通信原理(樊昌信)第7章数字调制讲义

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1、数字带通传输,第7章,二进制数字调制/解调原理 2ASK 2FSK 2PSK/2DPSK 二进制数字调制系统抗噪声性能 二进制数字调制系统的性能比较 多进制数字调制原理和特点,本章内容:,第7章 数字调制,数字调制：用数字基带信号控制载波某个参数的过程。 数字带通传输系统：包括调制/解调过程的数字传输系统。,振幅键控 频移键控 相移键控,模拟调制法 数字键控法,二进制和多进制调制 基本调制和新型调制,方法,分类,Amplitude Shift Keying,Frequency Shift Keying,Phase Shift Keying,ASK,PSK,FSK,概 述,二进制数字调制原理,7

2、.1,1,0,1,1,0,1,s(t),载波,2ASK,t,表达式：,2ASK 也称 OOK,t,t,原理：,波形：,单极性,Ts,s(t)载波幅度,7.1.1 二进制振幅键控 （2ASK）,2ASK 产生,模拟调制法,键控法,2ASK 解调,包络检波法,相干解调法,包络检波法的各点波形,相呼应,原理： 波形： 表达式：,s(t)载波频率,7.1.2 二进制频移键控（2FSK）,一、2FSK信号的产生 1、采用模拟调频电路来实现，如下图（a）； 2、采用数字键控的方法来实现，如下图（b）。,图 二进制移频键控2FSK信号的产生及波形,1 0 0 1,模拟调频法：相邻码元之间的相位是连续变化的。

3、 键控法：相邻码元之间的相位不一定连续。,特点：转换速度快、电路简单、 产生的波形好、频率稳定度高。,图 二进制移频键控信号的时间波形,三、2FSK信号的解调 1、非相干解调，如图（b）； 2、相干解调，如图（a）。 3、过零检测法；,图79二进制移频键控信号解调器原理图,s1,s1,s2,s2,包络检波法,2FSK 解调,0,1,0,1,2FSK非相干解调过程的时间波形,s1(t),s2(t),0,过零检测法,FSK应用：,原理： 波形： 表达式：,双极性,s(t)载波相位,7.1.3 二进制相移键控 （2PSK）,图 2PSK信号的波形,数字信息 0 1 1 0,2PSK 产生,键控法,模

4、拟调制法,图7 - 142PSK信号的解调原理图,2PSK 解调,图 7 -152PSK信号相干解调各点时间波形,2PSK信号相干解调各点时间波形如图7-14 所示。 当恢复的相干载波产生180倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。 这种现象通常称为“倒”现象。由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180的相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒”现象，从而使得2PSK方式在实际中很少采用。 ,利用前后相邻码元的载波相对相位表示信息。,矢量图:,B方式,A方式,原理：,7.1.4 二进制差分相移键控 （2DPSK）,波形:,示

5、例:,差分编码规则：,为模2加 bn-1为 bn的前一码元 最初bn-1可任意设定,2DPSK 产生,构思,模型,（差分编码）,2DPSK信号的产生 2DPSK信号的实现方法可以采用：对绝对码作相对相移 对相对码作绝对相移 1、首先对二进制数字基带信号(绝对码)进行码变换，即将绝对码转换为相对码，然后对相对再进行绝对调相，从而产生2DPSK信号。 如图7-19 （a）所示。 若设 an为绝对码，bn为相对码（差分码） 则 bn=anbn-1 2、键控法。如图7-19（b）所示。 ,图719 2DPSK的调制方框图,2DPSK信号调制过程波形图,1 0 0 1 0 1 1 0,设初态为0,an,

6、bn,参考,1、相干解调方式(极性比较法)：解调原理是对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码；对相对码再进行码反变换，变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。 2、差分相干解调（相位比较法）：解调原理是直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用，故解调器中不需要码反变换器。由于差分相干解调方式不需要专门的相干载波，因此是一种非相干解调方法。 ,2DPSK 的解调,（1）2DPSK 相干解调 + 码反变换法,2DPSK信号相干解调器原理图和解调过程各点时间波形 高电平判1,低电平判0时初态应设1,设初态为1,1 1 1 0 0 1 0 0,

7、0,低电平判1,高电平判0时初态应设0,（2） 2DPSK 差分相干解调 (相位比较)法,相乘器 起着 相位比较的作用,图7.212DPSK信号差分相干解调器原理图和解调过程各点时间波形,0,参考,反相,注：相位变化表示“1” 相位不变表示“0” 时，2DPSK的差分相干解调抽样判决器的规则是：低电平判为1，高电平判为0。 相位变化表示“0” 相位不变表示“1” 时，2DPSK的差分相干解调法，抽样判决器的规则是：低电平判为0，高电平判为1。 。,分析目的：B 和 fc,分析方法：借助于基带信号的功率谱,Power Spectral Density,7.1.5 二进制数字已调信号的功率谱 (P

8、SD),设 Ps (f) s(t) 的PSD P2ASK (f) 2ASK信号的PSD 则,1 2ASK信号的功率谱密度,可见， P2ASK (f) 是Ps (f)的线性搬移（属线性调制）。,单极性,基带带宽,fB = 1/TB=RB,2PSK信号的频谱与2ASK的十分相似； 带宽也是基带信号带宽的两倍： 区别仅在于当P=1/2时，谱中无离散谱（即载波分量）。,2 2PSK/2DPSK信号的功率谱密度,双极性,3 2FSK信号的功率谱密度,连续谱形状随着两个载频之差的大小而变化,谱零点带宽：,二进制数字调制系统 抗噪声性能,7.2,概 述,性能指标：系统的误码率 Pe 分析方法：借用数字基带系

9、统的方法和结论 分析条件：恒参信道（传输系数取为 K ） 信道噪声是加性高斯白噪声 背景知识： 窄带噪声 正弦波+窄带噪声,a = kA,7.2.1 2ASK系统的抗噪声性能,2ASK-相干解调,2ASK信号相干解调时系统的总误码率为,r 1时,解调器 输入端 信噪比,2ASK-包络检波,正弦波+窄带高斯噪声,窄带高斯噪声,包络检波器 整流-低通,实际情况 系统工作在大信噪比情况下，最佳门限应取： 此时，系统的总误码率为：,当 r 时，上式的下界为：,归纳,接收端带通滤波器带宽为： 带通滤波器输出噪声平均功率为： 信噪比为：,解,(1) 同步检测法解调时系统的误码率为 (2) 包络检波法解调时

10、系统的误码率为,评注,r 1时,2FSK-相干解调系统的总误码率为,西安电子科技大学,7.2.2 2FSK 系统的抗噪声性能,对比：2FSK -相干解调系统的总误码率,2FSK- 包络检波系统的总误码率为,r 1,2FSK-包络检波,（2）上、下支路带通滤波器(BPF)的带宽近似为：,解,（3） 同步解调时系统的误码率:,信道输出端信噪比为 6dB（即4），带通滤波器输出 端（解调器输入端)的信噪比为：,因此，包络检波时系统的误码率：,在任意一个TB内， 2PSK 和2DPSK都可表示为：,2PSK 信号,2DPSK 信号,原始数字信息 （绝对码）,相对码,7.2.3 2PSK/2DPSK系统

11、的抗噪声性能,1 2PSK相干解调系统,因此，x(t)的一维概率密度函数为:,高斯噪声 ( 0，n2 ),高斯噪声 ( a，n2 ),与双极性 基带系统 的 情况类似,=双极性基带信号+高斯噪声,可见,因此，借助双极性基带系统的分析结果：,可方便地得到2PSK-相干系统的分析结果：,2PSK信号相干解调系统的总误码率：,r 1时,解调器 输入端 信噪比,f点：绝对码序列。只需在Pe2PSK基础上考虑码反变换器 对误码率的影响即可。,e点：相对码序列。由2PSK误码率公式来确定：,在大信噪比（r 1）时，Pe1，因此：,条件： 假设每个 相对码 出错概率 相等 且 统计独立, 2DPSK相干+码

12、反变换系统的误码率：,式中：,3 2DPSK 差分相干解调(相位比较）,两者独立,则低通滤波器的输出为:,经抽样后的样值为:,x 0，判为“1”正确 x 0 ，判为“0”错误,判决,2DPSK -差分相干解调系统的总误码率为：,7.3,二进制数字调制系统 性能比较,1 误码率 可靠性,讨论,2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,讨论,2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,讨论,2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,讨论,2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,大信噪比(r 1)时, 两者性能相差不大。,B2FSK不仅与基带信号带宽有关，且与两个载频之差有关。,设基带信号的谱零点带

13、宽为RB=1/TS，则有：,在RB一定时，2FSK的频带利用率最低，有效性最差。,2 频带带宽有效性,2ASK：,2PSK：,2FSK：,3 对信道特性变化的敏感性,通常，非相干方式 比 相干方式简单。 这是因为相干解调需要提取相干载波， 故设备相对复杂些，成本也略高。,4 设备的复杂度,综述,多进制 数字调制系统,7.4,引言,二进制：每个码元只携带 1 bit 信息,M,log 2M,西安电子科技大学 通院,MASK可看成是二进制振幅键控（2ASK）的推广。,且有,7.4.1 多进制振幅键控 （MASK）,4ASK信号振幅有4种取值，每个码元含2bit。,MASK调制:,与2ASK的产生方

14、法相似，区别在于: 发送端输入的二进制数字基带信号需要先经过电平变换器转换为M电平的基带脉冲，然后再去调制。,MASK解调:,与2ASK信号解调也相似，有相干和非相干解调两种。,MASK信号的功率谱 与 2ASK信号具有相似的形式; 谱零点带宽是 M 进制数字基带信号带宽的两倍。 在 Rb相同时，MASK信号带宽是 2ASK的 1 / log2M 倍 。,MASK的抗噪声能力差， 常用多进制正交振幅调制（MQAM）来代替。,MFSK可视为2FSK方式的推广。,4FSK采用 4种不同的频率分别表示双比特信息：,7.4.2 多进制频移键控 （MFSK）,MFSK调制与解调的原理框图：,要求载频之间

15、的距离足够大，以便用滤波器分离不同频率的谱。,MFSK信号占用较宽的频带，信道频带利用率不高。,MFSK一般用于 调制速率(1/TB) 不高的衰落信道 传输场合。,7.4.3 多进制相移键控 （MPSK）,1. 多进制数字相位调制(MPSK)的原理 多进制数字相位调制又称多相制，它是利用载波的多种不同相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式。与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制和差分相位调制两种。 ,2 4PSK 调制,QPSK的每一种载波相位代表两个比特： （00、01、10 或 11）,两个比特的组合 称做 双比特 码元，记为 a b,1）双比特与载波相位的关系,矢量图,注：对应关系可有不同规定，但相邻码组应符合格雷码编码规则,波形,正交调相法,2） QPSK调制,根据当时的双比特ab，选相电路从候选的4个相位中选择相应相位的载波输出。,相位选择法,a,b