第7章 數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng).ppt

1、1,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),概述 數(shù)字調(diào)制：把數(shù)字基帶信號(hào)變換為數(shù)字帶通信號(hào)（已調(diào)信號(hào)）的過(guò)程。 數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)：通常把包括調(diào)制和解調(diào)過(guò)程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)。 數(shù)字調(diào)制技術(shù)有兩種方法： 利用模擬調(diào)制的方法去實(shí)現(xiàn)數(shù)字式調(diào)制； 通過(guò)開關(guān)鍵控載波，通常稱為鍵控法。 基本鍵控方式：振幅鍵控、頻移鍵控、相移鍵控 數(shù)字調(diào)制可分為二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制。,2,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),7.1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理 7.1.1 二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK） 基本原理： “通-斷鍵控(OOK)”信號(hào)表達(dá)式 波形,3,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2ASK信號(hào)的一般表達(dá)式 其中 Ts 碼元持續(xù)時(shí)間； g(t) 持續(xù)時(shí)間為Ts的

2、基帶脈沖波形，通常假設(shè)是高 度為1，寬度等于Ts的矩形脈沖； an 第N個(gè)符號(hào)的電平取值，若取 則相應(yīng)的2ASK信號(hào)就是OOK信號(hào)。,4,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2ASK信號(hào)產(chǎn)生方法 模擬調(diào)制法（相乘器法） 鍵控法,5,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2ASK信號(hào)解調(diào)方法 非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法) 相干解調(diào)(同步檢測(cè)法),6,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),非相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形,7,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),功率譜密度 2ASK信號(hào)可以表示成 設(shè)二進(jìn)制基帶信號(hào)s(t)的功率譜密度為：,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),8,9,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2ASK信號(hào)的功率譜密度示意圖,二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的功率譜密度由離散

3、二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)二進(jìn)制振幅2ASK的功率譜密度由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成,離散譜由載波分量確定，連續(xù)譜由基帶信號(hào)波形g(t)確定,10,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),7.1.2 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK） 基本原理 表達(dá)式：在2FSK中，載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。故其表達(dá)式為,11,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),典型波形： 由圖可見，2FSK 信號(hào)的波形(a)可以分解為波形(b)和波形（c），也就是說(shuō)，一個(gè)2FSK信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載頻的2ASK信號(hào)的疊加。因此，2FSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式又可寫成,12,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),式中 g(t) 單個(gè)矩形脈沖， Ts 脈沖持

4、續(xù)時(shí)間； 2FSK信號(hào)的表達(dá)式可簡(jiǎn)化為,13,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2FSK信號(hào)的解調(diào)方法 非相干解調(diào),第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),14,2FSK非相干解調(diào)過(guò)程的時(shí)間波形,15,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),相干解調(diào),16,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),其他解調(diào)方法：比如鑒頻法、差分檢測(cè)法、過(guò)零檢測(cè)法等。下圖給出了過(guò)零檢測(cè)法的原理方框圖及各點(diǎn)時(shí)間波形。,17,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),功率譜密度 對(duì)相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)，可以看成由兩個(gè)不同載頻的2ASK信號(hào)的疊加，它可以表示為 其中，s1(t)和s2(t)為兩路二進(jìn)制基帶信號(hào)。 據(jù)2ASK信號(hào)功率譜密度的表示式，不難寫出這種2FSK信號(hào)的功率譜密度的表示式

5、：,令概率P=1/2，則有:,18,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),其曲線如下：,19,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),由上圖可以看出： 相位不連續(xù)2FSK信號(hào)的功率譜由連續(xù)譜和離散譜組成。其中，連續(xù)譜由兩個(gè)中心位于f1和f2處的雙邊譜疊加而成，離散譜位于兩個(gè)載頻f1和f2處； 連續(xù)譜的形狀隨著兩個(gè)載頻之差的大小而變化，若| f1 f2 | fs ，則出現(xiàn)雙峰； 若以功率譜第一個(gè)零點(diǎn)之間的頻率間隔計(jì)算2FSK信號(hào)的帶寬，則其帶寬近似為 其中，fs = 1/Ts為基帶信號(hào)的帶寬。圖中的fc為兩個(gè)載頻的中心頻率。,20,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),7.1.3 二進(jìn)制相移鍵控（2PSK） 2PSK信號(hào)的表達(dá)式： 在2P

6、SK中，通常用初始相位0和分別表示二進(jìn)制“1”和“0”。因此，2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 式中，n表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位： 因此，上式可以改寫為,21,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),典型波形,22,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK信號(hào)可以表述為一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波的相乘： 式中 這里，g(t)是脈寬為Ts的單個(gè)矩形脈沖，而an的統(tǒng)計(jì)特性為 即發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“0”時(shí)（an取+1），e2PSK(t)取0相位；發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“1”時(shí)（ an取 -1）， e2PSK(t)取相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式，稱為二進(jìn)制

7、絕對(duì)相移方式。,23,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2PSK信號(hào)的調(diào)制器原理方框圖 模擬調(diào)制的方法 鍵控法,24,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2PSK信號(hào)的相干解調(diào)原理方框圖和波形圖：,25,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng), 當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180倒相時(shí)，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好是相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號(hào)全部出錯(cuò)。 這種現(xiàn)象通常稱為“倒”現(xiàn)象。由于在2PSK信號(hào)的載波恢復(fù)過(guò)程中存在著180的相位模糊，所以2PSK信號(hào)的相干解調(diào)存在隨機(jī)的“倒”現(xiàn)象，從而使得2PSK方式在實(shí)際中很少采用。 ,26,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),功率譜密度 2PSK信號(hào)可表示為雙極性不歸零二進(jìn)制基帶信號(hào)與正弦

8、載波相乘，則2PSK信號(hào)的功率譜為 應(yīng)當(dāng)注意，這里的Ps(f)是雙極性矩形脈沖序列的功率譜。,27,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),若P =1/2，并考慮到矩形脈沖的頻譜： 則2PSK信號(hào)的功率譜密度為,28,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),功率譜密度曲線 從以上分析可見，二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的頻譜特性與2ASK的十分相似，帶寬也是基帶信號(hào)帶寬的兩倍。區(qū)別僅在于當(dāng)P=1/2時(shí)，其譜中無(wú)離散譜（即載波分量）。,29,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),7.1.4 二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK） 2DPSK原理 為了解決2PSK信號(hào)解調(diào)過(guò)程的反向工作問題，提出了二進(jìn)制差分相位鍵控(2DPSK）。)。 2DPSK是利用前后相鄰

9、碼元的載波相對(duì)相位變化傳遞數(shù)字信息，所以又稱相對(duì)相移鍵控。 假設(shè)為當(dāng)前碼元與前一碼元的載波相位差，定義數(shù)字信息與 之間的關(guān)系為,30,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),相應(yīng)的2DPSK信號(hào)的波形如下： 由此例可知，對(duì)于相同的基帶信號(hào)，由于初始相位不同，2DPSK信號(hào)的相位可以不同。即2DPSK信號(hào)的相位并不直接代表基帶信號(hào)，而前后碼元的相對(duì)相位才決定信息符號(hào)。,31,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法 由上圖可見，先對(duì)二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，即把表示數(shù)字信息序列的絕對(duì)碼變換成相對(duì)碼（差分碼），然后再根據(jù)相對(duì)碼進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相，從而產(chǎn)生二進(jìn)制差分相移鍵控信號(hào)。 上圖中使用的是傳號(hào)差分碼，

10、即載波的相位遇到原數(shù)字信息“1”變化，遇到“0”則不變。,32,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2DPSK信號(hào)調(diào)制器原理方框圖 差分碼可取傳號(hào)差分碼或空號(hào)差分碼。其中，傳號(hào)差分碼的編碼規(guī)則為 式中，為模2加，bn-1為bn的前一碼元，最初的bn-1可任意設(shè)定。 上式的逆過(guò)程稱為差分譯碼（碼反變換），即,33,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2DPSK的相干解調(diào)器原理圖和各點(diǎn)波形,34,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2DPSK信號(hào)的差分相干解調(diào)(相位比較）法,35,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),由于差分相干解調(diào)方式在解調(diào)的同時(shí)完成了碼反變換作用，故解調(diào)器中不需要碼反變換器。另外，差分相干解調(diào)方式不需要專門的相干載波，因此是

11、一種非相干解調(diào)方法。 2DPSK系統(tǒng)是一種實(shí)用的數(shù)字調(diào)相系統(tǒng)，但其抗加性白噪聲性能比2PSK的要差。,36,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),功率譜密度 2DPSK信號(hào)和2PSK信號(hào)的功率譜密度是完全一樣的。信號(hào)帶寬為 與2ASK的相同，也是碼元速率的兩倍。,37,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),7.2 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 概述 通信系統(tǒng)的抗噪聲性能是指系統(tǒng)克服加性噪聲影響的能力。分析數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能，也就是求系統(tǒng)在信道噪聲干擾下的總誤碼率。,對(duì)2ASK信號(hào)可采用包絡(luò)檢波法和同步檢測(cè)法進(jìn)行解調(diào)。 1. 同步檢測(cè)法的系統(tǒng)性能 在一個(gè)碼元的時(shí)間間隔Ts內(nèi)，發(fā)送端輸出的信號(hào)波形sT(t)為,其中,

12、7.2.1 2ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2ASK信號(hào)同步檢測(cè)法的系統(tǒng)性能分析模型,式中,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),設(shè)接收端帶通濾波器具有理想矩形傳輸特性，恰好使信號(hào)完整通過(guò)，則帶通濾波器的輸出波形y(t)為,n(t)為窄帶高斯噪聲，其均值為零，方差為2n。,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),設(shè)對(duì)第k個(gè)符號(hào)的抽樣時(shí)刻為kTs，則x(t)在kTs時(shí)刻的抽樣值x為,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),一維概率密度函數(shù)f (x)為,發(fā)送“1”,發(fā)送“0”,圖 7- 23 抽樣值x的一維概率密度函數(shù),第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),式中：,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),圖 7 24 同步檢測(cè)時(shí)誤碼率的幾何表示,總誤碼率

13、,當(dāng)判決門限b取P(1)f1(x)與P(0)f0(x)兩條曲線相交點(diǎn)b*時(shí)，陰影的面積最小。即判決門限取為b*時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的誤碼率Pe最小。這個(gè)門限就稱為最佳判決門限。,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),當(dāng) ，大信噪比時(shí),求最佳門限b*,當(dāng)P(1)=P(0)=1/2時(shí),則最小誤碼率為,式中 為信噪比,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2ASK信號(hào)包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)抗噪聲性能,圖 7 25 包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能分析模型,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),一維概率密度函數(shù)為,發(fā)送“1” (廣義瑞利),發(fā)送“0” (瑞利),在kTs時(shí)刻包絡(luò)檢波器輸出波形的抽樣值為,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),式中,Marcum Q函數(shù),歸一化門限值,

14、信噪比,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),總誤碼率,與同步檢測(cè)法類似，在系統(tǒng)輸入信噪比一定的情況下，系統(tǒng)誤碼率將與歸一化門限值b0有關(guān)。,求最佳門限b*,P(1)=P(0),第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),當(dāng),最佳歸一化門限b0*,當(dāng),最佳歸一化門限b0*,在實(shí)際工作中，系統(tǒng)總是工作在大信噪比的情況下， 因此最佳歸一化判決門限應(yīng)取 。,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),當(dāng)r式， 上式的下界為,可以看出：在相同的信噪比條件下，同步檢測(cè)法的誤碼性能優(yōu)于包絡(luò)檢波法的性能；在大信噪比條件下，包絡(luò)檢波法的誤碼性能將接近同步檢測(cè)法的性能。另外，包絡(luò)檢波法存在門限效應(yīng)， 同步檢測(cè)法無(wú)門限效應(yīng)。,總誤碼率,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),【例】

15、設(shè)某2ASK系統(tǒng)中二進(jìn)制碼元傳輸速率為9600波特，發(fā)送“1”符號(hào)和“0”符號(hào)的概率相等，接收端分別采用同步檢測(cè)法和包絡(luò)檢波法對(duì)該2ASK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。已知接收端輸入信號(hào)幅度a=1mV，信道等效加性高斯白噪聲的雙邊功率譜密度 n0/2=410-13W/Hz。 試求: (1) 同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)總的誤碼率； (2) 包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)總的誤碼率。 解：(1)對(duì)于2ASK信號(hào)，信號(hào)功率主要集中在其頻譜的主瓣。因此，接收端帶通濾波器帶寬可取2ASK信號(hào)頻譜的主瓣寬度，即,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),信噪比,因?yàn)樾旁氡萺32.551，所以同步檢測(cè)法解調(diào),濾波器帶寬,輸出噪聲平均功率,(2) 包絡(luò)檢波法

16、解調(diào)時(shí)系統(tǒng)總的誤碼率為,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),54,7.3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較 誤碼率,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),由表 可以看出，從橫向來(lái)比較，對(duì)同一種數(shù)字調(diào)制信號(hào)，采用相干解調(diào)方式的誤碼率低于采用非相干解調(diào)方式的誤碼率。 若信噪比r一定，2PSK系統(tǒng)的誤碼率低于2FSK系統(tǒng)，2FSK系統(tǒng)的誤碼率低于2ASK系統(tǒng)。,55,56,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),7.4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理 7.4.1 多進(jìn)制振幅鍵控(MASK) 概述 優(yōu)點(diǎn)：MASK信號(hào)的帶寬和2ASK信號(hào)的帶寬相同，故單位頻帶的信息傳輸速率高，即頻帶利用率高。,57,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),舉例 基帶信號(hào)

17、是多進(jìn)制單極性不歸零脈沖,58,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),基帶信號(hào)是多進(jìn)制雙極性不歸零脈沖 二進(jìn)制抑制載波雙邊帶信號(hào)就是2PSK信號(hào)。,59,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),7.4.2 多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK) 4FSK信號(hào)波形舉例,(b) 4FSK信號(hào)的取值,60,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),MFSK信號(hào)的帶寬： B = fM - f1 + f 式中 f1 最低載頻 fM 最高載頻 f 單個(gè)碼元的帶寬,61,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),7.4.3 多進(jìn)制相移鍵控(MPSK) 表達(dá)式,62,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),2PSK,4PSK,8PSK,信號(hào)矢量圖,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),63,M越大，功率譜主瓣越窄，

18、 從而頻帶利用率越高。,M進(jìn)值數(shù)字相位調(diào)制信號(hào)功率譜,64,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),正交相移鍵控(QPSK) 4PSK常稱為正交相移鍵控(QPSK)的產(chǎn)生與解調(diào) QPSK信號(hào)的編碼規(guī)則,65,4PSK,信號(hào)矢量圖,66,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),QPSK調(diào)制 兩種產(chǎn)生方法: 正交調(diào)制產(chǎn)生方法,67,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),相位選擇法,68,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),QPSK解調(diào) 原理方框圖 用兩路正交的相干載波去解調(diào)，可以很容易地分離這兩路正交的2PSK信號(hào)。 相干解調(diào)后的兩路并行碼元a和b，經(jīng)過(guò)并/串變換后，成為串行數(shù)據(jù)輸出。,69,第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),偏置QPSK(OQPSK) QPSK體制的缺點(diǎn)：它的相鄰碼元最大相位差達(dá)到180，這在頻帶受限的系統(tǒng)中會(huì)引起信號(hào)包絡(luò)的很大起伏。 偏置QPSK的改進(jìn)：為了減小此相位突變，將兩個(gè)正交分量的兩個(gè)比特a和b在時(shí)間上錯(cuò)開半個(gè)碼元，使之不可能同時(shí)改變。這樣安排后相鄰碼元相位差的最大值僅為90（見下表），從而減小了信號(hào)振幅的起伏。 OQPSK和QPSK的唯一區(qū)別在于：對(duì)于QPS