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1、2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,1,数字通信原理 第六章 数字调制解调系统,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,2,第六章 数字调制解调系统,6.1、引言 数字调制解调系统主要讨论的内容 数字信号调制传输、解调的方法和其性能分析 数字调制的主要目的 （1）使数字信号适合在带通信道中传输并易于实现； 如：对无线信道，信号频率必须足够高才能使天线的尺寸在合理大小的水平（/4）； （2）能通过频分复用将数字信息(基带信号)安排在不同的频段传输，提高频带利用率。,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,3,第六章 数字调制解调系统
2、,6.1、引言(续) 模拟调制与数字调制的异同 相同点： （1）实现信号的频谱搬移和变换； （2）载波主要为正弦信号； （3）可采用调幅、调频和调相等方式； （4）可同时调制多于一个的参数，如相位与幅度 主要区别：数字调制受控参数在有限种取值间变化。 调制的类别 （1）二进制与M进制（M 2） （2）线性调制和非线性调制 （3）无记忆调制和有记忆调制,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,4,第六章 数字调制解调系统,6.1、引言(续) 三种典型的数字调制方式示例 (a) 振幅键控 (b) 频移键控 (c) 相移键控,2010 Copyright,SCUT DT&P La
3、bs,5,第六章 数字调制解调系统,6.2、二进制数字调制系统 二进制移幅键控(2ASK) 基带信号： 2ASK信号：,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,6,第六章 数字调制解调系统,二进制移幅键控(2ASK)(续) 2ASK实现方案： (a)采用乘法器实现 (b)采用开关电路实现 通过该方式输出的 信号也称通断键控(OOK)信号。,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,7,第六章 数字调制解调系统,二进制移幅键控(2ASK)(续) 2ASK信号的功率谱 设基带信号 的功率谱为 2ASK信号 的功率谱为 则：,2010 Copyright,SCU
4、T DT&P Labs,8,二进制移幅键控(2ASK)(续) 2ASK信号的带宽 ASK信号是一种由基带信号 线性调制载波后产生的信号 信号频谱是基带信号频谱简单地搬移，带宽是原基带信号的 两倍。,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,9,第六章 数字调制解调系统,二进制移幅键控(2ASK)(续) 2ASK信号的频带利用率 (1)对于具有理想的无码间串扰系统 (2)对于滚降系数为 的基带调制信号,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,10,第六章 数字调制解调系统,二进制移幅键控(2ASK)(续) 2ASK信号的频带利用率 (3)对于OOK信号，如果
5、只考虑信号的主瓣 (参见pptP7图),2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,11,第六章 数字调制解调系统,二进制移频键控(2FSK) 对于二元信号序列 ，一般地有： 相应地 2FSK信号的一般表示形式为 其中 为基带信号的码元波形。,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,12,第六章 数字调制解调系统,二进制移频键控(2FSK)(续) 若记 则有,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,13,第六章 数字调制解调系统,二进制移频键控(2FSK)(续) 2FSK实现方案： (a)采用变容二极管 模拟调频实现 (b)采用开关电路实
6、现 通过键控法实现,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,14,第六章 数字调制解调系统,二进制移频键控(2FSK)(续) 2FSK信号的功率谱 由式 2FSK信号看成是两个OOK振幅键控信号相叠加，其功率谱 是两信号 与 功率谱之和。,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,15,第六章 数字调制解调系统,二进制移频键控(2FSK)(续) 2FSK信号的频率与带宽选择分析 定义2FSK信号中两个不同频率信号 的相关系数为 其中 是码元的能量。,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,16,第六章 数字调制解调系统,因容易满足条件
7、所以，若要求满足正交条件 相当于要求： 因为 取值具有任意性，所以要求,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,17,第六章 数字调制解调系统,由 可以解出： 满足上式的最小整数k为1 在 任意取值的条件 下，满足s1和s2正交的 最小频率间隔为,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,18,第六章 数字调制解调系统,若满足条件 ，正交的条件 简化为 此时，满足s1和s2正交的最小频率间隔为 一般地，若记 2FSK信号的带宽为： 其中 B 是基带脉冲信号 的带宽。,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,19,第六章 数字调制解调系统
8、,二进制移频键控(2FSK)(续) 2FSK信号的频带利用率 2FSK信号的最高频带利用率(对应 的情形) 通常FSK信号在频带利用率方面没有优势，FSK调制适合应用在 的信噪比(SNR)的场合。,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,20,第六章 数字调制解调系统,二进制移相键控(2PSK) 设二元信号序列 其中 2PSK信号可表示为 若 为一非归零矩形脉冲，则2PSK信号为,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,21,第六章 数字调制解调系统,二进制移相键控(2PSK)(续) 2PSK信号的波形示意图 2PSK信号调制的实现方案,2010 Cop
9、yright,SCUT DT&P Labs,22,第六章 数字调制解调系统,二进制移相键控(2PSK)(续) 2PSK信号的功率谱 设双极性基带信号 的功率谱为： 则2PSK信号的功率谱为：,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,23,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,二进制移幅键控(2ASK)(续) 2PSK信号的频带利用率 若基带信号 的脉冲为矩形的非归零脉冲 若仅考虑信号频谱的主瓣，则2PSK带宽利用率为 与2ASK信号相同。2PSK信号可看作两个相位相反的OOK信号之 和。,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,24,第六章
10、 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,二进制差分移相键控(2DPSK) 差分移相键控的特点： 差分码可以克服解调时的相位模糊问题 可以采用较为简单的差分相干解调方案 2DPSK调制的实现方案,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,25,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,二进制移幅键控(2DPSK)(续) 2DPSK信号的功率谱 由 可知2DPSK信号与2PSK信号有相同的功率谱。 同理，2DPSK信号与2PSK信号有相同的带宽利用率。,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,26,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调
11、系统,6.3、二进制数字解调系统 二进制移幅键控(2ASK)信号的解调 (基于OOK方式的2ASK信号的解调) 主要的解调方式： (1)基于匹配滤波器的最佳解调 (2)相干解调 (3)非相干解调,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,27,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,(1)基于匹配滤波器的最佳解调方式 接收解调系统框图,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,28,第六章 数字调制解调系统,(1)基于匹配滤波器的最佳解调方式(续) OOK(2ASK)信号 的匹配滤波器只需考虑 s1(t) 其傅氏变换为,2010 Copyrigh
12、t,SCUT DT&P Labs,29,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,(1)基于匹配滤波器的最佳解调方式(续) OOK(2ASK)信号、匹配滤波器冲激响应，匹配滤波输出 信号波形示意图,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,30,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,OOK信号最佳接收的性能分析 （a）当发送s1(t)时，匹配滤波器输出 在tTb判决时刻，输出信噪比达到最大(参见上图),2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,31,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,OOK信号最佳接收的性能分析（续）
13、 其中 为发s1(t)时码元的能量。 为输出的噪声。噪声的均值为 (设nW(t)为高斯白噪声),2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,32,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,OOK信号最佳接收的性能分析（续） Z的方差 由此可得y(Tb)E1Z的高斯分布特性为,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,33,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,OOK信号最佳接收的性能分析(续) （b）当发送s2(t)时，以s2(t)=0代入可作同样的分析。 注意此时接收滤波器仍为滤波器 在tTb判决时刻，滤波器输出,2010 Copyr
14、ight,SCUT DT&P Labs,34,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,（b）（续） 同理可得 在tTb判决时刻，滤波器输出的高斯分布特性,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,35,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,分布特性的图示曲线，采用类似基带系统性能分析方法 若已知发s1和s2的先验概率P(s1)和P(s2),误码率 由先验等概条件可导出,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,36,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,（续前） 误码率 其中 为平均每发送1比特所需要的能量(比特能量)
15、。,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,37,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,(1-a) OOK信号最佳接收的相关解调器法 利用匹配滤器解调 等效于输入r(t)与s1(t)做相关运算，所以可用相关解调 器实现最佳接收。,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,38,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,(1-a) OOK信号最佳接收的相关解调器法 相关解调器的实现方案,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,39,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,(2) OOK信号的相干解调 相
16、干解调器的实现方案,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,40,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,(2) OOK信号的相干解调（续） 输入信号 假定本地能够准确地恢复载波信号： 与本地载波相乘后输出 经低通滤波输出,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,41,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解调系统,(2) OOK信号的相干解调（续） OOK信号的相干解调性能 若满足条件： 带通滤波器带宽为B 符号波形 为矩形脉冲，经滤波器后基本无串扰和失真 发“0”发“1”等概 则有： 其中：,2010 Copyright,SCUT DT&P Labs,42,第六章 数字调制解调系统,第六章 数字调制解
