数字调制系统精.ppt

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1、数字调制系统第1页，本讲稿共106页第六章第六章 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统n6.1 引言引言n6.2 二进制数字调制原理二进制数字调制原理n6.3 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n6.4 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n6.5 多进制数字调制系统多进制数字调制系统n6.6 改进的数字调制方式改进的数字调制方式第2页，本讲稿共106页6.1 引言引言正弦载波正弦载波数字调制数字调制系统系统数字信号的传输方式数字信号的传输方式基带传输基带传输 频带传输频带传输 调制的功能：调制的功能：使信号更适合于信道传输。使信号更适合于信道

2、传输。实现信道复用提高通信系统的有效性。实现信道复用提高通信系统的有效性。提高通信系统的抗干扰能力提高通信系统的可靠性。提高通信系统的抗干扰能力提高通信系统的可靠性。数字调制的三种数字调制的三种最简单最基本方式最简单最基本方式 2ASK2FSK2PSK/2DPSK MASKMFSKMPSK/MDPSK 改进型改进型 扩扩展展第3页，本讲稿共106页频带传输频带传输：可实现信号远距离传输。传输信道是高频带通型。可实现信号远距离传输。传输信道是高频带通型。传输必须经过数字调制，将编码波形的功率谱经传输必须经过数字调制，将编码波形的功率谱经 数字调制变换到信道传输频带内数字调制变换到信道传输频带内。

3、信信源源格格式式化化信信源源编编码码信信道道编编码码扰扰码码加加密密多多路路复复用用数数字字调调制制扩扩频频调调制制多多址址连连接接发发送送设设备备信信道道噪噪声声源源接接收收设设备备多多址址连连接接受受信信者者信信源源译译码码信信道道译译码码解解扰扰解解密密解解复复用用数数字字解解调调扩扩频频解解调调数学调制系统数学调制系统1 0 1 1 0 1t1 0 1 1 0 1t数学调制系统数学调制系统第4页，本讲稿共106页6.2 二进制数字调制原理二进制数字调制原理第5页，本讲稿共106页6.2.1 二进制振幅键控二进制振幅键控 2ASK1.信号定义及表示信号定义及表示 定义：用二进制数字基带信

4、号控制正弦载波的振幅，定义：用二进制数字基带信号控制正弦载波的振幅，使其一一对应变换。使其一一对应变换。“1”ACOSct=e1(t)“0”0COSct=e2(t)1 1 0 1 0 0 1 1 1 t2ASK信号表示为：信号表示为：e2ASK(t)=S(t)COSct其中其中S(t)是单极性不归零矩形脉冲信号。是单极性不归零矩形脉冲信号。2ASK信号的平均功率为（当信号的平均功率为（当“0”“1”等概时）：等概时）：PA2/4第6页，本讲稿共106页2ASK信号的互相关系数信号的互相关系数 两个码元波形两个码元波形e1(t)、e2(t)的互相关系数的互相关系数 信号（波形）互相关系数的物理意

5、义：信号（波形）互相关系数的物理意义：描述信号（波形）的相似程度。描述信号（波形）的相似程度。两个波形完全相关。两个波形完全相关。两个波形不相关或两个波形是正交的。两个波形不相关或两个波形是正交的。两个波形不相关且极性相反或两个波形超正交。两个波形不相关且极性相反或两个波形超正交。第7页，本讲稿共106页模拟调制法原理框图模拟调制法原理框图2.调制方式调制方式与与门门多谐振荡器多谐振荡器带通滤波器带通滤波器键控法原理框图键控法原理框图第8页，本讲稿共106页3.3.解调方式（解调方式（非相干检测非相干检测、同步检测）、同步检测）带通滤波器带通滤波器半波或全波整流半波或全波整流低通滤波器低通滤波

6、器抽样抽样 判决判决 再生再生 1 1 0 1 0 0 1 1 1 ttt 1 1 0 1 0 0 1 1 1 t第9页，本讲稿共106页带通滤波器带通滤波器低通滤波器低通滤波器抽样抽样 判决判决 再生再生同步检测原理框图同步检测原理框图3.3.解调方式（解调方式（非相干检测非相干检测、同步检测同步检测）解调原理解调原理第10页，本讲稿共106页4.2ASK信号的频谱特性信号的频谱特性模拟调制法原理框图模拟调制法原理框图S(t)是单极性不归零矩形脉冲信号是单极性不归零矩形脉冲信号,它的功率谱特性它的功率谱特性 为为 2ASK信号的功率谱特性信号的功率谱特性 为为第11页，本讲稿共106页f0第

7、12页，本讲稿共106页6.2.2 二进制频率键控二进制频率键控 2FSK1.信号定义及表示信号定义及表示 定义：用二进制数字基带信号控制正弦载波的频率，定义：用二进制数字基带信号控制正弦载波的频率，使其一一对应变换。使其一一对应变换。“1”ACOS1t=e1(t)“0”ACOS2t=e2(t)如果二进制数字基带信号如果二进制数字基带信号S(t)是单极性不归零矩形脉冲信号，是单极性不归零矩形脉冲信号，2FSK信号可以表示为信号可以表示为2FSK信号相当于两个信号相当于两个2ASK信号之和。信号之和。1 1 0 1 0 0 1 1 1 t第13页，本讲稿共106页2.FSK信号的功率谱密度函数信

8、号的功率谱密度函数f0第14页，本讲稿共106页FSK信号的频带宽度信号的频带宽度f0fa曲线曲线fb曲线曲线第15页，本讲稿共106页2FSK信号的互相关系数信号的互相关系数 两个码元波形的互相关系数两个码元波形的互相关系数 的正整数的正整数的正整数的正整数如果如果第16页，本讲稿共106页2.调制方式调制方式与非门与非门反相器反相器BPF多谐振荡器多谐振荡器f1多谐振荡器多谐振荡器f2与非门与非门与非门与非门S(t)e2fsk(t)模拟模拟FM器器S(t)e2fsk(t)多谐振荡器多谐振荡器f可变分频器可变分频器 N BPFS(t)“1”N1 “0”N2 e2fsk(t)f/N1=f1 f

9、/N2=f2 第17页，本讲稿共106页3.解调方式解调方式（包络检波、同步检测、（包络检波、同步检测、过零检测、差分检测）过零检测、差分检测）BPF低通滤波器低通滤波器BPF低通滤波器低通滤波器抽样抽样 判决判决 再生再生BPF第18页，本讲稿共106页过零检测过零检测 1 0 1 0 t带通带通限幅限幅微微分分器器整整流流器器脉冲脉冲展宽展宽LPF抽样抽样判决判决再生再生e2fsk(t)S(t)tttt第19页，本讲稿共106页差分检波法差分检波法BPFLPF抽样判决再生抽样判决再生e2FSK(t)位同步信号位同步信号延迟器输出信号为延迟器输出信号为 乘法器输出乘法器输出 第20页，本讲稿

10、共106页设计使设计使第21页，本讲稿共106页6.2.3 二进制移相键控二进制移相键控2PSK及二进制差分移相键控及二进制差分移相键控2DPSK1.定义、信号表示及波形、互相关系数定义、信号表示及波形、互相关系数、信号平均功率。、信号平均功率。0 1 1 0Tst信号表示及波形信号表示及波形:一一.二进制移相键控二进制移相键控2PSK定义：定义：2PSK是用已调信号相位相对未调载波相位的变化来表示是用已调信号相位相对未调载波相位的变化来表示二进制数字基带信号。二进制数字基带信号。第22页，本讲稿共106页信号的互相关系数信号的互相关系数:信号平均功率信号平均功率:第23页，本讲稿共106页2

11、.调制方式、解调方式（相干解调）调制方式、解调方式（相干解调）S(t)e e2psk2psk(t)(t)多谐振荡器多谐振荡器反相器反相器数数据据选选择择器器BPFe2psk(t)2fsS(t)调制原理框图调制原理框图LPFfs 抽样抽样判决判决位同步位同步恢复恢复S(t)e e2psk2psk(t)(t)解调原理框图解调原理框图第24页，本讲稿共106页3.2PSK解调存在的倒解调存在的倒现象现象(相位模糊现象相位模糊现象)正常解调正常解调二进制差分移相键控二进制差分移相键控 2DPSK可解决倒可解决倒问题。问题。倒倒现象现象判决准则：判决准则：抽样值抽样值=0,判：判：“0”抽样值抽样值0,

12、判：判：“1”第25页，本讲稿共106页1.1.定义：利用定义：利用相邻码元的正弦载波相位差相邻码元的正弦载波相位差表示数字信息。表示数字信息。绝对码绝对码an“0”an“1”相邻码元对应的相邻码元对应的正弦载波相位差正弦载波相位差0n nn-1n-1 二二.二进制差分移相键控二进制差分移相键控 2DPSK 2DPSKbn 0 0 1 0 1 1 0 an 0 1 1 1 0 1Tst波形：波形：第26页，本讲稿共106页调制过程：调制过程：anbn2PSK信号表示：信号表示：存在倒存在倒问题问题消除倒消除倒问题问题解调过程：解调过程：2DPSK bn an第27页，本讲稿共106页2DPSK

13、调制方式调制方式S(t)多谐振荡器多谐振荡器反相器反相器数数据据选选择择器器BPF2fs差分差分编码编码e2Dpsk(t)差分差分编码编码 S(t)e2Dpsk(t)第28页，本讲稿共106页2DPSK解调方式（同步检测、差分相干检测）解调方式（同步检测、差分相干检测）LPFfs抽样抽样判决判决位同步位同步恢复恢复S(t)差分差分译码译码e2Dpsk(t)LPFfs抽样抽样判决判决位同步位同步恢复恢复S(t)e2Dpsk(t)延迟延迟TsBPF第29页，本讲稿共106页差分相干检测分析差分相干检测分析S(t)e2Dpsk(t)LPFfs抽样抽样判决判决位同步位同步恢复恢复延迟延迟TsLPF输出

14、输出任意码元周期任意码元周期2DPSK信号信号 延迟器输出延迟器输出 乘法器输出乘法器输出 抽样判决值抽样判决值 判决为判决为“1”判决为判决为“0”BPF第30页，本讲稿共106页如果如果P=1/2,2PSK、2DPSK频谱相同频谱相同2PSK、2DPSK信号频谱信号频谱0ffc2fs-fc2fsP(f)第31页，本讲稿共106页6.3 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第32页，本讲稿共106页6.3 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第33页，本讲稿共106页6.3.1 2ASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能2ASK调制调制高斯高斯信

15、道信道BPFB=2fs包络包络检波检波抽样抽样判决判决一一.非相干解调非相干解调1建立模型分析解调过程建立模型分析解调过程Y(t)V(t)Pe第34页，本讲稿共106页第35页，本讲稿共106页2.抽样时刻信号加噪声的一维概率密度函数抽样时刻信号加噪声的一维概率密度函数f1(V)，f0(V)发发1时，时，正弦信号加窄带高斯过程的包络正弦信号加窄带高斯过程的包络V(t)服从广义瑞利分布。服从广义瑞利分布。发发0时，窄带高斯过程的包络时，窄带高斯过程的包络V(t)服从瑞利分布。服从瑞利分布。其中：其中：V 解调器输出信号解调器输出信号(信号加噪声信号加噪声)a 解调器输入信号幅度解调器输入信号幅度

16、 零均值窄带高斯过程的平均功率零均值窄带高斯过程的平均功率I0()零阶修正贝塞尔函数零阶修正贝塞尔函数第36页，本讲稿共106页V0第37页，本讲稿共106页误码率误码率Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)=P(1)P(V1大大输输入信噪比，最佳判决入信噪比，最佳判决门门限限ba/2,第42页，本讲稿共106页二二.2ASK系统采用相干解调的抗噪声性能系统采用相干解调的抗噪声性能第43页，本讲稿共106页6.3.2 2FSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能第44页，本讲稿共106页第45页，本讲稿共106页第46页，本讲稿共106页2.信号加噪声的一维概率密度函数信号加噪声的一维概

17、率密度函数第47页，本讲稿共106页第48页，本讲稿共106页3.求求错误的转移概率错误的转移概率第49页，本讲稿共106页4.2FSK系统相干解调的误码率及结论系统相干解调的误码率及结论第50页，本讲稿共106页三三.二进制差分移相键控采用差分检测时系统抗噪声性能二进制差分移相键控采用差分检测时系统抗噪声性能第51页，本讲稿共106页假设：前后两个符号均为假设：前后两个符号均为“0”第52页，本讲稿共106页第53页，本讲稿共106页第54页，本讲稿共106页误码率及结论误码率及结论第55页，本讲稿共106页结论结论第56页，本讲稿共106页6.4 二进制数字调制系统的性能比较二进制数字调制

18、系统的性能比较第57页，本讲稿共106页第58页，本讲稿共106页6.例：例：P147.例例6.3.1 P150.例例6.3.2 P154.例例6.3.3第59页，本讲稿共106页6.5 多进制数字调制系统多进制数字调制系统第60页，本讲稿共106页6.5.1 MASK调制系统调制系统第61页，本讲稿共106页第62页，本讲稿共106页2.MASK系统系统第63页，本讲稿共106页3.MASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能第64页，本讲稿共106页第65页，本讲稿共106页第66页，本讲稿共106页1.r ，erfc (),Pe 。2.L，erfc (),Pe 。3.对于不同的对于不同的L值

19、，要保持相同值，要保持相同Pe，要大致以，要大致以 的倍率增大的倍率增大r。4.如：如：4电平系统与电平系统与2电平系统有相同的电平系统有相同的Pe时，时，4电平系统信噪比是电平系统信噪比是5.2电平系统信噪比的电平系统信噪比的5倍倍(7db)左右。左右。6.如：如：16电平系统与电平系统与2电平系统有相同的电平系统有相同的Pe时，时，16电平系统信噪比是电平系统信噪比是7.2电平系统信噪比的电平系统信噪比的85倍倍(19.3db)左右。左右。5 10 15 20 25 30 35r(db)Pe 110110210310410510624 8 16第67页，本讲稿共106页6.5.3 多进制数

20、字相位调制的原理及抗噪声性能多进制数字相位调制的原理及抗噪声性能（相对于载波）（相对于载波）第68页，本讲稿共106页000001010011100101110111第69页，本讲稿共106页2.四相绝对移相键控四相绝对移相键控(4PSK，QPSK)第70页，本讲稿共106页第71页，本讲稿共106页第72页，本讲稿共106页第73页，本讲稿共106页3.四相差分移相键控四相差分移相键控第74页，本讲稿共106页4进差分编译关系进差分编译关系第75页，本讲稿共106页第76页，本讲稿共106页4DPSK调制与解调方法调制与解调方法4DPSK调制方法调制方法差分编加正交移相键控差分编加正交移相键

21、控差分编加相位选择法差分编加相位选择法4DPSK解调方法解调方法极性比较法极性比较法相位比较法相位比较法第77页，本讲稿共106页4DPSK调制调制cdk差分编加正交移相键控差分编加正交移相键控第78页，本讲稿共106页4DPSK解调解调k（极性比较法）（极性比较法）第79页，本讲稿共106页串串并并转转换换4进进差差分分编编单单/双双/4/4单单/双双BPFLPF/4/4抽样抽样判决判决LPF抽样抽样判决判决差分译差分译并并串串转转换换abcdabcdab ab 4DPSK信号信号4DPSK信号信号01000101101101100cd/1#/1#“0”+“1”-0“0”0“1”第80页，本

22、讲稿共106页BPFLPF/4/4抽样抽样判决判决LPF抽样抽样判决判决并并串串转转换换ab ab 4DPSK信号信号0“0”0“1”Ts4DPSK解调方法相位比较法解调方法相位比较法第81页，本讲稿共106页6.5.4 振幅相位联合键控振幅相位联合键控APK 两种调制方式两种调制方式正交调幅正交调幅QAM复合移相键控复合移相键控以以16QAM为例为例0001111000011110010000000101000101110011001001001010111010111111100111011000110016QAM星座图星座图第82页，本讲稿共106页6.5.4 振幅相位联合键控振幅相位联

23、合键控APK 两种调制方式两种调制方式正交调幅正交调幅QAM复合移相键控复合移相键控以以16QAM为例为例0001111000011110010000000101000101110011001001001010111010111111100111011000110016QAM信号星座图信号星座图第83页，本讲稿共106页010000000101000101110011001001001010111010111111100111011000110016QAM星座图星座图星座图：星座图：“矢量顶点的分布图矢量顶点的分布图”。“全部全部M个点的集合阵个点的集合阵列称为信号空间的星列称为信号空间的星座

24、图，它是座图，它是M元信号元信号空间的直观表示空间的直观表示”。第84页，本讲稿共106页16进制复合移相键控进制复合移相键控数字基数字基带信号带信号4PSK4PSK数字基数字基带信号带信号“大圆大圆”“小圆小圆”0100000001010001011100110010010010101110101111111001110110001100第85页，本讲稿共106页信号最小距离的定义及意义信号最小距离的定义及意义当两个信号最大振幅均为当两个信号最大振幅均为A时，时，16PSK信号的最小距离信号的最小距离 d10.39A 16APK信号的最小距离信号的最小距离 d20.47A d2比比d1大大1

25、.2倍（倍（1.64db）16PSK信号的平均功率信号的平均功率A2/2 16APK信号的平均功率信号的平均功率0.56A2/2l 信号的最小距离：（也称欧几里得距离或欧氏距离）信号的最小距离：（也称欧几里得距离或欧氏距离）信号星座图中，两相邻信号点的最小距离。信号星座图中，两相邻信号点的最小距离。l 信号的欧氏距离越大，系统误码率越小。信号的欧氏距离越大，系统误码率越小。16APK信号与信号与16PSK信号比较。设信号比较。设16PSK信号的振幅为信号的振幅为A，第86页，本讲稿共106页0100000001010001011100110010010010101110101111111001

26、11011000110016QAM信号星座图信号星座图16PSK信号星座图信号星座图d1d2第87页，本讲稿共106页当两个信号平均功率相等时。（解调器输入信噪比相等）当两个信号平均功率相等时。（解调器输入信噪比相等）16PSK信号的最小距离信号的最小距离 d10.39A 16APK信号的最小距离信号的最小距离 d20.63A d2比比d1大大1.6倍（倍（4.2db）16APK系统的误码率小于系统的误码率小于16PSK系统的误码率。系统的误码率。第88页，本讲稿共106页6.6 改进的数字调制方式改进的数字调制方式第89页，本讲稿共106页6.6.1 6.6.1 最小移频键控（最小移频键控（

27、MSKMSK）第90页，本讲稿共106页2.MSK是是2FSK2FSK信号的特例信号的特例 即：具有最小的频差且相位连续即：具有最小的频差且相位连续。第91页，本讲稿共106页第92页，本讲稿共106页第93页，本讲稿共106页MSK信号在码元切换点相位连续信号在码元切换点相位连续相位常数的选择保证码元切换点相位连续。相位常数的选择保证码元切换点相位连续。相位常数需满足相位常数需满足 的初始相位为的初始相位为0相。所以相。所以ak=ak-1第94页，本讲稿共106页附近相位函数附近相位函数 是直线方程是直线方程0t Ts 3Ts 5Ts 7Ts 一组与解调原理有一组与解调原理有关的数据关的数据

28、在在0,2Ts区间区间当数据为当数据为11或或10，当数据为当数据为00或或01，1 0 0 1 1 1 0 0 第95页，本讲稿共106页3.MSK信号的产生方法与解调方法信号的产生方法与解调方法第96页，本讲稿共106页第97页，本讲稿共106页的产生方法：的产生方法：为奇数为奇数为奇数为奇数为偶数为偶数 和和 各自经过各自经过2Ts才可能改变极性，且交错才可能改变极性，且交错(k奇、奇、k偶偶)。寻找寻找或或 akak-1，且且k为偶数为偶数或或 akak-1，且且k为奇数为奇数第98页，本讲稿共106页 和和 与与 的这种关系，可以通过差分编、串的这种关系，可以通过差分编、串/并变换、

29、并变换、延时延时Ts实现。实现。差分码具有经差分码具有经2Ts，若若 则反码则反码(反相反相)的特性。的特性。也具有类似的特性。用也具有类似的特性。用 生成生成 交错读交错读 ，设差分码设差分码Ck有有K为奇数，为奇数，K为偶数。为偶数。第99页，本讲稿共106页akckIkQk差分编差分编串串/并并TscaQIC的奇数的奇数C的偶数的偶数第100页，本讲稿共106页差分编差分编串串/并并TsIkQkakckSmsk(t)第101页，本讲稿共106页载波载波恢复恢复积分积分判决判决积分积分判决判决交替交替读取读取LPFLPFak积分判决工作周期为积分判决工作周期为2Ts。后。后“清零清零”重新

30、积分。重新积分。两个积分判决工作周期错开两个积分判决工作周期错开Ts。相干解调积分延迟判决法相干解调积分延迟判决法LPF第102页，本讲稿共106页4.结论结论MSK信号是等幅相位连续最小频差的信号是等幅相位连续最小频差的FSK信号。信号。功率谱密度函数为功率谱密度函数为BMSK1.5fs功率谱旁瓣幅度小，对相邻信道干扰小。如要进一步提高这个性功率谱旁瓣幅度小，对相邻信道干扰小。如要进一步提高这个性能采用高斯最小移频键控能采用高斯最小移频键控(GMSK)。MSK信号有较好的抗振幅衰落性能。信号有较好的抗振幅衰落性能。MSK广泛应用于移动通信。广泛应用于移动通信。第103页，本讲稿共106页 6

31、.6.3 时频调制方式时频调制方式时频调制信号是时频调制信号是“在一个或一组二进制符号的持续时间内。在一个或一组二进制符号的持续时间内。用若干个较窄的射频脉冲来传输原二进制符号信息。而相邻的用若干个较窄的射频脉冲来传输原二进制符号信息。而相邻的射频脉冲具有不同的频率。并按串序发送。射频脉冲具有不同的频率。并按串序发送。时隙时隙时频调制时频调制编码原则：编码原则：1.码集合中，任一时隙内频率正交。码集合中，任一时隙内频率正交。2.相邻的射频脉冲尽可能具有不同的频相邻的射频脉冲尽可能具有不同的频率。率。时频调制适合随参信道。时频调制适合随参信道。第104页，本讲稿共106页第六章习题第六章习题二进制数字调制基本原理部分（二进制数字调制基本原理部分（6-1，6-2，6-3，6-4，6-5）抗噪声性能部分（抗噪声性能部分（6-7，6-8，6-10，6-12，6-13，6-15）4进制移相键控（进制移相键控（6-16）最小移频键控最小移频键控MSK（6-18）第105页，本讲稿共106页第六章第六章 数字调制系统数字调制系统完完第106页，本讲稿共106页