樊昌信通信原理第6章课件

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1、1,通信原理,第6章 数字带通传输系统,2,第6章数字带通传输系统,概述 数字调制：把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。 数字带通传输系统：通常把包括调制和解调过程的数字传输系统。 数字调制技术有两种方法： 利用模拟调制的方法去实现数字式调制； 通过开关键控载波，通常称为键控法。 基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控 数字调制可分为二进制调制和多进制调制。,振幅键控 频移键控 相移键控,3,第6章数字带通传输系统,6.1 二进制数字调制原理 6.1.1 二进制振幅键控(2ASK） 基本原理： “通-断键控(OOK)”信号表达式 波形,4,第6章数字带通传输系统,2ASK信

2、号的一般表达式 其中 Ts 码元持续时间； g(t) 持续时间为Ts的基带脉冲波形，通常假设是高 度为1，宽度等于Ts的矩形脉冲； an 第N个符号的电平取值，若取 则相应的2ASK信号就是OOK信号。,5,第6章数字带通传输系统,2ASK信号产生方法 模拟调制法（相乘器法） 键控法,6,第6章数字带通传输系统,2ASK信号解调方法 非相干解调(包络检波法) 相干解调(同步检测法),7,第6章数字带通传输系统,非相干解调过程的时间波形,8,第6章数字带通传输系统,功率谱密度 2ASK信号可以表示成 式中 s(t) 二进制单极性随机矩形脉冲序列 设：Ps (f) s(t)的功率谱密度 P2ASK

3、 (f) 2ASK信号的功率谱密度 则由上式可得 由上式可见，2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱Ps (f)的线性搬移（属线性调制）。 知道了Ps (f)即可确定P2ASK (f) 。,9,第6章数字带通传输系统,2ASK信号的功率谱密度示意图,10,第6章数字带通传输系统,从以上分析及上图可以看出： 2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成；连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量确定。 2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣（第一个谱零点位置），则有 式中 fs = 1/Ts 即，2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。,11,第6章数字带通传

4、输系统,6.1.2 二进制频移键控（2FSK） 基本原理 表达式：在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。故其表达式为,12,第6章数字带通传输系统,典型波形： 由图可见，2FSK 信号的波形(a)可以分解为波形(b)和波形（c），也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式又可写成,13,第6章数字带通传输系统,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,14,第6章数字带通传输系统,式中 2FSK

5、信号的产生方法 采用模拟调频电路来实现：信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。 采用键控法来实现：相邻码元之间的相位不一定连续。,15,第6章数字带通传输系统,2FSK信号的解调方法 非相干解调,16,第6章数字带通传输系统,相干解调,17,第6章数字带通传输系统,功率谱密度 对相位不连续的2FSK信号，可以看成由两个不同载频的2ASK信号的叠加，它可以表示为 其中，s1(t)和s2(t)为两路二进制基带信号。 据2ASK信号功率谱密度的表示式，不难写出这种2FSK信号的功率谱密度的表示式： 令概率P = ，只需将2ASK信号频谱中的fc分别替换为f1和f2，然后代入上式，即可得到下式：,18

6、,第6章数字带通传输系统,其曲线如下：,19,第6章数字带通传输系统,由上图可以看出： 相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频f1和f2处； 连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化，若| f1 f2 | fs ，则出现双峰； 若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算2FSK信号的带宽，则其带宽近似为 其中，fs = 1/Ts为基带信号的带宽。图中的fc为两个载频的中心频率。,20,第6章数字带通传输系统,6.1.3 二进制相移键控（2PSK） 2PSK信号的表达式： 在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示

7、二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为 式中，n表示第n个符号的绝对相位： 因此，上式可以改写为,21,第6章数字带通传输系统,由于两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘： 式中 这里，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特性为 即发送二进制符号“0”时（an取+1），e2PSK(t)取0相位；发送二进制符号“1”时（ an取 -1）， e2PSK(t)取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。,22,第6章数字带通传输系统,典型波形,23,第6章数字带

8、通传输系统,2PSK信号的调制器原理方框图 模拟调制的方法 键控法,24,第6章数字带通传输系统,2PSK信号的解调器原理方框图和波形图：,25,第6章数字带通传输系统,波形图中，假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0相位）。但是，由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为2PSK 方式的“倒”现象或“反相工作”。这也是2PSK方式在实际中

9、很少采用的主要原因。 为了解决上述问题，可以采用差分相移键控（DPSK）体制。,26,第6章数字带通传输系统,功率谱密度 比较2ASK信号的表达式和2PSK信号的表达式： 2ASK： 2PSK： 可知，两者的表示形式完全一样，区别仅在于基带信号s(t)不同（an不同），前者为单极性，后者为双极性。因此，我们可以直接引用2ASK信号功率谱密度的公式来表述2PSK信号的功率谱，即 应当注意，这里的Ps(f)是双极性矩形脉冲序列的功率谱。,27,第6章数字带通传输系统,功率谱密度曲线 从以上分析可见，二进制相移键控信号的频谱特性与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

10、时，其谱中无离散谱（即载波分量），此时2PSK信号实际上相当于抑制载波的双边带信号。因此，它可以看作是双极性基带信号作用下的调幅信号。,28,第6章数字带通传输系统,6.1.4 二进制差分相移键控（2DPSK） 2DPSK原理 2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。 假设为当前码元与前一码元的载波相位差，定义数字信息与 之间的关系为 于是可以将一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系示例如下：,29,第6章数字带通传输系统,相应的2DPSK信号的波形如下： 由此例可知，对于相同的基带信号，由于初始相位不同，2DPSK信号的相位可以不同

11、。即2DPSK信号的相位并不直接代表基带信号，而前后码元的相对相位才决定信息符号。,30,第6章数字带通传输系统,2DPSK信号的产生方法 由上图可见，先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码（差分码），然后再根据相对码进行绝对调相，从而产生二进制差分相移键控信号。 上图中使用的是传号差分码，即载波的相位遇到原数字信息“1”变化，遇到“0”则不变。,31,第6章数字带通传输系统,2DPSK信号调制器原理方框图 差分码可取传号差分码或空号差分码。其中，传号差分码的编码规则为 式中，为模2加，bn-1为bn的前一码元，最初的bn-1可任意设定。 上式的逆过程称为

12、差分译码（码反变换），即,32,第6章数字带通传输系统,2DPSK信号的解调方法之一 相干解调(极性比较法)加码反变换法 原理：先对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”倒置，但经差分译码（码反变换）得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊性带来的问题。,33,第6章数字带通传输系统,2DPSK的相干解调器原理图和各点波形,34,第6章数字带通传输系统,2DPSK信号的解调方法之二：差分相干解调(相位比较）法,35,第6章数字带通传输

13、系统,用这种方法解调时不需要专门的相干载波，只需由收到的2DPSK信号延时一个码元间隔，然后与2DPSK信号本身相乘。相乘器起着相位比较的作用，相乘结果反映了前后码元的相位差，经低通滤波后再抽样判决，即可直接恢复出原始数字信息，故解调器中不需要码反变换器。 2DPSK系统是一种实用的数字调相系统，但其抗加性白噪声性能比2PSK的要差。,36,第6章数字带通传输系统,功率谱密度 从前面讨论的2DPSK信号的调制过程及其波形可以知道，2DPSK可以与2PSK具有相同形式的表达式。所不同的是2PSK中的基带信号s(t)对应的是绝对码序列；而2DPSK中的基带信号s(t)对应的是码变换后的相对码序列。

14、因此，2DPSK信号和2PSK信号的功率谱密度是完全一样的。信号带宽为 与2ASK的相同，也是码元速率的两倍。,37,第6章数字带通传输系统,6.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能 概述 通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。在数字通信系统中，信道噪声有可能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。因此，与分析数字基带系统的抗噪声性能一样，分析数字调制系统的抗噪声性能，也就是求系统在信道噪声干扰下的总误码率。 分析条件：假设信道特性是恒参信道，在信号的频带范围内具有理想矩形的传输特性(可取其传输系数为K)；信道噪声是加性高斯白噪声。并且认为噪声只对信号的接收带来影响，因而分

15、析系统性能是在接收端进行的。,38,第6章数字带通传输系统,6.2.1 二进制振幅键控(2ASK)系统的抗噪声性能 同步检测法的系统性能 分析模型,39,第6章数字带通传输系统,若发送“1”和“0”的概率相等，则最佳判决门限为 b* = a / 2 此时，2ASK信号采用相干解调（同步检测）时系统的误码率为 式中 为解调器输入端的信噪比。 当r 1，即大信噪比时，上式可近似表示为,40,第6章数字带通传输系统,包络检波法的系统性能 分析模型：只需将相干解调器（相乘-低通）替换为包络检波器（整流-低通），即可以得到2ASK采用包络检波法的系统性能分析模型。,41,第6章数字带通传输系统,实际工作

16、情况 在实际工作中，系统总是工作在大信噪比的情况下，因此最佳门限应取 即 此时系统的总误码率为 当r 时，上式的下界为 将上式和同步检测法（即相干解调）的误码率公式想比较可以看出：在相同的信噪比条件下，同步检测法的抗噪声性能优于包络检波法，但在大信噪比时，两者性能相差不大。然而，包络检波法不需要相干载波，因而设备比较简单。另外，包络检波法存在门限效应，同步检测法无门限效应。,42,第6章数字带通传输系统,6.2.2 二进制频移键控(2FSK)系统的抗噪声性能 同步检测法的系统性能 分析模型,43,第6章数字带通传输系统,设z的一维概率密度函数为f(z)，则由上式得到 同理可得，发送“0”错判为“1”的概率 显然，由于上下支路的对称性，以上两个错误概率相等。于是，采用同步检测时2FSK系统的总误码率为 在大信噪比条件下，上式可以近似表示为,44,第6章数字带通传输系统,包络检波法的系统性能 分析模型,45,第6章