通信原理课件数字信号的载波传输.ppt

1、1,第七章 数字信号的载波传输,2,7.1 引言 7.2 二进制数字调制原理 7.3 二进制数字调制信号的频率特性 7.4 二进制数字调制系统的噪声性能 7.5 二进制数字信号的最佳接收 7.6 多进制数字调制系统 7.7 小结,3,7.1引言,数字基带传输系统,是将信源发出的信息码经码型变换及波形形成后直接传送至接收端。虽然码型变换及波形形成可使其频谱结构发生某些变化，但分布的范围仍然在基带范围内。,4,数字频带传输：将数字基带信号经过载波调制，把频谱搬移到高频处在带通型信道（如各种无 线信道和光纤信道）中传输,数字调制:用数字基带信号去控制载波波形的某个参量，使这个参量随基带信号的变化而变

2、化,实际是利用数字脉冲信号对载波进行开关形式的控制而实现故称数字键控,5,数字调制分类,(1) 根据控制载波波形参量不同，分为：,振幅键控（ASK） 用数字信号控制载波的振幅。 频率键控（FSK） 用数字信号控制载波的频率。 相位键控（PSK） 用数字信号控制载波的相位。,6,(2) 根据已调信号频谱结构特点不同，分为：,线性调制(如ASK),非线性调制（如FSK，PSK）,线性调制中已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同，只不过搬移了一个频率位置，无新的频率成分出现。,非线性调制已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同，有新的频率成分出现。,7,7.2二进制数字调制原理,一、二进制数字

3、调制信号的产生,1、ASK信号（振幅键控）,利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去控制载波幅度，使载波时断时续地输出，又称为通断健控（OOK）。,设发送的二进制符号序列由0、1序列组成,8,则2ASK信号可表示为 :,且相互独立。数字基带信号f(t)可表示为：,其中,9,Ts,二进制振幅键控信号时间波型,f(t),2ASK信号时间波形：,10,2ASK信号的产生原理,利用数字基带信号控制载波的频率来传输消息的一种调制方式。 例如：“1”码用频率为f1 的载波来传输 “0”码用频率为f2 的载波来传输,2、FSK信号（频率键控）,11,一种产生方法：,产生的FSK信号相位一般不连续,12

4、,2FSK信号可以看成是两个不同载波的2ASK信号的叠加,13,14,假设二进制基带信号 “1” f1 “0” f2,则2FSK的时域表达式为：,15,3、PSK和DPSK信号(相位键控),利用数字基带信号控制载波相位来传递信息,绝对调相：利用载波初始相位的绝对值直接表示数字信号 如： “1”码用0相位表示；“0”码用 相位表示,若用n表示第n个符号的绝对相位，则有,16,相对调相（差分调相）：利用相邻码元载波相位的相对 变化(相位差)表示数字信号,如： “1”码用载波相位变化 来表示 “0”码用载波相位不变来表示,其中, an与2ASK和2FSK时的不同，在2PSK调制中，an应选择双极性,

5、2PSK信号的时域表达式：,17,PSK产生 原理：,DPSK产生原理：,双极性 不归零,18,19,与2PSK信号不同，2DPSK波形的同一相位并不对 应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯 一确定信息符号,单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的,相对相移本质上就是对差分码信号的绝对相移。2DPSK信号的表达式与2PSK的形式应完全相同，所不同的只是此时式中的f(t)表示的是差分码。即:,20,二、二进制数字调制信号的解调,1、ASK信号解调,非相干解调(包络检波法),ASK非相干解调(包络检波法)原理框图,21,2ASK信号非相干解调过程的时间波形,22,相干解调(同步检测

6、法),要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号,2ASK相干解调器原理框图,23,24,2、FSK信号解调,非相干解调法（包络检波法）,两个BPF带宽皆为相应的2ASK信号带宽（中心频率不同，分别为 f1、f2 ），起分路作用，用以分开两路2ASK信号； 抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。,一路2FSK视为2路2ASK信号的合成,25,FSK 非相干解调的时域波形,26,相干解调,还有鉴频法、过零检测法等其它解调方法,27,3、PSK和DPSK信号解调,PSK 信号包络恒定,所以不能采用包络解调，只能采用 相干解调,2PSK信

7、号的解调原理图,28,不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为：,抽样判决准则为： x0 , 判为1 x0 , 判为0,29,DPSK解调：,（1）对于DPSK信号，可以先将其看作PSK信号进行解调， 得到bn。然后再进行差分译码，得到an,LPF,BPF,抽样判决,定时抽样,差分译码,a,b,c,PSK解调器,30,（2）另外还可采用差分相干解调法，其原理框图如下。 这种方法是通过比较前后码元的初相位来完成解 调的。,31,差分相干接收工作原理:,判决规则为：x0，判为0,32,33,7.3二进制数字调制信号的频率特性,一、ASK信号的功率谱,ASK信号功率谱：,sf(f)是二进制基带信号f(t

8、)的功率谱，由下式可求得：,（不考虑振幅）,34,当f(t) 为0、1等概出现的单极性矩形脉冲,2ASK功率谱为：,35,Sf(f),f0,ASK信号的功率谱密度为：Sf(f)后-左移右移f0,2ASK信号的功率谱密度示意图,2ASK的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍,即,36,二进制振幅键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱两部分组成。离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形g(t)确定。 二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍, 即B2ASK=2fs。,结论：,37,二、FSK信号的功率谱,2FSK可以看成由两个不同载波的2ASK信号的叠加，其中一个频率为f1，另

9、一个频率为f2。因此，相位不连续的2FSK信号的功率谱密度可以近似表示成两个不同载波的2ASK信号功率谱密度的叠加,2FSK时域表达式：,38,可以得到2FSK功率谱：,同理,39,令0、1 等概，概率P=1/2，则有,40,2FSK信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成； 离散谱位于两个载频f1和f2处；连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加形成； 所需传输带宽,结论：,41,三、PSK信号功率谱,2PSK信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与 正弦载波相乘,则2PSK信号的功率谱为,代入基带信号的功率谱,42,若0、1等概时,二进制PSK信号的带宽为,43,2PSK信号的功率谱密度,4

10、4,一般情况下2PSK信号的功率谱密度由离散谱和连续谱所组成，其结构与2ASK信号的功率谱密度相类似。 当二进制基带信号的“1” 和“0” 等概时，则不存在离散谱。 带宽也是基带信号带宽的两倍 二相相对移相信号频谱与二相绝对移相信号的频谱相同,结论：,45,ASK FSK PSK 传输相同的信息，ASK、PSK信号所需传输带宽小，FSK信号需传输带宽较大。也就是说，传码率相同的情况下，PSK、ASK系统的频带利用率相同，而FSK系统的频带利用率最低。,46,7.4二进制数字调制的噪声性能,在数字通信系统中，衡量系统抗噪声性能的重要指标是误码率，因此，分析二进制数字调制系统的抗噪声性能，也就是分

11、析在信道等效加性高斯白噪声的干扰下系统的误码性能，得出误码率与信噪比之间的数学关系,通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力,47,一、ASK系统的噪声性能,1、非相干解调,接收信号 为：,通过BPF之后的信号为：,48,ni(t)为高斯白噪声n(t)经BPF限带后的窄带白高斯噪声，其均值为零，方差为n2。,经包络检波器后的输出包络信号为：,发“1”码时，包络的一维概率密度函数为莱斯分布：,49,发“0”码时，包络的一维概率密度函数为瑞利分布：,50,包络检波器的输出送到抽样判决器，判决门限为A/2,若抽样值大于A/2 ，判为1；否则判为0,当发“1”错判为“0”的概率为,发“0”错

12、判为“1”的概率为,51,系统总误码率（0、1等概时）,对于非相干解调系统，一般工作在大信噪比情况下， 可利用如下近似：,52,得到,非相干解调系统的误码率将随着输入信噪比r近似 按指数规律下降,2、相干解调,53,乘法器输入信号,经过乘法器和LPF后，得,具体分析过程见6章，0、1等概时，门限电平为A/2, 系统总误码率为,54,在大信噪比情况下,相干解调系统性能优于非相干解调系统，但相干解调 设备复杂，只有在小信噪比情况下才采用；在大信噪 比情况下，常采用非相干解调。,非相干,相干,55,二、FSK系统的噪声性能,1、非相干解调,两路BPF的输出：,56,两包络检波器输出,发1时，x1(t

13、)的概率密度函数p1(x1)为莱斯分布， x2(t)的概率密度函数p2(x1)为瑞利分布,57,发1时，若x1(t)的抽样值x1小于x2(t)的抽样值x2， 则产生错判，其错误概率为,同理，发0时错误概率,系统总误码率：,58,2、相干解调,w1,w2,两BPF输出与非相干解调相同,59,LPF后得到,60,x1(t)和x2(t)也是高斯分布,发1时错误概率,61,令Z=A+nc1-nc2， Z的均值为A，方差,概率密度函数为,则：,发0错判为1的概率为,62,系统总误码率为：,当r1时，相干解调系统,非相干解调系统,相干解调系统优于非相干解调，但当r增大时，二者差别变小,63,三、 PSK和

14、DPSK系统的噪声性能,1、PSK信号的相干解调,BPF的输出,64,LPF输出,x(t)为高斯分布,65,判决门限为0，当x0时，判为1，当x0时，判为0,系统总误码率为：,P0(x)与P1(x)关于纵轴对称，,0、1等概,当r1时,66,2、DPSK信号的差分相干解调系统,设加到乘法器的混有噪声的前后两码元信号为：,67,乘法器输出,经过LPF后，得,68,判决规则为：x0，判为0,发1错判为0的概率为,经过计算得,同理，发0错判为1的概率为,系统总误码率为：,差分相干解调DPSK系统性能劣于相干解调PSK系统,69,在数字通信中，误码率是衡量数字通信系统的重要指标之一。 对以下性能比较：

15、 二进制数字通信系统的误码率 频带利用率 对信道的适应能力，判决门限稳定性等,四、二进制频带传输系统性能比较,70,1、误码率比较,71,二进制频带传输系统Per关系曲线,随着r增加，误码率Pe下降 同种调制方式， 相干解调 的误码率小于非相干解调的 误码率。随着r增大，两者 差别减小 当解调方式相同时，在相同误 码率条件下，PSK要求r最小， 其次为FSK，ASK要求的r最大 PSK，DPSK，FSK的抗衰落 性能优于ASK,72,2、频带宽度,若传输的码元时间宽度为Ts，则,2FSK系统的频带宽度近似为,2PSK、2DPSK、2ASK频带利用率相同，2FSK系统的频带利用率最低。,73,3

16、、对信道特性变化敏感性,2FSK最优；因为不需人为设置判决门限； 2PSK和DPSK次之；最佳判决门限为0，与接收信号幅度无关。 2ASK最差；最佳判决门限为A/2，与接收信号幅度有关，因为信道变化，判决门限随着信号幅度的变化而变化，设置困难，不易保持在最佳判决门限,最佳判决门限对信道特性变化的敏感性,74,相干解调系统性能优于非相干解调系统。但要求收发保持严格同步，设备复杂，除在高质量传输系统中采用相干解调，一般都采用非相干解调。 PSK系统抗噪声性能最好，但由于会出现反向工作，实际中很少采用，多用DPSK系统。,75,7.5二进制数字信号的最佳接收,一、最佳接收准则,数字通信中，最常用的准

17、则是最小差错概率准则，期望错误接收的概率越小越好,设二进制信号由 和 构成，概率分别为 和 。在功率谱为 的高斯白噪声 信道中 传输，则接收信号 为：,在发送 条件下，x(t)的概率密度(似然函数)为,76,发s1判为S2的错误概率,发s2判为S1的错误概率,总错误概率,77,78,二、二进制信号的最佳接收,由似然比判决准则：,将 表达式带入：,79,最佳接收机由相关器组成，在一个码元时间Ts内，求 与两种发送波形 和 的相关运算，并判决,最佳判决门限电平为,Ei为信号的能量,当P(s1)=P(s2)时，,80,1、 ASK系统,当调制信号为1码和0码等概出现的单极性二进制序 列时，接收信号为

18、,81,相关接收框图,82,一个码元间隔内信号能量为,ASK最佳接收误码率,83,2、FSK系统,若二进制序列为等概率的P1=P2=0.5,84,最佳接收原理框图,85,若W1和W2是比特速率Ws的整数倍，即,此时FSK信号是正交的，则,FSK最佳接收误码率,86,3、PSK系统,若二进制序列为等概率的P1=P2=0.5,87,88,ASK,FSK,PSK,最佳接收时，当E/n0相同的情况下，PSK系统的性能最佳， 其次是FSK系统，ASK系统最差。,89,三、普通接收与最佳接收机性能比较,普通接收系统的r与最佳接收系统的E/N0对应，公式 形式相同,90,考察当接收机输入端加入相同的噪声n(

19、t)和数字信号s(t)时， r和E/N0的相互关系，假设n(t)的单边功率谱密度为n0,s(t) 持续时间为 Ts,能量为E,2ASK普通相干接收,2ASK最佳接收,91,普通接收机的r直接与带通滤波器的特性有关，设滤波器 矩形等效带宽为B，则,最佳接收时,是基带数字信号的重复频率，滤波器带宽B,92,由于实际普通接收机中的带通滤波器 ，在同样 的输入条件下，普通接收机性能总是比最佳接收系统差。 或为了得到相同的误码率，普通接收系统的信号功率 要比最佳接收系统大,最佳接收系统的性能优于普通接收系统,93,7.6多进制数字调制系统,二进制数字调制系统是数字通信系统最基本的方式，具有较好的抗干扰能

20、力。由于二进制数字调制系统频带利用率较低，使其在实际应用中受到一些限制。 在信道频带受限时，为了提高频带利用率，通常采用多进制数字调制系统。,多进制系统中，一位多进制符号代表多位二进制符号,一、引言,94,多进制数字调制：就是利用多进制数字基带信号去调制 高频载波的某个参量，如幅度、频率或相位的过程。,（1）在相同的传码率条件下，多进制系统信息传输速率 高于二进制系统,（2）在相同的信息传输速率下，多进制系统传码率小于 二进制系统，从而多进制信号码元持续时间比二进制长， 减小信号带宽，节约频带，提高系统频带利用率,根据被调参量的不同，多进制数字调制可分为: 多进制幅度键控（MASK） 多进制频移键控（MFSK） 多进制相移键控（MPSK