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1、2020/8/11,课件,1,5.1 引 言,图 1 频带传输系统的组成方框图,2020/8/11,课件,2,5.1 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。,2020/8/11,课件,3,二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), 或称其为开关键控(
2、通断键控),记作OOK(On Off Keying)。 二进制数字振幅键控通常记作2ASK。,2020/8/11,课件,5,图 3 2ASK信号的产生及波形模型,2020/8/11,课件,6,图 4 桥式调制器产生2ASK信号,2020/8/11,课件,7,图 5 简单的三极管调幅器,2020/8/11,课件,8,图 6 2ASK信号的实现方法,2020/8/11,课件,9,2ASK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:,2020/8/11,课件,10,2. 2ASK信号的功率谱及
3、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,2020/8/11,课件,11,2ASK信号的功率谱,2020/8/11,课件,12,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,2020/8/11,课件,13,由图 7 可见: (1) 因为2ASK信号的功率谱密度Pe(f)是相应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
4、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。,2020/8/11,课件,14,(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,因为系统的传码率RB=1/Tb(Baud),故2ASK系统的频带利用率为,2020/8/11,课件,15,3. 2ASK信号的解调及系统误码率,二进制振幅键控信
5、号解调器原理框图,2020/8/11,课件,16,2ASK信号非相干解调过程的时间波形,2020/8/11,课件,17,图 9 2ASK信号的相干解调,2020/8/11,课件,18,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,2020/8/11,课件,19,2ASK系统性能 1、非相干解调(包络检波)的系统性能 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,2020/8/11,课件,20,n(t
6、)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:,2020/8/11,课件,21,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,2020/8/11,课件,22,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“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,2020/8/11,课件,23,
7、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。,2020/8/11,课件,24,2. 相干解调时2ASK系统的误码率 其接收带通滤波器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:,2020/8/11,课件,25,x(t)值的一维概率密度为:,20
8、20/8/11,课件,26,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。,2020/8/11,课件,27,5.3 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,2020/8/11,课件,28,根据以上对 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,2020/8/11,课件,29,二进制移频键控信号的时间波形,2020/8/1
9、1,课件,30,1) 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,2020/8/11,课件,31,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),2020/8/11,课件,32,图 15 相位不连续 2FSK信号的产生和各点波形,2020/8/11,课件,33,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2FSK情况,2020/8/11,课件,34,(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
10、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)。,2020/8/11,课件,35,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|=(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,2020/8/11,课件,36,2) 相位连续的2FSK情
11、况,图 17 相位连续2FSK信号的功率谱,2020/8/11,课件,37,表 1 几种调制信号带宽比较,2020/8/11,课件,38,3. 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,2020/8/11,课件,39,2) 包络检测法,图 19 2FSK信号包络检波方框图及波形图,2020/8/11,课件,40,2FSK包络检波解调过程的时间波形,2020/8/11,课件,41,设频率f1代表数字信号“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
12、, 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。,2020/8/11,课件,42,3) 同步检波法,图 20 2FSK信号相干检测方框图,2020/8/11,课件,43,2FSK系统的抗噪声性能 1. 同步检测法的系统性能,2020/8/11,课件,44,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:,2020/8/11,课件,45,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:,2020/8/11,课件,46,将造成发送“1
13、”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:,2020/8/11,课件,47,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,2020/8/11,课件,48,2. 包络检波法的系统性能,发送“1”符号,2020/8/11,课件,49,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
14、。,2020/8/11,课件,50,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,因此电路较为复杂, 但包络检测就无需相干载波,因而电路较为简单。,2020/8/11,课件,51,5.3 二进制数字相位调制,根据载波相位表示数字信息的方式
15、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,2020/8/11,课件,52,2PSK信号的典型波形如图所示: 2PSK信号的调制方框图如图所示:,2020/8/11,课件,53,2PSK信号的解调: 不考虑噪声时,带通滤波器输出可表示为:,2020/8/11,课件,54,2PSK接收系统各点波形如图所示:,2020/8/11,课件,55,2. 2PSK信号的频谱和带宽 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:,2020/8/
16、11,课件,56,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。,2020/8/11,课件,57,3. 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:,2020/8/11,课件,58,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:,2020/8/11,课件,59,2020/8/11,课件,60,2PSK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:,2020/8/11,课件,61,5.3.2 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,而是用本码元与前一码元相位之差来传送数字信息的。,2020/8/11,课件,62,相对移相信号可以看作是把