数字调制传输系统

1、第七章 数字信号的调制传输本章教学根本要求：掌握： 1. 二进制数字调制根本原理2. 几种调制方式的特点、性能比照3. 会画2ASK 2FSK 2PSK 2DPSK言号波形图理解：多进制数字调制的几种方式 本章核心内容：一、数字频带传输系统根本结构二、模拟调制原理和频分复用三、2ASK 2FSK 2PSK 2DPSK系统的调制和解调原理四 二进制数字调制系统抗噪声性能和系统性能比拟五 简介其他数字调制系统重点： 二进制数字调制的根本原理；二进制数字调制的抗噪性能分析及比拟； 难点： 二进制数字调制的抗噪性能分析及比拟学时安排： 6 学时引言：前一章介绍的数字基带传输系统 ,? 是将信源发出的信

2、息码经码型变换及波形形成后直接传送至 接收端。虽然码型变换及波形形成可使其频谱结构发生某些变化， 但分布的范围仍然在基带范围内。 因此， 数字基带信号不可能在诸如无线信道 光纤信道等传输媒质中直接传输。与模拟信号一样，必须经调制后 才能在无线信道 光纤信道等媒质中传输。1 数字信号的传输方式 数字信号共有两种传输方式1基带传输已经在第 6 章介绍：数字信号直接传送的方式。2频带传输将在本章介绍：用数字基带信号调制载波后的传送方式。 数字调制传输系统定义：用数字基带信号调制载波的一种传输系统，这个系统也称为数字频带传输系统。2 载波的形式 载波的波形是任意的，但大多数的数字调制系统都选择单频信号

3、正弦波或余弦波作为载波，因为便于产生与接收。3 数字调制的分类共有以下三种根本形式。 1 振幅键控 ASK；2 频移键控 FSK；3 相移键控 PSK其它形式由此派生而来。 也可分为： 1 线性调制 如 ASK；2 非线性调制如 FSK，PSK 本章主要讨论二进制数字调制系统的原理及抗噪声性能 ,? 并简要介绍多进制数字调制原理及其它几种 派生出来的数字调制方式。§ 7.1 二进制数字调制原理§7.1.1 二进制幅度键控 2ASK 一 ASK 概念：正弦载波的幅度随着调制信号而变化。即传“ 1信号时，发送载波，传“0信号时，送 0 电平。所以也称这种调制为通 on 断 of

4、f 键控 OOK。 其实现模型如图 7.1-1 所示，其调制波形如图 7.1-2 所示。7.1-2调制波形2ASK的时域表达与波形2ASK的时间表达式：SASK(t)=ang(t -nTs)cos，ctn其中，an =0，,出现概率为 J , g(t)为单个脉冲信号的时间波形。三、2ASK信号的功率谱密度由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程,?所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。二进制随机脉冲序列功率谱密度表达式为Pb( f) = fsP(1 - P)GM f) G2( f)2 + fsT pG! (nfs) + (1 p)G2 (nfs) (f

5、nfs)nG2(f) =O,G(f)二G(f)222PB(f) = fsP(1 - P)G(f) fs' pG(nfs)、(f -nfs)n222假设 g(t)为矩形信号，那么有 二 PB(f) = fsP(1 p)G(f) + fsZ |pG(0) 6(f)n1PASK ( f )PB(ffc) PB(f - fc)4aS-hJfs=20Hzfc=100Hz离我涔由純波命童决定Ti1n总结：2A K信号功率谱密度的特点如下：(1) 、由连续谱和离散谱两局部构成；连续谱由传号的波形g(t)经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定。(2) 、已调信号的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍，即Bas

6、k= 2fs。四、2ASK信号的调制与解调与DSB相似，主要有两种方式：非相干接收和相干接收。其组成框图如下图。工作原理及误码特性 将在后面进行分析。全波或半波藝流定时豚冲(a)非相干接收输出(b)相干接收SUW号援收黑靛组成方起31§ 7.1.2 二进制频移键控(2FSK )一、概念：利用载波的频率来传递数字信息。传“ 1信号时，发送频率为 fi的载波； 传“0信号时，发送频率为 f2的载波。其实现模型可表示为：我波2FSK波形及时间表达式时间表达式：s,FSK(t) = ang(t - nTs)cos' ang(t-nTs)cos 2tnn»亠10,出现概率为p

7、其中an = 出现概率为(1_p)，由此可见2FSK信号是由2个2ASK信号相加构成。2FSK信号波形如下列图所示:注意：2FSK有两种形式：(1)相位连续的2FSK (2)相位不连续的 2FSK三、2FSK的功率谱密度及带宽S2FSK(t)二' ang(t nTs)cos it ' ang(t nTs)cos7 "(tjcos “t £(t)cos2tnn11P2ASK(f)二Ps1(ffl) Ps1(f -Ps2(ff2) Ps2( f - f?"44调制指数：h = f2 一 f2 = f ,其中中心频率fc =(f2f1)/2，频差廿=f2

8、 - f1RsRs总结：2FSK功率谱密度的特点如下，1、2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两局部构成,?离散谱出现在f1和f2位置；2、功率谱密度中的连续谱局部一般出现双峰。假设两个载频之差| f1 -f2| W fs,那么出现单峰。3、所需传输带宽 Bfsk= | f1七|+2 fs。四、2FSK信号的调制与解调2FSK 信号的产生：1、直接调频；2、选频：2FSK信号的解调：1、相干解调；2、非相干解调；3、过零检测法如下所示：AA/WVXJ寸_L_K_*_§ 7.1.3 二进制相移键控2PSK or 2BPSK 相移键控在数据传输中,?尤其是在中速和中高速的数传机?2400

9、-4800bit/s中得到了广泛的应用。相移键控有很好的抗干扰性,?在有衰落的信道中也能获得很好的效果。我们主要讨论二相、四相调相，在实际应用中还有八相及十六相调相。相移信号可分为两种：1绝对相移；2相对相移差分相移一、绝对相移概念传“1信号时，发起始相位为n的载波；传“0信号时，发起始相位为0的载波。即用载波相位直接去表示数字信息的相位键控常称为绝对相移方式。二、2PSK的波形及时间表达式时间表达式：s2pSKt =' angt- nTscos ctn1,出现概率为p其中：an 一 出现概率为1-p如果gt是幅度为1的矩形脉冲，那么s2PSKt - - cos ct，的其波形为：2P

10、SK信号的产生与解调2PSK信号的产生：1、键控法2、相乘电路法2PSK信号的解调：由于 2PSK 双极性码无直流成分信号的功率谱中无载波分量，故必须采用相干 解调。2PSK解调中的倒-现象:我们研究-=.码元区间的解调过程，此时2磁上=°减砒=久COS砂滤波器的输入信号为Uq C&S 7y- + J COS 209 1上式中的信号通过低通滤波器后，滤除高频分量，可以得到低通滤波器的输出信号为那么抽样判决器的判决结果为当-一 I时，.-,有一 I当;时，；，有-从以上的判决结果可知：一匚，相干解调的结果正确，没有过失。现在假设由于某种原因,使本地载波的相位改变了工，即本地载波

11、变成了 一二- 1，那么这时低通滤波器的输入信号为：q cos cos 叫£= -字 us 2叫艺上式中的信号通过低通滤波器后，滤除高频分量，可以得到低通滤波器的输出信号为那么抽样判决器的判决结果为当【时， L ,有-当"一时，._ ，有一 I从以上的判决结果可知：- |- 相干解调的输出结果正变负，负变正，这种现象，即为解调过程中的“倒现象。由于本地相干载波一般是从接收信号中提取形成的，通常它的相位有两个稳定状态0或-扰作用下，其相位可以由一种状态变到另一种状态，并且是随机的，这使得解调出的消息可能与原始消息2PSK相干，在各种干符号相反，由于“倒 现象是随机的，因此使得

12、无法判断 因此，实际中一般不采用 2PSK方式，为了克服2PSK的“倒现象，提出了差分移相键控, § 二进制差分相移键控2DPSK 一、概念：二进制移相键控2PSK是利用载波相位的绝对数值来传送数字信息，也称为绝对移相。而 是利用相邻的码元之间的载波相位差来传送消息，即相对移相。例：的正确与否。即 2DPSK2DPSK 贝U90110101110绝对码0鬲Q0拓拓0曲寸移相2DPW对目位0000000相对移相00100110100拒对码、2DPSK信号的产生1、PSK的产生：«将绝对码变换成相对码* 对相对码进行绝对移相键控 (2PSK) 差分码(相对码)的编码规那么：bn

13、二an二bnA相应的译码规那么：a.二0二bn_i绝对码变相对码的方框图2DPSK信号的产生2DPSK信号的调制方框图011|0 0 I o 0相对码 WWVW前后码元相位关系：“1变“ 0不变在2DPSK中，数字信息是利用相邻的码元之间的相位差来传送，因此即使本地相干载波的相位倒但并不影响相对关系，虽然解调得到的相对码是0 T 1,1 T 0 ，但经差分译码后得到的绝对码不会出现0 TT 0 的倒置现象，从而克服了2PSK方式中的 倒兀现象。2、DPSK信号的解调(1)相干解调法(极性比拟法)(2)差分相干解调法(延迟解调)2DPSK的差分相干解调法，不需要专门的本地相干载波，将2DPSK信

14、号延时一个码元间隔 后与2DPSK信号本身相乘，相乘的结果反映了前后码元的相对相位关系，经低通滤波器后送到抽样判决器，抽 样判决器抽样的结果即为原始数字信息，不需要差分译码。只有2DPSK信号才能采用这种方法解调，因为它是以前一个码元的载波相位作为参考相位，而不是未调载波的相位。§ 7.2二进制数字的抗噪性能通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声的能力。在数字通信中，信道加性噪声有可能使传输码 元产生错误。这种传输错误通常用误码率来衡量。所以，我们在分析数字调制系统的抗噪声性能时，就是 求出系统在加性噪声作用下的总误码率。抽样判决规那么：低通滤波器的输出记为 y(t)，判决门限电平

15、记为 Vt，那么：y(kTs)> Vt ,那么判为“ 1； y(kTs)<VT ，那么判为“ 0；系统总误码率：即出现错误译码的概率。可以表示成Pe=Pan工an。我们用P0表示发送信息码 “0的概率，用 P1表示发送信息码 “1的概率，Pb0用表示发送信息码 “0而比拟 判决器的输出为 “1的概率；用Pb1表示发送信息码 “ 1的比拟判决器的输出为“0的概率，那么2ASK系统总的 误码率为：R =p°Pb0 +只巳1思路：求概率转换为求概率密度，此为低通滤波器(也就是解调器)输出端的概率密度。Pb1)=p(rVt)an 0QOv P°(r)drVtR1r :

16、VtVt冇P1弟、ASK系统的抗噪性能(一)相干接收情况解调器输出：当发送信号不为“0时：y(t) = A n (t)；当发送信号为“ 0时：y(t)二nI (t)因此解调器输出端所对应的概率密度为：p,y) =*e'y")2/202 , p0(y) =reT2/2<f寸2兀12兀最正确判决门限：Vt=A/2故：Pb二Q(4) =Q(、)erfc(J),其中r为输入信噪比。这与当码型选择为单极性不b2X 222归零码的数字信号基带传输的抗燥性能是一致的。(二)非相干接收情况在ASK信号的非相干接收中，包络检波器、低通滤波器的输出送到抽样判决器。根据判决门限电平,在抽样时

17、刻判决脉冲的有无。因此，计算非相干ASK系统的误码率，就需要确定有信号时信号加噪声合成信号包络的概率分布，以及无信号时噪声包络的概率分布，然后再根据判决门限，确定非相干系统的误码 率。此时关键是在考虑输入端的包络概率密度：在理想ASK信号的情况下，当发送信号"1"时，s(t)=ancos cct，接收带通滤波器输出的信号加噪声的混 合波形x(t)为余弦信号加窄带高斯噪声，即x(t)二 Acos ct nI (t)cos ctnQ (t)cos ct 二 Rcos ct(t)根据第二章的结论，余弦信号加窄带高斯噪声的包络的概率密度函数服从瑞利分布，即为2p1(R_R_exp

18、_(R A2 |。(竽)，|(.)第一类零阶修正贝塞尔函数CT2gct当发送信号“ 0时，接收带通滤波器的输出只存在窄带高斯噪声，即x(t)二 nI (t)cos ct - nQ (t)cos ct 二 Rcos ct (t)RR2故其概率密度函数也服从瑞利分布，即为p0(R) = -Rexp()CT2b1考虑大信噪比情况：Pbe/4,其中r为输入信噪比。此式说明了非相干2ASK系统的误比特率随2信噪比的增大而减小。结论：1、以上两式说明：在相同的信噪比下， 2ASK信号相干解调时的总误码率低于包络检波法时的总误码率，但两者的误码性能相差并不大，且两者的最正确判决门限电平都依赖于接收信号的包络

19、值，这个 特性使得2ASK不适用于变参信道，只能用在像电缆一类的恒参信道中。2、包络检波法由于不需要稳定的本地相干载波信号，实现起来比相干解调法简单。二、FSK系统的抗噪性能相干解调：Pb二QC r) =1erfc(.；),其中r为输入信噪比。非相干解调：1、判决方式为：如果f1支路输出的电压大于f2支路输出的电压，那么判为“ 1；否那么判为“ 0。 因此，不需要象 ask那样,设置一个门限电平。假设包络 1为V1,包qQQ0络 2 为 V2,那么有 R = p(R1 : R2) =P1(R)p2(R2)d&dR02、Pb =1e_r/2,其中r为输入信噪比。2三、PSK系统的抗噪性能双极性码无直流成分，即PSK信号无载波分量，因此只能采用相干解调。分析与ASK类似，区别仅在与判决门限的不同。PSK信号取0电平。PSK的误比特率：