第七章 正旋載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

第七章正旋載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)第1頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三6.1引言6.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理6.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能6.4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較第2頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三調(diào)制的實(shí)質(zhì)是把調(diào)制信號(hào)的頻譜搬移到所希望的頻率范圍，從而將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸或便于信道多路復(fù)用的已調(diào)信號(hào)，提高系統(tǒng)傳輸?shù)挠行院涂煽啃?。?shù)字調(diào)制方法：僅討論以正弦波為載波6.1引言QPSKPSK、DPSKMFSK、MSKFSKQAMASK改進(jìn)基本第3頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三6.2.3移相鍵控6.2.2移頻鍵控6.2.1移幅鍵控6.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理

第4頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三重要參數(shù)：信道帶寬BW2ASK=2fs重要參數(shù)：信號(hào)帶寬B2ASK=2fs6.2.1移幅鍵控（2ASK）2、頻譜結(jié)構(gòu)

3、調(diào)制方法4、解調(diào)方法:1）非相干解調(diào)2）相干解調(diào)1、信號(hào)表達(dá)式信號(hào)波形及頻譜圖

第5頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2ASK信號(hào)表達(dá)式以概率p以概率（1-p）設(shè)碼元寬度為Ts

，則基帶信號(hào)S(t)可表示成NRZ信號(hào)0以概率1-p其中：an

=1以概率p∴2ASK信號(hào)注：2ASK信號(hào)限制

S(t)只能是NRZ信號(hào)第6頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2ASK頻譜結(jié)構(gòu)設(shè)S(t)的功率譜密度為Ps(f),

e0(t)的功率譜密度為PE(f)

非嚴(yán)格推導(dǎo)：取決于NRZPs(f)關(guān)于δ(f)

第7頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三∵定義式：說明：第8頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三∵S(t)是NRZ信號(hào)∴當(dāng)p=?

時(shí),

第9頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2ASK信號(hào)波形頻譜圖1001011+EV0VS(t)載波2ASK-fcfc+fsfc-fsB2ASK=2fs第10頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2ASK調(diào)制方式模擬調(diào)制方式鍵控方式也稱OOK信號(hào)開關(guān)K的動(dòng)作由S(t)決定，乘法器S(t)e0(t)濾波器cosωct10e0(t)cosωctK當(dāng)S(t)=0K接01K接1第11頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三非相干解調(diào)2ASK解調(diào)方式帶通整流低通抽樣判決e0(t)包絡(luò)檢波定時(shí)脈沖S(t)相干解調(diào)帶通相乘低通抽樣判決e0(t)S(t)定時(shí)脈沖cosωct第12頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三6.2.2移頻鍵控信號(hào)（

2FSK）重要參數(shù)：信號(hào)帶寬B2FSK=2fs+|f1-f2|2、頻譜結(jié)構(gòu)

3、調(diào)制方法1、信號(hào)表達(dá)式信號(hào)波形及頻譜圖

包絡(luò)檢波法、過零檢測(cè)法、差分檢波法4、解調(diào)方法:相干解調(diào)非相干解調(diào)：第13頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2FSK信號(hào)表達(dá)式其中:是

an的反碼1以p為概率出現(xiàn)0以（1－p）為概率出現(xiàn)an=012

定義式：2e0(t)=Acos(ωt)ω=ωc+Δω=ωc+kS(t)S(t)為雙極性信號(hào)將一路2FSK信號(hào)看成兩路2ASK信號(hào)的合成S1(t)為單極性信號(hào)第14頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三近似分析法：2路2ASK信號(hào)的疊加2FSK頻譜結(jié)構(gòu)

∵且S1(t)、均為NRZ信號(hào)，脈寬為Ts

∴當(dāng)p=?

時(shí),

第15頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2FSK信號(hào)波形頻譜圖1001011+EVS(t)載波2FSK-

EVS1(t)——S1(t)+EV0V+EV0V載波B2FSK=2fs+|f1-f2|f1f2f1第16頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2FSK調(diào)制方式模擬調(diào)制方式：直接調(diào)頻、間接調(diào)頻鍵控方式開關(guān)K的動(dòng)作由S(t)決定，當(dāng)S(t)=0K接01K接1S(t)e0(t)壓控VCO直接調(diào)頻1e0(t)cosω1tK0cosω2t第17頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2FSK相干解調(diào)抽樣判決e0(t)S(t)定時(shí)脈沖帶通ω1低通cosω1t2fs帶通ω2低通cosω2t2fs條件：|f1-f2|≥2fs第18頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2FSK包絡(luò)檢波法抽樣判決e0(t)S(t)定時(shí)脈沖條件：|f1-f2|≥2fs2fs帶通ω2包絡(luò)檢波帶通ω12fs包絡(luò)檢波第19頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2FSK過零檢測(cè)法特點(diǎn)：“1”、“0”碼元對(duì)應(yīng)的載波頻率不同，即在單位時(shí)間內(nèi)載波的過零點(diǎn)數(shù)目不同，利用此特點(diǎn)，還原基帶信號(hào)。各點(diǎn)波形示意圖e0(t)整形微分寬脈沖發(fā)生器整流S(t)abcdef判決低通第20頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三e0(t)S(t)整形微分寬脈沖發(fā)生器低通整流abcdef判決abcdef0110100第21頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2FSK差分檢波法抽樣判決帶通低通2fs+|f1-f2|e0(t)S(t)e′(t)延時(shí)τ若控制τ，使則∴第22頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三說明：輸出與原生基帶信號(hào)

S(t)

呈線性關(guān)系,判決后實(shí)現(xiàn)還原。性能受τ控制當(dāng)較小時(shí)∴∴每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適當(dāng)選擇第23頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三6.2.3移相鍵控信號(hào)（2PSK、2DPSK）6.2.3.1移相原理

6.2.3.2移相信號(hào)第24頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三模擬調(diào)相定義：載波的相位隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化移相原理數(shù)字移相定義：以載波不同的初始相位值去表示不同的數(shù)字信號(hào)載波初相：每個(gè)碼元起始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的載波相位第25頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三重要參數(shù)：信號(hào)帶寬B2PSK=B2DPSK=2fs3、頻譜結(jié)構(gòu)

4、調(diào)制方法2、信號(hào)表達(dá)式5、解調(diào)方法:相干解調(diào)非相干解調(diào)移相信號(hào)（2PSK和2DPSK）1、信號(hào)定義及波形2PSK2DPSK比較第26頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2PSK：絕對(duì)移相信號(hào)A方式：0表示“0”π表示“1”表示“0”表示“1”或反之B方式：或反之載波初相1001011+EVS(t)-

EVπ00π0ππA方式：B方式：第27頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2DPSK：相對(duì)移相信號(hào)相對(duì)載波初相

△φ

：后碼元的載波初相φ2與前相鄰碼元載波初相φ1的差值△φ=φ2-φ1A方式：0表示“0”π表示“1”表示“0”表示“1”或反之B方式：或反之波形第28頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三1001011+ES(t)-

EA方式：B方式：絕對(duì)碼相對(duì)碼參考點(diǎn)001110010碼變換第29頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三比較1001011+ES(t)-

E0π00π0ππ2PSK2DPSK判0110100到π現(xiàn)象：0判0

001011全錯(cuò)錯(cuò)1位第30頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2PSK、2DPSK頻譜結(jié)構(gòu)2PSK的信號(hào)表達(dá)式∴2PSK的功率譜密度∵與2ASK相似，要求S(t)為雙極性非歸零

∵∴頻譜圖第31頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2PSK頻譜圖B2PSK=2fs-fcfc+fsfc-fs第32頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三調(diào)制方式2PSK鍵控方式2DPSK鍵控方式相移φ1e0(t)K0S(t)碼變換cosωct相移φ1e0(t)K0S(t)cosωct第33頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三相干解調(diào)2PSK2DPSK帶通低通抽樣判決e0(t)S(t)定時(shí)脈沖cosωct帶通低通抽樣判決e0(t)S(t)定時(shí)脈沖cosωct碼反變換相干解調(diào)--碼變換第34頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三差分相干檢波非相干解調(diào)2PSK2DPSK抽樣判決帶通低通e0(t)S(t)延時(shí)Ts抽樣判決帶通e0(t)S(t)鑒相器分析第35頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三1001011S(t)+E-

Eabc=abde1001011判0抽樣判決帶通低通e0(t)S(t)延時(shí)Tsabcde第36頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三6.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能

6.3.12ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能6.3.22FSK系統(tǒng)的抗噪性能6.3.32PSK及2DPSK系統(tǒng)的抗噪性能第37頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三6.3.12ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能6.3.1.1接收信號(hào)描述6.3.1.2非相干接收系統(tǒng)6.3.1.3相干接收系統(tǒng)第38頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三分析：一個(gè)碼元寬度Ts的信號(hào)發(fā)送信號(hào)ST(t)=

UT(t)=

Acosωct0<t<Ts發(fā)“1”∴接收信號(hào)6.3.1.1接收信號(hào)描述0其它發(fā)“0”ni(t)

發(fā)“0”

acosωct+ni(t)

發(fā)“1”帶通yi(t)

e0(t)

n

(t)ni(t)[a+nc(t)]cosωct-ns(t)sinωct

發(fā)“1”

nc(t)cosωct-ns(t)sinωct

發(fā)“0”=∴

yi(t)是正弦波＋窄帶高斯過程。包絡(luò)服從廣義瑞利分布yi(t)+ni(t)=第39頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三（包絡(luò)檢波法）6.3.1.2非相干接收系統(tǒng)yi(t)+ni(t)[a+nc(t)]cosωct-ns(t)sinωct

發(fā)“1”

nc(t)cosωct-ns(t)sinωct

發(fā)“0”==發(fā)“1”發(fā)“0”∴是包絡(luò)檢波器的輸出，為隨機(jī)信號(hào)2fs包絡(luò)檢波帶通ωc

yi(t)

y

(t)

n

(t)ni(t)抽樣判決S(t)定時(shí)脈沖第40頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三∴令最佳判決門限為，滿足∴誤碼形式為P(1→0)、P(0→1)

pe0

=P(0→1)=P(v>

)

則pe1=P(1→0)=P(v<

)∴系統(tǒng)總誤碼率：Pe=p(1)pe1+p(0)pe0誤碼率推導(dǎo)最佳判決門限誤碼率與信噪比第41頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三∴定義:Q函數(shù)∵零階修正貝塞爾函數(shù)第42頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三帶通濾波器的輸出信噪比定義：歸一化門限值∴∴∵結(jié)論：Pe

的大小取決于γ、b0

第43頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三確定最佳門限電壓、∴∵方程兩邊同取自然對(duì)數(shù)∴∴化簡(jiǎn)∴∴同理：第44頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三6.3.1.3相干接收系統(tǒng)帶通低通抽樣判決S(t)定時(shí)脈沖cosωctx(t)ni(t)yi(t)[a+nc(t)]cosωct-ns(t)sinωct

發(fā)“1”

nc(t)cosωct-ns(t)sinωct

發(fā)“0”yi(t)+ni(t)=∵2fs∴x(t)=

nc(t)

發(fā)“0”均值為0

a+nc(t)

發(fā)“1”均值為a∴第45頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三∴總誤碼率Pe=p(1)pe1+p(0)pe0

f1(x)f0(x)a0當(dāng)為最佳門限、例子第46頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三例：已知2ASK的碼元速率RB=4.8×106

波特，解調(diào)器輸入信號(hào)的幅度a=1mv，信道加性噪聲的單邊功率譜密度為n0=2×10-15

W/Hz，試求:1）包絡(luò)檢波的誤碼率2）同步檢波的誤碼率解：

∵Rb=RB=4.8×106bit/s

∴帶通濾波器的帶寬B=2RB=9.6×106

（Hz）∴帶通的輸出噪聲功率σn2

=n0B=1.92×10-

8(W)

∴解調(diào)器的輸入信噪比∴此系統(tǒng)為大信噪比工作1）包絡(luò)檢波2）同步檢波∴第47頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三6.3.22FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能6.3.2.1非相干接收系統(tǒng)6.3.2.2相干接收系統(tǒng)第48頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三（包絡(luò)檢波法）6.3.2.1非相干接收系統(tǒng)包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波抽樣判決e0(t)S(t)帶通ω12fs帶通ω22fs發(fā)“1”：上支路輸出為∵一路2FSK信號(hào)是兩路2ASK信號(hào)的合成下支路輸出為其中：發(fā)“0”：上支路輸出為下支路輸出為∴與2ASK信號(hào)分析相似（噪聲）第49頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)“1”錯(cuò)判∴2FSK的系統(tǒng)總誤碼率發(fā)“0”錯(cuò)判判決規(guī)則：V1>V0

判“1”V1<V0

判“0”第50頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三抽樣判決e0(t)S(t)帶通ω1低通cosω1t2fs帶通ω2低通cosω2t2fs6.3.2.2相干接收系統(tǒng)發(fā)“1”：x0(t)=n2c(t)解調(diào)器上支路輸入：[a+n1c

(t)]cosω1

t-n1s(t)sinω1

t下支路輸入：n2c

(t)cosω2

t-n2s(t)sinω2

tx1(t)=a+n1c(t)解調(diào)器上支路輸出：下支路輸出：判決規(guī)則：x1

>x0

判“1”x1

<x0

判“0”第51頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三∵∴發(fā)“1”錯(cuò)判f1(x)f0(x)a0fz(x)0∴2FSK的系統(tǒng)總誤碼率同理：發(fā)“0”錯(cuò)判例子第52頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三例：已知2FSK信號(hào)的f1=2025Hz,f2=2225Hz,RB=300波特。信道有效帶寬2400

Hz,信道輸出端信噪比為6

dB,求：1）2FSK信號(hào)的帶寬。2）包絡(luò)檢波時(shí)的誤碼率；同步檢波時(shí)的誤碼率。解：∴2FSK的帶寬△f=|f2-f1|+2fs

1）∵

fs

=RB=300（Hz）=(2225-2025)+2×300=800(Hz)2）∵Pe與解調(diào)器輸入端的有關(guān)令接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選用上、下支路形式B=2RB=600

（Hz）∴帶通帶寬又∵信道帶寬為2400Hz

,為帶通帶寬的

4

倍∴帶通的輸出信噪比是其輸入信噪比的

4倍第53頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三∵∴包絡(luò)檢波∴同步檢波帶通第54頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三6.3.3.2非相干接收系統(tǒng)6.3.3.1相干接收系統(tǒng)6.3.32PSK及

2DPSK系統(tǒng)的抗噪性能第55頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2PSK系統(tǒng)6.3.3.1相干接收系統(tǒng)抽樣判決e0(t)S(t)帶通ωc低通cosωct2fs∵S(t)為雙極性非歸零信號(hào)∴判決器的輸入信號(hào)為x(t)=

-a+nc(t)發(fā)“0”a+nc(t)

發(fā)“1”x(t)a0f1(x)f0(x)-a∴發(fā)

“1”錯(cuò)判發(fā)

“0”錯(cuò)判2PSK系統(tǒng)總誤碼率第56頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三2DPSK系統(tǒng)抽樣判決e0(t)S(t)帶通ωc低通cosωct2fsx(t)碼反變換系統(tǒng)特征：在2PSK系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加碼反變換電路。碼反變換電路自身不產(chǎn)生誤碼（與噪聲無關(guān)），但其輸入相對(duì)碼有誤差時(shí)，必然會(huì)造成其輸出絕對(duì)碼與發(fā)端基帶信號(hào)失真，因而系統(tǒng)總誤碼應(yīng)為2PSK系統(tǒng)的誤碼加碼反變換的誤碼積累。結(jié)論：系統(tǒng)總誤碼率誤碼積累誤碼公式第57頁，共62頁，2023年，2月20日，星期三+ES(t)-

E絕對(duì)碼正確相對(duì)碼010010111110010碼反變換錯(cuò)誤相對(duì)碼1010010010

000100100

10