
通信原理第版第7章樊昌信版课件.ppt
128页数字带通传输第7章樊昌信樊昌信 曹丽娜曹丽娜 编著编著通信原理(第通信原理(第7 7版版))1通信原理第版第7章樊昌信版二进制数字调制/解调原理2ASK 2FSK 2PSK/2DPSK 二进制数字调制系统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原理和特点本章内容:第7章数字调制 2通信原理第版第7章樊昌信版u数字调制:用数字基带信号控制载波某个参数的过程u数字带通传输系统:包括调制/解调过程的数字传输系统 振幅键控 频移键控 相移键控q模拟调制法模拟调制法 q数字键控法数字键控法q二进制二进制和多进制调制q基本调制基本调制和新型调制方法分类分类Amplitude Shift Keying Frequency Shift Keying Phase Shift Keying ASK PSK FSK 概述3通信原理第版第7章樊昌信版 二进制数字调制原理§ §7.17.14通信原理第版第7章樊昌信版 1 0 1 101s(t)载波2ASKtn表达式: 2ASK 也称 OOKttn原理:n波形:单极性单极性Tss(t)载波幅度§7.1.1 二进制振幅键控(2ASK)5通信原理第版第7章樊昌信版n n2ASK2ASK产生产生u模拟调制法u键控法6通信原理第版第7章樊昌信版n 2ASK 解调u 包络检波法u 相干解调法7通信原理第版第7章樊昌信版u 包络检波法的各点波形相呼应8通信原理第版第7章樊昌信版n原理:n波形:n表达式:s(t)载波频率载波频率§7.1.2 二进制频移键控(2FSK)9通信原理第版第7章樊昌信版式中式中 g(t) -- 单个矩形脉冲,个矩形脉冲, Ts -- 脉冲持脉冲持续时间;; n和和 n分分别是第是第n个信号个信号码元(元(1或或0)的初始相位,通常可令其)的初始相位,通常可令其为零。
因零因此,此,2FSK信号的表达式可信号的表达式可简化化为 10通信原理第版第7章樊昌信版u模拟调频法:相邻码元之间的相位是连续变化的u键控法:相邻码元之间的相位不一定连续n n 2FSK2FSK 产生产生 特点特点:转换速度快、电路简单、 产生的波形好、频率稳定度高11通信原理第版第7章樊昌信版u 包络检波法n n 2FSK2FSK解调解调 0101s1s212通信原理第版第7章樊昌信版其他解调方法:鉴频法、差分检测法、过零检测法等鉴频法、差分检测法、过零检测法等u 相干解调法13通信原理第版第7章樊昌信版u 过零检测法14通信原理第版第7章樊昌信版n FSK应用:应用:15通信原理第版第7章樊昌信版n原理:n波形:n表达式:双极性双极性s(t)载波相位§7.1.3 二进制相移键控(2PSK)16通信原理第版第7章樊昌信版n n 2PSK2PSK产生产生 u键控法n n 2PSK2PSK解调解调 u模拟调制法17通信原理第版第7章樊昌信版2PSK 解调原理框图和各点波形:2PSK存在问题存在问题::解决方案解决方案::DPSK Differential PSK 载波相位模糊倒π现象(反相工作)18通信原理第版第7章樊昌信版 利用前后相邻码元的载波相对相位表示信息。
n矢量图:B方式 A方式 基准 ——2PSK前一 ——2DPSKn原理:§7.1.4 二进制差分相移键控(2DPSK)19通信原理第版第7章樊昌信版n 波形:示例:n 差分编码规则:⊕为模2加bn-1为 bn的前一码元 最初bn-1可任意设定20通信原理第版第7章樊昌信版n 2DPSK 产生u构思n2DPSK 解调u模型(差分编码)21通信原理第版第7章樊昌信版(1)2DPSK 相干解调+码反变换法相位相位模糊模糊消除消除影响影响22通信原理第版第7章樊昌信版(2) 2DPSK 差分相干解调(相位比较)法相乘器相乘器起着起着相位比较的作用相位比较的作用23通信原理第版第7章樊昌信版n 分析目的:B 和 fcn 分析方法:借助于基带信号的功率谱Power Spectral Density§7.1.5 二进制数字已调信号的功率谱(PSD)24通信原理第版第7章樊昌信版设 Ps (f) —— s(t) 的PSD P2ASK (f) —— 2ASK信号的PSD则12ASK信号的功率谱密度信号的功率谱密度可见, P2ASK (f) 是Ps (f)的线性搬移(属线性调制)。
单极性单极性25通信原理第版第7章樊昌信版基带带宽基带带宽26通信原理第版第7章樊昌信版fB = 1/TB=RB27通信原理第版第7章樊昌信版 Ø2PSK信号的频谱与2ASK的十分相似;Ø带宽也是基带信号带宽的两倍:Ø区别仅在于当P=1/2时,谱中无离散谱(即载波分量)2 2PSK/2DPSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度双极性双极性28通信原理第版第7章樊昌信版32FSK信号的功率谱密度的功率谱密度29通信原理第版第7章樊昌信版Ø连续谱形状随着两个载频之差的大小而变化Ø 谱零点带宽:30通信原理第版第7章樊昌信版 二进制数字调制系统抗噪声性能§ §7.27.231通信原理第版第7章樊昌信版概述n性能指标性能指标:系统的误码率 Pen n分析方法分析方法分析方法分析方法:借用数字基带系统的方法和结论 n分析条件分析条件:恒参信道(传输系数取为 K ) 信道噪声是加性高斯白噪声n背景知识背景知识: 窄带噪声 正弦波+窄带噪声32通信原理第版第7章樊昌信版a = kA§7.2.1 2ASK系统的抗噪声性能n 2ASK------相干解调33通信原理第版第7章樊昌信版34通信原理第版第7章樊昌信版(均值a或0,方差 n2),一维概率密度函数:nc(t)是高斯过程 (0, n2))抽样抽样:x ~高斯发送“1”时发送“0”时35通信原理第版第7章樊昌信版设判决门限为设判决门限为 b b,则判决规则为:,则判决规则为:b 咦?好像与单极性基带系统 的情况类似!西安电子科技大学西安电子科技大学 36通信原理第版第7章樊昌信版因此,借助单极性基带系统的分析结果:=单极性基带信号+高斯噪声可方便地得到2ASK-相干相干系统的分析结果:借用借用:37通信原理第版第7章樊昌信版2ASK信号相干解调时系统的总误码率为r >>1时时解调器输入端信噪比 38通信原理第版第7章樊昌信版n 2ASK------包络检波~ ~正弦波+窄带高斯噪声~ ~窄带高斯噪声包络检波器 整流---低通39通信原理第版第7章樊昌信版l当发送“1”符号时,包络检波器的输出为 l当发送“0”符号时,包络检波器的输出为 ~ 广义瑞利分布~ 瑞利分布式中,n2为窄带高斯噪声n(t)的方差。
40通信原理第版第7章樊昌信版设判决门限为设判决门限为b b ,判决规则为:,判决规则为:l 发“1”错判为“0”的概率为利用Marcum Q函数:41通信原理第版第7章樊昌信版 r = a2 / 2 n2 信号噪声功率比 b0 =b / n 归一化门限值则 P(0/1) 可借助Marcum Q函数表示为l 发“0”错判为“1”的概率为42通信原理第版第7章樊昌信版l 系统的总误码率为当 P(1) = P(0) 时,有包检系统的包检系统的Pe取决于信噪比取决于信噪比r 和归一化门限值和归一化门限值b043通信原理第版第7章樊昌信版•求最佳判决门限,令: 当P(1)=P(0)时,有最佳判决门限: : 归一化最佳判决门限: : 44通信原理第版第7章樊昌信版l实际情况实际情况 ——系统工作在大信噪比情况下,∴最佳门限应取: 此时,系统的总误码率为:当 r 时,上式的下界为:45通信原理第版第7章樊昌信版归纳归纳46通信原理第版第7章樊昌信版接收端带通滤波器带宽为: 带通滤波器输出噪声平均功率为:信噪比为:解解例例47通信原理第版第7章樊昌信版(1) 同步检测法解调时系统的误码率为 (2) 包络检波法解调时系统的误码率为 评注评注48通信原理第版第7章樊昌信版§7.2.2 2FSK系统的抗噪声性能n 相干解调49通信原理第版第7章樊昌信版n1(t)和n2(t)是ni(t)经过上、下带通滤波器的输出噪声—窄带高斯噪声均值同为0方差同为 n2只是中心频率 不同而已发“1 1”时:50通信原理第版第7章樊昌信版 经过相干解调后,送入抽样判决器的两路波形分别为: 上支路 下支路 式中,n1c(t) 和 n2c(t) 均为低通型高斯噪声,( 0, n2 )51通信原理第版第7章樊昌信版l 发 “1” 错判为“0”的概率为判决规则52通信原理第版第7章樊昌信版r >>1时时l 发 “0” 错判为 “1” 的概率 l 2FSK-相干解调相干解调系统的总误码率为西安电子科技大学西安电子科技大学 53通信原理第版第7章樊昌信版包络 检波器包络包络检波器检波器发 “1” 符号(对应1)时:n 2FSK------包络检波54通信原理第版第7章樊昌信版~ ~ 广义瑞利分布~ ~ 瑞利分布一维概率密度函数分别为:上支路下支路判决规则55通信原理第版第7章樊昌信版l 发“1” 错判为“0”的概率为56通信原理第版第7章樊昌信版根据MarcumQ函数的性质:可得:可得:令令代入上式,简化为:57通信原理第版第7章樊昌信版对比:2FSK -相干解调相干解调系统的总误码率因此,2FSK- 包络检波包络检波系统的总误码率为r >>1l 发“0” 错判为“1”的概率为58通信原理第版第7章樊昌信版(2)上、下支路带通滤波器(BPF)的带宽近似为:解解例例59通信原理第版第7章樊昌信版(3) 同步解调同步解调时系统的误码率: ∵∵信道输出端信噪比为 6dB(即4),∴∴带通滤波器输出端(解调器输入端)的信噪比为:因此,包络检波包络检波时系统的误码率:60通信原理第版第7章樊昌信版在任意一个TB内, 2PSK 和2DPSK都可表示为:2PSK 信号信号2DPSK 信号信号原始数字信息原始数字信息((绝对码绝对码))相对码相对码§7.2.3 2PSK/2DPSK系统的抗噪声性能61通信原理第版第7章樊昌信版 12PSK相干解调系统相干解调系统 62通信原理第版第7章樊昌信版因此,x(t)的一维概率密度函数为:高斯噪声( 0,, n2 )高斯噪声( a, n2 )63通信原理第版第7章樊昌信版与双极性基带系统 的情况类似=双极性基带信号+高斯噪声可见可见64通信原理第版第7章樊昌信版因此,借助双极性基带系统的分析结果:可方便地得到2PSK-相干相干系统的分析结果:65通信原理第版第7章樊昌信版2PSK信号相干解调系统的总误码率:r >>1时时解调器输入端信噪比 66通信原理第版第7章樊昌信版f点:绝对码序列。
只需在Pe2PSK基础上考虑码反变换器 对误码率的影响即可e点:相对码相对码序列由2PSK误码率公式来确定:67通信原理第版第7章樊昌信版(无误码) (bn错错1个个码码) (bn连错连错2个个码码) ( bn连错连错n 个个码码) an 总是错 2个码反变换器码反变换器对误码的影响:对误码的影响:an 错 2个68通信原理第版第7章樊昌信版在大信噪比(r >>1)时,Pe<<1,因此: 条件:条件:假设每个 相对码出错概率相等 且统计独立 2DPSK相干相干+ +码反变换系统码反变换系统的误码率:式中: 69通信原理第版第7章樊昌信版32DPSK差分相干解调差分相干解调(相位比较) 两者独立70通信原理第版第7章樊昌信版则低通滤波器的输出为:经抽样后的样值为:x>0,判为“1”——正确x 0,判为“0”——错误判决判决71通信原理第版第7章樊昌信版•发“1”错判为“0”的概率为:利用恒等式令上式中则,,72通信原理第版第7章樊昌信版R12R22令令简简 化化 为为73通信原理第版第7章樊昌信版由随机信号理论可知:R1的一维分布服从广义瑞利分布, R2的一维分布服从瑞利分布,其概率密度函数分别为:将以上两式代入:可得:74通信原理第版第7章樊昌信版•2DPSK -差分相干解调系统的总误码率为:l 发“0”错判为“1”的概率为:75通信原理第版第7章樊昌信版 (1) 接收端带通滤波器的带宽为:输出噪声功率: 可得:由解解例例76通信原理第版第7章樊昌信版因此,接收机输入端所需的信号功率为:(2)相干解调-码反变换的2DPSK系统:即有:查误差函数表,可得由 r = a2 / 2n2可得接收机输入端所需的信号功率: 77通信原理第版第7章樊昌信版配套教材: 曹丽娜 樊昌信 编著 国防工业出版社 ØØ整理知识整理知识整理知识整理知识 归纳结论归纳结论归纳结论归纳结论ØØ梳理关系梳理关系梳理关系梳理关系 引导主线引导主线引导主线引导主线ØØ剖析难点剖析难点剖析难点剖析难点 解惑疑点解惑疑点解惑疑点解惑疑点ØØ强化重点强化重点强化重点强化重点 点击考点点击考点点击考点点击考点 78通信原理第版第7章樊昌信版§ §7.37.3 二进制数字调制系统性能比较79通信原理第版第7章樊昌信版1误码率——可靠性80通信原理第版第7章樊昌信版讨论讨论2PSK、、2DPSK、、2FSK、、2ASK81通信原理第版第7章樊昌信版讨论讨论2PSK、、2DPSK、、2FSK、、2ASK82通信原理第版第7章樊昌信版讨论讨论2PSK、、2DPSK、、2FSK、、2ASK83通信原理第版第7章樊昌信版讨论讨论2PSK、、2DPSK、、2FSK、、2ASKl 大信噪比大信噪比( (r r >>1>>1) )时时, , 两者性能相差不大。
两者性能相差不大84通信原理第版第7章樊昌信版lB2FSK不仅与基带信号带宽有关,且与两个载频之差有关l设基带信号的谱零点带宽为RB=1/TS,则有:l在RB一定时一定时,2FSK的频带利用率最低,有效性最差2频带带宽——有效性85通信原理第版第7章樊昌信版2ASK::2PSK::2FSK::3对信道特性变化的敏感性86通信原理第版第7章樊昌信版 通常,非相干方式 比 相干方式简单 这是因为相干解调需要提取相干载波, 故设备相对复杂些,成本也略高4设备的复杂度综述综述87通信原理第版第7章樊昌信版配套教材: 曹丽娜 樊昌信 编著 国防工业出版社 ØØ整理知识整理知识整理知识整理知识 归纳结论归纳结论归纳结论归纳结论ØØ梳理关系梳理关系梳理关系梳理关系 引导主线引导主线引导主线引导主线ØØ剖析难点剖析难点剖析难点剖析难点 解惑疑点解惑疑点解惑疑点解惑疑点ØØ强化重点强化重点强化重点强化重点 点击考点点击考点点击考点点击考点 88通信原理第版第7章樊昌信版多进制数字调制系统§ §7.47.489通信原理第版第7章樊昌信版 引言二进制进制::每个码元只携带每个码元只携带1bit信息信息Mlog 2M西安电子科技大学西安电子科技大学 通院通院 90通信原理第版第7章樊昌信版91通信原理第版第7章樊昌信版n MASK可看成是二进制振幅键控(可看成是二进制振幅键控(2ASK)的推广。
的推广且有且有§7.4.1 多进制振幅键控(MASK)n 4ASK信号振幅有信号振幅有4种取值,每个码元含种取值,每个码元含2bit92通信原理第版第7章樊昌信版n MASK调制调制: 与与2ASK的产生方法相似,区别在于的产生方法相似,区别在于: :发送端输入的发送端输入的二二二二进制数字基带信号需要先经过电平变进制数字基带信号需要先经过电平变换器转换为换器转换为M电平的基带脉冲,然后再去调制电平的基带脉冲,然后再去调制n MASK解调解调:与与2ASK信号解调也相似,有相干和非相干解调两种信号解调也相似,有相干和非相干解调两种93通信原理第版第7章樊昌信版•MASK信号的功率谱 与 2ASK信号具有相似的形式;•谱零点带宽是 M 进制数字基带信号带宽的两倍•在 Rb相同时,MASK信号带宽是 2ASK的 1 / log2M 倍 llMASKMASK的抗噪声能力差,的抗噪声能力差,的抗噪声能力差,的抗噪声能力差,ll 常用多进制正交振幅调制(常用多进制正交振幅调制(常用多进制正交振幅调制(常用多进制正交振幅调制(MQAMMQAM)来代替94通信原理第版第7章樊昌信版n MFSK可视为可视为2FSK方式的推广。
方式的推广n 4FSK采用采用 4种种不同的不同的频率频率分别表示分别表示双比特双比特信息:信息:§7.4.2 多进制频移键控(MFSK)95通信原理第版第7章樊昌信版n MFSK调制与解调的原理框图:调制与解调的原理框图:96通信原理第版第7章樊昌信版l要要求求载载频频之之间间的的距距离离足足够够大大,,以以便便用用滤滤波波器器分分离不同频率的谱离不同频率的谱lMFSK信号占用较宽的频带,信道频带利用率不高信号占用较宽的频带,信道频带利用率不高lMFSK一般用于一般用于 调制速率调制速率(1/TB) 不高的不高的衰落信道衰落信道 传输传输场合97通信原理第版第7章樊昌信版n 利用载波的利用载波的M种种不同不同相位相位表示数字信息表示数字信息n 信号矢量图(星座图):信号矢量图(星座图):§7.4.3 多进制相移键控(MPSK)1 基本概念98通信原理第版第7章樊昌信版99通信原理第版第7章樊昌信版2 4PSK 调制lQPSK的每一种载波相位代表两个比特的每一种载波相位代表两个比特::((00、、01、、10或或11))l两个比特的组合两个比特的组合称做称做双比特双比特 码元,记为码元,记为ab100通信原理第版第7章樊昌信版1 1 1 1)双比特与载波相位的关系)双比特与载波相位的关系)双比特与载波相位的关系)双比特与载波相位的关系nn 矢量图矢量图 注:注:注:注:对应关系可有不同对应关系可有不同对应关系可有不同对应关系可有不同规定,但相邻码组应符规定,但相邻码组应符规定,但相邻码组应符规定,但相邻码组应符合合合合格雷码格雷码格雷码格雷码编码规则编码规则编码规则编码规则101通信原理第版第7章樊昌信版nn 波形波形 102通信原理第版第7章樊昌信版n正交调相法2 2)))) QPSKQPSK调制调制103通信原理第版第7章樊昌信版 根据当时的双比特根据当时的双比特ab,,选相电路从候选的选相电路从候选的4 4个个相位中选择相应相位的载波输出。
相位中选择相应相位的载波输出n相位选择法abB方式方式原理:原理:104通信原理第版第7章樊昌信版n 解决方案解决方案:采用四相相对相位调制,即QDPSKn 存在问题存在问题:存在900的相位模糊(0, 90, 180, 270) n 原理原理:分解为两路2PSK信号的相干解调3 QPSK 解调105通信原理第版第7章樊昌信版l跳变周期跳变周期 2Tbl带宽带宽 B = Rbnn QPSKQPSK 特点:特点:特点:特点: l相位跳变:相位跳变:0°, ± 90°, ± 180° 106通信原理第版第7章樊昌信版l最大相位跳变最大相位跳变180°,,使使限带限带的的QPSK信号包络起伏信号包络起伏很大,并出现包络零点很大,并出现包络零点l频谱扩展大,旁瓣对邻道干扰大频谱扩展大,旁瓣对邻道干扰大nn QPSKQPSK 缺点:缺点:缺点:缺点: 107通信原理第版第7章樊昌信版nn 改进改进改进改进思路:思路:思路:思路: QPSK相位路径相位路径 最大相位跳变最大相位跳变 180°108通信原理第版第7章樊昌信版nn 改进改进改进改进思路:思路:思路:思路: 信号点信号点不作不作对角角线移移动即双比特即双比特ab不不同同时跳跳变109通信原理第版第7章樊昌信版nn 改进改进改进改进思路:思路:思路:思路: 信号点信号点不作不作对角角线移移动即双比特即双比特ab不不同同时跳跳变OOQPSKQPSK相位路径相位路径相位路径相位路径 相位跳变相位跳变 0或或± 90°4 OQPSK (偏置或交错QPSK,,OffsetQPSK)nn 如何实现?如何实现?如何实现?如何实现? 见下图见下图110通信原理第版第7章樊昌信版OQPSK111通信原理第版第7章樊昌信版nn 限带限带限带限带QPSKQPSK 与与 限带限带限带限带OOQPSKQPSK 对比:对比:对比:对比: u最大相位跳变最大相位跳变180°——包络起伏包络起伏大大——频谱扩展频谱扩展大大u相位跳变周期相位跳变周期2Tbu最大相位跳变最大相位跳变90°——包络起伏包络起伏小小——频谱扩展频谱扩展小小u相位跳变周期相位跳变周期Tb影响影响影响影响主瓣主瓣主瓣主瓣带宽带宽带宽带宽112通信原理第版第7章樊昌信版•由两个相差/4的QPSK星座图交替产生: A方式: 0°,± 90°,180° B方式: ± 45°, ± 135°5 /4 - QPSK nn 原理和特点原理和特点原理和特点原理和特点:::: 113通信原理第版第7章樊昌信版n 4-QPSK优势:优势:114通信原理第版第7章樊昌信版l 原理与原理与 2DPSK 类似:利用相邻码元载波的相对相位类似:利用相邻码元载波的相对相位 变化变化 表示表示 数字信息。
数字信息l QDPSK与与QPSK的关系,如同的关系,如同2DPSK与与2PSK关系关系l 4DPSK 也称也称 QDPSK§7.4.4 多进制差分相移键控(MDPSK )1 基本原理l QDPSK的矢量图与的矢量图与QPSK的矢量图相似的矢量图相似 ——只是参考相位只是参考相位 是前一码元的载波相位是前一码元的载波相位115通信原理第版第7章樊昌信版nn 矢量图矢量图 前一码元载波相位 116通信原理第版第7章樊昌信版nn 波形波形 117通信原理第版第7章樊昌信版l也有正交正交调相法相法 和 相位相位选择法法差分编码将绝对码绝对码 ab ⇨相对码相对码 cd 码变换+绝对调相 原理图B B方式方式方式方式l 仅需在需在QPSK调制器基制器基础上增添上增添差分差分编码((码变换))2 QDPSK调制118通信原理第版第7章樊昌信版c cd da ab bQDPSKB方式方式n 相干解调(相干解调(极性比较))+码反变换将相对码相对码 cd ⇨绝对码绝对码 ab差分译码3 QDPSK解调119通信原理第版第7章樊昌信版Bn 差分相干解调(差分相干解调(相位比较法))120通信原理第版第7章樊昌信版多进制数字调制系统的抗噪声性能§ §7.57.5121通信原理第版第7章樊昌信版 回回回回顾顾:二:二:二:二进进制制制制调调制系制系制系制系统统的抗噪声性能的抗噪声性能的抗噪声性能的抗噪声性能122通信原理第版第7章樊昌信版nn 抑制载波抑制载波MASKMASK- -相干解调相干解调系统的误码率系统的误码率: :M = 2时时:Per (dB)输入信噪功率比输入信噪功率比 - 噪声功率噪声功率Ps - 信号码元功率信号码元功率- 解调器解调器123通信原理第版第7章樊昌信版nn MFSKMFSK––非相干解调非相干解调系统的误码率系统的误码率: :(a) 非相干解调rbPe——每比特的信噪功率比每比特的信噪功率比124通信原理第版第7章樊昌信版nn MFSKMFSK––相干解调相干解调系统的误码率系统的误码率: :(b) 相干解调Perb比较比较相干相干和和非相干非相干解调解调 的的误码率,当误码率,当 log2M > 7时,时,误码率的上界都可表示为:误码率的上界都可表示为:125通信原理第版第7章樊昌信版nnMPSK(MMPSK(M≥≥4)4)相干解调相干解调系统的误码率系统的误码率: :nnMMDDPSK(MPSK(M≥≥4)4)相干解调相干解调系统的误码率系统的误码率: :OQPSK的抗噪声性能和QPSK完全一样。
126通信原理第版第7章樊昌信版Perb (dB)Perb(dB)l lMDPSKMDPSK系统的误码率系统的误码率l lMPSKMPSK系统的误码率系统的误码率127通信原理第版第7章樊昌信版此课件下载可自行编辑修改,供参考!感谢您的支持,我们努力做得更好!128通信原理第版第7章樊昌信版。
