通信原理课件第7章数字调制系统.ppt
第七章 数字调制系统,主要内容：数字调制系统的组成框图三大类数字调制方法各种接收系统的原理抗噪声性能的分析方法,重点：数字调制系统的组成框图各种已调信号的性能和参数计算各种接收系统的差别信噪比公式,7.1 引 言,7.2 二进制数字调制原理,7.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能,7.4 二进制数字调制系统的性能比较,7.5 多进制调制系统改进的数字调制方式,什么是调制?,用调制信号去控制载波的某个参数,使这个参数随着调制信号的变化而变化,7.1 引 言,为什么要采用调制？,完成频谱搬移，将基带信号变成适合信道传输的信号,调制器,m(t),C(t),sm(t),单音正弦波,连续变化的模拟量：,模拟调制,离散的数字量：,二进制数字脉冲,数字调制,单频正弦波,连续波形,连续载波调制,脉冲波形,脉冲载波调制,矩形周期脉冲,基本的三种二进制调制方法,改进的调制方法正交振幅调制（QAM:Quarter Amplitude Modulation）最小频移键控（MSK:Minimum Frequency-shift Keying）正交相移键控（QPSK:Quarter Phase-shift Keying）,振幅键控（ASK）,相移键控（PSK）,频移键控（FSK）,Shift Keying,Shift Keying,Shift Keying,Amplitude,Frequency,Phase,主要问题:已调信号和调制信号的关系是什么?已调信号的带宽?如何产生已调信号（调制）？如何还原原始基带信号（解调）?,7.2.3 移相键控,7.2.2 移频键控,7.2.1 移幅键控,7.2 二进制数字调制原理,重要参数：信道带宽 BW2ASK=2 fs,重要参数：信号带宽 B2ASK=2 fs,7.2.1 移幅键控（2ASK）,2、功率谱结构,3、调制方法,4、解调方法:1）非相干解调 2）相干解调,1、信号表达式,功率谱图,信号波形,电报,1 0 0 1 0 1 1,S(t),载波,+E,0,2ASK,fc,以载波的“有”和“无”表示基带信号的“1”和“0”,设 载波为,调制信号为,则已调信号为,初始相位,角频率,振幅,2ASK 信号表达式,设 码元宽度为Ts，则基带信号 S(t)可表示成,NRZ 信号,2ASK 信号,注：2ASK 信号限制 S(t)只能是 NRZ 信号,2ASK 功率谱结构,设 S(t)的功率谱密度为Ps(f),e0(t)的功率谱密度为 PE(f),非严格推导：,取决于 NRZ Ps(f),关于(f),定义式：,说明：,S(t)是 NRZ 信号,当 p=时,B2ASK=2 fs,2ASK 调制方式,模拟调制方式,键控方式,也称 OOK 信号,开关K 的动作由S(t)决定，,相干解调,2fs,fc,2fs,fc,7.2.2 移频键控信号（2FSK）,重要参数：信号带宽 B2FSK=2 fs+|f1-f2|,2、功率谱结构,3、调制方法,1、信号表达式及信号波形,包络检波法、过零检测法、差分检波法,4、解调方法:相干解调,非相干解调,中、低速数据传输,2FSK 信号表达式,其中:,是 an 的反码,定义式：,e0(t)=A cos(t),=c+=c+k S(t),将一路 2FSK 信号看成两路 2ASK 信号的合成,1 0 0 1 0 1 1,S(t),载波1,+E,-E,+E,0,S1(t),载波2,2FSK,+E,0,f1,f2,用两种不同频率的载波信号表示基带信号“1”和“0”,近似分析法：2 路 2ASK 信号的叠加,2FSK 功率谱结构,且 S1(t)、均为 NRZ 信号，脉宽为Ts,当 p=时,f2+fs,f2-fs,f2,f1+fs,f1-fs,f1,B2FSK=2 fs+|f1-f2|,2FSK 调制方式,模拟调制方式：直接调频、间接调频,键控方式,开关K 的动作由S(t)决定，,直接调频,2FSK 相干解调,条件：|f1-f2|2 fs,有局限否?,2FSK 包络检波法,条件：|f1-f2|2 fs,2FSK 过零检测法,特点：“1”、“0”码元对应的载波频率不同，即在单位时间内载波的过零点数目不同，利用此特点，还原基带信号。,e0(t),S(t),a,b,c,d,e,f,0 1 1 0 1 0 0,2FSK 差分检波法,若控制，使,则,说明：输出 与原生基带信号 S(t)呈线性关系,判决后实现还原。性能受 控制,当 较小时,7.2.3 移相键控信号（2PSK、2DPSK）,7.2.3.1 移相原理,7.2.3.2 移相信号,模拟调相定义：载波的相位随调制信号的变化而变化,移相原理,数字移相定义：以载波不同的初始相位值去表示不同的数字信号,载波初相：每个码元起始时刻对应的载波相位,重要参数：信号带宽 B2PSK=B2DPSK=2 fs,3、频谱结构,4、调制方法,2、信号表达式,5、解调方法:2PSK解调,2DPSK解调,移相信号（2PSK 和 2DPSK）,1、信号定义及波形,2PSK 2DPSK 比较,2PSK：绝对移相信号,A 方式：,0 表示“0”,表示“1”,表示“0”,表示“1”,或反之,B 方式：,或反之,载波初相,1 0 0 1 0 1 1,+E V,S(t),-E V,0 0 0,A 方式：,B 方式：,2DPSK：相对移相信号,相对载波初相：后码元的载波初相2与前相邻码元载波初相1的差值,=2-1,A 方式：,0 表示“0”,表示“1”,表示“0”,表示“1”,或反之,B 方式：,或反之,波形,1 0 0 1 0 1 1,+E,S(t),-E,A 方式：,B 方式：,绝对码,相对码,参考点,0,0,1 1 1 0 0 1 0,码变换,比较,1 0 0 1 0 1 1,+E,S(t),-E,0,0 0 0,2PSK,2DPSK,判,0 1 1 0 1 0 0,倒 现象：,0,判,0 0 0 1 0 1 1,全错,错 1 位,2PSK、2DPSK 频谱结构,2PSK 的信号表达式,2PSK 的功率谱密度,与 2ASK 相似，要求 S(t)为双极性非归零,频谱图,2PSK 频谱图,B2PSK=2 fs,调制方式,2PSK 键控方式,2DPSK 键控方式,相移,1,e0(t),K,0,S(t),码变换,cosc t,相移,1,e0(t),K,0,S(t),cosc t,2PSK信号解调,2PSK相干解调,带通,低通,抽样判决,e0(t),S(t),定时脉冲,cosc t,2PSK鉴相器解调,cosc t,定时脉冲,差分相干检波,2DPSK 信号解调,2DPSK,2DPSK,带通,低通,抽样判决,e0(t),S(t),定时脉冲,cosc t,码反变换,相干解调-码变换,抽样判决,带通,低通,e0(t),S(t),延时Ts,定时脉冲,1 0 0 1 0 1 1,S(t),a,b,c=a b,d,e,1 0 0 1 0 1 1,判,0,抽样判决,带通,低通,e0(t),S(t),延时Ts,a,b,c,d,e,7.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能,7.3.1 2ASK 系统的抗噪性能,7.3.2 2FSK 系统的抗噪性能,7.3.3 2PSK 及 2DPSK 系统的抗噪性能,7.3.1 2ASK系统的抗噪声性能,7.3.1.1 接收信号描述,7.3.1.2 非相干接收系统,7.3.1.3 相干接收系统,分析：一个码元宽度Ts的信号,发送信号 ST(t)=,UT(t)=Acosc t 0 t Ts 发“1”,接收信号,7.3.1.1 接收信号描述,0 其它 发“0”,y(t)是 正弦波窄带高斯过程。包络服从广义瑞利分布,yi(t)+ni(t)=,（包络检波法）,7.3.1.2 非相干接收系统,yi(t)+ni(t),发“1”,发“0”,是包络检波器的输出，为随机信号,令 最佳判决门限为，满足,误码形式为 P(10)、P(01),pe0=P(01)=P(v),则 pe1=P(10)=P(v),系统总误码率：Pe=p(1)pe1+p(0)pe0,误码率推导,最佳判决门限,误码率与信噪比,定义:Q 函数,零阶修正贝塞尔函数,带通滤波器的输出信噪比,定义：归一化门限值,结论：Pe 的大小取决于、b0,确定最佳门限电压、,方程两边同取自然对数,化简,同理：,7.3.1.3 相干接收系统,2 fs,总误码率,Pe=p(1)pe1+p(0)pe0,当 为最佳门限、,例子,例：已知2ASK 的码元速率 RB=4.810 6 波特，解调器输入信号的幅度a=1 mv，信道加性噪声的单边功率谱密度为 n0=210-15 W/Hz，试求:1）包络检波的误码率 2）同步检波的误码率,解：,RB=4.810 6 B,带通滤波器的带宽 B=2RB=9.610 6（Hz）,带通的输出噪声功率n2=n0 B=1.9210-8(W),解调器的输入信噪比,此系统为大信噪比工作,1）包络检波,2）同步检波,7.3.2 2FSK系统的抗噪声性能,7.3.2.1 非相干接收系统,7.3.2.2 相干接收系统,（包络检波法）,7.3.2.1 非相干接收系统,发“1”：上支路输出为,一路 2FSK 信号是两路 2ASK 信号的合成,下支路输出为,其中：,发“0”：上支路输出为,下支路输出为,与 2ASK 信号分析相似,（噪声）,发“1”错判,2FSK 的系统总误码率,发“0”错判,判决规则：V1 V0 判“1”,V1 V0 判“0”,7.3.2.2 相干接收系统,发“1”：,x0(t)=n2c(t),解调器上支路输入：,a+n1c(t)cos1 t-n1s(t)sin1 t,下支路输入：,n2c(t)cos2 t-n2s(t)sin2 t,x1(t)=a+n1c(t),解调器上支路输出：,下支路输出：,判决规则：x1 x0 判“1”,x1 x0 判“0”,发“1”错判,2FSK 的系统总误码率,同理：发“0”错判,例子,例：已知2FSK信号的 f1=2025 Hz,f2=2225 Hz,RB=300 波特。信道有效带宽 2400 Hz,信道输出端信噪比为 6 dB,求：1）2FSK信号的带宽。2）包络检波时的误码率；同步检波时的误码率。,解：,2FSK 的带宽 f=|f2-f1|+2 fs,1）fs=RB=300（Hz）,=(2225-2025)+2300=800(Hz),2）Pe 与解调器输入端的 有关,令 接收系统结构选用上、下支路形式,B=2RB=600（Hz）,带通带宽,又 信道带宽为 2400 Hz,为带通带宽的 4 倍,带通的输出信噪比是其输入信噪比的 4 倍,包络检波,同步检波,带 通,7.3.3.2 非相干接收系统,7.3.3.1 相干接收系统,7.3.3 2PSK 及 2DPSK 系统的抗噪性能,2PSK 系统,7.3.3.1 相干接收系统,S(t)为双极性非归零信号,判决器的输入信号为,x(t)=,-a+nc(t)发“0”,a+nc(t)发“1”,x(t),发“1”错判,发“0”错判,2PSK 系统总误码率,2DPSK 系统,系统特征：在 2PSK 系统的基础上增加码反变换电路。,码反变换电路自身不产生误码（与噪声无关），但其输入相对码有误差时，必然会造成其输出绝对码与发端基带信号失真，因而系统总误码应为2PSK 系统的误码加码反变换的误码积累(error code accumulate)。,结论：系统总误码率,误码积累,误码公式,+E,S(t),-E,绝对码,正确相对码,0,1 0 0 1 0 1 1,1 1 1 0 0 1 0,码反变换,错误相对码,1 0 1 0 0 1 0,0,1 0 0 0 0 1 0,0,1 0 0 1 0 1 0,0,码反变换,码反变换,错误相对码,错误相对码,码反变换引入的误码规律：,相对码中出现的每一串错码，反变换后产生两位错码。,设 Pn 表示同步检波输出相对码中出现 n 个连续错码事件的概率,表示码反变换输出的总误码率,“n 个码元同时出错”,属同时发生事件,“该串错码两端都有一个正确码元”,7.3.3.2 非相干接收系统,2DPSK 系统,y1(t)=a+n1c(t)cosc t-n1s(t)sinc t,y2(t)=a+n2c(t)cosc t-n2s(t)sinc t,x(t)=a+n1c(t)a+n2c(t)-n1s(t)n2s(t),判决规则：x 0 判“1”,x 0 判“0”,结论：系统总误码率,例子,例：已知2DPSK 信号 的码元速率 RB=10 6 波特，信道加性噪声的单边功率谱密度为 n0=210-10 W/Hz，要求系统的误码率不大于 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）采用相干解调码变换时，接收机输入端所需的信号功率,解：,带通滤波器的带宽 B=2RB=210 6（Hz）,带通的输出噪声功率n2=n0 B=410-4(W),1）差分相干解调,2）相干解调码变换,查表,7.4 二进制数字调制系统的性能比较,频带宽度,误码率,性能比较表,对信道特性的敏感度,PSK,FSK,ASK,设备复杂程度,r/dB,pe,7.5 多进制数字调制系统 及改进的数字调制方式,7.5.2 QPSK与DQPSK,7.5.3 MSK和GMSK,7.5.1 MASK与MFSK,(a)基带多电平单极性不归零信号,(b)MASK信号,(c)基带多电平双极性不归零信号,(d)抑制载波MASK信号,多进制振幅键控（MASK）,4ASK信号分解,多进制频移键控(MFSK),MFSK的码元采用M个不同频率的载波。设f1为其最低载频，fM为其最高载频，则MFSK信号的带宽近似等于fM-f1+f，其中 f是单个码元的带宽，它决定于信号传输速率。,7.5.2 QPSK与DQPSK,7.5.2.2 QPSK的基本原理,7.5.2.3 DQPSK的基本原理,7.5.2.1 多进制数字相位调制的基本原理,7.5.1.1 多进制数字相位调制的基本原理,定义：利用载波的多种不同相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式,绝对移相,相对移相,M相调制波形的表示方法,受调相位，可有M种不同取值,7.5.1.2 QPSK的原理,1.调制原理,2.QPSK信号的产生,3.QPSK信号的解调,4.QPSK信号的频谱,a(1),a(0),b(0),b(1),7.5.1.3 DQPSK的原理及抗噪声性能,1.DQPSK调制原理,2.DQPSK信号的产生,3.DQPSK信号的解调,7.5.2 MSK和GMSK,7.5.2.2 GMSK调制解调原理,7.5.2.1 MSK调制解调原理,7.5.2.1 MSK调制解调原理 调制方法,1.定义信号表达式,2.MSK信号的产生,3.MSK信号的解调,定义：MSK叫最小移频键控是移频键控（FSK）的一种改进型。这里“最小”指的是能以最小的调制指数（即0.5）获得正交信号，它能比PSK传送更高的比特速率。,二进制MSK信号的表达式可写为：载波角频率；码元宽度；第k个码元中的信息，其取值为1；,第k个码元的相位常数，它在时间中保持不变；,当 1时，信号的频率为：,当 1时，信号的频率为：,由此可得频率之差为：,GMSK(Gaussian Minimum Frequency shift Keying)调制方式，是在MSK调制器之前加入一个基带信号预处理滤波器，即高斯低通滤波器，由于这种滤波器能将基带信号变换成高斯脉冲信号，其包络无陡峭边沿和拐点，从而达到改善MSK信号频谱特性的目的。基带的高斯低通滤波平滑了MSK信号的相位曲线，因此稳定了信号的频率变化，这使得发射频谱上的旁瓣水平大大降低。实现GMSK信号的调制，关键是设计一个性能良好的高斯低通滤波器，它必须具有如下特性：有良好的窄带和尖锐的截止特性，以滤除基带信号中多余的高频成分。脉冲响应过冲量应尽量小，防止已调波瞬时频偏过大。输出脉冲响应曲线的面积对应的相位为/2，使调制系数为1/2。,以上要求是为了抑制高频分量、防止过量的瞬时频率偏移以及满足相干检测所需要的。,7.5.2.2 GMSK调制解调原理,第七章 数字调制系统,主要内容：数字调制系统的组成框图三大类数字调制方法各种接收系统的原理抗噪声性能的分析方法,重点：数字调制系统的组成框图各种已调信号的性能和参数计算各种接收系统的差别信噪比公式,
