通信原理—基本的数字调制系统14讲课件.ppt

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1、1,第6章 数字调制系统,电子技术系,2,目标要求,一、基本要求,1、掌握带通调制的概念及目的；2、掌握2ASK信号的调制与解调基本原理，2ASK信号的功率谱密度及误码率分析；3、掌握2FSK信号的调制与解调基本原理，2FSK信号的最小频率间隔、功率谱密度及误码率分析；4、掌握2PSK信号的调制与解调基本原理，2PSK信号的功率谱密度及误码率分析；,3,目标要求,一、基本要求,5、掌握2DPSK信号的调制与解调基本原理，2DPSK信号的功率谱密度及误码率分析；6、熟悉二进制数字键控传输系统性能比较；7、掌握多进制数字键控的调制与解调基本原理， 以及误码率分析。,4,目标要求,三、重点、难点,1

2、、重点： 二进制数字键控的原理和性能的理解、分析和掌握； 4PSK、4DPSK信号产生和解调的方法的理解和掌握； 16QAM信号的产生方法的理解和掌握。2、难点： 数字键控系统的性能分析； 相移键控原理的理解、分析和掌握。,5,主要内容,6.1 概述 6.2 二进制振幅键控（2ASK） 6.3 二进制频移键控（2FSK） 6.4 二进制相移键控（2PSK） 6.5 二进制差分相移键控（2DPSK） 6.6 二进制数字键控传输系统性能比较 6.7 多进制数字键控 小结 思考题、习题,6,6.1 概述,一、正弦形载波表达式： 或式中，A 振幅 (V)； f0 频率 (Hz)； 0 = 2 f0 角

3、频率 (rad/s)； 为初始相位 (rad)。,7,6.1 概述,二、3种基本的调制制度：1、振幅键控ASK 2、频移键控FSK 3、相移键控PSK,8,6.2 二进制振幅键控(2ASK),一、基本原理 1、表示式： 式中，02f0为载波的角频率；,9,2、调制方法 :相乘电路：包络可以是非矩形的开关电路：包络是矩形的,6.2 二进制振幅键控(2ASK),10,6.2 二进制振幅键控(2ASK),3、 解调方法：包络检波法（非相干解调） 不利用载波相位信息 ：,a,b,c,d,11,2ASK信号非相干解调过程的时间波形,6.2 二进制振幅键控(2ASK),12,相干解调法利用载波相位信息：,

4、6.2 二进制振幅键控(2ASK),a,c,b,d,e,13,6.2 二进制振幅键控(2ASK),2ASK信号相干解调过程的时间波形,14,6.2 二进制振幅键控(2ASK),二、功率谱密度 设2ASK随机信号序列的一般表示式为 ： 式中，an 二进制单极性随机振幅； g(t) 码元波形； T 码元持续时间。则可以计算出： 式中， Ps(f) S2ASK(t)的功率谱密度； PA(f) s(t)的功率谱密度。若求出了PA(f) ，代入上式就可以求出Ps(f) 。,15,6.2 二进制振幅键控(2ASK)功率谱密度,求PA(f)：由式(5.8)p141： 式中，fc 1/T G1(f) 基带信号

5、码元 g1(t) 的频谱 G2(f) 基带信号码元 g2(t) 的频谱设：单极性二进制码；g(t)是宽度为T高度为1的门函数； 0、1等概率出现，即P=1/2 则,16,因为：所以：,6.2 二进制振幅键控(2ASK)功率谱密度,17,2ASK信号的功率谱密度示意图,二进制数字调制信号的功率谱密度,二进制振幅键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱两部分组成离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形g(t)确定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, B2ASK=2B。,18,6.2 二进制振幅键控(2ASK),三、误码率 假设：信道噪声是均值为零的高斯白噪声（一般信道的随机噪

6、声均属此情况）。 设在T 内，带通滤波后的接收信号和噪声电压等于:式中，n(t)是一个窄带高斯过程 ，故有,19,将上两式代入y(t)式，得到：或上式为滤波后的接收电压，下面用它来计算误码率。,6.2 二进制振幅键控(2ASK)误码率,20,6.2 二进制振幅键控(2ASK)误码率,1、相干解调法的误码率：抽样判决处的电压x(t)为式中，nc(t) 高斯过程。,21,当发送“1”时，x(t)的概率密度等于：当发送“0”时，x(t)的概率密度等于：,6.2 二进制振幅键控(2ASK)误码率,22,6.2 二进制振幅键控(2ASK)误码率,令h为判决门限， 则,将发送的“1”错判为“0”的概率等于

7、：式中，将“0”错判为“1”的概率等于：,23,6.2 二进制振幅键控(2ASK)误码率,当P(1) = P(0) 时，相干解调的总误码率为：当h值等于最佳门限值h*时，解得：故归一化最佳门限值：其中，r为信噪比，,24,6.2 二进制振幅键控(2ASK)误码率,将代入可得到最后结果：当信噪比r1时（P45,2.109），,25,6.2 二进制振幅键控(2ASK)误码率,2、包络检波法的误码率 输出是其输入电压y(t)为 故其包络可表示为 可见，发“1”时带通滤波器输出的包络服从莱斯分布，发“0”时带通滤波器输出的包络服从瑞利分布。,26,6.2 二进制振幅键控(2ASK)误码率,假定判决门限

8、值等于h，并规定当V h时，判为收到“1”；当V h时，则判为“0”。 可以计算出，当大信噪比时，误码率为：,莱斯分布,瑞利分布,h,27,6.2 二进制振幅键控(2ASK)误码率,3.比较（r1）： 相干解调法 包络检波法 （1）相干检测比非相干检测容易设置最佳判决门限电平； （2）大信噪比时，相干检测的误码率总低于包络检波法； （3）相干检测要插入相干载波，故设备复杂。,r,Pe,0 5 10 15 20 25,0.4,0.3,0.2,0.1,28,6.2 二进制振幅键控(2ASK)误码率,【例6.1】设有一个2ASK信号传输系统，其中码元速率RB = 4.8 106 Baud，接收信号的

9、振幅A = 1 mV，高斯噪声的单边功率谱密度n0 =2 10-15 W / Hz。试求：1）用包络检波法时的最佳误码率；2）用相干解调法时的最佳误码率。解：基带矩形脉冲的带宽为1/T Hz。2ASK信号的带宽应该是它的两倍，即2/T Hz。故接收端带通滤波器的最佳带宽应为:B 2/T = 2RB =9.6 106 Hz 故带通滤波器输出噪声平均功率等于:因此其输出信噪比等于：,29,（1）包络检波法时的误码率为： （2）相干解调法时的误码率为：,6.2 二进制振幅键控(2ASK)误码率,30,例1：设发送的二进制信息为101011001，采用2ASK方式传输。已知码元传输速率为1200B，载

10、波频率为2400Hz：（1）试画出2ASK信号的时间波形；（2）试画出2ASK信号频谱结构示意图，并计算其带宽。,6.2 二进制振幅键控(2ASK),返回,31,6.3 二进制频移键控(2FSK),一、基本原理 1、表示式： 2、产生方法：调频法：相位连续开关法：相位不连续,32,6.3 二进制频移键控(2FSK)基本原理,3、接收方法：相干接收：,33,非相干接收：（1）包络检波法：,6.3 二进制频移键控(2FSK)基本原理,34,2FSK非相干解调过程的时间波形,6.3 二进制频移键控(2FSK)基本原理,35,（2）过零点检测法,6.3 二进制频移键控(2FSK)基本原理,36,6.3

11、 二进制频移键控(2FSK),二、功率谱密度 开关法产生的2FSK信号可以看作是两个不同频率2ASK信号的叠加： 式中， 2ASK信号的功率谱密度可以表示为：2FSK信号的功率谱密度是两个不同频率2ASK信号的功率谱密度之和：,37,已知2ASK信号功率谱密度为（矩形脉冲，P=1/2）：将其代入下式得到2FSK信号的功率谱密度为：,6.3 二进制频移键控(2FSK)功率谱密度,由上式可以看出，前4项是连续谱部分，后4项是离散谱。,38,曲线：带宽：,6.3 二进制频移键控(2FSK)功率谱密度,39,例题：设某2FSK调制系统的码元传输速率为1000Baud，二个载频为1000Hz和2500H

12、z。试讨论可以采用什么方法解调这个2FSK信号。,40,6.3 二进制频移键控(2FSK),三、最小频率间隔 在原理上，若两个信号互相正交，就可以把它完全分离。对于非相干接收：设: 2FSK信号为,41,6.3 二进制频移键控(2FSK)最小频率间隔,为了满足正交条件，要求 ：即要求：上式积分结果为：假设，上式左端第1和3项近似等于零，则它可以化简为,42,由于1和0是任意常数，故必须同时有和上式才等于0。即要求：和式中，n和m均为整数。 为了同时满足这两个要求，应当令 即令所以，当取m = 1时是最小频率间隔，它等于1 / T。,6.3 二进制频移键控(2FSK)最小频率间隔,43,对于相干

13、接收：可以令于是，式化简为： 因此，要求满足：即，最小频率间隔等于1 / 2T 。,6.3 二进制频移键控(2FSK)最小频率间隔,44,6.3 二进制频移键控(2FSK),四、误码率设：接收滤波器输出电压波形为：1、相干检测法的误码率,45,6.3 二进制频移键控(2FSK)误码率,当发送码元“1” 时，通过两个带通滤波器后的两个接收电压分别为：它们和本地载波相乘，并经过低通滤波后，得出 和,n1c(t)和n0c(t)都是高斯过程，故在抽样时刻其抽样值V1和V0都是正态随机变量。而且，V1的均值为A，方差为n2；V0的均值为0，方差也为n2。,46,6.3 二进制频移键控(2FSK)误码率,

14、当 V1 V0时，将发生误码，故误码率为 令(A + n1c - n0c) = z，则z也是正态随机变量，其均值等于A，方差为于是，有式中，Pe0和Pe1相等，故总误码率为：,47,6.3 二进制频移键控(2FSK)误码率,2、包络检波法的误码率,48,当发送码元“1”时，抽样判决器的两个输入电压分别为 和式中，V1(t) 频率f1的码元通路信号包络（广义瑞利分布） V0(t) 频率f0的码元通路信号包络（瑞利分布）。 这时误码率为：,6.3 二进制频移键控(2FSK)误码率,49,代入上式，得到： 式中， 信噪比当发送码元“0”时，情况一样，故2FSK的总误码率为：,6.3 二进制频移键控(

15、2FSK)误码率,50,6.3 二进制频移键控(2FSK)误码率,3、相干检测法和包络检波法的误码率比较：在大信噪比条件下两者相差不很大。实际应用中，多采用包络检波法。4、2FSK与2ASK信号的误码率比较：包络检波2ASK： 差 3 dB2FSK：相干检测2ASK： 差 3 dB2FSK：,51,课堂练习,【例6.2】设有一2FSK传输系统，其传输带宽等于2400 Hz。2FSK信号的频率分别等于f0 = 980 Hz，f1 = 1580 Hz。码元速率RB = 300 Baud。接收端输入的信噪比等于4dB。试求：1. 此2FSK信号的带宽；2. 用包络检波法时的误码率；3. 用相干检测法时的误码率。【解】 1. 信号带宽：,52,2. 包络检波法的误码率： 带通滤波器的带宽应等于：B = 2RB = 600 Hz 带通滤波器输入端和输出端的带宽比： 2400/600 = 4 带通滤波器输出端的信噪功率比： r = 4 4 16,6.3 二进制频移键控(2FSK),53,3. 相干检测法的误码率用查表法得出： 用近似式得出：两者基本一样。,6.3 二进制频移键控(2FSK),返回,