业出版社,通信原理,性能,发送“1”符号时,发送“0”符号时,在kTs时刻包络检波器输出波形的抽样值,发送“1”符号时的抽样值是广义瑞利型随机变量；发送“0”符号时的抽样值是瑞利型随机变量，它们的一维概率密度函数分别为,n2为窄带高斯噪声n(t)的方差,电子工业出版社,通信原理,性能,抽样判决器对抽样值作出判决，若抽样值大于判决门限，即Vb时判为“1”符号输出；若抽样值小于等于判决门限，即V1)条件下，上式近似为,1.,r的取值分大信噪比和小信噪比两种情况考虑,信噪比r,电子工业出版社,通信原理,性能,最佳判决门限,最佳归一化判决门限,小信噪比(r1）条件下,L23 复习,电子工业出版社,146,四进制相位调制表达式时域波形功率谱分析产生方法（调制方法）解调方法二进制相位调制系统性能（ 相干解调法),电子工业出版社,通信原理,2PSK系统性能,2PSK相干解调系统性能2DPSK信号相干解调系统性能2DPSK信号差分相干解调系统性能,电子工业出版社,通信原理,2DPSK信号相干解调系统性能,2PSK信号相干解调系统性能分析模型,2DPSK信号采用相干解调加码反变换器方式解调时，码反变换器输入端的误码率既是2PSK信号采用相干解调时的误码率只需要再分析码反变换器对误码率的影响即可。,电子工业出版社,通信原理,2DPSK系统有关端点上的信号关系,码变换器输出的每一个码元是由输入的两个相邻码元决定的规定：若两相邻码元相同，输出“0”；不同，输出“1”（即输出数字为相邻输入数字的模二和）,电子工业出版社,通信原理,码变换发生错码的情况,相干检测输出相对码发生一个错码,码变换器引起相邻两个码元错误,相干检测输出相对码发生两个连续错码,码变换器引起两个码元错误,相干检测输出相对码发生N个连续错码,码变换器引起两个码元错误,电子工业出版社,通信原理,性能,码反变换器输入端相对码序列连续出现n个错码的概率,式中,设,码变换器输入端相对码序列误码率,每个码元出错概率相等，且统计独立,码反变换器输出端绝对码序列误码率,电子工业出版社,通信原理,性能,Pe小于1,当相对码的误码率Pe0，前后两个码元相位相同-正确判决若x0，前后两个码元相位相反-错误判决,利用恒等式,错误概率,电子工业出版社,通信原理,性能,设,R1为服从广义瑞利分布的随机变量,n1c、n2c、n1s、n2s是相互独立的正态随机变量,R2为服从瑞利分布的随机变量,电子工业出版社,通信原理,性能,同理,系统总误码率,电子工业出版社,通信原理,2DPSK信号差分相干解调系统性能,差分相干方式与相干解调码反变换方式性能比较当系统误码率较小时，2DPS