数字带通传输系统

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1、第七章 数字调制系统 本章主要内容本章主要内容 二进制数字调制原理及抗噪声性能二进制数字调制原理及抗噪声性能 多进制数字调制系统多进制数字调制系统 改进的数字调制方式改进的数字调制方式7.1 引引 言言用数字基带信号调制正弦载波的某些参量。用数字基带信号调制正弦载波的某些参量。调制器调制器信道信道解调器解调器噪声源噪声源基带信号输入基带信号输入基带信号输出基带信号输出振幅键控振幅键控相移键控相移键控频移键控频移键控7.2 二进制数字调制原理二进制数字调制原理7.2.1 二进制振幅键控二进制振幅键控2ASK1. 时域波形时域波形tcos )nTt (ga) t (ecnsno g(t)为持续时间

2、为持续时间Ts的矩形脉冲的矩形脉冲 ，1,0an概率为概率为P概率为（概率为（1-P） nsn)nTt (ga) t ( stcos) t ( s) t (eco 111100) t ( stcosc ASK22. 频谱频谱ttsteco cos)()( s(t)为随机单极性不归零矩形脉冲序列为随机单极性不归零矩形脉冲序列mssssssmffmfGPmfPGffGfGPPffP)()()1 ()()()()1 ()(221221 )21()(41)(4)()0()1()()1()(22222 PffTSaTfGPffGPPffPsssss 单极性不归零矩形脉冲序列功率谱单极性不归零矩形脉冲序列

3、功率谱012)(SPf/fs单极性不归零)()(41)(cscsEffPffPfP )()(161 )()(16)(22ccscascasEffffTffSTffSTfP )(41cos)(21)(coscos)()()(cos)()(cos)()()()( ccjjscsccccooeoeeRRtttststtsttsteteR（1）2ASK信号功率谱包括连续谱和离散谱两部分。信号功率谱包括连续谱和离散谱两部分。（2）2ASK信号带宽是矩形基带随机脉冲序列带宽的信号带宽是矩形基带随机脉冲序列带宽的2倍，既倍，既2fs。离散谱离散谱连续谱连续谱B2ASK3. 调制与解调方式调制与解调方式tco

4、s) t ( s) t (eco （1）调制方式）调制方式（2）解调方式）解调方式a. 相干解调相干解调同步解调同步解调带通带通滤波器滤波器乘法器乘法器低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器输入输入输出输出定时脉冲定时脉冲Cos wctb. 非相干解调非相干解调包络检波包络检波带通带通滤波器滤波器半波或全半波或全波整流器波整流器低通低通滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器输入输入输出输出定时脉冲定时脉冲abcde111100abcde2ASK相干与非相干解调相干与非相干解调7.2.2 二进制频移键控二进制频移键控2FSK1. 时域波形时域波形 用两个不同的载频表示用两个不同的载频表示1和和0，可

5、以看成是两个不同载频的振幅键，可以看成是两个不同载频的振幅键控信号之和。控信号之和。 nn2snnn1sno)tcos()nTt (ga)tcos()nTt (ga) t (e)tcos() t (s)tcos() t (sn22n11 ，1, 0an概率为概率为P概率为（概率为（1-P） ，1, 0an概率为（概率为（1-P）概率为概率为P2. 频谱频谱) tcos() t (s) tcos() t (s) t (e2211o )ff (P)ff (P41)ff (P)ff (P41)f (P22s22s11s11sE 21P sssfTfTsinT)f (G 当当 时时T)ff (ST)f

6、f (ST)ff (ST)ff (S161) f (Ps2a2s2a2s1a2s1a2E )ff ()ff ()ff ()ff (1612211 a.当当|f2-f1|较小（较小（fs）时，）时，PE(f)的连续谱出现单峰。的连续谱出现单峰。b.当当|f2-f1|较大时，较大时，PE(f)的连续谱出现双峰。的连续谱出现双峰。c. 2FSK信号带宽信号带宽B=|f2-f1|+2fs，sf基带信号带宽基带信号带宽 f1=f0+fsf2=f0-fs f1=f0+0.4fsf2=f0-0.4fs离散谱离散谱1f2fB3. 调制与解调方式调制与解调方式（1） 调制方式调制方式（2） 解调方式解调方式a.

7、 相干方式相干方式带通带通滤波器滤波器带通带通滤波器滤波器乘法器乘法器乘法器乘法器抽样抽样判决器判决器输入输入输出输出低通低通滤波器滤波器低通低通滤波器滤波器cos w2tcos w1tb. 非相干方式非相干方式带通带通滤波器滤波器带通带通滤波器滤波器包络包络检波器检波器包络包络检波器检波器抽样抽样判决器判决器输入输入输出输出输样脉冲输样脉冲)(tyi)(1ty)(2ty)(1tV)(2tVc. 过零检测方式过零检测方式限幅限幅微分微分整流整流宽脉冲宽脉冲发生发生低通低通abcdef2FSK2FSK调制一般用于调制一般用于1200bit/s1200bit/s以下的数据传输以下的数据传输. .C

8、CITT CCITT 推荐标准，推荐标准， “ “1” “0”1” “0” 300 bit/s 980Hz 1180 Hz 300 bit/s 980Hz 1180 Hz 600 bit/s 1300Hz 1700Hz 600 bit/s 1300Hz 1700Hz 1200 bit/s 1300Hz 2100Hz 1200 bit/s 1300Hz 2100Hz模拟调频模拟调频键控方式键控方式模拟调频模拟调频键控方式键控方式相位连续相位连续相位不连续相位不连续FSK的功率谱的功率谱f1f27.2.3 二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK）和二进制差分相移键控（）和二进制差分相移键控（2D

9、PSK）1. 时域波形时域波形tcos) t ( stcos)nTt (ga) t (ecncsno ，1, 1an概率为概率为P概率为（概率为（1-P） g(t)为脉宽为脉宽Ts的单个矩形脉冲的单个矩形脉冲)(tcos) t (eco一个码元内）一个码元内） kckckco, tcos0, tcos)tcos() t (e相移键控（相移键控（2PSK）: 用码元周期内的载波相位表示二进制符号用码元周期内的载波相位表示二进制符号0、1。2PSK 0 0 1 1 1 0 0 1)t (s乘法器乘法器本地载波本地载波恢复恢复带通带通2PSK低通低通抽样抽样判决判决平方环、平方环、COSTAS环环a

10、bcde 1 1 0 0 1 0 1abcde 1 1 0 0 1 0 1abcde问题：绝对调相解调时会带来问题：绝对调相解调时会带来“倒倒或相位模糊或相位模糊”现象，从而造成接收端现象，从而造成接收端0、1恢复完全出错。恢复完全出错。 差分相移键控（差分相移键控（2DPSK）：）：用前后相邻码元的载波相位变化（差）表示用前后相邻码元的载波相位变化（差）表示 二进制符号二进制符号0、1。”数字信息“数字信息“”数字信息“数字信息“001 ”数字信息“数字信息“”数字信息“数字信息“02/12/ 01参考相位参考相位A方式方式0参考相位参考相位B方式方式2 2 00111001A方式方式B方式

11、方式1000112. 频谱频谱)ff (P)ff (P41)f (PcscsE 当当21P T)ff (ST)ff (S4T)f (Psca2sca2sE S(t)双极性不归零码双极性不归零码tcos) t ( s) t (eo a.2PSK信号的功率谱的连续谱与信号的功率谱的连续谱与2ASK信号基本相同，但当信号基本相同，但当P=1/2时，时，2PSK无离散谱。无离散谱。b. 2PSK信号带宽与信号带宽与2ASK信号带宽相同，既信号带宽相同，既2fs。3. 调制与解调方式调制与解调方式（1）调制方式）调制方式载波载波移相移相开关开关0 eo(t) s(t)2PSK 调制调制载波载波移相移相开

12、关开关0 eo(t) s(t)码变换码变换相对码相对码码变换码变换乘法器乘法器绝对码绝对码 eo(t)载波载波相对码相对码2DPSK 调制调制（2）解调方式）解调方式带通带通抽样抽样判决器判决器相乘相乘低通低通已调信号已调信号 输入输入数据数据 输出输出载波载波2PSK相干解调相干解调带通带通抽样抽样判决器判决器鉴相器鉴相器已调信号已调信号 输入输入数据数据 输出输出载波载波2PSK极性比较法解调极性比较法解调2DPSK相干解调相干解调带通带通抽样抽样判决器判决器相乘相乘低通低通DPSK信号信号 输入输入数据数据 输出输出载波载波码（反）码（反）变换器变换器2DPSK差分相干解调差分相干解调带

13、通带通抽样抽样判决器判决器相乘相乘低通低通DPSK信号信号 输入输入数据数据 输出输出延迟延迟Ts7.3 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7.3.1 2ASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 ”码码，发发送送“”码码发发送送“001),t (u) t (STT发送端发送端 , 0, tcosA) t (ucT0tTs其他其他 ”码码，发发送送“”码码发发送送“0) t (n1),t (n) t (u) t (yiiii接收端接收端 ,0, tcosa) t (uci0tb, 则判为则判为“1”码码若若V1）n2*n22ab2a 2,2*rbabo(2)小信噪比（小信

14、噪比（r1,4reer1P 7.3.2 2F SK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能1. 包络检波法包络检波法（非相干解调）的系统噪声性能（非相干解调）的系统噪声性能判决规则判决规则若若V1(t)V2(t), 则判为则判为“1”码码若若V1(t)V2(t) , 则判为则判为“0”码码带通带通滤波器滤波器带通带通滤波器滤波器包络包络检波器检波器包络包络检波器检波器抽样抽样判决器判决器输入输入输出输出抽样脉冲抽样脉冲12) t (y) t (V1) t (V2总的误码率总的误码率2ree21P r包络检波器输入信噪比包络检波器输入信噪比2. 相干解调相干解调的系统噪声性能的系统噪声性能总的误码率总的

15、误码率)2r(erfc21Pe 大信噪比下大信噪比下2reer21P 大信噪比下，大信噪比下，2FSK采用相干解调较包络检波的噪声性能相差不多，但采用相干解调较包络检波的噪声性能相差不多，但前者设备却要复杂得多前者设备却要复杂得多 。例例7.2 用用2FSK方式，在有效带宽方式，在有效带宽2400Hz的信道上传送二进制数字信息。的信道上传送二进制数字信息。 2FSK信号的两个频率为：信号的两个频率为：f1=2025Hz，f2=2225Hz，码速率，码速率RB=300波特，波特， 信道输信道输出端的信噪比为出端的信噪比为6db。试求：。试求：(1) 2FSK信号的带宽；信号的带宽；(2) 采用包

16、络检波法解调时的系统误码率；采用包络检波法解调时的系统误码率；(3) 采用同步检波法解调时的系统误码率。采用同步检波法解调时的系统误码率。 解解: 2FSK信号的带宽信号的带宽f f2-f1 +2fS= f2-f1 +2RB =800Hz2/221rePe481068. 121e又因信道有效带宽又因信道有效带宽2400Hz，为上、下支路带通滤波器带宽的，为上、下支路带通滤波器带宽的4倍，所以带倍，所以带通滤波器输出信噪比通滤波器输出信噪比r比输入信噪比提高了比输入信噪比提高了4倍。又由于输入信噪比为倍。又由于输入信噪比为6db（4倍），故滤波器输出信噪比倍），故滤波器输出信噪比r为为: r=4

17、4=16由于码速率为由于码速率为300波特波特,包络接收系统上、下支路带通滤波器包络接收系统上、下支路带通滤波器1和和2的带宽的带宽 近似为近似为:HzRTBBs60022 同步检波法解调时的系统误码率同步检波法解调时的系统误码率51017. 3)8(21)2(21erfcrerfcPe7.3.3 2PSK、2DPSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能1. 2PSK采用相干解调（极性比较法）采用相干解调（极性比较法）总的误码率总的误码率)r(erfc21Pe 大信噪比下大信噪比下reer21P 2 .2DPSK采用差分相干解调采用差分相干解调总的误码率总的误码率ree21P 7.4 二进制数字调

18、制系统的性能比较二进制数字调制系统的性能比较差分相干差分相干2DPSK非相干解调非相干解调非相干解调非相干解调 0 2fs相干相干2PSK2PSK2DPSK 无无|f2-f1|+2fs相干解调相干解调2FSK a/2 2fs相干解调相干解调2ASK判决门限判决门限带宽带宽误码率误码率pe解调方式解调方式调制方式调制方式2rerfc214/re21 2rerfc212/re21 rerfc21re21 n222ar 信噪比信噪比方差方差n2 接收信号幅度接收信号幅度a码元速率码元速率sf（1）频带宽度）频带宽度2FSK系统频带利用率最低。系统频带利用率最低。（2）误码率）误码率a.对每一种调制方

19、式，相干解调略优对每一种调制方式，相干解调略优于非相干解调。于非相干解调。b. 当当r，Pe 同一极限值。同一极限值。c. 在抗加性高斯白噪声方面，相干在抗加性高斯白噪声方面，相干2PSK性能最好，性能最好，2FSK 次之，次之，2ASK最差。最差。（3）对信道特性变化的敏感性）对信道特性变化的敏感性 2ASK的接收幅度的接收幅度a易受信道特性变化易受信道特性变化影响，相应判决器的门限随之变化，因此影响，相应判决器的门限随之变化，因此2ASK的特性最差。的特性最差。（4）设备的复杂程度）设备的复杂程度相干解调方式设备一般较非相干设备复杂。相干解调方式设备一般较非相干设备复杂。FSKFSK7.5

20、 多进制数字调制系统多进制数字调制系统多进制数字调制特点：多进制数字调制特点：（1 1）在相同的码元速率下，多进制数字调制系统的信息速率高于二进在相同的码元速率下，多进制数字调制系统的信息速率高于二进 制数字制数字调制系统。调制系统。（2 2）在相同的信息速率下，多进制数字调制系统的码元速率低于二进在相同的信息速率下，多进制数字调制系统的码元速率低于二进 制数字制数字调制系统。调制系统。(3)(3) 线性调制系统线性调制系统 (MASK. MDPSK. MQAM 等等)可提高系统的频系利用率。可提高系统的频系利用率。)HZ/bps(1Mlog2（4）非线性调制系统）非线性调制系统(MFSK等等

21、)可提高抗衰落能力，其有效性低于可提高抗衰落能力，其有效性低于2FSK.7.5.1 多进制数字振幅调制及噪声性能多进制数字振幅调制及噪声性能1.多进制数字振幅调制（多电平制）原理多进制数字振幅调制（多电平制）原理 2ASK波形波形tcos )nTt (ga) t (ecnsno ，1, 0an概率为概率为P概率为（概率为（1-P） MASK波形波形tcos )nTt (ga) t (ecnsno 1M210an概率为概率为P1概率为概率为P2概率为概率为P3概率为概率为PM1PPPPM321 利用载波的多种振幅表示数字信息。利用载波的多种振幅表示数字信息。 在信息传输速率相同时，在信息传输速率

22、相同时，MASK的码速率降低为的码速率降低为2ASK信号的信号的1/log2M 倍，因此倍，因此MASK带宽是带宽是2ASK带宽的带宽的1/log2M 倍。倍。 在码速率相同时，在码速率相同时，MASK的带宽与的带宽与2ASK带宽相同。带宽相同。MASK的带宽是的带宽是M进制数字基带信号带宽的两倍；进制数字基带信号带宽的两倍；000AA2A3011011MASK的频带利用率超过的频带利用率超过1b/s Hz。2.多进制数字振幅调制抗噪声性能多进制数字振幅调制抗噪声性能dd3 d)1M( d3d)1M( d 基带信号为双极性基带信号为双极性M电平波形电平波形 ) t (u) t (u) t (u

23、) t (S2/M21T发送端波形发送端波形发送发送d电平电平发送发送3d电平电平发送发送（M-1）d电平电平0tTs 0tcosd) t (uc1其他其他t 0tcosd) t (uc1 0tcosd)1M() t (uc2/M 0tcosd3) t (uc2其他其他t0tTs其他其他t0t0时的单边功率谱对照。s2T1sT1s2T3sT2功率谱密度功率谱密度/dB 8PSK4PSK2PSKcff （4）四相相对移相键控（）四相相对移相键控（4DPSK，QDPSK）A 方式方式00101101参考相位参考相位ooook270,180,90,0: B 方式方式0110参考相位参考相位1100o

24、oook315,225,135,45: kcskkcskkkcsotsin)kTt (gbtcos)kTt (ga)tcos()kTt (g) t (e注意此时代表的是相对码信号波形注意此时代表的是相对码信号波形QDPSK信号的产生信号的产生a. 码变换加调相法码变换加调相法tcosc )4tcos(c )4tcos(c 四进制四进制差分码变换差分码变换)0( c)1(c)0(d)1(d0010110141: ) 0( c 431:)1( c 41:)0(d 431:)1(d QDPSK信号的解调信号的解调（1）极性比较法）极性比较法（2）相位比较法）相位比较法2. 多相制多相制(MPSK)的

25、抗噪声性能的抗噪声性能M=8 信号与噪声合成信号与噪声合成波形相位在此阴波形相位在此阴影部分变化时，影部分变化时，不会发生错判。不会发生错判。若各符号等概出现，且合成相位服若各符号等概出现，且合成相位服从一维概率密度从一维概率密度f(),则系统误码率则系统误码率 M/M/ed)( f1P二相制二相制)r(erfc21Pe 四相四相制制2e)2/r(erfc2111P 例：已知电话信道可用的信号传输频带为例：已知电话信道可用的信号传输频带为600-3000Hz，载频为，载频为1800Hz，说明采用，说明采用=1升余弦滚降基带信号升余弦滚降基带信号QPSKQPSK调制可以传输调制可以传输2400b/s2400b/s数据数据. .QPSK调制可以看成双边带抑制载波调幅，得频谱调制可以看成双边带抑制载波调幅，得频谱18006003000Hz串并转换后的二进制序列码速率为串并转换后的二进制序列码速率为1200Baud，经过，经过=1升余弦滚降滤波器基带信升余弦滚降滤波器基带信号的带宽为号的带宽为1200Hzf21s B(Baud)1200MlogRR2bBQPSK码速率码速率解：解：升余弦升余弦滤波器滤波器二进制序列二进制序列串并串并sb /2400QPSK载波载波90o升余弦升余弦滤波器滤波器作业：作业：7-1，7-5，7-20