通信原理第14讲数字带通传输系统1电07

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1、2023-3-12内内 容容第一章第一章 绪论（绪论（3）第二章第二章 确知信号（确知信号（2）第三章第三章 随机过程（随机过程（5）第四章第四章 信道（信道（2）第五章第五章 模拟调制系统（模拟调制系统（8）第六章第六章 数字基带传输系统（数字基带传输系统（6）第七章第七章 数字带通传输系统（数字带通传输系统（6）第八章第八章 新型数字调制技术（新型数字调制技术（3）第九章第九章 模拟信号的数字传输（模拟信号的数字传输（8）第十章第十章 数字信号的最佳接收（数字信号的最佳接收（4）第十三章第十三章 同步原理（同步原理（4）习题（2）总结（2）2023-3-137.0 概述概述7.1 二进制数

2、字调制原理二进制数字调制原理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 多进制数字调制原理多进制数字调制原理7.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能7.6 小结小结2023-3-141.概念：概念：q 调制类型与特点；调制类型与特点；q 多进制数字调制的特点和目的；多进制数字调制的特点和目的；q 数字调制与模拟调制的异同点。数字调制与模拟调制的异同点。2023-3-152.计算：计算：q 二进制调制信号的表示式、时域波形和调制器（会画）；二进制调制信号的表示式、时域波形和

3、调制器（会画）；q 各种解调器（接收机）原理框图及各点波形（会画）；各种解调器（接收机）原理框图及各点波形（会画）；q 二进制调制信号的传输带宽和频带利用率；二进制调制信号的传输带宽和频带利用率；q 最佳判决门限和误码率；最佳判决门限和误码率；q 差分编码和差分译码；二进制数字调制系统的性能（抗噪差分编码和差分译码；二进制数字调制系统的性能（抗噪性能、带宽、频带利用率等）比较；性能、带宽、频带利用率等）比较；q 4PSK、4DPSK信号的相位关系、矢量图和时间波形；信号的相位关系、矢量图和时间波形；q 4PSK、4DPSK 信号的调制解调器。信号的调制解调器。2023-3-16q 数字调制数字

4、调制：把数字基带信号变换为数字带通信号（已调把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。信号）的过程。q 数字带通传输系统数字带通传输系统：通常包括调制和解调过程的数字传通常包括调制和解调过程的数字传输系统。输系统。q 数字调制技术有两种方法数字调制技术有两种方法：q 利用模拟调制的方法去实现数字式调制；利用模拟调制的方法去实现数字式调制；q 通过开关键控载波，通常称为键控法。通过开关键控载波，通常称为键控法。2023-3-17q基本键控方式基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控振幅键控、频移键控、相移键控q数字调制可分为二进制调制和多进制调制。数字调制可分为二进制调制和多进制调制

5、。2023-3-18一、一、二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK）二、二、二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）三、三、二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK）四、二进制差分相移键控（四、二进制差分相移键控（2DPSK）2023-3-19(1)基本原理基本原理(2)2ASK信号的一般表达式信号的一般表达式(3)2ASK信号产生方法信号产生方法(4)2ASK信号解调方法信号解调方法(5)功率谱密度功率谱密度一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2ASK）2023-3-110(1)基本原理：基本原理：q“通断键控（通断键控（OOK）”信号表达式：信号表达式：一、二进制振幅键控（一、二进

6、制振幅键控（2ASK）”时”时发送“发送“以概率以概率，”时”时发送“发送“，以概率，以概率0101cos)(cOOKPPtAte 2023-3-111(1)基本原理：基本原理：q波形：波形：一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2ASK）2023-3-112(2)2ASK信号的一般表达式信号的一般表达式一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2ASK）ttstec cos)()(2ASK nsnnTtgats)()(Ts 码元持续时间码元持续时间g(t)持续时间为持续时间为 Ts 的的基带脉冲波形，通常假基带脉冲波形，通常假设是高度为设是高度为1，宽度等，宽度等于于 Ts 的矩形脉冲；的矩

7、形脉冲；an 第第 N 个符号的电平取个符号的电平取值，若取：则相应的值，若取：则相应的 2ASK信号就是信号就是OOK信号信号 PPan1,0,1概概率率为为概概率率为为2023-3-113(3)2ASK信号产生方法信号产生方法q模拟调制法（相乘器法）模拟调制法（相乘器法）一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2ASK）2023-3-114(3)2ASK信号产生方法信号产生方法q键控法键控法一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2ASK）2023-3-115(4)2ASK信号解调方法信号解调方法 q非相干解调（包络检波法）非相干解调（包络检波法）一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2

8、ASK）2023-3-116(4)2ASK信号解调方法信号解调方法 q非相干解调过非相干解调过 程的时间波形程的时间波形一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2ASK）2023-3-117(4)2ASK信号解调方法信号解调方法 q相干解调（同步检测法）相干解调（同步检测法）一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2ASK）2023-3-118(5)功率谱密度功率谱密度q2ASK信号可以表示成：信号可以表示成：q设：设：Ps(f)s(t)的功率谱密度的功率谱密度 P2ASK(f)2ASK信号的功率谱密度信号的功率谱密度q则由上式可得：则由上式可得：一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2AS

9、K）ttstec cos)()(2ASK 二进制单极性随机二进制单极性随机矩形脉冲序列矩形脉冲序列 )()(41)(2ASKcscsffPffPfP 2023-3-119(5)功率谱密度功率谱密度q 结论：结论：q 2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱信号的功率谱是基带信号功率谱 Ps(f)的线性搬移（属线的线性搬移（属线性调制）。性调制）。q 知道了知道了 Ps(f)即可确定即可确定 P2ASK(f)。q 由由6.1.2节知，单极性的随机脉冲序列功率谱的一般表达式节知，单极性的随机脉冲序列功率谱的一般表达式为：为：一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2ASK）msssssmffmfGPf

10、fGPPffP)()()1()()1()(22 fs=1/Ts单个基带信号码元单个基带信号码元 g(t)的频谱函数的频谱函数2023-3-120(5)功率谱密度功率谱密度q对于全占空矩形脉冲序列，可得到：对于全占空矩形脉冲序列，可得到：一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2ASK）)()()0()1(41)()()1(4122222ASK2ccsccsffffGPfffGffGPPfP 2023-3-121(5)功率谱密度功率谱密度q当概率当概率P=1/2时：时：一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2ASK）)()(161)()(sin)()(sin16)(222ccscscscscs

11、ASKffffTffTffTffTffTfP 2023-3-122(5)功率谱密度功率谱密度q2ASK信号的功率信号的功率 谱密度示意图：谱密度示意图：一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2ASK）2023-3-123q 结论：结论：q 2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成；连信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成；连续谱取决于续谱取决于 g(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱由经线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量确定。载波分量确定。q 2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍，若只计谱的信号的带宽是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣（第一个谱零点位置），则有：主瓣（第一个

12、谱零点位置），则有：q 即即2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍信号的传输带宽是码元速率的两倍。一、二进制振幅键控（一、二进制振幅键控（2ASK）sASKfB22 fs=1/Ts2023-3-124(1)基本原理基本原理 q表达式表达式：在在 2FSK 中，载波的频率随二进制基带信号在中，载波的频率随二进制基带信号在 f1 和和 f2 两个频率点间变化。故其表达式为：两个频率点间变化。故其表达式为：二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）”时时，发发送送“”时时，发发送送“0)cos(A1)cos(A)(212FSKnnttte 2023-3-125(1)基本原理基本原理 q典型波

13、形：典型波形：二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）2023-3-126(1)基本原理基本原理 q2FSK信号的波形信号的波形(g)可以分解为波形可以分解为波形(e)和波形和波形(f)，即：，即：一一个个 2FSK 信号可以看成是两个不同载频的信号可以看成是两个不同载频的 2ASK 信号的信号的叠加叠加。因此，。因此，2FSK信号的时域表达式又可写成：信号的时域表达式又可写成：二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）)cos()()cos()()(212FSKnnsnnnsntnTtgatnTtgate 单个矩形脉冲单个矩形脉冲 脉冲持续时间脉冲持续时间 第第n个信号码个

14、信号码元（元（1或或0）的）的初始相位初始相位 2023-3-127(1)基本原理基本原理 q通常可令通常可令 n 和和 n 为零：为零：二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）PPan1,0,1概概率率为为概概率率为为 PPan概概率率为为概概率率为为,01,1ttsttste22112FSKcos)(cos)()(nsnnTtgats)()(1 nsnnTtgats)()(22023-3-128(2)2FSK信号的产生方法信号的产生方法q 采用模拟调频电路来实现采用模拟调频电路来实现：信号在相邻码元之间的相信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。位是连续变化的。q 采用键控法来实现

15、采用键控法来实现：相邻码元之间的相位不一定连续。相邻码元之间的相位不一定连续。二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）2023-3-129(2)2FSK信号的产生方法信号的产生方法二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）2023-3-130(3)2FSK信号的解调方法信号的解调方法q非相干解调非相干解调二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）2023-3-131(3)2FSK信号的解调方法信号的解调方法q非相干解调非相干解调二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）2023-3-132(3)2FSK信号的解调方法信号的解调方法q相干解调相干解调二、二进制频

16、移键控（二、二进制频移键控（2FSK）2023-3-133(3)2FSK信号的解调方法信号的解调方法q其他解调方法：其他解调方法：比如鉴频法、差分检测法、过零检测法比如鉴频法、差分检测法、过零检测法等。下图给出了等。下图给出了过零检测法过零检测法的原理方框图及各点时间波的原理方框图及各点时间波形。形。二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）2023-3-134(3)2FSK信号的解调方法信号的解调方法q其他解调方法：其他解调方法：二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）2023-3-135(4)功率谱密度功率谱密度q对相位不连续的对相位不连续的 2FSK 信号，可以看成由两

17、个不同载频信号，可以看成由两个不同载频的的 2ASK 信号的叠加，它可以表示为：信号的叠加，它可以表示为：二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）ttsttste2211FSK2cos)(cos)()(为两路二进为两路二进制基带信号制基带信号2023-3-136(4)功率谱密度功率谱密度q根据根据 2ASK 信号功率谱密度的表示式可写出这种信号功率谱密度的表示式可写出这种 2FSK 信号的功率谱密度的表示式：信号的功率谱密度的表示式：二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）)()(41)()(41)(2211FSK22211ffPffPffPffPfPssss 2023-3

18、-137(4)功率谱密度功率谱密度q若概率若概率P=1/2，可得：，可得：二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）)()()()(161)()(sin)()(sin16)()(sin)()(sin16)(22112222222112112FSKffffffffTffTffTffTffTTffTffTffTffTfPssssssssss 2023-3-138(4)功率谱密度功率谱密度二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）2023-3-139(4)功率谱密度功率谱密度 结论：q相位不连续相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中

19、，连续谱由两个中心位于其中，连续谱由两个中心位于 f1 和和 f2 处的双边谱叠加而处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频成，离散谱位于两个载频 f1 和和 f2 处；处；q连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化，若连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化，若|f1f2|fs，则出现，则出现双峰；双峰；二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）2023-3-140(4)功率谱密度功率谱密度 结论：q若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算2FSK信号的信号的带宽，则其带宽近似为：带宽，则其带宽近似为：其中：其中：fs=1/Ts为基带信号的带宽为基带

20、信号的带宽 f0为两个载频的中心频率。为两个载频的中心频率。二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）sfffB2122FSK 2210fff 2023-3-141(4)功率谱密度功率谱密度二、二进制频移键控（二、二进制频移键控（2FSK）sfffh12 2023-3-142(1)2PSK信号的表达式信号的表达式(2)2PSK信号的调制器原理方框图信号的调制器原理方框图(3)2PSK信号的解调器原理方框图和波形图信号的解调器原理方框图和波形图(4)二进制相移键控的相位模糊问题二进制相移键控的相位模糊问题(5)功率谱密度功率谱密度三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）2023

21、-3-143(1)2PSK信号的表达式：信号的表达式：q在在 2PSK 中，通常用初始相位中，通常用初始相位 0 和和 分别表示二进制分别表示二进制“1”和和“0”。因此，。因此，2PSK 信号的时域表达式为：信号的时域表达式为：三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）)cos(A)(2PSKnctte 第第n个符号的绝对相位个符号的绝对相位 ”时时发发送送“”时时发发送送“，1,00 n2023-3-144(1)2PSK信号的表达式：信号的表达式：q上式也可以写为：上式也可以写为：三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）PtPttecc1,cosA,cosA)(2PSK概

22、率为概率为概率为概率为 2023-3-145(1)2PSK信号的表达式：信号的表达式：q由于两种码元的波形相同，极性相反，故由于两种码元的波形相同，极性相反，故 2PSK 信号可信号可以表述为一个以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘波的相乘：三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）ttstec cos)()(2PSK nsnnTtgats)()(是脉宽为是脉宽为 Ts 的的单个矩形脉冲单个矩形脉冲 PPan1,1,1概概率率为为概概率率为为2023-3-146(1)2PSK信号的表达式：信号的表达式：q即发送二进制符号即发送二进

23、制符号“0”时（时（an取取+1），），e2PSK(t)取取0相位；相位；发送二进制符号发送二进制符号“1”时（时（an取取1），），e2PSK(t)取取 相位。相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制的调制方式，称为二进制绝对相移方式绝对相移方式。三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）tnTtgatecnsn cos)()(PSK2 s(t)2023-3-147(1)2PSK信号的表达式：信号的表达式：三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）2023-3-148(2)2PSK信号的调制器

24、原理方框图信号的调制器原理方框图q模拟调制的方法模拟调制的方法三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）2023-3-149(2)2PSK信号的调制器原理方框图信号的调制器原理方框图q键控法键控法三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）2023-3-150(3)2PSK信号的解调器原理方框图和波形图信号的解调器原理方框图和波形图三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）2023-3-151(3)2PSK信号的解调器原理方框图和波形图信号的解调器原理方框图和波形图三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）2023-3-152(3)2PSK信号的解调器原理方框图和

25、波形图信号的解调器原理方框图和波形图q 由于由于 PSK 信号的功率谱中无载波分量信号的功率谱中无载波分量，所以必须采用相干解，所以必须采用相干解调方式。调方式。q 在相干解调中，在相干解调中，如何得到同频同相的本地载波是个关键问题如何得到同频同相的本地载波是个关键问题。q 只有对只有对 PSK 信号进行非线性变换，才能产生载波分量。信号进行非线性变换，才能产生载波分量。q 两种载波恢复电路两种载波恢复电路q 平方环电路平方环电路q 科斯塔斯环电路（科斯塔斯环电路（Costas）三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）2023-3-153(3)2PSK信号的解调器原理方框图和波形图信

26、号的解调器原理方框图和波形图q 两种载波恢复电路两种载波恢复电路三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）2023-3-154(4)二进制相移键控的相位模糊问题二进制相移键控的相位模糊问题q在以上两种锁相环中，压控振荡器在以上两种锁相环中，压控振荡器 VCO 输出载波与调制载波之输出载波与调制载波之间的误差电压为：间的误差电压为：ud=Kdsin2q0、相位模糊度相位模糊度：在相位差：在相位差=n（n为任意整数）时为任意整数）时 VCO 都都处于稳定状态。处于稳定状态。VCO恢复出来的本地载波与所需的相干载波可能恢复出来的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相同相，也可能反相。这

27、种相位关系的不确定性，称为。这种相位关系的不确定性，称为0、相位相位模糊度。模糊度。q相位模糊是用锁相环从抑止载波的相位模糊是用锁相环从抑止载波的 PSK 信号中恢复载波的共同信号中恢复载波的共同问题问题。三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）2023-3-155(4)二进制相移键控的相位模糊问题二进制相移键控的相位模糊问题q这也是这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。方式在实际中很少采用的主要原因。q在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，使在接收端无法辨认信号码元的起止时续的正弦波形，使在接收端无法辨

28、认信号码元的起止时刻。刻。为了解决上述问题，可以采用为了解决上述问题，可以采用7.1.4节中将要讨论的差分节中将要讨论的差分相移键控（相移键控（DPSK）体制）体制。三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）2023-3-156(5)功率谱密度功率谱密度q比较比较2ASK信号的表达式和信号的表达式和2PSK信号的表达式：信号的表达式：q2ASK：q2PSK：q两者的表示形式完全一样，区别仅在于基带信号两者的表示形式完全一样，区别仅在于基带信号 s(t)不不同（同（an不同），不同），前者为单极性前者为单极性，后者为双极性后者为双极性。三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）t

29、tstec cos)()(2ASK PtPttecc1,cosA,cosA)(2PSK概率为概率为概率为概率为 2023-3-157(5)功率谱密度功率谱密度q可以直接引用可以直接引用2ASK信号功率谱密度的公式来表述信号功率谱密度的公式来表述2PSK信号的功率谱，即：信号的功率谱，即：三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）)()(41)(PSK2cscsffPffPfP 这里的这里的Ps(f)是双是双极性矩形脉冲序极性矩形脉冲序列的功率谱列的功率谱2023-3-158(5)功率谱密度功率谱密度q双极性的全占空矩形随机脉冲序列的功率谱密度为：双极性的全占空矩形随机脉冲序列的功率谱密

30、度为：三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）)()0()21()()1(4)(2222fGPffGPPffPsss 2023-3-159(5)功率谱密度功率谱密度q得：得：三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）)()()0()21(41)()()1(222222PSKccsccsffffGPfffGffGPPfP 2023-3-160(5)功率谱密度功率谱密度q若若P=1/2，并考虑到矩形脉冲的频谱：，并考虑到矩形脉冲的频谱：q则则2PSK信号的功率谱密度为：信号的功率谱密度为：三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）sssTGTfSaTfG )0()()(2

31、2PSK2)()(sin)()(sin4)(scscscscsTffTffTffTffTfP )()(161)()(sin)()(sin16)(222ccscscscscsASKffffTffTffTffTffTfP 2023-3-161(5)功率谱密度功率谱密度三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）2023-3-162(5)功率谱密度功率谱密度 二进制相移键控信号的频谱特性与二进制相移键控信号的频谱特性与 2ASK 的十分相似，的十分相似，带宽也是基带信号带宽的两倍。区别仅在于当带宽也是基带信号带宽的两倍。区别仅在于当 P=1/2时，其时，其谱中无离散谱（即载波分量），此时谱中无离散谱（即载波分量），此时 2PSK 信号实际上相信号实际上相当于抑制载波的双边带信号。因此，它可以看作是双极性当于抑制载波的双边带信号。因此，它可以看作是双极性基带信号作用下的调幅信号。基带信号作用下的调幅信号。三、二进制相移键控（三、二进制相移键控（2PSK）2023-3-163思考题：思考题：P.234 7-17-7习习 题：题：P.235 7-1,7-2 7-3,7-5