二进制数字调制系统ppt课件.ppt

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1、二进制数字调制系统二进制数字调制系统抗噪声性能、性能比较抗噪声性能、性能比较通信原理第二十二讲通信原理第二十二讲第七章第七章 二进制数字调制系统二进制数字调制系统 二进制数字调制与解调原理二进制数字调制与解调原理 ASK、FSK、PSK、DPSK 二进制数字调制系统的抗噪声性能分析二进制数字调制系统的抗噪声性能分析 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二进制数字调制系统抗噪声性能二进制数字调制系统抗噪声性能 在数字通信系统中，信号的传输过程会受到在数字通信系统中，信号的传输过程会受到各种干扰，从而影响对信号的恢复各种干扰，从而影响对信号的恢复 在数字通信系统中，衡量系统抗噪

2、声性能的在数字通信系统中，衡量系统抗噪声性能的重要指标是误码率重要指标是误码率 假设条件：假设条件： 信道是恒定参数信道信道是恒定参数信道 信道对于传输信号具有理想的矩形传输特性信道对于传输信号具有理想的矩形传输特性 噪声等效为加性均值为噪声等效为加性均值为0，方差为，方差为s s2的高斯白噪声的高斯白噪声2ASK 2ASK 的误比特率（相干解调）的误比特率（相干解调） 2ASK的相干解调的相干解调 在一个码元间隔内：在一个码元间隔内：窄带滤波2ASK信号相干解调r(t)低通滤波抽样判决输出tCcos定时脉冲Si(t)n(t)So(t) 0,01,cos)(sendsendtAtSciT 2A

3、SK 2ASK 的误比特率（相干解调）的误比特率（相干解调） 窄带高斯噪声窄带高斯噪声 在一个码元间隔内在一个码元间隔内 相干解调并滤波相干解调并滤波ttnttntncQcI sin)(cos)()( 0,sin)(cos)(1,sin)(cos)(cos)(sendttnttnsendttnttntAtrcQcIcQcIc 0),(1),()(sendtnsendtnAtSIIo2ASK 2ASK 的误比特率（相干解调）的误比特率（相干解调） 抽样对第抽样对第k个码元抽样个码元抽样 nI是均值为是均值为0，方差为，方差为s s2的高斯随机变量的高斯随机变量 0,1,sendnsendnAxI

4、IK2)(exp21)(221s s s sAxxf 2exp21)(220s s s sxxf 2ASK 2ASK 的误比特率（相干解调）的误比特率（相干解调） 求误比特率求误比特率0Dxf0(x)f1(x)pe1pe0A)2(21212)(exp21)()(2211nDnnDeADerfdxAxdxxfDxpps ss ss s )2(21212)(exp21)()(2200nDnnDeDerfdxxdxxfDxpps ss ss s 2ASK 2ASK 的误比特率（相干解调）的误比特率（相干解调） 最佳门限问题最佳门限问题 求极值求极值 最佳门限为：最佳门限为：0Dxf0(x)f1(x)

5、pe1pe0A01)0()1(eeepPpPp 0 dDdpe) 1 ()0(ln22ppAADnGs s 2ASK 2ASK 的误比特率（相干解调）的误比特率（相干解调） P(1)=P(0) 最佳判决门限最佳判决门限时误比特率时误比特率 定义定义 当信噪比很大时当信噪比很大时r1r1)2()22(21)22(1 21212101nnneeeAQAerfcAerfppps ss ss s )2(222r rs sr rQpANSen 41r r r r ePe)2(21)( erfcQ 2ASK 2ASK 的误比特率（非相干解调）的误比特率（非相干解调） 2ASK的非相干解调的非相干解调 在一

6、个码元间隔内：在一个码元间隔内：窄带滤波2ASK信号非相干解调r(t)低通滤波抽样判决输出定时脉冲Si(t)n(t)So(t)检波 0,sin)(cos)(1,sin)(cos)(cos)(sendttnttnsendttnttntAtrcQcIcQcIc 2ASK 2ASK 的误比特率（非相干解调）的误比特率（非相干解调） 包络检波（低通滤波）输出为：包络检波（低通滤波）输出为： 根据窄带高斯过程的有关知识进行推证根据窄带高斯过程的有关知识进行推证 0)()(1)()()(222220sendtntnsendtntnAtSQIQI s ss ss s200202222cosexp21)(0)

7、()(21exp)(dxxIzAzIAzzzf2ASK 2ASK 的误比特率（非相干解调）的误比特率（非相干解调） 发送发送1时，经过包络检波，概率密度函数符合时，经过包络检波，概率密度函数符合广义瑞利分布（莱斯分布）广义瑞利分布（莱斯分布） 1错为错为0的概率为：的概率为：0Dxf0(x)f1(x)pe1pe0dxeAxIxdxxfdxxfDVPPnAxnOnDDe22212)(2D211)(-1 )(1)()(s ss s 2222)(2021)()(nAxnneAxIxxfs ss ss s 2ASK 2ASK 的误比特率（非相干解调）的误比特率（非相干解调） 定义定义Q函数（函数（Ma

8、rcum Q） 1错为错为0的概率为：的概率为：归一化，归一化，D0为归一化门限值为归一化门限值rArA2 2/2s/2s2 2为为信噪比信噪比dtettIQtO2)(22)(),( nnxtDDAs ss s s s , ,0n),2(1),(1)(-102)(2D22221DQDAQdxeAxIxPnnAxnOnenr rs ss ss ss s 0Dxf0(x)f1(x)pe1pe02ASK 2ASK 的误比特率（非相干解调）的误比特率（非相干解调） 发送发送0时，经过包络检波，概率密度函数符合时，经过包络检波，概率密度函数符合瑞利分布瑞利分布 0错为错为1的概率为：的概率为：22220

9、)(nxnexxfs ss s 222222200)()(nnDDxnDeedxexdxxfDVPPs ss ss s 0Dxf0(x)f1(x)pe1pe02ASK 2ASK 的误比特率（非相干解调）的误比特率（非相干解调） 总误码率：总误码率： 最佳判决门限问题最佳判决门限问题DG为最佳判为最佳判决门限决门限20010)0(),2(1)1()0()1(DeeeePDQPPPPPP r r0Dxf0(x)f1(x)pe1pe0)()0()()1(0210GGeDfPDfPDP 2ASK 2ASK 的误比特率（非相干解调）的误比特率（非相干解调） 令令P(0)=P(1)=1/2 可以判断（或推

10、证明）两概可以判断（或推证明）两概率密度曲线的交点，即最佳判决点率密度曲线的交点，即最佳判决点DGDGnGGGGDDDfDfs s021)()( 0Dxf0( x )f1( x )pe1pe022220)(nxnexxfs ss s 2222)(2021)()(nAxnneAxIxxfs ss ss s r rs ss s )(ln22022nGnADIA2ASK 2ASK 的误比特率（非相干解调）的误比特率（非相干解调） 讨论：讨论： 在大信噪比条件下，在大信噪比条件下，r r1DG)exp(21)(0aaaI 22022)(ln2nGnGnADADIAs ss ss s 2220r rs

11、s nGGADAD0Dxf0( x )f1( x )pe1pe0202021)2(-121 GD-Ge,DQPe r r2ASK 2ASK 的误比特率（非相干解调）的误比特率（非相干解调） 讨论：讨论： 在大信噪比条件下，在大信噪比条件下，r r1 在信噪比足够大时，非相干解调误码率的下界为：在信噪比足够大时，非相干解调误码率的下界为：DG0Dxf0( x )f1( x )pe1pe02212211),( erfcerfcQ202021)2(-121 GD-Ge,DQPe r r421)2(41r rr r eerfcPe421r r ePe2ASK 2ASK 的相干与非相干解调的相干与非相干

12、解调 相干解调相干解调 大信噪比条件下的非相干解调大信噪比条件下的非相干解调 对比对比 在相同的信噪比条件下，相干检测法的误码性能优于包络检在相同的信噪比条件下，相干检测法的误码性能优于包络检波法的性能；波法的性能； 在大信噪比条件下，包络检波法的误码性能将接近相干检测在大信噪比条件下，包络检波法的误码性能将接近相干检测法的性能。法的性能。 包络检波法存在门限效应，包络检波法存在门限效应， 同步检测法无门限效应。同步检测法无门限效应。 研究题目：小信噪比时非相干解调的误码率性能研究题目：小信噪比时非相干解调的误码率性能41)2(r r r rr r eQpe421r r ePe2ASK 2AS

13、K 的相干与非相干解调的相干与非相干解调 例题：某例题：某2ASK2ASK信号，码元速率信号，码元速率R RB B=4.8=4.810106 6波波特特, ,采用包络检波或同步检波法解调。已知接采用包络检波或同步检波法解调。已知接收端输入信号幅度收端输入信号幅度A=1mVA=1mV，信道中加性白高斯，信道中加性白高斯噪声的单边功率谱密度噪声的单边功率谱密度n nO O=2=21010-15-15W/HzW/Hz 试求：试求：包络检波法解调时系统误码率包络检波法解调时系统误码率相干解调时系统误码率相干解调时系统误码率2ASK 2ASK 的相干与非相干解调的相干与非相干解调 解：解： 接收机带宽接

14、收机带宽 噪声功率噪声功率 解调器输入信噪比解调器输入信噪比 相干解调误码率相干解调误码率 非相干解调误码率非相干解调误码率)(106.926ZBHRB )(1092. 182WBnOn s s1261092. 121028622 nAs sr r45 . 641067. 12614. 311 eePer r r r45 . 64105 . 72121 eePer r第七章第七章 二进制数字调制系统二进制数字调制系统 二进制数字调制与解调原理二进制数字调制与解调原理 ASK、FSK、PSK、DPSK 二进制数字调制系统的抗噪声性能分析二进制数字调制系统的抗噪声性能分析 二进制数字调制系统的性能

15、比较二进制数字调制系统的性能比较2FSK 2FSK 的误比特率（相干解调）的误比特率（相干解调） 在一个码元间隔内在一个码元间隔内 0,cos1,cos)(01sendtAsendtAtSiT 带 通滤 波输 入带 通滤 波f1f0低 通滤 波低 通滤 波t1cost0cos抽 样判 决2FSK信 号 相 干 解 调定 时 脉 冲n(t)2FSK 2FSK 的误比特率（相干解调）的误比特率（相干解调） 发送信码发送信码1时：时： 支路支路1解调输出解调输出 支路支路0解调输出解调输出 判决输出判决输出带 通滤 波输 入带 通滤 波f1f0低 通滤 波低 通滤 波t1cost0cos抽 样判 决

16、2FSK信 号 相 干 解 调定 时 脉 冲n(t)()(11tnAtSIo 解调支路解调支路1 1解调支路解调支路0 0)()(00tntSIo 01IIknnAx 其中：其中：nI1，nI0为为相互独立的方相互独立的方差为差为s sn2 2的高斯随机变量的高斯随机变量0010 kkkkyxyx误码误码2FSK 2FSK 的误比特率（相干解调）的误比特率（相干解调） 发送信码发送信码1时：时： 发送信码发送信码0时：时： 2FSK相干解调时误比特率为：相干解调时误比特率为： 大信噪比时：大信噪比时：22012)(nkkkIIkxExExDAnnAExEs s )()2(21)2(21)(0)

17、2(2/)(0122r rr rs s s sQerfcdxedxxfPnAxne )(0r rQPe )(r rQPe 2 21r r r r ePe2FSK 2FSK 的误比特率（非相干解调）的误比特率（非相干解调） 发送码元发送码元1时：时： 解调支路解调支路1输出：输出： 解调支路解调支路2输出：输出：包络检波2FSK信号非相干解调定时脉冲包络检波抽样判决带通滤波输入带通滤波f1f0n(t)()()(221tntnAtxQI )()()(220tntntxQi 莱斯分布莱斯分布瑞利分布瑞利分布 02/)(2201n211012221210210000011010011011222222

18、222101)(21 )(21)2)d(2(22)2(212/)2exp()()()()()()(dtezttIedteezttIxeexAIxdxAxAxIxdxdxxfxfdxdxxfxfxxPPztOzztOnAxnnOnnnnOnxxenns ss ss ss ss ss ss ss ss ss ss s2FSK 2FSK 的误比特率（非相干解调）的误比特率（非相干解调） 如果如果x1(t)x0(t)则出现误码：则出现误码：)()()(221tntnAtxQI )()()(220tntntxQi nnAzxts ss s2 ,21 0 xf0(x)f1(x)pe12FSK 2FSK 的

19、误比特率（非相干解调）的误比特率（非相干解调） 式中：式中： 发送信码发送信码0，分析相同，分析相同 2FSK非相干解调（包络检波）时误比特率非相干解调（包络检波）时误比特率 2FSK2FSK包络检波与相干解调在大信噪比时性能接近包络检波与相干解调在大信噪比时性能接近, ,但但相干解调时设备复杂得多相干解调时设备复杂得多 1)0 ,()(02/ )(022 zQdtezttIzt22)2/(21212121 222r rs s eeePnAze2021 r r ePe221 r r ePe2FSK 2FSK 的误比特率的误比特率 例题：用例题：用2FSK2FSK方式方式, ,在有效带宽在有效带

20、宽2400Hz2400Hz的信道的信道上传送二进制数字信息上传送二进制数字信息. 2FSK. 2FSK信号的两个频信号的两个频率为率为:f:f1 1=2025Hz,f=2025Hz,f2 2=2225Hz,=2225Hz,码速率码速率R RB B=300=300波波特特, , 信道输出端的信噪比为信道输出端的信噪比为6db.6db. 试求：试求：2FSK2FSK信号的带宽信号的带宽采用包络检波法解调时的系统误码率采用包络检波法解调时的系统误码率采用采用相干解调相干解调法解调时的系统误码率法解调时的系统误码率2FSK 2FSK 的误比特率的误比特率 解：解：2FSK2FSK信号的带宽信号的带宽

21、ffff2 2-f-f1 1+2f+2fS S=f=f2 2-f-f1 1+2R+2RB B =800Hz =800Hz 由于码速率为由于码速率为300300波特波特, ,包络接收系统上、下支路包络接收系统上、下支路带通滤波器带通滤波器1和和2的带宽近似为的带宽近似为B2/TB2/TS S=2R=2RB B=600Hz=600Hz信道有效带宽信道有效带宽2400Hz2400Hz，为上、下支路带通滤波器，为上、下支路带通滤波器带宽的带宽的4 4倍，所以带通滤波器输出信噪比倍，所以带通滤波器输出信噪比r r比输入比输入信噪比提高了信噪比提高了4 4倍。又由于输入信噪比为倍。又由于输入信噪比为6db

22、6db（4 4倍），故滤波器输出信噪比为：倍），故滤波器输出信噪比为：r r=4X4=162FSK 2FSK 的误比特率的误比特率 包络检波法解调时的系统误码率包络检波法解调时的系统误码率 相干解调法解调时的系统误码率相干解调法解调时的系统误码率fc = ( f1 f2 ) /2h = ( f2 f1 ) / RBh = 0.5h = 0.7h = 1.5fc 1.5 RBfc RBfc 0.5 RBfcfc 0.5 RBfc RBfc 1.5 RBf4821068.12121 eePer r51017. 3)4()( QQPer r 研究问题：调制指数研究问题：调制指数h较小时如何解调，给出

23、解调方较小时如何解调，给出解调方法，并计算出该方法的误码率性能法，并计算出该方法的误码率性能2FSK 2FSK 解调与误比特率的讨论解调与误比特率的讨论fc = ( f1 f2 ) /2h = ( f2 f1 ) / RBh = 0.5h = 0.7h = 1.5fc 1.5 RBfc RBfc 0.5 RBfcfc 0.5 RBfc RBfc 1.5 RBf第七章第七章 二进制数字调制系统二进制数字调制系统 二进制数字调制与解调原理二进制数字调制与解调原理 ASK、FSK、PSK、DPSK 二进制数字调制系统的抗噪声性能分析二进制数字调制系统的抗噪声性能分析 二进制数字调制系统的性能比较二进

24、制数字调制系统的性能比较2PSK 2PSK 的误比特率（相干解调）的误比特率（相干解调） 在一个码元周期内：在一个码元周期内：带通滤波输入低通滤波t1cos抽样判决2PSK信号相干解调定时脉冲n(t)输出 0),cos(1),0cos()(sendtAsendtAtScciT 2PSK 2PSK 的误比特率（相干解调）的误比特率（相干解调） 低通滤波器输出：低通滤波器输出：带 通滤 波输 入低 通滤 波t1cos抽 样判 决2PSK信 号 相 干 解 调定 时 脉 冲n(t)输 出 0),(1),()(sendtnAsendtnAtxII0Dxf0(x)f1(x)pe1pe0A-A2PSK 2

25、PSK 的误比特率（相干解调）的误比特率（相干解调） 发送发送1时，由于噪声的作用，错判为时，由于噪声的作用，错判为0的概率：的概率： 发送发送0时错误概率相同，因此，误比特率为：时错误概率相同，因此，误比特率为： 信噪比较大时信噪比较大时)2(r rQPe r r erPe21)2()(2121222/)(01r rr rs s s sQerfcdxePnAxne 小结小结方式方式误比特率误比特率相干解调相干解调非相干解调非相干解调ASKFSKPSK)2(r rQPe )(r rQPe )2/(r rQPe 2/21r r ePe4/21r r ePe调制信号信号点间的距离调制信号信号点间的

26、距离 ASK FSK21020101)()(dttgtgssdT bTcASKEATdttAd 21)0cos(2102 bTTFSKEATtdttTATAdttAtAd2coscos22121)coscos(02122210221 信号正交条件下信号正交条件下调制信号信号点间的距离调制信号信号点间的距离 PSK 等效方差等效方差 等概率时的误码率：等概率时的误码率：bTccPSKEATdttAtAd22)cos(cos(2102 BTn0221 s sDGxf0(x)f1(x)pe1pe0dQ(a)2/(s sdQPe TAdttAETcb2cos202 S/N S/N 与与E Eb b/n/n0 0 信号点距离：信号点距离： 等效噪声方差等效噪声方差0022121nBTn s sbPSKbFSKbASKEdEdEd22 信号调制后奈奎斯特信号调制后奈奎斯特带宽为带宽为1/T1/T000/nEnSTBnSNSb r r相干解调的等效相干解调的等效二进制调制与信号空间表示二进制调制与信号空间表示 ASK PSK FSK)2()2/(2r rs sQdQPASKe )()2/(2r rs sQdQPFSKe )2()2/(2r rs sQdQPPSKe