[物理]第七章数字信号的调制传输2wfyppt课件

1、7.2 二进制数字调制的抗噪声性能引引 言言1数字频带传输系统数字频带传输系统数字调制和解调数字调制和解调数字调制系统，数字频带传输系统数字调制系统，数字频带传输系统 数字调制系统的抗噪声性能？数字调制系统的抗噪声性能？2数字基带系统的抗噪声性能数字基带系统的抗噪声性能误比特率误比特率误比特率是信噪比的函数误比特率是信噪比的函数 3数字基带系统的抗噪声性能的比较数字基带系统的抗噪声性能的比较信噪比一样时，比较误比特率信噪比一样时，比较误比特率 误比特率一样时，比较信噪比误比特率一样时，比较信噪比 NSQAQP2bNSQAQP22b 双极性双极性二元码二元码单极性单极性二元码二元码 7.2.1

2、ASK7.2.1 ASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能1. 1. 相关接纳时相关接纳时ASKASK系统的误比特率系统的误比特率1 1相关相关ASKASK抗噪声性能的分析模型抗噪声性能的分析模型信道噪声信道噪声n(t)n(t)为高斯白噪声。为高斯白噪声。2 2误比特率的计算误比特率的计算 设设2ASK2ASK信号如下式，并设信号传输无损耗。信号如下式，并设信号传输无损耗。 信道噪声经信道噪声经BPFBPF后输出为窄带高斯噪声，表达式为：后输出为窄带高斯噪声，表达式为： 001cosc2ASKnnaatAts,)(ttnttntnQIccisincos)()()( 经与相关载波相乘，再经低通，解

3、调器输出为：经与相关载波相乘，再经低通，解调器输出为： nI(t)是均值为是均值为0，方差为，方差为 的高斯噪声。的高斯噪声。 所以所以y(t)是均值为是均值为A的高斯随机过程，其一维概率密度函数为的高斯随机过程，其一维概率密度函数为 同理可得当发送同理可得当发送0时时y(t)幅度的一维概率密度函数为幅度的一维概率密度函数为 )()(tnAtyI22/211( )e2yAp y22/201( )e2ypy22)(tnI p当发送当发送0 0和和1 1等概时，解调错判的概率即误比特率等概时，解调错判的概率即误比特率为：为：p最正确判决门限应选在两条曲线的交点最正确判决门限应选在两条曲线的交点 那

4、么有：那么有：p 令令 ，那么有：，那么有：p解调器输入的峰值信噪比为解调器输入的峰值信噪比为 p那么相关那么相关ASKASK的误比特率为的误比特率为2T/AV 22T/2b1ed2yVPy/dd ,/yzyz2de2122b2AQzPzA/222/Ar 2brQP 2. 非相关ASK的误比特率非相关ASK解调抗噪声性能分析模型当发送信号不为当发送信号不为0时，包络检波器输入信号为：时，包络检波器输入信号为：)()()()(ttRttnttntAtxQIcccccossincoscos p当发送信号不为当发送信号不为0时，包络检波器输入信号为：时，包络检波器输入信号为：p p 包络包络R的概率

5、密度符合莱斯分布，即：的概率密度符合莱斯分布，即：p p当送信号为当送信号为0时，包络时，包络R符合瑞利分布，即：符合瑞利分布，即：)()()()(ttRttnttntAtxQIcccccossincoscos 0 2exp2022221RARIARRRp,)(0 2exp2220RRRRp,)( 输入信号包络概率分布如以下图所示输入信号包络概率分布如以下图所示 当当0 0和和1 1等概发送时，平均误比特率为：等概发送时，平均误比特率为： 当判决门限为两条线的交点时，有：当判决门限为两条线的交点时，有：RRpRRpPVVd 21d 21100bTT)()(2122T812/AAV 当信噪比很高

6、时，有当信噪比很高时，有 此时，由于有此时，由于有 所以，有下式成立：所以，有下式成立： 在信噪比很高的条件下，即接纳信噪比为在信噪比很高的条件下，即接纳信噪比为 很高很高 那么可进一步近似为：那么可进一步近似为： 分析：在大信噪比和最正确判决门限条件下，分析：在大信噪比和最正确判决门限条件下，ASK的包络的包络检波误比特率随信噪比添加按指数规律下降。检波误比特率随信噪比添加按指数规律下降。2T/AV 1 2e0RRRIR,)(2218exp2122bAQAP222/Ar 4be21/rP7.2.2 FSK的抗噪声性能1. 相关FSK的误比特率”时，发“”时，发“发端0cosA1cosA21t

7、t 设变量设变量 ，那么，那么v是均值为是均值为A，方差为，方差为 的高斯随机变量，概率密度函数为：的高斯随机变量，概率密度函数为： 同理，当发送数字同理，当发送数字0时，也可以导出类似的结论。时，也可以导出类似的结论。 此时的输出差值为：此时的输出差值为： 而此时而此时v的概率密度函数为：的概率密度函数为： 很明显，最正确判决门限为很明显，最正确判决门限为v=0，所以误比特率为：，所以误比特率为：12IIAnnv)()()(222122exp221Apvv)()(v21tnAtnII)()()(222022exp221Apvvvvvvd21d210010b)()(ppP22v2 或者写成：或

8、者写成： 设设 ，那么有：，那么有： 这里这里 ，为接纳信噪比。，为接纳信噪比。分析：在一样误比特率情况下，相关接纳分析：在一样误比特率情况下，相关接纳FSK信号要比信号要比接纳接纳ASK信号要求峰值信噪比低信号要求峰值信噪比低3dB。vvd 22exp2212220b)()(AP22Azv222/Ar 22222b22d2exp212AQAQzzPA/rQ2. 2. 非相关非相关FSKFSK的误比特率的误比特率1 1分析模型分析模型 参照参照2ASK2ASK非相关解调分析方法。当收到非相关解调分析方法。当收到 信号信号时，包络检波器时，包络检波器1 1的输入的包络密度函数为：的输入的包络密度

9、函数为： 而此时包络检波器而此时包络检波器2 2的输入为：的输入为： 当收到传号时，只需在当收到传号时，只需在 才会误判，所以，才会误判，所以，非相关解调非相关解调FSKFSK的误比特率为：的误比特率为：10 , 2exp)(12102221211RARIARRRp0 2exp2222222RRRRp,)(21RR 令令 ，那么有：，那么有： 这里这里 为接纳信噪比。为接纳信噪比。12bRRPP122110dd12RRRpRpRR12212102221210d2exp2expRRARIARR212Rx xAxAxxIAPd221exp24exp212222220022b2exp214exp21

10、22brAP222/Ar 结论分析结论分析p将上式与将上式与2FSK同步检波时系统的误码率公式同步检波时系统的误码率公式比较：比较：p在大信噪比条件下，在大信噪比条件下，2FSK信号包络检波时的信号包络检波时的系统性能与同步检测时的性能相差不大；系统性能与同步检测时的性能相差不大；p同步检测法的设备复杂；同步检测法的设备复杂；p在满足信噪比要求的场所，多采用包络检波法。在满足信噪比要求的场所，多采用包络检波法。 7.2.3 2PSK和2DPSK的抗噪声性能2PSK的抗噪声性能(1) 2PSK的抗噪声分析模型0 cos1 coscc2PSKnnatAatAts,)( 所以等概发送时的误比特率为：

11、所以等概发送时的误比特率为： 令令 ，并设接纳信噪比，并设接纳信噪比 那么有：那么有： DPSK系统的误比特率为系统的误比特率为 其中，接纳信噪比其中，接纳信噪比 yypyypPd21d210010b)()( yypd00/,/yzyzdd 222/Ar 222bd2exp21AQAQzzPA/rQ2rP e21b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5 . 05 . 0s延迟DPSK相关PSK非相关FSK相关FSK非相关ASK相关ASK近似带宽 误比特率方式)2/( rQ)( rQ)2(rQ4/21re2/21rere21sf2sf2122fffs5 . 0p误码率曲线误码

12、率曲线p对信道特性变化的敏感性对信道特性变化的敏感性p在在2FSK系统中，判决器是根据上下两个支路解调系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，不需求人为地设置判输出样值的大小来作出判决，不需求人为地设置判决门限，因此对信道的变化不敏感。决门限，因此对信道的变化不敏感。 p在在2PSK系统中，判决器的最正确判决门限为零，系统中，判决器的最正确判决门限为零，与接纳机输入信号的幅度无关。因此，接纳机总能与接纳机输入信号的幅度无关。因此，接纳机总能坚持任务在最正确判决门限形状。坚持任务在最正确判决门限形状。 p对于对于2ASK系统，判决器的最正确判决门限与接纳系统，判决器的最正确

13、判决门限与接纳机输入信号的幅度有关，对信道特性变化敏感，性机输入信号的幅度有关，对信道特性变化敏感，性能最差。能最差。 总结：总结：同类键控系统中，相关方式略优于非同类键控系统中，相关方式略优于非相关方式，但相关方式需求本地载波，相关方式，但相关方式需求本地载波，所以设备较为复杂；所以设备较为复杂；在一样误比特率情况下，对接纳峰值在一样误比特率情况下，对接纳峰值信噪比的要求：信噪比的要求：2PSK比比2FSK低低3dB，2FSK比比2ASK低低3dB，所以所以2PSK抗噪性能最好，抗噪性能最好，ASK最差；最差；在码元速率一样条件下，在码元速率一样条件下，FSK占有频占有频带高于带高于2PSK

14、和和2ASK,所以频带利用率所以频带利用率较差些。较差些。所以得到广泛运用的是所以得到广泛运用的是2DPSK和非相和非相关的关的FSK。 例例7-1 例例7-3 例例7-1 7-1 对对2ASK2ASK信号分别进展非相关接纳和相关接纳。信号分别进展非相关接纳和相关接纳。数字信号的码元速率数字信号的码元速率 baudbaud，接纳端输入，接纳端输入信号幅度信号幅度A=1 mVA=1 mV，信道噪声的单边功率谱密度为，信道噪声的单边功率谱密度为 。 求：求：(1) (1) 非相关接纳时的误比特率；非相关接纳时的误比特率； (2) (2) 相关接纳时的误比特率。相关接纳时的误比特率。 6s1084

15、.R1502 10W/Hzn 例例7-3 7-3 在在OOKOOK系统中，发送端发送的信号幅度系统中，发送端发送的信号幅度AT=5V,AT=5V,接纳端带通滤接纳端带通滤波器输出噪声功率波器输出噪声功率 。假设要。假设要求系统的误比特率求系统的误比特率 ，求，求1 1相关接纳时允许信道的衰减量。相关接纳时允许信道的衰减量。2 2非相关接纳时允许信道的衰减量非相关接纳时允许信道的衰减量 。解：解：(1)(1)相关接纳时相关接纳时W1031224b101P2brQP回想：回想： 1. 2进制数字调制进制数字调制7.4 多进制数字调制多进制数字调制 1二进制数字调制二进制数字调制 2ASK，2FSK

16、，2PSK(2DPSK)2多进制数字调制多进制数字调制 MASK，MFSK，MPSK(MDPSK)为什么运用多进制数字调制？为什么运用多进制数字调制？2 MnM2= =7.4 多进制数字调制多进制数字调制p采用多进制数字调制系统的优缺陷采用多进制数字调制系统的优缺陷p优点优点p大大提高了传信率和频带利用率大大提高了传信率和频带利用率p缺陷缺陷p降低了噪声容限，需求更好信道或更高功率降低了噪声容限，需求更好信道或更高功率p设备复杂度大大提高设备复杂度大大提高MRRBb2logBRbb 用多进制数字基带信号调制载波即可得到多进制数字用多进制数字基带信号调制载波即可得到多进制数字调制信号，多进制调制

17、有调制信号，多进制调制有MASK、MFSK及及MPSK等方等方式。式。 7.4.1 多进制幅度键控多进制幅度键控MASK MASK信号可表示为：信号可表示为： 其中，其中， 为基带波形，为基带波形， 为幅度，有为幅度，有M种取值。种取值。tnTtgatsnncsMASKcos)()()(tgna MASK与与2ASK相比相比当码元速率一样时：当码元速率一样时：信息速率信息速率频带利用率频带利用率M-1个不同幅度的个不同幅度的2ASK信号的叠加信号的叠加BBBB2MASK2ASKMRR2sblog= =BRbb= =2MASK的功率谱的功率谱叠加功率谱的个的功率谱等于2ASK1-MMASKfcf

18、的功率谱)(s1t的功率谱)(s2t的功率谱)(s3tscff scff sMASKfB2BBBB2MASK2ASK p当码元速率当码元速率Rs一样时，一样时，B2ASK=BMASK=2Bb；信；信息速率和频带利用率提高倍；息速率和频带利用率提高倍；p当信息速率当信息速率Rb一样时，一样时，B2ASK=BMASK*log2Mp对于对于MASK，由于是多电平，所以要求调制器有较，由于是多电平，所以要求调制器有较宽的线性范围；宽的线性范围；p 为限制带宽，为限制带宽，MASK信号基带波形除采用矩形波之信号基带波形除采用矩形波之外，还可采用余弦滚降信号或部分呼应信号等；外，还可采用余弦滚降信号或部分

19、呼应信号等；p MASK的解调可采用包络检波方式，也可采用相关的解调可采用包络检波方式，也可采用相关解调方式。只是需求多个判决门限，且不确定。解调方式。只是需求多个判决门限，且不确定。M2log4PSK/2系统的波形系统的波形2进制数据与载波相位差00103/23/211 0 001/2/27.4.2 7.4.2 多进制相移键控多进制相移键控MPSKMPSK波形时要与载波比较画 PSK42302014进制数据进制数据2进制数据进制数据101100100100参考载波参考载波t)2(4系统PSK MPSK的矢量图的矢量图(星座图表示如以下图所示。星座图表示如以下图所示。2/2只有两种取值与幅度k

20、kba四相绝对移相调制看作两个正交的二相绝对移相调制的合成，四相绝对移相调制看作两个正交的二相绝对移相调制的合成，故两者的功率谱密度分布规律一样。故两者的功率谱密度分布规律一样。 以下图是以下图是QPSK的相位选择法原理图。的相位选择法原理图。 这是一种全数字化实现这是一种全数字化实现方法，适宜于载频较高的场所。方法，适宜于载频较高的场所。 3. MPSK信号的解调信号的解调 由于由于MPSK可以等效为两个正交载波的可以等效为两个正交载波的MASK，所以，所以，MPSK可可以采用相关解调法解调。以采用相关解调法解调。LPF抽样判决LPF抽样判决并/串ab-/2tccostcsinQPSK相关接

21、纳 p 在在MPSK相关解调中，同样存在相位模糊度问题，所相关解调中，同样存在相位模糊度问题，所以类似于以类似于BPSK，也可采用相对调相法来抑制这一问题。，也可采用相对调相法来抑制这一问题。p 其方法是：对二进制数完成串并转换后，将其编码为其方法是：对二进制数完成串并转换后，将其编码为多进制差分码，再进展绝对调相。解调时，可采用相多进制差分码，再进展绝对调相。解调时，可采用相关解调和差分译码解调方法，也可采用延迟解调方法。关解调和差分译码解调方法，也可采用延迟解调方法。 7.4.3 多进频移键控多进频移键控MFSK MFSK信号可表示为：信号可表示为： 其实现原理可用频率选择法，其实现原理可用频率选择法， 其解调原理可采用非相关解调的包络解调方法。其解调原理可采用非相关解调的包络解调方法。 sMFSKss2( )cos,0,0, 1, , 1iEstttTiMT a调制调制 原理图原理图 b解调解调 原理图原理图M进制数字调制小结：进制数字调制小结：p提高频带利用率的最有效方法是采用多进制调制。提高频带利用率的最有效方法是采用多进制调制。p当当Rs一样时，