中山大学-通信原理 第5章 数字信号的频带传输.ppt

1、2020/7/15,1,第5章 数字信号的频带传输,5.1 二进制数字幅度调制 5.2 二进制数字频率调制 5.3 二进制数字相位调制 5.4 二进制数字调制系统的性能比较,2020/7/15,2,5.1 二进制数字幅度调制,调制信号为二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。 5.1.1 一般原理与实现方法 数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键控记作2ASK。,2020/7/15,3,2ASK信号可表示为： s(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列： 2ASK信号的产生方法（调制方法）,2020/7/15,4,2ASK信号

2、解调的常用方法主要有两种：包络检波法和相干检测法。,2020/7/15,5,5.1.2 2ASK信号的功率谱及带宽 一个2ASK信号可以表示成： 设：调制信号的功率谱为Ps( f ) ，则已调信号的功率谱为Pe( f )： 带宽为： 频带利用率为：,2020/7/15,6,2020/7/15,7,5.1.3 2ASK系统的抗噪声性能 假定信道噪声为加性高斯白噪声，其均值为0、方差为 ；接收的信号为： 1. 包络检测时2ASK系统的误码率 其接收带通滤波器BPF的输出为：,2020/7/15,8,经包络检波器检测，输出包络信号： 发“1”时，BPF输出包络的抽样值的一维概率密度函数服从莱斯分布；

3、 而发“0”时，BPF输出包络的抽样值的一维概率密度函数服从瑞利分布。,2020/7/15,9,存在两种错判的可能性：一是发送的码元为“1”时，错判为“0”，其概率记为 ；二是发送的码元为“0”时，错判为“l”，其概率记为 。,2020/7/15,10,则系统的总误码率为 ： 不难看出，当时，该阴影面积之和最小，即误码率最低。称此使误码率获最小值的门限为最佳门限，其值为 。系统的误码率近似为： 其中 表示信噪比。,2020/7/15,11,2. 相干解调时2ASK系统的误码率 其接收带通滤波器BPF的输出为： 取本地载波，则乘法器输出，在抽样判决器输入端得到：,2020/7/15,12,x(t

4、)值的一维概率密度为：,2020/7/15,13,不难看出，最佳判决门限为： 可以证明，这时系统的误码率为： 当信噪比远大于1时，上式近似为： 在大信噪比情况下，2ASK信号相干解调时的误码率总是低于包络检波时的误码率，即相干解调2ASK系统的抗噪声性能优于非相干解调系统。注意例题。,2020/7/15,14,5.2 二进制数字频率调制,5.2.1 调制原理与实现方法 数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。,2020/7/15,15,根据2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为： 其中： 初相位可以是不连续，也可以是连续的；,2020/7/

5、15,16,2020/7/15,17,5.2.2 2FSK信号的解调 数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。 包络检波法,2020/7/15,18,2. 相干检测法,2020/7/15,19,3. 过零检测法,2020/7/15,20,4. 差分检测法 角频率频移有两种取值，乘法器输出为： 合理的选取延迟，使得,2020/7/15,21,此时 输出电压与角频偏呈线性关系，实现近似线性的频幅转换特性，这正是鉴频特性所要求的。针对的两种取值，经抽样判决器可检测出“1”和“0”。,2020/7/15,22,5.2.3 2FSK信号的功率谱及带宽 2F

6、SK信号可视为两个2ASK信号的合成： 则2FSK信号功率谱为两个2ASK功率谱之和。,2020/7/15,23,分析上图可见： （1）2FSK信号的功率谱与2ASK信号的功率谱相似，由离散谱和连续谱两部分组成。 （2）连续谱的形状随着 的大小而异。 出现双峰； 出现单峰。 （3）2FSK信号的频带宽度为,2020/7/15,24,5.2.4 2FSK系统的抗噪声性能 1. 同步检测法的系统性能,2020/7/15,25,发送端产生的2FSK信号可表示为： 接收机收入端合成波形为： 接收端上、下支路两个带通滤波器BPF1、BPF2的输出波形分别为：,2020/7/15,26,考虑到这里的噪声为

7、窄带高斯噪声则： 发送“1”符号，则上下支路低通滤波器输出分别为：,2020/7/15,27,将造成发送“1”码而错判为“0”码，错误概率为： 其一维概率密度函数可表示为：,2020/7/15,28,同理可得，发送“0”符号而错判为“1”符号的概率为,于是可得2FSK信号采用同步检测法解调时系统的误码率为： 在大信噪比条件下，上式可近似表示为,2020/7/15,29,2. 包络检波法的系统性能,发送“1”符号,2020/7/15,30,经计算2FSK信号采用包络检波法解调时系统的误码率为： （1）在输入信号信噪比一定时，相干解调的误码率小于非相干解调的误码率；当系统的误码率一定时，相干解调比

8、非相干解调对输入信号的信噪比要求低。 （2）相干解调时，需要插入两个相干载波，电路较为复杂。见例题5.2,2020/7/15,31,5.3 二进制数字相位调制,根据载波相位表示数字信息的方式不同，数字调相分为绝对相移（PSK）和相对相移（DPSK）两种。 5.3.1 二进制相移键控（2PSK） 1. 一般原理及实现方法,2020/7/15,32,2PSK信号的典型波形如图所示： 2PSK信号的调制方框图如图所示：,2020/7/15,33,2PSK信号的解调： 不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为：,2020/7/15,34,2PSK接收系统各点波形如图所示：,2020/7/15,35,2.

9、2PSK信号的频谱和带宽 2PSK信号的功率谱密度可以写成： 对于双极性NRZ码，由于不存在直流成分，因此，2PSK信号功率谱示意图如图5-21所示：,2020/7/15,36,因此，2PSK信号的带宽、频带利用率也与2ASK信号的相同。 在数字调相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化。为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。,2020/7/15,37,3. 2PSK系统的抗噪声性能 2PSK信号相干解调系统模型如图所示： 经信道传输，接收端输入信号为：,2020/7/15,38,经带通滤波器输出： 与本地载波相乘后，经低通滤波器滤除高频分量

10、，在抽样判决器输入端得到：,2020/7/15,39,2020/7/15,40,2PSK系统的最佳判决门限电平为： 在最佳门限时，2PSK系统的误码率为： 在大信噪比下，上式成为：,2020/7/15,41,5.3.2 二进制差分相移键控（2DPSK） 1. 一般原理及实现方法 它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用本码元与前一码元相位之差来传送数字信息的。,2020/7/15,42,相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。 绝对码和相对码是可以互相转换的，其转换关系为： 编码器 译码器,2020/7/15,43,相对相移本质上

11、就是对差分码信号的绝对相移。即 实现相对调相的最常用方法如图所示。,2020/7/15,44,2DPSK的解调有两种，一种是差分相干解调，另一种是相干解调-码变换法。 （1）相干解调-码变换法。 （2）差分相干解调法。它是直接比较前后码元的相位差而构成的，这种方法不需要码变换器，也不需要专门的相干载波发生器，因此设备比较简单、实用。,2020/7/15,45,2020/7/15,46,2. 2DPSK信号的频谱和带宽 无论是2PSK还是2DPSK信号，就波形本身而言，它们都可以等效成双极性信号作用下的调幅信号，无非是一对倒相信号的序列。有以下结论： （1）2DPSK与2PSK有相同的功率谱；

12、（2）它们的带宽和频带利用率均相同。,2020/7/15,47,3. 2DPSK系统的抗噪声性能 （1）极性比较-码变换法解调时2DPSK系统的抗噪声性能 为了分析码反变换器对误码的影响，以序列0110111001为例，可以得到下图：,2020/7/15,48,2020/7/15,49,以这方式解调时的误码率为： 当误码率很小时： 由此可见，码反变换器器总是使系统误码率增加，通常认为增加一倍。 （2）差分相干解调时2DPSK系统的抗噪声性能,2020/7/15,50,4. 2PSK与2DPSK系统的比较 （1）检测这两种信号时判决器均可工作在最佳门限电平（零电平）。 （2）2DPSK抗噪声性能

13、不及2PSK。 （3）2PSK系统存在“反向工作”问题，而2DPSK系统不存在“反向工作”问题。 因此在实际应用中，真正作为传输用的数字调相信号几乎都是DPSK信号。 见例题5.3。,2020/7/15,51,5.4 二进制数字调制系统的性能比较,1. 误码率 （见表5-1 ） 对二进制数字调制系统的抗噪声性能做如下两个方面的比较： （1）同一调制方式不同检测方法的比较 对于同一调制方式不同检测方法，相干检测的抗噪声性能优于非相干检测。,2020/7/15,52,（2）同一检测方法不同调制方式的比较 做横向比较，可以看出： 1）相干检测时，在相同误码率条件下，对信噪比的要求是：2PSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB； 2）非相干检测时，在