通信原理及MATLAB-Simulink仿真通信课件

第6章

数字信号频带传输系统

1第6章

数字信号频带传输系统1内容6.1二进制数字调制6.2二进制系统抗噪声性能6.3二进制调制系统性能比较6.4多进制数字调制系统

2内容6.1二进制数字调制2数字调制概述一、正弦波数字调制作用

为了使数字信息在带通信道上传输应把数字基带信号的频谱搬移到合适的带通频带上。二、正弦波数字调制概念

用基带数字信号控制高频正弦载波，把基带数字信号变换成频带数字信号，这就是正弦波数字调制三、三种基本数字调制3数字调制概述一、正弦波数字调制作用为了使数字信息在带通信道四、模拟调制与数字调制的比较

数字调制概述（1）载波相同（2）调制目的相同（3）调制参数相同

不同点有：（1）调制信号不同（2）调制过程不同（3）解调过程不同相同点有：4四、模拟调制与数字调制的比较数字调制概述（1）载波相同不同6.1二进制数字调制一、二进制幅度键控2ASK

1．2ASK信号的表达式和波形B(t)----单极性NRZ56.1二进制数字调制一、二进制幅度键控2ASK1．2A2．2ASK信号的产生方法一、二进制幅度键控2ASK(a)相乘法(b)键控法62．2ASK信号的产生方法一、二进制幅度键控2ASK(a)一、二进制幅度键控2ASK3.2ASK信号的功率谱及带宽B(t)--单极性NRZ7一、二进制幅度键控2ASK3.2ASK信号的功率谱及带4.2ASK信号的解调方法一、二进制幅度键控2ASKBPF包络检波判决输出非相干解调法：00100111001原始信息整流后波形LPF后波形判决后波形84.2ASK信号的解调方法一、二进制幅度键控2ASK4.2ASK信号的解调方法一、二进制幅度键控2ASK相干解调法：BPFLPF判决输出94.2ASK信号的解调方法一、二进制幅度键控2ASK二、二进制移频键控2FSK1．2FSK信号的表达式和波形B(t)----单极性NRZ10二、二进制移频键控2FSK1．2FSK信号的表达式和波形B二、二进制移频键控2FSK2．2FSK信号的产生方法（a）模拟调频法(b)

键控法FM11二、二进制移频键控2FSK2．2FSK信号的产生方法（a）二、二进制移频键控2FSK3.2FSK信号的功率谱及带宽012二、二进制移频键控2FSK3.2FSK信号的功率谱及带4.2FSK信号的解调方法二、二进制移频键控2FSK（a）非相干解调（b）相干解调134.2FSK信号的解调方法二、二进制移频键控2FSK（【例6-1】设发送数字信息序列为1101101100，码元速率为1000Baud，现采用键控法产生2FSK信号，并设f1=1kHz，对应“1”；f2=1.5kHz，对应“0”。若两振荡器输出振荡初相均为0，画出2FSK信号波形，并计算其带宽和频带利用率。

14【例6-1】设发送数字信息序列为1101101100，码元三、二进制移相键控2PSK1．2PSK信号的表达式和波形000011112．2PSK信号的产生方法15三、二进制移相键控2PSK1．2PSK信号的表达式和波形03.2PSK信号的功率谱及带宽三、二进制移相键控2PSK163.2PSK信号的功率谱及带宽三、二进制移相键控2PSK4.2PSK信号的解调方法三、二进制移相键控2PSK174.2PSK信号的解调方法三、二进制移相键控2PSK1三、二进制移相键控2PSK5.相干载波的提取和相位模糊输出相位有多个可能值，为的整数倍相位模糊-----载波提取方法：18三、二进制移相键控2PSK5.相干载波的提取和相位模糊四、差分移相键控2DPSK

1．2DPSK信号波形第一种情况的波形如下：19四、差分移相键控2DPSK1．2DPSK信号波形第一种情况2．DPSK信号的产生方法四、差分移相键控2DPSK

例：基带信号00111001的2DPSK信号产生过程如下：202．DPSK信号的产生方法四、差分移相键控2DPSK例：基3．DPSK信号的解调方法四、差分移相键控2DPSK

DPSK的相干解调213．DPSK信号的解调方法四、差分移相键控2DPSKD

差分相干解调四、差分移相键控2DPSK

22差分相干解调四、差分移相键控2DPSK226.2二进制系统的抗噪声性能2ASK的抗噪声性能：相干解调法和包络检波法2FSK的抗噪声性能：相干解调法和非相干解调法PSK/2DPSK的抗噪声性能236.2二进制系统的抗噪声性能2ASK的抗噪声性能：相一、2ASK的抗噪声性能1．相干解调法设则其中而经LPF后：抽样器的输出为：

24一、2ASK的抗噪声性能1．相干解调法设则其中而经LPF后抽样器的输出为：

发“1”时概率密度函数为：

发“0”时概率密度函数为：A为信号振幅为噪声方差。

其中：一、2ASK的抗噪声性能25抽样器的输出为：发“1”时概率密度函数为：发“0”时概率2．包络检波法一、2ASK的抗噪声性能当发“1”时

其概率密度函数为

其中

服从莱斯分布式中为零阶修正贝塞尔函数。当发“0”时最佳门限值可近似为

此时包络检波器的输入只有窄带噪声262．包络检波法一、2ASK的抗噪声性能当发“1”时其概率二、2FSK的抗噪声性能1．相干解调法当发“1”时，其中：下支路信号为：判决器输入为：

上支路信号为：同理可得：总误码率为：27二、2FSK的抗噪声性能1．相干解调法当发“1”时，其中：2．非相干解调法二、2FSK的抗噪声性能当发“1”时，上支路信号为：下支路信号为：当y2>y1时，造成误码。当给定一个y1的值时：

发送“1”而错判成“0”的概率为

同理可得：总误码率为：

282．非相干解调法二、2FSK的抗噪声性能当发“1”时，上支三、2PSK/2DPSK的抗噪声性能1．2PSK相干解调设则当“1”、“0”等概率，最佳门限为

，此时

得29三、2PSK/2DPSK的抗噪声性能1．2PSK相干解调设2．DPSK解调三、2PSK/2DPSK的抗噪声性能DPSK差分相干解调系统的误码率为：DPSK相干解调-码反变换法系统的误码率为302．DPSK解调三、2PSK/2DPSK的抗噪声性能DPS6.3二进制调制系统的性能比较一、频带宽度

二、误码率的比较

316.3二进制调制系统的性能比较一、频带宽度二、误码率【例6-3】采用二进制数字调制通信系统传输0、1等概出现的数字信息，若设发射机输出端已调信号振幅A=10V，信道传输的（功率）衰减为60dB，接收机解调器输入端噪声功率Ni=5μW，求下列情况下的误码率Pe:（1）2ASK相干解调；（2）2ASK非相干解调；（3）2PSK相干解调；（4）2DPSK相干解调；（5）2DPSK差分相干解调。32【例6-3】采用二进制数字调制通信系统传输0、1等概出现的【例6-4】已知2FSK信号的两个载频为f1=2225Hz（对应“1”），f2=2025Hz（对应“0”），信息速率Rb=300bit/s，信道频率范围为300~3300Hz，信道输出端信噪比rc=3dB，试计算：该2FSK信号带宽；采用非相干解调时的误码率Pe;采用相干解调时的误码率Pe;与上例的误码率进行比较。33【例6-4】已知2FSK信号的两个载频为f1=2225Hz【例6-4】解答：（4）与上例的误码率计算结果按递减顺序排列

34【例6-4】解答：（4）与上例的误码率计算结果按递减顺序排列三、对信道特性变化的敏感性比较

6.3二进制调制系统的性能比较在2FSK系统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比较两路解调输出的大小来做出判决。2PSK系统中，判决器的最佳判决门限为零，接收机容易保持在最佳判决门限状态。但2ASK系统中，判决器的最佳判决门限为a/2，它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度将随着发生变化，从而导致最佳判决门限也将随之而变。这时，接收机难以保持在最佳判决门限状态，因此2ASK对信道特性变化敏感，性能最差。

35三、对信道特性变化的敏感性比较6.3二进制调制系统的性6.3二进制调制系统的性能比较四、设备的复杂程度比较

发送端设备的复杂程度相差不多，而接收端的复杂程度则与所选用的调制和解调方式有关。对于同一种调制方式，相干解调的设备要比非相干解调时复杂；而同为非相干解调时，2DPSK的设备最复杂，2FSK次之，2ASK最简单。366.3二进制调制系统的性能比较四、设备的复杂程度比较发实验时间通知第十四周，周一，晚上，一批第十四周，周三，下午，一批第十四周，周三，晚上，一批37实验时间通知第十四周，周一，晚上，一批376.4多进制数字调制系统一、多进制数字振幅调制系统

b(t)：多进制数字基带信号g(t)：基本门函数1．时域表达式及波形图386.4多进制数字调制系统一、多进制数字振幅调制系统b(2．MASK信号的产生方法

一、多进制数字振幅调制系统3．MASK信号的带宽及频带利用率

4．MASK信号的解调方法（相干解调及非相干解调）392．MASK信号的产生方法一、多进制数字振幅调制系统3【例6-5】若四进制代码与电平的对应关系为：画出当信码为11100100001010001110时的四进制基带信号波形和4ASK信号波形。40【例6-5】若四进制代码与电平的对应关系为：40二、多进制数字频率调制系统1．MFSK系统方框图41二、多进制数字频率调制系统1．MFSK系统方框图412．MFSK信号的带宽及频带利用率二、多进制数字频率调制系统频带利用率不高422．MFSK信号的带宽及频带利用率二、多进制数字频率调制系统三、多进制数字相位调制系统1.多相制的表示式及相位配置π/4体系

π/2体系

43三、多进制数字相位调制系统1.多相制的表示式及相位配置π2.四进制绝对移相(4PSK或QPSK)

三、多进制数字相位调制系统4PSK信号的波形图

4PSK信号的产生方法

相位选择法442.四进制绝对移相(4PSK或QPSK)三、多进制数字正交调制法三、多进制数字相位调制系统45正交调制法三、多进制数字相位调制系统454PSK信号的解调

三、多进制数字相位调制系统464PSK信号的解调三、多进制数字相位调制系统46【例6-6】若4PSK系统采用π/4体系，画出当信码为00110100100000011011时的4PSK信号波形。47【例6-6】若4PSK系统采用π/4体系，画出当信码为003.差分四进制移相(DQPSK)三、多进制数字相位调制系统DQPSK信号的波形图

DQPSK信号的产生方法：

绝对码变成相对码，再对相对码进行绝对调相双比特码进行差分编码

方法一：方法二：模4加

483.差分四进制移相(DQPSK)三、多进制数字相位调制系统双比特码进行差分编码

三、多进制数字相位调制系统49双比特码进行差分编码三、多进制数字相位调制系统49DQPSK信号的解调

相干解调——码反变换法三、多进制数字相位调制系统50DQPSK信号的解调相干解调——码反变换法三、多进制四、正交幅度调制（QAM）1、16QAM星座图51四、正交幅度调制（QAM）1、16QAM星座图512、一般表达式四、正交幅度调制（QAM）3、16QAM信号的产生522、一般表达式四、正交幅度调制（QAM）3、16QAM信4、16QAM信号解调四、正交幅度调制（QAM）534、16QAM信号解调四、正交幅度调制（QAM）53小结1．数字调制数字调制是指：调制信号是数字信号，载波是正弦波的调制。由于数字信号可视作模拟信号的特例（取值离散），因而数字调制也可视作模拟调制的特例。54小结1．数字调制数字调制是指：调制信号是数字信号，2．二进制数字调制系统比较小结552．二进制数字调制系统比较小结553．多进制调制小结与二进制调制相比，多进制数字调制的优点是：可以提高频带利用率，这样，在传输带宽B相同时，可提高信息传输速率；或者，在信息传输速率相同时，可减小传输带宽B。两者均表明：提高了有效性。在三种多进制数字调制系统中，MASK的可靠性更差、MFSK的频带利用率增大有限（由于带宽也相应增大），因而仅MPSK（实为MDPSK，下同）获得广泛应用。但由于可靠性的限制，MPSK只用到了4PSK、8PSK。563．多进制调制小结与二进制调制相比，多进制数字调制4．QAM小结当M>=16时，常采用MQAM。由于MASK、MPSK信号占据相同的频率范围，于是想到同时利用振幅、相位来传输信息，这就是APK系统，其中最典型的是MQAM。从星座图上信号点的分布来看，MPSK也属于正交调制。事实上，MPSK是MQAM的特例（等幅），从而也可用正交调制、解调法来产生和解调。另一方面，从极坐标上看，MPSK的信号点仅为一维分布，这决定了它的信号点分布不如MQAM均匀。因而，当时，MPSK的抗干扰能力比MQAM差得多，因而常用MQAM。574．QAM小结当M>=16时，常采用MQAM。由于作业：2、3、4、9、11、1258作业：2、3、4、9、11、1258

第6章

数字信号频带传输系统

59第6章

数字信号频带传输系统1内容6.1二进制数字调制6.2二进制系统抗噪声性能6.3二进制调制系统性能比较6.4多进制数字调制系统

60内容6.1二进制数字调制2数字调制概述一、正弦波数字调制作用

为了使数字信息在带通信道上传输应把数字基带信号的频谱搬移到合适的带通频带上。二、正弦波数字调制概念

用基带数字信号控制高频正弦载波，把基带数字信号变换成频带数字信号，这就是正弦波数字调制三、三种基本数字调制61数字调制概述一、正弦波数字调制作用为了使数字信息在带通信道四、模拟调制与数字调制的比较

数字调制概述（1）载波相同（2）调制目的相同（3）调制参数相同

不同点有：（1）调制信号不同（2）调制过程不同（3）解调过程不同相同点有：62四、模拟调制与数字调制的比较数字调制概述（1）载波相同不同6.1二进制数字调制一、二进制幅度键控2ASK

1．2ASK信号的表达式和波形B(t)----单极性NRZ636.1二进制数字调制一、二进制幅度键控2ASK1．2A2．2ASK信号的产生方法一、二进制幅度键控2ASK(a)相乘法(b)键控法642．2ASK信号的产生方法一、二进制幅度键控2ASK(a)一、二进制幅度键控2ASK3.2ASK信号的功率谱及带宽B(t)--单极性NRZ65一、二进制幅度键控2ASK3.2ASK信号的功率谱及带4.2ASK信号的解调方法一、二进制幅度键控2ASKBPF包络检波判决输出非相干解调法：00100111001原始信息整流后波形LPF后波形判决后波形664.2ASK信号的解调方法一、二进制幅度键控2ASK4.2ASK信号的解调方法一、二进制幅度键控2ASK相干解调法：BPFLPF判决输出674.2ASK信号的解调方法一、二进制幅度键控2ASK二、二进制移频键控2FSK1．2FSK信号的表达式和波形B(t)----单极性NRZ68二、二进制移频键控2FSK1．2FSK信号的表达式和波形B二、二进制移频键控2FSK2．2FSK信号的产生方法（a）模拟调频法(b)

键控法FM69二、二进制移频键控2FSK2．2FSK信号的产生方法（a）二、二进制移频键控2FSK3.2FSK信号的功率谱及带宽070二、二进制移频键控2FSK3.2FSK信号的功率谱及带4.2FSK信号的解调方法二、二进制移频键控2FSK（a）非相干解调（b）相干解调714.2FSK信号的解调方法二、二进制移频键控2FSK（【例6-1】设发送数字信息序列为1101101100，码元速率为1000Baud，现采用键控法产生2FSK信号，并设f1=1kHz，对应“1”；f2=1.5kHz，对应“0”。若两振荡器输出振荡初相均为0，画出2FSK信号波形，并计算其带宽和频带利用率。

72【例6-1】设发送数字信息序列为1101101100，码元三、二进制移相键控2PSK1．2PSK信号的表达式和波形000011112．2PSK信号的产生方法73三、二进制移相键控2PSK1．2PSK信号的表达式和波形03.2PSK信号的功率谱及带宽三、二进制移相键控2PSK743.2PSK信号的功率谱及带宽三、二进制移相键控2PSK4.2PSK信号的解调方法三、二进制移相键控2PSK754.2PSK信号的解调方法三、二进制移相键控2PSK1三、二进制移相键控2PSK5.相干载波的提取和相位模糊输出相位有多个可能值，为的整数倍相位模糊-----载波提取方法：76三、二进制移相键控2PSK5.相干载波的提取和相位模糊四、差分移相键控2DPSK

1．2DPSK信号波形第一种情况的波形如下：77四、差分移相键控2DPSK1．2DPSK信号波形第一种情况2．DPSK信号的产生方法四、差分移相键控2DPSK

例：基带信号00111001的2DPSK信号产生过程如下：782．DPSK信号的产生方法四、差分移相键控2DPSK例：基3．DPSK信号的解调方法四、差分移相键控2DPSK

DPSK的相干解调793．DPSK信号的解调方法四、差分移相键控2DPSKD

差分相干解调四、差分移相键控2DPSK

80差分相干解调四、差分移相键控2DPSK226.2二进制系统的抗噪声性能2ASK的抗噪声性能：相干解调法和包络检波法2FSK的抗噪声性能：相干解调法和非相干解调法PSK/2DPSK的抗噪声性能816.2二进制系统的抗噪声性能2ASK的抗噪声性能：相一、2ASK的抗噪声性能1．相干解调法设则其中而经LPF后：抽样器的输出为：

82一、2ASK的抗噪声性能1．相干解调法设则其中而经LPF后抽样器的输出为：

发“1”时概率密度函数为：

发“0”时概率密度函数为：A为信号振幅为噪声方差。

其中：一、2ASK的抗噪声性能83抽样器的输出为：发“1”时概率密度函数为：发“0”时概率2．包络检波法一、2ASK的抗噪声性能当发“1”时

其概率密度函数为

其中

服从莱斯分布式中为零阶修正贝塞尔函数。当发“0”时最佳门限值可近似为

此时包络检波器的输入只有窄带噪声842．包络检波法一、2ASK的抗噪声性能当发“1”时其概率二、2FSK的抗噪声性能1．相干解调法当发“1”时，其中：下支路信号为：判决器输入为：

上支路信号为：同理可得：总误码率为：85二、2FSK的抗噪声性能1．相干解调法当发“1”时，其中：2．非相干解调法二、2FSK的抗噪声性能当发“1”时，上支路信号为：下支路信号为：当y2>y1时，造成误码。当给定一个y1的值时：

发送“1”而错判成“0”的概率为

同理可得：总误码率为：

862．非相干解调法二、2FSK的抗噪声性能当发“1”时，上支三、2PSK/2DPSK的抗噪声性能1．2PSK相干解调设则当“1”、“0”等概率，最佳门限为

，此时

得87三、2PSK/2DPSK的抗噪声性能1．2PSK相干解调设2．DPSK解调三、2PSK/2DPSK的抗噪声性能DPSK差分相干解调系统的误码率为：DPSK相干解调-码反变换法系统的误码率为882．DPSK解调三、2PSK/2DPSK的抗噪声性能DPS6.3二进制调制系统的性能比较一、频带宽度

二、误码率的比较

896.3二进制调制系统的性能比较一、频带宽度二、误码率【例6-3】采用二进制数字调制通信系统传输0、1等概出现的数字信息，若设发射机输出端已调信号振幅A=10V，信道传输的（功率）衰减为60dB，接收机解调器输入端噪声功率Ni=5μW，求下列情况下的误码率Pe:（1）2ASK相干解调；（2）2ASK非相干解调；（3）2PSK相干解调；（4）2DPSK相干解调；（5）2DPSK差分相干解调。90【例6-3】采用二进制数字调制通信系统传输0、1等概出现的【例6-4】已知2FSK信号的两个载频为f1=2225Hz（对应“1”），f2=2025Hz（对应“0”），信息速率Rb=300bit/s，信道频率范围为300~3300Hz，信道输出端信噪比rc=3dB，试计算：该2FSK信号带宽；采用非相干解调时的误码率Pe;采用相干解调时的误码率Pe;与上例的误码率进行比较。91【例6-4】已知2FSK信号的两个载频为f1=2225Hz【例6-4】解答：（4）与上例的误码率计算结果按递减顺序排列

92【例6-4】解答：（4）与上例的误码率计算结果按递减顺序排列三、对信道特性变化的敏感性比较

6.3二进制调制系统的性能比较在2FSK系统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比较两路解调输出的大小来做出判决。2PSK系统中，判决器的最佳判决门限为零，接收机容易保持在最佳判决门限状态。但2ASK系统中，判决器的最佳判决门限为a/2，它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度将随着发生变化，从而导致最佳判决门限也将随之而变。这时，接收机难以保持在最佳判决门限状态，因此2ASK对信道特性变化敏感，性能最差。

93三、对信道特性变化的敏感性比较6.3二进制调制系统的性6.3二进制调制系统的性能比较四、设备的复杂程度比较

发送端设备的复杂程度相差不多，而接收端的复杂程度则与所选用的调制和解调方式有关。对于同一种调制方式，相干解调的设备要比非相干解调时复杂；而同为非相干解调时，2DPSK的设备最复杂，2FSK次之，2ASK最简单。946.3二进制调制系统的性能比较四、设备的复杂程度比较发实验时间通知第十四周，周一，晚上，一批第十四周，周三，下午，一批第十四周，周三，晚上，一批95实验时间通知第十四周，周一，晚上，一批376.4多进制数字调制系统一、多进制数字振幅调制系统

b(t)：多进制数字基带信号g(t)：基本门函数1．时域表达式及波形图966.4多进制数字调制系统一、多进制数字振幅调制系统b(2．MASK信号的产生方法

一、多进制数字振幅调制系统3．MASK信号的带宽及频带利用率

4．MASK信号的解调方法（相干解调及非相干解调）972．MASK信号的产生方法一、多进制数字振幅调制系统3【例6-5】若四进制代码与电平的对应关系为：画出当信码为11100100001010001110时的四进制基带信号波形和4ASK信号波形。98【例6-5】若四进制代码与电平的对应关系为：40二、多进制数字频率调制系统1．MFSK系统方框图99二、多进制数字频率调制系统1．MFSK系统方框图412．MFSK信号的带宽及频带利用率二、多进制数字频率调制系统频带利用率不高1002．MFSK信号的带宽及频带利用率二、多进制数字频率调制系统三、多进制数字相位调制系统1.多相制的表示式及相位配置π/4体系

π/2体系

101三、多进制数字相位调制系统1.多相制的表示式及相位配置π2.四进制绝对移相(4PSK或QPSK)

三、多进制数字相位调制系统4PSK信号的波形图

4PSK信号的产生方法

相位选择法1022.四进制绝对移相(4PSK或QPSK)三、多进制数字正交调制法三、多进制数字相位调制系统103正交调制法三、多进制数字相位调制系统454PSK信号的解调

三、多进制数字相位调制系统1044PSK信号的解调三、多进制数字相位调制系统46【例6-6】若4PSK系统采用π/4体系，画出当信码为00110100100000011011时的4PSK信号波形。105【例6-6】若4PSK