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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 u数字调制：用数字基带信号控制载波某个参数的过程。 u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 q模拟调制法 q数字键控法 q二进制和多进制调制 q基本调制和新型调制 方法分类分类 Amplitude Shift Keying Frequency Shift Keying Phase Shift Keying ASK PSK FSK 概 述 二进制
2、数字调制原理 7.1 1 0 1 101 s(t) 载波 2ASK t n 表达式： 2ASK 也称 OOK t t n 原理： n 波形： 单极性 Ts s(t)载波幅度 7.1.1 二进制振幅键控 （2ASK ） n2ASK 产生 u模拟调制法 u键控法 n 2ASK 解调 u 包络检波法 u 相干解调法 u 包络检波法的各点波形 相呼应 n原理： n波形： n表达式： s(t)载波频率载波频率 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）。 模拟 调频器 载波 1 载波 2 图 二进
3、制移频键控2FSK信号的产生及波形 1 0 0 1 u模拟调频法：相邻码元之间的相位是连续变化的。 u 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 u 包络检波法 n 2FSK 解调 0101 2FSK非相干解调过程的时间波形 s1(t) s2(t) 0 u 过零检测法 n FSK应用： n原理： n波形： n表达式：双极性 s(t)载波相位 7
4、.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 n 2PSK 产生 u键控法u模拟调制法 图7 - 14 2PSK信号的解调原理图 带通滤 波器 相乘器低通滤 波器 抽样判决 器 定时脉冲 l 2PSK 解调 图 7 -15 2PSK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
5、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。 n 矢量图: B方式 A方式 n 原理 ： 7.1.4 二进制差分相移键控 （2DPSK） n 波形: 示例: n 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 参考相位 n 2DPSK 产生 u 构 思 u 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
6、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。 电平 转换 相乘 载波 码变换 载波 相移 码变换 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 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
7、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。 n 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 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7.21 2DPSK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 u注：相位变化表示“1” u 相位不变表示“0” 时，2DPSK的差分相干解调抽样判
8、决器的规则是：低 电平判为1，高电平判为0。 u 相位变化表示“0” u 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。 。 n 分析目的：B 和 fc n 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 (PSD) 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
9、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信号的功率谱密度信号的功率谱密度 双极性 3 2FSK信号的功率谱密度的功率谱密度 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 n性能指标：系统的误码率 Pe n n 分析方法分析方法：借用数字基带系统的方法和结论 n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 n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 n 2ASK-相干解
10、调 2ASK信号相干解调时系统的总误码率为 r 1 时时 解调器 输入端 信噪比 n 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 l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 例 (1) 同步检测法解调时系统的误码率为 (2) 包络检波法解调时系统的误码率为 评注 r 1时 l 2FSK-相干解调系统的总误码率为 西安电子科技大学西安电子科技大学 7.2.2 2FSK 系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 对比：2FSK
11、-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 n 2FSK-包络检波 （2）上、下支路带通滤波器(BPF)的带宽近似为： 解 例 （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系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 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
12、( 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)时, 两者性能相差不大。 lB2FSK不仅与基带信号带宽有关，且与两个载频之差有关 。 l设基带信号的谱零点带宽为RB=1/TS，则有： l在RB一定时，2FSK的频带利用率最低，有效性最差。 2
13、 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 多进制多进制 数字调制系统数字调制系统 7.4 引言 二进制：每个码元只携带 1 bit 信息 Mlog 2M 西安电子科技大学西安电子科技大学 通院通院 n 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） n 4ASK信号振幅有4种取值，每个码元含2bit。 n MASK调调制 : 与2ASK的产生方法相似，区别在于: 发送端输入的二二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。 n MASK解调调 : 与2ASK信号解调调也相似，有相干和非相干解调调两种 。 lMASK信号的功率谱 与 2ASK信号具有相似的形式; l谱零点带宽是 M 进制数字基带信号带宽的两倍。 l在 Rb相同时，MASK信号带宽是 2ASK的 1
