正弦载波数字调制系统幻灯片.ppt

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1、正弦载波数字调制系统第1页，共137页，编辑于2022年，星期一第 6 章 正弦载波数字调制系统 6.1 引言 6.2 二进制数字调制原理 6.3 二进制数字调制系统抗噪声性能 6.4 二进制数字调制系统的性能比较 6.5 多进制数字调制系统 6.6 改进的数字调制方式第2页，共137页，编辑于2022年，星期一 6.1 引言原理：用数字信号控制载波的参数，使已调信号适合于信道传输。分类：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)三种基本形式内容：时域表达式、波形图；频域表达式、频谱图；调制解调器框图、调制解调器工作原理的数学描述；抗高斯白噪声的性能。第3页，共137页，编辑于

2、2022年，星期一6.2 二进制数字调制原理二进制振幅键控（2ASK)二进制频移键控（2FSK)二进制相移键控（2PSK)二进制差分相移键控（2DPSK)第4页，共137页，编辑于2022年，星期一二进制振幅键控（2ASK)振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为第5页，共137页，编辑于2022年，星期一其中:an=0,发送概率为P 1,发送概率为1-P 令则第6页，共137页，编辑于2022年，星期一波形与

3、调制器第7页，共137页，编辑于2022年，星期一图 6-3 二进制振幅键控信号调制器原理框图第8页，共137页，编辑于2022年，星期一解调器第9页，共137页，编辑于2022年，星期一2ASK频谱设 e0(t)的功率谱为PE(f)，s(t)的功率谱为Ps(f)，则第10页，共137页，编辑于2022年，星期一2ASK频谱第11页，共137页，编辑于2022年，星期一2ASK频谱第12页，共137页，编辑于2022年，星期一二进制频移键控（2FSK)正弦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，则产生二进制移频键控信号（2FSK信号）。二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的

4、二进制振幅键控信号的叠加。若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为第13页，共137页，编辑于2022年，星期一FSK波波形形第14页，共137页，编辑于2022年，星期一2FSK信号产生信号产生第15页，共137页，编辑于2022年，星期一2FSK信号非相干解调信号非相干解调第16页，共137页，编辑于2022年，星期一2FSK信号相干解调信号相干解调第17页，共137页，编辑于2022年，星期一2FSK信号过零检测解调信号过零检测解调第18页，共137页，编辑于2022年，星期一2FSK信号延迟检测解调信号延迟检测解调令则检测

5、输出第19页，共137页，编辑于2022年，星期一2FSK信号功率谱 2FSK信号可以看作载频分别为f1和f2的两个2ASK信号的迭加，因此功率谱是两个2ASK信号功率谱的迭加。第20页，共137页，编辑于2022年，星期一二进制相移键控（2PSK)在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常用已调信号载波的 0和 180分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。二进制移相键控信号的时域表达式为第21页，共137页，编辑于2022年，星期一an=1,发送概率为P-1,发送概率为1-P 在一个码元期间，则有e2PSK(t)=cos

6、ct,发送概率为P -cosct,发送概率为1-P若用n表示第n个符号的绝对相位，则有 n=0,发送 1 符号 180,发送 0 符号第22页，共137页，编辑于2022年，星期一2PSK信号波形与产生信号波形与产生第23页，共137页，编辑于2022年，星期一2PSK信号的解调第24页，共137页，编辑于2022年，星期一2PSK信号的解调采用相干解调，解调器原理图如图6-13所示。2PSK信号相干解调各点时间波形如图所示。当恢复的相干载波产生180倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象通常称为“倒”现象。第25页，共137页，

7、编辑于2022年，星期一2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为，可定义一种数字信息与之间的关系为=0,表示数字信息“0”,表示数字信息“1”例 数字信息：1 1 0 1 0 0 1 1 1 02DPSK信号相位：00 000 0或 00 0 0 0差分相移键控差分相移键控(2DPSK)第26页，共137页，编辑于2022年，星期一DPSK信号调制过程波形图第27页，共137页，编辑于2022年，星期一2DPSK信号调制器原理图第28页，共137页，编辑于2022年，星期一2DPSK相干解调器及各点波形第29页，共137页，编辑于2022年

8、，星期一差分相干解调器原理和各点波形第30页，共137页，编辑于2022年，星期一2PSK与2DPSK信号功率谱2PSK与2DPSK信号有相同的功率谱。若 2PSK信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与正弦载波相乘，则2PSK信号的功率谱为 P2PSK(f)=包括离散谱和连续谱。结构与2ASK的功率谱相似，带宽也是基带信号带宽的二倍。当“1”和“0”等概相时，不存在离散谱。第31页，共137页，编辑于2022年，星期一2PSK(2DPSK)功率谱密度第32页，共137页，编辑于2022年，星期一 6.3 二进制数字调制系统抗噪声性能噪声性能：误码率与信噪比的关系分析模型：l信道是理想恒参信道

9、，通带内具有理想矩形的传输特性。l 噪声为加性高斯白噪声（AWGN），均值为零，方差为分析内容：l相干、非相干ASK、FSK、PSK、DPSK第33页，共137页，编辑于2022年，星期一6.3.1通断键控(OOK)系统抗噪声性能接收端带通滤波器输出波形为 发送1 发送0 第34页，共137页，编辑于2022年，星期一包络检波器输出波形V(t)为 1.包络检波法的系统性能第35页，共137页，编辑于2022年，星期一当发送“0”时，服从瑞利分布，概率密度函数为 当发送“1”时，服从广义瑞利分布，概率密度函数为第36页，共137页，编辑于2022年，星期一判决规则：若样值V判决门限b，则判决接收

10、为“1”；若样值V1时，近似地 比较式(6.3-30)和式(6.3-22)可以看出：在相同的信噪比条件下，同步检测法的误码性能优于包络检波法的性能；在大信噪比条件下，包络检波法的误码性能将接近同步检测法的性能。另外，包络检波法存在门限效应，同步检测法无门限效应。第47页，共137页，编辑于2022年，星期一例6.3.1 设OOK信号的码元速率为 B，采用同步检测法和包络检波法对该OOK信号进行解调。已知接收端输入信号幅度a=1mV，信道等效加性高斯白噪声的双边功率谱密度 W/Hz。试求:(1)同步检测法解调时系统总的误码率；(2)包络检波法解调时系统总的误码率。第48页，共137页，编辑于20

11、22年，星期一 解(1)对于2ASK信号，信号功率主要集中在其频谱的主瓣。因此，接收端带通滤波器带宽可取2ASK信号频谱的主瓣宽度，即 B=2RB=9.6106 Hz带通滤波器输出噪声平均功率为 2n=n0B=1.9210-8W信噪比为 第49页，共137页，编辑于2022年，星期一所以包络检测法解调时系统的误码率为同步检波法解调时系统总的误码率为第50页，共137页，编辑于2022年，星期一比较两种方法解调时系统总的误码率可以看出，在大信噪比的情况下，包络检波法解调性能接近同步检测法解调性能。第51页，共137页，编辑于2022年，星期一两种接收方法的性能分析如下：6.3.2频移键控(FSK

12、)系统抗噪声性能sR(t)=a cos1t+n(t),发送“1”符号 a cos2t+n(t),发送“0”符号 ,0tTs第52页，共137页，编辑于2022年，星期一1.2FSK包络检波法的性能第53页，共137页，编辑于2022年，星期一当发送“1”符号时，两个包络检波器的输出为V1服从广义瑞利分布，V2服从瑞利分布。V1、V2的一维概率密度函数分别为第54页，共137页，编辑于2022年，星期一错误概率第55页，共137页，编辑于2022年，星期一利用Q函数及其性质，简化上述表达式，得由对称性导出发送“0”符号时的误码概率为于是总的误码概率为第56页，共137页，编辑于2022年，星期一

13、2.2FSK同步检波法的性能当发送“1”符号时，送入判决器比较的两个输入波形为：x1(t)=a+n1c(t)x2(t)=n2c(t)均为正态分布第57页，共137页，编辑于2022年，星期一于是误码率为：Pe1=Px1x2=Pa+n1c-n2c0于是误码率为：于是总误码率为：令z=a+n1c-n2c，于是z也是服从正态分布的随机变量，均值为a，方差为22，于是误码率成为：第58页，共137页，编辑于2022年，星期一结论：在大信噪比条件下，2FSK信号采用包络检波法解调性能与同步检测法解调性能接近，同步检测法性能较好。例6.3.2 已知信道带宽2400Hz，f1=980Hz,f2=1580Hz

14、,RB=300B,信噪比为6dB。求：(1)FSK信号的带宽；（2）包络检波法的误码率；（3）同步检波法的误码率。解：由于码元速率为RB=300B,于是上下两个支路的带通滤波器的带宽近似为 B=2RB=600Hz.第59页，共137页，编辑于2022年，星期一又由于信道带宽2400Hz，是带通滤波器的带宽的4倍，所以带通滤波器的输出信噪比提高4倍。输入信噪比为4（即6dB），所以带通滤波器的输出信噪比为r=4 4=16。于是包络检波的误码率为同步检波器的误码率为第60页，共137页，编辑于2022年，星期一相移键控分为绝对相移键控（PSK）和相对相移键控（DPSK）。解调绝对相移键控（PSK）

15、，采用同步检波；解调相对相移键控（DPSK），有两种方法：同步检波+差分译码（极性比较法）、差分相干检测（相位比较法）6.3.3相移键控(PSK)系统抗噪声性能第61页，共137页，编辑于2022年，星期一PSK相干解调误码率低通滤波器输出波形为x(t)服从正态分布，均值为零，方差为2第62页，共137页，编辑于2022年，星期一将1错误接收为0 的概率为 Pe1=Px0，则判决收到“1”；若xd时，就会产生错误的判决。第87页，共137页，编辑于2022年，星期一但是，对于外层的两个(L-1)d电平，噪声值仅在一个方向超过d时才会产生错误判决。于是，当发送L个电平的可能性相同时(即发送每一电

16、平的概率为1/L)，多电平调制系统总的误码率为第88页，共137页，编辑于2022年，星期一通常希望使系统误码率与接收机输入信噪比建立关系，故我们分析L电平调制信号的平均功率：所以 代入误码率表达式得，第89页，共137页，编辑于2022年，星期一讨论L=2，则上述调制信号即为2PSK信号；L2、4、8和16时误码率与信噪比的关系如下面的曲线：第90页，共137页，编辑于2022年，星期一6.5.2 多进制数字频率调制的原理及抗噪声性能 1多进制数字频率调制的原理第91页，共137页，编辑于2022年，星期一原则上，多频制应该具有多进制调制的一切特点，但由于多频制要占据较宽的频带，因此它的信道

17、频带利用率并不高。信号带宽一般定义为fM-fL+f，其中fM最高载频,fL为最低载频，f为单个码元信号的带宽。第92页，共137页，编辑于2022年，星期一6.5.3 多进制调相-1、原理多进制数字调相利用载波的多种不同相位来表征数字信息。分为绝对移相和相对(差分)移相两种。表达式如下：为受调制的相位。第93页，共137页，编辑于2022年，星期一多相调制的波形可以看作是两个正交载波多电平双边带调制所得信号之和。由此得出，多相调制信号的带宽与多电平双边带调制时的相同。常用的是四相制和八相制。四相制可以表示两个比特二进制数字信息四相移相键控分为：l绝对移相键控(4PSK 或 QPSK)l相对移相

18、键控(4DPSK或QPSK)以下分别讨论。第94页，共137页，编辑于2022年，星期一1）绝对移相键控(4PSK 或 QPSK)组成双比特码元的前一信息比特用a表示，后一信息比特用b表示。双比特码元中两个信息比特ab通常是按格雷(即反射码)排列的，它与载波相位的关系如下表所示。双比特码元载波相位abA方式B方式000o45o0190o135o11180o225o10270o315o第95页，共137页，编辑于2022年，星期一矢量关系:第96页，共137页，编辑于2022年，星期一QPSK信号的产生与解调(1)调相法第97页，共137页，编辑于2022年，星期一(2)相位选择法第98页，共1

19、37页，编辑于2022年，星期一QPSK信号解调第99页，共137页，编辑于2022年，星期一2)四相相对移相键控(QDPSK)QDPSK信号产生 第100页，共137页，编辑于2022年，星期一双比特ab与载波相位变化的关系比特ab00011110相位变化090180270双比特cd与载波相位的关系比特cd00011110A方式相位090180270B方式相位45135225315第101页，共137页，编辑于2022年，星期一码变换器应该完成的功能是将输入的双比特码ab转换成双比特码cd。0000010111111010=0=0=90=90=180=180=270=270000000900

20、1180112701090019001 180112701000018011180 11 27010000900127010270 10000900118011cn-1dn-1n-1 ncndn anbn第102页，共137页，编辑于2022年，星期一由相位关系得到码变换器的逻辑真值表，再由逻辑真值表即可得到ab转换成cd的逻辑运算关系式。ab cd00000101111110100000011110010111100011111000011010000111第103页，共137页，编辑于2022年，星期一QDPSK信号解调极性比较法极性比较法工作原理推导如下：第104页，共137页，编辑于2

21、022年，星期一接收信号为上面支路乘法器输出为下面支路乘法器输出为低通滤波输出为低通滤波输出为第105页，共137页，编辑于2022年，星期一对上下支路抽样为由UA、UB可以作出判决，如下表（67）kUAUBcd0+0090-+10180-11270+-01第106页，共137页，编辑于2022年，星期一由cd 再经过码反变换得到ab,码反变换的真值表如表68所示。前时刻输入ci-1di-1本时刻输入cidi=00本时刻输入cidi=01本时刻输入cidi=11本时刻输入cidi=100000101101010100101111110100101010110100变换得到ab第107页，共13

22、7页，编辑于2022年，星期一逻辑表达式和变换电路 当 当 第108页，共137页，编辑于2022年，星期一QDPSK信号解调相位比较法相位比较法工作原理推导如下：第109页，共137页，编辑于2022年，星期一利用延迟电路将前一码元信号延迟一码元时间后,分别移相/4和/4，再将它们分别作为上、下支路的相干载波。不需要采用码变换器，这是因为QDPSK信号的信息包含在前后码元相位差中，而相位比较法解调的原理就是直接比较前后码元的相位。举例，见教材171页第110页，共137页，编辑于2022年，星期一6.5.3 多进制调相-2、噪声性能第111页，共137页，编辑于2022年，星期一6.5.4

23、振幅相位联合调制多进制调制系统的频带利用率的提高是通过牺牲功率利用率来换取的。因为随着进制数的增加，在信号空间中各信号点间的最小距离减小，相应的信号判决区域也随之减小。因此，当信号受到噪声和干扰的损害时，接收信号错误概率也将随之增大。振幅相位联合键控方式就是为克服上述问题而提出来的。第112页，共137页，编辑于2022年，星期一振幅相位联合键控调制信号的一般表示式为第113页，共137页，编辑于2022年，星期一16进制幅相联合键控（16QAM）信号第114页，共137页，编辑于2022年，星期一16QAM与16PSK的比较信号点的最小距离为第115页，共137页，编辑于2022年，星期一对

24、于16PSK对于16QAMQAM最大功率与平均功率之比为第116页，共137页，编辑于2022年，星期一 对于16QAM来说，L4，所以=1.8=2.55dB。这样，在平均功率相等的条件下，16QAM的信号距离超过16PSK 约419dB。16QAM信号的产生有两种基本方法：一种是正交调幅法，它是用两路正交的四电平振幅键控信号叠加而成；另一种是复合相移法，它是用两路独立的四相移相键控信号叠加而成。图636和图637分别用信号矢量叠加来说明这两种方法产生16QAM信号的原理。第117页，共137页，编辑于2022年，星期一第118页，共137页，编辑于2022年，星期一第119页，共137页，编

25、辑于2022年，星期一 6.5 改进的数字调制 在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一，寻找频谱利用率高的数字调制方式成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一。为此提出一些频谱高效的改进的数字调制。第120页，共137页，编辑于2022年，星期一6.5.1 最小频移键控（MSK）MSK 的基本原理的基本原理:MSK是恒定包络连续相位频率调制，其信号的表示式为或者第121页，共137页，编辑于2022年，星期一MSK频率特点:当当ak=+1时，时，当当ak=-1时，时，频率差为频率差为调频指数定义为调频指数定义为第122页，共137页，编辑于2022年，星期一一般2FSK两个波形的

26、相关系数:相关系数为0的条件是:n的最小值是1，对应最小正交频移键控。第123页，共137页，编辑于2022年，星期一MSK的相位特点:相位约束条件：相位约束条件：若若 则则第124页，共137页，编辑于2022年，星期一第125页，共137页，编辑于2022年，星期一MSK信号的特点振幅恒定频偏固定h=0.5相位变化/2码元周期是四分之一载波周期的整数倍码元转换时刻相位连续第126页，共137页，编辑于2022年，星期一MSK信号的调制解调方法MSK信号可表示为第127页，共137页，编辑于2022年，星期一其中分别称为同相和正交分量的等效数据。根据上式构成MSK调制器的框图(图641)第1

27、28页，共137页，编辑于2022年，星期一MSK解调器第129页，共137页，编辑于2022年，星期一延时判决法解调器工作过程：接收信号为cosct+(t),分别与sinct和 cosct相乘,经低通滤波后分别得到sin(t)和cos(t)。上下两个支路的相乘是交替进行的。每个积分器的积分时间是2T，在0，2T期间对下面的支路进行积分判决；在-T，T期间对上面的支路进行积分判决。当输入数据为10或11 时，sin(t)0；当输入数据为00或01 时，sin(t)0；经过积分和判决就可以解调出数据。第130页，共137页，编辑于2022年，星期一解调器工作原理第131页，共137页，编辑于20

28、22年，星期一MSK信号的功率谱第132页，共137页，编辑于2022年，星期一归一化功率谱如图644所示。与2DPSK相比，MSK的功率谱更加紧凑；第一个零点是在075Ts处，而2PSK的第一个零点则出现在1Ts处。这表明MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽率比2PSK信号窄。在主瓣带宽之外，功率谱旁瓣的下降也更为迅速。因此，MSK信号比较适合在窄带信道中传输。第133页，共137页，编辑于2022年，星期一6.5.2 高斯最小频移键控（GMSK）在移动通信等场合，对信号带外辐射功率的限制是十分严格的，MSK信号仍不能满足这样的要求。于是提出高斯最小移频键控(GMSK)方式。GMSK是在MSK

29、调制器之前加入一高斯低通滤波器。图中的高斯低通滤波器必须能满足下列要求：第134页，共137页，编辑于2022年，星期一对高斯低通滤波器的要求：(1)带宽窄，且是锐截止的；(2)具有较低的过冲脉冲响应；(3)能保持输出脉冲的面积不变。以上要求分别是为了抑制高频成分、防止过量的瞬时频率偏移以及进行相干检测所需要的。GMSK信号的解调与MSK信号完全相同。GMSK信号的频谱特性如下图：第135页，共137页，编辑于2022年，星期一第136页，共137页，编辑于2022年，星期一其它改进的数字调制偏移正交相移键控(OQPSK）正弦频移键控(SFSK)部分响应正交调制(QPR)连续相位移频键控(CPFSK)平滑调频(TFM)相关移相键控(CORPSK)/4差分移相键控(/4DQPSK)第137页，共137页，编辑于2022年，星期一