1、1,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),概述 數字調制：把數字基帶信號變換為數字帶通信號（已調信號）的過程。 數字帶通傳輸系統(tǒng)：通常把包括調制和解調過程的數字傳輸系統(tǒng)。 數字調制技術有兩種方法： 利用模擬調制的方法去實現數字式調制； 通過開關鍵控載波，通常稱為鍵控法。 基本鍵控方式：振幅鍵控、頻移鍵控、相移鍵控 數字調制可分為二進制調制和多進制調制。,2,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),7.1 二進制數字調制原理 7.1.1 二進制振幅鍵控(2ASK） 基本原理： “通-斷鍵控(OOK)”信號表達式 波形,3,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2ASK信號的一般表達式 其中 Ts 碼元持續(xù)時間； g(t) 持續(xù)時間為Ts的

2、基帶脈沖波形，通常假設是高 度為1，寬度等于Ts的矩形脈沖； an 第N個符號的電平取值，若取 則相應的2ASK信號就是OOK信號。,4,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2ASK信號產生方法 模擬調制法（相乘器法） 鍵控法,5,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2ASK信號解調方法 非相干解調(包絡檢波法) 相干解調(同步檢測法),6,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),非相干解調過程的時間波形,7,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),功率譜密度 2ASK信號可以表示成 設二進制基帶信號s(t)的功率譜密度為：,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),8,9,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2ASK信號的功率譜密度示意圖,二進制振幅鍵控信號的功率譜密度由離散

3、二進制振幅鍵控信號二進制振幅2ASK的功率譜密度由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成,離散譜由載波分量確定，連續(xù)譜由基帶信號波形g(t)確定,10,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),7.1.2 二進制頻移鍵控（2FSK） 基本原理 表達式：在2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化。故其表達式為,11,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),典型波形： 由圖可見，2FSK 信號的波形(a)可以分解為波形(b)和波形（c），也就是說，一個2FSK信號可以看成是兩個不同載頻的2ASK信號的疊加。因此，2FSK信號的時域表達式又可寫成,12,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),式中 g(t) 單個矩形脈沖， Ts 脈沖持

4、續(xù)時間； 2FSK信號的表達式可簡化為,13,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2FSK信號的解調方法 非相干解調,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),14,2FSK非相干解調過程的時間波形,15,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),相干解調,16,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),其他解調方法：比如鑒頻法、差分檢測法、過零檢測法等。下圖給出了過零檢測法的原理方框圖及各點時間波形。,17,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),功率譜密度 對相位不連續(xù)的2FSK信號，可以看成由兩個不同載頻的2ASK信號的疊加，它可以表示為 其中，s1(t)和s2(t)為兩路二進制基帶信號。 據2ASK信號功率譜密度的表示式，不難寫出這種2FSK信號的功率譜密度的表示式

5、：,令概率P=1/2，則有:,18,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),其曲線如下：,19,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),由上圖可以看出： 相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜組成。其中，連續(xù)譜由兩個中心位于f1和f2處的雙邊譜疊加而成，離散譜位于兩個載頻f1和f2處； 連續(xù)譜的形狀隨著兩個載頻之差的大小而變化，若| f1 f2 | fs ，則出現雙峰； 若以功率譜第一個零點之間的頻率間隔計算2FSK信號的帶寬，則其帶寬近似為 其中，fs = 1/Ts為基帶信號的帶寬。圖中的fc為兩個載頻的中心頻率。,20,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),7.1.3 二進制相移鍵控（2PSK） 2PSK信號的表達式： 在2P

6、SK中，通常用初始相位0和分別表示二進制“1”和“0”。因此，2PSK信號的時域表達式為 式中，n表示第n個符號的絕對相位： 因此，上式可以改寫為,21,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),典型波形,22,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),由于兩種碼元的波形相同，極性相反，故2PSK信號可以表述為一個雙極性全占空矩形脈沖序列與一個正弦載波的相乘： 式中 這里，g(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖，而an的統(tǒng)計特性為 即發(fā)送二進制符號“0”時（an取+1），e2PSK(t)取0相位；發(fā)送二進制符號“1”時（ an取 -1）， e2PSK(t)取相位。這種以載波的不同相位直接去表示相應二進制數字信號的調制方式，稱為二進制

7、絕對相移方式。,23,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2PSK信號的調制器原理方框圖 模擬調制的方法 鍵控法,24,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2PSK信號的相干解調原理方框圖和波形圖：,25,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng), 當恢復的相干載波產生180倒相時，解調出的數字基帶信號將與發(fā)送的數字基帶信號正好是相反，解調器輸出數字基帶信號全部出錯。 這種現象通常稱為“倒”現象。由于在2PSK信號的載波恢復過程中存在著180的相位模糊，所以2PSK信號的相干解調存在隨機的“倒”現象，從而使得2PSK方式在實際中很少采用。 ,26,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),功率譜密度 2PSK信號可表示為雙極性不歸零二進制基帶信號與正弦

8、載波相乘，則2PSK信號的功率譜為 應當注意，這里的Ps(f)是雙極性矩形脈沖序列的功率譜。,27,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),若P =1/2，并考慮到矩形脈沖的頻譜： 則2PSK信號的功率譜密度為,28,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),功率譜密度曲線 從以上分析可見，二進制相移鍵控信號的頻譜特性與2ASK的十分相似，帶寬也是基帶信號帶寬的兩倍。區(qū)別僅在于當P=1/2時，其譜中無離散譜（即載波分量）。,29,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),7.1.4 二進制差分相移鍵控（2DPSK） 2DPSK原理 為了解決2PSK信號解調過程的反向工作問題，提出了二進制差分相位鍵控(2DPSK）。)。 2DPSK是利用前后相鄰

9、碼元的載波相對相位變化傳遞數字信息，所以又稱相對相移鍵控。 假設為當前碼元與前一碼元的載波相位差，定義數字信息與 之間的關系為,30,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),相應的2DPSK信號的波形如下： 由此例可知，對于相同的基帶信號，由于初始相位不同，2DPSK信號的相位可以不同。即2DPSK信號的相位并不直接代表基帶信號，而前后碼元的相對相位才決定信息符號。,31,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2DPSK信號的產生方法 由上圖可見，先對二進制數字基帶信號進行差分編碼，即把表示數字信息序列的絕對碼變換成相對碼（差分碼），然后再根據相對碼進行絕對調相，從而產生二進制差分相移鍵控信號。 上圖中使用的是傳號差分碼，

10、即載波的相位遇到原數字信息“1”變化，遇到“0”則不變。,32,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2DPSK信號調制器原理方框圖 差分碼可取傳號差分碼或空號差分碼。其中，傳號差分碼的編碼規(guī)則為 式中，為模2加，bn-1為bn的前一碼元，最初的bn-1可任意設定。 上式的逆過程稱為差分譯碼（碼反變換），即,33,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2DPSK的相干解調器原理圖和各點波形,34,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2DPSK信號的差分相干解調(相位比較）法,35,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),由于差分相干解調方式在解調的同時完成了碼反變換作用，故解調器中不需要碼反變換器。另外，差分相干解調方式不需要專門的相干載波，因此是

11、一種非相干解調方法。 2DPSK系統(tǒng)是一種實用的數字調相系統(tǒng)，但其抗加性白噪聲性能比2PSK的要差。,36,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),功率譜密度 2DPSK信號和2PSK信號的功率譜密度是完全一樣的。信號帶寬為 與2ASK的相同，也是碼元速率的兩倍。,37,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),7.2 二進制數字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能 概述 通信系統(tǒng)的抗噪聲性能是指系統(tǒng)克服加性噪聲影響的能力。分析數字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能，也就是求系統(tǒng)在信道噪聲干擾下的總誤碼率。,對2ASK信號可采用包絡檢波法和同步檢測法進行解調。 1. 同步檢測法的系統(tǒng)性能 在一個碼元的時間間隔Ts內，發(fā)送端輸出的信號波形sT(t)為,其中,

12、7.2.1 2ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2ASK信號同步檢測法的系統(tǒng)性能分析模型,式中,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),設接收端帶通濾波器具有理想矩形傳輸特性，恰好使信號完整通過，則帶通濾波器的輸出波形y(t)為,n(t)為窄帶高斯噪聲，其均值為零，方差為2n。,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),設對第k個符號的抽樣時刻為kTs，則x(t)在kTs時刻的抽樣值x為,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),一維概率密度函數f (x)為,發(fā)送“1”,發(fā)送“0”,圖 7- 23 抽樣值x的一維概率密度函數,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),式中：,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),圖 7 24 同步檢測時誤碼率的幾何表示,總誤碼率

13、,當判決門限b取P(1)f1(x)與P(0)f0(x)兩條曲線相交點b*時，陰影的面積最小。即判決門限取為b*時，此時系統(tǒng)的誤碼率Pe最小。這個門限就稱為最佳判決門限。,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),當 ，大信噪比時,求最佳門限b*,當P(1)=P(0)=1/2時,則最小誤碼率為,式中 為信噪比,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2ASK信號包絡檢波法的系統(tǒng)抗噪聲性能,圖 7 25 包絡檢波法的系統(tǒng)性能分析模型,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),一維概率密度函數為,發(fā)送“1” (廣義瑞利),發(fā)送“0” (瑞利),在kTs時刻包絡檢波器輸出波形的抽樣值為,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),式中,Marcum Q函數,歸一化門限值,

14、信噪比,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),總誤碼率,與同步檢測法類似，在系統(tǒng)輸入信噪比一定的情況下，系統(tǒng)誤碼率將與歸一化門限值b0有關。,求最佳門限b*,P(1)=P(0),第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),當,最佳歸一化門限b0*,當,最佳歸一化門限b0*,在實際工作中，系統(tǒng)總是工作在大信噪比的情況下， 因此最佳歸一化判決門限應取 。,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),當r式， 上式的下界為,可以看出：在相同的信噪比條件下，同步檢測法的誤碼性能優(yōu)于包絡檢波法的性能；在大信噪比條件下，包絡檢波法的誤碼性能將接近同步檢測法的性能。另外，包絡檢波法存在門限效應， 同步檢測法無門限效應。,總誤碼率,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),【例】

15、設某2ASK系統(tǒng)中二進制碼元傳輸速率為9600波特，發(fā)送“1”符號和“0”符號的概率相等，接收端分別采用同步檢測法和包絡檢波法對該2ASK信號進行解調。已知接收端輸入信號幅度a=1mV，信道等效加性高斯白噪聲的雙邊功率譜密度 n0/2=410-13W/Hz。 試求: (1) 同步檢測法解調時系統(tǒng)總的誤碼率； (2) 包絡檢波法解調時系統(tǒng)總的誤碼率。 解：(1)對于2ASK信號，信號功率主要集中在其頻譜的主瓣。因此，接收端帶通濾波器帶寬可取2ASK信號頻譜的主瓣寬度，即,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),信噪比,因為信噪比r32.551，所以同步檢測法解調,濾波器帶寬,輸出噪聲平均功率,(2) 包絡檢波法

16、解調時系統(tǒng)總的誤碼率為,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),54,7.3 二進制數字調制系統(tǒng)的性能比較 誤碼率,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),由表 可以看出，從橫向來比較，對同一種數字調制信號，采用相干解調方式的誤碼率低于采用非相干解調方式的誤碼率。 若信噪比r一定，2PSK系統(tǒng)的誤碼率低于2FSK系統(tǒng)，2FSK系統(tǒng)的誤碼率低于2ASK系統(tǒng)。,55,56,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),7.4多進制數字調制原理 7.4.1 多進制振幅鍵控(MASK) 概述 優(yōu)點：MASK信號的帶寬和2ASK信號的帶寬相同，故單位頻帶的信息傳輸速率高，即頻帶利用率高。,57,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),舉例 基帶信號

17、是多進制單極性不歸零脈沖,58,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),基帶信號是多進制雙極性不歸零脈沖 二進制抑制載波雙邊帶信號就是2PSK信號。,59,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),7.4.2 多進制頻移鍵控(MFSK) 4FSK信號波形舉例,(b) 4FSK信號的取值,60,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),MFSK信號的帶寬： B = fM - f1 + f 式中 f1 最低載頻 fM 最高載頻 f 單個碼元的帶寬,61,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),7.4.3 多進制相移鍵控(MPSK) 表達式,62,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),2PSK,4PSK,8PSK,信號矢量圖,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),63,M越大，功率譜主瓣越窄，

18、 從而頻帶利用率越高。,M進值數字相位調制信號功率譜,64,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),正交相移鍵控(QPSK) 4PSK常稱為正交相移鍵控(QPSK)的產生與解調 QPSK信號的編碼規(guī)則,65,4PSK,信號矢量圖,66,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),QPSK調制 兩種產生方法: 正交調制產生方法,67,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),相位選擇法,68,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),QPSK解調 原理方框圖 用兩路正交的相干載波去解調，可以很容易地分離這兩路正交的2PSK信號。 相干解調后的兩路并行碼元a和b，經過并/串變換后，成為串行數據輸出。,69,第7章數字帶通傳輸系統(tǒng),偏置QPSK(OQPSK) QPSK體制的缺點：它的相鄰碼元最大相位差達到180，這在頻帶受限的系統(tǒng)中會引起信號包絡的很大起伏。 偏置QPSK的改進：為了減小此相位突變，將兩個正交分量的兩個比特a和b在時間上錯開半個碼元，使之不可能同時改變。這樣安排后相鄰碼元相位差的最大值僅為90（見下表），從而減小了信號振幅的起伏。 OQPSK和QPSK的唯一區(qū)別在于：對于QPS