通信原理 第7章 数字带通传输系统.ppt

通信原理第第7章数字带通传输系统章数字带通传输系统 1第7章数字带通传输系统l概述概述n数字调制：把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。n数字带通传输系统：通常包括调制和解调过程的数字传输系统。n数字调制技术有两种方法：u利用模拟调制的方法去实现数字式调制；u通过开关键控载波，通常称为键控法键控法。u基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控n数字调制可分为二进制调制和多进制调制。振幅键控 频移键控 相移键控2第7章数字带通传输系统l7.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理n7.1.1 二进制振幅键控(2ASK）u基本原理：p“通-断键控(OOK)”信号表达式 p波形3第7章数字带通传输系统u2ASK信号产生方法模拟调制法（相乘器法）键控法4第7章数字带通传输系统u2ASK信号解调方法 p非相干解调(包络检波法)p相干解调(同步检测法)5第7章数字带通传输系统p非相干解调过程的时间波形 6第7章数字带通传输系统u功率谱密度 2ASK信号可以表示成 式中 s(t)二进制单极性随机矩形脉冲序列设：Ps(f)s(t)的功率谱密度 P2ASK(f)2ASK信号的功率谱密度则由上式可得由上式可见，2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱Ps(f)的线性搬移（属线性调制）。知道了Ps(f)即可确定P2ASK(f)。7第7章数字带通传输系统p2ASK信号的功率谱密度示意图 8第7章数字带通传输系统p从以上分析及上图可以看出：2ASK信号的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，而离散谱由载波分量确定。2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣（第一个谱零点位置），则有式中 fs=1/Ts即，2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。9第7章数字带通传输系统n7.1.2 二进制频移键控（2FSK）u基本原理 p表达式：在2FSK中，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。故其表达式为 10第7章数字带通传输系统p典型波形：p由图可见，2FSK 信号的波形(a)可以分解为波形(b)和波形（c），也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。11第7章数字带通传输系统2FSK信号的产生方法 p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。p采用键控法来实现：相邻码元之间的相位不一定连续。12第7章数字带通传输系统u2FSK信号的解调方法p非相干解调13第7章数字带通传输系统p相干解调14第7章数字带通传输系统p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过零检测法的原理方框图及各点时间波形。15第7章数字带通传输系统u功率谱密度对相位不连续的2FSK信号，可以看成由两个不同载频的2ASK信号的叠加，它可以表示为 其中，s1(t)和s2(t)为两路二进制基带信号。据2ASK信号功率谱密度的表示式，不难写出这种2FSK信号的功率谱密度的表示式：令概率P=，只需将2ASK信号频谱中的fc分别替换为f1和f2，然后代入上式，即可得到下式：16第7章数字带通传输系统 其曲线如下：17第7章数字带通传输系统由上图可以看出：p相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频f1和f2处；p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；p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，则其带宽近似为其中，fs=1/Ts为基带信号的带宽。图中的fc为两个载频的中心频率。18第7章数字带通传输系统n7.1.3 二进制相移键控（2PSK）u2PSK信号的表达式：在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为 式中，n表示第n个符号的绝对相位：因此，上式可以改写为19第7章数字带通传输系统由于两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘：式中这里，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特性为即发送二进制符号“0”时（an取+1），e2PSK(t)取0相位；发送二进制符号“1”时（an取-1），e2PSK(t)取相位。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绝对相移方式方式。20第7章数字带通传输系统u典型波形21第7章数字带通传输系统u2PSK信号的调制器原理方框图p模拟调制的方法 p键控法 22第7章数字带通传输系统u2PSK信号的解调器原理方框图和波形图：23第7章数字带通传输系统波形图中，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（通常默认为0相位）。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，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为2PSK 方式的“倒倒”现象现象或“反相工作反相工作”。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，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。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（DPSK）体制。24第7章数字带通传输系统u功率谱密度比较2ASK信号的表达式和2PSK信号的表达式：2ASK：2PSK：可知，两者的表示形式完全一样，区别仅在于基带信号s(t)不同（an不同），前者为单极性，后者为双极性。因此，我们可以直接引用2ASK信号功率谱密度的公式来表述2PSK信号的功率谱，即应当注意，这里的Ps(f)是双极性矩形脉冲序列的功率谱。25第7章数字带通传输系统p功率谱密度曲线 从以上分析可见，二进制相移键控信号的频谱特性与2ASK的十分相似，带宽也是基带信号带宽的两倍。区别仅在于当P=1/2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，它可以看作是双极性基带信号作用下的调幅信号。26第7章数字带通传输系统n7.1.4 二进制差分相移键控（2DPSK）u2DPSK原理p2DPSK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相对相移键控。p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 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2DPSK信号的载波相位关系示例如下：27第7章数字带通传输系统相应的2DPSK信号的波形如下：由此例可知，对于相同的基带信号，由于初始相位不同，2DPSK信号的相位可以不同。即2DPSK信号的相位并不直接代表基带信号，而前后码元的相对相位才决定信息符号。28第7章数字带通传输系统p数字信息与之间的关系也可定义为p2DPSK信号的矢量图在B方式中，当前码元的相位相对于前一码元的相位改变/2。因此，在相邻码元之间必定有相位突跳。在接收端检测此相位突跳就能确定每个码元的起止时刻。(a)A方式(b)B方式 29第7章数字带通传输系统u2DPSK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，即把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码（差分码）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。上图中使用的是传号差分码，即载波的相位遇到原数字信息“1”变化，遇到“0”则不变。30第7章数字带通传输系统p2DPSK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，传号差分码的编码规则为式中，为模2加，bn-1为bn的前一码元，最初的bn-1可任意设定。上式的逆过程称为差分译码（码反变换），即31第7章数字带通传输系统u2DPSK信号的解调方法之一 p相干解调(极性比较法)加码反变换法原理：先对2DPSK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“0”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。32第7章数字带通传输系统p2DPSK的相干解调器原理图和各点波形 33第7章数字带通传输系统u2DPSK信号的解调方法之二：差分相干解调(相位比较）法 34第7章数字带通传输系统p用这种方法解调时不需要专门的相干载波，只需由收到的2DPSK信号延时一个码元间隔，然后与2DPSK信号本身相乘。相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经低通滤波后再抽样判决，即可直接恢复出原始数字信息，故解调器中不需要码反变换器。u2DPSK系统是一种实用的数字调相系统，但其抗加性白噪声性能比2PSK的要差。35第7章数字带通传输系统u功率谱密度 从前面讨论的2DPSK信号的调制过程及其波形可以知道，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。因此，2DPSK信号和2PSK信号的功率谱密度是完全一样的。信号带宽为与2ASK的相同，也是码元速率的两倍。36l7.3 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n误码率2DPSK2PSK2FSK2ASK非相干解调相干解调第7章数字带通传输系统37第7章数字带通传输系统n误码率曲线38第7章数字带通传输系统n频带宽度u2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度u 2FSK系统的频带宽度39第7章数字带通传输系统n对信道特性变化的敏感性u在2FSK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，因而对信道的变化不敏感。u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幅度无关。因此，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态。u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关，对信道特性变化敏感，性能最差。40第7章数字带通传输系统l7.4多进制数字调制原理多进制数字调制原理n概述u为了提高频带利用率，最有效的办法是使一个码元传输多个比特的信息。u由7.3节中的讨论得知，各种键控体制的误码率都决定于信噪比r：它还可以改写为码元能量E和噪声单边功率谱密度n0之比：u设多进制码元的进制数为M，码元能量为E，一个码元中包含信息k比特，则有k=log2 M u若码元能量E平均分配给每个比特，则每比特的能量Eb等于E/k。故有u在研究不同M值下的错误率时，适合用r b为单位来比较不同体制的性能优略。41第7章数字带通传输系统n7.4.1 多进制振幅键控(MASK)u概述p多进制振幅键控又称多电平调制p优点：MASK信号的带宽和2ASK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。42第7章数字带通传输系统u举例p基带信号是多进制单极性不归零脉冲(b)MASK信号(a)基带多电平单极性不归零信号0010110101011110000t0t010110101011110043第7章数字带通传输系统p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2PSK信号。0101101010111100000t(c)基带多电平双极性不归零信号00000t01011010101111(d)抑制载波MASK信号44第7章数字带通传输系统n7.4.2 多进制频移键控(MFSK)u4FSK信号波形举例(a)4FSK信号波形f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011(b)4FSK信号的取值45第7章数字带通传输系统uMFSK信号的带宽：B=fM-f1+f式中f1 最低载频fM 最高载频f 单个码元的带宽 46第7章数字带通传输系统uMFSK非相干解调器的原理方框图 V1(t)抽样判决带通滤波f1包络检波带通滤波fM包络检波输入输出VM(t)定时脉冲带通滤波f2包络检波.47第7章数字带通传输系统n7.4.3 多进制相移键控(MPSK)u基本原理一个MPSK信号码元可以表示为式中，A 常数，k 一组间隔均匀的受调制相位它可以写为通常M取2的某次幂：M=2k，k=正整数 48第7章数字带通传输系统在下图中示出当k=3时，k取值的一例。图中示出当发送信号的相位为1=0时，能够正确接收的相位范围在/8内。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解调。例如，若用cos2f0t作为相干载波时，因为cosk=cos(2-k)，使解调存在模糊。这时需要用两个正交的相干载波解调。图7-34 8PSK信号相位49第7章数字带通传输系统可以将MPSK信号码元表示式展开写成 式中上式表明，MPSK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号，并且ak2+bk2=1。因此，其带宽和MASK信号的带宽相同。本节下面主要以M=4为例，对4PSK作进一步的分析。50第7章数字带通传输系统n正交相移键控(QPSK)u4PSK常称为正交相移键控(QPSK)u格雷(Gray)码p4PSK信号每个码元含有2 比特的信息，现用ab代表这两个比特。p两个比特有4种组合，即00、01、10和11。它们和相位k之间的关系通常都按格雷码的规律安排，如下表所示。QPSK信号的编码 abk0090010112701018051第7章数字带通传输系统pQPSK信号矢量图p格雷码的好处在于相邻相位所代表的两个比特只有一位不同。由于因相位误差造成错判至相邻相位上的概率最大，故这样编码使之仅造成一个比特误码的概率最大。01001011参考相位图7-35 QPSK信号的矢量图52第7章数字带通传输系统p多位格雷码的编码方法：格雷码又称反射码。序号 格雷码 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53第7章数字带通传输系统u码元相位关系pk称为初始相位，常简称为相位，而把(0t+k)称为信号的瞬时相位。p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才是连续的，如下图：(a)波形和相位连续TT54第7章数字带通传输系统p若每个码元中的载波周期数不是整数，则即使初始相位相同，波形和瞬时相位也可能不连续，如下图 或者波形连续而相位不连续，如下图(b)波形和相位不连续TT(c)波形连续相位不连续TT55第7章数字带通传输系统p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。p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PSK信号的初始相位相同，则码元边界的瞬时相位一定连续。56第7章数字带通传输系统uQPSK调制p两种产生方法:相乘电路法-sin0t相干载波产生相乘电路相乘电路/2相移串/并变换相加电路cos0tA(t)s(t)图7-37 第一种QPSK信号产生方法ab57第7章数字带通传输系统码元串并变换：012345(a)输入基带码元t024(b)并行支路a码元t135(c)并行支路b码元t图7-38 码元串/并变换58第7章数字带通传输系统矢量图：二进制信号码元“0”和“1在相乘电路中与不归零双极性矩形脉冲振幅的关系如下：二进制码元“1”双极性脉冲“+1”；二进制码元“0”双极性脉冲“-1”。符合上述关系才能得到第6章中的B方式编码规则。01110010a(1)a(0)b(1)b(0)图7-39 QPSK矢量的产生59第7章数字带通传输系统选择法 串/并变换相位选择带通滤波4相载波产生器1432ab图7-40 选择法产生QPSK信号60第7章数字带通传输系统uQPSK解调p原理方框图用两路正交的相干载波去解调，可以很容易地分离这两路正交的2PSK信号。相干解调后的两路并行码元a和b，经过并/串变换后，成为串行数据输出。载波提取相乘低通抽判/2相乘低通抽判并/串A(t)s(t)abcos0t-sin0t定时提取图7-41 QPSK信号解调原理方框图61第7章数字带通传输系统n偏置QPSK(OQPSK)uQPSK体制的缺点：它的相邻码元最大相位差达到180，这在频带受限的系统中会引起信号包络的很大起伏。u偏置QPSK的改进：为了减小此相位突变，将两个正交分量的两个比特a和b在时间上错开半个码元，使之不可能同时改变。这样安排后相邻码元相位差的最大值仅为90（见下表），从而减小了信号振幅的起伏。uOQPSK和QPSK的唯一区别在于：对于QPSK，上表中的两个比特a和b的持续时间原则上可以不同；而对于OQPSK，a和b的持续时间必须相同。abk0090010112701018062第7章数字带通传输系统uOQPSK信号的波形与QPSK信号波形的比较 a1a3a5a7a2a6a4a8a2a4a1a3a5a7a6a863第7章数字带通传输系统n/4相移QPSK u4相移QPSK信号是由两个相差4的QPSK星座图交替产生的，它也是一个4进制信号：u当前码元的相位相对于前一码元的相位改变45或135。例如，若连续输入“11 11 11 11”，则信号码元相位为“45 90 45 90”u优点：这种体制中相邻码元间总有相位改变、最大相移为135，比QPSK的最大相移小。451110(a)星座图之一(b)星座图之二01001101001064第7章数字带通传输系统n7.4.4 多进制差分相移键控(MDPSK)u基本原理pMDPSK信号和MPSK信号类似，只需把MPSK信号用的参考相位当作是前一码元的相位，把相移k当作是相对于前一码元相位的相移。p这里仍以4进制DPSK信号为例作进一步的讨论。4进制DPSK通常记为QDPSK。p QDPSK信号编码方式：abkA方式B方式009013501045112703151018022565第7章数字带通传输系统u产生方法p第一种方法图中a和b为经过串/并变换后的一对码元，它需要再经过码变换器变换成相对码c和d后才与载波相乘。c 和d 对载波的相乘实际是完成绝对相移键控。abcd码变换相加电路s(t)图7-43 第一种QDPSK信号产生方法A(t)串/并变换-/4载波产生相乘电路相乘电路/466第7章数字带通传输系统码变换器：输入ab和输出cd间的16种可能关系(A方式)：当前输入的一对码元及要求的相对相移前一时刻经过码变换后的一对码元及所产生的相位当前时刻应当给出的变换后一对码元和相位ak bkkck-1 dk-1k-1ck dkk0 090 0 00 11 11 0900270180 1.00 11 11 018090 0270 0 100 00 11 11 09002701800 11 11 00 090 02701801 12700 00 11 11 090 02701801 11 00 00 1 0270180901 01800 00 11 11 090 02701801 00 00 11 1270180 90 067第7章数字带通传输系统码变换器的电路二进制码元“0”和“1”与相乘电路输入电压关系：二进制码元“0”“1”二进制码元“1”“1”p第二种方法：第二种产生方法和QPSK信号的第二种产生方法（选择法）原理相同，只是在串/并变换后需要增加一个“码变换器”。只读存储器TTakbkckdkdk-1ck-1图7-44 码变换器68第7章数字带通传输系统u解调方法：有极性比较法和相位比较法两种。p极性比较法：原理方框图（A方式）原理和QPSK信号的一样，只是多一步逆码变换。图7-45 A方式QDPSK信号解调方法bacdA(t)-/4相乘电路相乘电路/4s(t)低通滤波低通滤波抽样判决抽样判决并/串变换逆码变换定时提取载波提取69第7章数字带通传输系统相干解调过程设第k个接收信号码元可以表示为 相干载波：上支路：下支路：信号和载波相乘的结果：上支路：下支路：低通滤波后：上支路：下支路：70第7章数字带通传输系统低通滤波后：上支路：下支路：判决规则按照k的取值不同，此电压可能为正，也可能为负，故是双极性电压。在编码时曾经规定：二进制码元“0”“1”二进制码元“1”“1”现在进行判决时，也把正电压判为二进制码元“0”，负电压判为“1”，即“”二进制码元“0”“”二进制码元“1”因此得出判决规则如下表：71第7章数字带通传输系统判决规则信号码元相位k上支路输出下支路输出判决器输出cd0901802700110001172第7章数字带通传输系统逆码变换器 设逆码变换器的当前输入码元为ck和dk，当前输出码元为ak和bk，前一输入码元为ck-1和dk-1。为了正确地进行逆码变换，这些码元之间的关系应该符合码变换时的规则。为此，现在把码变换表中的各行按ck-1和dk-1的组合为序重新排列，构成下表。73第7章数字带通传输系统前一时刻输入的一对码元当前时刻输入的一对码元当前时刻应当给出的逆变换后的一对码元ck-1dk-1ck dkakbk00001101100011011001001101101001001111001101101100100110001101100110110074第7章数字带通传输系统表中的码元关系可以分为两类：(1)当 时，有(2)当 时，有上两式表明，按照前一时刻码元ck-1和dk-1之间的关系不同，逆码变换的规则也不同，并且可以从中画出逆码变换器的原理方框图如下：75第7章数字带通传输系统原理方框图dk-1ck-1延迟T延迟T交叉直通电路图7-46 逆码变换器原理方框图dkckbkakdk-1ck-176第7章数字带通传输系统图中将ck和ck-1以及dk和dk-1分别作模2加法运算，运算结果送到交叉直通电路。另一方面，将延迟一个码元后的ck-1和dk-1也作模2加法运算，并将运算结果去控制交叉直通电路；若ck-1dk-1=0，则将ckck-1结果直接作为ak输出；若ck-1dk-1=1，则将ckck-1结果作为bk输出。对于dkdk-1的结果也作类似处理。这样就能得到正确的并行绝对码输出ak和bk。它们经过并/串变换后就变成为串行码输出。77第7章数字带通传输系统p相位比较法:原理方框图 由此原理图可见，它和2DPSK信号相位比较法解调的原理基本一样，只是由于现在的接收信号包含正交的两路已调载波，故需用两个支路差分相干解调。A(t)-/4相乘电路相乘电路/4s(t)低通滤波低通滤波抽样判决抽样判决并/串变换定时提取延迟T78