《通信原理—数字频带传输系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信原理—数字频带传输系统（124页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、二进制数字调制与解调原理二进制数字调制系统的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系统现代数字调制技术,数字频带传输系统,通信原理,电子科学与技术学院,2018/9/2,1,在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种信道中传输，因此，必须用数字基带信号对载波进行调制，产生已调数字信号。类似与模拟调制，有数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制。,数字调制系统基本结构,调制器,信 道,解调器,噪声源,基带信号输入,基带信号输出,振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，则为二进制振幅键控。设发送的二进制符号序列由0、
2、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为,二进制数字调制与解调原理(2ASK),二进制振幅键控（2ASK）,则二进制振幅键控信号可表示为,coswct,e2ASK,1,0,1,1,T,b,0,0,1,t,t,t,s(t),二进制数字调制与解调原理(2ASK),2ASK信号与模拟调制中的AM信号类似。所以，对2ASK信号也能够采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)。,模拟相乘,数字键控,二进制数字调制与解调原理(2ASK),二进制振幅键控信号解调器原理框图,非相干解调,相干解调,二进制数字调制与解调原理(2ASK),2ASK信
3、号非相干解调过程的时间波形,二进制数字调制与解调原理(2ASK),在二进制数字调制中，若正弦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，则产生二进制移频键控信号(2FSK信号)。图中波形g可分解为波形e和波形f，即二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为,二进制移频键控(2FSK),二进制数字调制与解调原理(2FSK),二进制移频键控信号的时间波形,二进制数字调制与解调原理(2FSK),二进制移频键控信号解调器原理图,非相干解调,二进制移频键控信号的解
4、调方法很多，有模拟鉴频法和数字检测法，有非相干解调方法也有相干解调方法。,二进制数字调制与解调原理(2FSK),相干解调,二进制移频键控信号解调器原理图,二进制数字调制与解调原理(2FSK),2FSK非相干解调过程的时间波形,二进制数字调制与解调原理(2FSK),过零检测法原理图和各点时间波形,二进制数字调制与解调原理(2FSK),在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常用已调信号载波的0和 180分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。二进制移相键控信号的时域表达式为,在2PSK调制中，an应选择双极性，即,二进制移相键
5、控（2PSK）,二进制数字调制与解调原理(2PSK),和2ASK不同,二进制移相键控信号的时间波形,若用n表示第n个符号的 绝对相位，则有,若g(t)是脉宽为Ts, 高度为1的矩形脉冲时，则有,二进制数字调制与解调原理(2PSK),这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对移相方式。,2PSK信号的调制原理图,采用模拟调制的方法产生2PSK信号,采用数字键控的方法产生2PSK信号,二进制数字调制与解调原理(2PSK),2PSK信号的解调通常都是采用相干解调。在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波。,二进制数字调制与解调原理(2PSK),2P
6、SK信号相干解调各点时间波形,1,0,a,1,1,0,1,0,0,b,c,d,e,二进制数字调制与解调原理(2PSK),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信号的相干解调存在随机的“倒”现象，从而使得2PSK方式在实际中很少采用。,二进制数字调制与解调原理(2PSK),在2PSK信号中，信号相位的变化是以未调正弦载波的相位作为参考，用载波相位的绝对数值表示数字信息的，所以称为绝对移相。但相干载波恢复中载波相位的18
7、0相位模糊，导致解调出的二进制基带信号出现反向现象，从而难以实际应用。 为了解决2PSK信号解调过程的反向工作问题，提出了二进制差分相位键控(2DPSK)。 2DPSK方式是用前后相邻码元的载波 相对相位变化 来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为，可定义一种数字信息与之间的关系为,二进制差分相位键控（2DPSK）,二进制数字调制与解调原理(2DPSK),还有其他定义方式吗？ 如何定义,则一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系如下所示: 二进制数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 2DPSK信号相位： 0 0 0 0 0 0 或 0 0 0 0 0 ,数
8、字信息与之间的关系也可以定义为,二进制数字调制与解调原理(2DPSK),2DPSK信号调制过程波形图,1 0 0 1 0 1 1 0,二进制数字调制与解调原理(2DPSK),2DPSK信号调制器原理图,二进制数字调制与解调原理(2DPSK),2DPSK信号相干解调器原理图和解调过程各点时间波形,在解调过程中，若相干载波产生180相位模糊， 解调出的相对码将产生倒置现象，但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊度的问题。 。,二进制数字调制与解调原理(2DPSK),2DPSK信号差分相干解调器原理图和各点时间波形,二进制数字调制与解调原理(2DPSK),由于
9、差分相干解调方式在解调的同时完成了码反变换作用，故解调器中不需要码反变换器。另外，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。 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。,二进制数字调制与解调原理(2DPSK),2ASK信号的功率谱密度,若二进制基带信号 s(t) 的功率谱密度为,二进制数字调制信号的功率谱密度,二进制数字调制信号的功率谱密度,2ASK信号的功率谱密度示意图,二进制数字调制信号的功率谱密度,二进制振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g(t)确定 二进制振幅键控信
10、号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍, B2ASK=2B。,对相位不连续的二进制移频键控信号，可以看成由两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加，其中一个频率为f1，另一个频率为f2。因此，相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱密度可以近似表示成两个不同载波的二进制振幅键控信号功率谱密度的叠加。 相位不连续的二进制移频键控信号的时域表达式为,根据二进制振幅键控信号的功率谱密度可以得到,2FSK信号的功率谱密度,二进制数字调制信号的功率谱密度,令概率P=1/2，则有,二进制数字调制信号的功率谱密度,相位不连续2FSK信号的功率谱示意图,相位不连续的2FSK信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成；
11、离散谱位于两个载频f1和f2处；连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加形成；若两个载波频差小于fs，则连续谱在fc处出现单峰；若载频差大于fs，则连续谱出现双峰。,二进制数字调制信号的功率谱密度,若以二进制移频键控信号功率谱第一个零点之间的频率间隔计算二进制移频键控信号的带宽，则该二进制移频键控信号的带宽B2FSK为,二进制数字调制信号的功率谱密度,2PSK与2DPSK信号有相同的功率谱。2PSK信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与正弦载波相乘，则2PSK信号的功率谱为,代入基带信号功率谱，可得,2PSK及2DPSK信号的功率谱密度,二进制数字调制信号的功率谱密度,2PSK(2DPS
12、K)信号的功率谱密度,一般情况下2PSK信号的功率谱密度由离散谱和连续谱所组成，其结构与2ASK信号的功率谱密度相类似，带宽也是基带信号带宽的两倍。当二进制基带信号的“1”符号和“0”符号出现概率相等时，则不存在离散谱。,若P=1/2,二进制数字调制信号的功率谱密度,二进制数字调制系统的抗噪声性能,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，衡量系统抗噪声性能的重要指标是误码率，因此，分析二进制数字调制系统的抗噪声性能，也就是分析在信道等效加性高斯白噪声的干扰下系统的误码性能，得出误码率与信噪比之间的数学关系。 在二进制数字调制系统抗噪声性能分析中，假设信道特性是恒参
13、信道，在信号的频带范围内其具有理想矩形的传输特性(可取传输系数为K)。噪声为等效加性高斯白噪声，其均值为零，方差为2。,对二进制振幅键控信号可采用包络检波法进行解调，也可以采用同步检测法进行解调。但两种解调器结构形式不同，因此分析方法也不同。 1. 同步检测法的系统性能在一个码元的时间间隔Ts内，发送端输出的信号波形sT(t)为,其中,二进制振幅键控(2ASK)系统的抗噪声性能,二进制数字调制系统的抗噪声性能,2ASK信号同步检测法的系统性能分析模型,式中,二进制数字调制系统的抗噪声性能,设接收端带通滤波器具有理想矩形传输特性，恰好使信号完整通过，则带通滤波器的输出波形y(t)为,n(t)为窄
14、带高斯噪声，其均值为零，方差为2n。,二进制数字调制系统的抗噪声性能,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x为,二进制数字调制系统的抗噪声性能,一维概率密度函数f (x)为,发送“1”,发送“0”,图 7- 23 抽样值x的一维概率密度函数,二进制数字调制系统的抗噪声性能,式中：,二进制数字调制系统的抗噪声性能,图 7 24 同步检测时误码率的几何表示,总误码率,当判决门限b取P(1)f1(x)与P(0)f0(x)两条曲线相交点b*时，阴影的面积最小。即判决门限取为b*时，此时系统的误码率Pe最小。这个门限就称为最佳判决门限。,二进制数字调制系统的抗噪声性能,当 ，大信噪比时,求最佳门限b*,当P(1)=P(0)=1/2时,则最小误码率为,式中 为信噪比,二进制数字调制系统的抗噪声性能,包络检波法的系统性能包络检波法解调过程不需要相干载波，比较简单。接收端带通滤波器的输出波形与相干检测法的相同。,图 7 25 包络检波法的系统性能分析模型,一维概率密度函数为,发送“1” (广义瑞利),发送“0” (瑞利),在kTs时刻包络检波器输出波形的抽样值为,包络检波法的系统性能,式中,Marcum Q函数,归一化门限值,信噪比,包络检波法的系统性能,总误码率,与同步检测法类似，在系统输入信噪比一定的情况下，系统误码率将与归一化门限值b0有关。,求最佳门限b*,
