黑大《通信原理》第七章课件

1、第7章 数字带通传输系统71 二进制数字调制原理72 二进制数字调制系统的抗噪声性能73 二进制数字调制系统的性能比较74 多进制数字调制原理75 多进制数字调制系统的抗噪声性能 实际中的大多数信道(如无线信道)因具有带通特性而不能直接传送基带信号，必须用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。 这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号(已调信号)的过程称为数字调制(digital modulation)。 在接收端通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调(digital demodulation)。 通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫

2、做数字带通传输系统。也称为频带传输、载波传输。数字调制方法利用模拟调制的方法利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波【键控法】振幅键控(Amplitude Shift Keying, ASK)频移键控(Freguency Shift Keying, FSK)相移键控(Phase Shift Keying, PSK)71 二进制数字调制原理 调制信号是二进制数字基带信号时，这种调制称为二进制数字调制。二进制振幅键控(2ASK)二进制频移键控(2FSK)二进制相移键控(2PSK) 711 二进制振幅键控 1基本原理 振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。 在2A

3、SK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”或“1”。 一种常用的二进制振幅键控方式称为通断键控(On Off Keying, OOK)a)2ASK信号的一般表达式 设g(t)是高度为1、宽度等于Ts的矩形脉冲；an是第n个符号的电平取值。 若取2ASK/OOK则相应的2ASK信号就是OOK信号。 b)2ASK/OOK信号的产生c)2ASK/OOK信号的解调与模拟信号的接收系统相比，增加了一个“抽样判决器”。 2ASK传输技术受噪声影响很大。噪声电压和信号一起改变了振幅。在这种情况下，“0”可能变为“1”，“1”可能变为“0”。 2ASK作为研究其他数字调制的基础功率谱密度令概

4、率P1/2功率谱密度特点： 1)该2ASK信号功率谱由连续谱和离散谱两部分组成，连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱，离散谱则处在载波频率上； 2) 2ASK信号的带宽是基带脉冲波形带宽的两倍；2ASK信号的传输带宽是码元速率的2倍。712二进制频移键控 1基本原理 a)2FSK表达式载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。其表达式为 b)2FSK信号的产生 1)采用模拟调频电路来实现在相邻码元之间的相位是连续变化的 2)采用键控法在相邻码元之间的相位是不连续变化的 c)2FSK信号的解调 1)非相于解调（包络检波）3)过零检测法4)如鉴频法5)差分检测法等。 2功率谱密

5、度 对相位不连续的2FSK信号，可以看成由两个不同载频的2ASK信号的叠加，2ASK频谱2ASK频谱图令概率P1/2连续谱离散谱两个中心位f1和f2处的双边谱两个载频f1和f2处若 ，连续谱在f0处出现单峰若 ，连续谱出现双峰2FSK信号的带宽713二进制相移键控 1基本原理 相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。 a)2PSK信号的时域表达式 在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。表示第n个符号的绝对相位2PSK信号表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘2ASK发送二进制符号“0时(an取+1)，e2PSK(t)取0相位发送

6、二进制符号“1时(an取-1)，e2PSK(t)取相位以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。1)采用模拟调制2)采用键控法b)2PSK信号的产生在2ASK中s(t)是单极性的，而在2PSK中s(t)是双极性的基带信号。 假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相让一致(默认为0相位)。 由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着 180的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反。 这种现象称为2PSK方式的“倒”现象或“反相工作”。 2功率谱

7、密度 在2ASK中s(t)是单极性的， 而在2PSK中s(t)是双极性的基带信号。2PSK信号的功率谱Ps( f )是双极性全占空矩形随机脉冲序列的功率谱。若等概(P=1/2)，矩形脉冲的频谱 714二进制差分相移健控 1基本原理 2PSK信号的相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的。它利用载波相位的绝对数值表示数字信息，又称为绝对相移。 2PSK相干解调时，由于载波恢复中相位有0、模糊性，导致解调过程出现“反向工作”现象。 为了克服此缺点，采用二进制差分相移键控(2DPS)方式。 a)2DPSK的相对相位 2DPSK利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。假设

8、 为当前码元与前一码元的载波相位差一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位二进制数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 02DPSK信号相位：(0)000()0000002DPSK信号的前后码元相对相位的差才唯一决定信息符号 克服了2PSK存在的 “反向工作”现象。 在某个长的码无序列中，信号波形的相位可能仍没有突跳点，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。 矢量图 在某个长的码无序列中，信号波形的相位可能仍没有突跳点，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。 在相邻码元之间必定有相位突跳b) 2DPSK信号的产生先把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码(差分码)，再根据相对

9、码进行绝对调相，从而产生二进制差分相移键控信号。差分码传号差分码空号差分码传号差分码的编码规则载波的相位遇到原数字信息“1”变化，遇到“0”则不变 c)2DPSK信号的解调差分译码(码反变换)1)相干解调(极性比较法)加码反变换法。2)2DPSK信号的差分相干解调(相位比较法) 不需要专门的相干载波， 不需要码反变换器。2功率谱密度 2DPSK可以与 2PSK具有相同形式的表达式。所不同的是2PSK中的基带信号s(t)对应的是绝对码序列；而 2DPSK中的基带信号S( t)对应的是码变换后的相对码序列。 2DPSK信号和2PSK信号的功率谱密度是完全一样的。 2DPSK信号功率谱。 信号带宽为

10、与2ASK相同，也是码元速率的2倍。72 二进制数字调制系统的抗噪声性能 假设信道特性是恒参信道， 在信号的频带范围内具有理想矩形的传输特性(可取其传输系数为K)； 信道噪声是加性高斯白噪声。 7.2.1 2ASK系统的抗噪声性能 1同步检测法的系统性能设在一个码元的持续时间Ts内，其发送端输出的信号波形在每一段时间(0，Ts)内，接收端的输入波形为ui(t)为uT(t)经信道传输后的波形。信号经过信道传输后只受到固定衰减，未产生失真(信道传输系数取为K)，令a=AK，ni(t)是均值为0的加性高斯白噪声接收端带通滤波器，恰好使信号无失真通过带通滤波器的输出波形n(t)为窄带高斯噪声，其均值为

11、0，方差为在抽样判决器输入的波形x(t)是一个高斯随机过程，其均值分别为a(发“1”时)和0(发“0”时)，方差等于第k个符号的抽样时刻的抽样值发送“1”时，x的一维概率密度函数发送“0”时，x的一维概率密度函数当发送“1”时，错误接收为“0”的概率当发送“0”时，错误接收为“1”的概率同步检测时2ASK系统的总误码率判决门限为b最佳判决门限若P(1)=P(0)=1/2，则最佳判决门限为2ASK信号采用相干解调(同步检测)时系统的误码率解调器输入端的信噪比 当大信噪比( r 1)时2包络检波法的系统性能带通滤波器a)当发送“1”符号时，包络检波器的输出波形抽样值是广义瑞利型随机变量 设判决门限

12、为b，则发送1时错判为“0”的概率为b)当发送“0”符号时，包络检波器的输出波形抽样值是瑞利型随机变量则发送“0时错判为“1”的概率为总误码率若P(1)=P(0)=1/2，则最佳判决门限近似为在大信噪比的情况下 在相同的信噪比条件下， 同步检测法的抗噪声性能优于包络检波法， 但在大信噪比时，两者性能相差不大。包络检波法不需要相干载波，因而设备比较简单。包络检波法存在门限效应，同步检测法无门限效应。例设有一2ASK信号传输系统，其码元速率为发“1”和发“0”的概率相等，接收端分别采用同步检测法和包络检波法解调。已知接收端输入信号的幅度a=1mV，信道中加性高斯白噪声的单边功率谱密度试求： (1)

13、同步检测法解调时系统的误码率； (2)包络检波法解调时系统的误码率。722 2FSK系统的抗噪声性能 1同步检测法的系统性能在一个码元的持续时间Ts内，发送端产生的2FSK信号可表示为在一个码元的持续时间Ts内，接收端的输入合成波形ni(t)是均值为0的加性高斯白噪声设带通滤波器恰好使相应的信号无失真通过，则其输出端的波形n1(t)、 n2(t)是一个窄带高斯过程均值0，方差等于a)发送“1”符号，则上下支路两个带通滤波器的输出波形抽样判决器两路输入波形抽样值的一维概率密度函数传1判为0的错误概率b)同理可得，发送0”错判为“1”的概率若P(1)=P(0)=1/2，总误码率在大信噪比(r1)条

14、件下 2包络检波法的系统性能b）发送“1”符号两路包络检波器的输出V1(t)抽样值V2的一维概率密度函数服从广义瑞利分布.V2(t)抽样值V2的一维概率密度函数服从瑞利分布。传1判为0的错误概率b)同理可得，发送0”错判为“1”的概率 在大信噪比条件下，2FSK信号包络检波的系统性能与同步检测时的性能相差不大，但同步检测法的设备却复杂得多。例采用2FSK方式在等效带宽为2400Hz的传输信道上传输二进制数字。2FSK信号的频率分别为f1=980Hz, f2=1580Hz，码元速率RB=300B。接收端输入的信噪比为6dB。试求： (1)2FSK信号的带宽； (2)包络检波法解调时系统的误码率；

15、 (3)同步检测法解调时系统的误码率。总误码率723 2PSK和2DPSK系统的抗噪声性能在一个码元的持续时间Ts内，发送波形 12PSK相干解调(极性比较法)系统性能接收端带通滤波器输出波形抽样判决器的输入波形其一维概率密度函数发送“1”时发送“0”时若P(1)=P(0)=1/2，则最佳判决门限将“1”判为“0”的错误，将“0”判为“1”的错误，2PSK信号采用同步检测法时的系统误码率为在大信噪比(r1)条件下22DPSK信号相干解调系统性能2PSK相干解调无错码1 0 1 1 0 0 1 1 1 01101010011个错码1 0 1 0 0 1 1 1 01101001连续2个错码1 0 1 0 1 1 1 01111001 bn中有连续n个(n1)错码，码反变换器输出的an中也只有2个错码，并且错码位置在两头。 设Pe为码反