第7章 数字带通传输系统.ppt

1、通信原理，王玉青Email:wangyq123，本章要点，第7章数字频带通信系统，本章主要介绍各种数字调制的结构数字调制系统的性能分析教育重点：2PSK，2DPSK调制的原理和系统的性能分析。 教育难点：调制系统的性能分析。 掌握诸如1、2ASK、2FSK、2PSK和2DSK的数字调制/解调系统的操作原理、调制/解调框图和数学描述。 2 .了解数字调制信号的功率谱并确定对于各种数字调制系统的信道带宽的要求。 3 .比较二维数字调制系统的抗噪声性能，其理解调制系统的性能指标并且以所掌握的加性高斯噪声的理想信道条件，比较理解用于掌握二维数字调制系统的性能分析方法的最佳阈值等对系统的性能的影响。 4

2、 .了解多进制数字调制系统的工作原理和性能分析方法。 在本章中，数字通信和模拟通信的根本差异在于数字通信仅与有限的已知波形的发送和检测相关的模拟通信中存在无限可能的消息的对应波形。 在数字通信系统中，信号的检测比模拟通信系统简单得多。 在数字通信系统中，信号的传输也受到信道噪声干扰。 接收器的任务是根据对接收的信号加上噪声的混合波形，判断发送侧发送了m个波形中的哪个。 一旦做出正确的确定，就能在无噪声的情况下正确地恢复所发送的信号。 因此，在这种意义上，噪声不太影响数字通信系统。 如同模拟调制器，数字调制器也具有三种基本形式，幅度调制、频率调制和相位调制，并且可以导出许多其它形式。 虽然数字调

3、制器和模拟调制器的原理没有什么不同，但是调制信号是离散的，并且接收侧仅检测载波信号的离散调制参数。 数字调制信号也称为键控信号。 这是因为初始的数字调制信号是电报信号，是用密钥生成的。 数字调制：将数字基带信号转换为数字基带通信信号(调制信号)的过程。 通过打开用模拟调制的方法实现数字调制的键控制载波，通常被称为键方式。 基本键系统：幅度键、频移键、相移键、幅度键的频移键、数字调制可以被分为二进制调制和多值调制，7.1二进制数字调制原理，7.1.1二进制幅度键(2ASK )，1 .基本原理：“开-关键(OOK )”信号格式g(t)-持续时间为Ts的基带脉冲波形，通常假设高度为1、宽度为Ts的矩

4、形脉冲，第an-个码元的电平取值，该第2ASK信号成为OOK信号。 另外，2ASK信号的生成方法：模拟调制法(乘法)、调制法、2ASK信号的一般式、图7-32ASK/OOK信号调制器的原理框图，与模拟信号的调制同样地，在将载波乘以基带信号后，通过选择不同的发送BPF，来选择DSB、VSB、 由于在数字调制中基带信号s(t )在零频率附近的能量丰富，且调制后很难分割上下频带，所以一般不使用VSB传输方法。 2ASK信号解调方法：如下图所示，(a )非相干解调(包络检波法)、(b )相干解调(同步检波法)、非相干解调过程的时间波形、2 .功率谱密度，2ASK信号为s(t)-进单极随机矩形脉冲序列，

5、(a )非相干解调过程的时间波形G(f)-单个基带信号元素g(t )的频谱函数。 另外，对于全部占空比矩形脉冲序列，根据矩形波形g(t )的频谱特性，对于所有m0的整数，设为Ps(f)-s(t )的功率谱密度、P2ASK(f)-2ASK信号的功率谱密度。 选择了上述式，2ASK信号的功率谱是基带信号的功率谱Ps(f )的线性移动(线性调制)。 知道Ps(f )可以确定P2ASK(f )。在概率P=1/2时，可以将第二ask信号的功率谱密度视为正来进行替代，因此上述公式取决于g(t )经线性调制的双边频带频谱，其中，(1)第二ask信号的功率谱密度取决于由载波分量确定的连续频谱和(2)第二ask

6、信号具有为基带信号两倍的带宽。 由此可见，2ASK调制类似于AM调制。 在图7-62ASK信号的功率谱密度示意图，7.1.2二进制频移键控(2FSK )，1 .基本原理：方程：2FSK中，载波的频率随着二进制基带信号而在f1和f2两个频率点上变化。 因此，图7-72FSK信号的时间波形中，2FSK信号的波形(a )可以分解为波形(b )和波形(c )，因此2 FSK信号的时域式还可以写为g(t )是单一矩形脉冲，Ts是脉冲持续时间另外，2FSK信号的方式是使用模拟频率调制电路实现2FSK信号的产生方法，其信号的相位在相邻码元之间连续地变化。 以键方式实现：相邻符号之间的相位不一定是连续的。 图

7、7-8的键控方式生成2FSK信号的原理图、2FSK信号的解调方法、非相干解调、相干解调，这里的判定器有点特别，没有判定阈值，只是比较双向信号中的哪一个大。 这能够提高输出信噪比。 其他解调方法：例如鉴定法、差分检测法、过零检测法等。 下图显示了过零检测法的原理框图和各时刻的时间波形。 功率谱密度：对于相位不连续的2FSK信号可认为叠加了两个不同载波频率的2ASK信号，这是因为s1(t )和s2(t )是双向二进制基带信号，2FSK信号的功率谱密度的公式：概率P=1/2。 如果用f1和f2分别代替2ASK信号的频谱的fc，并代入上式，则相位不连续的2FSK信号的功率谱由连续的频谱和离散频谱构成。

8、 在此，连续频谱是重叠了两个中心位于f1和f2的双边频谱而得到的，在离散频谱中，位于两个载波频率f1和f2的连续频谱的形状根据两个载波频率之差的大小而变化，|f1-f2|fs中， 当计算出现双峰功率谱的第一个零点之间的频率间隔的2FSK信号的带宽时，该带宽几乎以fs=1/Ts成为基带信号的带宽。 图中的fc是两个载波频率的中心频率。7.1.3二进制相移键控(2PSK )，1 .基本原理：2PSK信号的公式(通常分别表示初始相位0和二进制“1”和“0”) :第n-n个符号的绝对相位，因为两个符号的波形相同并且极性相反，所以为2PSK 一个双极性全占空比矩形脉冲序列与一个正弦波载波的相乘：g(t)

9、可表现为脉冲宽度Ts的单一矩形脉冲，但an的统计特性是发送二进制符号“0”时(取an )的二进制符号“1”(an为-1) 以这样的载波的不同相位直接对应的二进制数字信号的调制方式被称为二进制绝对相移方式。 另外，图7-122PSK信号的时间波形、模拟调制方法、密钥方式、2PSK信号的调制器原理框图、2PSK信号的解调器原理框图和波形图：在波形图中，假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致(通常为0 然而，由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在的相位模糊，即，恢复的本地载波和所需的相干载波可为同相或反相，因此该相位关系的不确定性可包括解调后的数字基带信号和发送的数字基带信号即

10、，“1”为“0”，“0”为“1”，判定器输出数字信号全部是错误的。 将该现象称为2PSK方式的“逆”现象或“逆相功”。 这也是实际上不怎么采用2PSK方式的原因。 并且，在随机的信号要素序列中，在信号波形中出现长时间连续的正弦波形状，有可能在接收侧不能识别信号要素的开始时刻。为了解决上述问题，可以采用在7.1.4节中所讨论的差分相移键控(DPSK )体制。 2、功率谱密度：2ASK :2PSK :相同：两者的表现形式完全相同不同：基带信号s(t )不同(an不同)，前者为单极，后者为双极，原封不动地引用2ASK信号的功率谱密度的式，2PSK信号的功率谱能够表现双极性矩形脉冲序列的功率谱，双极性

11、的全占空比矩形随机脉冲序列的功率谱密度，若将其代入上式，则P=1/2，考虑到矩形脉冲的频谱，2PSK信号的功率谱密度可以根据功率谱密度曲线、 当P=1/2时，频谱上没有离散频谱(载波分量)，在该情况下，2PSK信号实际上相当于抑制载波的双边频带信号。 因此，可视为基于双极基带信号的幅度调制信号。 如果双极型基带信号不出现在相等的概率(P1/2 )处，则2PSK信号的功率谱存在离散频谱和连续频谱，连续频谱的结构与2ASK信号的连续频谱结构相同，两者的带宽也相同(几乎为2fs )。 (1)比较第二ask、第二FSK和第二PSK信号的功率谱密度：第二ask :第二FSK :第二PSK :第二ask信

12、号存在离散频谱的原因是调制信号s(t )包括直流分量。 (2)第二ask信号具有为基带信号两倍的带宽。 由此可见，2ASK调制类似于AM调制。 2FSK信号功率谱密度： (1)相位不连续2FSK信号功率谱由连续频谱和离散频谱组成。 连续频谱由位于f1和f2中心的两个双边频谱叠加而成，离散频谱的位于两个载波频率f1和f2的(2)连续频谱的形状根据两个载波频率之差的大小而变化，|f1-f2|fs中，双峰为不同之处仅在于，如果P=1/2，则该频谱没有离散频谱(载波分量)。 因此，可视为基于双极基带信号的幅度调制信号。 2PSK信号的解调原理框图和波形图：2PSK信号复原后的本地载波与需要的相干载波相

13、反时，出现“逆”现象。 如何解决呢？ 另外，7.1.4二进制差分相移键控(2dsPSK )，1 .基本原理：2dsPSK也称为相对相移键控，因为2dsPSK利用前后相邻符号的载波的相对相位变化来传输数字信息。 若假定当前符号与前一个符号的载波相位差并定义了与数字信息的关系，则还将一组二值数字信息及其对应的二维PSK信号的载波相位关系定义为例如对应的二维PSK信号的波形、与数字信息的关系，即二维PSK信号的矢量图因此，相邻码元之间一定有相位跳跃。 通过在接收侧检测该相位跳跃，可以决定每个符号的开始时刻。 如从上图可以看到的，2DPSK信号的生成方法将表示数字信息序列的绝对码转换为相对码(差分码)

14、，然后基于相对码执行绝对相位调制，从而生成二进制差分相移键控信号。 另外，2DPSK信号调制器的原理框图，差动码可以取信号差动码或空号差动码。 在此，编码差分码的编码规则被称为100000000000000000000000000000000000652上式的逆过程被称为差分解码(代码逆变换)，即作为2DPSK信号的解调方法之一的相干解调(极性比较法)相加码逆变换方法将原理： 2DPSK信号作为相干解码在解调过程中，受载波相位的模糊性的影响，解调后的相对码也可能“1”和“0”反转，但是，发生由差分解码(码反变换)得到的绝对码不反转的现象，解决了载波相位的模糊性问题。 另外，2DPSK的相干解调

15、器的原理图和各点波形、2DPSK信号的解调方法这两种：差动相干解调(相位比较)法，解调时不需要特别的相干载波，从接收到的2DPSK信号延迟一个符号间隔，将其乘以2DPSK信号本身。 乘法器充当相位比较器，因为如果乘法结果反映了前后码元的相位差，并且在进行了低通滤波之后对其采样并确定，则可以直接复原原始数字信息，所以解调器中不需要码逆转换器。 其耐加性白噪声性能差于2PSK。 相位模糊的差分编码/解码示例，2 .功率谱密度：2PSK和2PSK具有相同形式的公式。 不同地，在二维PSK中的基带信号s(t )对应于编码变换后的相对码序列，即，2PSK中的基带信号s(t )对应于绝对码序列。 因此，2

16、PSK信号和2PSK信号的功率谱密度完全相同。 信号带宽是与2ASK相同的符号率的两倍，是7.2进制数字调制方案的噪声耐受性，概括：通信方案的噪声耐受性是系统克服附加噪声的影响的能力。 在数字通信系统中，信道噪声可以在发送符号中发生错误，并且错误的程度通常以错误率来测量。 因此，与分析数字基带系统的抗噪声性类似，分析数字调制系统的抗噪声性(即，获得信道噪声干扰下整个系统的差错率)。 分析条件：假设信道特性是恒定的参考信道，并且信道特性在信号的频带范围内具有理想的矩形传输特性(期望地，传输系数为k )。 信道噪声是加性高斯噪声。 此外，因为噪声被认为只影响信号的接收，所以在接收侧分析系统的性能。

17、 想法：求差错率决定判定电平，求采样判定器的输入信号式和概率分布函数求检波器的输入信号式。 另外，7.2.1二进制振幅调制(2ASK )系统的噪声耐性、1 .同步检测法的系统性能、分析模型、计算：在1个码元的持续时间Ts内，该发送侧输出的信号波形在时间(0， 针对每个Ts )，接收侧的输入波形被认为是：为了使传输后ui(t )为uT(t )并且信道传输后的波形ni(t )为平均值为0的加性高斯噪声变得简洁，在信道传输了信号后被固定地衰减，没有发生失真(设信道传输系数为k )。 假设接收侧带通滤波器具有理想的矩形传输特性，恰好在信号中没有失真，带通滤波器的输出波形是n(t )为高斯白噪声ni(t )通过带通滤波器的输出噪声。 根据第3章的随机信号分析，n(t )可以表现为窄带高斯噪声，其平均值为0，方差为n-2，因此，将y(t )乘以相干载波2cosct，用低通滤波器去除高频成分，对于在采样判定器的输入侧得到的波形，a为由于方差为n-2的高斯噪声，所以x(t )也