通信原理第7版第7章(樊昌信版)

數(shù)字帶通傳輸

第7章樊昌信曹麗娜編著通信原理〔第7版〕精選課件二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制/解調(diào)原理2ASK2FSK2PSK/2DPSK二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理和特點(diǎn)

本章內(nèi)容:

第7章數(shù)字調(diào)制

精選課件數(shù)字調(diào)制：用數(shù)字基帶信號控制載波某個(gè)參數(shù)的過程。數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)：包括調(diào)制/解調(diào)過程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)。

振幅鍵控 頻移鍵控相移鍵控模擬調(diào)制法數(shù)字鍵控法二進(jìn)制和多進(jìn)制調(diào)制根本調(diào)制和新型調(diào)制方法分類AmplitudeShiftKeying

FrequencyShiftKeyingPhaseShiftKeyingASKPSKFSK概述精選課件

二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理§7.1精選課件101101s(t)載波2ASKt表達(dá)式：

2ASK

也稱

OOKtt原理：波形：單極性Tss(t)

載波幅度§7.1.1二進(jìn)制振幅鍵控〔2ASK〕精選課件2ASK產(chǎn)生模擬調(diào)制法鍵控法精選課件

2ASK

解調(diào)

包絡(luò)檢波法

相干解調(diào)法精選課件

包絡(luò)檢波法的各點(diǎn)波形

相照應(yīng)精選課件原理：波形：表達(dá)式：s(t)

載波頻率§7.1.2二進(jìn)制頻移鍵控〔2FSK〕精選課件式中g(shù)(t)－單個(gè)矩形脈沖， Ts－脈沖持續(xù)時(shí)間；

n和n分別是第n個(gè)信號碼元〔1或0〕的初始相位，通常可令其為零。因此，2FSK信號的表達(dá)式可簡化為10精選課件模擬調(diào)頻法：相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的。鍵控法：相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。

2FSK

產(chǎn)生特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快、電路簡單、

產(chǎn)生的波形好、頻率穩(wěn)定度高。精選課件

包絡(luò)檢波法

2FSK解調(diào)

0101s1s2精選課件其他解調(diào)方法：鑒頻法、差分檢測法、過零檢測法等。

相干解調(diào)法精選課件

過零檢測法精選課件FSK應(yīng)用：精選課件原理：波形：表達(dá)式：雙極性s(t)

載波相位§7.1.3二進(jìn)制相移鍵控〔2PSK〕精選課件

2PSK產(chǎn)生鍵控法

2PSK解調(diào)

模擬調(diào)制法精選課件

2PSK解調(diào)原理框圖和各點(diǎn)波形：2PSK存在問題：解決方案：

DPSK

DifferentialPSK

載波相位模糊

倒π現(xiàn)象(反相工作)精選課件

利用前后相鄰碼元的載波相對相位表示信息。

矢量圖:B方式A方式基準(zhǔn)——2PSK前一——2DPSK

原理：§7.1.4二進(jìn)制差分相移鍵控〔2DPSK〕精選課件

波形:例如:差分編碼規(guī)那么：⊕為模2加bn-1為bn的前一碼元最初bn-1可任意設(shè)定精選課件

2DPSK產(chǎn)生構(gòu)思2DPSK

解調(diào)模型〔差分編碼〕精選課件〔1〕2DPSK相干解調(diào)+碼反變換法相位模糊消除影響精選課件〔2〕2DPSK差分相干解調(diào)(相位比較)法相乘器起著相位比較的作用精選課件

分析目的：B和

fc

分析方法：借助于基帶信號的功率譜

PowerSpectralDensity§7.1.5二進(jìn)制數(shù)字已調(diào)信號的功率譜(PSD)精選課件設(shè)Ps(f)——s(t)的PSDP2ASK(f)——2ASK信號的PSD那么1

2ASK信號的功率譜密度可見，P2ASK(f)是Ps(f)的線性搬移〔屬線性調(diào)制〕。單極性精選課件基帶帶寬精選課件fB=1/TB=RB精選課件

2PSK信號的頻譜與2ASK的十分相似；帶寬也是基帶信號帶寬的兩倍：區(qū)別僅在于當(dāng)P=1/2時(shí)，譜中無離散譜〔即載波分量〕。2

2PSK/2DPSK信號的功率譜密度雙極性精選課件3

2FSK信號的功率譜密度精選課件

連續(xù)譜形狀隨著兩個(gè)載頻之差的大小而變化

譜零點(diǎn)帶寬：精選課件

二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能§7.2精選課件概述性能指標(biāo)：系統(tǒng)的誤碼率Pe分析方法：借用數(shù)字基帶系統(tǒng)的方法和結(jié)論分析條件：恒參信道〔傳輸系數(shù)取為K〕信道噪聲是加性高斯白噪聲背景知識(shí)：窄帶噪聲正弦波+窄帶噪聲精選課件a=kA§7.2.12ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能

2ASK---相干解調(diào)精選課件精選課件〔均值a或0，方差n2〕，一維概率密度函數(shù)：nc(t)是高斯過程〔0，n2〕抽樣：x

~高斯發(fā)送“1〞時(shí)發(fā)送“0〞時(shí)精選課件設(shè)判決門限為b，那么判決規(guī)那么為：b咦？

好似與

單極性

基帶系統(tǒng)

的

情況類似！

西安電子科技大學(xué)

精選課件因此，借助單極性基帶系統(tǒng)的分析結(jié)果：=單極性基帶信號+高斯噪聲可方便地得到2ASK-相干系統(tǒng)的分析結(jié)果：借用：精選課件2ASK信號相干解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的總誤碼率為r>>1時(shí)解調(diào)器輸入端信噪比精選課件

2ASK---包絡(luò)檢波~正弦波+窄帶高斯噪聲~窄帶高斯噪聲包絡(luò)檢波器

整流---低通精選課件當(dāng)發(fā)送“1〞符號時(shí)，包絡(luò)檢波器的輸出為當(dāng)發(fā)送“0〞符號時(shí)，包絡(luò)檢波器的輸出為

~廣義瑞利分布~瑞利分布式中，

n2為窄帶高斯噪聲n(t)的方差。精選課件設(shè)判決門限為b，判決規(guī)那么為：發(fā)“1〞錯(cuò)判為“0〞的概率為利用MarcumQ函數(shù)：精選課件

r=a2/2

n2

信號噪聲功率比

b0=b/

n

歸一化門限值那么P(0/1)可借助MarcumQ函數(shù)表示為發(fā)“0〞錯(cuò)判為“1〞的概率為精選課件系統(tǒng)的總誤碼率為當(dāng)P(1)=P(0)

時(shí)，有包檢系統(tǒng)的Pe取決于信噪比r和歸一化門限值b0精選課件求最正確判決門限，令：

當(dāng)P(1)=P(0)時(shí)，有最正確判決門限:歸一化最正確判決門限:精選課件實(shí)際情況——系統(tǒng)工作在大信噪比情況下，∴最正確門限應(yīng)?。?/p>

此時(shí)，系統(tǒng)的總誤碼率為：當(dāng)r

時(shí)，上式的下界為：精選課件歸納精選課件接收端帶通濾波器帶寬為：

帶通濾波器輸出噪聲平均功率為： 信噪比為：解例精選課件(1)同步檢測法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為

(2)包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為

評注精選課件§7.2.22FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

相干解調(diào)精選課件n1(t)和n2(t)是ni(t)經(jīng)過上、下帶通濾波器的輸出噪聲—窄帶高斯噪聲均值同為0方差同為

n2只是中心頻率不同而已發(fā)“1〞時(shí)：精選課件

經(jīng)過相干解調(diào)后，送入抽樣判決器的兩路波形分別為：上支路下支路

式中，n1c(t)

和n2c(t)

均為低通型高斯噪聲，(0，

n2)精選課件發(fā)“1〞錯(cuò)判為“0〞的概率為判決規(guī)那么精選課件r

>>1時(shí)發(fā)“0〞錯(cuò)判為“1〞的概率

2FSK-相干解調(diào)系統(tǒng)的總誤碼率為

西安電子科技大學(xué)

精選課件

包絡(luò)檢波器

包絡(luò)檢波器發(fā)“1〞符號〔對應(yīng)1〕時(shí)：

2FSK---包絡(luò)檢波精選課件~廣義瑞利分布~瑞利分布一維概率密度函數(shù)分別為：上支路下支路判決規(guī)那么精選課件發(fā)“1〞錯(cuò)判為“0〞的概率為精選課件根據(jù)MarcumQ函數(shù)的性質(zhì):可得：令代入上式，簡化為：精選課件比照：2FSK-相干解調(diào)系統(tǒng)的總誤碼率因此，2FSK-包絡(luò)檢波系統(tǒng)的總誤碼率為r>>1發(fā)“0〞錯(cuò)判為“1〞的概率為精選課件〔2〕上、下支路帶通濾波器(BPF)的帶寬近似為：解例精選課件〔3〕同步解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率:∵信道輸出端信噪比為6dB〔即4〕，∴帶通濾波器輸出端〔解調(diào)器輸入端)的信噪比為：因此，包絡(luò)檢波時(shí)系統(tǒng)的誤碼率：精選課件在任意一個(gè)TB內(nèi)，2PSK和2DPSK都可表示為：2PSK

信號2DPSK

信號原始數(shù)字信息〔絕對碼〕相對碼§7.2.32PSK/2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能精選課件

1

2PSK相干解調(diào)系統(tǒng)精選課件因此，x(t)的一維概率密度函數(shù)為:高斯噪聲(0，

n2)高斯噪聲(

a，

n2)精選課件與雙極性

基帶系統(tǒng)

的

情況類似=雙極性基帶信號+高斯噪聲可見精選課件因此，借助雙極性基帶系統(tǒng)的分析結(jié)果：可方便地得到2PSK-相干系統(tǒng)的分析結(jié)果：精選課件2PSK信號相干解調(diào)系統(tǒng)的總誤碼率：r>>1時(shí)解調(diào)器輸入端信噪比精選課件f點(diǎn)：絕對碼序列。只需在Pe2PSK根底上考慮碼反變換器對誤碼率的影響即可。e點(diǎn)：相對碼序列。由2PSK誤碼率公式來確定：精選課件〔無誤碼〕〔bn錯(cuò)1個(gè)碼〕〔bn連錯(cuò)2個(gè)碼〕〔bn連錯(cuò)n個(gè)碼〕an總是錯(cuò)2個(gè)碼反變換器對誤碼的影響：an錯(cuò)2個(gè)精選課件在大信噪比〔r>>1〕時(shí)，Pe<<1，因此：條件：假設(shè)每個(gè)

相對碼出錯(cuò)概率相等且統(tǒng)計(jì)獨(dú)立

2DPSK相干+碼反變換系統(tǒng)的誤碼率：式中：精選課件32DPSK差分相干解調(diào)(相位比較〕

兩者獨(dú)立精選課件那么低通濾波器的輸出為:經(jīng)抽樣后的樣值為:x>0，判為“1〞——正確x0，判為“0〞——錯(cuò)誤判決精選課件發(fā)“1〞錯(cuò)判為“0〞的概率為：利用恒等式令上式中那么，，精選課件R12R22令簡化

為精選課件

由隨機(jī)信號理論可知：R1的一維分布服從廣義瑞利分布，

R2的一維分布服從瑞利分布，其概率密度函數(shù)分別為： 將以上兩式代入： 可得：精選課件2DPSK-差分相干解調(diào)系統(tǒng)的總誤碼率為：發(fā)“0〞錯(cuò)判為“1〞的概率為：精選課件(1)接收端帶通濾波器的帶寬為:輸出噪聲功率:

可得:由解例精選課件因此，接收機(jī)輸入端所需的信號功率為：〔2〕相干解調(diào)-碼反變換的2DPSK系統(tǒng)：即有：查誤差函數(shù)表，可得由r=a2/2

n2可得接收機(jī)輸入端所需的信號功率：精選課件配套輔導(dǎo)教材：

曹麗娜樊昌信

編著

國防工業(yè)出版社

整理知識(shí)歸納結(jié)論梳理關(guān)系引導(dǎo)主線剖析難點(diǎn)解惑疑點(diǎn)強(qiáng)化重點(diǎn)點(diǎn)擊考點(diǎn)精選課件§7.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較

精選課件

1

誤碼率——可靠性

精選課件討論2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK精選課件討論2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK精選課件討論2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK精選課件討論2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK

大信噪比(r>>1)時(shí),兩者性能相差不大。精選課件B2FSK不僅與基帶信號帶寬有關(guān)，且與兩個(gè)載頻之差有關(guān)。設(shè)基帶信號的譜零點(diǎn)帶寬為RB=1/TS，那么有：在RB一定時(shí)，2FSK的頻帶利用率最低，有效性最差。

2

頻帶帶寬——有效性

精選課件2ASK：2PSK：2FSK：

3

對信道特性變化的敏感性

精選課件通常，非相干方式比相干方式簡單。這是因?yàn)橄喔山庹{(diào)需要提取相干載波，故設(shè)備相對復(fù)雜些，本錢也略高。

4

設(shè)備的復(fù)雜度綜述精選課件配套輔導(dǎo)教材：

曹麗娜樊昌信

編著

國防工業(yè)出版社

整理知識(shí)歸納結(jié)論梳理關(guān)系引導(dǎo)主線剖析難點(diǎn)解惑疑點(diǎn)強(qiáng)化重點(diǎn)點(diǎn)擊考點(diǎn)精選課件多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)§7.4精選課件

引言二進(jìn)制：每個(gè)碼元只攜帶

1

bit

信息Mlog2M西安電子科技大學(xué)通院精選課件精選課件MASK可看成是二進(jìn)制振幅鍵控〔2ASK〕的推廣。且有§7.4.1多進(jìn)制振幅鍵控〔MASK〕

4ASK信號振幅有4種取值，每個(gè)碼元含2bit。精選課件

MASK調(diào)制:與2ASK的產(chǎn)生方法相似，區(qū)別在于:發(fā)送端輸入的二進(jìn)制數(shù)字基帶信號需要先經(jīng)過電平變換器轉(zhuǎn)換為M電平的基帶脈沖，然后再去調(diào)制。

MASK解調(diào):與2ASK信號解調(diào)也相似，有相干和非相干解調(diào)兩種。精選課件MASK信號的功率譜與2ASK信號具有相似的形式;譜零點(diǎn)帶寬是M進(jìn)制數(shù)字基帶信號帶寬的兩倍。在

Rb相同時(shí)，MASK信號帶寬是2ASK的1/log2M倍。MASK的抗噪聲能力差，常用多進(jìn)制正交振幅調(diào)制〔MQAM〕來代替。精選課件MFSK可視為2FSK方式的推廣。

4FSK采用

4種不同的頻率分別表示雙比特信息：§7.4.2多進(jìn)制頻移鍵控〔MFSK〕精選課件MFSK調(diào)制與解調(diào)的原理框圖：精選課件要求載頻之間的距離足夠大，以便用濾波器別離不同頻率的譜。MFSK信號占用較寬的頻帶，信道頻帶利用率不高。MFSK一般用于

調(diào)制速率(1/TB)

不高的衰落信道傳輸場合。精選課件利用載波的M種不同相位表示數(shù)字信息。信號矢量圖〔星座圖〕：§7.4.3多進(jìn)制相移鍵控〔MPSK〕1根本概念精選課件精選課件24PSK調(diào)制QPSK的每一種載波相位代表兩個(gè)比特：〔00、01、10或11〕兩個(gè)比特的組合稱做雙比特碼元，記為ab精選課件1〕雙比特與載波相位的關(guān)系矢量圖

注：對應(yīng)關(guān)系可有不同規(guī)定，但相鄰碼組應(yīng)符合格雷碼編碼規(guī)那么精選課件波形

精選課件正交調(diào)相法2〕QPSK調(diào)制精選課件根據(jù)當(dāng)時(shí)的雙比特ab，選相電路從候選的4個(gè)相位中選擇相應(yīng)相位的載波輸出。相位選擇法abB方式原理：精選課件

解決方案：采用四相相對相位調(diào)制，即QDPSK。存在問題：存在900的相位模糊〔0,90,180,270〕

原理：分解為兩路2PSK信號的相干解調(diào)。3QPSK解調(diào)精選課件跳變周期2Tb帶寬B=Rb

QPSK

特點(diǎn)：

相位跳變：0°,±90°,±180°精選課件最大相位跳變180°，使限帶的QPSK信號包絡(luò)起伏很大，并出現(xiàn)包絡(luò)零點(diǎn)。頻譜擴(kuò)展大，旁瓣對鄰道干擾大。

QPSK

缺點(diǎn)：

精選課件改進(jìn)思路：QPSK相位路徑

最大相位跳變180°精選課件改進(jìn)思路：信號點(diǎn)不作對角線移動(dòng)即雙比特ab不同時(shí)跳變精選課件改進(jìn)思路：信號點(diǎn)不作對角線移動(dòng)即雙比特ab不同時(shí)跳變OQPSK相位路徑

相位跳變

0或±90°4

OQPSK

(偏置或交錯(cuò)QPSK，OffsetQPSK)

如何實(shí)現(xiàn)？

見下圖精選課件OQPSK精選課件限帶QPSK與限帶OQPSK比照：最大相位跳變180°

——包絡(luò)起伏大——頻譜擴(kuò)展大相位跳變周期2Tb

最大相位跳變90°——包絡(luò)起伏小——頻譜擴(kuò)展小相位跳變周期Tb影響主瓣帶寬精選課件由兩個(gè)相差

/4的QPSK星座圖交替產(chǎn)生：A方式:

0°,±90°,180°

B方式:±45°,±135°5

/4-QPSK

原理和特點(diǎn)：

精選課件

4-QPSK優(yōu)勢：精選課件原理與2DPSK

類似：利用相鄰碼元載波的相對相位

變化表示