《文元美现代通信原理课件第8章_数字信号的频带传输讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《文元美现代通信原理课件第8章_数字信号的频带传输讲解（156页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/11/13,通信原理,5.1 引 言,图 1 频带传输系统的组成方框图,2019/11/13,通信原理,5.1 二进制数字幅度调制,调制信号为二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。 5.1.1 一般原理与实现方法 数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键控记作2ASK。,2019/11/13,通信原理,二进制数字振幅键控是一种古老的调制方式， 最初用于电报系统，由于抗噪能力差，用得少。它是各种数字调制的基础。 振幅键控(也称幅移键控)，记作ASK(Amplitude Shift Keying)， 或称其为开关
2、键控(通断键控)，记作OOK(On Off Keying)。 二进制数字振幅键控通常记作2ASK。,2019/11/13,通信原理,2ASK信号可表示为： s(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列： 2ASK信号的产生方法（调制方法）,2019/11/13,通信原理,图 3 2ASK信号的产生及波形模型,2019/11/13,通信原理,图 4 桥式调制器产生2ASK信号,2019/11/13,通信原理,图 5 简单的三极管调幅器,2019/11/13,通信原理,图 6 2ASK信号的实现方法,2019/11/13,通信原理,2ASK信号的功率谱及带宽 一个2ASK信号可以表示成： 设：调制信号的功率
3、谱为Ps( f ) ，则已调信号的功率谱为Pe( f )： 带宽为： 频带利用率为：,2019/11/13,通信原理,2. 2ASK信号的功率谱及带宽 若用G(f)表示二进制序列中一个宽度为Tb、高度为 1 的门函数g(t)所对应的频谱函数。Ps(f)为s(t)的功率谱密度，Pe(f)为已调信号e(t)的功率谱密度，则有,2019/11/13,通信原理,2ASK信号的功率谱,2019/11/13,通信原理,则二进制振幅键控信号的功率谱密度P2ASK(f)为,式中用到P=1/2，fs=1/Ts,2019/11/13,通信原理,由图 7 可见： (1) 因为2ASK信号的功率谱密度Pe(f)是相应
4、的单极性数字基带信号功率谱密度Ps(f)形状不变地平移至fc处形成的，所以2ASK信号的功率谱密度由连续谱和离散谱两部分组成。它的连续谱取决于数字基带信号基本脉冲的频谱G(f)；它的离散谱是位于fc处一对频域冲击函数，这意味着2ASK信号中存在着可作载频同步的载波频率fc的成分。,2019/11/13,通信原理,(2) 基于同样的原因，我们可以知道，上面所述的2ASK信号实际上相当于双边带调幅(DSB)信号。因此，由图7 可以看出， 2ASK信号的带宽B2ASK是单极性数字基带信号Bg的两倍。当数字基带信号的基本脉冲是矩形不归零脉冲时，Bg=1/Tb。于是 2ASK信号的带宽为,因为系统的传码
5、率RB=1/Tb(Baud)，故2ASK系统的频带利用率为,2019/11/13,通信原理,3. 2ASK信号的解调及系统误码率,二进制振幅键控信号解调器原理框图,2019/11/13,通信原理,2ASK信号非相干解调过程的时间波形,2019/11/13,通信原理,图 9 2ASK信号的相干解调,2019/11/13,通信原理,相干解调原理方框图如图9 所示。相干解调就是同步解调，同步解调时，接收机要产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波，利用此载波与收到的已调波相乘，相乘器输出为,2019/11/13,通信原理,2ASK系统性能 1、非相干解调（包络检波）的系统性
6、能 经中心频率为W0的BPF后，高斯白噪声ni(t)变为窄带高斯噪声n(t),包络检波法的系统性能分析模型,2019/11/13,通信原理,n(t)可正交分解为同相分量和正交分量，即： 且同相分量和正交分量均服从正态分布。 即y(t)写成： 经包络检波后，y(t)的包络：,2019/11/13,通信原理,莱斯分布: 为零阶贝塞尔函数 瑞利分布:,2ASK信号非相干解调的概率分布曲线,2019/11/13,通信原理,若发“1”的概率为P(1)，发“0”的概率为P(0)，并且当P(0)=P(1)=1/2时，取样判决器的判决门限电平取为A/2，当包络的抽样值A/2时，判为“1”；抽样值A/2时判为“
7、0”。发“1”错判为“0”的概率为P(0/1), 发“0”错判为“1”的概率为P(1/0)， 则系统的总误码率为,2019/11/13,通信原理,实际上，Pe就是图中两块阴影面积之和的一半。x=A/2直线左边的阴影面积等于Pe1，其值的一半表示漏报概率； x=A/2直线右边的阴影面积等于Pe0，其值的一半表示虚报概率。采用包络检波的接收系统，通常是工作在大信噪比的情况下， 这时可近似地得出系统误码率为,式中r=A2/(2 )为输入信噪比。由此可见，包络解调2ASK系统的误码率随输入信噪比r的增大，近似地按指数规律下降。,2019/11/13,通信原理,2. 相干解调时2ASK系统的误码率 其接
8、收带通滤波器BPF的输出为： 取本地载波，则乘法器输出在抽样判决器输入端得到：,2019/11/13,通信原理,x(t)值的一维概率密度为：,2019/11/13,通信原理,不难看出，最佳判决门限为： 可以证明，这时系统的误码率为： 当信噪比远大于1时，上式近似为： 在大信噪比情况下，2ASK信号相干解调时的误码率总是低于包络检波时的误码率，即相干解调2ASK系统的抗噪声性能优于非相干解调系统。,2019/11/13,通信原理,5.3 数字频率调制,5.3.1 二进制数字频移键控(2FSK),1. 一般原理与实现的方法,图 13 2FSK信号的产生及波形,2019/11/13,通信原理,根据以
9、上对 2FSK信号的产生原理的分析，已调信号的数字表达式可以表示为,2019/11/13,通信原理,二进制移频键控信号的时间波形,2019/11/13,通信原理,1) 直接调频法(相位连续 2FSK信号的产生),图 14 直接调频法产生 2FSK信号,2019/11/13,通信原理,图 15 相位不连续 2FSK信号的产生和各点波形,2) 频率键控法(相位不连续 2FSK信号的产生),2019/11/13,通信原理,图 15 相位不连续 2FSK信号的产生和各点波形,2019/11/13,通信原理,图 16 相位不连续2FSK信号的功率谱,2. 2FSK信号的功率谱及带宽,1) 相位不连续的2
10、FSK情况,2019/11/13,通信原理,(1) 相位不连续2FSK信号的功率谱与 2ASK信号的功率谱相似，同样由离散谱和连续谱两部分组成。其中，连续谱与2ASK信号的相同，而离散谱是位于f1, f2处的两对冲击，这表明2FSK信号中含有载波f1,f2的分量。 (2) 若仅计算2FSK信号功率谱第一个零点之间的频率间隔，该2FSK信号的频带宽度， 则为,式中，R=fb是基带信号的带宽，h=|f2-f1|/R为偏移率(调制指数)。,2019/11/13,通信原理,为了便于接收端解调，要求2FSK信号的两个频率f1, f2间要有足够的间隔。对于采用带通滤波器来分路的解调方法，通常取|f2-f1
11、|=(35)RB。于是，2FSK信号的带宽为,相应地，这时 2FSK系统的频带利用率为,2019/11/13,通信原理,2) 相位连续的2FSK情况,图 17 相位连续2FSK信号的功率谱,2019/11/13,通信原理,表 1 几种调制信号带宽比较,2019/11/13,通信原理,3. 2FSK信号的解调及系统误码率,图 18 过零检测法方框图及各点波形图,1) 过零检测法,2019/11/13,通信原理,2) 包络检测法,图 19 2FSK信号包络检波方框图及波形图,2019/11/13,通信原理,2FSK包络检波解调过程的时间波形,2019/11/13,通信原理,设频率f1代表数字信号“
12、1”；f2代表数字信号“0”，则抽样判决器的判决准则应为,式中, v1,v2分别为抽样时刻两个包络检波器的输出值。 这里的抽样判决器， 要比较v1, v2的大小，或者说把差值v1-v2与零电平比较。因此，有时称这种比较判决器的判决门限为零电平。,2019/11/13,通信原理,3) 同步检波法,图 20 2FSK信号相干检测方框图,2019/11/13,通信原理,2FSK系统的抗噪声性能 1. 同步检测法的系统性能,2019/11/13,通信原理,发送端产生的2FSK信号可表示为： 接收机收入端合成波形为： 接收端上、下支路两个带通滤波器BPF1、BPF2的输出波形分别为：,2019/11/1
13、3,通信原理,考虑到这里的噪声为窄带高斯噪声则： 发送“1”符号，则上下支路低通滤波器输出分别为：,2019/11/13,通信原理,将造成发送“1”码而错判为“0”码，错误概率为： 其一维概率密度函数可表示为：,2019/11/13,通信原理,同理可得，发送“0”符号而错判为“1”符号的概率为,于是可得2FSK信号采用同步检测法解调时系统的误码率为： 在大信噪比条件下，上式可近似表示为,2019/11/13,通信原理,2. 包络检波法的系统性能,发送“1”符号,2019/11/13,通信原理,经计算2FSK信号采用包络检波法解调时系统的误码率为： （1）在输入信号信噪比一定时，相干解调的误码率
14、小于非相干解调的误码率；当系统的误码率一定时，相干解调比非相干解调对输入信号的信噪比要求低。 （2）相干解调时，需要插入两个相干载波，电路较为复杂。,2019/11/13,通信原理,将相干解调与包络(非相干)解调系统误码率做以比较， 可以发现： (1) 两种解调方法均可工作在最佳门限电平。 (2) 在输入信号信噪比r一定时，相干解调的误码率小于非相干解调的误码率；当系统的误码率一定时，相干解调比非相干解调对输入信号的信噪比要求低。所以相干解调 2FSK系统的抗噪声性能优于非相干的包络检测。但当输入信号的信噪比r很大时，两者的相对差别不明显。 (3) 相干解调时，需要插入两个相干载波，因此电路较
15、为复杂， 但包络检测就无需相干载波，因而电路较为简单。,2019/11/13,通信原理,5.3 二进制数字相位调制,根据载波相位表示数字信息的方式不同，数字调相分为绝对相移（PSK）和相对相移（DPSK）两种。 5.3.1 二进制相移键控（2PSK） 1. 一般原理及实现方法,2019/11/13,通信原理,2PSK信号的典型波形如图所示： 2PSK信号的调制方框图如图所示：,2019/11/13,通信原理,2PSK信号的解调： 不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为：,2019/11/13,通信原理,2PSK接收系统各点波形如图所示：,2019/11/13,通信原理,2. 2PSK信号的频谱和
16、带宽 2PSK信号的功率谱密度可以写成： 对于双极性NRZ码，由于不存在直流成分，因此，2PSK信号功率谱示意图如图5-21所示：,2019/11/13,通信原理,因此，2PSK信号的带宽、频带利用率也与2ASK信号的相同。 在数字调相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化。为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。,2019/11/13,通信原理,3. 2PSK系统的抗噪声性能 2PSK信号相干解调系统模型如图所示： 经信道传输，接收端输入信号为：,2019/11/13,通信原理,经带通滤波器输出： 与本地载波相乘后，经低通滤波器滤除高频分量，在抽样判决器输入端得到：,2019/11/13,通信原理,2019/11/13,通信原理,2PSK系统的最佳判决门限电平为： 在最佳门限时，2PSK系统的误码率为： 在大信噪比下，上式成为：,2019/11/13,通信原理,5.3.2 二进制差分相移键控（2DPSK） 1. 一般原理及实现方法 它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而
