第7章数字带通传输系统PPT讲稿.ppt

第7章 数字带通传输系统第1页，共133页，编辑于2022年，星期二本章要点本章要点第第7 7章章 数字带通传输系统数字带通传输系统 本章主要介绍各类数字调制工作原理；数字调制系统的性能分析；本章主要介绍各类数字调制工作原理；数字调制系统的性能分析；教学重点：教学重点：2PSK、2DPSK的调制的原理以及它们的系统性能分析。的调制的原理以及它们的系统性能分析。教学难点：调制系统的性能分析。教学难点：调制系统的性能分析。第2页，共133页，编辑于2022年，星期二1、掌握、掌握2ASK、2FSK、2PSK、和、和2DPSK等数字调制解调系统的工作原等数字调制解调系统的工作原理、调制与解调框图以及数学描述。理、调制与解调框图以及数学描述。2、了解数字调制信号功率谱，掌握各种二元数字调制系统对信道、了解数字调制信号功率谱，掌握各种二元数字调制系统对信道带宽的要求。带宽的要求。3、理解、掌握调制系统的性能指标；掌握在加性高斯噪声理想、理解、掌握调制系统的性能指标；掌握在加性高斯噪声理想信道条件下，二元数字调制系统性能分析方法；理解最佳门限信道条件下，二元数字调制系统性能分析方法；理解最佳门限等对系统性能的影响；比较二元数字调制系统的抗噪声性能。等对系统性能的影响；比较二元数字调制系统的抗噪声性能。4、理解多进制数字调制系统的工作原理与性能分析方法。、理解多进制数字调制系统的工作原理与性能分析方法。本章要求本章要求第3页，共133页，编辑于2022年，星期二 数字通信与模拟通信的根本区别数字通信与模拟通信的根本区别在于：在于：数字通信只涉及有限个己知波形的发送和检测；而模拟通信数字通信只涉及有限个己知波形的发送和检测；而模拟通信却存在着无限个可能的消息的对应的波形。却存在着无限个可能的消息的对应的波形。在数字通信系统中，信号的检测比模拟通信系统简单的多。在数在数字通信系统中，信号的检测比模拟通信系统简单的多。在数字通信系统中，信号的传输同样受到信道噪声的干扰。接收机的任字通信系统中，信号的传输同样受到信道噪声的干扰。接收机的任务就是根据接收到的信号加噪声的混合波形来判断发送端发送的是务就是根据接收到的信号加噪声的混合波形来判断发送端发送的是m个波形中的哪一个。一旦作出正确的判断，所发送的信号就被正个波形中的哪一个。一旦作出正确的判断，所发送的信号就被正确恢复而没有任何噪声。所以从这个意义上来说，噪声对数字通确恢复而没有任何噪声。所以从这个意义上来说，噪声对数字通信系统没有什么影响。信系统没有什么影响。第4页，共133页，编辑于2022年，星期二 和模拟调制一样，数字调制也有和模拟调制一样，数字调制也有调幅、调频、调相调幅、调频、调相三种基本形式，三种基本形式，并也可派生出其它多种形式。数字调制和模拟调制的原理没有多大的区别，并也可派生出其它多种形式。数字调制和模拟调制的原理没有多大的区别，只是调制信号是离散的，在接收端只对载波信号的离散调制参量进行检测。只是调制信号是离散的，在接收端只对载波信号的离散调制参量进行检测。数字调制信号也称键控信号，这是因为早期的数字调制信号是电报信号，它数字调制信号也称键控信号，这是因为早期的数字调制信号是电报信号，它是用键控产生的。是用键控产生的。数字调制：数字调制：把数字基带把数字基带信号变换为数字带通信信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。号（已调信号）的过程。利用利用模拟调制的方法模拟调制的方法去实现数字式调制；去实现数字式调制；通过通过开关键控载波开关键控载波，通常称为，通常称为键控法键控法。基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控键控 振幅键控振幅键控 频移键控频移键控 相移键控相移键控数字调制可分为数字调制可分为二进制调制和多二进制调制和多进制调制进制调制第5页，共133页，编辑于2022年，星期二7.1 7.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理7.1.1 7.1.1 二进制振幅键控二进制振幅键控(2ASK(2ASK）1.基本原理：基本原理：“通通-断键控断键控(OOK)”信号表达式：信号表达式：图图7-2 2ASK/OOK信号信号时间波形时间波形第6页，共133页，编辑于2022年，星期二其中其中Ts 码元持续时间；码元持续时间；g(t)持续时间为持续时间为Ts的基带脉冲波形，通常假的基带脉冲波形，通常假设是高度为设是高度为1，宽度等于，宽度等于Ts的矩形脉冲；的矩形脉冲；an 第第N个符号的电平取值，个符号的电平取值，若取若取则相应的则相应的2ASK信号就是信号就是OOK信号。信号。2ASK信号产生方法：信号产生方法：模拟调制法（相乘器法）、键控法模拟调制法（相乘器法）、键控法2ASK信号的一般表达式信号的一般表达式图图7-3 2ASK/OOK信号调制器原理框图信号调制器原理框图第7页，共133页，编辑于2022年，星期二 与模拟信号的调制一样，当基带信号与载波相乘后，选择不与模拟信号的调制一样，当基带信号与载波相乘后，选择不同的发送同的发送BPF，就能获得各种线性调制信号，如，就能获得各种线性调制信号，如DSB、VSB、SSB等。由于在数字调制中基带信号等。由于在数字调制中基带信号s(t)在零频率附近的能量较丰富，在零频率附近的能量较丰富，调制后难以进行上下边带的分割，故一般不采用调制后难以进行上下边带的分割，故一般不采用VSB传输方式。传输方式。2ASK信号解调方法：如下两图所示信号解调方法：如下两图所示(a)非相干解调非相干解调(包络检波法包络检波法)(b)相干解调相干解调(同步检测法同步检测法)第8页，共133页，编辑于2022年，星期二非相干解调过程的时间波形非相干解调过程的时间波形2.功率谱密度功率谱密度2ASK信号可以表示成信号可以表示成s(t)二进制单极性随机矩二进制单极性随机矩形脉冲序列形脉冲序列(a)非相干解调非相干解调(包络检波法包络检波法)第9页，共133页，编辑于2022年，星期二由由6.1.2节知，单极性的随机脉冲序列功率谱的一般表达式为节知，单极性的随机脉冲序列功率谱的一般表达式为fs=1/Ts；G(f)单个基带信号码元单个基带信号码元g(t)的频谱函数。的频谱函数。对于全占空矩形脉冲序列，根据矩形波形对于全占空矩形脉冲序列，根据矩形波形g(t)的频谱特点，对于所有的的频谱特点，对于所有的m 0的整数，有的整数，有设：设：Ps(f)s(t)的功率谱密度，的功率谱密度，P2ASK(f)2ASK信号的功率谱密度。信号的功率谱密度。则由上式可得则由上式可得2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱信号的功率谱是基带信号功率谱Ps(f)的线性搬移的线性搬移（属线性调制）。（属线性调制）。知道了知道了Ps(f)即可确定即可确定P2ASK(f)。第10页，共133页，编辑于2022年，星期二当概率当概率P=1/2时，并考虑到时，并考虑到则则2ASK信号的功率谱密度为信号的功率谱密度为得到得到将其代入将其代入故上式可简化为故上式可简化为第11页，共133页，编辑于2022年，星期二 (1)2ASK信号的功率谱由信号的功率谱由连续谱和离散谱连续谱和离散谱两部分组成，其两部分组成，其中中连续谱取决于连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱经线性调制后的双边带谱，而，而离散谱的位置离散谱的位置由载波分量由载波分量确定。确定。(2)2ASK信号的带宽是基带信号的信号的带宽是基带信号的两倍两倍。由此可见，由此可见，2ASK调制类似于调制类似于AM调制。调制。图图7-6 2ASK信号的功率谱密度示意图信号的功率谱密度示意图第12页，共133页，编辑于2022年，星期二7.1.2 7.1.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK2FSK）1.基本原理：基本原理：表达式：在表达式：在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在中，载波的频率随二进制基带信号在f1和和f2两个频率两个频率点间变化。故其表达式为点间变化。故其表达式为图图7-7 2FSK信信号的时间波形号的时间波形第13页，共133页，编辑于2022年，星期二2FSK 信号的波形信号的波形(a)可以分解为波形可以分解为波形(b)和波形和波形(c)，因此，因此2FSK信号的时信号的时域表达式又可写成域表达式又可写成g(t)为单个矩形脉冲，为单个矩形脉冲，Ts 为脉冲持续时间；为脉冲持续时间；n和和 n分别是第分别是第n个信号码元（个信号码元（1或或0）的初始相位，通常可令其为零。）的初始相位，通常可令其为零。2FSK信号的表达式可简化为信号的表达式可简化为第14页，共133页，编辑于2022年，星期二 2FSK信号的产生方法信号的产生方法 采用模拟调频电路来实现：信号在相邻码元之间的相位是连采用模拟调频电路来实现：信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。续变化的。采用键控法来实现：相邻码元之间的相位不一定连续。采用键控法来实现：相邻码元之间的相位不一定连续。图图7-8 键控法产生键控法产生2FSK信号的原理图信号的原理图第15页，共133页，编辑于2022年，星期二第16页，共133页，编辑于2022年，星期二 2FSK信号的解调方法信号的解调方法解调解调相干检测相干检测非相干检测非相干检测包络检波法包络检波法 鉴频法鉴频法过零检测法过零检测法 差分检波法差分检波法 非相干解调非相干解调第17页，共133页，编辑于2022年，星期二 相干解调相干解调这里的判决器有点特别，这里的判决器有点特别，它没有判决门限，只是比较两路信号哪路更它没有判决门限，只是比较两路信号哪路更大大。这样更有利于提高输出信噪比。这样更有利于提高输出信噪比。第18页，共133页，编辑于2022年，星期二 其他解调方法：比如鉴频法、差分检测法、过零检测法等其他解调方法：比如鉴频法、差分检测法、过零检测法等。下图给出了过零检测法的原理方框图及各点时间波形。下图给出了过零检测法的原理方框图及各点时间波形。第19页，共133页，编辑于2022年，星期二2.功率谱密度功率谱密度：对相位不连续的对相位不连续的2FSK信号，可以看成由两个不同载频的信号，可以看成由两个不同载频的2ASK信号的叠加，它可以表示为信号的叠加，它可以表示为s1(t)和和s2(t)为两路二进制基带信号为两路二进制基带信号2FSK信号的功率谱密度的表示式：信号的功率谱密度的表示式：令概率令概率P=1/2，将，将2ASK信号频谱中的信号频谱中的fc分别替换为分别替换为f1和和f2，代入上式，代入上式，可得：可得：第20页，共133页，编辑于2022年，星期二 相位不连续相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个中心位于两个中心位于f1和和f2处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频f1和和f2处；处；连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化，若连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化，若|f1 f2|fs，则出现双峰；，则出现双峰；若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算2FSK信号的带宽，则其带宽信号的带宽，则其带宽近似为近似为fs=1/Ts为基带信号的带宽。图中的为基带信号的带宽。图中的fc为两个载频的中心频率。为两个载频的中心频率。第21页，共133页，编辑于2022年，星期二7.1.3 7.1.3 二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK2PSK）1.基本原理：基本原理：2PSK信号的表达式（通常用初始相位信号的表达式（通常用初始相位0和和 分别分别表示二进制表示二进制“1”和和“0”）：）：n第第n个符号的绝对相位个符号的绝对相位由于两种码元的波形相同，极性相反，故由于两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号可以表述为一信号可以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：个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘：g(t)脉宽为脉宽为Ts的单个矩形脉冲，的单个矩形脉冲，而而an的统计特性为的统计特性为第22页，共133页，编辑于2022年，星期二即发送二进制符号即发送二进制符号“0”时（时（an取取+1），），e2PSK(t)取取0相位；发送二进制符相位；发送二进制符号号“1”时（时（an取取-1），），e2PSK(t)取取 相位。这种以载波的不同相位直相位。这种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。方式。图图7-12 2PSK信号的时间波形信号的时间波形模拟调制方法模拟调制方法键控法键控法 2PSK信号的调制器原理方框图信号的调制器原理方框图第23页，共133页，编辑于2022年，星期二 2PSK信号的解调器原理方框图和波形图：信号的解调器原理方框图和波形图：第24页，共133页，编辑于2022年，星期二 波形图中，假设相干载波的基准相位与波形图中，假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为相位一致（通常默认为0相位）。相位）。但是，由于在但是，由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，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，即相反，即“1”变为变为“0”，“0”变为变为“1”，判决器输出数字信号全部，判决器输出数字信号全部出错。出错。这种现象称为这种现象称为2PSK 方式的方式的“倒倒”现象或现象或“反相工作反相工作”。这也是。这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。另外，在随机信号码元序列中，方式在实际中很少采用的主要原因。另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。码元的起止时刻。为了解决上述问题，可以采用为了解决上述问题，可以采用7.1.4节中将要讨论的差分相移键控节中将要讨论的差分相移键控（DPSK）体制。）体制。第25页，共133页，编辑于2022年，星期二2.功率谱密度：功率谱密度：2ASK：2PSK：同：两者的表示形式完全一样；同：两者的表示形式完全一样；异：基带信号异：基带信号s(t)不同不同(an不同不同)，前者为单极性，后者为双极性，前者为单极性，后者为双极性可以直接引用可以直接引用2ASK信号功率谱密度的公式来表述信号功率谱密度的公式来表述2PSK信号的信号的功率谱，即功率谱，即Ps(f)双极性矩形脉冲序列的功率谱双极性矩形脉冲序列的功率谱双极性的全占空矩形随机脉冲序列的功率谱密度为双极性的全占空矩形随机脉冲序列的功率谱密度为第26页，共133页，编辑于2022年，星期二将其代入上式，得将其代入上式，得若若P=1/2，并考虑到矩形脉冲的频谱：，并考虑到矩形脉冲的频谱：则则2PSK信号的功率谱密度为信号的功率谱密度为第27页，共133页，编辑于2022年，星期二功率谱密度曲线功率谱密度曲线+二进制相移键控信号的频谱特性与二进制相移键控信号的频谱特性与2ASK的十分相似，带宽也的十分相似，带宽也是基带信号带宽的两倍。是基带信号带宽的两倍。+区别：当区别：当P=1/2时，其谱中无离散谱（即载波分量），此时时，其谱中无离散谱（即载波分量），此时2PSK信号实际上相当于抑制载波的双边带信号。因此，它可以看作是信号实际上相当于抑制载波的双边带信号。因此，它可以看作是双极性基带信号作用下的调幅信号。双极性基带信号作用下的调幅信号。+当双极性基带信号不以相等的概率（当双极性基带信号不以相等的概率（P 1/2）出现时，）出现时，2PSK信号信号的功率谱既有离散谱又有连续谱，但连续谱的结构与的功率谱既有离散谱又有连续谱，但连续谱的结构与2ASK信号的连信号的连续谱结构也相同，两者的带宽也相同（近似为续谱结构也相同，两者的带宽也相同（近似为2fs）。fP2PSK(f)-fcfc-fsfcfc+fs第28页，共133页，编辑于2022年，星期二比较比较2ASK、2FSK和和2PSK信号的表达式：信号的表达式：2ASK：2FSK：2PSK：第29页，共133页，编辑于2022年，星期二 2ASK信号功率谱密度：信号功率谱密度：(1)2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成，其中连续谱取决于信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成，其中连续谱取决于g(t)经线性经线性调制后的双边带谱，而离散谱的位置由载波分量确定。具有离散谱的原因是在调调制后的双边带谱，而离散谱的位置由载波分量确定。具有离散谱的原因是在调制信号制信号s(t)中含有直流成份。中含有直流成份。(2)2ASK信号的带宽是基带信号的两倍信号的带宽是基带信号的两倍。由此可见，由此可见，2ASK调制类似于调制类似于AM调制。调制。2FSK信号功率谱密度：信号功率谱密度：(1)相位不连续相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。连续谱分别由两个中信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。连续谱分别由两个中心位于心位于f1和和f2处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频f1和和f2处；处；(2)连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化，若连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化，若|f1 f2|fs，则出现双峰；，则出现双峰；2PSK功率谱密度：功率谱密度：2PSK信号的频谱特性与信号的频谱特性与2ASK的十分相似，带宽也是基带信号带宽的两倍。区别的十分相似，带宽也是基带信号带宽的两倍。区别仅在于当仅在于当P=1/2时，其谱中无离散谱（即载波分量。因此，它可以看作是双极性基带时，其谱中无离散谱（即载波分量。因此，它可以看作是双极性基带信号作用下的调幅信号。信号作用下的调幅信号。第30页，共133页，编辑于2022年，星期二 2PSK信号的解调器原理方框图和波形图：信号的解调器原理方框图和波形图：若若2PSK信号恢复信号恢复的本地载波与所需的的本地载波与所需的相干载波反相，则出相干载波反相，则出现现“倒倒”现象。则现象。则如何解决？如何解决？第31页，共133页，编辑于2022年，星期二7.1.4 7.1.4 二进制差分相移键控（二进制差分相移键控（2DPSK2DPSK）1.基本原理：基本原理：2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传是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。递数字信息，所以又称相对相移键控。假设假设 为当前码元与前一码元的载波相位差，定义数字信息与为当前码元与前一码元的载波相位差，定义数字信息与 之间的关系为之间的关系为于是可以将一组二进制数字信息与其对应的于是可以将一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系信号的载波相位关系示例如示例如相应的相应的2DPSK信号的波形信号的波形第32页，共133页，编辑于2022年，星期二数字信息与数字信息与 之间的关系也可定义为之间的关系也可定义为 2DPSK信号的矢量图信号的矢量图(a)A方式方式(b)B方式方式 在在B方式中，当前码元的相位相方式中，当前码元的相位相对于前一码元的相位改变对于前一码元的相位改变/2。因此，在相邻码元之间必定。因此，在相邻码元之间必定有相位突跳。在接收端检测此有相位突跳。在接收端检测此相位突跳就能确定每个码元的相位突跳就能确定每个码元的起止时刻。起止时刻。2DPSK信号的产生方法信号的产生方法 由上图可见，先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表由上图可见，先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码（差分码），然后再根据相示数字信息序列的绝对码变换成相对码（差分码），然后再根据相对码进行绝对调相，从而产生二进制差分相移键控信号。对码进行绝对调相，从而产生二进制差分相移键控信号。第33页，共133页，编辑于2022年，星期二 2DPSK信号调制器原理方框图信号调制器原理方框图差分码可取传号差分码或空号差分码。其中，传号差分码的编差分码可取传号差分码或空号差分码。其中，传号差分码的编码规则为码规则为 为模为模2加，加，bn-1为为bn的前一码元，最初的的前一码元，最初的bn-1可任意设定。可任意设定。上式的逆过程称为上式的逆过程称为差分译码（码反变换），差分译码（码反变换），即即第34页，共133页，编辑于2022年，星期二 2DPSK信号的解调方法之一：相干解调信号的解调方法之一：相干解调(极性比较法极性比较法)加码反变换法加码反变换法原理：原理：先对先对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是中，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和和“0”倒置，但经差分译码（码反变换）得到的绝对码不会发倒置，但经差分译码（码反变换）得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊性带来的问题。生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊性带来的问题。第35页，共133页，编辑于2022年，星期二2DPSK的相干解调器原理图和各点波形的相干解调器原理图和各点波形第36页，共133页，编辑于2022年，星期二 2DPSK信号的解调方法之二：差分相干解调信号的解调方法之二：差分相干解调(相位比较）法相位比较）法 解调时不需要专门的相解调时不需要专门的相干载波，只需由收到的干载波，只需由收到的2DPSK信号延时一个码元信号延时一个码元间隔，然后与间隔，然后与2DPSK信号信号本身相乘。相乘器起相位本身相乘。相乘器起相位比较的作用，相乘结果反比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，映了前后码元的相位差，经低通滤波后再抽样判决，经低通滤波后再抽样判决，即可直接恢复出原始数字即可直接恢复出原始数字信息，故解调器中不需要信息，故解调器中不需要码反变换器。其抗加性白码反变换器。其抗加性白噪声性能比噪声性能比2PSK的要差。的要差。第37页，共133页，编辑于2022年，星期二相位模糊的差分编相位模糊的差分编/译码例子译码例子原始信息ak1101001差分译码bk10110001差分译码(极性正确)101111001000011差分译码(极性倒置)011010011101001第38页，共133页，编辑于2022年，星期二2.功率谱密度功率谱密度：2DPSK与与2PSK具有相同形式的表达式。所不同的是具有相同形式的表达式。所不同的是2PSK中的基带信中的基带信号号s(t)对应的是绝对码序列；而对应的是绝对码序列；而2DPSK中的基带信号中的基带信号s(t)对应的是码变对应的是码变换后的相对码序列换后的相对码序列。因此，。因此，2DPSK信号和信号和2PSK信号的功率谱密度是信号的功率谱密度是完全一样的完全一样的。信号带宽为。信号带宽为与与2ASK的相同，也是码元速率的两倍的相同，也是码元速率的两倍第39页，共133页，编辑于2022年，星期二7.2 7.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能二进制数字调制系统的抗噪声性能 概述：概述：通信系统的通信系统的抗噪声性能抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能是指系统克服加性噪声影响的能力。在数字通信系统中，信道噪声有可能使传输码元产生错误，力。在数字通信系统中，信道噪声有可能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。因此，与分析数字基带系统的错误程度通常用误码率来衡量。因此，与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，也就是抗噪声性能一样，分析数字调制系统的抗噪声性能，也就是求系求系统在信道噪声干扰下的总误码率统在信道噪声干扰下的总误码率。分析条件：分析条件：假设信道特性是恒参信道，在信号的频带范围内具有理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想矩形的传输特性(可取其传输系数为可取其传输系数为K)；信道噪声是加性高斯白噪；信道噪声是加性高斯白噪声。并且认为噪声只对信号的接收带来影响，因而分析系统性能是声。并且认为噪声只对信号的接收带来影响，因而分析系统性能是在在接收端进行接收端进行的。的。思路：思路：求误码率求误码率确定判决电平、求出抽样判决器输入信号表达式及确定判决电平、求出抽样判决器输入信号表达式及概率分布函数概率分布函数求出检波器输入信号表达式。求出检波器输入信号表达式。第40页，共133页，编辑于2022年，星期二7.3 7.3 二进制数字调制系统的性能比较二进制数字调制系统的性能比较2DPSK2PSK2FSK2ASK非相干解非相干解调调相干解相干解调调1.误码率误码率第81页，共133页，编辑于2022年，星期二误码率曲线误码率曲线第82页，共133页，编辑于2022年，星期二2.频带宽度频带宽度2ASK系统和系统和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度系统的频带宽度2FSK系统的频带宽度系统的频带宽度3.对信道特性变化的敏感性对信道特性变化的敏感性 在在2FSK系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，不需要人为地设置判决门限，因而对信道的大小来作出判决，不需要人为地设置判决门限，因而对信道的变化不敏感变化不敏感;在在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的系统中，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。因此，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态幅度无关。因此，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态;对于对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限与接收机输入信号的幅度有系统，判决器的最佳判决门限与接收机输入信号的幅度有关，对信道特性变化敏感，性能最差。关，对信道特性变化敏感，性能最差。第83页，共133页，编辑于2022年，星期二7.4 7.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理概述：概述：随着数字通信业务的发展，数字通信系统的传信率越来越高，随着数字通信业务的发展，数字通信系统的传信率越来越高，在二进制状态也就是说传码率在二进制状态也就是说传码率RB越来越高，这就使得：越来越高，这就使得：（1）系统的带宽要增加。）系统的带宽要增加。（2）由于传码率的提高，码元的宽度下降，使得单位码元携带的能）由于传码率的提高，码元的宽度下降，使得单位码元携带的能量下降，降低了系统的可靠性量下降，降低了系统的可靠性(对于非高斯噪声对于非高斯噪声)解决办法之一：对二进制基带信号进行某种编码，使之成为解决办法之一：对二进制基带信号进行某种编码，使之成为M进制进制的基带信号，常用的是的基带信号，常用的是M=2n（n为自然数）。为自然数）。M进制的传码率为进制的传码率为Rb/log2M。对于。对于M进制系统来说，系统的带宽下降，单位码元携带的能进制系统来说，系统的带宽下降，单位码元携带的能量上升，系统的可靠性提高。反过来说，对于相同的传码率，量上升，系统的可靠性提高。反过来说，对于相同的传码率，M进制的进制的传信率比二进制的高。传信率比二进制的高。用用M进制的基带信号去调制正弦波的三个参量可分别获得进制的基带信号去调制正弦波的三个参量可分别获得M进制的进制的ASK、FSK、PSK信号。其中以信号。其中以四进制调相和幅相联合调制最常用。四进制调相和幅相联合调制最常用。第84页，共133页，编辑于2022年，星期二 由由7.3节中的讨论得知，各种键控体制的误码率都决定节中的讨论得知，各种键控体制的误码率都决定于信噪比于信噪比 r：它还可改写为码元能量它还可改写为码元能量E和噪声功率谱密度和噪声功率谱密度n0之比：之比：设多进制码元的进制数为设多进制码元的进制数为M，码元能量为，码元能量为E，一个码元中，一个码元中包含信息包含信息k比特，则有：比特，则有：k=log2 M 若码元能量若码元能量E平均分配给每个比特，则每比特的能量平均分配给每个比特，则每比特的能量Eb等等于于E/k。故有。故有 在研究不同在研究不同M值下的错误率时，适合用值下的错误率时，适合用rb为单位来比较不同为单位来比较不同体制的性能优劣。体制的性能优劣。第85页，共133页，编辑于2022年，星期二7.4.1 7.4.1 多进制振幅键控多进制振幅键控(MASK)(MASK)多进制振幅键控又称多进制振幅键控又称多电平调制多电平调制 优点：优点：MASK信号的带宽和信号的带宽和2ASK信号的带宽相同，故单位频带的信信号的带宽相同，故单位频带的信息传输速率高，即频带利用率高。息传输速率高，即频带利用率高。举例举例1：基带信号是多进制单极性不归零脉冲基带信号是多进制单极性不归零脉冲(b)MASK信号信号(a)基带多电平单极性不归零信号基带多电平单极性不归零信号0010110101011110000t0t0101101010111100第86页，共133页，编辑于2022年，星期二举例举例2：基带信号是多进制双极性不归零脉冲基带信号是多进制双极性不归零脉冲二进制抑制载波双边带信号就是二进制抑制载波双边带信号就是2PSK信号信号0101101010111100000t(c)基带多电平双极性不归零信号基带多电平双极性不归零信号00000t01011010101111(d)抑制载波抑制载波MASK信号信号第87页，共133页，编辑于2022年，星期二7.4.2 7.4.2 多进制频移键控多进制频移键控(MFSK)(MFSK)4FSK信号波形举例信号波形举例(a)4FSK信号波形信号波形f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011MFSK信号的带宽：信号的带宽：B=fM-f1+ff1 最低载频；最低载频；fM 最高载频；最高载频；f 单个码元的带宽单个码元的带宽第88页，共133页，编辑于2022年，星期二V1(t)抽样抽样判决判决带通滤波带通滤波f1包络检波包络检波带通滤波带通滤波fM包络检波包络检波输入输入输出输出VM(t)定时脉冲定时脉冲带通滤波带通滤波f2包络检波包络检波.MFSK非相干解调器的原理方框图非相干解调器的原理方框图第89页，共133页，编辑于2022年，星期二7.4.3 7.4.3 多进制相移键控多进制相移键控(MPSK)(MPSK)1.基本原理基本原理一个一个MPSK信号码元可以表示为信号码元可以表示为A 常数，常数，k 一组间隔均匀的受调制相位，它可以写为一组间隔均匀的受调制相位，它可以写为通常通常M取取2的某次幂：的某次幂：M=2k,k=正整数正整数图中示出当图中示出当k=3时，时，k取值的一取值的一例。图中示出当发送信号的相位例。图中示出当发送信号的相位为为 1=0时，能够正确接收的相时，能够正确接收的相位范围在位范围在/8内。内。图图7-34 8PSK信号相位信号相位第90页，共133页，编辑于2022年，星期二对于多进制对于多进制PSK信号，不能简单地采用一个相干载波进行相干信号，不能简单地采用一个相干载波进行相干解调。否则使解调存在模糊。这时需要用两个正交的相干载波解解调。否则使解调存在模糊。这时需要用两个正交的相干载波解调。调。可以将可以将MPSK信号码元表示式展开写成信号码元表示式展开写成式中式中MPSK信号码元信号码元sk(t)可以看作是由正弦和余弦两个正交分量合成的信可以看作是由正弦和余弦两个正交分量合成的信号，并且号，并且ak2+bk2=1。因此，其带宽和。因此，其带宽和MASK信号的带宽相同。信号的带宽相同。本节主要以本节主要以M=4为例，对为例，对4PSK作进一步的分析。作进一步的分析。第91页，共133页，编辑于2022年，星期二 正交相移键控正交相移键控(QPSK)：4PSK常称为正交相移键控常称为正交相移键控(QPSK)格雷格雷(Gray)码码:4PSK信号每个码元含有信号每个码元含有2 比特的信息，现用比特的信息，现用ab代表这两代表这两个比特。个比特。两个比特有两个比特有4种组合，即种组合，即00、01、10和和11。它们和相位。它们和相位 k之间的关系通常都按格之间的关系通常都按格雷码的规律安排，如下表所示：雷码的规律安排，如下表所示：abk00900101127010180QPSK信号的编码信号的编码01001011参考相位参考相位图图7-35 QPSK信号的矢量图信号的矢量图格雷码的好处格雷码的好处：相邻相：相邻相位所代表的两个比特位所代表的两个比特只有一位不同。由于只有一位不同。由于因相位误差造成错判因相位误差造成错判至相邻相位上的概率至相邻相位上的概率最大，故这样编码使最大，故这样编码使之仅造成一个比特误之仅造成一个比特误码的概率最大。码的概率最大。第92页，共133页，编辑于2022年，星期二多位格雷码的编码方法：（格雷码又称反射码多位格雷码的编码方法：（格雷码又称反射码）序号序号 格雷码格雷码 二进码二进码00 0 0 0000010 0 0 1000120 0 1 100103 0 0 1 000114 0 1 1 001005 0 1 1 101016 0 1 0 101107 0 1 0 001118 1 1 0 010009 1 1 0 1 100110 1 1 1 1 101011 1 1 1 0101112 1 0 1 0110013 1 0 1 1110114 1 0 0 1111015 1 0 0 01111表表7.4.2 格雷码编码规则格雷码编码规则 码元相位关系：码元相位关系：k称为初始相位，常简称为相位，而称为初始相位，常简称为相位，而把把(0t+k)称为信号的瞬时相位；称为信号的瞬时相位；当码元中包含整数个载波周期时，初当码元中包含整数个载波周期时，初始相位相同的相邻码元的波形和瞬时相位始相位相同的相邻码元的波形和瞬时相位才是连续的，如下图：才是连续的，如下图：(a)波形和相位连续波形和相位连续TT第93页，共133页，编辑于2022年，星期二若每个码元中载波周期数不若每个码元中载波周期数不是整数，则即使初始相位相是整数，则即使初始相位相同，波形和瞬时相位也可能同，波形和瞬时相位也可能不连续，如右图：不连续，如右图：(b)波形和相位不连续波形和相位不连续TT或者波形连续而相位不连续，如或者波形连续而相位不连续，如右图：右图：(c)波形连续相位不连续波形连续相位不连续TT 在码元边界，当相位不连续时，信号的频谱将展宽，包络也将在码元边界，当相位不连续时，信号的频谱将展宽，包络也将出现起伏。出现起伏。在后面讨论各种调制体制时，还将遇到这个问题。并且有时将在后面讨论各种调制体制时，还将遇到这个问题。并且有时将码元中包含整数个载波周期的假设隐含不提，认为码元中包含整数个载波周期的假设隐含不提，认为PSK信号的初信号的初始相位相同，则码元边界的瞬时相位一定连续。始相位相同，则码元边界的瞬时相位一定连续。第94页，共133页，编辑于2022年，星期二2.QPSK调制调制两种产生方法：两种产生方法：相乘电路法相乘电路法、选择法、选择法-sin 0t相干载相干载波产生波产生相乘相乘电路电路相乘相乘电路电路/2相移相移串串/并并变换变换相加相加电路电路cos 0tA(t)s(t)图图7-37 第一种第一种QPSK信号产生方法信号产生方法ab第95页，共133页，编辑于2022年，星期二012345(a)输入基带码元输入基带码元t024(b)并行支路并行支路a码元码元t135(c)并行支路并行支路b码元码元t图图7-38 码元串码元串/并变换并变换两种产生方法：两种产生方法：相乘电路法相乘电路法、选择法、选择法 第96页，共133页，编辑于2022年，星期二01110010a(1)a(0)b(1)b(0)图图7-39 QPSK矢量的产生矢量