樊昌信版通信原理课件.ppt

1、1、通信原理，2、通信原理，第7章数字带通传输系统，3、第7章数字带通传输系统，概述数字调制：将数字基带信号转换为数字带通信号(调制信号)的过程。数字带通传输系统：通常是包括调制和解调的数字传输系统。数字调制技术有两种方法：利用模拟调制实现数字调制；载波通过开关来控制，这通常被称为键控方法。基本键控方法：幅度键控、频移键控和相移键控数字调制可分为二进制调制和多频带调制。振幅键控、频移键控、相移键控、第4章、第7章数字带通传输系统、7.1二进制数字调制原理、7.1.1二进制振幅键控(2ASK)基本原理：“开-关键控(OOK)”信号表示波形、第5章、第7章数字带通传输系统、2ASK信号表示其中Ts

2、符号持续时间的一般表达式；持续时间为Ts的G(t)基带脉冲波形，通常假设为高度为1、宽度等于Ts的矩形脉冲；取第n个符号的级别。如果采用，相应的2ASK信号是OOK信号。6，第7章数字带通传输系统，2ASK信号产生方法模拟调制(乘法器方法)键控方法，7，7数字带通传输系统，2ASK信号解调方法非相干解调(包络检测方法)相干解调(同步检测方法)，8，7数字带通传输系统，非相干解调过程的时间波形，9，2ASK信号的功率谱密度可以表示为s(t)二进制单极随机矩形脉冲序列， 其中：Ps (f) s(t) P2ASK (f) 2ASK信号的功率谱密度可以从上式中看出，2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱

3、Ps (f)的线性移位(属于线性调制)。 P2ASK (f)可以通过了解Ps (f)来确定。10，第7章数字带通传输系统。从第6.1.2节可知，单极随机脉冲序列功率谱的一般表达式是单个基带信号符号g(t)的谱函数，fs=1/Ts G(f)。根据矩形波形g(t)的频谱特性，对于m 0的所有整数，上述公式可以简化为代入，得到、11。第七章数字带通传输系统，当概率P=1/2，并以2ASK信号的功率谱密度为其曲线，如下图所示。12，第7章数字带通传输系统，2 ASK信号功率谱密度示意图，13，第7章数字带通传输系统。从以上分析和上图可以看出，2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成；连续频谱取决于线性

4、调制后g(t)的双边带频谱，而离散频谱由载波分量决定。2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍。如果只计算频谱的主瓣(第一个频谱零位置)，公式fs=1/Ts，即2ASK信号的传输带宽是符号速率的两倍。14，第7章数字带通传输系统，7.1.2二进制频移键控(2FSK)的基本原理表达式：在2FSK中，载波频率随着二进制基带信号在f1和f2之间变化。因此，其表达式为：15，第7章数字带通传输系统，典型波形：从图中可以看出，2FSK信号的波形(a)可以分解为波形(b)和波形(c)，也就是说，2FSK信号可以看作是两个载波频率不同的2SK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式可以写成，16，第7章数字

5、带通传输系统，其中g(t)为单个矩形脉冲，Ts为脉冲持续时间；n和n是第n个符号(1或0)的初始相位，通常可以设置为零。因此，2FSK信号的表达式可以简化为、17、第7章数字带通传输系统，其中2FSK信号的产生方法是通过模拟调频电路实现的：相邻符号之间的信号相位连续变化。关键方法是实现相邻符号之间的相位不一定是连续的。18，第7章数字带通传输系统，2FSK信号非相干解调的解调方法，19，第7章数字带通传输系统，相干解调，20，ch在第七章数字带通传输系统中，相位不连续的2FSK信号的功率谱密度可以看作是两个不同载频的2ASK信号的叠加，可以表示为两个二进制基带信号s1(t)和s2(t)。根据2

6、ASK信号功率谱密度的表达式，写出2FSK信号功率谱密度的表达式并不难：让概率P=0，只需将2ASK信号频谱中的fc分别用f1和f2代替，然后代入上述公式得到如下公式：22，第7章数字带通传输系统，其曲线如下：23，第7章数字带通传输系统， 从上图可以看出：其中，连续谱由中心位于f1和f2的两个双边谱组成，离散谱位于两个载波频率f1和f2。 连续频谱的形状随着两个载波频率之间的差异而变化，如果| f1 f2 | fs，则有两个峰值。如果2FSK信号的带宽是通过功率谱的第一个零点之间的频率间隔计算的，则其带宽近似为，其中fs=1/Ts是基带信号的带宽。图中的Fc是两个载波频率的中心频率。24，第

7、7章数字带通传输系统，7.1.3二进制相移键控(2PSK) 2PSK信号的表示：在2PSK中，初始相位0和通常分别用来表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式如下：n代表第n个符号的绝对相位；因此，上述表达式可以改写为、25，第7章数字带通传输系统。由于两个符号的波形相同，极性相反，2PSK信号可以表示为双极性全负载矩形脉冲序列和正弦载波的乘积：其中g(t)是脉冲宽度为Ts的单个脉冲。当发送二进制符号“1”时(an取-1)，e2PSK(t)取相位。这种调制方式直接表示载波相位不同的相应二进制数字信号，称为二进制绝对相移方式。第7章数字带通传输系统，典型波形，第7章2PSK信号的

8、调制器原理框图模拟调制键控法，第7章数字带通传输系统，解调器原理框图和2PSK信号的波形图：第7章数字带通传输系统，其中假设相干性然而，由于2PSK信号载波恢复过程中的相位模糊，即， 恢复的本地载波和所需的相干载波可能同相或异相，这种相位关系的不确定性将导致解调的数字基带信号正好与发送的数字基带信号相反，即，“1”将变为“0”，“0”将变为“1”，并且判决器输出的所有数字信号都将出错。 这种现象在2PSK模式下称为“反转”现象或“反转操作”。这也是2PSK在实践中很少使用的主要原因。另外，在随机信号符号序列中，信号波形可能具有长时间连续的正弦波形，这使得不可能在接收端识别信号符号的开始和结束时

9、间。为了解决上述问题，可以采用第7.1.4节中讨论的差分相移键控(DPSK)系统。30，第7章数字带通传输系统，比较2ASK信号和2PSK信号在功率谱密度方面的表达式：2ASK: 2PSK:可以看出，这两个信号的表达式完全相同，但区别只是基带信号s(t)不同(an不同)，前者是单极性，后者是双极性。因此，我们可以直接引用2ASK信号的功率谱密度公式来表示2PSK信号的功率谱，也就是说，需要注意的是，这里的Ps(f)是双极矩形脉冲序列的功率谱。31，第7章数字带通传输系统，从第6.1.2节可知，双极性全负载矩形随机脉冲序列的功率谱密度代入上述公式，如果P=1/2，并考虑矩形脉冲的频谱，2PSK信

10、号的功率谱密度为，32，第7章数字带通传输系统，功率谱密度曲线如上唯一的区别是当P=1/2时，其频谱中没有离散频谱(即载波分量)，此时，2PSK信号实际上相当于载波被抑制的双边带信号。因此，它可以看作是双极基带信号作用下的调幅信号。第七章数字带通传输系统7.1.4二进制差分相移键控(2DPSK) 2DPSK原理2DPSK利用相邻符号前后的载波相对相位变化来传输数字信息，因此也称为相对相移键控。假设当前符号和前一个符号之间的载波相位差，数字信息和之间的关系可以定义如下：34，第7章数字带通传输系统，相应的2DPSK信号的波形如下：从这个例子可以看出，对于相同的基带信号，由于不同的初始相位，2DP

11、SK信号的相位可以不同。也就是说，2DPSK信号的相位并不直接代表基带信号，但是前后符号的相对相位决定了信息符号。在第七章数字带通传输系统中，数字信息和之间的关系也可以定义为二维相移键控信号的矢量图。在B模式下，当前符号的相位相对于前一个符号的相位改变了/2。因此，相邻符号之间必须有相位跳变。每个符号的开始和结束时间可以通过在接收端检测该相位跳变来确定。(A)模式A，(B)模式B，36，第7章数字带通传输系统，2DPSK信号产生方法可以从上图中看出。首先，二进制数字基带信号被差分编码，也就是说，代表数字信息序列的绝对码被转换成相对码(差分码)，然后根据相对码进行绝对相位调制，从而产生二进制差分

12、相移键控信号。在上图中，使用了信号传输的差分码，即载波相位在满足原始数字信息“1”时发生变化，在满足“0”时保持不变。37，第7章数字带通传输系统，2DPSK信号调制器原理框图差分码可以是信号差分码或空间差分码。其中，标志差分码的编码规则是模2加，bn-1是bn的第一个符号，初始bn-1可以任意设置。上述公式的逆过程称为差分解码(码逆变换)，即相干解调(极性比较法)，是第7章数字带通传输系统中2DPSK信号的解调方法之一。码逆变换法的原理是：首先对2DPSK信号进行相干解调，恢复相对码，然后通过码逆变换器变换成绝对码，从而恢复传输的二进制数字信息。在解调过程中，由于载波相位模糊的影响，解调后的

13、相对码可能会反相为“1”和“0”，但差分解码(码逆变换)得到的绝对码不会反相，从而解决了载波相位模糊带来的问题。39，第7章数字带通传输系统，2DPSK相干解调器和各点波形示意图，40，第7章数字带通传输系统，2DPSK信号解调方法2:差分相干解调(相位比较)方法，41，第7章数字带通传输系统。用这种方法解调时，不需要特殊的相干载波，只需将接收到的2DPSK信号延迟一个符号间隔，乘法器起到相位比较的作用，乘法结果反映了前后符号之间的相位差。经过低通滤波和采样后，原始数字信息可以直接恢复，因此解调器不需要码逆变换器。2PSK系统是一种实用的数字相位调制系统，但其抗加性白噪声性能比2PSK系统差。

14、42，第7章数字带通传输系统，功率谱密度从上面讨论的2PSK信号的调制过程和波形，可以知道2PSK可以具有与2PSK相同的表达式。区别在于2PSK中的基带信号s(t)对应于绝对码序列。2DPSK中的基带信号s(t)对应于编码变换后的相关编码序列。因此，2PSK信号和2PSK信号的功率谱密度完全相同。信号带宽是因此，就像分析数字基带系统的抗噪声性能一样，分析数字调制系统的抗噪声性能就是计算系统在信道噪声干扰下的总误码率。分析条件：假设信道特性是在信号频带内具有理想矩形传输特性的常数参数信道(其传输系数为k)；信道噪声是加性高斯白噪声。人们认为噪声只影响信号的接收，所以系统性能的分析是在接收端进行

15、的。44，第7章数字带通传输系统，7.2.1二进制幅度键控(2ASK)系统抗噪声性能的系统性能分析模型，45，第7章数字带通传输系统，计算：如果设置在一个符号的持续时间ts内，其发送端输出的信号波形可以表示为(0，Ts)，那么在每个时间段内。在第7章数字带通传输系统中，为了简单起见，认为信号在通过信道传输后只受到固定的衰减，没有失真(信道传输系数取为K)，如果a=AK，那么ni(t)是平均值为0的加性高斯白噪声。假设接收端的带通滤波器具有理想的矩形传输特性，使信号无失真地通过，带通滤波器的输出波形如公式所示，其中n(t)是高斯白噪声ni(t)通过带通滤波器的输出噪声。第7章数字带通传输系统，从

16、第3章随机信号分析可以看出，n(t)是一个窄带高斯噪声，其平均值为0，方差为n2，可以表示为y(t)乘以相干载波2cos ct，然后高频分量被低通滤波器滤除，在采样判决器的输入端获得的波形为、48，第7章。因为nc(t)也是均值为0、方差为n2的高斯噪声，所以x(t)也是均值为A(发送“1”时)和0(发送“0”时)的高斯随机过程，方差等于n2。假设第k个符号的采样时间是kTs，那么在kTs的x(t)的采样值是高斯随机变量。因此，当发送“1”时，X的一维概率密度函数是，49。第七章数字带通传输系统，当发送“0”时，X的一维概率密度函数曲线为f1(x)和f0(x)如下：如果判定阈值为B，判定规则为x b，则判定为“1”，当判定为“1”时，判定为x b，当判定为“0”时，判定为“1”， 错误接收的概率是当发送“0”时采样值x小于或等于B的概率，也就是说，当发送“0”时，错误接收的概率是采样值x大于B的概率，即