通信原理樊昌信第七章

1、第七章第七章 数字带通传输系统数字带通传输系统7.1 引言引言 7.2 二进制数字调制原理二进制数字调制原理 7.3 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 7.4 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 作业作业7.5 M 进制数字调制系统进制数字调制系统作业作业习题习题 7 - 7 - 1 1、3 3、5 5、7 7、 1010、1515调制的实质：将调制信号的频谱搬移到所希望的频调制的实质：将调制信号的频谱搬移到所希望的频率范围，使其转换成适合信道传输的已率范围，使其转换成适合信道传输的已调信号，同时利于实现频分复用。调信号，同时利于实现频分复用。

2、以正弦波为载波以正弦波为载波7.1 引言引言 二进制二进制多进制多进制2ASKMASK、 QAM2FSKMFSK、MSK2PSK、2DPSKQPSK7.2.3 移相键控移相键控7.2.2 移频键控移频键控7.2.1 移幅键控移幅键控7.2 二进制数字调制原理二进制数字调制原理 重要参数：信道带宽重要参数：信道带宽 W2ASK = 2 fs重要参数：信号带宽重要参数：信号带宽 B2ASK = 2 fs7.2.1 移幅键控（移幅键控（ 2ASK ）2、频谱结构、频谱结构 3、调制方法、调制方法4、解调方法、解调方法: 1）非相干解调）非相干解调 2）相干解调）相干解调1、信号表达式、信号表达式信号

3、波形及频谱图信号波形及频谱图 ttStec0 cos)()( )()()(cscsEffPffP41fP an =0 0 以概率以概率 1-p1 1 以概率以概率 p2ASK 信号表达式信号表达式设设 码元速率为码元速率为 ，基带信号，基带信号 S( t ) 可表示成可表示成NRZ 信号信号 nsnnTtgatS)()(tnTtgatecnsn0 cos)()( 2ASK 信号信号限制限制 S( t ) 必须是必须是 NRZ 信号信号 nsMnTtStS)()( )(sMnTtS)(_s1nTtg)(_s2nTtg以概率以概率 p以概率以概率 1-psT12ASK 频谱频谱设设 S( t )

4、的功率谱密度为的功率谱密度为Ps ( f ) e0( t ) 的功率谱密度为的功率谱密度为 PE( f ) ttStec0 cos)()( 非严格推导：非严格推导：ttStec2220 cos)()( )()()()()()(cos)()(cos)()()()(ccccccc2cccs2E20ffff41ffff21ffff21tffff21tfPtSfPte )()()(cscsEffPffP41fP 取决于取决于 NRZ Ps ( f ) 关于关于( f ) )()()sin()()(sinsin)(limlimlimlimlimff2f22222eej1tde1Fjjtj ktktktk

5、)sin(lim)( 定义式：定义式：说明：说明：)( 21 )( f1 S( t ) 是是 NRZ 信号信号 )()()(s2ssTfST41f41fPa sc2sc2sccETffSTffS16Tffff161fPaa)()()()()( 当当 p = 1 / 2 时时, f0sfsf )(fPssT2ASK 信号波形信号波形频谱图频谱图1 0 0 1 0 1 1+E V0 V S( t )载波载波2ASK- fcfc + fsfc - fsf0cf)f(PEB2ASK = 2 fs2ASK 调制方式调制方式模拟调制方式模拟调制方式 键控方式键控方式 也称也称 OOK 信号信号 开关开关K

6、 的动作由的动作由S( t ) 决定，决定， 10e0( t ) cosc tK当当S( t ) = 0 K 接接 01 K 接接 1乘法器乘法器S( t ) e0( t ) 滤波器滤波器cosc t非相干非相干解调解调2ASK 解调解调方式方式相干相干解调解调 带通带通 低通低通 抽样抽样判决判决e0( t )S( t )位脉冲位脉冲 cosc t载波载波同步同步 位同步位同步 带通带通 包络检波包络检波抽样抽样判决判决e0( t ) S( t ) 位同步位同步 位脉冲位脉冲 7.2.2 移频键控信号（移频键控信号（ 2FSK ）重要参数：信号带宽重要参数：信号带宽 B2FSK = 2 fs

7、 + | f1 - f2 |2、频谱结构、频谱结构 3、调制方法、调制方法1、信号表达式、信号表达式信号波形及频谱图信号波形及频谱图 包络检波法包络检波法、过零检测法过零检测法、差分检波法差分检波法4、解调方法、解调方法: 相干解调相干解调非相干解调非相干解调2FSK 信号表达式信号表达式 )cos()()cos()()(n2snnn1nsn0tnTtgatnTtgate na是是 an 的反码的反码 na1 以概率以概率p0 以概率（以概率（1-p）an = 01 定义式：定义式：ttSttS2111 cos)(cos)( e0( t ) = A cos (t ) = c + = c + k

8、 S( t )S( t )为双极性信号为双极性信号将一路将一路 2FSK 信号看成两路信号看成两路 2ASK 信号的合成信号的合成S1( t )为单极性信号为单极性信号近似分析法：近似分析法：2 路路 2ASK 信号的叠加信号的叠加 2FSK 频谱结构频谱结构 ttSttSte21110 cos)(cos)()( 且且 S1( t )、 均为均为 NRZ 信号，信号，脉宽为脉宽为Ts )(tS1 )ff(P)ff(P41)ff(P)ff(P41)f(P221s1sE1s1s11 )()()()()()()()()(2211s22s22s12s12Effffffff161TffSaTffSa16

9、1TffSaTffSa161fP 当当 p = 1/2f0sfsf )( fP1s2FSK 信号波形信号波形频谱图频谱图1 0 0 1 0 1 1+ E V S( t )载波载波12FSK- - E V S1( t )+ E V0 V+ E V0 V载波载波2)( fPs1B2FSK = 2 fs + | f1 - f2 |f1f0)( fPEf2f1)(tS12FSK 调制方式调制方式模拟调制方式：直接调频、间接调频模拟调制方式：直接调频、间接调频 键控方式键控方式 开关开关K 的动作由的动作由S( t ) 决定，决定， 当当S( t ) = 0 K 接接01 K 接接1S( t ) e0(

10、 t ) 压控压控VCO 直接调频直接调频1e0( t ) cos1 tK0cos2 t2FSK 相干解调相干解调应用条件：应用条件：| f1 - f2 | 2 fs 抽样抽样判决判决S( t )位同步位同步 2 fs带通带通2 低通低通 cos2 t载波载波同步同步 cos1 t带通带通1 低通低通 载波载波同步同步 e0 ( t )2FSK 包络检波法包络检波法应用条件：应用条件：| f1 - f2 | 2 fs 抽样抽样判决判决S( t )位同步位同步 2 fs带通带通2包络检波包络检波 带通带通1包络检波包络检波 e0 ( t )2FSK 过零检测法过零检测法特点：特点：“1”、“0”

11、 码元对应的载波频率不同，对应单码元对应的载波频率不同，对应单位时间内载波的过零点数目不同。利用此特点，位时间内载波的过零点数目不同。利用此特点，还原基带信号。还原基带信号。 各点波形示意图各点波形示意图e0 ( t )整形整形 微分微分 脉冲脉冲发生器发生器 整流整流 S( t )abcdef判决判决 低通低通 位同步位同步 abcdef0 1 1 0 1 0 0 e0 ( t )S( t )整形整形 微分微分 脉冲发生器脉冲发生器 低通低通 整流整流 abcdef判决判决 位同步位同步 2FSK 差分检波法差分检波法tAtec0)cos()( )()(cos)cos( cc2c2t22A2

12、A )(cos()cos()()( ttAtetecc200 sinsincoscos)cos()( cc2c22A2Ate若控制若控制，使，使 0c cos1c sin则则抽样抽样判决判决带通带通低通低通2 fs + | f1 - f2 |e0 ( t )S( t )延时延时位同步位同步 )(te 说明：输出说明：输出 与原生基带信号与原生基带信号 S( t ) 呈线性关系呈线性关系, ,判决后实现还原。性能受判决后实现还原。性能受 控制。控制。 当当 较小时较小时 sin2A2 sin2A22c 2c sinsin)(c22Ate sin 2A2 2A22c 2c )(te)(te )(t

13、kS 每种方法各有优缺点，适当选择每种方法各有优缺点，适当选择7.2.3 移相键控信号（移相键控信号（ 2PSK、2DPSK ）7.2.3.1 移相原理移相原理 7.2.3.2 移相信号移相信号模拟调相：模拟调相：载波的载波的相位相位随调制信号的变化而变化随调制信号的变化而变化移相原理移相原理数字移相：以载波的数字移相：以载波的初始相位初始相位值表示数字信号的状态值表示数字信号的状态载波载波初相初相 ：每个码元起始时刻对应的载波相位：每个码元起始时刻对应的载波相位 0 00 121 20 00 1重要参数：信号带宽重要参数：信号带宽 B2PSK = B2DPSK = 2 fs3、频谱结构、频谱

14、结构 4、调制方法、调制方法2、信号表达式、信号表达式5、解调方法、解调方法: 相干解调相干解调非相干解调非相干解调移相信号（移相信号（ 2PSK 和和 2DPSK ）1、信号定义、信号定义及及波形波形2PSK 2DPSK 比较比较ttStec0 cos)()( 2PSK ：绝对移相键控信号：绝对移相键控信号A 方式方式 0 或反之或反之B 方式方式2 2 1 0 0 1 0 1 1+ E S( t )- - E 0 0 0 2 2 2 2 2 2 2 A 方式方式 B 方式方式 表示表示 “0”表示表示 “1”载波初相载波初相 2DPSK ：相对移相键控信号：相对移相键控信号 ：后码元的载波

15、初相：后码元的载波初相2与前相邻码元与前相邻码元1的差值的差值 = 2 - 121 22 01 2A 方式方式 0 表示表示 “0”表示表示 “1”B 方式方式 2 2 或反之或反之波形波形相对载波初相相对载波初相1 0 0 1 0 1 1+ E S( t )- - E A 方式方式 B 方式方式 绝对码绝对码相对码相对码参考点参考点0002 2 2 2 000 001 1 1 0 0 1 0编码编码比较比较1 0 0 1 0 1 1+ E S( t )- - E0 0 00 0 0 0 2PSK2DPSK判判0 1 1 0 1 0 0倒倒 现象现象0判判0 0 0 1 0 1 1全错全错错错

16、 1 位位2PSK 、 2DPSK 频谱结构频谱结构2PSK 的信号表达式的信号表达式 2PSK 的功率谱密度的功率谱密度与与 2ASK 相似，要求相似，要求 S( t ) 为为双极性非归零双极性非归零 ttStec0 cos)()( )()()(cscsEffPffP41fP )()(| )(| )(| )()(| )()(|)(s2s2s2ss2msssTfST21pfGffGp1pf4mffmfG1p2ffPa sc2sc2sETffSTffS4TfPaa)()()( 频谱图频谱图f0sfsf )f(Ps2PSK 频谱图频谱图B2PSK = 2 fs- fcfc + fsfc - fsf

17、0cf)f(PE调制方式调制方式2PSK 键控方式键控方式 2DPSK 键控方式键控方式 相移相移1e0 ( t ) K0 S( t )差分差分编码编码cosc t相移相移1e0 ( t ) K0 S( t )cosc t相干解调相干解调2PSK2DPSK相干解调相干解调-码变换码变换 带通带通 低通低通 抽样抽样判决判决e0( t )S( t )cosc t载波载波同步同步 位同步位同步 S( t )差分差分译码译码 带通带通 低通低通 抽样抽样判决判决e0( t )cosc t载波载波同步同步 位同步位同步 差分相干检波差分相干检波非相干解调非相干解调2PSK2DPSK分析分析抽样抽样判决

18、判决带通带通低通低通e0 ( t )S( t )延时延时Ts位同步位同步 抽样抽样判决判决带通带通e0 ( t )S( t )鉴相器鉴相器位同步位同步 1 0 0 1 0 1 1 S( t )+ E- - Eabc = a bde1 0 0 1 0 1 1 0 000抽样抽样判决判决带通带通低通低通e0 ( t )S( t )延时延时Tsabcde位同步位同步 7.3 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 7.3.1 2ASK 系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能7.3.2 2FSK 系统的抗噪性能系统的抗噪性能 7.3.3 2PSK 及及 2DPSK 系统的抗噪性能系统的

19、抗噪性能7.3.1 2ASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能7.3.1.1 接收信号描述接收信号描述 7.3.1.2 非相干接收系统非相干接收系统7.3.1.3 相干接收系统相干接收系统分析：一个信号波形分析：一个信号波形ST ( t ) = UT ( t ) = Acosc t 0 t ) dV 则则 pe1= P( 0/1 ) = P( v V0 判判 “1”V1 x0 判判 “ 1 ”x1 0 判判 “ 1 ”x d 时误判时误判等概时等概时M1pi 1M0ieiiePpPf1( x ) f0 ( x ) x2d0f2( x ) f3( x ) 4d6d 2M0i2d0dxxfM2)(

20、n2derfcM1M 信号统计平均功率信号统计平均功率 1M4d611i22dM1S22M1i22 信噪比信噪比 1n4n311n25312222 2nS Pe与与关系曲线关系曲线相同相同 Pe 时，时，M 进制比进制比 2 进制系统需要的信噪比增加。进制系统需要的信噪比增加。8PSKMPSK定义：载波初相有定义：载波初相有 M 种取值种取值信号矢量图信号矢量图调制调制 Mk2tAtScMPSK cosM21k、 k 解调解调QPSKDQPSKtAtAckck sinsincoscos QPSKDQPSKA 方式方式QPSK270180900k、 31522513545k、 B 方式方式8PS

21、K533752925247520251575112567522k.、 信号矢量信号矢量00、01、10、11星座图星座图双比特码元双比特码元 相对载波初相相对载波初相akbk00010901118001270k DQPSK信号矢量图信号矢量图 ：本码组与相邻前码组的相位差：本码组与相邻前码组的相位差k 码组码组A 方式方式相位逻辑关系表相位逻辑关系表相位逻辑图相位逻辑图相对码相对码k 双极性双极性Tb1 0 1 01 0 0 1 bkakTs =2 TbA 方式方式当当 akbk = 01输出输出 4t4tcc coscos串串 并并11001001载波载波输出输出移相移相 4 移相移相 4

22、4tc cos 4tc cos 2t2c cosk QPSK 正交调制正交调制双比特码元双比特码元 载波初相载波初相akbkB 方式方式1145011350022510315k QPSK 正交调制正交调制bkak 1 0 1 01 0 0 1 相位逻辑关系表相位逻辑关系表Ts =2 Tb 输出输出串串 并并输入输入 cosc t11001001- sinc t 移相移相 2 载波载波双极性、双极性、TbB 方式方式当当 akbk = 01ttcc sincos k 输出输出 43t2c cos1-10101101111011000000010118PSK 正交调制正交调制b1 b2 b3 =

23、111t0.383-t0.92418022.5tccc sincoscos b2 b3b1b310110001101100010.9240.383b1b2正交载波正交载波串串 并并二进制二进制 cosc t- sinc t移相移相 2 载波载波电平电平产生产生电平电平产生产生倒相倒相b1b2b38PSKDQPSK 正交调制正交调制双极性双极性Tb 0 1 0 1 00 1 0 0 1 dkbkakTs =2 Tb1111101 10k 2k 串串 并并输入输入 11001001载波载波输出输出差分编码差分编码移相移相 4 移相移相 4 4tc cos 4tc cos ck相位逻辑图相位逻辑图A 方式方式初态为初态为 0 =kQPSK 相干解调相干解调当当 akbk = 01 43tc cos收收上支路上支路 a下支路下支路 b4321t43tcc coscoscos 4321t-43tcc sinsincos 判判01发发42 42 输出输出带通带通输入输