现代通信原理(10-1)汇编资料

1、现代(xindi)通信原理第十章 数字信号的载波(zib)传输(1)7/29/20221共八十二页单元(dnyun)概述 如同模拟调制一样，数字信号也可以用改变载波的幅度、频率和相位的方法来传输，分别称为幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。与模拟调制的区别在于它们的幅度、频率和相位只有离散取值，而它们的时域和频域特性则与模拟调制时类同。 当数字(shz)信号为二进制时，载波的幅度、频率和相位只有两种变化，分别称为2ASK、2FSK和2PSK（BPSK）。它们的解调方法也有相干解调和非相干两种。与模拟调制不同的是：数字(shz)调制解调输出为数字(shz)基带信号，为了恢

2、复原始信息还必须从基带信号中提取位定时。7/29/20222共八十二页 数字通信中，有效性可用单位频率的信息传输速率（b/s）/Hz来衡量。可靠性常用误比特率度量。采用匹配滤波器可实现最佳接收，即达到最低的误比特率。为了提高频谱的利用率，则可以采用多进制数字调制：MASK、MFSK、MPSK和MQAM(多进制正交幅度调制 )等。目前应用最为广泛的是MPSK和MQAM。MPSK是用M个相位(xingwi)来表示多种基带电平。但随着M的增加，对载波同步和解调精度的要求也随之增高。MDPSK中采用差分相干解调，可以避免提取同频同相的精确载波，但误比特率性能有所下降。正交幅度调制MQAM实际上是一种幅

3、度和相位(xingwi)相结合的多进制调制。7/29/20223共八十二页 实际传输信道常常是非线性的限带信道，为了避免非线性引起的频谱扩展，演变出一类恒包络调制。它们的特点是调制后信号的幅度(fd)包络是恒定的或接近于恒定的。其中OQPSK(偏移四相相移键控 )和MSK已得到广泛应用。7/29/20224共八十二页单元学习(xux)提纲 （1）二进制数字调制：2ASK、2FSK、2PSK、BPSK、2DPSK的原理，它们的时域和频域表示； （2）二进制数字调制的调制与解调方法，相干解调与差分解调的区别(qbi)； （3）BPSK相干解调的载波恢复； （4）二进制数字调制的误比特率性能，BER

4、EB/NO曲线的物理意义，信噪比与EB/NO之间的转换； （5）多进制相移键控（MPSK）原理和星座图表示； 7/29/20225共八十二页 （6）多进制正交幅度调制（MQAM）原理和星座图表示； （7）QPSK信号的调制和解调方法； （8）偏移四相相移键控（OQPSK）基本原理； （9）最小频移键控（MSK）基本原理； （10）数字信号的最佳接收概念，匹配滤波器基本原理； （11）各种数字调制信号的频带利用率和误比特率性能(xngnng)比较； （12）数字调制在移动通信、卫星通信、微波通信中的应用。7/29/20226共八十二页数字载波传输(chun sh)系统方框图7/29/20227共

5、八十二页 三种方式(fngsh)振幅键控(ASK,Amplitude Shift Keying)频移键控(FSK,Frequency Shift Keying)相移键控(PSK,Phase Shift Keying) 两种进制二进制调制多进制调制7/29/20228共八十二页调制信号(xnho)为二进制数字信号(xnho)10.1.1 二进制幅度键控ASKASK 系统(xtng)模型10.1 二进制数字调制7/29/20229共八十二页通-断键控(jin kn)(OOK,On-Off Keying)2ASK 典型(dinxng)波形二进制幅度键控ASK：载波幅度随着调制信号而变化。7/29/2

6、02210共八十二页时域表达式：设调制信号是具有一定形状(xngzhun)的二进制序列则时域表达式与双边(shungbin)带调幅相同7/29/202211共八十二页频域表达式功率谱密度(md)（连续谱部分)2ASK信号(xnho)的带宽是基带带宽的两倍除连续谱部分，还有离散线谱（载波）。7/29/202212共八十二页 ASK信号的功率(gngl)谱：ASK相当于单极性码调幅，单极性码的平均电平不为零，有直流成分，相当于普通调幅，除连续谱之外，还有离散线谱。7/29/202213共八十二页7/29/202214共八十二页OOK信号(xnho)的功率谱7/29/202215共八十二页升余弦(y

7、xin)滚降基带信号的2ASK信号功率谱7/29/202216共八十二页 调制方法(fngf)：用乘法器实现，对于OOK可以用开关电路来代替乘法器。7/29/202217共八十二页振幅(zhnf)健控ASK的实现7/29/202218共八十二页解调(ji dio)方式：(a)非相干解调方式 (b)相干解调方式（在2ASK中很少采用）7/29/202219共八十二页10.1.2 二进制频移键控FSK 载波频率随着调制(tiozh)信号“1”或“0”而变，用两种频率f1和f2的载波信号分别表达1和0. 其时域表达式为7/29/202220共八十二页 当g(t)为矩形脉冲，二进制频移键控信号是两个不

8、同载频的幅度键控(jin kn)已调信号之和。 带宽7/29/202221共八十二页时域波形(b xn)7/29/202222共八十二页功率(gngl)谱 图中fc是中心频率，h=(f2-f1)/Rs，与频率之差和负载阻抗(zkng)有关。7/29/202223共八十二页调制方式： 1、可以(ky)用模拟信号调频电路来实现。 2、也可以用如图所示的调制电路实现。7/29/202224共八十二页解调方式(fngsh)：(a)包络检波 (b)相干解调7/29/202225共八十二页过零检测法的原理(yunl)：7/29/202226共八十二页10.1.3 二进制相移键控 载波的相位随调制信号“1”

9、或“0”而变化(binhu)。时域表达式为：7/29/202227共八十二页 2PSK信号是一个双极性码的调幅，当“0”“1”概率相同时，双极性码的直流成分为0，相当于抑制载波的双边带调幅。只有连续谱，没有离散(lsn)线谱（载波）。 2PSK又称为0-调相。7/29/202228共八十二页2PSK信号(xnho)的功率谱7/29/202229共八十二页升余弦滚降基带信号(xnho)的2PSK信号功率谱7/29/202230共八十二页调制(tiozh)方式：(a)相乘法 (b)相位选择法7/29/202231共八十二页解调(ji dio)方式：2PSK的解调必须用相干解调， 必须在接收端恢复同

10、频同相载波。目前(mqin)在接收端恢复载波常用： 1、平方环电路 2、科斯塔斯环7/29/202232共八十二页平方(pngfng)环电路7/29/202233共八十二页分析(fnx)如下： 当g(t)为矩形时，平方将负脉冲(michng)倒成正脉冲(michng)，求和的结果为一直线。所以7/29/202234共八十二页 压控振荡器的中心为2C（即锁相环的锁定频率(pnl)）其输出信号为：相乘(xin chn)器输出up，7/29/202235共八十二页环路(hun l)低通滤波后KL为环路(hun l)滤波器的传输函数，KPA为乘法器传递函数锁相过程： 当接收端本振与发送本振存在相位差时

11、，锁相回路产生误差信号去调整VCO，使接收本振跟踪上发送本振的相位，称为锁定。 VCO的输出频率经过分频得到接收端恢复的本振。7/29/202236共八十二页科斯塔斯环7/29/202237共八十二页推导(tudo)如下 设输入信号为： VCO的输出未锁定时，与发送(f sn)端的本振有一个相位差7/29/202238共八十二页经环路(hun l)低通滤波后7/29/202239共八十二页信号(xnho)相乘后 VCO的频率由ud进行微调,直到(zhdo)接收本振(VCO)的相位与发送本振的相位为止。7/29/202240共八十二页相位(xingwi)模糊问题 1、如果初相差在（-/2， /2

12、）之间，锁相的结果将使=0 2、如果初相差在（/2， 3/2）之间，锁相的结果将使=。这种锁相结果将使2PSK信号的0-产生(chnshng)翻转，解码后将“1”误判为“0”， “0”误判为“1”。称为“相位模糊”。7/29/202241共八十二页 “相位模糊”问题不只在2PSK中存在，在MPSK（多进制调相）中更加(gnji)严重。 解决“相位模糊”通常采用“差分相移键控”7/29/202242共八十二页10.1.4 二进制差分(ch fn)相移键控2DPSK 调制方式：首先对数字(shz)基带信号进行差分编码，即由绝对码变成相对码（差分码），然后再进行调相。7/29/202243共八十二页

13、差分编码：当绝对码为0时，相对(xingdu)码电平与前一位码电平一致。当绝对码为1时，相对码电平与前一位码电平相反。相对调相：当绝对码为0时，载波相位与前一位码时同相。当绝对码为1时，载波相位与前一位码时反相。7/29/202244共八十二页7/29/202245共八十二页解调方式： 1、相干解调方式：如图10-17所示。虽然解调后的相对码与调制前的相对码之间也存在相位模糊(m hu)问题（图e），但绝对码判“0”或判“1”取决于相对码的前位与后位之间的关系，消除了0-模糊的问题。 接收端需要恢复载波。7/29/202246共八十二页7/29/202247共八十二页 2、差分相干(xingg

14、n)解调：如图10-18所示，用这种方法解调时不需要恢复载波，只需要将DPSK信号延时一个码元间隔TS，然后与DPSK信号本身相乘。相乘结果反映了前后码元的相对相位关系。 不需要差分译码。7/29/202248共八十二页7/29/202249共八十二页10.2 数字信号的最佳(zu ji)接收 接收系统，受到高斯白色噪声加性干扰时，为了得到最佳的接收效果，接收滤波器的冲击响应（或传递函数）应该(ynggi)怎样设计？ 这里按两种准则来讨论，一是按最大输出信噪比，二是按最小差错概率。7/29/202250共八十二页10.2.1 匹配(ppi)滤波器 以最大输出(shch)信噪比来讨论，这类滤波器

15、也有两种类型。 1、使滤波后的信号波形与发送信号波形的均方误差最小，即要求信噪比在整个时域区间的均值小，常用于模拟信号的滤波，称为维纳滤波。 2、只要求信噪比在抽样时刻有最大值，便于抽样判决，常用于数字滤波，也是本章讨论的重点。7/29/202251共八十二页 设滤波器的传递函数为H(f)，冲击响应(xingyng)为h(t)。滤波器的输入信号 x(t)=s(t)+n(t)输出信号 y(t)=s(t)+n(t)*h(t)其中信号通过滤波后为： 7/29/202252共八十二页输出(shch)噪声功率谱输出(shch)噪声平均功率在t=T时刻，信噪比SNR7/29/202253共八十二页求SNR

16、的最大值，根据(gnj)许瓦兹不等式。 只有当S(f)=Y(f)*，等式(dngsh)成立。 即对于10-26来说，7/29/202254共八十二页当时即时7/29/202255共八十二页SNR最大值7/29/202256共八十二页结论： 1、要实现信噪比最大的匹配滤波，要求滤波器的传递函数与信号(xnho)功率谱的复共轭成正比。 2、匹配滤波器的冲击响应是输入信号(xnho)S(t)的镜像平移。式中T是特定抽样点时间。7/29/202257共八十二页 3、匹配滤波器的输出(shch)波形与输入信号的自相关函数成正比。7/29/202258共八十二页 例10-1、如图10-19(a)所示信号，

17、试求接收该信号的匹配(ppi)滤波器冲击响应的输出波形。7/29/202259共八十二页式中解：图10-19（a）可表示(biosh)为：7/29/202260共八十二页冲击(chngj)响应：输出(shch)波形： 波形如图10-19（b）所示，在t=T处有最大值。7/29/202261共八十二页MFS1(t)MFS2(T)选择和判决t=Tt=Ty1y2在t=T时，如果(rgu)y1y2,判为y1(假设是1) 如果y1y2,判为y2(假设是0) 根据信号通过匹配滤波器后在T处有最大值这一特点，可以(ky)制作二进制数字信号的接收机。其框图如图10-20所示：7/29/202262共八十二页

18、在数字通信中，特别是雷达信号，发送信号往往(wngwng)是有限长度，S(t)信号在（0,Ts）时间内7/29/202263共八十二页可得出匹配(ppi)滤波器的框图如图10-21所示：积 分 Ys(t)t=TsS(t)x(t)图10-21 这是另一种形式(xngsh)的匹配滤波器，由相乘和积分完成相关功能，在t=TS时进行抽样。7/29/202264共八十二页 10.2.2、数字信号接收的统计模型 用于最小差错概率统计接收 设离散消息(xio xi)源X是一个概率分布为：X1 X2X3 , XmP(X1) p(X2)P(X3) , P(Xm)有7/29/202265共八十二页发送信号(xnh

19、o)与消息之间一一对应，有概率场：S1S2S3. ,SmP(S1)P(S2)P(S3) ,P(Sm) 传输(chun sh)中引入的加性白噪声n(t),各抽样值具有独立分布，设一维幅度概率密度函数均为正态分布。在（0，Ts）观察时间内有K个噪声抽样值:n1 ,n2 , ,nk ,其多维联合概率密度函数：7/29/202266共八十二页 2n是噪声(zoshng)方差，即平均功率，噪声(zoshng)均值为0。 若限带信道(xn do)截止频率为fH，理想抽样频率为2fH则在（0，Ts）时间内有TS/t个抽样值，其中t为抽样间隔（10-42）7/29/202267共八十二页 在（0，Ts）时间内

20、有TS* 2fH次抽样值，噪声(zoshng)平均功率为：令上式可以(ky)用积分代替：式中7/29/202268共八十二页为单边功率(gngl)谱密度代入10-42后：式中7/29/202269共八十二页接收(jishu)信号是发送信号Si(t)与噪声之和。所以(suy)，x(t)的条件概率密度函数为： 称为似然函数，表现了多电平信号叠加噪声后的概率密度。式中K= 2TSfH表示了时宽内的抽样数，i为电平数。 7/29/202270共八十二页10.2.3 最小错误(cuw)概率接收机 由于信号电平上叠加了噪声，所以判决时有误码产生，最佳(zu ji)接收应该以最小错误概率为准则。 设二进制信号s1(t) 和s2(t)在观察时刻的电平值为a1和a2 迭加噪声后的概率密度函数用似然函数来表示。7/29/202271共八十二页如图10-23所示，VT是判决(pnju)电平错误(cuw)判决概率7/29/202272共八十二页 设发S1和S2的概率分别(fnbi)为P(S1)和P(S2)每次判决的平均错误Pe Pe=P(S1)PS1(S2)+P(S2)PS2(S1)令VT是最佳