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1、通信原理,作者：鲍卫兵,责任编辑：樊晓燕 出版日期：2009年6月 IDPN：308-2009-013 课件章数：8,5.1 引言 5.2 二进制数字调制原理 5.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能 5.4 二进制数字调制系统的性能比较 5.5 多进制及改进型数字调制系统,第 五 章 数字信号的频带传输系统,第五章 数字信号的频带传输系统,5.1 引言,二、模拟调制与数字调制系统的比较,2、模拟调制：对载波参量连续调制,数字调制：用载波的某些离散状态表征传送的信息,1、两者原理无本质区别,一、何谓正弦载波数字调制？,基带信号控制正弦载波的某些参量的过程,（与基带传输系统的区别）,（1）振幅键控
2、（ASK）,（2）移频键控（FSK）,（3）移相键控（PSK）,2、多进制调制及改进调制方式：,线性调制：如ASK、PSK,非线性调制：如FSK,三、数字调制系统的分类：,1、三种基本形式：,3、线性调制与非线性调制：,四、应用,返回,5.2 二进制数字调制原理,每小节基本包括五个方面内容：,1、波形图,2、时域表达式,3、产生方法（调制方法）,4、功率谱及带宽,5.2.1 二进制振幅键控(2ASK) 5.2.2 二进制移频键控(2FSK) 5.2.3 二进制移相键控(2PSK) 及二进制差分移相键控(2DPSK),5、解调方法,注意：本节内容是学习数字通信的基础，应牢固掌握。,5.2.1 二
3、进制振幅键控(2ASK),2ASK?,基带 信号,载波,2ASK信号,是指载波幅度随着调制信号变化的。,1、波形图,3、产生方法（调制方法）,4、功率谱与带宽,5、两种解调方法,2、时域表达式,6,2、时域表达式,则： 2ASK可以表示成单极性矩形脉冲与正弦载波相乘。,或者：,基带信号 为单极性信号，则可表示成：,返回,2、产生方法（调制方法）：两种,（A）模拟幅度调制方法：,（B）键控方法：,2ASK也称为通断键控信号（OOK）。,返回,3、功率谱密度与带宽:,2ASK信号是随机、功率型信号-分析功率谱密度,的功率谱密度为,则：,（6.21),信号通过乘法器后，输出信号功率谱为输入信号功率谱
4、的四分之一频移。为什么？,功率谱与幅度谱是平方关系，而幅度为二分之一频移。,此功率谱如图所示,的功率谱密度为,的功率谱密度为,结论：,（2）2ASK的带宽是基带脉冲波形带宽的2倍。,（1）2ASK的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成,连续谱是基带信号线性调制后的双边带谱,离散谱是由载波确定,返回,4、两种解调方法：,（A）非相干解调（包络检波法） （B）相干解调（同步检测法）,（A）非相干解调：,BPF,包络检波,LPF,抽样判决,定时脉冲,输出,输入,BPF,LPF,抽样判决,定时脉冲,输出,（B）相干解调：,输入,返回,各点波形图,2ASK信号非相干解调过程的时间波形,返回,5.2.2 二进
5、制移频键控(2FSK),2FSK？,基带 信号,2FSK,1 0 1 1 0 0 1 0,是指载波频率随着调制信号而变化。,1、波形图：,2、时域表达式：,2FSK可以看成两个不同载频的2ASK信号之和,3、产生方法（调制方法）：两种,（A）模拟调频方法：,（B）键控方法：,通常画成如下的形式:,4、功率谱与带宽,看成两个不同载频的2ASK信号之和,可以求出其频谱,（3）带宽为:,（2）频谱结构与载频之差、 有关。,（1）功率谱由连续谱和离散谱两部分组成,连续谱是 两个双边谱的叠加,离散谱由两个载频确定,结论：,频谱图：,返回,5、解调方法：,（A）非相干检测法,（A）非相干检测法 ：（先用B
6、PF分成两个2ASK）,（B）相干检测法,（C）过零检测法,（D）差分检波法,2FSK非相干解调过程的时间波形,（B）相干检测法 ：,（C）过零检测法 ：,（D）差分检波法 ：,当满足要求 和 时，输出 电压与 呈线性关系。,5.2.3 2PSK及2DPSK,基带信号,2PSK,绝对 移相,(是指载波相位随着调制信号变化),1 0 1 1 0 0 1 0,1、波形图,2DPSK,2、时域表达式,2DPSK,数字信息1,数字信息0,表示本码元与前 一码元相位之差,概率为P,概率为1-P,发“0”,发 “1”,举例:,2DPSK信号相位：,参考相位,2PSK,发“0”,发 “1”,两者的关系,2D
7、PSK,2PSK,结论:,2DPSK：,(1) 解决了2PSK的倒相问题,(2)从波形上看，无法与2PSK区分,可以由另一序列(相对码)经绝对移相而成,矢量图（CCITT规定两种）：,（1）参考相位:,若是绝对移相，它是未调制载波的相位,若是相对移相，它是前一码元载波的相位,（2）在每个码元含有整数个载波、且采用相对移相时，方式B的相邻两个码元的相位必然发生跳变，检测此相位的变化可得到码元定时信息。,3、调制方法,A、2PSK调制框图,（1）模拟调制法,（2）键控法,B、2DPSK调制框图,4、功率谱与带宽,可得:,所以:,因此：2PSK的带宽也是基带脉冲波形带宽的2倍。,即：,5、解调方法：
8、,A、2PSK解调框图,（相干解调）,极性比较法解调相乘与低通可用鉴相器代替：,B、2DPSK解调框图,各点波形,各点波形,2DPSK信号相干解调器原理图和解调过程各点时间波形,返回,2DPSK信号差分相干解调器原理图和解调过程各点时间波形,返回,5.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能,5.3.1 2ASK的抗噪声性能,两种解调方法:包络检波、同步检测,1、抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力，用误码率来衡量。,2、不同的调制和解调方式，抗噪声性能不同。,1、包络检波的系统抗噪声性能,2、同步检测的系统抗噪声性能,1、包络检波的系统抗噪声性能,(1) 据随机过程理论可知:,式5.3-20a
9、 一维概率密度函数服从广义瑞利分布,式5.3-20b 一维概率密度函数服从瑞利分布,(2)系统误码率为,一般:,(3)讨论(误码率何时最小),返回,2、同步检测的系统抗噪声性能,一维概率密度函数都服从高斯分布,同样先求出最佳判决电平:,当r1时,系统误码率达到最小,可知：相同的大信噪比下，同步检测的误码率低； 包络检波电路简单，不需要相干载波提取电路。,5.3.2 2FSK的抗噪声性能,（包络检波、同步解调）,1、包络检波的抗噪声性能,同理：,最后可得,系统误码率为,2、同步检测的系统抗噪声性能,根据对2ASK同步检测和2FSK包络检波的分析，可知：,可得：,同理：,系统误码率为,当满足大信噪
10、比条件时：,3、两种解调方法的系统抗噪声性能比较,可知：相同的大信噪比下，同步检测的误码率低； 包络检波电路简单，不要相干载波提取电路。,5.3.3 2PSK及2DPSK的抗噪声性能,一、2PSK抗噪声性能,（同步检测系统）,均服从 高斯分布,可求得,大信噪比下：,二、2DPSK抗噪声性能,（差分检测和极性检测法）,1、差分检测,发送1，且前 一码 也是1,最后可得：,2、极性比较法（相干解调）,只考虑码反 变换所造成 的误码率,（1）码变换输出误码的分析,两者之间的关系:,误码分析:,因为：,所以：,5.4 二进制数字调制系统的性能比较,从频带宽度或频带利用率上看，2FSK最不可取。,2、误
11、码率：,3、对信道特性变化的敏感性,4、设备的复杂程度,2、误码率：,A、相干解调方式优于非相干方式。,C、相同信噪比下，2PSK将有最低的误码率。,返回,3、对信道特性变化的敏感性,4、设备的复杂程度,相同调制方式下，相干解调的设备较非相干复杂； 同是非相干解调，复杂程度：2DPSK 2FSK OOK。,目前应用较多：相干2DPSK和非相干2FSK。,返回,5.5 多进制以及改进型数字调制系统,1、与二进制系统的区别,多进制基带信号,2、多进制系统的特点,（1）相同码元速率下，多进制系统的传信率高。,（2）相同传信率下，多进制码元的传码率低，码宽长， 码元能量大，可减小信道引起的码间干扰。,
12、根据:,5.5.1 MASK的原理,原因：相同的传码率下，传信率比2ASK高； 相同的传码率下，其带宽与2ASK相同。,A、高效率: 单位频带内有高的信息传输速率。,B、MASK可看成有时间上不重叠的M个2ASK的叠加。 功率谱也是M个2ASK的功率谱的叠加。 两者带宽相同。,C、调制、解调 略,波形图,MASK信号的时间波形,返回,5.5.2 MFSK的原理及抗噪声性能,1、MFSK的原理,2、MFSK的抗噪声性能,误码率与信噪比、进制有关。,5.5.3 MPSK的原理,1、MPSK的原理,可分绝对移相和相对移相。一般采用相对移相。,B、MPSK波形表示为：,MPSK波形可看成 两个正交载波
13、进行多电平双边带调制所得信号之和。,2、4PSK（QPSK）绝对移相,与载波相位 的对应关系,（2）对于方式B，相位的取值为,恰好可表示成两个正交的2PSK的合成,3、QPSK的调制方法。（调相法和相位选择法）,A、调相法,B、相位选择法,4、QPSK的解调方法,QPSK可表示成两个正交2PSK的合成,故可以采用 与2PSK相同的方法解调。,5、QDPSK四相相对移相键控,利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。,若以前一码元相位作为参考， 为本码元与前 一码元的初相差。,信息编码与载波相位变化关系,6、QDPSK的调制方法,可以由绝对码变换成相对码，再进行PSK调制。,码变换加调相法和
14、码变换加相位选择法,（1）码变换加调相法,只要确定(c d)与(a b)的逻辑关系即可。仅讨论码变换,码变换的逻辑功能:如下图,按 的规律变换成双极性码,(2)码变换加相位选择法,与相位选择法框图完全相同。,7、QDPSK的解调方法（极性比较法和相位比较法）,A、极性比较法,B、相位比较法（差分相干解调）,一、幅相键控(APK),5.5.4 改进的数字调制,1、信号表示：,2、矢量图：,3、与16PSK的比较：,4、调制解调方框图：,二、最小移频键控MSK (Minimum Frequency Shift Keying),“最小”是指这种调制方式能以最小的调制指数(0.5)获得正交信号；,“快
15、速”是指在给定同样的频带内，MSK能比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比2PSK衰减的快。,1、信号表示：,相应地MSK信号的两个频率可表示为：,取N=1, m=0 时，MSK信号的时间波形,MSK信号在每一码元周期内必须包含四分之一载波周期的整数倍。,2、附加相位函数k(t),3、MSK信号具有以下特点：,1）MSK信号是恒定包络信号； 2）在码元转换时刻，信号的相位是连续的，以载波相位为基准的信号相位在一个码元期间内线性地变化900 ； 3） 在一个码元期间内， 信号应包括四分之一载波周期的整数倍，信号的频率偏移等于1/4Ts，相应的调制指数h=0.5。,4、MSK信号的功
16、率谱,MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽度比2PSK信号的窄,MSK的旁瓣比2PSK的衰减速率快得多，因此对邻道的干扰也较小,MSK的误码率：,MSK调制解调方框图,MSK信号相干解调器原理图,三、高斯最小移频键控(GMSK),GMSK(GaussianFiltered Minimum Shift Keying)调制原理图：,1）带宽窄并且具有陡峭的截止特性； 2) 脉冲响应的过冲较小； 3) 滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于/2的相移。 其中条件(1)是为了抑制高频分量；条件(2)是为了防止过大的瞬时频偏；条件(3)是为了使调制指数为0.5。 ,四、其它调制,网络编码调制TCM、Trellis Coded Modulation,正交部分响应调制QPR,软调
