电子科大通信原理第5章 基本的数字频带传输复习

1、1/652021-12-16本章要求：本章要求：1. 掌握掌握 2ASK、 2FSK 、2PSK、2DPSK的调制原理和解调的调制原理和解调方法，会画各种已调信号的功率谱、会计算各种已调信号方法，会画各种已调信号的功率谱、会计算各种已调信号的带宽（包括无的带宽（包括无ISI系统）。会画系统）。会画2ASK、 2FSK 、 2PSK、2DPSK、QPSK信号波形；信号波形； 2. 了解了解 QPSK的调制原理和解调方法，会画的调制原理和解调方法，会画 QPSK 的功率的功率谱、会计算谱、会计算QPSK的带宽（包括无的带宽（包括无ISI系统）。掌握系统）。掌握QPSK的的星座图。星座图。3. 掌握

2、数字调制系统的差错率的计算方法掌握数字调制系统的差错率的计算方法 (OOK, BPSK, BFSK ， 2DPSK，QPSK, OQPSK)；会比较各系统的性能；会比较各系统的性能优劣（可靠性和有效性）。优劣（可靠性和有效性）。第第5 5章章 基本的数字频带传输基本的数字频带传输2/652021-12-16数字频带传输技术数字频带传输技术在带通信道上传输数字信号的方法。在带通信道上传输数字信号的方法。图图5.0 二元二元ASK、FSK与与PSK的信号波形的信号波形 3/652021-12-16数字频带调制数字频带调制传输媒介传输媒介(信道信道)数字频带解调数字频带解调 m t m t s t

3、r ts tn t调制信号调制信号已调带通信号已调带通信号数字基带信号数字基带信号数字基带信号数字基带信号带通信号带通信号数字载波系统模型：数字载波系统模型： n t4/652021-12-16已调带通信号已调带通信号: 的谱的谱:( ) s t 1/2ccS fG ffGff或功率谱或功率谱: 1/4 sgcgcPfPffPff : G fF g t其中 PSDgPfg t是的2( )( )cos2( )( )cos2( )sin2Re ( )ccccscjf ts ta tf ttx tf tx tf tg t e( )( )( )( )( )jtcsg ta t ex tjx t5/65

4、2021-12-165.1.1 基本原理基本原理 2ASK或或OOK (二进制幅移键控二进制幅移键控) 键控（改变）正弦键控（改变）正弦载波的振幅来传输载波的振幅来传输0或或1符号。符号。 1. 2ASK信号及其调制方法信号及其调制方法 图图5.1.1 2ASK（或（或OOK）信号的波形）信号的波形 通断键控通断键控或或启闭键控启闭键控5.1 2ASK 2ASK6/652021-12-16复包络复包络:( )( )g tAm t 2cos2ASKcstAm tf t 2cos2,0,cASKAf tst传号空号信号在信号在第第n个码元个码元可以表示为：可以表示为： 2ASK信号时域表示：信号时

5、域表示：（a）乘积法）乘积法 （b）开关法（键控法）开关法（键控法） tm 2 ASKstcos2cAf t乘法器乘法器单极性不单极性不归零信号归零信号cos 2cAf t tm 2 ASKst载波产生载波产生图图5.1.2 2ASK调制框图调制框图 7/652021-12-162. 包络检波解调方法包络检波解调方法 2 ASKst na na发送端发送端信道信道BPF包络检波器包络检波器抽样判抽样判决器决器 n t r t y t定时信号定时信号输出输出图图 5.1.3 2ASK包络检波解调框图包络检波解调框图 2 ASKir tstnt( )m t带宽带宽B带宽带宽2BB=Rb带宽带宽2B

6、8/652021-12-16系统的误码率：系统的误码率： /412ePe定义信噪比：定义信噪比： 2202(2)2BPFnAAN B大信噪比时，大信噪比时，小信噪比时，小信噪比时，包络检波器抗噪性能急剧下降，系统无包络检波器抗噪性能急剧下降，系统无法正常工作。此称为法正常工作。此称为门限效应。门限效应。，得最佳误码率，得最佳误码率PeBPFbBR0)/24(/1212bNeEPee最佳性能指标，用最佳性能指标，用于提供宏观指导于提供宏观指导9/652021-12-165.1.2 功率谱与带宽功率谱与带宽 复包络复包络:( )( )g tAm t 2cos2ASKcstAm tf t 222si

7、n( )44bbgbA TfTAPfffT1( )()()4sgcgcP fPffPff单极性单极性NRZ信号信号10/652021-12-16 fPgf02bRbBRbRbRfcfcbfRcbfR fPsT2bBR11/652021-12-16当作无当作无 ISI 滤波时滤波时 (如如 作升余弦谱滤波）作升余弦谱滤波）02211TbBBfR接收机须是相干解调接收机须是相干解调 gPff00f01BffcfcfBcfB sPf012/652021-12-165.2.1 基本原理基本原理 2FSK或或BFSK（二进制频移键控）（二进制频移键控）键控正弦载波的键控正弦载波的频率来传输二元符号。频率

8、来传输二元符号。 1. 2FSK信号及其调制方法信号及其调制方法 1001 tmt tsFSKt5.2 2FSK2FSK 13/652021-12-16 120cos2,11cos2,0nFSKbbnAf tastnTtnTAf ta 2FSK信号时域表示：信号时域表示：也可以表示为（相当于两路也可以表示为（相当于两路OOK）：）： 210cos2cos2FSKstAm tf tAm tf t14/652021-12-16图图5.2.2 2FSK信号的时域波形及其互补信号的时域波形及其互补OOK特点特点 15/652021-12-16 2FSK信号的产生：信号的产生：2. *相位连续性相位连续

9、性 相位不连续相位不连续相位连续相位连续相位不连续的信号占据很多的频带，应该尽量避免相位不连续的信号占据很多的频带，应该尽量避免 16/652021-12-163. 包络检波解调方法包络检波解调方法 两个互补两个互补OOK接收系统的组合：接收系统的组合： (非相干解调非相干解调)适合于频差较大的场合1010yy判决：若判发“”，否则 判发“ ” km tBPF(f1)BPF(f0)整流整流整流整流LPFLPF抽样判决抽样判决包络检波器包络检波器包络检波器包络检波器 2FSKst输出输出 1y t 0yt 0r t 1r t定时信号定时信号 na图图5.2.4 FSK信号的包络检波接收框图信号的

10、包络检波接收框图 km tW=2RbW=2Rb17/652021-12-16/212ePe其中，其中，BPF的输出信噪比的输出信噪比 2220(2)(2)nBPFAAN B系统的误码率：系统的误码率： 大信噪比时，大信噪比时，小信噪比时，小信噪比时，包络检波器抗噪性能急剧下降，系统无包络检波器抗噪性能急剧下降，系统无法正常工作。此称为法正常工作。此称为门限效应。门限效应。时，得最佳误码率时，得最佳误码率BPFbBR0(/)/212bENePe18/652021-12-165.2.2 功率谱与带宽功率谱与带宽 两个互补的两个互补的2ASK信号的功率谱的相加，信号的功率谱的相加， f1f1bfR0

11、bfR 2FSKPf0f2FSKB传输带宽传输带宽：2102FSKbBffR19/652021-12-16图图5.2.8 FSK信号功率谱示意图信号功率谱示意图 一般：一般：102bffR20/652021-12-16当作无当作无 ISI 滤波时滤波时 (如如 作升余弦谱滤波）作升余弦谱滤波）f2fBf 2Bf 11f gPff00f01Bf21210212211TbBffBfffffR sPf发发1发发021/652021-12-161. 2PSK信号及其调制方法信号及其调制方法 100100coscAtt m tt 2 PSKstt5.3.1 2PSK 2PSK或或BPSK（二进制相移键控

12、）（二进制相移键控）利用两种相利用两种相位来传输二元符号。位来传输二元符号。 2PSK2PSK最常用的两种最常用的两种相位：相位：0 0 或或 5.3 2PSK2PSK与与2DPSK2DPSK22/652021-12-16 2cos211cos20cnPSKbbcnAf t astnTtnTAf t a ， 2PSK信号时域表示：信号时域表示： 2cos2PSKcstAm tf t或，令序列或，令序列 的双极性二元的双极性二元NRZ基带信号为基带信号为 ， na( )m tcos2cf t01相0相0（未调载波初相）（未调载波初相）信号矢量图：信号矢量图：12相“”02相“”cos2cf t2

13、3/652021-12-16注意：注意：“同相同相”与与“反相反相”是相对于当前时隙的未是相对于当前时隙的未调载波相位而言的：调载波相位而言的： 24/652021-12-162( )( )cosPSKcstAm ttcosccAt双极性双极性 m t m t2( )PSKst 2PSK信号的产生：信号的产生：乘积法与选择法。乘积法与选择法。 25/652021-12-16复包络复包络:( )( )g tAm t1( )()()4sgcgcP fPffPff双极性双极性NRZ信号信号2. 功率谱与带宽功率谱与带宽 2( )( )cosPSKcstAm tt22sin( )bgbbf TPfA

14、Tf T26/652021-12-16 fPgf02bR0bBRbRbRfcfcbfRcbfR 2PSKPf22PSKbBR形状与形状与2ASK的相同，但没有离散的载波谱线。的相同，但没有离散的载波谱线。 传输带宽传输带宽 2PSK2PSK又可以看作抑制载波后的又可以看作抑制载波后的2ASK2ASK信号，或，信号，或，2ASK2ASK信号确实是信号确实是2PSK2PSK信号与载波的叠加。信号与载波的叠加。 27/652021-12-16当作无当作无 ISI滤波时滤波时 (如如 作升余弦谱滤波）作升余弦谱滤波）02211TbBBfRfcfcfBcfB sPff00f01Bf gPf28/6520

15、21-12-163. 2PSK的相干解调的相干解调 来自来自信道信道向下频移向下频移符号定时符号定时基带接收基带接收滤波器滤波器 r t m t RGf抽样与抽样与判决判决BPFLPF2cos2cf t na图图5.3.3 2PSK相干解调框架相干解调框架 B中心中心fcB为基带信号带宽为基带信号带宽 2cos2cos2sin2PSKcccscr tstn tAm tf tntf tntf t cm tAm tnt2B注意：注意：n nc c(t)(t)的双边功率谱密度为的双边功率谱密度为 N029/652021-12-16 双极性双极性NRZ向上向上频移频移基带接收基带接收滤波器滤波器 m

16、t 0nt抽样与抽样与判决判决BPFLPFcos2cAf t naB2B na基带发送基带发送滤波器滤波器向下向下频移频移2cos2cf tAWGN频频带信道带信道 CAm tnt4. 误码性能误码性能 2PSK的等效基带传输系统的等效基带传输系统： Cm tAm tnt符号定时符号定时图图5.3.4 2PSK传输系统与传输系统与等效等效AWGN基带信道基带信道 AWGN基基带信道带信道 Am t Cnt CAm tnt0/2N0N（n nc c(t)(t)的双边功率谱密度）的双边功率谱密度）30/652021-12-16LPF接收系统接收系统（带宽（带宽 ）： 匹配滤波器接收系统：匹配滤波器

17、接收系统： 2PSK信号的平均码元能量：信号的平均码元能量：220cos22bTbbCA TEAf tdt0bbEPQN1/LPFbbBRT02bbEPQN 评述：评述：(1) 2PSK系统与双极性系统与双极性NRZ基带传输系统的抗噪性能相同；基带传输系统的抗噪性能相同；(2) 2PSK的抗噪性能比的抗噪性能比2ASK、2FSK好，好，(3) 但这种系统需要进行载波同步，其复杂度要高出许多。但这种系统需要进行载波同步，其复杂度要高出许多。 31/652021-12-165.3.2 2DPSK 2PSK无法直接应用无法直接应用：本地振荡存在着：本地振荡存在着“不确定性反相不确定性反相”的问题：的

18、问题：“0”与与“1”颠倒，而自身对此无法知道。颠倒，而自身对此无法知道。 2DPSK（二进制差分相移键控）（二进制差分相移键控）将差分编码与将差分编码与2PSK相相结合，解决了结合，解决了“不确定性反相不确定性反相”的问题。的问题。 32/652021-12-162DPSK2DPSK信号其实是传输信号其实是传输 的的2PSK2PSK调制信号调制信号 nd 与与 绝对码绝对码 nbnb 与与 相对码相对码 ndnd图图5.3.5 2DPSK传输系统传输系统 1. 基本原理基本原理1nnndbdnb1ndnd取值取值0、1取值取值-1、1取值取值-1、1取值取值0、1取值取值0、133/6520

19、21-12-16例例: 设设11 0 0 1 ,0nnbd 本码元初相与前 一码元初相之差,10 ,0发发tccostnb1001t m tt 2DPSKstttnd00naDPSK DPSK 实质：用前后实质：用前后码元载波相位的相码元载波相位的相对变化传数字信息对变化传数字信息34/652021-12-162DPSK星座图：星座图：1 0前一码元初相前一码元初相00 （参考相位）（参考相位）01相0相0（未调载波初相）（未调载波初相）2PSK星座图：星座图：（参考相位）（参考相位）DPSK DPSK 实质：用前后实质：用前后码元载波相位的相码元载波相位的相对变化传数字信息对变化传数字信息相

20、对调相相对调相绝对调相绝对调相35/652021-12-162. 功率谱与带宽功率谱与带宽 3. 相干解调及其误码性能相干解调及其误码性能 2DPSK的误码率：的误码率： ，LPF接收法接收法，匹配滤波器接收法，匹配滤波器接收法 002222bedebEQNPPEQN eP为为2PSK传输误码率传输误码率36/652021-12-164. 差分相干接收差分相干接收 图图5.3.6 2DPSK的差分相干解调的差分相干解调 BPFLPF延时延时Tb抽样抽样判决判决符号定时符号定时 nr t 1nrt y tnb2( )DPSKst另一种重要的解调方法：另一种重要的解调方法：比较两个相邻时隙上信号的

21、相位，比较两个相邻时隙上信号的相位，还原出绝对码（信息比特）还原出绝对码（信息比特） ，而，而不需要本地振荡不需要本地振荡。nb37/652021-12-16tccostnb1001t m tt 2 DPSKstttnd00natt相乘tt1001t nr t 1nrt y tnb010ny38/652021-12-1622bbA TE 实际过程中，噪声总是存在的，这种实际过程中，噪声总是存在的，这种接收系统的误码性能：接收系统的误码性能： 022/11exp21222bnENeAPee其中，其中， 2220(2)(2)nBPFAAN B折算为折算为 时时 ，0/bEN2200022bBPFb

22、EAAN BRNN差分相干解调的性能不如相干解调的差分相干解调的性能不如相干解调的 带通滤波器的带通滤波器的带宽取为最小带宽取为最小理论值理论值39/652021-12-16 cos 21QPSKcnssstAf tnTtnT 42 ,2kMk取值有四种可能，以传送四元符号。取值有四种可能，以传送四元符号。 02nm tM :0,1,2 3wherem t ，5.4.1 QPSK5.4.1 QPSK（4PSK）信号的基本原理）信号的基本原理 1. QPSK信号信号（1 1）采用了）采用了4 4种相位；种相位； （2 2）采用了正交的载波。）采用了正交的载波。 （00 ，01，11，10 ）四元

23、符号四元符号5.4 QPSK QPSK与与DQPSKDQPSK40/652021-12-16QPSK的两种星座图：的两种星座图： A方式：方式：B方式：方式：005443454740232格雷码好处：格雷码好处：相邻相位对应的符号中只有相邻相位对应的符号中只有1 1位不同，相位位不同，相位错误通常只导致有错误通常只导致有1 1个比特的损失。个比特的损失。 41/652021-12-1601011,11,1,1,01,0nnInQnnnbbaabb记：串并变换：串并变换：四元信息序列拆分为两个二元序列四元信息序列拆分为两个二元序列 na0nb1nb四元符号序列四元符号序列2. QPSK与两路正交

24、与两路正交2PSK 四元序列四元序列 的高位比特与低位比特排成：的高位比特与低位比特排成： 与与 序列，那么，序列，那么， na1nb0nb则，则，QPSK是这两个序列生成的两个彼此正交是这两个序列生成的两个彼此正交(载波相差载波相差 )的的2PSK信号之和。信号之和。 /242/652021-12-16 _cos2sin2cos2sin22cos 22QPSKIncQncIIPSKQPSKcQcncAstaf taf tAstsmtAtf tmttf tf其中：其中： _cos2sin2IPSKIncQPSKQncstaf tstaf tyx011010010 _IPSKst47434541

25、01 _QPSKstnB方式：方式：05443/652021-12-16tccos1 0 0 1357446024244na Imt Qmttccostcsin cosIcmtt sinQcmtt tsQPSK74yxyx cos2sin2QPSKIcQcstmtf tmtf t34B方式：方式：恒包络恒包络最大相位调变为最大相位调变为44/652021-12-16 若正交路、同相路基带信号用矩形波（若正交路、同相路基带信号用矩形波（polar NRZ)fcsfRcsfR QPSKPfcf0TB1/ /bTRbits s HzBQPSK每个时隙传输两比特，频带利用率是每个时隙传输两比特，频带利

26、用率是2PSK的两倍。的两倍。 cos2sin2QPSKIcQcstmtf tmtf t22TsbBBRR45/652021-12-16 若正交路、同相路基带信号用升余弦谱波若正交路、同相路基带信号用升余弦谱波0211TsBfRf01cff QPSKPfcf01cff022/11bsTsRRbits s HzBRTB46/652021-12-165.4.2 QPSK的调制解调方法及误比特性能的调制解调方法及误比特性能 1. 调制解调方法调制解调方法 基于基于“QPSK等效于两路正交的等效于两路正交的2PSK之和之和”的想法：的想法：调制器：调制器： na0nb1nbcos2cf tcos22I

27、ncAaf tsin22QncAaf tQPSK信号信号基带脉冲基带脉冲成型成型基带脉冲基带脉冲成型成型串串/并并转换转换 cos2sin22QPSKIncQncAstaf taf t速率减半速率减半速率减半速率减半2InAa2QnAa2bR2bRbR47/652021-12-16解调器：解调器： na0nb1nbccos2f tQPSK信号信号载波同步载波同步并并/串串转换转换BPFLPF或或MFLPF或或MF/2csin2f t符号符号定时定时抽样判决抽样判决抽样判决抽样判决 cos2sin22QPSKIncQncAstaf taf t图图5.4.4 QPSK调制解调框图调制解调框图 22

28、InaA22QnaA同相与正交解调器彼此独立工作同相与正交解调器彼此独立工作 48/652021-12-162. 误比特性能误比特性能 QPSK的误比特率为的误比特率为： _2bbPSKPP49/652021-12-16矩形矩形NRZ的的QPSK在时隙边界处经常间断，使信号功在时隙边界处经常间断，使信号功率谱有很高的旁瓣。率谱有很高的旁瓣。 45.4.4 *OQPSK与与 DQPSK 1 0 0 1na tsQPSK74yxyx34恒包络恒包络11010010 Im t Qmt47434541001QPSK星座星座,最大相位跳变为最大相位跳变为为了限制带宽，实际调制器中改用为了限制带宽，实际调

29、制器中改用符合带限信道的无符合带限信道的无ISI基基带成形脉冲带成形脉冲。由此产生的。由此产生的QPSK信号不再保持恒定的包络。信号不再保持恒定的包络。 50/652021-12-16恒包络信号的优点：允许非线性放大，效率高、易实现。恒包络信号的优点：允许非线性放大，效率高、易实现。人们希望改进人们希望改进QPSK的包络。的包络。 有了有了AM分量分量恒包络恒包络经分析：相位跳变越大，限带后则经分析：相位跳变越大，限带后则AM分量越大。分量越大。0nb1nb s t s tA方式：方式：023251/652021-12-161.OQPSK 偏移正交相移键控（偏移正交相移键控（Offset QP

30、SK）两个正交支路两个正交支路的的2PSK信号相互错开的时间，使相位改变不同时发生。信号相互错开的时间，使相位改变不同时发生。可以减小相位变化，进而减少包络起伏。可以减小相位变化，进而减少包络起伏。 计算机仿真结论：包络起伏由计算机仿真结论：包络起伏由01.25改善为改善为0.71.15。 bibary1100001001最大相位调变为最大相位调变为2/11010010 Imt qmt4743454 Qmt ImtmI(t) 和和 mQ(t) 分量在时间上相互偏移分量在时间上相互偏移Ts/252/652021-12-162. DQPSK /4（ 差分正交相移键控）差分正交相移键控）/4它是由相

31、互旋转它是由相互旋转/4 的两个的两个QPSK星座图交替出现而产生星座图交替出现而产生波形的。波形的。00/4013 /4113 /410/4 01110010符号映射规则：符号映射规则： （1）信号的最大相位变化为）信号的最大相位变化为 ，包络的起伏减小。，包络的起伏减小。（2） DQPSK是差分调制，便于接收机简化。是差分调制，便于接收机简化。 /43 /453/652021-12-16p QPSK ,/4DQPSK与与 OQPSK的关系的关系4QAMQPSKDQPSK4OQPSK延迟延迟交替交替注：若基带用矩形波传时，它们是注：若基带用矩形波传时，它们是恒包络调制，但已调信号谱太宽；恒包

32、络调制，但已调信号谱太宽；若基带用升余弦谱波限带时，已调信号会有若基带用升余弦谱波限带时，已调信号会有AM分量。相位跳变越大，分量。相位跳变越大，则则AM分量越大。这使得限带后的信号不能用效率高的非线性分量越大。这使得限带后的信号不能用效率高的非线性C类放大器类放大器放大，只能用放大，只能用A、B类线性放大器。类线性放大器。QPSK(/4)DQPSKOQPSK3 421调制类型调制类型最大相移最大相移AM分量分量bigsmallsmallest54/652021-12-165.5 基本频带调制的讨论55/652021-12-16解调解调方式方式频带调制制式频带调制制式误比特率误比特率Pb备注备

33、注非非相相干干解解调调2ASK2FSK2DPSK/1122eeb0EN2 4/1122eeb0EN2 2/1122eeb0EN一般结论一般结论最优结果最优结果两两者者相相同同好好3dB5.5.3 系统差错概率的比较系统差错概率的比较表表5.5.1 几种基本的频带调制信号的误比特率公式几种基本的频带调制信号的误比特率公式 222200222BPFnbAAARN BN表中所有的表中所有的带通滤波器带宽带通滤波器带宽取理论最小值取理论最小值A 、Eb 接收信号幅度、能量接收信号幅度、能量 差分检测差分检测56/652021-12-16 2FSK QPSK 2ASK 2DPSK 2PSK 解调方式解调

34、方式频带调制制式频带调制制式误比特率误比特率Pb备注备注02bQEN022bQEN0bQEN两者相同两者相同_22bPSKP比比2PSK2PSK差差 3dB3dB表表5.5.1 几种基本的频带调制信号的误比特率公式（续）几种基本的频带调制信号的误比特率公式（续） MF相相干干解解调调22/ 2,222SQPSKbQPSKsbEA TA TE224bb ASKA TE22222bb FSKb PSKb DPSKA TEEE57/652021-12-16 解调解调 方式方式相相干干解解调调 2FSK QPSK 2ASK 2DPSK 2PSK调制制式调制制式误比特率误比特率Pb20BPFAQN B2

35、02BPFAQN B202BPFAQN B204BPFAQN B带通滤波器带宽取已调信号谱零点带宽带通滤波器带宽取已调信号谱零点带宽当当2BPFbBRLPF58/652021-12-16单极性基带单极性基带NRZ相干相干ASK、FSK0bQEN非相干非相干ASK、FSK0/22bENe双极性基带双极性基带NRZ 相干相干PSK、QPSK02bQEN差分相干差分相干DPSK0/2bENe图图 5.5.3 主要的误比特率曲线主要的误比特率曲线 xQ xe59/652021-12-16（1 1）误比特性能排序：）误比特性能排序：（2 2）2PSK2PSK与与QPSKQPSK性能优秀、复杂度最高的；性

36、能优秀、复杂度最高的；QPSKQPSK频带最少。频带最少。（3 3）2DPSK2DPSK接近接近2PSK2PSK（仅（仅 ），但没有），但没有“不确定性反不确定性反相相”问题。问题。（4 4）2FSK2FSK性能一般，非相干接收实用；它占用频带多，但性能一般，非相干接收实用；它占用频带多，但比其他传输方式更比其他传输方式更“顽强顽强”。（5 5）非相干）非相干ASKASK（OOKOOK）适用于质量好的信道，设备很简单。）适用于质量好的信道，设备很简单。 31/ 2()()dBdBQPSKPSKFSKASKFSKASK好好相干2或2非相干2或21dB从图中可以看到：从图中可以看到： 成本低成本低60/65202