通信原理第7章正弦载波数字调制系统

第7章正弦载波数字调制系统

2/4/20231引言二进制数字调制原理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性能比较多进制数字调制系统

内容2/4/20232引言调制概念数字调制概念键控信号

2/4/20233

数字信号调制方法：ASK~振幅键控FSK~移频键控PSK~移相键控二进制数字调制概念

多进制数字调制概念2/4/202347.1二进制数字调制

7.1.1二进制幅度键控(2ASK)

7.1.2二进制频移键控(2FSK) 7.1.3二进制相移键控(2PSK) 7.1.4二进制差分相移键控(2DPSK)

2/4/202357.1.1

二进制幅度键控（2ASK）1)定义及时域表达式载波幅度随着调制信号变化而变化。最简单的形式是通断键控（OOK）。二进制符号序列为：其中：Ts——信号间隔g(t)——调制信号的时间波形2/4/20236二进制幅度键控信号的时域表达式：2/4/202372ASK典型波形如下2/4/202382)2ASK信号的功率谱密度及带宽二进制基带信号的功率谱为：2ASK信号的功率谱密度：

2/4/20239

2ASK信号的功率谱密度示意2/4/202310

由图可见，2ASK信号的功率谱是基带信号频谱向fc和-fc两边平移，由连续谱和离散谱两部分组成。

连续谱取决于经线性调制后的双边带谱。

离散谱由载波分量决定。2ASK信号的频带宽度是基带脉冲带宽的两倍这与模拟AM、DSB一样。

2/4/202311

3）调制与解调调制：可用模拟法和键控法实现2/4/202312解调：可以用包络检波和相干解调。对于数字信号解调来说，必须采用抽样判决，这一部分也称为再生，这是数字通信必不可少的。它能消除噪声积累。2/4/2023137.1.2

二进制频移键控（2FSK）1)定义及时域表达式载波频率随着调制信号1或0而变。例：1——f1,0——f2时域表达式其中：2/4/202314由上式可以看出，2FSK信号可以看成两个不同载频的ASK信号之和，即：2/4/2023152)2FSK信号的功率谱密度及带宽2FSK信号的功率谱密度2/4/2023162/4/202317分析讨论：

FSK谱由连续谱和离散谱组成，连续谱是的ASK功率谱和的ASK功率谱两者之和：。

离散谱出现在两个载频位置上。2FSK带宽（相位不连续2FSK）：2/4/2023183）调制与解调调制：模拟调频和数字键控法2/4/202319解调方式1：包络检波。对上下两路抽样值的比较，最终判决出输出信号2/4/202320解调方式2：相干解调。2/4/202321解调方式3：2FSK过零检测法。2/4/2023227.1.3

二进制相移键控（2PSK）1)定义及时域表达式载波的相位随调制信号1或0而变一般用来表示1或0表达式其中：，g(t)为矩形脉冲在一个码元间隔内：2/4/202323由上式可以看出，2PSK实际上等同于一个抑制载波的双边带调幅信号，因此不存在直流分量

波形(绝对调相)2/4/2023242)2PSK信号的功率谱密度及带宽2/4/202325由连续谱和离散谱两部分组成。谱结构与2ASK信号的类似当1和0等概出现时，不存在离散谱。2PSK信号的频带宽度是基带脉冲带宽的两倍2/4/2023263)2PSK调制与解调调制：2/4/2023272PSK解调2PSK信号解调必须采用相干解调。相干解调需要考虑载波，要求同频同相。载波必须从信号中提取，需要采用非线性变换。2/4/202328平方环和Costas环的鉴相特性这就表明恢复载波可能存在二种相位。这种相位不确定性称为相位含糊（模糊度）。由于存在载波相位含糊，可能会引起解码错误，这就需要采用差分编译码。2/4/2023297.1.4二进制差分相移键控（2DPSK）前面的2PSK信号中，相位变化是以未调载波的相位作为参考基准，也就是发“1”码时，让0相载波过去，发“0”码时，让1相载波过去，这是利用绝对数值来传送的数字信息，因而又称绝对调相。而常用的是利用前后码字的相对相位变化传送数字信息。这种方法称为相对调相。2/4/2023302DPSK调制

2/4/202331二相差分编码编码(绝对码变为相对码)译码（相对码变为绝对码）

2/4/2023322DPSK

相干

解调2/4/2023332DPSK

差分

相干

解调2/4/2023347.2二进制数字调制系统的抗噪性能

在数字通信中，信道的加性噪声可能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。与数字基带系统一样，分析数字调制系统的抗噪性能，也就是要找出系统由于加性噪声产生的总误码率。2/4/2023357.2.12ASK系统的抗噪声性能

二进制数字调制时，接收端解调可以采用相干解调，也可以采用非相干解调，它们的抗噪声能力不同，误码性能也不同。下面讨论这两种不同的解调方法的性能2/4/202336一、包络检波法的系统性能

2/4/202337带通滤波器输出信号可表示为：其中：2/4/202338⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函数的包络：带通滤波器的输出可化为：2/4/202339包络的概率密度分别表示：2/4/202340⑵

误码率的推导

门限b的选取与判决的正确程度密切相关，选什么样的b值，会有不同的误码率。我们规定判决准则如下：2/4/202341

发“1”码时的错误接收概率即是包络值V≤b的概率。P012/4/202342

发“0”码时，错判“1”：

③发“1”码概率发“0”码概率2/4/202343设两条概率密度曲线总误码率是与两个阴影面积之和有关，当b=b*时，两个阴影面积之和最小，总误码率最小，b*称最佳门限。

2/4/202344一、同步解调法的系统性能

（b）相干解调（同步解调）2/4/202345⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函数低通滤波器输入信号可表示为：抽样判决器的输入信号可表示为：2/4/202346抽样判决器输入信号的概率密度函数：

2/4/202347⑵

误码率的推导

门限b的选取与判决的正确程度密切相关，选什么样的b值，会有不同的误码率。我们规定判决准则如下：2/4/2023482/4/202349相干检测法的总误码率：最佳门限对应的最小误码率：其中，当，2/4/202350一般来讲，在相同的大信噪比下，2ASK相干检测的误码率优于（低于）包络法（但在也同一数量级上），原因是相乘后，抵消了噪声的项。但相干检测需要插入相干载波，且要稳定，设备要复杂一些，而包络法不要。2/4/2023517.2.22FSK系统的抗噪声性能

讨论两种不同的解调方法的性能一、非相干解调的系统性能

2/4/202352⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函数抽样判决器的输入信号可表示为：发“1”码时:概率密度函数分别为：

2/4/202353⑵

误码率的推导

我们规定判决准则如下：发“1”错判为“0”的概率：2/4/202354上式可化简为：同理可得，发“0”错判为“1”的概率也为：于是，2FSK非相干解调的总误码率为：（“1”、“0”等概）2/4/202355二、相干解调的2FSK系统性能

2/4/202356⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函数抽样判决器的输入信号可表示为：发“1”码时:概率密度函数分别为：

2/4/202357⑵

误码率的推导

我们规定判决准则如下：发“1”错判为“0”的概率：令：且：其中：2/4/202358同理可得，发“0”错判为“1”的概率也为：于是，2FSK非相干解调的总误码率为：（“1”、“0”等概）2/4/202359一般来讲，在相同的大信噪比下，2FSK相干检测的误码率优于（低于）包络法（但在也同一数量级上），但相干检测需要插入相干载波，且要稳定，设备要复杂一些，而包络法不要。2/4/2023607.2.32PSK系统的抗噪声性能

一、相干解调的系统性能

2/4/202361⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函数抽样判决器的输入信号可表示为：

概率密度函数分别为：

2/4/202362⑵

误码率的推导

我们规定判决准则如下：发“1”错判为“0”的概率：同理，发“0”错判为“1”的概率也为：2/4/202363于是，2PSK相干解调的总误码率为：（“1”、“0”等概）2/4/2023647.2.42DPSK系统的抗噪声性能

一、相干解调的系统性能

2/4/2023652DPSK相干解调的总误码率为：（“1”、“0”等概）当：2/4/202366二、差分相干解调的系统性能

2DPSK差分相干解调的总误码率为：2/4/2023677.4二进制数字调制系统的性能比较

⑴

在每一对相干和非相干的键控系统中，误码性能（抗噪性能）相干方式优于非相干方式（如ASK的相干检测法优于ASK的包络法）抗噪性能的优劣排序（同一条件下）：PSK、FSK、ASK