通信原理第7版第7章PPT课件(樊昌信版).ppt

数字带通传输,第7章,樊昌信 曹丽娜 编著,通信原理（第7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,数字调制：用数字基带信号控制载波某个参数的过程。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,模拟调制法 数字键控法,二进制和多进制调制基本调制和新型调制,方法,分类,Amplitude Shift Keying,Frequency Shift Keying,Phase Shift Keying,ASK,PSK,FSK,概 述,二进制数字调制原理,7.1,1,0,1,1,0,1,s(t),载波,2ASK,t,表达式：,2ASK 也称 OOK,t,t,原理：,波形：,单极性,Ts,s(t)载波幅度,7.1.1 二进制振幅键控（2ASK）,2ASK 产生,模拟调制法,键控法,2ASK 解调,包络检波法,相干解调法,包络检波法的各点波形,相呼应,原理：波形：表达式：,s(t)载波频率,7.1.2 二进制频移键控（2FSK）,10,式中 g(t)单个矩形脉冲，Ts 脉冲持续时间；n和n分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位，通常可令其为零。因此，2FSK信号的表达式可简化为,模拟调频法：相邻码元之间的相位是连续变化的。键控法：相邻码元之间的相位不一定连续。,2FSK 产生,特点：转换速度快、电路简单、产生的波形好、频率稳定度高。,包络检波法,2FSK 解调,0,1,0,1,s1,s2,其他解调方法：鉴频法、差分检测法、过零检测法等。,相干解调法,过零检测法,FSK应用：,原理：波形：表达式：,双极性,s(t)载波相位,7.1.3 二进制相移键控（2PSK）,2PSK 产生,键控法,2PSK 解调,模拟调制法,2PSK 解调原理 框图 和 各点波形：,2PSK存在问题：,解决方案：DPSK,Differential PSK,载波相位模糊,倒现象(反相工作),利用前后相邻码元的载波相对相位表示信息。,矢量图:,B方式,A方式,基准 2PSK前一 2DPSK,原理：,7.1.4 二进制差分相移键控（2DPSK）,波形:,示例:,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,2DPSK 产生,构思,2DPSK 解调,模型,（差分编码）,（1）2DPSK 相干解调+码反变换法,相位模糊,消除影响,（2）2DPSK 差分相干解调(相位比较)法,相乘器 起着相位比较的作用,分析目的：B 和 fc,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),设 Ps(f)s(t)的PSD P2ASK(f)2ASK信号的PSD则,1 2ASK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,基带带宽,fB=1/TB=RB,2PSK信号的频谱与2ASK的十分相似；带宽也是基带信号带宽的两倍：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,双极性,3 2FSK信号的功率谱密度,连续谱形状随着两个载频之差的大小而变化,谱零点带宽：,二进制数字调制系统 抗噪声性能,7.2,概 述,性能指标：系统的误码率 Pe分析方法：借用数字基带系统的方法和结论 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背景知识：窄带噪声 正弦波+窄带噪声,a=kA,7.2.1 2ASK系统的抗噪声性能,2ASK-相干解调,（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：,x 高斯,发送“1”时,发送“0”时,设判决门限为 b，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,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-相干系统的分析结果：,借用：,2ASK信号相干解调时系统的总误码率为,r 1时,解调器输入端信噪比,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,当发送“1”符号时，包络检波器的输出为 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。,设判决门限为b，判决规则为：,发“1”错判为“0”的概率为,利用Marcum Q函数：,r=a2/2n2 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,发“0”错判为“1”的概率为,系统的总误码率为,当 P(1)=P(0)时，有,包检系统的Pe取决于信噪比r 和归一化门限值b0,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:,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：,归纳,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,(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,7.2.2 2FSK 系统的抗噪声性能,相干解调,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”时：,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),发“1”错判为“0”的概率为,判决规则,r 1时,发“0”错判为“1”的概率,2FSK-相干解调系统的总误码率为,西安电子科技大学,包络 检波器,包络 检波器,发“1”符号（对应1）时：,2FSK-包络检波,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,发“1”错判为“0”的概率为,根据MarcumQ函数的性质:,可得：,令,代入上式，简化为：,对比：2FSK-相干解调系统的总误码率,因此，2FSK-包络检波系统的总误码率为,r 1,发“0”错判为“1”的概率为,（2）上、下支路带通滤波器(BPF)的带宽近似为：,解,（3）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，包络检波时系统的误码率：,在任意一个TB内，2PSK 和2DPSK都可表示为：,2PSK 信号,2DPSK 信号,原始数字信息（绝对码）,相对码,7.2.3 2PSK/2DPSK系统的抗噪声性能,1 2PSK相干解调系统,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),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,因此，借助双极性基带系统的分析结果：,可方便地得到2PSK-相干系统的分析结果：,2PSK信号相干解调系统的总误码率：,r 1时,解调器输入端信噪比,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：相对码序列。由2PSK误码率公式来确定：,（无误码）,（bn错1个码）,（bn连错2个码）,（bn连错n 个码）,an 总是错 2个,码反变换器对误码的影响：,an 错 2个,在大信噪比（r 1）时，Pe1，因此：,条件：假设每个 相对码出错概率相等 且统计独立,2DPSK相干+码反变换系统的误码率：,式中：,3 2DPSK 差分相干解调(相位比较）,两者独立,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,发“1”错判为“0”的概率为：利用恒等式令上式中则,，,，,R12,R22,令,简 化 为,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：,2DPSK-差分相干解调系统的总误码率为：,发“0”错判为“1”的概率为：,(1)接收端带通滤波器的带宽为:输出噪声功率:,可得:,由,解,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：,配套辅导教材：,曹丽娜 樊昌信,编著,国防工业出版社,整理知识 归纳结论梳理关系 引导主线剖析难点 解惑疑点强化重点 点击考点,7.3,二进制数字调制系统 性能比较,1 误码率 可靠性,讨论,2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,讨论,2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,讨论,2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,讨论,2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,大信噪比(r 1)时,两者性能相差不大。,B2FSK不仅与基带信号带宽有关，且与两个载频之差有关。,设基带信号的谱零点带宽为RB=1/TS，则有：,在RB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,2ASK：,2PSK：,2FSK：,3 对信道特性变化的敏感性,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,配套辅导教材：,曹丽娜 樊昌信,编著,国防工业出版社,整理知识 归纳结论梳理关系 引导主线剖析难点 解惑疑点强化重点 点击考点,多进制 数字调制系统,7.4,引言,二进制：每个码元只携带 1 bit 信息,M,log 2M,西安电子科技大学 通院,MASK可看成是二进制振幅键控（2ASK）的推广。,且有,7.4.1 多进制振幅键控（MASK）,4ASK信号振幅有4种取值，每个码元含2bit。,MASK调制:,与2ASK的产生方法相似，区别在于:发送端输入的二进制数字基带信号需要先经过电平变换器转换为M电平的基带脉冲，然后再去调制。,MASK解调:,与2ASK信号解调也相似，有相干和非相干解调两种。,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。,MASK的抗噪声能力差，常用多进制正交振幅调制（MQAM）来代替。,MFSK可视为2FSK方式的推广。,4FSK采用 4种不同的频率分别表示双比特信息：,7.4.2 多进制频移键控（MFSK）,MFSK调制与解调的原理框图：,要求载频之间的距离足够大，以便用滤波器分离不同频率的谱。,MFSK信号占用较宽的频带，信道频带利用率不高。,MFSK一般用于 调制速率(1/TB)不高的衰落信道 传输场合。,利用载波的M种不同相位表示数字信息。,信号矢量图（星座图）：,7.4.3 多进制相移键控（MPSK）,1 基本概念,2 4PSK 调制,QPSK的每一种载波相位代表两个比特：（00、01、10 或 11）,两个比特的组合 称做 双比特 码元，记为 a b,1）双比特与载波相位的关系,矢量图,注：对应关系可有不同规定，但相邻码组应符合格雷码编码规则,波形,正交调相法,2）QPSK调制,根据当时的双比特ab，选相电路从候选的4个相位中选择相应相位的载波输出。,相位选择法,a,b,B方式,原理：,解决方案：采用四相相对相位调制，即QDPSK。,存在问题：存在900的相位模糊（0,90,180,270）,原理：分解为两路2PSK信号的相干解调。,3 QPSK 解调,跳变周期 2Tb带宽 B=Rb,QPSK 特点：,相位跳变：0,90,180,最大相位跳变180，使限带的QPSK信号包络起伏很大，并出现包络零点。频谱扩展大，旁瓣对邻道干扰大。,QPSK 缺点：,改进思路：,QPSK 相位路径,最大相位跳变 180,改进思路：,信号点不作对角线移动即双比特ab不同时跳变,改进思路：,信号点不作对角线移动即双比特ab不同时跳变,OQPSK 相位路径,相位跳变 0或 90,4 OQPSK(偏置或交错QPSK，Offset QPSK),如何实现？,OQPSK,限带QPSK 与 限带OQPSK 对比：,最大相位跳变180 包络起伏大 频谱扩展大相位跳变周期 2Tb,最大相位跳变90 包络起伏小 频谱扩展小相位跳变周期 Tb,影响主瓣带宽,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,原理和特点：,4-QPSK优势：,原理与 2DPSK 类似：利用相邻码元载波的相对相位 变化 表示 数字信息。,QDPSK与QPSK的关系，如同2DPSK与2PSK关系,4DPSK 也称 QDPSK,7.4.4 多进制差分相移键控（MDPSK）,1 基本原理,QDPSK的矢量图与QPSK的矢量图相似 只是参考相位 是前一码元的载波相位,矢量图,前一码元载波相位,波形,也有正交调相法 和 相位选择法,差分 编码,将绝对码 ab 相对码 cd,码变换+绝对调相 原理图,B方式,仅需在QPSK调制器基础上增添差分编码（码变换）,2 QDPSK调制,c,d,a,b,QDPSKB方式,相干解调（极性比较）+码反变换,将相对码 cd 绝对码 ab,差分 译码,3 QDPSK解调,B,差分相干解调（相位比较法）,多进制数字调制系统的抗噪声性能,7.5,回顾：二进制调制系统的抗噪声性能,抑制载波MASK-相干解调系统的误码率:,M=2时:,输入信噪功率比,-噪声功率,Ps-信号码元功率,-解调器,MFSK 非相干解调系统的误码率:,每比特的信噪功率比,MFSK 相干解调系统的误码率:,比较相干和非相干解调 的误码率，当 log2M 7时，误码率的上界都可表示为：,MPSK(M 4)相干解调系统的误码率:,MDPSK(M 4)相干解调系统的误码率:,OQPSK的抗噪声性能和QPSK完全一样。,MDPSK系统的误码率,MPSK系统的误码率,