通信原理课件第13-15节-第7章通信原理.ppt

1,通信原理,第7章数字带通传输系统,2,第7章数字带通传输系统,概述数字调制：把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。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。数字调制技术有两种方法：利用模拟调制的方法去实现数字式调制；通过开关键控载波，通常称为键控法。基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控数字调制可分为二进制调制和多进制调制。,振幅键控 频移键控 相移键控,3,第7章数字带通传输系统,7.1 二进制数字调制原理7.1.1 二进制振幅键控(2ASK）基本原理：“通-断键控(OOK)”信号表达式 波形,4,第7章数字带通传输系统,2ASK信号的一般表达式其中 Ts 码元持续时间；g(t)持续时间为Ts的基带脉冲波形，通常假设是高 度为1，宽度等于Ts的矩形脉冲；an 第N个符号的电平取值，若取则相应的2ASK信号就是OOK信号。,5,第7章数字带通传输系统,2ASK信号产生方法模拟调制法（相乘器法）键控法,6,第7章数字带通传输系统,2ASK信号解调方法 非相干解调(包络检波法)相干解调(同步检测法),7,第7章数字带通传输系统,非相干解调过程的时间波形,8,第7章数字带通传输系统,功率谱密度 2ASK信号可以表示成 式中 s(t)二进制单极性随机矩形脉冲序列设：Ps(f)s(t)的功率谱密度 P2ASK(f)2ASK信号的功率谱密度则由上式可得由上式可见，2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱Ps(f)的线性搬移（属线性调制）。知道了Ps(f)即可确定P2ASK(f)。,9,第7章数字带通传输系统,由节知，单极性的随机脉冲序列功率谱的一般表达式为式中 fs=1/Ts G(f)单个基带信号码元g(t)的频谱函数。对于全占空矩形脉冲序列，根据矩形波形g(t)的频谱特点，对于所有的m 0的整数，有，故上式可简化为将其代入得到,10,第7章数字带通传输系统,当概率P=1/2时，并考虑到则2ASK信号的功率谱密度为其曲线如下图所示。,11,第7章数字带通传输系统,2ASK信号的功率谱密度示意图,12,第7章数字带通传输系统,从以上分析及上图可以看出：2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成；连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量确定。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），则有式中 fs=1/Ts即，2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。,13,第7章数字带通传输系统,7.1.2 二进制频移键控（2FSK）基本原理 表达式：在2FSK中，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,第7章数字带通传输系统,典型波形：由图可见，2FSK 信号的波形(a)可以分解为波形(b)和波形（c），也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式又可写成,15,第7章数字带通传输系统,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,16,第7章数字带通传输系统,式中2FSK信号的产生方法 采用模拟调频电路来实现：信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。采用键控法来实现：相邻码元之间的相位不一定连续。,17,第7章数字带通传输系统,2FSK信号的解调方法非相干解调,18,第7章数字带通传输系统,相干解调,19,第7章数字带通传输系统,其他解调方法：比如鉴频法、差分检测法、过零检测法等。下图给出了过零检测法的原理方框图及各点时间波形。,20,第7章数字带通传输系统,功率谱密度对相位不连续的2FSK信号，可以看成由两个不同载频的2ASK信号的叠加，它可以表示为 其中，s1(t)和s2(t)为两路二进制基带信号。据2ASK信号功率谱密度的表示式，不难写出这种2FSK信号的功率谱密度的表示式：令概率P=，只需将2ASK信号频谱中的fc分别替换为f1和f2，然后代入上式，即可得到下式：,21,第7章数字带通传输系统,其曲线如下：,22,第7章数字带通传输系统,由上图可以看出：相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频f1和f2处；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；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，则其带宽近似为其中，fs=1/Ts为基带信号的带宽。图中的fc为两个载频的中心频率。,23,第7章数字带通传输系统,7.1.3 二进制相移键控（2PSK）2PSK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”。因此，2PSK信号的时域表达式为 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,第7章数字带通传输系统,由于两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘：式中这里，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特性为即发送二进制符号“0”时（an取+1），e2PSK(t)取0相位；发送二进制符号“1”时（an取-1），e2PSK(t)取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。,25,第7章数字带通传输系统,典型波形,26,第7章数字带通传输系统,2PSK信号的调制器原理方框图模拟调制的方法 键控法,27,第7章数字带通传输系统,2PSK信号的解调器原理方框图和波形图：,28,第7章数字带通传输系统,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（通常默认为0相位）。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”现象或“反相工作”。这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。为了解决上述问题，可以采用节中将要讨论的差分相移键控（DPSK）体制。,29,第7章数字带通传输系统,功率谱密度比较2ASK信号的表达式和2PSK信号的表达式：2ASK：2PSK：可知，两者的表示形式完全一样，区别仅在于基带信号s(t)不同（an不同），前者为单极性，后者为双极性。因此，我们可以直接引用2ASK信号功率谱密度的公式来表述2PSK信号的功率谱，即应当注意，这里的Ps(f)是双极性矩形脉冲序列的功率谱。,30,第7章数字带通传输系统,由节知，双极性的全占空矩形随机脉冲序列的功率谱密度为将其代入上式，得若P=1/2，并考虑到矩形脉冲的频谱：则2PSK信号的功率谱密度为,31,第7章数字带通传输系统,功率谱密度曲线从以上分析可见，二进制相移键控信号的频谱特性与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，其谱中无离散谱（即载波分量），此时2PSK信号实际上相当于抑制载波的双边带信号。因此，它可以看作是双极性基带信号作用下的调幅信号。,32,第7章数字带通传输系统,7.1.4 二进制差分相移键控（2DPSK）2DPSK原理2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。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,第7章数字带通传输系统,2DPSK信号的解调方法相干解调(极性比较法)加码反变换法原理：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。BPSK(Binary Phase Shift Keying)双相移相键控。,34,第7章数字带通传输系统,2DPSK的相干解调器原理图和各点波形,35,第7章数字带通传输系统,功率谱密度 从前面讨论的2DPSK信号的调制过程及其波形可以知道，2DPSK可以与2PSK具有相同形式的表达式。所不同的是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。,36,第7章数字带通传输系统,7.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能概述通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。在数字通信系统中，信道噪声有可能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。因此，与分析数字基带系统的抗噪声性能一样，分析数字调制系统的抗噪声性能，也就是求系统在信道噪声干扰下的总误码率。分析条件：假设信道特性是恒参信道，在信号的频带范围内具有理想矩形的传输特性(可取其传输系数为K)；信道噪声是加性高斯白噪声。并且认为噪声只对信号的接收带来影响，因而分析系统性能是在接收端进行的。,37,第7章数字带通传输系统,7.2.1 二进制振幅键控(2ASK)系统的抗噪声性能同步检测法的系统性能分析模型,38,第7章数字带通传输系统,计算：设在一个码元的持续时间Ts内，其发送端输出的信号波形可以表示为式中则在每一段时间(0,Ts)内，接收端的输入波形为式中，ui(t)为uT(t)经信道传输后的波形。,39,第7章数字带通传输系统,为简明起见，认为信号经过信道传输后只受到固定衰减，未产生失真（信道传输系数取为K)，令a=AK，则有而ni(t)是均值为0的加性高斯白噪声。假设接收端带通滤波器具有理想矩形传输特性，恰好使信号无失真通过，则带通滤波器的输出波形为式中，n(t)是高斯白噪声ni(t)经过带通滤波器的输出噪声。,40,第7章数字带通传输系统,由第3章随机信号分析可知，n(t)为窄带高斯噪声，其均值为0，方差为n2，且可表示为于是有y(t)与相干载波2cos ct相乘，然后由低通滤波器滤除高频分量，在抽样判决器输入端得到的波形为,41,第7章数字带通传输系统,式中，a为信号成分，由于nc(t)也是均值为0、方差为n2的高斯噪声，所以x(t)也是一个高斯随机过程，其均值分别为a（发“1”时）和0（发“0”时），方差等于n2。设对第k个符号的抽样时刻为kTs，则x(t)在kTs时刻的抽样值是一个高斯随机变量。因此，发送“1”时，x的一维概率密度函数为,42,第7章数字带通传输系统,发送“0”时，x的一维概率密度函数为f1(x)和f0(x)的曲线如下：若取判决门限为b，规定判决规则为x b时，判为“1”x b时，判为“0”,43,第7章数字带通传输系统,判决规则为：x b时，判为“1”x b时，判为“0”则当发送“1”时，错误接收为“0”的概率是抽样值x小于或等于b的概率，即式中同理，发送“0”时，错误接收为“1”的概率是抽样值x大于b的概率，即,44,第7章数字带通传输系统,设发“1”的概率P(1)为，发“0”的概率为P(0)，则同步检测时2ASK系统的总误码率为上式表明，当P(1)、P(0)及f1(x)、f0(x)一定时，系统的误码率Pe与判决门限b的选择密切相关。,45,第7章数字带通传输系统,最佳门限从曲线求解从阴影部分所示可见，误码率Pe等于图中阴影的面积。若改变判决门限b，阴影的面积将随之改变，即误码率Pe的大小将随判决门限b而变化。进一步分析可得，当判决门限b取P(1)f1(x)与P(0)f0(x)两条曲线相交点b*时，阴影的面积最小。即判决门限取为b*时，系统的误码率Pe最小。这个门限b*称为最佳判决门限。,46,第7章数字带通传输系统,从公式求解最佳判决门限也可通过求误码率Pe关于判决门限b的最小值的方法得到，令得到即 将f1(x)和f0(x)的公式代入上式，得到化简上式，整理后可得：此式就是所需的最佳判决门限。,47,第7章数字带通传输系统,若发送“1”和“0”的概率相等，则最佳判决门限为b*=a/2此时，2ASK信号采用相干解调（同步检测）时系统的误码率为式中为解调器输入端的信噪比。当r 1，即大信噪比时，上式可近似表示为,48,第7章数字带通传输系统,例7.2.1 设有一2ASK信号传输系统，其码元速率为RB=4.8 106波特，发“1”和发“0”的概率相等，接收端分别采用同步检测法和包络检波法解调。已知接收端输入信号的幅度a=1 mV，信道中加性高斯白噪声的单边功率谱密度n0=2 10-15 W/Hz。试求(1)同步检测法解调时系统的误码率。【解】(1)根据2ASK信号的频谱分析可知，2ASK信号所需的传输带宽近似为码元速率的两倍，所以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,49,第7章数字带通传输系统,于是，同步检测法解调时系统的误码率为,50,第7章数字带通传输系统,7.2.2 二进制频移键控(2FSK)系统的抗噪声性能同步检测法的系统性能分析模型,51,第7章数字带通传输系统,分析计算设“1”符号对应载波频率f1（1），“0”符号对应载波频率f2（2），则在一个码元的持续时间Ts内，发送端产生的2FSK信号可表示为式中,52,第7章数字带通传输系统,因此，在时间(0,Ts)内，接收端的输入合成波形为 即式中，ni(t)为加性高斯白噪声，其均值为0。,53,第7章数字带通传输系统,在分析模型图中，解调器采用两个带通滤波器来区分中心频率分别为f1和f2的信号。中心频率为f1的带通滤波器只允许中心频率为f1的信号频谱成分通过，而滤除中心频率为f2的信号频谱成分；中心频率为f2的带通滤波器只允许中心频率为f2的信号频谱成分通过，而滤除中心频率为f1的信号频谱成分。这样，接收端上下支路两个带通滤波器的输出波形和分别为式中，n1(t)和n2(t)分别为高斯白噪声ni(t)经过上下两个带通滤波器的输出噪声窄带高斯噪声，其均值同为0，方差同为n2，只是中心频率不同而已，即,54,第7章数字带通传输系统,现在假设在时间(0,Ts)内发送“1”符号（对应1），则上下支路两个带通滤波器的输出波形分别为它们分别经过相干解调后，送入抽样判决器进行比较。比较的两路输入波形分别为上支路 下支路式中，a 为信号成分，n1c(t)和n2c(t)均为低通型高斯噪声，其均值为零，方差为n2。,55,第7章数字带通传输系统,因此，x1(t)和x2(t)抽样值的一维概率密度函数分别为当x1(t)的抽样值x1小于x2(t)的抽样值x2时，判决器输出“0”符号，造成将“1”判为“0”的错误，故这时错误概率为式中，z=x1 x2，故z是高斯型随机变量，其均值为a，方差为z2=2 n2。,56,第7章数字带通传输系统,设z的一维概率密度函数为f(z)，则由上式得到同理可得，发送“0”错判为“1”的概率 显然，由于上下支路的对称性，以上两个错误概率相等。于是，采用同步检测时2FSK系统的总误码率为在大信噪比条件下，上式可以近似表示为,57,第7章数字带通传输系统,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）同步检测法解调时系统的误码率。【解】（1）根据式(7.1-22)，该2FSK信号的带宽为,58,第7章数字带通传输系统,（2）同理可得同步检测法解调时系统的误码率,59,第7章数字带通传输系统,7.2.3 二进制相移键控(2PSK)和二进制差分相移键控(2DPSK)系统的抗噪声性能信号表达式无论是2PSK信号还是2DPSK，其表达式的形式完全一样。在一个码远的持续时间Ts内，都可表示为式中当然，sT(t)代表2PSK信号时，上式中“1”及“0”是原始数字信息（绝对码）；当sT(t)代表2DPSK信号时，上式中“1”及“0”是绝对码变换成相对码后的“1”及“0”。,60,第7章数字带通传输系统,2PSK相干解调系统性能 分析模型分析计算接收端带通滤波器输出波形为经过相干解调后，送入抽样判决器的输入波形为,61,第7章数字带通传输系统,由于nc(t)是均值为0，方差为n2的高斯噪声，所以x(t)的一维概率密度函数为由最佳判决门限分析可知，在发送“1”符号和发送“0”符号概率相等时，最佳判决门限b*=0。此时，发“1”而错判为“0”的概率为同理，发送“0”而错判为“1”的概率为,62,第7章数字带通传输系统,故2PSK信号相干解调时系统的总误码率为在大信噪比条件下，上式可近似为,63,7.3 二进制数字调制系统的性能比较误码率,第7章数字带通传输系统,64,第7章数字带通传输系统,误码率曲线,65,第7章数字带通传输系统,频带宽度2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度 2FSK系统的频带宽度,66,第7章数字带通传输系统,对信道特性变化的敏感性在2FSK系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，不需要人为地设置判决门限，因而对信道的变化不敏感。在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。因此，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限与接收机输入信号的幅度有关，对信道特性变化敏感，性能最差。,67,第7章数字带通传输系统,7.4多进制数字调制原理概述为了提高频带利用率，最有效的办法是使一个码元传输多个比特的信息。由7.3节中的讨论得知，各种键控体制的误码率都决定于信噪比r：它还可以改写为码元能量E和噪声单边功率谱密度n0之比：设多进制码元的进制数为M，码元能量为E，一个码元中包含信息k比特，则有k=log2 M 若码元能量E平均分配给每个比特，则每比特的能量Eb等于E/k。故有在研究不同M值下的错误率时，适合用r b为单位来比较不同体制的性能优略。,68,第7章数字带通传输系统,7.4.1 多进制振幅键控(MASK)概述多进制振幅键控又称多电平调制优点：MASK信号的带宽和2ASK信号的带宽相同，故单位频带的信息传输速率高，即频带利用率高。,69,第7章数字带通传输系统,举例基带信号是多进制单极性不归零脉冲,70,第7章数字带通传输系统,基带信号是多进制双极性不归零脉冲 二进制抑制载波双边带信号就是2PSK信号。,71,第7章数字带通传输系统,7.4.2 多进制频移键控(MFSK)4FSK信号波形举例,(b)4FSK信号的取值,72,第7章数字带通传输系统,MFSK信号的带宽：B=fM-f1+f式中f1 最低载频fM 最高载频f 单个码元的带宽,73,第7章数字带通传输系统,MFSK非相干解调器的原理方框图,