通信原理---第七章-数字带通传输系统概要课件.ppt

通信原理第7章数字带通传输系统 1l概述n数字调制：把数字基带信号变换为数字带通信号 的过程n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n数字调制技术有两种方法：u利用模拟调制的方法去实现数字式调制；u通过开关键控载波，通常称为键控法u基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控2n正弦形载波 ：n n3种基本的键控方法：u振幅键控ASK u频移键控FSK u相移键控PSK TTT“1”“1”“0”“1”“1”“0”T3l7.1 二进制数字调制原理n7.1.1 二进制振幅键控(2ASK）u基本原理 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（2ASK）4p“通-断键控(OOK)”信号表达式 p波形101t0sT( )S t载波tt2ASK5二进制振幅键控信号可表示为1、2ASK信号的产生 载波信号： 数字基带信号：6 2ASK信号的波形随数字基带信号b(t)通-断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）7 二进制振幅键控信号调制器原理框图图(a)是采用模拟相乘的方法， 图(b)是采用数字键控的方法乘法器coswcte2ASK(t )(a)coswct开关电路b( t )e2ASK( t )(b)b( t )8 二进制振幅键控信号解调器原理框图 2、OOK信号的解调OOK信号可采用包络检波法和相干解调。

带通滤波器全波整流器低通滤波器抽样判决器输出abcd定时脉冲(a)Sook(t)相乘器coswct(b)带通滤波器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出包络检波Sook(t)S(t)y(t)9 2ASK信号相干解调过程的时间波形103、OOK信号的功率谱 已调信号功率谱是基带信号功率谱 被线性搬移到载波频率 位置上 二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍 11 2ASK信号的功率谱密度示意图 12p结论： 2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分 组成 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），则有即2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍 13n7.1.2 二进制频移键控（2FSK）u基本原理 p表达式：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 14 2FSK信号用不同频率f1和f2的正弦信号分别表示二进制1和0，波形如图所示15 2FSK信号的产生，可以采用模拟调频电路和数字键控的方法来实现 相位连续 相位不连续 Ke0(t) 模拟 调频器s(t) (a)s(t) f1载波e0(t)开关电路(b) f2载波16 相位连续的2FSK信号的波形172、2FSK的解调 2FSK信号的解调有非相干解调和相干解调。

原理是将2FSK信号分解为两路2ASK信号，通过对两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号包络检波法 18 2FSK包络检波法时间波形 19相干解调20 3、2FSK信号的功率谱密度 对相位不连续的2FSK信号，可以看成由两个载波频率为f1和f2的2ASK信号的叠加因此，相位不连续的2FSK信号的功率谱密度可以近似表示成两个不同载波的2ASK信号功率谱密度的叠加 21 相位不连续2FSK信号的功率谱示意图22结论：p 相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散 谱组成p 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；p 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23n7.1.3 二进制相移键控（2PSK） u2PSK信号的表达式：在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制 “1”和“0”式中，n表示第n个符号的绝对相位：因此，上式可以改写为24 二进制相位键控(2PSK)通常是用两个频率相同但相位相差 的载波信号来表示二进制数字1和0 2PSK信号可表示为双极性NRZ信号和载波的乘积： 25u2PSK信号的调制器原理方框图p模拟调制的方法 p键控法 26u2PSK信号的解调器原理方框图和波形图：273、 2PSK信号的功率谱密度 2PSK信号可表示为双极性NRZ基带信号与正弦载波相乘，因此2PSK信号的功率谱变化为 2PSK信号功率谱带宽是基带信号带宽的两倍。

当NRZ的1和0出现概率相等时，则不存在离散谱28 “0”和“1”等概率时2PSK信号的功率谱密度29l采用2PSK解调存在的问题：l 第一，存在 “倒”现象；l l 第二，信号波形长时间地为连续的正弦波形l时，会使接收端无法辨认码元的起止时刻 l 解决办法：l 采用差分相移键控(DPSK)体制 30 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”现象这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因317.1.4 差分移相键控 l1、差分移相键控的产生l 差分移相键控（DPSK）采用前后相邻码元的载l波相对相位变化来表示数字信息，先对基带信号进l行差分编码，再进行BPSK调制32p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： 33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。

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34u2DPSK信号的产生方法 先对二进制数字基带信号进行差分编码，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载波的相位遇到原数字信息“1”变化，遇到“0”则不变35p2DPSK信号调制器原理方框图36u2DPSK信号的相干解调原理：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 3738u2DPSK信号的差分相干解调法 p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p2DPSK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3940u功率谱密度 2DPSK可以与2PSK具有相同形式的表达式，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。

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417.2 噪声对二进制数字调制系统性能的影响 在数字通信系统中，信道的噪声会造成误码，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，可得出误码率与信噪比之间的数学关系 在数字调制系统中，假设信道特性是恒参信道，噪声为等效加性高斯白噪声 427.2.1 2ASK系统的抗噪声性能 2ASK信号可采用相干解调和包络检波进行解调下面将分别针对两种解调方法进行分析 1、相干解调 对2ASK系统，相干解调法的分析模型如图所示43发送“1”符号时的抽样值的概率密度函数f1(y)为发送“0”符号时的抽样值的概率密度函数f0(y)为44 抽样值 的一维概率密度函数45当1和0出现等概率时，门限可以设置为Vth =A/2，l此时有最低的错误概率：l其中 为信噪比 46 2、包络解调法 对2ASK系统，包络解调法的分析模型如图所示47 误码率Pe等于图中阴影的面积，其大小将随判决门限而变化当判决门限取两条曲线相交点Vth时，系统的误码率Pe最小48 当发送的1和0等概时，且判决门限取Vth= A/2时， 此时的误码率Pe 为最小： 其中 ，为解调器输入信噪比。

49 例 设某2ASK系统中码元传输速率为9600bit/s，发送“1”和“0”的概率相等已知接收端输入信号幅度A=1mV，高斯白噪声的双边功率谱密度 试求: (1) 相干解调法解调时系统总的误码率； (2) 包络检波法解调时系统总的误码率 50 解 2ASK信号带宽为 B=2RB=29600=19200 Hz 输出噪声平均功率为2n=2 B=2410-1319200=1.53610-8W信噪比为51 1、相干解调法解调时系统总的误码率为 2、 包络检波法解调时系统总的误码率为 52结论： 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537.2.2 2PSK系统的抗噪声性能 2PSK信号的解调通常都是采用相干解调方式， 其性能分析模型如图所示54 2PSK信号采用相干解调方式与2ASK信号采用相干解调方式分析方法类似在发送“1”和发送“0”概率相等时，最佳判决门限Vth=0此时，2PSK系统的总误码率Pe为5556u 2DPSK信号相干解调系统性能 原理是：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码序列，再通过码反变换器变换为绝对码序列，从而恢复出发送的二进制数字信息。

于是，2DPSK信号采用极性比较-码反变换法的系统误码率，只需在2PSK信号相干解调误码率公式基础上再考虑码反变换器对误码率的影响即可57 2DPSK信号采用相干解调加码反变换器方式时的系统误码率为当Pe 1时，式可近似为58u2DPSK信号差分相干解调系统性能p 2DPSK信号差分相干解调系统的总误码率为 59p例7.2.3 假设采用2DPSK方式在微波线路上传送二 进制数字信息已知码元速率RB = 106 B，信道中加 性高斯白噪声的单边功率谱密度n0 = 2 10-10 W/Hz 今要求误码率不大于10-4试求(1)采用差分相干解调时，接收机输入端所需的信号功率；(2)采用相干解调-码反变换时，接收机输入端所需的信号功率60p【解】(1)接收端带通滤波器的带宽为 其输出的噪声功率为 所以，2DPSK采用差分相干接收的误码率为求解可得又因为所以，接收机输入端所需的信号功率为61（2）对于相干解调-码反变换的2DPSK系统，根据题意有 ，即 即 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为 627.2.3 2FSK 系统的抗噪声性能 1、相干解调法 2FSK信号采用同步检测法性能分析模型如图所示。

63 当发送的1和0等概时，误码率Pe 为：642、 包络检波法的系统性能 2FSK信号也可以采用包络检波法解调，性能分析模型如图所示65 当发送的1和0等概时，误码率Pe 为：66p 例7.2.2 采用2FSK方式在等效带宽为2400Hz的传输信道上传输二进制数字2FSK信号的频率分别为f1 = 980 Hz，f2 = 1580 Hz，码元速率RB = 300 B接收端输入（即信道输出端）的信噪比为6dB试求：（1）2FSK信号的带宽；（2）包络检波法解调时系统的误码率；（3）同步检测法解调时系统的误码率67p【解】（1）根据式(7.1-22)，该2FSK信号的带宽为 （2）由于误码率取决于带通滤波器输出端的信噪比由于FSK接收系统中上、下支路带通滤波器的带宽近似为68它仅是信道等效带宽（2400Hz）的1。