《现代通信原理与技术》课件第7章.pptx
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1、第 7-章 数字频带传输系统第 7-章 数字频带传输系统7.1 二进制数字调制与解调原理二进制数字调制与解调原理7.2 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7.3 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7.4 多进制数字调制系统思考题多进制数字调制系统思考题思考题思考题 第 7-章 数字频带传输系统与模拟调制相同,可以用数字基带信号改变正弦型载波的幅度、频率或相位中的某个参数,产 生相应的数字振幅调制、数字频率调制和 数字相位调制,也可以用数字基带信号同 时改变正弦型载波幅度、频率或相位中的 某几个参数,产生新型的数字调制。数字调 制系统的基本结构如图
2、 7-1 所示。第 7-章 数字频带传输系统图 7-1 数字调制系统的基本结构第 7-章 数字频带传输系统数字调制与模拟调制原理是相同的,一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制,但 是,数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点,其取值是有限的离散状态。这样,可 以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。采用数字键控的方法来实现数 字调制信号称为键控法。基本的三种数字调制方式是:振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK 或 DPSK)。第 7-章 数字频带传输系统7.1 二进制数字调制与解调原理二进制数字调制与解调原理若调制信号是二进制数字基带信号,则这种调制称为二进制
3、数字调制。最常用的二进 制数字调制方式有二进制振幅键控、二进制移频键控和二进制移相键控第 7-章 数字频带传输系统7.1.1 二进制振幅键控二进制振幅键控(2ASK)振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号变化而变化的数字调制。当数字基带信号 为二进制时,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 7-章 数字频带传输系统其中Ts 是二进制基带信号的时间间隔;g(t)是持续时间为Ts 的矩形脉冲,第 7-章 数字频带传输系统则二进制振幅键控信号可表示为二进制振幅键控信号时间波形如图7-2所示。
4、由图7-2可以看出,2ASK 信号的时 间波形e2ASK(t)随二进制基带信号s(t)通断变化,所以又称为通断键控信号(OOK 信号)。第 7-章 数字频带传输系统图 7-2 二进制振幅键控信号时间波形第 7-章 数字频带传输系统二进制振幅键控信号的产生方法如图 7-3 所示,图(a)是采用模拟相乘的方法实现 的,图(b)是采用数字键控的方法实现的。图 7-3 二进制振幅键控信号调制器原理框图第 7-章 数字频带传输系统由图7-2可以看出,2ASK 信号与模拟调制中的 AM 信号类似。所以,对2ASK 信号 也能够采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法),其相应原理方框图如图 7-
5、4 所示。2ASK 信号非相干解调过程的时间波形如图 7-5 所示。第 7-章 数字频带传输系统图 7-4 二进制振幅键控信号解调器原理框图第 7-章 数字频带传输系统图 7-5 2ASK 信号非相干解调过程的时间波形第 7-章 数字频带传输系统7.1.2 二进制移频键控二进制移频键控(2FSK)在二进制数字调制中,若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 图 7-6 二进制移频键控信号的时间波形 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的时间波形如图 7-6 所示,图中波形g 可分解为波形e和波形f,即二进制移频键控信号可以看成是两个 不同载波
6、的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 7-章 数字频带传输系统式中第 7-章 数字频带传输系统图 7-6 二进制移频键控信号的时间波形第 7-章 数字频带传输系统第 7-章 数字频带传输系统二进制移频键控信号的产生,可以采用模拟调频电路来实现,也可以采用数字键控的方 法来实现。图7-7是数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图,图中两个振荡器的输 出载波受输入的二进制基带信号控制,在一个码元Ts 期间输出f1 或f2 两个载波之一。第 7-章 数字频带传输系统图 7-7-数字键控法实现二进制移频键
7、控信号的原理图第 7-章 数字频带传输系统二进制移频键控信号的解调方法很多,有模拟鉴频法和数字检测法,有非相干解调方法和相干解调方法。采用非相干解调和相干解调两种方法的原理图如图 7-8 所示。其解 调原理是将二进制移频键控信号分解为上、下两路二进制振幅键控信号,分别进行解调,通过对上、下两路的抽样值进行比较,最终判决出输出信号。非相干解调过程的时间波形 如图 7-9 所示。过零检测法解调器的原理图和各点时间波形如图 7-10 所示。第 7-章 数字频带传输系统其基本原 理是,二进制移频键控信号的过零点数随载波频率不同而异,通过检测过零点数从而得到 频率的变化。在图 7-10 中,输入信号经过
8、限幅后产生矩形波,经微分、整流、波形整形,形成与频率变化相关的矩形脉冲波,经低通滤波器滤除高次谐波,恢复出与原数字信号对 应的基带数字信号。第 7-章 数字频带传输系统图 7-8 二进制移频键控信号解调器原理图第 7-章 数字频带传输系统图 7-9 2FSK 非相干解调过程的时间波形第 7-章 数字频带传输系统图 7-10 过零检测法原理图和各点时间波形第 7-章 数字频带传输系统7.1.3 二进制移相键控二进制移相键控(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,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
9、号的 1 和 0。二进制移相键控信号的时域表达式为第 7-章 数字频带传输系统其中,an 与2ASK 和2FSK 时的不同,此处an 应选择双极性,即若g(t)是脉宽为Ts、高度为1的矩形脉冲,则有第 7-章 数字频带传输系统由式(7.1 11)可看出,当发送二进制符号1时,已调信号e2PSK(t)取0相位,发送二进制 符号0时,e2PSK(t)取180相位。若用n 表示第n 个符号的绝对相位,则有其中第 7-章 数字频带传输系统这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式,称为二进制绝对移相方 式。二进制移相键控信号的典型时间波形如图 7-11 所示。图 7-11 二进制移相键控
10、信号的时间波形第 7-章 数字频带传输系统二进制移相键控信号的调制原理图如图 7-12 所示。其中图(a)是采用模拟调制的方 法产生2PSK 信号,图(b)是采用数字键控的方法产生2PSK 信号。图 7-12 2PSK 信号的调制原理图第 7-章 数字频带传输系统2PSK 信号的解调通常都是采用相干解调,解调器原理图如图 7-13 所示。在相干解 调过程中需要用到与接收的2PSK 信号同频同相的相干载波,有关相干载波的恢复问题将 在第 11 章同步原理中介绍。图 7-13 2PSK 信号的解调原理图第 7-章 数字频带传输系统2PSK 信号相干解调各点时间波形如图 7-14所示。当恢复的相干载
11、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。由于在2PSK 信号的载波恢复过程中存在着 180的相位模糊,因而2PSK 信号的相干解调存在随机的“倒”现象,从而使得2PSK 方式在实际中很少采用。第 7-章 数字频带传输系统图 7-14 2PSK 信号相干解调各点时间波形第 7-章 数字频带传输系统7.1.4 二进制差分相位键控二进制差分相位键控(2DPSK)在2PSK 信号中,信号相位的变化是以未调正弦载波的相位作为参考,用载波相位的 绝对数值来表示数字信息的,所以称为绝对移相。由图 7-14 所示2
12、PSK 信号的解调波形 可以看出,由于相干载波恢复中载波相位的180相位模糊,导致解调出的二进制基带信号 出现反向现象,从而难以实际应用。为了解决2PSK 信号解调过程的反向工作问题,提出 了二进制差分相位键控(2DPSK)。第 7-章 数字频带传输系统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的。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 之间的关系为第 7-章 数字频带传输系统则一组二进制数字信息与其对应的2DPSK 信号的载波相位关系如下所示:第 7-章 数字频带传输系统数字信息与 之间的关系也可以定义为第 7-章 数字频带传输系统2DPSK 信号调制过
13、程波形如图 7-15 所示。可以看出,2DPSK 信号的实现方法可以 采用如下方法:首先对二进制数字基带信号进行差分编码,将绝对码表示二进制信息变换 为用相对码表示二进制信息,然后再进行绝对调相,从而产生二进制差分相位键控信号。2DPSK 信号调制器原理图如图 7-16 所示。第 7-章 数字频带传输系统图 7-15 2DPSK 信号调制过程波形图第 7-章 数字频带传输系统图 7-16 2DPSK 信号调制器原理图第 7-章 数字频带传输系统2DPSK 信号可以采用相干解调方式(极性比较法),解调器原理图和解调过程各点时 间波形如图7-17所示。其解调原理是:对2DPSK 信号进行相干解调,
14、恢复出相对码,再 通过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,若相 干载波产生180相位模糊,解调出的相对码将产生倒置现象,但是经过码反变换器后,输 出的绝对码不会发生任何倒置现象,从而解决了载波相位模糊度的问题。第 7-章 数字频带传输系统图 7-17-2DPSK 信号相干解调器原理图和解调过程各点时间波第 7-章 数字频带传输系统2DPSK 信号也可以采用差分相干解调方式(相位比较法),解调器原理图和解调过程各点时间波形如图 7-18 所示。其解调原理是直接比较前后码元的相位差,从而恢复发送 的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用,故解调器中不需要
15、码反变换 器。由于差分相干解调方式不需要专门的相干载波,因此是一种非相干解调方法。第 7-章 数字频带传输系统图 7-18 2DPSK 信号差分相干解调器原理图和解调过程各点时间波形第 7-章 数字频带传输系统7.1.5 二进制数字调制信号的功率谱密度二进制数字调制信号的功率谱密度 1.2ASK 信号的功率谱密度信号的功率谱密度 由式(7.1 4)可知,二进制振幅键控信号表示式与双边带调幅信号时域表示式类似。若二进制基带信号s(t)的功率谱密度Ps(f)为第 7-章 数字频带传输系统则二进制振幅键控信号的功率谱密度P2ASK(f)为第 7-章 数字频带传输系统整理后可得式(7.1 15)中用到
16、P=1/2,fs=1/Ts。第 7-章 数字频带传输系统二进制振幅键控信号的功率谱密度示意图如图7-19所示,其由离散谱和连续谱两部 分组成。离散谱由载波分量确定,连续谱由基带信号波形g(t)确定,二进制振幅键控信号 的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍,即B2ASK=2B。第 7-章 数字频带传输系统图 7-19 2ASK 信号的功率谱密度示意图第 7-章 数字频带传输系统2.2FSK 信号的功率谱密度信号的功率谱密度 对相位不连续的二进制移频键控信号,可以看成由两个不同载波的二进制振幅键控信 号的叠加,其中一个频率为f1,另一个频率为f2。因此,相位不连续的二进制移频键控信 号的功率谱
17、密度可以近似表示成两个不同载波的二进制振幅键控信号功率谱密度的叠加。相位不连续的二进制移频键控信号的时域表达式为第 7-章 数字频带传输系统根据二进制振幅键控信号的功率谱密度,我们可以得到二进制移频键控信号的功率谱密度 P2FSK(f)为第 7-章 数字频带传输系统令概率P=1/2,将二进制数字基带信号的功率谱密度公式代入式(7.1 17),可得第 7-章 数字频带传输系统由式(7.1 18)可得,相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱由离散谱和连续谱 所组成,如图 7-20 所示。其中,离散谱位于两个载频f1 和f2 处;连续谱由两个中心位 于f1 和f2 处的双边谱叠加形成;若两个载波频差
18、小于fs,则连续谱在fc 处出现单峰;若载频差大于fs,则连续谱出现双峰。若以二进制移频键控信号功率谱第一个零点之间的 频率间隔计算二进制移频键控信号的带宽,则该二进制移频键控信号的带宽B2FSK为其中fs=1/Ts。第 7-章 数字频带传输系统图 7-20 相位不连续2FSK 信号的功率谱示意图第 7-章 数字频带传输系统3.2PSK 及2DPSK 信号的功率谱密度 2PSK 与2DPSK 信号有相同的功率谱。由式(7.1 9)可知,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 信号的功率谱为代入基带信号功率谱密度,可得第 7-章 数字频带传输系统若二进制基带
19、信号采用矩形脉冲,且“1”符号和“0”符号出现概率相等,即 P=1/2,则 2PSK 信号的功率谱简化为第 7-章 数字频带传输系统由式(7.1 21)和式(7.1 22)可以看出,一般情况下二进制移相键控信号的功率谱密 度由离散谱和连续谱所组成,其结构与二进制振幅键控信号的功率谱密度相类似,带宽也 是基带信号带宽的两倍。当二进制基带信号的“1”符号和“0”符号出现概率相等时,不存在 离散谱。2PSK 信号的功率谱密度如图 7-21 所示。第 7-章 数字频带传输系统图 7-21 2PSK(2DPSK)信号的功率谱密度第 7-章 数字频带传输系统7.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能二进制数字
20、调制系统的抗噪声性能 7.2.1 二进制振幅键控系统的抗噪声性能二进制振幅键控系统的抗噪声性能 由7.1节我们知道,对二进制振幅键控信号可采用包络检波法进行解调,也可以采用 同步检测法进行解调。但两种解调器结构形式不同,因此分析方法也不同。下面将分别针 对两种解调方法进行分析。第 7-章 数字频带传输系统1.同步检测法的系统性能同步检测法的系统性能 对2ASK 系统,同步检测法的系统性能分析模型如图7-22所示。在一个码元的时间 间隔Ts 内,发送端输出的信号波形sT(t)为其中第 7-章 数字频带传输系统式中,c 为载波角频率;Ts 为码元时间间隔。在(0,Ts)时间间隔,接收端带通滤波器输
21、 入合成波形yi(t)为第 7-章 数字频带传输系统式中为发送信号经信道传输后的输出。ni(t)为加性高斯白噪声,其均值为零,方差为2。第 7-章 数字频带传输系统图 7-22 2ASK 信号同步检测法的系统性能分析模型第 7-章 数字频带传输系统设接收端带通滤波器具有理想矩形传输特性,恰好使信号完整通过,则带通滤波器的输出波形y(t)为由第 2 章随机信号分析可知,n(t)为窄带高斯噪声,其均值为零,方差为n2,且可表示为第 7-章 数字频带传输系统于是输出波形y(t)可表示为与相干载波2cosct相乘后的波形z(t)为第 7-章 数字频带传输系统第 7-章 数字频带传输系统图 7-23 抽
22、样值x 的一维概率密度函数第 7-章 数字频带传输系统假设抽样判决器的判决门限为b,则抽样值xb 时判为“1”符号输出,若抽样值xb 时判为“0”符号输出。当发送的符号为“1”时,若抽样值xb 判为“0”符号输出,则发生将“1”符号判决为“0”符号的错误;当发送的符号为“0”时,若抽样值xb 判为“1”符号输出,则发生将“0”符号判决为“1”符号的错误。第 7-章 数字频带传输系统若发送的第k 个符号为“1”,则错误接收的概率P(0/1)为第 7-章 数字频带传输系统同理,当发送的第k 个符号为“0”时,错误接收的概率P(1/0)为第 7-章 数字频带传输系统系统总的误码率为将“1”符号判为“
23、0”符号的错误概率与将“0”符号判为“1”符号的错误 概率的统计平均,即第 7-章 数字频带传输系统式(7.2 15)表明,当符号的发送概率 P(1)、P(0)及概率密度函数f1(x)、f0(x)一 定时,系统总的误码率Pe 将与判决门限b 有关,其几何表示如图 7-24 所示。误码率Pe 等于图中阴影的面积。改变判决门限b,阴影的面积将随之改变,也即误码率Pe 的大小将 随判决门限b 而变化。进一步分析可得,当判决门限b 取P(1)f1(x)与P(0)f0(x)两条曲 线相交点b*时,阴影的面积最小。即判决门限取为b*时,此时系统的误码率Pe 最小。这 个门限就称为最佳判决门限。第 7-章
24、数字频带传输系统图 7-24 同步检测时误码率的几何表示第 7-章 数字频带传输系统最佳判决门限也可通过求误码率Pe 关于判决门限b 的最小值的方法得到,令第 7-章 数字频带传输系统第 7-章 数字频带传输系统2.包络检波法的系统性能包络检波法的系统性能 包络检波法解调过程不需要相干载波,比较简单。包络检波法的系统性能分析模型如 图 7-25 所示。接收端带通滤波器的输出波形与相干检测法的相同,即第 7-章 数字频带传输系统包络检波器能检测出输入波形包络的变化。包络检波器输入波形y(t)可进一步表示为第 7-章 数字频带传输系统当发送“1”符号时,包络检波器的输出波形V(t)为第 7-章 数
25、字频带传输系统图 7-25 包络检波法的系统性能分析模型第 7-章 数字频带传输系统第 7-章 数字频带传输系统第 7-章 数字频带传输系统第 7-章 数字频带传输系统第 7-章 数字频带传输系统比较式(7.2 20)、式(7.2 21)和式(7.2 40)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 7-章 数字频带传输系统第 7-章 数字频带传输系统第 7-章 数字频带传输系统7.2.2 二进制移频键控系统的抗噪声性能二进制移频键控系统的抗噪
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