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1、CCEE 第五章 数字调制与解调 数字通信原理 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 主要内容 5.1 引 言 5.2 移幅键控 5.3 移相键控 5.5 二进制数字调制系统的性能比较 5.6 键控信号的复包络法 5.7 宽带通信中的调制技术 5.4 移频键控 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 5.1 引 言 数字传输的两种方式：基带传输和频带传输 数字基带传输：直接传输数字基带信号 数字基带信号：来自数据终端的原始数据信号，包含 丰富的低频分量，甚至直流分量 数字频带传输：实际信道具有带通传输特性。具 有丰富低频成分的数字基带信号不能通过带通信 道直接传输，必须用数字基带信号对载波进行调 制
2、，把数字基带信号的频谱搬移到高频处才能在 信道中传输，这种传输称为数字频带（调制或载 波）传输 完成数字频带传输的两个关键过程：调制与解调 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 数字调制系统的结构 信道调制器 噪声源 基带信号 输入 解调器 基带信号 输出 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 5.1 引 言 调制与解调 调制：将基带信号频谱搬移至适合信道频谱进行传 输的过程 解调：调制的逆过程 调制与解调过程中的信号 调制信号：被搬移频谱的基带信号 已调信号：搬移频谱后得到的信号 载波信号：完成搬移频谱的工具。从原理上说，载 波信号的波形可以是任意的，但实际数字通信系统 ，都选择正弦信号作为载波
3、正弦载波调制 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 5.1 引 言 正弦载波调制 用数字基带信号改变正弦型载波的幅度、频率或 相位中的某个参数，产生相应的数字振幅调制、 数字频率调制和数字相位调制 数字基带信号为二进制时，相应的三种数字调制 信号：振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移 相键控（PSK） 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 主要内容 5.1 引 言 5.2 移幅键控 5.3 移相键控 5.5 二进制数字调制系统的性能比较 5.6 键控信号的复包络法 5.7 宽带通信中的调制技术 5.4 移频键控 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 5.2 移幅键控 二进制移幅键控（二进制移幅
4、键控（2ASK2ASK） 1 2ASK2ASK系统性能系统性能 2 多进制振幅调制多进制振幅调制 3 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 5.2.1 二进制移幅键控 移幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信 号而变化的数字调制。当数字基带信号为 二进制时，则为二进制移幅键控。 二进制移幅键控（2ASK）调制 二进制移幅键控（2ASK）解调 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二进制移幅键控（2ASK）调制 二进制移幅键控（2ASK）信号 二进制移幅键控（2ASK）信号的频谱 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二进制移幅键控（2ASK）信号 2ASK信号的产生 结论：二进制结论：二进制 移幅键控（
5、移幅键控（ 2ASK2ASK）信号表）信号表 示为一个单极示为一个单极 性矩形脉冲序性矩形脉冲序 列与一个正弦列与一个正弦 型载波相乘型载波相乘 发送的二进制符号序列 其中 2ASK信号 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二进制移幅键控（2ASK）信号 2ASK信号的时域波形 2ASK信号的时间波形随二进制基带信号通断变化 ，所以又称为通断键控信号（OOK信号） 单极性矩形 脉冲序列 t 1111000 s(t) t t载波信号 2ASK信号 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二进制移幅键控（2ASK）信号 2ASK信号产生的两种调制方法：模拟相乘 与数字键控 乘法器 二进制不归 零信号
6、cosct 开关电路 数字键控 模拟相乘 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二进制移幅键控（2ASK）调制 二进制移幅键控（2ASK）信号 二进制移幅键控（2ASK）信号的频谱 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二进制移幅键控（2ASK）信号的频谱 e2ASK(t)的功率谱密度为P2ASK(f) s(t)的功率谱密度为Ps(f) 推导Ps(f) 2ASK调制信号 频谱 功率谱密度 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二进制基带信号s(t)是单极性随机矩形脉冲，其功率谱密度Ps(f)为 式中 矩形波频谱：对于所有的m0的整数，有G(mfs)=0 因此 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 假设
7、P1/2，则 g(t)的频谱 因此 连续谱 离散谱 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二进制移幅键控（2ASK）信号的频谱 二进制移幅键控（2ASK）信号的频谱 结论：二进制移幅键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱两结论：二进制移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)g(t)确定，带宽则是基带波形的两倍，确定，带宽则是基带波形的两倍， B B2ASK 2ASK=2B =2B。 传输2ASK信号所需频带 0 fs2fs-fs-2fs Ps(f) fs-f0 0 fcfcfs P
8、E(f) fc 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 5.2.1 二进制移幅键控（2ASK） 二进制移幅键控（2ASK）调制 二进制移幅键控（2ASK）解调 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二进制移幅键控（2ASK）解调 非相干解调(包络检波法) 相干解调(同步检测法) 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 非相干解调 非相干解调(包络检波法)方式的接收系统框图 半波或全波整流器：包络检波器 低通滤波器：输出信号是恢复后的基带信号 抽样判决器：通过积分，抽样和判决，再生成 基带信号，去掉传输中叠加的干扰和噪声 包络检波器 抽样 判决器 全波 整流器 低通 滤波器 带通 滤波器 定时 脉冲 输出
9、 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 2ASK信号非相干解调过程的时间波形 单极性矩形 脉冲序列 调制信号 整流信号 低通滤波器 输出信号 抽样判决器 输出信号 11010001001 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二、二进制移幅键控（2ASK）解调 非相干解调(包络检波法) 相干解调(同步检测法) 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 相干解调 相干解调(同步检测法)方式的接收系统框图 解调原理：将已调信号e(t)与相干载波c(t)在相 乘器中相乘，然后由低通滤波器输出所需的基带 波形。 抽样 判决器 相乘器 低通 滤波器 带通 滤波器 定时 脉冲 输出 c(t) 重庆大学通信工程学院
10、数字通信原理 假设 相乘器输出 低通滤波器滤除 低通滤波器输出 KC为低通滤波器的电压传输系数 相干条件 满足相干条件下，相干检测器的输出为 相干载波： 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 相干解调 抽样 判决器 相乘器 低通 滤波器 带通 滤波器 定时 脉冲 输出 e(t) 相干解调条件：接收端必须提供一个与2ASK信号 的载波保持同频同相的相干载波，否则将会造成 解调后的波形失真。 相干载波一般可通过窄带滤波或锁相环路来提取。 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 5.2 二进制数字调制与解调原理 2ASK2ASK系统性能系统性能 2 二进制移幅键控（二进制移幅键控（2 2A ASKSK）
11、1 多进制振幅调制多进制振幅调制 3 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二进制振幅键控（2ASK）系统的抗噪声性能 相干检测法的系统性能 包络检波法的系统性能 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 相干检测法的系统性能 2ASK信号相干检测法的系统性能分析模型 分析其抗噪声性能 发送端 带通 滤波器 信道 低通 滤波器 相乘器 抽样 判决器 定时 脉冲 输出 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 性能分析 码元时间间隔Ts内，发送端输出的2ASK信号 其中 l c为载波角频率 l Ts 为码元时间间隔 在(0,Ts)时间间隔，接收端带通滤波器输入合成波形yi(t)为 式中 加性高斯白噪声，均值为
12、零，方差为2 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 性能分析 带通滤波器的输出波形 假设接收端带通滤波器具有理想矩形传输特性 n(t)为窄带高斯噪声，均值为零方差为n2，表示为 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 性能分析 与相干载波2cosct相乘后的波形 理想低通滤波器输出波形 l a为信号成分 l nc(t) 为低通型高斯噪声， 均值为零，方差为n2 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 性能分析 设对第k个符号的抽样时刻为kTs，则x(t)在kTs时刻的抽样值为 均值为零，方差为n2的高斯随机变量 发送“1”符号时的抽样值xanc的一维概率密度函数 发送“0”符号时的抽样值xnc的一维概率
13、密度函数 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 性能分析 假设抽样判决器的判决门限为，则抽样值时判为“1”符 号输出，若抽样值时判为“0”符号输出。 若发送的第个符号 为“1” ，错判为 “0”的错误概率 若发送的第个符号 为“0” ，错判为 “1”的错误概率 0 a x 0 x 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 系统总错误概率 当符号的发送概率P(1)、P(0)及概率密度函数f1(x) 、f0(x)一定时， 系统总的误码率Pe将与判决门限b有关，误码率Pe等于图中阴影的面积 当判决门限b取两条曲线相 交点b*时，阴影的面积最 小。这个门限就称为最佳 判决门限 ab*b P(1/0)P(0/1
14、) 0 x 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 最佳判决门限也可通过求误码率Pe关于判决门限b的最小值的方法得到 令 当 最佳判决门限 发送二进制符号“1”和“0”等概，且判决门限取b*=a/2时， 对2ASK信号采用同步检测法进行解调时的误码率 式中 在大信噪比（r1）条件下 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二进制振幅键控（2ASK）系统的抗噪声性能 相干检测法的系统性能 包络检波法的系统性能 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 二、包络检测法的系统性能 2ASK信号包络检测法的系统性能分析模型 分析其抗噪声性能 发送端 带通 滤波器 信道 包络 检波器 抽样 判决器 定时 脉冲 输出
15、重庆大学通信工程学院 数字通信原理 带通滤波器输出信号 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 发送“1”符号时 发送“0”符号时 在kTs时刻包络检波器 输出波形的抽样值 发送“1”符号时的抽样值是广义瑞利型随机变量；发送“0”符号时 的抽样值是瑞利型随机变量，它们的一维概率密度函数分别为 n2为窄带高斯噪声n(t)的方差 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 抽样判决器对抽样值作出判决，若抽样值大于判决门限，即Vb时判为“1” 符号输出；若抽样值小于等于判决门限，即V1)条件下，上式近似为 r的取值分大信噪比和小 信噪比两种情况考虑 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 最佳判决门限 最佳归一化判
16、决门限 小信噪比(r1）条件下 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 2PSK及2DPSK系统的抗噪声性能 2PSK相干解调系统性能 2DPSK信号相干解调系统性能 2DPSK信号差分相干解调系统性能 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 2DPSK信号相干解调系统性能 2PSK信号相干解调系统性能分析模型 2DPSK信号采用相干解调加码反变换器方式解调 时，码反变换器输入端的误码率既是2PSK信号采 用相干解调时的误码率 只需要再分析码反变换器对误码率的影响即可。 码反 变换器 带通 滤波器 低通 滤波器 抽样 判决器 定时 脉冲 相乘器 输出 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 2DPSK系统有关端点上的信号关系 码变换器输出的每一个码元是由输入的两个相邻码 元决定的 规定：若两相邻码元相同，输出“0”；不同，输出 “1”（即输出数字为相邻输入数字的模二和） 发送数字信息0010110111 发送信号相位00 0 0 0 相干检测输出0011011010 码变换输出010110111 重庆大学通信工程学院 数字通信原理 码变
