电子科大通信原理第5章 基本的数字频带传输复习

1/652023/2/5本章要求：1.掌握2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK的调制原理和解调方法，会画各种已调信号的功率谱、会计算各种已调信号的带宽（包括无ISI系统）。会画2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、QPSK信号波形；2.了解QPSK的调制原理和解调方法，会画QPSK的功率谱、会计算QPSK的带宽（包括无ISI系统）。掌握QPSK的星座图。3.掌握数字调制系统的差错率的计算方法(OOK,BPSK,BFSK，2DPSK，QPSK,OQPSK)；会比较各系统的性能优劣（可靠性和有效性）。第5章基本的数字频带传输2/652023/2/5数字频带传输技术——在带通信道上传输数字信号的方法。图5.0二元ASK、FSK与PSK的信号波形3/652023/2/5数字频带调制传输媒介(信道)数字频带解调调制信号已调带通信号数字基带信号数字基带信号带通信号数字载波系统模型：4/652023/2/5已调带通信号:

的谱:或功率谱:5/652023/2/55.1.1基本原理2ASK或OOK(二进制幅移键控)——键控（改变）正弦载波的振幅来传输0或1符号。1.2ASK信号及其调制方法图5.1.12ASK（或OOK）信号的波形通断键控或启闭键控5.12ASK6/652023/2/5复包络:信号在第n个码元可以表示为：2ASK信号时域表示：（a）乘积法 （b）开关法（键控法）乘法器单极性不归零信号载波产生图5.1.22ASK调制框图7/652023/2/52.包络检波解调方法发送端信道BPF包络检波器抽样判决器定时信号输出图5.1.32ASK包络检波解调框图带宽B带宽2BB=Rb带宽2B8/652023/2/5系统的误码率：定义信噪比：

大信噪比时，小信噪比时，包络检波器抗噪性能急剧下降，系统无法正常工作。此称为门限效应。，得最佳误码率Pe最佳性能指标，用于提供宏观指导9/652023/2/55.1.2功率谱与带宽复包络:单极性NRZ信号10/652023/2/511/652023/2/5当作无ISI滤波时(如作升余弦谱滤波）接收机须是相干解调12/652023/2/55.2.1基本原理2FSK或BFSK（二进制频移键控）——键控正弦载波的频率来传输二元符号。1.2FSK信号及其调制方法5.2

2FSK

13/652023/2/52FSK信号时域表示：也可以表示为（相当于两路OOK）：14/652023/2/5图5.2.22FSK信号的时域波形及其互补OOK特点15/652023/2/52FSK信号的产生：2.*相位连续性相位不连续相位连续相位不连续的信号占据很多的频带，应该尽量避免16/652023/2/53.包络检波解调方法两个互补OOK接收系统的组合：(非相干解调)适合于频差较大的场合BPF(f1)BPF(f0)整流整流LPFLPF抽样判决包络检波器包络检波器输出定时信号图5.2.4FSK信号的包络检波接收框图W=2RbW=2Rb17/652023/2/5其中，BPF的输出信噪比系统的误码率：大信噪比时，小信噪比时，包络检波器抗噪性能急剧下降，系统无法正常工作。此称为门限效应。时，得最佳误码率18/652023/2/55.2.2功率谱与带宽两个互补的2ASK信号的功率谱的相加，传输带宽：19/652023/2/5图5.2.8FSK信号功率谱示意图一般：20/652023/2/5当作无ISI滤波时(如作升余弦谱滤波）发‘1’发‘0’21/652023/2/51.2PSK信号及其调制方法5.3.12PSK2PSK或BPSK（二进制相移键控）——利用两种相位来传输二元符号。2PSK最常用的两种相位：0或π

5.3

2PSK与2DPSK22/652023/2/52PSK信号时域表示：或，令序列的双极性二元NRZ基带信号为，（未调载波初相）信号矢量图：23/652023/2/5注意：“同相”与“反相”是相对于当前时隙的未调载波相位而言的：24/652023/2/5双极性2PSK信号的产生：乘积法与选择法。25/652023/2/5复包络:双极性NRZ信号2.功率谱与带宽26/652023/2/5形状与2ASK的相同，但没有离散的载波谱线。传输带宽

2PSK又可以看作抑制载波后的2ASK信号，或，2ASK信号确实是2PSK信号与载波的叠加。27/652023/2/5当作无ISI滤波时

(如作升余弦谱滤波）28/652023/2/53.2PSK的相干解调来自信道向下频移符号定时基带接收滤波器抽样与判决BPFLPF图5.3.32PSK相干解调框架B中心fcB为基带信号带宽2B注意：nc(t)的双边功率谱密度为N029/652023/2/5

双极性NRZ向上频移基带接收滤波器抽样与判决BPFLPFB2B基带发送滤波器向下频移AWGN频带信道4.误码性能2PSK的等效基带传输系统：符号定时图5.3.42PSK传输系统与等效AWGN基带信道

AWGN基带信道（nc(t)的双边功率谱密度）30/652023/2/5LPF接收系统（带宽）：匹配滤波器接收系统：2PSK信号的平均码元能量：

评述：(1)2PSK系统与双极性NRZ基带传输系统的抗噪性能相同；(2)2PSK的抗噪性能比2ASK、2FSK好，(3)但这种系统需要进行载波同步，其复杂度要高出许多。31/652023/2/55.3.22DPSK2PSK无法直接应用：本地振荡存在着“不确定性反相”的问题：“0”与“1”颠倒，而自身对此无法知道。2DPSK（二进制差分相移键控）——将差分编码与2PSK相结合，解决了“不确定性反相”的问题。32/652023/2/52DPSK信号其实是传输的2PSK调制信号

与——绝对码

与——相对码

图5.3.52DPSK传输系统1.基本原理取值0、1取值-1、1取值-1、1取值0、1取值0、133/652023/2/5例:设DPSK实质：用前后码元载波相位的相对变化传数字信息34/652023/2/52DPSK星座图：前一码元初相（参考相位）（未调载波初相）2PSK星座图：（参考相位）DPSK实质：用前后码元载波相位的相对变化传数字信息相对调相绝对调相35/652023/2/52.功率谱与带宽3.相干解调及其误码性能2DPSK的误码率：，LPF接收法，匹配滤波器接收法

为2PSK传输误码率36/652023/2/54.差分相干接收图5.3.62DPSK的差分相干解调BPFLPF延时Tb抽样判决符号定时另一种重要的解调方法：比较两个相邻时隙上信号的相位，还原出绝对码（信息比特），而不需要本地振荡。37/652023/2/538/652023/2/5实际过程中，噪声总是存在的，这种接收系统的误码性能：

其中，折算为时，差分相干解调的性能不如相干解调的带通滤波器的带宽取为最小理论值39/652023/2/5——取值有四种可能，以传送四元符号。5.4.1QPSK（4PSK）信号的基本原理1.QPSK信号（1）采用了4种相位；（2）采用了正交的载波。（00，01，11，10）四元符号5.4QPSK与DQPSK40/652023/2/5QPSK的两种星座图：A方式：B方式：格雷码好处：相邻相位对应的符号中只有1位不同，相位错误通常只导致有1个比特的损失。41/652023/2/5串并变换：四元信息序列拆分为两个二元序列四元符号序列2.QPSK与两路正交2PSK四元序列的高位比特与低位比特排成：与序列，那么，则，QPSK是这两个序列生成的两个彼此正交(载波相差)的2PSK信号之和。42/652023/2/5其中：B方式：43/652023/2/51001B方式：恒包络最大相位调变为44/652023/2/5

若正交路、同相路基带信号用矩形波（polarNRZ)QPSK每个时隙传输两比特，频带利用率是2PSK的两倍。45/652023/2/5

若正交路、同相路基带信号用升余弦谱波46/652023/2/55.4.2QPSK的调制解调方法及误比特性能1.调制解调方法基于“QPSK等效于两路正交的2PSK之和”的想法：调制器：

QPSK信号基带脉冲成型基带脉冲成型串/并转换速率减半速率减半47/652023/2/5解调器：QPSK信号载波同步并/串转换BPFLPF或MFLPF或MF符号定时抽样判决抽样判决图5.4.4QPSK调制解调框图同相与正交解调器彼此独立工作48/652023/2/52.误比特性能QPSK的误比特率为：

49/652023/2/5矩形NRZ的QPSK在时隙边界处经常间断，使信号功率谱有很高的旁瓣。5.4.4*OQPSK与DQPSK1001恒包络QPSK星座,最大相位跳变为为了限制带宽，实际调制器中改用符合带限信道的无ISI基带成形脉冲。由此产生的QPSK信号不再保持恒定的包络。50/652023/2/5恒包络信号的优点：允许非线性放大，效率高、易实现。人们希望改进QPSK的包络。有了AM分量恒包络经分析：相位跳变越大，限带后则AM分量越大。A方式：51/652023/2/51.OQPSK偏移正交相移键控（OffsetQPSK）——两个正交支路的2PSK信号相互错开的时间，使相位改变不同时发生。可以减小相位变化，进而减少包络起伏。计算机仿真结论：包络起伏由0~1.25改善为0.7~1.15。最大相位调变为mI(t)

和mQ(t)

分量在时间上相互偏移Ts/252/652023/2/52.DQPSK

（差分正交相移键控）它是由相互旋转π/4

的两个QPSK星座图交替出现而产生波形的。01110010符号映射规则：（1）信号的最大相位变化为，包络的起伏减小。（2）DQPSK是差分调制，便于接收机简化。53/652023/2/5QPSK,π/4DQPSK与OQPSK的关系4QAMQPSK延迟交替注：若基带用矩形波传时，它们是恒包络调制，但已调信号谱太宽；若基带用升余弦谱波限带时，已调信号会有AM分量。相位跳变越大，则AM分量越大。这使得限带后的信号不能用效率高的非线性C类放大器放大，只能用A、B类线性放大器。调制类型最大相移AM分量bigsmallsmallest54/652023/2/55.5

基本频带调制的讨论55/652023/2/5解调方式频带调制制式误比特率Pb备注非相干解调2ASK2FSK2DPSK一般结论最优结果两者相同好3dB5.5.3系统差错概率的比较表5.5.1几种基本的频带调制信号的误比特率公式表中所有的带通滤波器带宽取理论最小值A、Eb——接收信号幅度、能量差分检测56/652023/2/52FSKQPSK2ASK2DPSK2PSK

解调方式频带调制制式误比特率Pb备注两者相同比2PSK差3dB表5.5.1几种基本的频带调制信号的误比特率公式（续）MF相干解调57/652023/2/5

解调

方式相干解调2FSKQPSK2ASK2DPSK2PSK调制制式误比特率Pb带通滤波器带宽取已调信号谱零点带宽当LPF58/652023/2/5单极性基带NRZ相干ASK、FSK非相干ASK、FSK双极性基带NRZ相干PSK、QPSK差分相干DPSK图5.5.3主要的误比特率曲线59/652023/2/5（1）误比特性能排序：（2）2PSK与QPSK性能优秀、复杂度最高的；QPSK频带最少。（3）2DPSK接近2PSK（仅），但没有“不确定性反相”问题。（4）2FSK性能一般，非相干接收实用；它占用频带多，但比其他传输方式更“顽强”。（5）非相干ASK（OOK）适用于质量好的信道，设备很简单。从图中可以看到：成本低60/652023/2/55.5.4功率谱与带宽的讨论功率谱有三种基本形式（已调信号包络为矩形时）：(a)2ASK(