通信原理第7章

1、1第七章第七章 数字带通传输系统数字带通传输系统2本章主要内容：本章主要内容：q 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q 二进制数字调制系统的抗噪声性能二进制数字调制系统的抗噪声性能q 二进制数字调制系统的性能比较二进制数字调制系统的性能比较第第7章章 数字带通传输系统数字带通传输系统3第第7章章 数字带通传输系统数字带通传输系统q 概概 述述u数字调制数字调制：把数字基带信号变换为数字带通信把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。号（已调信号）的过程。u数字带通传输系统数字带通传输系统：包括调制和解调过程的数包括调制和解调过程的数字传输系统。字传输系统。u数字调制技术两类方法：数

2、字调制技术两类方法：l利用模拟调制的方法去实现数字式调制利用模拟调制的方法去实现数字式调制l利用数字信号的离散取值特性，通过开关键利用数字信号的离散取值特性，通过开关键控载波，通常称为控载波，通常称为键控法键控法4第第7章章 数字带通传输系统数字带通传输系统u三种基本键控方式：三种基本键控方式：l振幅键控（振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）l频移键控（频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）l相移键控（相移键控（Phase Shift Keying，PSK）振幅键控振幅键控 频移键控频移键控 相移键控相移键控5第第7章章 数字带通传输系统数

3、字带通传输系统u二进制调制二进制调制载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态；载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态；相应的调制方式有相应的调制方式有2ASK2ASK、2FSK2FSK和和2PSK2PSK。u多进制调制多进制调制载波的幅度、频率或相位有载波的幅度、频率或相位有M M种变化状态；相种变化状态；相应的调制方式有应的调制方式有MASKMASK、MFSKMFSK和和MPSKMPSK。67.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理7.1.1 二进制振幅键控（二进制振幅键控（2ASK2ASK）q基本原理基本原理u最基本的键控方式：最基本的键控方式：通通- -断键控（断键控（OOKOOK）”时

4、发送“以概率，”时发送“以概率0P101Pt,Acos)(cOOKteu波形：波形：77.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q2ASK2ASK信号一般表达式信号一般表达式 ttsteccos)(2ASK其中，其中，nsnnTtgats)()(sT 码元持续时间；码元持续时间；)(tg 高度为高度为1 1，宽度等于，宽度等于Ts的矩形脉冲；的矩形脉冲； na 第第n n个符号的电平取值，若取个符号的电平取值，若取 P0P1an1,概率为概率为则相应的则相应的2ASK2ASK信号就是信号就是OOKOOK信号。信号。87.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q2ASK2ASK信号产生方法信

5、号产生方法模拟调制法（相乘器法）模拟调制法（相乘器法）乘 法 器) (2teA S K二 进 制不 归 零 信 号tcc o s) (t s键控法键控法tccos) (t s) (2teA S K开 关 电 路97.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q2ASK2ASK信号解调方法信号解调方法非相干解调（包络检波法）非相干解调（包络检波法）带 通滤 波 器全 波整 流 器低 通滤 波 器抽 样判 决 器定 时脉 冲输 出)(2teASKabcd相干解调（同步检测法）相干解调（同步检测法）带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2teASKtccos107.1 二进制数字调制原理

6、二进制数字调制原理2ASK/OOK2ASK/OOK信号信号非相干解调过程的时间波形非相干解调过程的时间波形带通滤波带通滤波全波整流全波整流低通滤波低通滤波抽样判决抽样判决117.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q2ASK2ASK信号功率谱密度信号功率谱密度222)()(sin)()(sin16)(scscscscsASKTffTffTffTffTfP)()(161ccffff功率谱包含连续谱和离散谱两部分；功率谱包含连续谱和离散谱两部分；连续谱取决于连续谱取决于g(t)g(t)经线性调制后的双边带谱，离散谱由载波分量确定。经线性调制后的双边带谱，离散谱由载波分量确定。只计算主瓣宽度，只

7、计算主瓣宽度，2ASK2ASK信号的带宽为：信号的带宽为：sASKfB22ssTf/1127.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理7.1.2 二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK2FSK）q基本原理基本原理u在在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号中，载波的频率随二进制基带信号在在f1和和f2两个频率点间变化两个频率点间变化”时发送“”时发送“0),cos(A1),cos(A)(212FSKnnttteu表达式为表达式为137.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理2FSK2FSK信号的时间波形信号的时间波形l2FSK2FSK信号的波形信号的波形(a)可以分解为波形可以分解为波形(

8、b)和波形和波形(c)l即：即：一个一个2FSK2FSK信号可以看成是两个不同载频的信号可以看成是两个不同载频的2ASK2ASK信号的叠加。信号的叠加。2ASK信号信号2ASK信号信号147.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理因此因此2FSK信号表达式又可写做：信号表达式又可写做： ttsttste22112FSKcoscos)(其中其中： nsnnTtgats)(1 nsnnTtgats)(2互为反码互为反码nnaa 、PPan-101概率为概率为PPan概率为概率为0-11157.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q2FSK2FSK信号的产生方法信号的产生方法采用采用模拟调频电

9、路模拟调频电路来实现：信号在相邻码元来实现：信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。之间的相位是连续变化的。键控法键控法：相邻码元之间的相位不一定连续。：相邻码元之间的相位不一定连续。振荡器1f1反相器振荡器2f2选通开关选通开关相加器基带信号)(2teFSK键控法产生键控法产生2FSK2FSK信号信号1616167.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理复复 习：习：q 三种键控方式三种键控方式q 2ASK和和2FSK信号特点信号特点q 2ASK信号解调方法信号解调方法q 2ASK信号功率谱特点信号功率谱特点177.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q2FSK2FSK信号的解调方法信号

10、的解调方法非相干解调非相干解调带通滤波器带通滤波器抽样判决器输出包络检波器包络检波器12)(2teFSK定时脉冲画图分析画图分析原理：原理：分解为上下两路分解为上下两路2ASK2ASK信号分别进行解调，信号分别进行解调，然后判决。然后判决。187.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理相干解调相干解调带 通滤 波 器带 通滤 波 器抽 样判 决 器输 出低 通滤 波 器低 通滤 波 器12)(2teFSK定 时 脉 冲相 乘 器相 乘 器t1cost2cos画图分析画图分析197.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q2FSK2FSK信号功率谱密度信号功率谱密度将将2FSK信号看成由两个

11、不同载频的信号看成由两个不同载频的2ASK信信号的叠加，则其功率谱密度可写做：号的叠加，则其功率谱密度可写做：2112112FSK)()(sin)()(sin16)(sssssTffTffTffTffTfP222222)()(sin)()(sin16sssssTffTffTffTffT)()()()(1612211ffffffff207.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理l2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。连续谱由两信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。连续谱由两个双边带谱叠加而成，离散谱位于两个载频个双边带谱叠加而成，离散谱位于两个载频f1和和f2处；处；l若两个载频之差小于若两个

12、载频之差小于fs，则连续谱呈现单峰；如载频之，则连续谱呈现单峰；如载频之差增大，则连续谱将出现双峰。差增大，则连续谱将出现双峰。sfffB2122FSK2FSK2FSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度0fsff 0sff 0sff20sff20fsf8 . 0sf2)( fPE217.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理7.1.3 二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK2PSK）q2PSK2PSK信号的表达式信号的表达式)cos(A)(2PSKnctte第第n n个符号的绝对相位个符号的绝对相位”时发送“”时发送“，1,00n因此，因此，2PSK2PSK信号可表示为：信号可表示为：PtP

13、ttecc1,cosA,cosA)(2PSK概率为概率为227.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理由于两种码元的波形相同，极性相反，故由于两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK2PSK信号又可以表述为：信号又可以表述为： ttsteccos)(2PSK双极性不归零双极性不归零矩形脉冲序列矩形脉冲序列式中：式中：nsnnTtgats)()(PPan1, 1, 1概率为概率为发送发送“0”时（时（an取取+1），），e2PSK(t)取取0相位；相位；发送发送 “1”时（时（ an取取 -1），）， e2PSK(t)取取 相位。相位。单个矩形脉冲单个矩形脉冲237.1 二进制数字调制原理二进

14、制数字调制原理以载波的不同相位直接去表示相应二进以载波的不同相位直接去表示相应二进制符号的调制方式，称作制符号的调制方式，称作绝对相移方式绝对相移方式。2PSK2PSK信号时间波形信号时间波形24q2PSK2PSK信号的产生信号的产生7.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理模拟调制的方法模拟调制的方法乘法器)(2tePSK双极性不归零tccos)(ts码型变换键控法键控法tccos) (t s) (2tePSK开关电路移相01800257.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q2PSK2PSK信号的解调信号的解调带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2tePSKtccos

15、abcde相干解调相干解调)(tx判决规则判决规则00)( 1 0)(txtx267.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理2PSK2PSK信号解调存在的问题信号解调存在的问题本地载波易产生相位模糊（有可能出现反相），本地载波易产生相位模糊（有可能出现反相），造成造成“倒倒”现象现象或或“反相工作反相工作”。因而在实际中，。因而在实际中，2PSK调制应用较少。调制应用较少。解决方案解决方案可采用可采用7.1.4节将要介绍的节将要介绍的差分相移键控（差分相移键控（DPSKDPSK）体制。体制。27q思思 考考7.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理2PSK信号能否使用非相干解调（包络信号能

16、否使用非相干解调（包络检波）？检波）？不能，因为不能，因为2PSK信号的包络幅度信号的包络幅度不变，无法区分不变，无法区分“0”码和码和“1”码？码？287.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q2PSK2PSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度222)()(sin)()(sin4)(scscscscsPSKTffTffTffTffTfP其曲线如图：其曲线如图：l2PSK信号的功率谱无离散谱，相当于抑制载波的双边带信号的功率谱无离散谱，相当于抑制载波的双边带信号。带宽为基带信号的信号。带宽为基带信号的2倍。倍。sf2B2PSK297.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理7.1.4 二进制

17、差分相移键控（二进制差分相移键控（2DPSK2DPSK）q2DPSK2DPSK原理原理2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称化传递数字信息，所以又称相对相移键控相对相移键控。设设为当前码元与前一码元的载波相位差，定为当前码元与前一码元的载波相位差，定义数字信息与义数字信息与 之间的关系为：之间的关系为：”表示数字信息“，”表示数字信息“10, 0可互换可互换30 02DPSK01 1 0 0 1 0 1 1信号相位：二进制数字信息：7.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理例如：例如：l2DPSK2DPSK信号的相位并不直接代表

18、基带信号，而前后码元信号的相位并不直接代表基带信号，而前后码元的相对相位才决定信息符号。的相对相位才决定信息符号。初始码元初始码元2DPSK 0 0 0 00 0 或000317.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q2DPSK2DPSK信号的产生信号的产生首先对二进制数字基带信号进行差分编码；首先对二进制数字基带信号进行差分编码；绝对码绝对码相对码相对码(差分码差分码)然后根据相对码进行绝对调相，得到然后根据相对码进行绝对调相，得到2DPSK信号。信号。1nnnbab编编 码码1nnnbba译译 码码327.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理tccos) (t s) (2teDPS

19、K开关电路移相01800码变换2DPSK2DPSK信号调制器原理框图信号调制器原理框图变为相对码变为相对码337.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q2DPSK2DPSK信号的解调信号的解调相干解调加码反变换相干解调加码反变换带 通滤 波 器相 乘 器低 通滤 波 器抽 样判 决 器定 时脉 冲输 出)(D PSK2tetccos码 反变 换 器abcdef1nnnbba译译 码码3400.10.20.30.40.50.60.70.80.91-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81相乘结果相乘结果余弦波余弦波相干解调相乘器运算结果相干解调相乘器运算结果357.1

20、二进制数字调制原理二进制数字调制原理q2DPSK2DPSK信号的解调信号的解调差分相干解调差分相干解调带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(DPSK2te延迟Tsabcdel相乘器相当于相位比较器，反映前后码元的相位差。相乘器相当于相位比较器，反映前后码元的相位差。362DPSK可以与可以与2PSK具有相同形式的表达式，具有相同形式的表达式，所不同的是基带信号所不同的是基带信号s(t)对应的码元序列（绝对对应的码元序列（绝对/差分）。差分）。因此，因此，2DPSK信号和信号和2PSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度是完全一样的。是完全一样的。信号带宽为信号带宽为7.1 二进制数字

21、调制原理二进制数字调制原理q2DPSK2DPSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度sfB2B2PSKDPSK2377.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理总总 结：结：q 2ASK、2FSK、2PSK和和2DPSK信号特点信号特点q 2ASK、2FSK、2PSK 和和2DPSK信号功率谱特点信号功率谱特点/带宽带宽q 2ASK、2FSK、2PSK和和2DPSK解调方法解调方法387.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理q练练 习习设发送的二进制信息为设发送的二进制信息为10101，码元速率为，码元速率为1200B：（1）当载波频率为）当载波频率为2400Hz时，分别画出时，分别画出2AS

22、K、2PSK及及2DPSK信号的波形；信号的波形；（2）2FSK的两个载波频率分别为的两个载波频率分别为1200Hz和和2400Hz时，画出其波形；时，画出其波形；（3）计算）计算2ASK、2PSK、2DPSK和和2FSK信号的信号的带宽和频带利用率。带宽和频带利用率。39第第7章章 数字带通传输系统数字带通传输系统复复 习：习：q 2ASK、2FSK、2PSK和和2DPSK信号特点信号特点q 2ASK、2FSK、2PSK 和和2DPSK信号功率谱特点信号功率谱特点/带宽带宽q 2ASK、2FSK、2PSK和和2DPSK解调方法解调方法407.2 二进制数字调制系统的二进制数字调制系统的抗噪声

23、性能抗噪声性能q概述概述与分析数字基带系统的抗噪声性能一样，分析与分析数字基带系统的抗噪声性能一样，分析数字调制系统的抗噪声性能，也就是求系统在信数字调制系统的抗噪声性能，也就是求系统在信道噪声干扰下的道噪声干扰下的总误码率总误码率。分析条件分析条件：l假设信道特性是恒参信道；假设信道特性是恒参信道；l在信号的频带范围内具有理想矩形的传输特性；在信号的频带范围内具有理想矩形的传输特性；l信道噪声是加性高斯白噪声；信道噪声是加性高斯白噪声；l认为噪声只对信号的接收带来影响，因而分析系统认为噪声只对信号的接收带来影响，因而分析系统性能是在接收端进行的。性能是在接收端进行的。417.2 二进制数字调

24、制系统的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能7.2.1 2ASK 2ASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能q同步检测法（相干解调）的系统性能同步检测法（相干解调）的系统性能带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出tccos2发送端信道)(tsT)(tni)(tyi)(ty)(txeP误码率误码率：421rerfcPe222nar其中，其中，r为解调器输入端信噪比为解调器输入端信噪比若若r1，则，则4/r1erPe信号幅度信号幅度427.2 二进制数字调制系统的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能q包络检测法（非相干解调）的系统性能包络检测法（非相干解调）的系统性能分析模型分析模

25、型：将相干解调器（相乘：将相干解调器（相乘-低通）替换为低通）替换为包络检波器（整流包络检波器（整流-低通），即得。低通），即得。误码率误码率：421reeP421441reererfcP若若r1，则，则437.2 二进制数字调制系统的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能q举举 例例有一有一2ASK信号传输系统，其码元速率为信号传输系统，其码元速率为RB = 4.8 106波波特，发特，发“1”和发和发“0”的概率相等，接收端分别采用同步的概率相等，接收端分别采用同步检测法和包络检波法解调。已知接收端输入信号的幅度检测法和包络检波法解调。已知接收端输入信号的幅度a = 1 mV，信道中加性

26、高斯白噪声的单边功率谱密度，信道中加性高斯白噪声的单边功率谱密度n0 = 2 10-15 W/Hz。试求。试求(1) 同步检测法解调时系统的误码率；同步检测法解调时系统的误码率；(2) 包络检波法解调时系统的误码率。包络检波法解调时系统的误码率。解：解：根据根据2ASK信号的频谱分析可知，信号的频谱分析可知，2ASK信号所需的信号所需的传输带宽近似为码元速率的两倍，所以接收端带通滤波传输带宽近似为码元速率的两倍，所以接收端带通滤波器带宽为器带宽为Hz016 . 926BRB447.2 二进制数字调制系统的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能带通滤波器输出噪声平均功率为带通滤波器输出噪声平均

27、功率为W0192. 1n802Bn信噪比为信噪比为1261092. 1210128622nar则同步检测法解调时系统的误码率为则同步检测法解调时系统的误码率为45 . 641066. 1261416. 311eerPr/e包络检波法解调时系统的误码率为包络检波法解调时系统的误码率为45 . 64105 . 72121eePre457.2 二进制数字调制系统的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能7.2.2 2FSK 2FSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能q同步检测法（相干解调）的系统性能同步检测法（相干解调）的系统性能带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出t1cos2发送端信道)

28、(tsT)(tni)(tyi)(1ty)(1txeP带通滤波器相乘器低通滤波器t2cos2)(2ty)(2tx12大信噪比下，误码率为大信噪比下，误码率为221reerP467.2 二进制数字调制系统的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能q包络检测法（非相干解调）的系统性能包络检测法（非相干解调）的系统性能带通滤波器带通滤波器抽样判决器输出包络检波器包络检波器12)(2teFSK定时脉冲221reeP误码率为：误码率为：l比较得两种解调性能相差不大，但包络检测法的设备简比较得两种解调性能相差不大，但包络检测法的设备简易得多，因而多被采用。易得多，因而多被采用。477.2 二进制数字调制系统

29、的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能q举举 例例采用采用2FSK方式在等效带宽为方式在等效带宽为2400Hz的传输信道上传输二的传输信道上传输二进制数字。进制数字。2FSK信号的频率分别为信号的频率分别为f1 = 980 Hz，f2 = 1580 Hz，码元速率，码元速率RB = 300 B。接收端输入（即信道输。接收端输入（即信道输出端）的信噪比为出端）的信噪比为6dB。试求：。试求：（1）2FSK信号的带宽；信号的带宽；（2）包络检波法解调时系统的误码率；）包络检波法解调时系统的误码率；（3）同步检测法解调时系统的误码率。）同步检测法解调时系统的误码率。解解：（：（1）2FSK信号的

30、带宽为信号的带宽为1200Hz300298015802122FSKsfffB487.2 二进制数字调制系统的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能（2）2FSK接收系统中上、下支路带通滤波器的带宽近接收系统中上、下支路带通滤波器的带宽近似为似为600Hz22BsRfB仅为信道等效带宽（仅为信道等效带宽（2400Hz）的）的1/4，故噪声功率也减小，故噪声功率也减小为为1/4，因而带通滤波器输出端的信噪比提高了，因而带通滤波器输出端的信噪比提高了4倍。又倍。又由于接收端输入信噪比为由于接收端输入信噪比为6dB，则，则164irr代入误码率公式，得到：代入误码率公式，得到：482107 . 12

31、121eePre（3）同理，得到同步检测误码率：）同理，得到同步检测误码率：5821039. 3e32121reerP46log1010iirr497.2 二进制数字调制系统的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能7.2.3 2PSK 2PSK和和2DPSK2DPSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能q2PSK2PSK相干解调系统性能相干解调系统性能 带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出tccos2发送端信道)(tsT)(tni)(tyi)(ty)(txeP总误码率为：总误码率为：大信噪比条件下，上式可近似为：大信噪比条件下，上式可近似为：) 1/0() 0() 1/0() 1 (

32、PPPPPe rerfc21reerP21507.2 二进制数字调制系统的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能q2DPSK2DPSK相干解调系统性能相干解调系统性能 带 通滤 波 器相 乘 器低 通滤 波 器抽 样判 决 器定 时脉 冲输 出)(D PSK2tetccos码 反变 换 器abcdef总误码率为：总误码率为：2)(121rerfPe)(2rerfcPPeeeeePPP)1 (2当当Pe1时，时，可近似为：可近似为：PePe517.2 二进制数字调制系统的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能q2DPSK2DPSK差分相干解调系统性能差分相干解调系统性能 带通滤波器相乘器低通

33、滤波器抽样判决器定时脉冲输出发送端信道)(tsT)(tni)(tyi)(1ty)(txeP延迟Ts)(2ty总误码率为：总误码率为：reeP21527.2 二进制数字调制系统的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能q举举 例例假设采用假设采用2DPSK方式在微波线路上传送二进制数字信息。方式在微波线路上传送二进制数字信息。已知码元速率已知码元速率RB = 106 B，信道中加性高斯白噪声的单边功，信道中加性高斯白噪声的单边功率谱密度率谱密度n0 = 2 10-10 W/Hz。今要求误码率不大于。今要求误码率不大于10-4。试求：试求：(1)采用差分相干解调时，接收机输入端所需的信号功率；采用

34、差分相干解调时，接收机输入端所需的信号功率；(2)采用相干解调采用相干解调-码反变换时，接收机输入端所需的信号功码反变换时，接收机输入端所需的信号功率。率。解解：（：（1）接收端带通滤波器的带宽为：接收端带通滤波器的带宽为：Hz01226BRB输出噪声功率为：输出噪声功率为：2106402 102 104 10Wnn B 537.2 二进制数字调制系统的二进制数字调制系统的抗噪声性能抗噪声性能则则2DPSK采用差分相干接收的误码率为采用差分相干接收的误码率为41021reeP求解可得：求解可得：25 . 8r又：又：222/narW104 . 352. 82322na（2）对于相干解调）对于相干解调-码反变换的码反变换的2DPSK系统，系统，)(1)(2rerfrerfcPPee4109999. 0101)(4rerf75. 2r又：又：222/narW1002. 310