1、第6章 数字调制传输系统6.1 数字调制传输系统的实际应用数字调制传输系统的实际应用在数字电视系统中,多采用多进制的数字调制。所谓数字电视,就是将传统的模拟电 视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号,然后进行各种功能的 处理、传输、存储、监测和控制的一种全数字处理过程的端到端系统。它从电视节目的录 制、播出到发射和接收,全部采用数字编码与数字传输技术。第6章 数字调制传输系统数字电视与模拟电视相比具有许多优点,主要表现在以下几个方面:(1)图像和伴音质量高、抗干扰能力强。(2)频道数量将成倍数增加。(3)可开展多功能业务。(4)操作性强。(5)便于网络化。(6)具有开放性和
2、兼容性。(7)易于实现条件接收。第6章 数字调制传输系统数字电视系统由信源、信源编码器、信道编码器、信道、信道解码器、信源解码器、信 宿等部分组成。其基本原理框图如图61所示。第6章 数字调制传输系统图61 数字电视系统的基本原理框图第6章 数字调制传输系统信源编码器主要包括模/数(A/D)转换、压缩编码、多路复用三部分。将信源送出的模 拟电视信号进行模/数(A/D)转换,用一定的数字脉冲组合来表示信号的幅度,从而形成数 字信号。为提高传输的有效性,在保证一定传输质量的情况下,对反映信源全部信息的数 字信号进行变换,用尽量少的数字脉冲来表示信源产生的信息,这就是压缩编码。信道编码器包括纠错编码
3、和数字调制,主要解决数字信号传输的可靠性问题,故又称 为抗干扰编码。经过纠错编码的传输码流具有检错和纠错的能力,其作用是最大限度地减 少在信道传输中的误码率,然后将经过纠错编码后的传输码流调制成适合于在信道上传输 的波形。第6章 数字调制传输系统在数字电视系统中,多采用多进制的数字调制,其调制方式有(1)地面传输:采用 COFDM(欧洲)、ISDB T(日本)或8 VSB(美国)调制方式;(2)卫星传输:采用 QPSK 调制方式;(3)有线传输:采用 M QAM 或16 VSB高数据率调制方式,根据有线信道的不同 特性,分别采用16/32/128/256 QAM 等方式。第6章 数字调制传输系
4、统我国数字电视标准是在欧洲数字视频广播标准(DVB,由ISO/ICE13818描述)的基础 上制定的,目前正处于推广使用中的标准有 DVBS、DVBT、DVBC 三种。DVBS(QPSK 调制方式)主要用于数字电视卫星广播系统;DVB T(OFDM 调制方式)则用于地 面无线发射的数字电视广播系统;DVBC(QAM 调制方式)主要为地面 HFC(Hybrid FiberCoaxnetworks,混合光纤同轴电缆网)网络数字电视广播所采用。第6章 数字调制传输系统6.2 二进制数字调制及其抗噪声性能分析二进制数字调制及其抗噪声性能分析6.2.1 二进制数字幅移键控二进制数字幅移键控(2ASK)1
5、.2ASK 调制原理调制原理 数字幅度调制又称幅移键控(ASK),二进制幅移键控记作2ASK。2ASK 是利用代表 数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波,使载波时断时续地输出。有载 波输出时发送“1”,无载波输出时发送“0”。第6章 数字调制传输系统借助于第3章幅度调制的原理,2ASK 信号可表 示为式中,c 为载波角频率,S(t)为单极性不归零矩形脉冲序列,g(t)是持续时间为Tb、高度 为1的矩形脉冲,常称为门函数,an 为第n 个码元的电平值。第6章 数字调制传输系统2ASK 信号的产生方法(调制方法)有两种,如图62所示。图62(a)是一般的模拟 幅度调制方法;图6
6、2(b)是一种键控方法,这里的开关电路受S(t)控制。图62(c)给出 了S(t)及S2ASK的波形示例。二进制幅度键控信号,由于一个信号状态始终为0,相当于处 于断开状态,故又常称为通断键控信号(OOK 信号)。第6章 数字调制传输系统图62 2ASK 产生原理框图和波形示例第6章 数字调制传输系统2.2ASK 信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽 前面已经得到,一个2ASK 信号S2ASK(t)可以表示成这里,S(t)是代表信息的随机单极性矩形脉冲序列。现设S(t)的功率谱密度为Ps(f),S2ASK(t)的功率谱密度为P2ASK(f),则由式(62)可以证得第6章 数字调制传输系统可见,
7、2ASK 信号的功率谱是单极性基带信号功率谱 Ps(f)的线性搬移,其示意图如 图63所示。图63 2ASK 信号的功率谱第6章 数字调制传输系统从以上分析及图63可以看出:(1)2ASK 信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中,连续谱取决于数字基带 信号S(t)经线性调制后的双边带谱,而离散谱则由载波分量确定。(2)2ASK 信号的带宽B2ASK是数字基带信号带宽的两倍:第6章 数字调制传输系统(3)因为系统的传码率RB=1/Tb(B),故2ASK 系统的频带利用率为这意味着用2ASK 方式传送码元速率为RB 的二进制数字信号时,要求该系统的带宽 至少是码元速率的2倍。第6章 数字调制
8、传输系统3.2ASK 的解调原理的解调原理 2ASK 信号解调的常用方法主要有两种:包络检波法和相干检测法。包络检波法的原理框图如图64所示。带通滤波器(BPF)恰好使2ASK 信号完整地通 过,经包络检测后,输出其包络。低通滤波器(LPF)的作用是滤除高频杂波,使基带信号(包络)通过。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲(位同步信号)是很 窄的脉冲,通常位于每个码元的中央位置,其重复周期等于码元的宽度。不计噪声影响时,带通滤波器输出2ASK 信号,即第6章 数字调制传输系统图64 包络(非相干)检波法的原理框图第6章 数字调制传输系统相干检测法的原理框图如图65所示。相干检测就
9、是同步解调,要求接收机产生一个 与发送载波同频同相的本地载波信号,其称为同步载波或相干载波。利用此载波与接收到 的已调信号相乘,输出为第6章 数字调制传输系统图65 相干检测法的原理框图第6章 数字调制传输系统6.2.2 二进制数字频移键控二进制数字频移键控(2FSK)1.2FSK 调制原理 数字频率调制又称频移键控(FSK),数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息的,即用所传送的数字消息控制载波的频率。设符号“1”对应于频率为f1 的载波,而符号“0”对 应于频率为f2 的载波,则2FSK 的波形如图66所示。第6章 数字调制传输系统图66 2FSK 的波形示意第6章 数字调制传输系统图中
10、,S(t)为代表信息的二进制矩形脉冲序列,S2FSK(t)即2FSK 信号。观察可见,2FSK 在形式上如同两个不同频率的2ASK 信号相叠加。其时域表达式为第6章 数字调制传输系统其中,S(t)为单极性不归零矩形脉冲序列:其中,g(t)是持续时间为Tb、高度为1的门函数;为对S(t)逐码元取反而形成的脉冲 序列,即第6章 数字调制传输系统第6章 数字调制传输系统第6章 数字调制传输系统从原理上讲,数字调频可用模拟调频法来实现,也可用键控法来实现。模拟调频法是 利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频,是频移键控通信方式早期采用的实现方法,其产生原理框图如图67(a)所示。2FSK 键控法如图6
11、7(b)所示,是利用受矩形脉冲序 列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通,其特点是转换速度快、波形好、稳 定度高且易于实现,故应用广泛。第6章 数字调制传输系统图67 2FSK 信号产生原理框图和2FSK 键控法第6章 数字调制传输系统2.2FSK 信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽 由式(67)可知,一个2FSK 信号可视为两个2ASK 信号的合成,因此,2FSK 信号的 功率谱亦为两个2ASK 功率谱之和,即其功率谱曲线如图68所示。第6章 数字调制传输系统图68 2FSK 信号的功率谱曲线第6章 数字调制传输系统从以上分析可见:(1)2FSK 信号的功率谱与2ASK 信号的功率
12、谱相似,同样由离散谱和连续谱两部分 组成。其中,连续谱由两个双边谱叠加而成,而离散谱出现在两个载频位置上,这表明 2FSK 信号中含有载波f1、f2 的分量。(2)连续谱的形状随着|f2-f1|的大小而异。|f2-f1|fb,出现双峰;|f2-f1|2,则0Ts 和DTs 是 的整 数倍。这时,2FSK 信号中两个载波是正交的,则将式(6165)和式(6167)代入式(6159)得第6章 数字调制传输系统3.2PSK 系统最佳接收的噪声性能系统最佳接收的噪声性能 在2PSK 系统中,代表不同消息的前、后两个码元的载波相位通常相差,所以2PSK 信号可表示为假设消息信号是等概率出现的双极性二进制
13、随机序列,则P(1)=P(0)=1/2,E1=E2=E,=-1,代入式(6159)得第6章 数字调制传输系统4.信噪比信噪比r,Eb/n0和带宽和带宽B 的关系的关系 第6章 数字调制传输系统6.4 多进制数字调制多进制数字调制所谓多进制数字调制,就是利用多进制数字基带信号去调制高频载波的某个参量,如 幅度、频率或相位的过程。根据被调参量的不同,多进制数字调制可分为多进制幅度键控(MASK)、多进制频移键控(MFSK)以及多进制相移键控(MPSK 或 MDPSK)。也可以把 载波的两个 参 量 组 合 起 来 进 行 调 制,如 把 幅 度 和 相 位 组 合 起 来 得 到 多 进 制 幅
14、相 键 控(MAPK)或它的特殊形式多进制正交幅度调制(MQAM)等。第6章 数字调制传输系统由于多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个取值,因此,与二进制 数字调制相比,多进制数字调制有以下特点:(1)在码元速率相同条件下,可以提高信息速率,使系统频带利用率增大。码元速率相 同时,M 进制数据传输系统的信息速率是二进制的lbM 倍。在实际应用中,通常取 M=2k,k 为大于1的正整数。第6章 数字调制传输系统(2)在信息速率相同条件下,可以降低码元速率,以提高传输的可靠性。信息速率相同 时,M 进制的码元宽度是二进制的lbM 倍,这样可以增加每个码元的能量,并能减小码间 串扰影响
15、等。正是基于这些特点,多进制数字调制方式得到了广泛的使用。不过,获得以上特点所 付出的代价是信号功率需求增加和实现复杂度加大。第6章 数字调制传输系统6.4.1 多进制数字幅移键控多进制数字幅移键控(MASK)1.MASK 信号的波形及表示式信号的波形及表示式 多进制数字幅移键控(MASK)又称为多进制数字幅度调制又称为多电平调制,它是二 进制数字幅度调制方式的推广。M 进制幅度调制信号的载波振幅有M 种取值,在一个码元 期间Tb 内,发送其中的一种幅度的载波信号。MASK 已调信号的表示式为第6章 数字调制传输系统这里,S(t)为 M 进制数字基带信号:式中,g(t)是高度为1、宽度为Tb
16、的门函数;an 有M 种取值:第6章 数字调制传输系统图640(a)、(b)分别为四进制数字基带信号S(t)和已调信号SMASK(t)的波形图。可以看出,图640(b)的波形可以等效为图641诸波形的叠加。第6章 数字调制传输系统图640 四进制数字幅度调制波形第6章 数字调制传输系统图6 41 四进制数字幅度调制波形的分解第6章 数字调制传输系统图641中的各个波形可表示为第6章 数字调制传输系统式中第6章 数字调制传输系统e0(t),eM-1(t)均为2ASK 信号,但它们幅度互不相等,时间上互不重叠。e0(t)=0 可以不考虑。因此,SMAKS(t)可以看做由时间上互不重叠的 M-1个不
17、同幅度的2ASK 信 号叠加而成。即第6章 数字调制传输系统2.MASK 信号的频谱、带宽及频带利用率信号的频谱、带宽及频带利用率第6章 数字调制传输系统通常是以信息速率来考虑频带利用率的,按定义有它是2ASK 系统的k 倍。这说明如果以信息速率来考虑频带利用率,MASK 系统的频 带利用率高于2ASK 系统的频带利用率。第6章 数字调制传输系统3.MASK 信号的调制解调方法信号的调制解调方法 M 进制幅度调制系统原理框图如图642所示,它与2ASK 系统非常相似。图642 M 进制幅度调制系统原理框图第6章 数字调制传输系统6.4.2 多进制数字频移键控多进制数字频移键控(MFSK)1.M
18、FSK 调制解调原理调制解调原理 多进制数字频移键控(MFSK)又称为多进制数字频率调制,简称多频制,是2FSK 方 式的推广。它是用 M 个不同的载波频率代表M 种数字信息。MFSK 系统的组成方框图如图643所示。发送端采用键控选频的方式,接收端采用 非相干解调方式。第6章 数字调制传输系统图643 MFSK 系统的组成方框图第6章 数字调制传输系统2.MFSK 信号的频谱、带宽及频带利用率 键控法产生的 MFSK 信号,可以看做由 M 个幅度相同、载频不同、时间上互不重叠的 2ASK 信号叠加的结果。设 MFSK 信号码元的宽度为 Tb,即传输速率fb=1/Tb(B),则 M 频制信号的
19、带宽为式中,fM 为最高选用载频,f1 为最低选用载频。MFSK 信号的功率谱P(f)如图644所示。第6章 数字调制传输系统图644 MFSK 信号的功率谱第6章 数字调制传输系统若相邻载频之差等于2fb,即相邻频率的功率谱主瓣刚好互不重叠,这时的 MFSK 信 号的带宽及频带利用率分别为式中,M=2k,k=2、3、。第6章 数字调制传输系统可见,MFSK 信号的带宽随频率数 M 的增大而线性增宽,频带利用率明显下降。与 MASK 的频带利用率比较,其关系为这说明,MFSK 的频带利用率总是低于 MASK 的频带利用率。第6章 数字调制传输系统6.4.3 多进制数字相移键控多进制数字相移键控
20、(MPSK)1.多相制信号表达式及相位配置多相制信号表达式及相位配置 多进制数字相移键控(MPSK)又称为多进制数字相位调制,简称多相制,是二相制的推 广。它是利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息的调制方式。与二进制数字相位调制 相同,多进制数字相位调制也有绝对相位调制(MPSK)和相对相位调制(MDPSK)两种。第6章 数字调制传输系统设载波为cosct,则 M 进制数字相位调制信号可表示为式中,g(t)是高度为1、宽度为Tb 的门函数;Tb 为 M 进制码元的持续时间,亦即k(k=lbM)比特二进制码元的持续时间;n 为第n 个码元对应的相位,共有 M 种不同取值:第6章 数字调制传输
21、系统第6章 数字调制传输系统M 进制数字相位调制信号还可以用矢量图来描述,图6 45画出了 M=2、4、8三种 情况下的矢量图。具体的相位配置的两种形式,根据ITUT 的建议,图645(a)所示的 移相方式,称为 A 方式;图645(b)所示的移相方式,称为 B方式。图中注明了各相位状 态及其所代表的k 比特码元。以 A 方式4PSK 为例,载波相位有0、/2、和3/2四种,分别对应信息码元00、10、11和01。虚线为参考相位,对 MPSK 而言,参考相位为载波的 初相,通常以0载波相位作为参考适量;对 MDPSK 而言,这个基准相位也就是前一个调 制码元的相位。各相位值都是对参考相位而言的
22、,正为超前,负为滞后。第6章 数字调制传输系统图645 MPSK 相位配置矢量图第6章 数字调制传输系统在 M 进制数字相位调制中,四进制绝对移相键控(4PSK,又称 QPSK)和四进制差分 相位键控(4DPSK,又称 QDPSK)用的最为广泛。下面着重介绍多进制数字相位调制的这 两种形式。四相制用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于四种不同相位可代表四种不同的 数字信息,因此,输入的二进制数字序列应该先进行分组,将每两比特编为一组,有四种组 合(00,10,01,11),然后用载波的四种相位来分别表示它们。由于每种载波相位代表两比 特信息,故每个四进制码元又称为双比特码元。表62是双比特码
23、元与载波相位的对应关 系。4PSK 的波形如图646所示。第6章 数字调制传输系统第6章 数字调制传输系统图646 4PSK 的波形图第6章 数字调制传输系统四进制相对移相调制是利用前、后码元之间的相对相位变化来表示数字信息的。若以 前一码元相位作为参考,并令 作为本码元与前一码元相位的初相差,双比特码元对应 的相位差 的关系仍采用表62所列形式,它们之间的矢量关系也可用图645表示。4DPSK 的信号波形如图6 47所示。第6章 数字调制传输系统图647 4DPSK 信号波形图第6章 数字调制传输系统2.MPSK 信号的频谱、带宽及频带利用率信号的频谱、带宽及频带利用率 前已说过,MPSK
24、信号可以看成是载波互为正交的两路 MASK 信号的叠加,因此,MPSK 信号的频带宽度应与 MASK 时的相同。即其中,fb=1/Tb 是 M 进制码元速率。此时信息速率与 MASK 相同,是2ASK 及2PSK 的 lbM=k 倍。也就是说,MPSK 系统的频带利用率是2PSK 的k 倍。第6章 数字调制传输系统3.4PSK 信号的产生与解调信号的产生与解调 4PSK 利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两比特信 息,故每个四进制码元又称为双比特码元,习惯上把双比特的前一位用a 代表,后一位用b 代表。1)4PSK 信号的产生 多相制信号常用的产生方法有相位选择法及直
25、接调相法。(1)相位选择法。由式(6 192)可以看出,在一个码元持续时间 Tb 内,4PSK 信号为 载波四个相位中的某一个。因此,可以用相位选择法产生4PSK 信号,其原理方框图如图 648所示。第6章 数字调制传输系统图648 相位选择法产生4PSK 信号(B方式)的原理方框图第6章 数字调制传输系统(2)直接调相法。由式(6194)可以看出,可以采用正交调制的方式产生4PSK 信号,其原理方框图如图649(a)所示。它可以看成是由两个载波正交的2PSK 调制器构成的,分别形成图649(b)中的虚线矢量,再经加法器合成后,得图649(b)中的实线矢量。显 然,其为 B方式下4PSK 相位
26、配置情况。第6章 数字调制传输系统图649 直接调相法产生4PSK 信号的原理方框图第6章 数字调制传输系统2)4PSK 信号的解调 由于4PSK 信号可以看做是两个载波正交的2PSK 信号的合成,因此,对4PSK 信号的 解调可以采用与2PSK 信号类似的解调方法。图650是 B方式4PSK 信号的相干解调器 的组成方框图。图中两个相互正交的相干载波分别检测出两个分量a 和b,然后,经并/串 变换器还原成二进制双比特串行数字信号,从而恢复二进制信息。此法也称为极性比较法。第6章 数字调制传输系统图650 4PSK 信号的相干解调器的组成方框图第6章 数字调制传输系统4.4DPSK 信号的产生
27、与解调信号的产生与解调 1)4DPSK 信号的产生 与2DPSK 信号的产生相类似,在直接调相的基础上加码变换器,就可形成4DPSK 信 号。图651所示为产生4DPSK 信号(A 方式)的原理方框图。第6章 数字调制传输系统图651 码变换 直接调相法产生4DPSK 信号的原理方框图第6章 数字调制传输系统2)4DPSK 信号的解调 4DPSK 信号的解调可以采用相干解调 码反变换器方式(极性比较法),也可采用差分 相干解调(相位比较法)。4DPSK 信号(B方式)相干解调 码反变换器方式原理图如图652所示。与4PSK 信号 相干解调不同之处在于,并/串变换之前需要加入码反变换器。第6章
28、数字调制传输系统图6 52 4DPSK 信号的相干解调 码反变换器解调第6章 数字调制传输系统4DPSK 信号的差分相干解调方式原理图如图653所示。它也是仿照2DPSK 差分检 测法,用两个正交的相干载波,分别检测出两个分量a 和b,然后还原成二进制双比特串行 数字信号。此法又称为相位比较法。这种解调方法与极性比较法相比,主要区别在于:它利用延迟电路将前一码元信号延 迟一码元时间后,分别作为上、下支路的相干载波。另外,它不需要采用码变换器,这是因 为4DPSK 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。第6章 数字调制传输系统图653 4DPS
29、K 信号的差分相干解调方式原理图第6章 数字调制传输系统6.4.4 多进制数字调制系统的误码率多进制数字调制系统的误码率1.MASK 系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 若 M 个双极性幅值的出现概率相等,并采用相干解调法和最佳判决门限电平,可以证 明总的误码率为若 M 为单极性幅值,则误码率为第6章 数字调制传输系统2.MFSK 系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 可以证明,MFSK 信号采用非相干解调时系统的误码率为采用相干解调时系统的误码率为第6章 数字调制传输系统3.MPSK 系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 MPSK 信号采用相干解调时系统的误码率为对于4PSK 信号,有第6章 数字调制
30、传输系统4.MDPSK 系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 MDPSK 信号采用相干解调时,系统的误码率为对于4DPSK 信号,有第6章 数字调制传输系统6.5 本章本章 MATLAB仿真实例仿真实例例例61 2ASK 信号调制与解调的 MATLAB仿真。以下程序实现了对2ASK 信号调制与相干解调,并绘制了调制后的波形。仿真结果如 图654所示。程序中需要用到脚本文件 T2F.m 和lpf.m。2ASK 信号调制与解调的 MATLAB仿真 果如图654所示。第6章 数字调制传输系统图654 2ASK 信号仿真结果第6章 数字调制传输系统例例62 2FSK 信号调制与解调的 MATLAB仿真。以
31、下程序实现了2FSK 信号调制与相干解调,并绘制调制后的波形。仿真结果如图 655所示。第6章 数字调制传输系统图655 2FSK 信号仿真结果第6章 数字调制传输系统例例63 2PSK 信号调制和解调的 MATLAB仿真。以下程序实现了对2PSK 信号调制和相干解调,并绘制了各阶段的波形,仿真结果如 图656所示。第6章 数字调制传输系统图656 2PSK 信号仿真结果第6章 数字调制传输系统本章小结本章小结数字调制传输系统也称为数字频带传输系统,其核心是数字信号的调制与解调过程,这里的调制是指利用数字基带信号对载波波形的某些参量进行控制,使载波的这些参量随 数字基带信号的变化而变化,而载波
32、通常是正弦波,其参数为幅度、频率和相位。第6章 数字调制传输系统数字幅度调制又称幅度键控(ASK),二进制幅度键控记作2ASK。2ASK 是利用代表 数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波,使载波时断时续地输出。有载 波输出时表示发送“1”,无载波输出时表示发送“0”。2ASK 信号的产生方法(调制方法)有 两种:一种是模拟幅度调制方法;另一种是键控方法。2ASK 信号解调的常用方法主要有两 种:包络检波法和相干检测法。2ASK 信号的功率谱是单极性基带信号功率谱 Ps(f)的线 性搬移,所以2ASK 信号的带宽是数字基带信号带宽的两倍:B2ASK=2fb,2ASK 系统的频
33、 带利用率为=1/2(B/Hz)第6章 数字调制传输系统所传送的数字消息控制载波的频率。设符号“1”对应于频率为f1 的载波,而符号“0”对 应于频率为f2 的载波,2FSK 在形式上如同两个不同频率的2ASK 信号相叠加。从原理上 讲,数字调频可用模拟调频法来实现,也可用键控法来实现。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现,故应用广泛。数字调频信号的解调方法很多,如鉴频法、相 干检测法、包络检波法、过零检测法等。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B2FSK=|f2-f1|+2fb,频带利用率较低。第6章 数字调制传输系统二进制相移键控(2
34、PSK),是利用载波相位的变化来传送数字信息。根据载波相位表示 数字信息的方式不同,数字调相分为绝对相移(PSK)和相对(差分)相移(DPSK)两种。绝对相移是利用载波的相位(指初相)直接表示数字信号的相移方式。二进制相移键控 中,通常用相位0和来分别表示“1”和“0”。2PSK 信号的调制方式包括模拟调制法、键控 法。2PSK 信号类似于模拟调制中的 DSB信号,它的解调不能再采用包络检测的方法,只 能进行相干解调,2PSK 信号的带宽、频带利用率也与2ASK 信号的相同,B2PSK=2fb,=1/2(B/Hz)。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊,造成反向工作。为了解决“0”“1”倒置问
35、题,可以采用差分相移键控调制(DPSK)方式。第6章 数字调制传输系统二进制差分相移键控常简称为二相相对调相,记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝 对数值传送数字信息,而是用前、后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波 相位,是指本码元初相与前一码元初相之差。首先对数字信号进行差分编码,即由绝对码 表示变为相对码(差分码)表示,然后再进行2PSK 调制(绝对调相)。2DPSK 信号的解调有 两种解调方式:一种是相干解调 码变换法,又称为极性比较 码变换法。另一种是差分相 干解调,又称为相位比较法。2DPSK 与2PSK 信号有相同的功率谱,所以2DPSK 与2PSK 信号带宽相同,频
36、带利用率也相同,为B2DPSK=2fb,=1/2(B/Hz)。第6章 数字调制传输系统法,相干检测的抗噪声性能优于非相干检测。但是,随着信噪比r 的增大,相干与非相干 误码性能的相对差别越不明显。另外,相干检测系统的设备比非相干的要复杂。相干检测 时,在相同误码率条件下,对信噪比r 要求是:2PSK 比2FSK 小3dB,2FSK 比2ASK 小3dB;非相干检测时,在相同误码率条件下,对信噪比r 要求是:2DPSK 比2FSK 小3dB,2FSK 比2ASK 小3dB。反过来,若信噪比r 一定,2PSK 系统的误码率低于2FSK 系统,2FSK 系统的误码率低于2ASK 系统。因此,从抗加性
37、白噪声上讲,相干2PSK 性能最好,2FSK 次之,2ASK 最差。第6章 数字调制传输系统当线性滤波器的传输函数为输入信号频谱的共轭复数时,可输出最大信噪比,这种滤 波器就是最大信噪比准则下的最佳线性滤波器,也称为匹配滤波器。所谓“匹配”,是指滤 波器的传输函数与信号频谱之间的匹配,匹配的结果使输出信噪比最大。在最小均方误差准则下的最佳线性滤波器,也称为维纳滤波器。根据此准则建立的最 佳接收机提供了最大的互相关函数。由于互相关函数越大,误码的概率越小,因此这种接 收机称为相关接收机。第6章 数字调制传输系统所谓多进制数字调制,就是利用多进制数字基带信号去调制高频载波的某个参量,如 幅度、频率
38、或相位的过程。根据被调参量的不同,多进制数字调制可分为多进制幅度键控(MASK)、多进制频移键控(MFSK)以及多进制相移键控(MPSK 或 MDPSK)。多进制数字幅度调制(MASK)又称为多电平调制,它是二进制数字幅度调制方式的推 广。M 进制幅度调制信号的载波振幅有M 种取值,在一个码元期间Tb 内,发送其中的一 种幅度的载波信号。多进制数字幅度调制信号的解调可以采用相干解调方式,也可以采用 包络检波方式。MASK 信号的带宽与其分解的任一个2ASK 信号的带宽是相同的,可表示 为BMASK=2fb。第6章 数字调制传输系统多进制数字相位调制又称多相制,是二相制的推广。它是利用载波的多种
39、不同相位状 态来表征数字信息的调制方式。与二进制数字相位调制相同,多进制数字相位调制也有绝 对相位调制(MPSK)和相对相位调制(MDPSK)两种。四相制是用载波的四种不同相位来表征数字信息的。由于四种不同相位可代表四种不 同的数字信息,因此,输入的二进制数字序列应该先进行分组,将两比特编为一组,可以有 四种组合(00,10,01,11),然后用载波的四种相位来分别表示它们。由于每一种载波相位 代表两比特信息,故每个四进制码元又称为双比特码元。四相相对相移调制是利用前、后 码元之间的相对相位变化来表示数字信息的。第6章 数字调制传输系统4PSK 信号产生的常用方法有直接调相法及相位选择法,4D
40、PSK 信号的产生与2DPSK 信号的产生相类似,在直接调相的基础上加码变换器,就可形成4DPSK 信号。我们可采用 相位选择法产生4DPSK 信号,但同样应在逻辑选相电路之前加入码变换器。4PSK 信号的解调采用相干解调,4DPSK 信号的解调可以采用相干解调 码反变换器方式(极性比较法),也可采用差分相干解调(相位比较法)。最后用 MATLAB对2ASK、2FSK 和2PSK 进行了仿真,使学生对数字调制具有更深 和更直观的理解。第6章 数字调制传输系统习题习题61 设数字信息码流为1011011,画出以下情况的2ASK 和2PSK 的波形。(1)码元宽度与载波周期相同。(2)码元宽度是载
41、波周期的两倍。第6章 数字调制传输系统62 已知数字信号an=1011010,分别以下列两种情况画出2PSK、2DPSK 及相对 码bn 的波形(假定起始参考码元为1)。(1)码元速率为1200B,载波频率为1200Hz。(2)码元速率为1200B,载波频率为2400Hz。6 3 已知某2ASK 系统的码元传输速率为100B,所用的载波信号为Acos(4103t)。(1)设所传送的数字信息为 011001,试画出相应的 2ASK 信号的波形;(2)求 2ASK 信号的带宽。第6章 数字调制传输系统64 一个相位不连续的2FSK 信号,发送“1”码时的波形为Acos(2000t+1),发送“0”
42、码时的波形为Acos(8000t+0),码元速率为600B,求系统的频带宽度最小为多少?65 一个2FSK 系统以1000B的速率传输二进制数据。载波频率分别为3kHz(对应“1”码)和1kHz(对应“0”码)。(1)设发送的信息序列为1010,试画出相应的2FSK 信号波形;(2)若采用包络检波方式进行解调,试画出其原理方框图和各点的时间波形;(3)2FSK 信号的第一零点带宽为多少?第6章 数字调制传输系统66 设某2DPSK 系统的传输速率为1200B,载波频率为2400Hz。已知发送的绝对 码序列为0110110。(1)画出一种2DPSK 调制原理方框图;(2)画出相干解调 码反变换解
43、调原理方框图及其各点波形;(3)画出差分相干解调原理方框图及其各点波形。67 设计一2DPSK 系统传送1011001,画出设计框图,并用各点波形证明所设计的 系统能够不失真地传送信息。第6章 数字调制传输系统68 采用2FSK方式传输二进制信息。已知传输速率为1000b/s,发射信号的振幅A=10V,信道衰减系数(每公里对信号功率的衰减量)L=1dB/km,信道噪声的单边功率谱密 度n0=1.510-15W/Hz。若要求系统误码率Pe=10-4。试求:(1)相干2FSK 系统的传输距离;(2)非相干2FSK 系统的传输距离。69 在二进制数字调制系统中,已知解调器输入信噪比r=10dB。试分
44、别求出相干 解调2PSK、相干解调 码反变换2DPSK 和差分相干解调2DPSK 信号时的系统误码率。第6章 数字调制传输系统610 在二进制数字调制系统中,已知码元速率RB=2106B,信道白噪声的单边功 率谱密度n0=610-18W/Hz,接收端解调器输入信号的峰值振幅a=40V。试计算:(1)相干接收2ASK 系统的误码率。(2)非相干接收2ASK 系统的误码率。611 求传码率为200B的八进制 ASK 系统的带宽和信息速率。如果采用2ASK 系 统,其带宽和信息速率又为多少?612 设8FSK 系统的频率配置使得功率谱主瓣恰好不重叠,求传码率为200B时系 统的传输带宽及信息速率。6
45、13 已知码元传输速率为200B,求8PSK 系统的带宽及信息传输速率。第6章 数字调制传输系统614 已知双比特码元为101100100100,未调制载波周期等于码元周期,/4相移系 统的相位配置如题图(a)所示,试画出/4相移系统的4PSK 和4DPSK 的信号波形(参考码 元波形如题图(b)所示)。题图6 14第6章 数字调制传输系统615 在四进制数字相位调制系统中,已知解调器输入端信噪比r=20,试求4PSK 和4DPSK 方式系统误码率。616 若PCM 信号采用8kHz抽样,由128个量化级构成,则此种脉冲序列在30/32 路时分复用传输时,占有理想基带信道带宽是多少?若改为 ASK、FSK 和 PSK 传输,带宽 又各是多少?617 在功率谱为n0/2的白噪声下,设计一个如题图所示的 X(t)匹配滤波器。(1)如何确定最大输出信噪比的时刻;(2)求匹配滤波器的冲激响应和输出波形,并绘出图形;(3)求最大输出信噪比的值。第6章 数字调制传输系统题图6 17第6章 数字调制传输系统618 若某二进制先验等概率 FSK 信号的最佳接收机,其输入信号能量与噪声功率 密度之比为14分贝,试算其误码率。619 已知二进制确知信号(先验等概率,且能量相等)输入信号能量与噪声功率密度 之比为 9dB,试计算最佳 PSK 接收机的误码率。
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