現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理全套課件

現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理

高等學校電子信息類規(guī)劃教材

目錄1第1章緒論第2章信道與噪聲第3章模擬調制系統(tǒng)第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)第5章數(shù)字信號的頻帶傳輸?shù)?章模擬信號的數(shù)字傳輸?shù)?章同步系統(tǒng)第8章差錯控制編碼第9章現(xiàn)代通信系統(tǒng)介紹目錄22024/9/204第1章緒論

1.1通信的定義1.2通信系統(tǒng)的組成1.3通信系統(tǒng)分類及通信方式1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標1.1通信的定義

通信的定義：是指由一地向另一地進行消息的有效傳遞。通信的目的：就是傳遞消息。

本書對通信的定義：利用電子等技術手段，借助電信號（含光信號）實現(xiàn)從一地向另一地進行消息的有效傳遞稱為通信。2024/9/2051.2通信系統(tǒng)的組成2024/9/206圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型

信源（信息源，也稱發(fā)終端）：把待傳輸?shù)南⑥D換成原始電信號，如電話系統(tǒng)中電話機可看成是信源。

1.2.1

通信系統(tǒng)的一般模型2024/9/207

發(fā)送設備：將信源和信道匹配起來，即將信源產生的原始電信號（基帶信號）變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴?/p>

信道：信號傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線的，也可以是無線的，甚至還可以包含某些設備。

接收設備：任務是從帶有干擾的接收信號中恢復出相應的原始電信號來。

信宿：將復原的原始電信號轉換成相應的消息。2024/9/2081.2.2模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)中兩種重要變換：

（1）連續(xù)消息到電信號相互變換；（2）基帶信號到調制信號的變換；圖1-2模擬通信系統(tǒng)的模型

2024/9/209已調信號有三個基本特性：

（1）攜帶有消息；（2）適合在信道中傳輸（3）頻譜具有帶通形式，且中心頻率遠離零頻。2024/9/20101.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)信道中傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)，稱為數(shù)字通信系統(tǒng)，它包括以下三種：

1.數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)基本特征：消息或信號具有“離散”或“數(shù)字”的特性，同時強調已調參量與代表消息的數(shù)字信號之間的一一對應關系。2024/9/2011

數(shù)字通信的優(yōu)勢和存在的問題：（1）可實現(xiàn)差錯控制編碼即信道編碼；（2）容易實現(xiàn)保密通信；

（3）數(shù)字通信中必須有“同步”。圖1-3數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)的模型2024/9/20122.數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)

基帶信號形成器：可能包括編碼器、加密器以及波形變換等；接收濾波器：可能包括譯碼器、解密器等。圖1-4數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型2024/9/20133.模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)

發(fā)端將模擬信號數(shù)字化，即進行A/D轉換；接收端需進行相反的轉換，即D/A轉換。圖1-5模擬信號數(shù)字化傳輸系統(tǒng)模型2024/9/20141.2.4數(shù)字通信的主要特點

1.數(shù)字通信的主要優(yōu)點

（1）抗干擾能力強；（2）差錯可控；（3）易加密；（4）易于與現(xiàn)代技術相結合。

2.亟待解決的問題

（1）提高頻帶利用；（2）簡化系統(tǒng)設備結構。1.3通信系統(tǒng)分類及通信方式1.3.1通信的分類

1.按傳輸媒質分：有線通信和無線通信；

2.按信道中所傳信號的特征分：模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)；

3.按工作頻段分：長波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。具體情況見表1-1；

2024/9/20152024/9/20164.按調制方式分：基帶傳輸和頻帶傳輸；

5.按業(yè)務的不同分：

6.按收信者是否運動分：移動通信和固定通信。

另外，通信還有其它一些分類方法，如按多地址方式可分為頻分多址通信、時分多址通信、碼分多址通信等；按用戶類型可分為公用通信和專用通信等。

2024/9/20171.3.2通信方式

1.按消息傳送的方向與時間分通信方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信三種。2024/9/20182.按數(shù)字信號排序分可將通信方式分為串序傳輸和并序傳輸。

2024/9/20193.按通信網(wǎng)絡形式分通信的網(wǎng)絡形式通?？煞譃槿N：兩點間直通方式、分支方式和交換方式，

圖1-8按網(wǎng)絡形式劃分的通信方式（a）兩點間直通方式；（b）分支方式；（c）交換方式1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標1.4.1一般通信系統(tǒng)的性能指標

一般通信系統(tǒng)的性能指標歸納起來有以下幾個方面:

有效性、可靠性、適應性、經(jīng)濟性、保密性標準性、維修性、工藝性等。而本書只研究通信系統(tǒng)的有效性和可靠性。2024/9/20202024/9/2021

對于模擬通信來說，系統(tǒng)的有效性和可靠性具體可用系統(tǒng)頻帶利用率和輸出信噪比（或均方誤差）來衡量。對于數(shù)字通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的可靠性和有效性具體可用誤碼率和傳輸速率來衡量。

2024/9/20221.4.2信息及其度量信息定義：消息中包含的有意義的內容。

信息量與消息出現(xiàn)的概率有關，具體可以描述為如下規(guī)律：

（1）消息中所含信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)；

（2）消息出現(xiàn)的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈小；2024/9/2023

（3）若干個互相獨立事件構成的消息所含信息量等于各獨立事件信息量的和。

信息量I和消息出現(xiàn)概率P(x)的關系為：信息量的單位取決于對數(shù)底數(shù)a的取值：

a=2單位為比特（bit，簡寫為b）；

a=e單位為奈特（nat，簡寫為n）；

a=10單位為哈特萊。2024/9/2024例1.1設二進制離散信源，數(shù)字0或1以相等的概率出現(xiàn)，試計算每個符號的信息量。

解:二進制等概率時有即二進制等概時，每個符號的信息量相等，為1bit。2024/9/2025

當各個符號出現(xiàn)的概率不相等時，計算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。

平均信息量定義：每個符號所含信息的平均值。用符號表示。多進制時，設各符號出現(xiàn)的概率為：且2024/9/2026則平均信息量（信息源的熵）為：1.4.3有效性指標的具體表述

1.碼元傳輸速率定義：單位時間內傳輸碼元的數(shù)目；

單位：波特（Baud），用符號“B”表示；

符號：Tb為碼元寬度。2024/9/2027

2.信息傳輸速率定義：單位時間內傳輸?shù)男畔⒘浚?/p>

單位：比特/秒(bit/s)，簡記為b/s或bps；

符號：,它與N有關。

3.與之間的互換它們之間在數(shù)值上有如下關系：

2024/9/2028

4.多進制與二進制傳輸速率之間的關系碼元速率不變，二進制信息速率與多進制信息速率之間的關系：系統(tǒng)信息速率不變，多進制碼元速率與二進制碼元速率之間的關系：

2024/9/20291.4.4可靠性指標的具體表述數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標是利用差錯率來衡量。差錯率通常有兩種表示方法。

1.碼元差錯率（誤碼率）發(fā)生差錯的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，也就是說，誤碼率就是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率。2024/9/2030

2.信息差錯率（誤信率）發(fā)生差錯的信息量在信息傳輸總量中所占的比例，或者說，它是碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率。

2024/9/2031第2章信道與噪聲2.1信道的基本概念2.2恒參信道及其對所傳信號的影響2.3隨參信道及其對所傳信號的影響2.4信道的加性噪聲2.5通信中的常見噪聲2.6信道容量的概念2.1信道的基本概念2.1.1信道的定義信道，通俗地說，是指以傳輸媒質為基礎的信號通路。具體地說，信道是指由有線或無線電線路提供的信號通路。信道的作用是傳輸信號，它提供一段頻帶讓信號通過，同時又給信號加以限制和損害。

2024/9/20322024/9/20332.1.2信道的分類信道可大體分成：狹義信道和廣義信道。

1.狹義信道

狹義信道是指在發(fā)端設備和收端設備中間的傳輸媒介，它包括有線信道和無線信道。

2.廣義信道

廣義信道通常也可分成兩種，調制信道和編碼信道。

具體情況見p20圖。2024/9/20342.1.3信道的數(shù)學模型

1.調制信道模型調制信道的范圍是從調制器輸出端到解調器輸入端。通常它具有如下性質：

（1）有一對(或多對)輸入端和一對(或多對)輸出端；（2）絕大部分信道都是線性的，即滿足疊加原理；2024/9/2035

（3）信號通過信道會出現(xiàn)遲延時間；（4）信道對信號有損耗它包括固定損耗或時變損耗；（5）即使沒有信號輸入，在信道的輸出端仍可能有一定的功率輸出（噪聲）。2024/9/2036

對于二對端的信道模型來說，其輸出與輸入之間的關系式可表示成：將上式進一步簡化可以寫成：

這樣信道對信號的影響可歸納為兩點：一是乘性干擾k(t)，二是加性干擾n(t)。

不同特性的信道，僅反映信道模型有不同的k(t)及n(t)。

2024/9/2037

根據(jù)信道中k(t)的特性不同，可以將信道分為：恒參信道和變參信道。

2.編碼信道模型

從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉換器及傳輸媒質可用一個完成數(shù)字序列變換的方框加以概括，此方框稱為編碼信道。編碼信道的模型可用數(shù)字信號的轉移概率來描述。2024/9/2038

模型中，把、、、稱為信道轉移概率。以為例，其含義是“經(jīng)信道傳輸，把0轉移為1的概率”。

2024/9/2039

轉移概率由編碼信道的特性決定，一個特定的編碼信道就會有相應確定的轉移概率。編碼信道可進一步分為無記憶編碼信道和有記憶編碼信道。2.2恒參信道及其對所傳信號的影響

由于恒參信道對信號傳輸?shù)挠绊懯枪潭ú蛔兊幕蛘呤亲兓瘶O為緩慢的，因而可以等效為一個非時變的線性網(wǎng)絡。2.2.1信號不失真?zhèn)鬏敆l件網(wǎng)絡的傳輸特性可以表示為：

2024/9/20402024/9/2041

要使任意一個信號通過線性網(wǎng)絡不產生波形失真，網(wǎng)絡的傳輸特性應該具備以下兩個理想條件：（1）網(wǎng)絡的幅頻特性是一個不隨頻率變化的常數(shù);

（2）網(wǎng)絡的相頻特性應與頻率成負斜率直線關系。2024/9/20422.2.2幅度－頻率畸變

圖2-6典型音頻電話信道的相對衰耗

若傳輸數(shù)字信號，會引起相鄰數(shù)字信號波形之間在時間上的相互重疊，即碼間串擾。

2024/9/20432.2.3相位－頻率畸變（群遲延畸變）

圖2-7典型電話信道群遲延-頻率特性對模擬信號的影響不太嚴重，但若傳輸數(shù)字信號，會引起嚴重的碼間串擾。

2024/9/20442.2.4減小畸變的措施減小幅度-頻率畸變的措施：改善電話信道中的濾波性能，或者再通過一個線性補償網(wǎng)絡，使衰耗特性曲線變得平坦。這后一措施通常稱之為“均衡”。減小相位-頻率畸變的措施：采取相位均衡技術補償群遲延畸變。除此之外，還存在其它類型影響信號傳輸?shù)囊蛩亍?.3隨參信道及其對所傳信號的影響2.3.1隨參信道傳輸媒質的特點典型的傳輸媒質：電離層反射、對流層散射等。特點（1）信號的衰耗隨時間隨機變化；（2）信號傳輸?shù)臅r延隨時間隨機變化；（3）多徑傳播。2024/9/20452024/9/20462.3.2隨參信道對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

1.多徑衰落與頻率彌散設發(fā)射信號為，則經(jīng)過條路徑傳播后的接收信號可用下式表述。式中，——第i條路徑的接收信號振幅；

——第i條路徑的傳輸時延；

——第i條路徑的隨機相位。

2024/9/2047

經(jīng)過理論分析和實際觀察可以得出結論：、和可看作是緩慢變化的隨機過程?；喓蠼邮招盘柨捎孟率奖硎觯浩渲?，是多徑信號合成后的包絡；是多徑信號合成后的相位。包絡和相位都是緩慢變化的隨機過程。于是，可視為一個窄帶隨機過程。

2024/9/2048

圖2-9衰落信號的波形與頻譜示意圖

（1）從波形上看，多徑傳播的結果使確定的載頻信號變成了包絡和相位都隨機變化的窄帶信號，這種信號稱為衰落信號；2024/9/2049

（2）從頻譜上看，多徑傳播引起了頻率彌散（色散），即由單個頻率變成了一個窄帶頻譜；通常將由于電離層濃度變化等因素所引起的信號衰落稱為慢衰落；而把由于多徑效應引起的信號衰落稱為快衰落。2024/9/20502.頻率選擇性衰落與相關帶寬當發(fā)送的信號是具有一定頻帶寬度的信號時，多徑傳播會產生頻率選擇性衰落。

下面假定多徑傳播的路徑只有兩條的情況進行分析。令發(fā)送信號為f(t)，其頻譜函數(shù)為F(w)。則到達接收點的兩路信號，具有相同的衰減，這樣它們可分別表示為：

2024/9/2051當這兩條傳輸路徑的信號合成后得：相應于它的傅氏變換對為

因此，信道的傳遞函數(shù)為

其幅頻特性為

2024/9/2052

圖2-10兩條路徑傳播時選擇性衰落特性

當一個傳輸信號的頻譜寬于1/時，將致使某些頻率分量被衰落，這種現(xiàn)象稱為頻率選擇性衰落，簡稱選擇性衰落。

2024/9/2053

上述概念可推廣到一般的多徑傳播中去。多徑傳播時的相對時延差通常用最大多徑時延差來表征，并用它來估算傳輸零極點在頻率軸上的位置。設信道的最大時延差為，則相鄰兩個零點之間的頻率間隔為：這個頻率間隔通常稱為多徑傳播信道的相關帶寬。2024/9/20542.3.3隨參信道特性的改善對于慢衰落，主要采取加大發(fā)射功率和在接收機內采用自動增益控制等技術和方法即可。對于快衰落，通常可采用多種措施，例如，各種抗衰落的調制/解調技術、抗衰落接收技術及擴頻技術等。其中明顯有效且常用的抗衰落措施是分集接收技術。

2024/9/20551.分集接收的基本思想

基本思想：如果能在接收端同時獲得幾個不同的合成信號，并將這些信號適當合并構成總的接收信號，將有可能大大減小衰落的影響。

要求：只有被分集的幾個合成信號之間是統(tǒng)計獨立的，合并后才能使系統(tǒng)性能改善。2024/9/20562.分散得到合成信號的方式為了獲取互相獨立或基本獨立的合成信號，大致有如下幾種分集方式。

（1）空間分集；（2）頻率分集；（3）角度分集；（4）極化分集。2024/9/20573.集中合成信號的方式對各分散的合成信號進行合并的方法有多種，最常用的有：（1）最佳選擇式；（2）等增益相加式；（3）最大比值相加式。以上合并方式中最大比值合并方式性能最好，等增益相加方式次之，最佳選擇方式最差。2.4信道的加性噪聲

根據(jù)信道中加性噪聲的來源不同，可以粗略地分為以下四類：（1）無線電噪聲；（2）工業(yè)噪聲；（3）天電噪聲；（4）內部噪聲。2024/9/20582024/9/2059從噪聲性質來區(qū)分可有：

（1）單頻噪聲;

（2）脈沖干擾;

（3）起伏噪聲。其中影響最大的是起伏噪聲，它是通信系統(tǒng)最基本的噪聲源。而起伏噪聲主要包括：信道內所有的熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲等。

2.5通信中的常見噪聲2.5.1白噪聲定義：白噪聲是指它的功率譜密度函數(shù)在整個頻域內是常數(shù)，即服從均勻分布。白噪聲的功率譜密度函數(shù)為：雙邊譜密度：單邊譜密度：2024/9/20602024/9/2061

功率信號的功率譜密度與其自相關函數(shù)互為傅氏變換對：圖2-11白噪聲的功率譜密度與自相關函數(shù)

2024/9/20622.5.2高斯噪聲定義：高斯噪聲是指它的概率密度函數(shù)服從高斯分布（即正態(tài)分布）的一類噪聲。其一維概率密度函數(shù)可用數(shù)學表達式表示為：

a為噪聲的數(shù)學期望值，也就是均值；為噪聲的方差。2024/9/2063

在噪聲均值為零時，噪聲的平均功率等于噪聲的方差。在通信系統(tǒng)的性能分析中，常常通過求自相關函數(shù)或方差的方法來計算噪聲的功率。2024/9/2064高斯概率密度函數(shù)的進一步討論：

圖2-12正態(tài)分布的概率密度函數(shù)

（1）對稱于直線，即有2024/9/2065

（2）在內單調上升，在內單調下降，且在a點處達到極大值;

（3）

（4）a表示分布中心，表示集中的程度。

（5）當，時，相應的正態(tài)分布稱為標準化正態(tài)分布，這時有

2024/9/2066

已知概率密度函數(shù)的前提下，正態(tài)概率分布函數(shù)可以表示為：

與正態(tài)分布相關的還有誤差函數(shù)和互補誤差函數(shù)，它們的定義式分別為：2024/9/2067

可以證明，利用誤差函數(shù)的概念，正態(tài)分布函數(shù)可表示為：為了方便以后分析，在此給出誤差函數(shù)和互補誤差函數(shù)的主要性質：

2024/9/2068

（1）誤差函數(shù)是遞增函數(shù)，它具有如下性質：（2）互補誤差函數(shù)是遞減函數(shù)，它具有如下性質：

2024/9/20692.5.3高斯型白噪聲定義：高斯型白噪聲也稱高斯白噪聲，是指噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計特性，同時它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。2.5.4窄帶高斯噪聲

1.窄帶高斯噪聲的定義與表達式定義：當高斯噪聲通過以為中心角頻率的窄帶系統(tǒng)時，就可形成窄帶高斯噪聲。

2024/9/2070窄帶高斯噪聲可表示為：

式中，為噪聲的隨機包絡；為噪聲的隨機相位，相對于載波的變化而言，它們的變化要緩慢的多。

2024/9/2071窄帶高斯噪聲的另外一種表達形式：其中

式中及分別稱為的同相分量和正交分量，其變化相對于載波要緩慢的多。

2024/9/2072

2.統(tǒng)計特性

（1）一個均值為零，方差為的窄帶高斯噪聲，假定它是平穩(wěn)隨機過程，則它的同相分量、正交分量同樣是平穩(wěn)高斯噪聲，且均值都為零，方差也相同。即

2024/9/2073

（2）該窄帶高斯噪聲其隨機包絡服從瑞利分布，相位服從均勻分布。即2024/9/20742.5.5正弦信號加窄帶高斯噪聲正弦信號加窄帶高斯噪聲后的合成信號可以表示為：

2024/9/2075

可以證明，正弦信號加窄帶高斯噪聲所形成的合成信號具有如下統(tǒng)計特性：

（1）隨機包絡服從廣義瑞利分布（也稱萊斯（Rice）分布）。（2）隨機相位分布與信道中的信噪比有關，不再是均勻分布了。當信噪比很小時，它接近于均勻分布。

2.6信道容量的概念

1.信道容量的定義

在信息論中，稱信道無差錯傳輸信息的最大信息速率為信道容量，記之為C。信道可以分為：離散信道（編碼信道）和連續(xù)信道（調制信道）。2024/9/20762024/9/20772.山農公式

假設連續(xù)信道的加性高斯白噪聲功率為N（W），信道的帶寬為B（Hz），信號功率為S（W），則該信道的信道容量為:

當信道特性（B、S和n0）給定以后，上式表示理論上單位時間內可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。2024/9/20783.關于山農公式的幾點討論（1）在給定B、S/B的情況下，信道的極限傳輸能力為C，而且此時能夠做到無差錯傳輸（即差錯率為零）。

（2）提高信噪比，可提高信道容量。

（3）增加信道帶寬，也可有限的增加信道的容量。（4）信道容量可以通過系統(tǒng)帶寬與信噪比的互換而保持不變。

2024/9/2079第3章模擬調制系統(tǒng)3.1幅度調制的原理3.2線性調制系統(tǒng)的抗操聲性能3.3角度調制（非線性調制）的原理及抗噪聲性能3.4各種模擬調制系統(tǒng)的比較3.5頻分復用（FDM）2024/9/2080

調制的定義：是按原始電信號的變化規(guī)律去改變載波某些參量的過程。

調制的方式：模擬調制和數(shù)字調制；正弦波和脈沖調制。調制的目的：進行頻譜搬移，把調制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從而提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃?。調制的種類：AM、DSB-SC、SSB、VSB、FM和PM。1.1幅度調制的原理

3.1.1幅度調制的一般模型

定義：用調制信號去控制高頻正弦載波的幅度，使其按調制信號的規(guī)律變化的過程。

2024/9/20812024/9/20823.1.2常規(guī)雙邊帶調幅（AM）

1.AM信號的表達式、頻譜及帶寬若假設濾波器為全通網(wǎng)絡：為了保證包絡檢波時不發(fā)生失真，必須滿足2024/9/2083AM信號是帶有載波的雙邊帶信號，它的帶寬為基帶信號帶寬的兩倍，即2024/9/20842.AM信號的功率分配及調制效率已調信號功率為：調制效率：顯然，AM信號的調制效率總是小于1。例題2024/9/20853.AM信號的解調調制的逆過程叫做解調。AM信號的解調方法有兩種：相干解調和包絡檢波解調。

（1）相干解調用一個低通濾波器，就無失真的恢復出原始的調制信號：

2024/9/2086（2）包絡檢波法

電路由二極管D、電阻R和電容C組成。RC滿足條件：這時，包絡檢波器的輸出與輸入信號的包絡十分相近，即：

2024/9/20873.1.3抑制載波的雙邊帶調幅（DSB-SC）

1.DSB信號的表達式、頻譜及帶寬2024/9/2088DSB信號不能進行包絡檢波，需采用相干解調；除不含有載頻分量離散譜外，DSB信號的頻譜由上下對稱的兩個邊帶組成。故DSB信號是不帶載波的雙邊帶信號，它的帶寬為基帶信號帶寬的兩倍。2.DSB信號的功率分配及調制效率顯然，DSB信號的調制效率為100%。

2024/9/20893.DSB信號的解調

DSB信號只能采用相干解調，則乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波器濾除高次項，得

2024/9/20903.1.4單邊帶調制（SSB）

由于DSB信號的上、下兩個邊帶是完全對稱的，皆攜帶了調制信號的全部信息，因此，從信息傳輸?shù)慕嵌葋砜紤]，僅傳輸其中一個邊帶就夠了。

1.SSB信號的產生

（1）率波法2024/9/20912024/9/2092（2）用相移法形成SSB信號可以證明，SSB信號的時域表示式為：式中，“－”對應上邊帶信號，“+”對應下邊帶信號；

是的希爾伯特變換。2024/9/20932.SSB信號帶寬、功率和調制效率3.SSB信號的解調

SSB信號的解調也不能采用簡單的包絡檢波，需采用相干解調，2024/9/2094乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波后的解調輸出為2024/9/20953.1.5殘留邊帶調制（VSB）1.殘留邊帶信號的產生殘留邊帶調制是介于單邊帶調制與雙邊帶調制之間的一種調制方式，它既克服了DSB信號占用頻帶寬的問題，又解決了單邊帶濾波器不易實現(xiàn)的難題。在殘留邊帶調制中，除了傳送一個邊帶外，還保留了另外一個邊帶的一部分。2024/9/20962024/9/20972.殘留邊帶信號的解調3.2線性調制系統(tǒng)的抗操聲性能

本節(jié)將要研究的問題是，信道存在加性高斯白噪聲時各種線性系統(tǒng)的抗噪性能。3.2.1通信系統(tǒng)抗噪性能分析模型2024/9/20982024/9/2099

為窄帶高斯噪聲，可以表示為：其功率為：

2024/9/20100輸出信噪比定義為輸入信噪比人們常用信噪比增益作為不同調制方式下解調器抗噪性能的度量。它可以定義為：2024/9/201013.2.2線性調制相干解調的抗噪聲性能

1.DSB調制系統(tǒng)的性能（1）輸出信號的功率

2024/9/20102（2）輸出噪聲的功率

解調器最終的輸出噪聲為2024/9/20103（3）輸出信號的功率解調器輸入信號平均功率為

解調器的輸入和輸出信噪比為

因而調制制度增益為2024/9/201042.SSB調制系統(tǒng)的性能（1）輸出信號的功率

與相干載波相乘，并經(jīng)低通濾波器濾除高頻成分后，得解調器輸出信號和功率為：（2）輸出噪聲的功率

2024/9/20105（3）輸出信號的功率解調器輸入信號平均功率為解調器的輸出信噪比和調制制度增益為2024/9/20106DSB解調器的調制制度增益是SSB的二倍。但不能因此就說，雙邊帶系統(tǒng)的抗噪性能優(yōu)于單邊帶系統(tǒng)。具體分析如下：2024/9/201073.VSB調制系統(tǒng)的性能

VSB調制系統(tǒng)抗噪性能的分析方法與上面類似。但是，由于所采用的殘留邊帶濾波器的頻率特性形狀可能不同，所以難以確定抗噪性能的一般計算公式。

3.2.3常規(guī)調幅包絡檢波的抗噪聲性能

AM信號可采用相干解調或包絡檢波，具體原理見圖。2024/9/20108解調器輸入信號為：輸入噪聲為：輸入的信號功率、噪聲功率和信噪比：

2024/9/20109解調器輸入的信號加噪聲的合成波形是：其中合成包絡：為簡化起見，我們考慮兩種特殊情況。

（1）大信噪比情況

2024/9/20110輸出信號功率、噪聲功率和信噪比：調制制度增益：對于100％調制（即），且又是單音頻正弦信號時：

2024/9/20111（2）小信噪比情況

此時噪聲幅度遠大于輸入信號幅度，即得如下結論：在大信噪比情況下，AM信號包絡檢波器的性能幾乎與同步檢測器相同；但隨著信噪比的減小，包絡檢波器將在一個特定輸入信噪比值上出現(xiàn)門限效應。一旦出現(xiàn)門限效應，解調器的輸出信噪比將急劇變壞。

3.3角度調制（非線性調制）的原理及抗噪聲性能

線性調制不同，已調信號頻譜不再是原調制信號頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會產生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調制。角調制可分為頻率調制（FM）和相位調制（PM）。即載波的幅度保持不變，而載波的頻率或相位隨基帶信號變化。

2024/9/201122024/9/201133.3.1角度調制的基本概念角度調制信號的一般表達式為瞬時相位；瞬時相位偏移；瞬時頻率；瞬時頻偏。所謂相位調制，是指2024/9/20114調相信號可表示為：所謂頻率調制，是指瞬時頻率偏移隨基帶信號而線性變化，即則可得調頻信號為

可見，F(xiàn)M和PM非常相似，如果預先不知道調制信號的具體形式，則無法判斷已調信號是調頻信號還是調相信號。2024/9/20115

如果將調制信號先微分，再進行調頻，則可得到調相信號；如果將調制信號先積分，再進行調相，則可得到調頻信號。從以上分析可見，調頻與調相并無本質區(qū)別，兩者之間可以互換。

2024/9/201163.3.2窄帶調頻與寬帶調頻

根據(jù)調制后載波瞬時相位偏移的大小，可將頻率調制分為寬帶調頻（WBFM）與窄帶調頻（NBFM）。當

時，稱為窄帶調頻。否則，稱為寬帶調頻。

1.窄帶調頻（NBFM）2024/9/20117經(jīng)推導可得NBFM信號的頻域表達式：將上式與AM信號的頻譜比較很相似進行比較，它們的帶寬相同，即

2024/9/20118

對于單頻調制的特殊情況，可以得到頻譜如下。

2024/9/201192.寬帶調頻（WBFM）為使問題簡化，我們先研究單音調制的情況，然后把分析的結果推廣到多音情況。（1）單頻調制時寬帶調頻信號的頻域表達設單頻調制信號為則單音調頻信號的時域表達式為：

2024/9/20120調頻指數(shù)為：

傅氏變換即為頻譜：從上式可以看到調頻信號的頻譜中含有無窮多個頻率分量。

（2）單頻調制時的頻帶寬度一個廣泛用來計算調頻波頻帶寬度的公式為：

2024/9/20121（3）單頻調制時的功率分配因為，調頻信號雖然頻率在不停地變化，但振幅不變是個等幅波，而功率僅由幅度決定，與頻率無關，故它的功率即為：（4）任意限帶信號調制時寬帶調頻信號的帶寬頻偏比；最大頻率偏移2024/9/201223.3.3調頻信號的產生與解調

1.調頻信號的產生（1）直接法

就是利用調制信號直接控制振蕩器的頻率，使其按調制信號的規(guī)律線性變化。振蕩頻率由外部電壓控制的振蕩器叫做壓控振蕩器（VCO），它的輸出頻率正比于所加的控制電壓，即2024/9/20123（2）間接法

經(jīng)N次倍頻后可以使調頻信號的載頻和調制指數(shù)增為N倍。2024/9/201242.調頻信號的解調

（1）非相干解調

最簡單的解調器是具有頻率-電壓轉換作用的鑒頻器。

2024/9/20125

理想鑒頻器可看成是微分器與包絡檢波器的級聯(lián)。則微分器輸出

用包絡檢波器取出其包絡，并濾去直流后輸出：

Kd稱為鑒頻器靈敏度。

（2）相干解調

2024/9/20126設窄帶調頻信號為：相干載波：

則乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得再經(jīng)微分，得輸出信號2024/9/201273.3.4調頻系統(tǒng)的抗噪聲性能調頻系統(tǒng)抗噪性能分析與解調方法有關，這里只討論非相干解調系統(tǒng)的抗噪性能。1.輸入信噪比設輸入調頻信號為：2024/9/20128輸入信號功率：輸入噪聲功率：輸入信噪比：2.輸出信噪比及調制制度增益（1）大信噪比情況經(jīng)推導可以得到：寬帶調頻系統(tǒng)制度增益為：2024/9/20129

下面考慮單頻調制時的情況，設調制信號為：，則這時的調頻信號為：式中解調器輸出信噪比：解調器制度增益：寬帶調頻時，信號帶寬為：2024/9/20130所以，上式還可以寫成：（2）小信噪比情況與門限效應

3.4各種模擬調制系統(tǒng)的比較各種模擬調制方式總結（見表3-1）各種模擬調制方式性能比較

抗噪性能，WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差。NBFM與AM接近。頻帶利用率，SSB最好，VSB與SSB接近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差。

2024/9/201312024/9/201323.各種模擬調制方式的特點與應用3.5頻分復用（FDM）

“復用”是一種將若干個彼此獨立的信號，合并為一個可在同一信道上同時傳輸?shù)膹秃闲盘柕姆椒ā?/p>

有三種基本的多路復用方式：頻分復用（FDM）、時分復用（TDM）與碼分復用（CDM）。

2024/9/201332024/9/20134單邊帶信號的總頻帶寬度為：

2024/9/20135

頻分復用系統(tǒng)的最大優(yōu)點是信道復用率高，容許復用的路數(shù)多，分路也很方便。因此，它成為目前模擬通信中最主要的一種復用方式。特別是在有線和微波通信系統(tǒng)中應用十分廣泛。

2024/9/20136第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)4.1數(shù)字基帶信號碼型4.2基帶系統(tǒng)的脈沖傳輸與碼間干擾4.3無碼間串擾的基帶傳輸系統(tǒng)4.4無碼間串擾基帶系統(tǒng)的抗噪聲性能4.5眼圖4.6時域均衡原理*4.7部分響應系統(tǒng)*4.1數(shù)字基帶信號碼型基帶信號的要求主要有兩點：（1）對各種代碼的要求，期望將原始信息符號編制成適合于傳輸用的碼型；（2）對所選的碼型的電波形的要求，期望電波形適宜于在信道中傳輸。

本節(jié)討論前一問題。

2024/9/201372024/9/20138在設計數(shù)字基帶信號碼型時應考慮以下原則：

（1）碼型中應不含直流或低頻分量盡量少

;（2）碼型中高頻分量盡量少

;（3）碼型中應包含定時信息

;（4）碼型具有一定檢錯能力

;（5）編碼方案對發(fā)送消息類型不應有任何限制，即能適用于信源變化

;（6）低誤碼增殖;（7）高的編碼效率；（8）編譯碼設備應盡量簡單。

2024/9/201394.1.2數(shù)字基帶信號的常用碼型2024/9/201401.單極性非歸零（NRZ）碼

二進制符號“1”和“0”分別對應正電平和零電平，在整個碼元持續(xù)時間電平保持不變。單極性NRZ碼的主要特點：

（1）有直流分量，無法使用一些交流耦合的線路和設備；

（2）不能直接提取位同步信息；

（3）抗噪性能差；

（4）傳輸時需一端接地。

2024/9/201412.雙極性不歸零（NRZ）碼

“1”和“0”分別對應正、負電平，其特點為：（1）直流分量小。當二進制符號“1”、“0”等可能出現(xiàn)時，無直流成分；（2）接收端判決門限為0，容易設置并且穩(wěn)定，因此抗干擾能力強；（3）可以在電纜等無接地線上傳輸。2024/9/201423.單極性歸零（RZ）碼歸零碼是指它的有電脈沖寬度比碼元寬度窄，每個脈沖都回到零電平。優(yōu)點是可以直接提取同步信號，它是其它碼型提取同步信號需采用的一個過渡碼型。

4.雙極性歸零（RZ）碼

雙極性歸零碼具有雙極性不歸零碼的抗干擾能力強及碼中不含直流成分的優(yōu)點，應用比較廣泛。2024/9/201435.差分碼

在差分碼中，“1”、“0”分別用電平跳變或不變來表示。編碼：遇到“1”狀態(tài)反轉、“0”狀態(tài)不變；譯碼：有變化為“1”，沒變化為“0”。特點：即使接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，也能正確地進行判決。2024/9/201446.AMI碼這種碼型實際上把二進制脈沖序列變?yōu)槿娖降姆栃蛄?，其?yōu)點如下：

（1）在“1”、“0”碼不等概率情況下，也無直流成分，對具有變壓器或其它交流隅合的傳輸信道來說，不易受隔直特性的影響。（2）若接收端收到的碼元極性與發(fā)送端的完全相反，也能正確判決。（3）便于觀察誤碼情況。2024/9/201457.HDB3碼

AMI碼有一個重要缺點，即它可能出現(xiàn)長的連0串，會造成提取定時信號的困難。

HDB3碼的編碼規(guī)則為：

（1）先把消息代碼變成AMI碼；

（2）當出現(xiàn)4個或4個以上連0碼時進行處理，即引入破壞碼V和補信碼；而原來的二進制碼元序列中所有的“1”碼稱為信碼，用符號B表示。2024/9/20146

信碼B與破壞符號V的正負必須滿足如下兩個條件：①B碼和V碼各自都應始終保持極性交替變化的規(guī)律，以便確保編好的碼中沒有直流成分；②V碼必須與前一個碼（信碼B）同極性，以便和正常的AMI碼區(qū)分開來。如果這個條件得不到滿足，那么應該在四個連“0”碼的第一個“0”碼位置上加一個與V碼同極性的補信碼，用符號表示，并做調整。2024/9/20147例如：(a)代碼：010000110000010 1(b)AMI碼：0+10000-1+100000-10+1(c)加V：0+1000V+-1+1000V+0-10+1(d)加補信碼0+1000V+-1+10 0V-0+10-1(e)HDB3：0+1000+1–1+1-10 0-10+10–1HDB3碼的譯碼卻比較簡單，同時它對定時信號的恢復是極為有利的。HDB3是CCITT推薦使用的碼之一。2024/9/201488.Manchester碼該碼又稱為數(shù)字雙相碼或分相碼。其特點是每個碼元用兩個連續(xù)極性相反的脈沖來表示。如“1”碼用正、負脈沖表示，“0”碼用負、正脈沖表示，以太網(wǎng)采用分相碼作為線路傳輸碼。

9.CMI碼其編碼規(guī)則為：“1”碼交替用“00”和“11”表示；“0”碼用“01”表示。

10.多進制碼（具體情況見書p89）2024/9/201494.1.3數(shù)字基帶信號功率譜

不同形式的數(shù)字基帶信號具有不同的頻譜結構，分析數(shù)字基帶信號的頻譜特性，以便合理地設計數(shù)字基帶信號。可以證明，隨機脈沖序列雙邊功率譜為：2024/9/20150結論：

（1）隨機脈沖序列功率譜包括兩部分：連續(xù)譜（第一項）和離散譜（第二項）。

（2）當、、p及給定后，隨機脈沖序列功率譜就確定了。

下面，以矩形脈沖構成的基帶信號為例，通過幾個有代表性的特例對式（4-3）的應用及意義做進一步的說明。p914.2基帶系統(tǒng)的脈沖傳輸與碼間干擾

4.2.1數(shù)字基帶系統(tǒng)的工作原理2024/9/201512024/9/201522024/9/201534.2.2基帶傳輸系統(tǒng)的碼間串擾傳輸過程中第4個碼元發(fā)生了誤碼，產生該誤碼的原因就是信道加性噪聲和頻率特性?；鶐鬏斚到y(tǒng)的數(shù)學模型如圖所示：發(fā)送濾波器輸入信號可以表示為：

2024/9/20154

發(fā)送濾波器至接收濾波器總的傳輸特性為：則由圖可得抽樣判決器的輸入信號為：為了判定第j個碼元aj的值，應在瞬間對y(t)抽樣。顯然，此抽樣值為：2024/9/201554.2.3碼間串擾的消除從數(shù)學表示式看，只要即可消除碼間干擾，但ak是隨機變化的，要想通過各項互相抵消使碼間串擾為0是不可能的。只能依靠系統(tǒng)沖激響應在采樣點處為零。

2024/9/20156

考慮到實際應用時，定時判決時刻不一定非常準確，這樣的尾巴拖得太長，當定時不準時，任一個碼元都要對后面好幾個碼元產生串擾，或者說后面任一個碼元都要受到前面幾個碼元的串擾。因此對系統(tǒng)還要求適當衰減快一些，即尾巴不要拖得太長。4.3無碼間串擾的基帶傳輸系統(tǒng)

無碼間串擾對基帶傳輸系統(tǒng)沖激響應的要求概括如下：

（1）基帶信號經(jīng)過傳輸后在抽樣點上無碼間串擾，也即瞬時抽樣值應滿足

（2）尾部衰減要快。

2024/9/201572024/9/20158

經(jīng)整理后無碼間串擾的條件為：可以找到很多能滿足這個要求的系統(tǒng)，例如

2024/9/20159

4.3.1理想基帶傳輸系統(tǒng)理想基帶傳輸系統(tǒng)的傳輸特性具有理想低通特性，其傳輸函數(shù)為：

相應的時域表達式為：

2024/9/20160

如果信號經(jīng)傳輸后整個波形發(fā)生變化，但只要其特定點的抽樣值保持不變，那么用再次抽樣的方法，仍然可以準確無誤地恢復原始信碼。這就是奈奎斯特第一準則的本質。2024/9/20161

輸入序列若以的碼元速率1/Tb進行無碼間串擾傳輸時，所需的最小傳輸帶寬為1/2Tb

（Hz）,通常稱1/2Tb為奈奎斯特帶寬。

頻帶利用率是指碼元速率和帶寬的比值：顯然，理想低通傳輸函數(shù)具有最大的頻帶利用率，其值為2Baud/Hz。但是，理想基帶傳輸系統(tǒng)實際上不可能得到應用。這是因為首先物理不可實現(xiàn)的；其次，拖尾很大。2024/9/20162

4.3.2無碼間串擾的等效特性經(jīng)數(shù)學推導可以得到：

要滿足無碼間串擾，則要求

2024/9/20163

4.3.3實用的無碼間串擾基帶傳輸特性

理想沖激響應的尾巴衰減很慢的原因是系統(tǒng)的頻率特性截止過于陡峭，進行“圓滑”處理可以減小拖尾，通常被稱為“滾降”。而滾降系數(shù)定義為：

2024/9/20164

滾降系數(shù)的不同可以得出結論：

（1）當時，為理想基帶傳輸系統(tǒng)，h(t)的“尾巴”按1/t的規(guī)律衰減。當時，“尾巴”的衰減速率比1/t

大。（2）輸出信號頻譜所占據(jù)的帶寬為：一般情況下，=0～1時，，頻帶利用率為2～1Baud/Hz。可以看出越大，“尾部”衰減越快，但帶寬越寬，頻帶利用率越低。4.4無碼間串擾基帶系統(tǒng)的抗噪聲性能

碼間串擾和噪聲是影響接收端正確判決，從而造成誤碼的因素。本節(jié)來討論噪聲引起的誤碼率。

2024/9/201652024/9/20166

若二進制基帶信號為雙極性，則在抽樣時刻x(t)的取值為：

2024/9/20167

設判決門限為Vd，則

，判為“1”碼，判為“0”碼

可能出現(xiàn)兩種判決錯誤：原“1”錯判成“0”或原“0”錯判成“1”，圖中帶“×”的碼元就是錯碼。下面分析由于信道加性噪聲引起這種誤碼的概率，即誤碼率。

設信道加性噪聲為均值為0的高斯白噪聲，而接收濾波器又是一個線性網(wǎng)絡，故判決電路輸入噪聲也是均值為0的高斯噪聲。2024/9/20168nR(t)的功率譜密度為：

方差（噪聲平均功率）為：nR(t)瞬時值的一維概率密度函數(shù)可表述為：發(fā)送“1”時均值為A，其一維概率密度函數(shù)為：

2024/9/20169發(fā)送“0”時均值為-A，其概率密度函數(shù)為：它們相應的曲線如圖所示：

2024/9/20170

噪聲會引起兩種誤碼概率：

（1）發(fā)“1”錯判為“0”的概率P(0/1)；

（2）發(fā)“0”錯判為“1”的概率P(1/0)；

2024/9/20171基帶傳輸系統(tǒng)總的誤碼率可表示為：

在A和一定的條件下，可以找到一個使誤碼率最小的判決門限電平，這個門限電平稱為最佳門限電平。令當P(1)=P(0)=1/2時2024/9/20172這時，基帶信號系統(tǒng)總的誤碼率為：

這就是雙極性、等概發(fā)送“1”碼和“0”碼、且在最佳判決門限電平下，基帶傳輸系統(tǒng)總的誤碼率表示式。對于單極性信號，最佳門限電平為：當P(1)=P(0)=1/2時：2024/9/20173基帶信號系統(tǒng)總的誤碼率為：比較雙極性信號與單極性信號可知：

（1）在基帶信號峰值相等、噪聲均方根值也相同時，單極性基帶系統(tǒng)的抗噪性能不如雙極性基帶系統(tǒng)。（2）在誤碼率相同條件下，單極性基帶系統(tǒng)需要的信噪功率比要比雙極性高3dB。

2024/9/20174

（3）在發(fā)送“1”、“0”碼等概情況下，單極性基帶系統(tǒng)的最佳判決門限電平隨心到特性發(fā)生變化。因此，數(shù)字基帶系統(tǒng)多采用雙極性信號進行傳輸。

4.5眼圖

眼圖就是用的實驗方法宏觀監(jiān)測系統(tǒng)的性能。

4.5.1眼圖的概念眼圖是指利用實驗的方法估計和改善（通過調整）傳輸系統(tǒng)性能時在示波器上觀察到的一種圖形。從“眼圖”上可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響，從而估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度。2024/9/201752024/9/201764.5.2眼圖形成原理及模型

1.無噪聲時的眼圖2024/9/20177

眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串擾的強弱?！把劬Α睆埖脑酱?，且眼圖越端正，表示碼間串擾越??；反之表示碼間串擾越大。

2.存在噪聲時的眼圖當存在噪聲時，觀察到的眼圖的線跡會變得模糊不清。若同時存在碼間串擾，“眼睛”將張開得更小。與無碼間串擾時的眼圖相比，原來清晰端正的細線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正。噪聲越大，線跡越寬，越模糊；碼間串擾越大，眼圖越不端正。2024/9/201783.眼圖的模型2024/9/20179（1）最佳抽樣時刻在“眼睛”張最大的時刻。（2）對定時誤差的靈敏度可由眼圖斜邊的斜率決定。

（3）在抽樣時刻上，眼圖上下兩分支陰影區(qū)的垂直高度，表示最大信號畸變。（4）眼圖中橫軸位置應對應判決門限電平。（5）各相應電平的噪聲容限。（6）傾斜分支與橫軸相交的區(qū)域的大小，表示零點位置的變動范圍。2024/9/20180第5章數(shù)字信號的頻帶傳輸5.1二進制數(shù)字幅度調制5.2二進制數(shù)字頻率調制5.3二進制數(shù)字相位調制5.4二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較5.1二進制數(shù)字幅度調制

調制信號為二進制數(shù)字信號時，這種調制稱為二進制數(shù)字調制。在二進制數(shù)字調制中，載波的幅度、頻率或相位只有兩種變化狀態(tài)。5.1.1一般原理與實現(xiàn)方法

數(shù)字幅度調制又稱幅度鍵控（ASK），二進制幅度鍵控記作2ASK。

2024/9/201812024/9/201822ASK信號可表示為：

s(t)為單極性NRZ矩形脈沖序列：

2ASK信號的產生方法（調制方法）

2024/9/201832ASK信號解調的常用方法主要有兩種：包絡檢波法和相干檢測法。2024/9/201845.1.22ASK信號的功率譜及帶寬一個2ASK信號可以表示成：設：調制信號的功率譜為Ps(f)，則已調信號的功率譜為Pe(f)：帶寬為：頻帶利用率為：

2024/9/201852024/9/201865.1.32ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能假定信道噪聲為加性高斯白噪聲，其均值為0、方差為；接收的信號為：

1.包絡檢測時2ASK系統(tǒng)的誤碼率其接收帶通濾波器BPF的輸出為：

2024/9/20187經(jīng)包絡檢波器檢測，輸出包絡信號：發(fā)“1”時，BPF輸出包絡的抽樣值的一維概率密度函數(shù)服從萊斯分布；而發(fā)“0”時，BPF輸出包絡的抽樣值的一維概率密度函數(shù)服從瑞利分布。

2024/9/20188

存在兩種錯判的可能性：一是發(fā)送的碼元為“1”時，錯判為“0”，其概率記為；二是發(fā)送的碼元為“0”時，錯判為“l(fā)”，其概率記為。

2024/9/20189

則系統(tǒng)的總誤碼率為：不難看出，當時，該陰影面積之和最小，即誤碼率最低。稱此使誤碼率獲最小值的門限為最佳門限，其值為。系統(tǒng)的誤碼率近似為：其中表示信噪比。2024/9/201902.相干解調時2ASK系統(tǒng)的誤碼率其接收帶通濾波器BPF的輸出為：取本地載波，則乘法器輸出，在抽樣判決器輸入端得到：

2024/9/20191

x(t)值的一維概率密度為：

2024/9/20192

不難看出，最佳判決門限為：

可以證明，這時系統(tǒng)的誤碼率為：當信噪比遠大于1時，上式近似為：

在大信噪比情況下，2ASK信號相干解調時的誤碼率總是低于包絡檢波時的誤碼率，即相干解調2ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干解調系統(tǒng)。注意例題。

5.2二進制數(shù)字頻率調制

5.2.1調制原理與實現(xiàn)方法

數(shù)字頻移鍵控是用載波的頻率來傳送數(shù)字消息，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。

2024/9/201932024/9/20194

根據(jù)2FSK信號的產生原理，已調信號的數(shù)字表達式可以表示為：其中：初相位可以是不連續(xù)，也可以是連續(xù)的；2024/9/201952024/9/201965.2.22FSK信號的解調數(shù)字調頻信號的解調方法很多，如鑒頻法、相干檢測法、包絡檢波法、過零檢測法、差分檢測法等。包絡檢波法

2024/9/201972.相干檢測法2024/9/201983.過零檢測法2024/9/201994.差分檢測法角頻率頻移有兩種取值，乘法器輸出為：合理的選取延遲，使得2024/9/20200此時輸出電壓與角頻偏呈線性關系，實現(xiàn)近似線性的頻幅轉換特性，這正是鑒頻特性所要求的。針對的兩種取值，經(jīng)抽樣判決器可檢測出“1”和“0”。2024/9/202015.2.32FSK信號的功率譜及帶寬

2FSK信號可視為兩個2ASK信號的合成：則2FSK信號功率譜為兩個2ASK功率譜之和。2024/9/20202分析上圖可見：（1）2FSK信號的功率譜與2ASK信號的功率譜相似，由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成。

（2）連續(xù)譜的形狀隨著的大小而異。出現(xiàn)雙峰；出現(xiàn)單峰。

（3）2FSK信號的頻帶寬度為

2024/9/202035.2.42FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

1.同步檢測法的系統(tǒng)性能2024/9/20204發(fā)送端產生的2FSK信號可表示為：

接收機收入端合成波形為：接收端上、下支路兩個帶通濾波器BPF1、BPF2的輸出波形分別為：

2024/9/20205

考慮到這里的噪聲為窄帶高斯噪聲則：發(fā)送“1”符號，則上下支路低通濾波器輸出分別為：2024/9/20206

將造成發(fā)送“1”碼而錯判為“0”碼，錯誤概率為：其一維概率密度函數(shù)可表示為：

2024/9/20207

同理可得，發(fā)送“0”符號而錯判為“1”符號的概率為

于是可得2FSK信號采用同步檢測法解調時系統(tǒng)的誤碼率為：在大信噪比條件下，上式可近似表示為

2024/9/202082.包絡檢波法的系統(tǒng)性能

發(fā)送“1”符號2024/9/20209

經(jīng)計算2FSK信號采用包絡檢波法解調時系統(tǒng)的誤碼率為：

（1）在輸入信號信噪比一定時，相干解調的誤碼率小于非相干解調的誤碼率；當系統(tǒng)的誤碼率一定時，相干解調比非相干解調對輸入信號的信噪比要求低。

（2）相干解調時，需要插入兩個相干載波，電路較為復雜。見例題5.25.3二進制數(shù)字相位調制

根據(jù)載波相位表示數(shù)字信息的方式不同，數(shù)字調相分為絕對相移（PSK）和相對相移（DPSK）兩種。5.3.1二進制相移鍵控（2PSK）

1.一般原理及實現(xiàn)方法2024/9/202102024/9/20211

2PSK信號的典型波形如圖所示：

2PSK信號的調制方框圖如圖所示：

2024/9/20212

2PSK信號的解調：不考慮噪聲時，帶通濾波器輸出可表示為：

2024/9/20213

2PSK接收系統(tǒng)各點波形如圖所示：

2024/9/20214

2.2PSK信號的頻譜和帶寬

2PSK信號的功率譜密度可以寫成：對于雙極性NRZ碼，由于不存在直流成分，因此，2PSK信號功率譜示意圖如圖5-21所示：2024/9/20215

因此，2PSK信號的帶寬、頻帶利用率也與2ASK信號的相同。在數(shù)字調相中，由于表征信息的相位變化只有有限的離散取值，因此，可以把相位變化歸結為幅度變化。為此可以把數(shù)字調相信號當作線性調制信號來處理了。

2024/9/202163.2PSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

2PSK信號相干解調系統(tǒng)模型如圖所示：經(jīng)信道傳輸，接收端輸入信號為：2024/9/20217

經(jīng)帶通濾波器輸出：與本地載波相乘后，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，在抽樣判決器輸入端得到：

2024/9/202182024/9/202192PSK系統(tǒng)的最佳判決門限電平為：在最佳門限時，2PSK系統(tǒng)的誤碼率為：在大信噪比下，上式成為：

2024/9/202205.3.2二進制差分相移鍵控（2DPSK）

1.一般原理及實現(xiàn)方法它不是利用載波相位的絕對數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用本碼元與前一碼元相位之差來傳送數(shù)字信息的。

2024/9/20221

相對移相信號可以看作是把數(shù)字信息序列（絕對碼）變換成相對碼，然后再根據(jù)相對碼進行絕對移相而形成。絕對碼和相對碼是可以互相轉換的，其轉換關系為：編碼器譯碼器2024/9/20222

相對相移本質上就是對差分碼信號的絕對相移。即實現(xiàn)相對調相的最常用方法如圖所示。2024/9/202232DPSK的解調有兩種，一種是差分相干解調，另一種是相干解調-碼變換法。（1）相干解調-碼變換法。

（2）差分相干解調法。它是直接比較前后碼元的相位差而構成的，這種方法不需要碼變換器，也不需要專門的相干載波發(fā)生器，因此設備比較簡單、實用。

2024/9/202242024/9/202252.2DPSK信號的頻譜和帶寬無論是2PSK還是2DPSK信號，就波形本身而言，它們都可以等效成雙極性信號作用下的調幅信號，無非是一對倒相信號的序列。有以下結論：（1）2DPSK與2PSK有相同的功率譜；（2）它們的帶寬和頻帶利用率均相同。2024/9/202263.2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

（1）極性比較-碼變換法解調時2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能為了分析碼反變換器對誤碼的影響，以序列0110111001為例，可以得到下圖：2024/9/202272024/9/20228以這方式解調時的誤碼率為：當誤碼率很小時：由此可見，碼反變換器器總是使系統(tǒng)誤碼率增加，通常認為增加一倍。（2）差分相干解調時2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能2024/9/202294.2PSK與2DPSK系統(tǒng)的比較（1）檢測這兩種信號時判決器均可工作在最佳門限電平（零電平）。（2）2DPSK抗噪聲性能不及2PSK。（3）2PSK系統(tǒng)存在“反向工作”問題，而2DPSK系統(tǒng)不存在“反向工作”問題。因此在實際應用中，真正作為傳輸用的數(shù)字調相信號幾乎都是DPSK信號。見例題5.3。5.4二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較

1.誤碼率（見表5-1

）

對二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能做如下兩個方面的比較：

（1）同一調制方式不同檢測方法的比較

對于同一調制方式不同檢測方法，相干檢測的抗噪聲性能優(yōu)于非相干檢測。

2024/9/202302024/9/20231

（