通信原理chapter5 基本的数字频带传输

2023/1/31通信与信息工程学院1

第5章基本的数字频带传输2023/1/31通信与信息工程学院2第5章基本的数字频带传输5.12ASK5.22FSK5.32PSK与2DPSK5.4QPSK与DQPSK5.5基本频带调制的讨论5.6*复包络、等效基带系统与无ISI传输2023/1/31通信与信息工程学院3第5章基本的数字频带传输习题P226~2295.1、5.2、5.3、5.4、5.7、5.8、5.9（1）、5.10、5.11、5.19、5.21、5.222023/1/31通信与信息工程学院4引言数字频带传输：在带通信道上传输数字信号的方法与模拟频带传输类似，数字频带传输也利用正弦载波的幅度、频率或相位将消息信号搬移到信道频带上调幅（AM）幅移键控（ASK）调频（FM）频移键控（FSK）调相（PM）相移键控（PSK）2023/1/31通信与信息工程学院5引言数字频带传输的核心内容：数字频带信号的调制与解调调制：发送端产生ASK、FSK或PSK信号的过程解调：接收端由ASK、FSK或PSK信号恢复出数字序列的过程（相干解调或非相干解调）模拟：调制与解调方法、功率、带宽、效率、抗噪声性能数字：调制与解调方法、功率谱、带宽、频带利用率、误

码性能2023/1/31通信与信息工程学院6引言2023/1/31通信与信息工程学院7

5.1

2ASK2023/1/31通信与信息工程学院85.12ASK5.1.1基本原理2ASK（二进制幅移键控）或OOK（开关键控）通过改变正弦载波的幅度来传输“0”、“1”信号波形表现为正弦波的有（开启）无（关闭）2023/1/31通信与信息工程学院91、2ASK信号及其调制方法消息信号ASK信号5.12ASK2023/1/31通信与信息工程学院10

乘积法（DSB-SC）开关法5.12ASK2023/1/31通信与信息工程学院115.12ASK5.1.2功率谱与带宽2ASK信号为基带信号与载波的乘积形式带宽

B2ASK=2B=2Rb（第一零点带宽）2023/1/31通信与信息工程学院125.12ASK单极性NRZ码功率谱密度对于幅度为1的单极性NRZ序列与正弦型载波2023/1/31通信与信息工程学院132、2ASK信号的包络检波解调法（1）带通滤波器：中心频率fc，带宽2B或2Rb

n(t)功率为2N0B（2）整流滤波电路提取包络：≈m(t)5.12ASK2023/1/31通信与信息工程学院14（3）判决门限：误码特性BPF输出信噪比门限效应5.12ASK2023/1/31通信与信息工程学院15例5.1一2ASK系统传输速率为5Mbps，接收带通滤波器输出幅度223.6mV，如高斯噪声功率谱密度分别为N0=W/Hz与N0=W/Hz。求两种情况下的系统误码率解：因为B=Rb=5Mbps，则噪声功率=2N0B=2N0Rb（1）

N0=，，Pe≈（2）N0=，=0.83<1，由于门限效应，系统无法正常工作5.12ASK2023/1/31通信与信息工程学院165.12ASK5.1.3*包络检波的误码性能分析（P192-193、结论）注意：单极性NRZ2023/1/31通信与信息工程学院175.12ASKP193：通常取BBPF=Rb，这是BBPF的最小理论值BBPF=2B=2Rb（5.1.1节、例5.1）2023/1/31通信与信息工程学院18

5.2

2FSK2023/1/31通信与信息工程学院195.22FSK5.2.1基本原理1、2FSK信号及其调制方法（二进制频移键控）通过键控正弦载波的频率（利用两个频率），传输“0”、“1”信号“1”：高频率，fc+∆f“0”：低频率，fc-∆f2023/1/31通信与信息工程学院205.22FSK相当两路互补ASK信号的叠加

与互补：2023/1/31通信与信息工程学院215.22FSK2023/1/31通信与信息工程学院225.22FSK2*、相位连续性（P194-195）防止“1”、“0”换码时，两个正弦波之间出现间断占据额外的频带，应尽量避免出现（1）桑德FSK信号参数（2）压控振荡器（VCO）（FM）2023/1/31通信与信息工程学院235.22FSK3、包络检波解调法两个互补ASK接收系统（1）上路接收下路接收

必须满足：2023/1/31通信与信息工程学院245.22FSK（2）判决准则，或2023/1/31通信与信息工程学院25误码特性BPF输出信噪比门限效应5.22FSK2023/1/31通信与信息工程学院264*、过零检测解调法（P195-196）：利用鉴频法检测2FSK信号5.22FSK2023/1/31通信与信息工程学院275.22FSK5.2.2功率谱与带宽两路互补2ASK信号功率谱的叠加带宽（第一零点带宽）（卡森公式）2023/1/31通信与信息工程学院285.22FSK如果2FSK信号中，两个频率过于接近，那么两个2ASK信号的功率谱将发生重叠，需保持频率间隔大，解调效果较好，但带宽利用率较低2023/1/31通信与信息工程学院295.22FSK5.2.3*包络检波的误码性能分析（P198-199、结论）2023/1/31通信与信息工程学院30例5.2使用Bell103型FSK调制解调器进行全双工数字通信，频带300~3300Hz，2FSK传输，每个方向的传输速率均为300波特。求两路通信的带宽与频带位置解：两路通信系统均有与Rb=300bps

带宽=Hz

其频带分别为770~1570Hz与1725~2525Hz5.22FSK传输方向传号频率f1空号频率f0应答方至主叫方1270Hz1070Hz主叫方至应答方2225Hz2025Hz2023/1/31通信与信息工程学院31

5.3

2PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院325.32PSK与2DPSK5.3.12PSK（BPSK）1、2PSK信号及其调制方法利用两种相位传输二元符号，最常使用0与令序列{an}的双极性NRZ基带信号m(t)调制方法：乘积法与选择法2023/1/31通信与信息工程学院33“同相”与“反相”是相对于当前时隙的载波相位而言5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院342、功率谱与带宽与2ASK信号形状相同，但无离散分量带宽：B2PSK=2Rb抑制载波2ASK信号，2ASK信号是2PSK信号与载波叠加5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院35功率谱双极性NRZ码，均值为零，功率谱中无离散分量5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院363、2PSK的相干解调符号信息既不在幅度上，也不在频率上（1）前端BPF：中心频率fc，带宽2B或2Rb（2）本地载波需与信号载波完全同频同相5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院37低通滤波器LPF：BLPF=Bnc(t)为窄带噪声n(t)的同相分量，功率谱为N0，带宽为BLPF5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院38（3）类似于基带信号通过AWGN信道的结果。故可用低通滤波法与匹配滤波法进行接收4、误码性能5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院39（1）采用LPF基带接收法其中BLPF=Rb=1/Tb，（重要）（2）采用MF接收法5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院40例5.3假定2PSK系统传输速率为5Mbps，接收带通滤波器输出信号幅度为223.6mV，高斯噪声功率谱密度为W/Hz，求相干接收的最佳误码率解：5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院41结论（1）误码性能与双极性NRZ基带传输系统相同（2）2PSK系统的抗噪性能比2ASK与2FSK系统好（3）需进行载波同步，系统较复杂（4）存在“不确定性反相”，无法直接应用5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院42结论（4）存在“不确定性反相”，无法直接应用5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院435.3.22DPSK2DPSK（二进制差分相移键控）将差分编码与2PSK相结合，解决“不确定性反相”问题1、基本原理bn为绝对码，dn为相对码5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院444.1二元与多元数字基带信号差分码编码规则：bn=anbn-1例4.1：已知二元数字信号序列{an}为{1110010}，求其相对

码序列{bn}解：（1）相对码首位为“0”

（2）相对码首位为“1”

{an}1110010{an}1110010

{bn}01011100{bn}10100011

每一组数字信号对应两组相对码；相对码比绝对码多一位2023/1/31通信与信息工程学院455.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院465.32PSK与2DPSK接收正确传输结果2023/1/31通信与信息工程学院475.32PSK与2DPSK接收反相的错误传输结果2023/1/31通信与信息工程学院484.1二元与多元数字基带信号例4.2：已知二元相对码序列{bn1}为{01011100}，{bn2}为

{10100011}，求其对应的数字序列{an1}与{an2}解：

{bn1}01011100{bn2}10100011{an1}1110010{an2}1110010

两组完全相反的相对码序列可恢复出同样的数字信号序列bn=an

bn-12023/1/31通信与信息工程学院495.32PSK与2DPSK2、2DPSK的功率谱与带宽与2PSK信号完全相同3、相干解调及其误码性能误码率为2PSK系统的两倍，但物理可实现误码率：2PSK的相干解调+差分编解码2023/1/31通信与信息工程学院505.32PSK与2DPSK2DPSK误码率分析（P205，表5.3.1）：2023/1/31通信与信息工程学院515.32PSK与2DPSK4、差分相干接收另一种重要解调方法—差分相干解调：比较两个相邻时隙上信号的相位，还原出绝对码序列，无需本地振荡2023/1/31通信与信息工程学院525.32PSK与2DPSK表5.3.2差分相干解调的判决准则，

传号差分码“1变0不变”

2023/1/31通信与信息工程学院535.32PSK与2DPSK误码性能其中差分相干解调的性能不如相干解调2023/1/31通信与信息工程学院54例5.6假定2DPSK系统传输速率为5Mbps，接收带通滤波器输出信号幅度为223.6mV，高斯噪声功率谱密度为W/Hz，求相干接收与差分相干接收的误码率解：5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院555.3.3*载波同步如何产生与信号载波完全同频同相的本地振荡两种自同步方法：平方环法与Costas环法1、平方环法：5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院562、科斯塔斯（Costas）环（同相正交环）法：5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院57经低通滤波后：多用一个支路，但工作在载频fc上，比平方环工作频率低5.32PSK与2DPSK2023/1/31通信与信息工程学院58

5.4

QPSK与DQPSK2023/1/31通信与信息工程学院595.4QPSK与DQPSK5.4.1QPSK信号的基本原理Q（quadrature）PSK或4PSK（四相移键控）一方面采用正交载波，一方面采用4种相位1、QPSK信号：存在4种不同取值，以传送四元符号2023/1/31通信与信息工程学院605.4QPSK与DQPSK4.4.4*格雷编码（P152，表4.4.2）符号位格雷编码自然编码000000010010012011010301001141101005111101610111071001112023/1/31通信与信息工程学院615.4QPSK与DQPSK格雷编码规则（补充）A/B0100（0）

1（1）12（3）3（2）AB/C01000（0）1（1）012（3）3（2）116（4）7（5）104（7）5（6）自然码（格雷码）2023/1/31通信与信息工程学院625.4QPSK与DQPSKQPSK信号的两套相位值2023/1/31通信与信息工程学院635.4QPSK与DQPSK两种方式本质相同，相差（即），主要讨论B方式格雷编码好处：相邻相位对应的比特中只有1位不同相位错误一般只会带来一个比特的损失2023/1/31通信与信息工程学院645.4QPSK与DQPSK2、QPSK与两路正交2PSKQPSK信号是两路正交（相位差）2PSK信号之和若四元序列{an}的高比特位与低比特位分别排成{b1n}与{b0n}，那么2023/1/31通信与信息工程学院655.4QPSK与DQPSK2023/1/31通信与信息工程学院662023/1/31通信与信息工程学院675.4QPSK与DQPSK3、功率谱与带宽正交信号的和信号的相关函数是它们相关函数之和，即和信号（QPSK）的功率谱是它们（2PSK）的功率谱之和SI_PSK(t)与SQ_PSK(t)同在一个频带上，所以QPSK信号的功率谱与2PSK信号功率谱完全相同？QPSK信号的带宽：BQPSK=2Rs=RbQPSK信号每个时隙传输两个比特，其频带利用率为2PSK信号的两倍2023/1/31通信与信息工程学院685.4QPSK与DQPSK例5.7QPSK系统的输入二进制序列为011111011000，试说明：（1）四元比特对序列；（2）载波相位（B方式）序列；（3）同相与正交支路的比特序列；（4）4800bps时需要的带宽。解：（1）四元符号序列：011111011000，*格雷编码比特对序列：122130

（2）载波相位：

（3）同相支路：111100；正交支路：011010；

（4）

Baud，Hz2023/1/31通信与信息工程学院695.4QPSK与DQPSK5.4.2QPSK的调制解调方法及误比特性能1、调制解调方法QPSK等效于两路正交的2PSK信号之和调制器2023/1/31通信与信息工程学院705.4QPSK与DQPSK串并变换：把四元序列拆分成两个二元序列解调器2023/1/31通信与信息工程学院715.4QPSK与DQPSK解调器的上、下支路分别为同相支路与正交支路，且两路彼此独立工作上支路下支路2023/1/31通信与信息工程学院725.4QPSK与DQPSK2、误码性能由于QPSK信号中，每个四元符号所包含的两个比特都独立、并行的按2PSK传输，故各比特的传输误比特率为Pb_2PSK，则QPSK误比特率为Pb_QPSK=Pb_2PSK即QPSK系统与2PSK系统的误码性能完全相同3*、载波同步（P213，QPSK的相干接收）平方环，Costas环2023/1/31通信与信息工程学院735.4QPSK与DQPSK5.4.3*DQPSK（P213-215）差分编码，防止出现“不确定性反相”应用较多，原理类似2PSK与2DPSK5.4.4*OQPSK与π/4DQPSK（P215-217）QPSK的改进形式改善包络起伏，简化接收机，方便提取符号同步信号系统复杂，应用渐少2023/1/31通信与信息工程学院74

5.5

基本频带调制的讨论2023/1/31通信与信息工程学院755.5基本频带调制的讨论5.5.1ASK与FSK的相干解调2ASK信号表达式2023/1/31通信与信息工程学院765.5基本频带调制的讨论2FSK信号等效于两路“互补”的2ASK信号的叠加2023/1/31通信与信息工程学院775.5基本频带调制的讨论参照2PSK信号的相干解调特性，可知2ASK与2FSK相干解调+匹配滤波的误码性能2ASK平均码元能量2FSK平均码元能量2023/1/31通信与信息工程学院785.5基本频带调制的讨论5.5.2系统误码性能的比较2023/1/31通信与信息工程学院795.5基本频带调制的讨论2023/1/31通信与信息工程学院805.5基本频带调制的讨论2023/1/31通信与信息工程学院815.5基本频带调制的讨论结论（1）误码性能排序

QPSK/PSK>相干DPSK>非相干DPSK>相干FSK/ASK>非相干FSK/ASK（2）2PSK与QPSK性能最优，QPSK频带利用率最高，但

系统复杂度较高，2PSK存在“不确定性反相”（3）2DPSK性能与2PSK接近（<1dB），但无“不确定性反相”问题（4）FSK性能一般，非相干接收与相干接收性能接近（<1dB），占用频带较宽，但噪声容限更大（5）非相干ASK适用于质量好的信道，设备简单2023/1/31通信与信息工程学院825.5基本频带调制的讨论例5.10假定2FSK信号通过某窄带AWGN信道后采用非相干解调的误码率为。问：（1）相干解调的误码率是多少？（2）改用2ASK信号，相干与非相干解调的是多少？（3）改用2ASK信号后，如何调整信号幅度，使保持不变？解：（1）相干解调2023/1/31通信与信息工程学院835.5基本频带调制的讨论（2）2ASK信号带宽比2FSK窄，可以通过该信道。但同样幅度下，，因此，2ASK误码性能比2FSK差3dB。2ASK相干与相非干解调的误码率：（3）将幅度提高至原信号的倍可保持同样的误码率2023/1/31通信与信息工程学院845.5基本频带调制的讨论5.5.3功率谱与带宽的讨论三种功率谱形式

(a)2ASK (b)2PSK与QPSK (c)2FSK2023/1/31通信与信息工程学院855.5基本频带调制的讨论注意：（1）有无离散载波谱线：2ASK与2FSK有（2）单载波与多载波制式：2FSK信号是多载波的一种简单的情形（3）同相与正交通道：在同一个载波的同一频带上，借助相位的正交性，可以并行地传输两路信号（QPSK