通信原理第7版第7章PPT课件(樊昌信版)

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1、数字带通传输 第7章 樊昌信曹丽娜编著 通信原理 第7版 二进制数字调制 解调原理2ASK2FSK2PSK 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 AmplitudeShiftKeying FrequencyShiftKeying PhaseShiftKeying ASK PSK FSK 概述 二进制数字调制原理 7 1

2、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 10 式中g t 单个矩形脉冲 Ts 脉冲持续时间 n和 n分别是第n个信号码元 1或0 的初始相位 通常可令其为零 因此 2FSK信号的表达式可简化为 模拟调频法 相邻码元之间的相位是连续变化的 键控法 相邻码元之间的相位不一定连续 2FSK产生 特点

3、转换速度快 电路简单 产生的波形好 频率稳定度高 包络检波法 2FSK解调 0 1 0 1 s1 s2 其他解调方法 鉴频法 差分检测法 过零检测法等 相干解调法 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 2PSK产生 键控法 2PSK解调 模拟调制法 2PSK解调原理框图和各点波形 2PSK存在问题 解决方案 DPSK DifferentialPSK 载波相位模糊 倒 现象 反相工作 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 基准 2PSK前一 2DPSK 原理 7 1 4二进制差分相移键控 2DPSK 波

4、形 示例 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 2DPSK解调 模型 差分编码 1 2DPSK相干解调 码反变换法 相位模糊 消除影响 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 分析目的 B和fc 分析方法 借助于基带信号的功率谱 PowerSpectralDensity 7 1 5二进制数字已调信号的功率谱 PSD 设Ps f s t 的PSDP2ASK f 2ASK信号的PSD则 12ASK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 2PS

5、K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 22PSK 2DPSK信号的功率谱密度 双极性 32FSK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 12ASK系统的抗噪声性能 2ASK 相干解调 均值a或0 方差 n2 一维概率密度函数 nc t 是高斯过程 0 n2 抽样 x 高斯

6、 发送 1 时 发送 0 时 设判决门限为b 则判决规则为 b 咦 好像与单极性基带系统的情况类似 西安电子科技大学 因此 借助单极性基带系统的分析结果 单极性基带信号 高斯噪声 可方便地得到2ASK 相干系统的分析结果 借用 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 当发送 1 符号时 包络检波器的输出为当发送 0 符号时 包络检波器的输出为 广义瑞利分布 瑞利分布 式中 n2为窄带高斯噪声n t 的方差 设判决门限为b 判决规则为 发 1 错判为 0 的概率为 利用MarcumQ函数

7、r a2 2 n2信号噪声功率比b0 b n归一化门限值 则P 0 1 可借助MarcumQ函数表示为 发 0 错判为 1 的概率为 系统的总误码率为 当P 1 P 0 时 有 包检系统的Pe取决于信噪比r和归一化门限值b0 求最佳判决门限 令 当P 1 P 0 时 有 最佳判决门限 归一化最佳判决门限 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 包络检波法解调时系统的误码率为 评注 7 2 22FSK系统的抗噪声性能 相干解调

8、 n1 t 和n2 t 是ni t 经过上 下带通滤波器的输出噪声 窄带高斯噪声 均值同为0方差同为 n2 只是中心频率不同而已 发 1 时 经过相干解调后 送入抽样判决器的两路波形分别为 上支路下支路 式中 n1c t 和n2c t 均为低通型高斯噪声 0 n2 发 1 错判为 0 的概率为 判决规则 r 1时 发 0 错判为 1 的概率 2FSK 相干解调系统的总误码率为 西安电子科技大学 包络检波器 包络检波器 发 1 符号 对应 1 时 2FSK 包络检波 广义瑞利分布 瑞利分布 一维概率密度函数分别为 上支路 下支路 判决规则 发 1 错判为 0 的概率为 根据MarcumQ函数的性

9、质 可得 令 代入上式 简化为 对比 2FSK 相干解调系统的总误码率 因此 2FSK 包络检波系统的总误码率为 r 1 发 0 错判为 1 的概率为 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 32PSK 2DPSK系统的抗噪声性能 12PSK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

10、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 无误码 bn错1个码 bn连错2个码 bn连错n个码 an总是错2个 码反变换器对误码的影响 an错2个 在大信噪比 r 1 时 Pe 1 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 码反变换系统的误码率 式中 32DPSK差分相干解调 相位比较 两者独立

11、 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 发 1 错判为 0 的概率为 利用恒等式令上式中则 R12 R22 令 简化为 由随机信号理论可知 R1的一维分布服从广义瑞利分布 R2的一维分布服从瑞利分布 其概率密度函数分别为 将以上两式代入 可得 2DPSK 差分相干解调系统的总误码率为 发 0 错判为 1 的概率为 1 接收端带通滤波器的带宽为 输出噪声功率 可得 由 解 因此 接收机输入端所需的信号功率为 2 相干解调 码反变换的2DPSK系统 即有 查误差函数表 可得 由r a2 2 n2可得接收机输入端所需的信号功率 配套辅导教材 曹丽

12、娜樊昌信 编著 国防工业出版社 整理知识归纳结论梳理关系引导主线剖析难点解惑疑点强化重点点击考点 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

13、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 配套辅导教材 曹丽娜樊昌信 编著 国防工业出版社 整理知识归纳结论梳理关系引导主线剖析难点解惑疑点强化重点点击考点 多进制数字调制系统 7 4 引言 二进制 每个码元只携带1bit信息 M log2M 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

14、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

15、 不高的衰落信道传输场合 利用载波的M种不同相位表示数字信息 信号矢量图 星座图 7 4 3多进制相移键控 MPSK 1基本概念 24PSK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ab 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 B方式 原理 解决方案 采用四相相对相位调制 即QDPSK 存在问题 存在900的相位模糊 0 90 180 270 原理 分解为

16、两路2PSK信号的相干解调 3QPSK解调 跳变周期2Tb带宽B Rb QPSK特点 相位跳变 0 90 180 最大相位跳变180 使限带的QPSK信号包络起伏很大 并出现包络零点 频谱扩展大 旁瓣对邻道干扰大 QPSK缺点 改进思路 QPSK相位路径 最大相位跳变180 改进思路 信号点不作对角线移动即双比特ab不同时跳变 改进思路 信号点不作对角线移动即双比特ab不同时跳变 OQPSK相位路径 相位跳变0或 90 4OQPSK 偏置或交错QPSK OffsetQPSK 如何实现 OQPSK 限带QPSK与限带OQPSK对比 最大相位跳变180 包络起伏大 频谱扩展大相位跳变周期2Tb 最大相位跳变90 包络起伏小 频谱扩展小相位跳变周期Tb 影响主瓣带宽 由两个相差 4的QPSK星座图交替产生 A方式 0 90 180 B方式 45 135 5 4 QPSK 原理和特点 4 QPSK优势 原理与2DPSK类似 利用相邻码元载波的相对相位变化表示数字信息 QDPSK与QPSK的关系 如同2DPSK与2PSK关系 4DPSK也称QDPSK 7 4 4多进制差分相移键控 MDPSK 1