第五章数字调制系统ppt课件.ppt

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1、1,第五章 数字调制系统,二进制数字调制原理 二进制数字调制系统的抗噪声性能 二进制数字调制系统的性能比较,2,5.1 二进制数字调制原理,5.1.1 二进制振幅键控（2ASK）设数字信号为二进制码元0、1组成的序列，0出现的概率为P，1出现的概率为1-P，且它们彼此独立，则一个二进制振幅键控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦载波相乘，即式中 若令，则有,3,2ASK信号产生方法：乘法器实现和键控法。,2ASK信号的产生与解调,4,2ASK信号解调方法：非相干解调（包络检波法）及相干解调法。与模拟解调制解调方法不同的是数字解调都增加一个“抽样判决器”，对提高数字信号的接收性能具有相

2、当重要的意义。,包络检波法,相干解调法,5,仿真波形-调制,6,仿真波形-相干解调,7,设 的功率谱密度为，S(t)的功率谱密度为 则与时域表达式对应的频域表达式为 S(t)为单极性随机矩形脉冲序列，可直接得到，即式中 根据 的频谱特点，对于所有m0的整数，有得 所以有,2ASK信号的频谱结构,8,当数值信号码元1，0统计独立且等概率时，则又有又因为幅度为1，周期为 的矩形脉冲频谱为 代入 表达式可得2ASK信号的功率谱密度示意图,9,1、2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成，连续谱取决于二元制码元脉中序列 经线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量决定。2、功率谱曲线为抽样函数 型，若以

3、第一个零点作为频带宽度，则2ASK信号带宽是基带信号带宽的2倍，由此看出，其频带利用率为1/2。3、2ASK信号的第一旁瓣峰值比主峰值衰减14dB。,结论,10,利用载波的频率变化来传递数字信息；二进制情况下，1对应于载波频率1，0对应于载波频率2，如同两个不同频率交替发送的ASK信号，则已调信号的时域表达式为其中，是 的反码则,5.1.2 二进制移频键控（2FSK）,11,二进制移频键控(2FSK)信号的产生及波形,2FSK信号产生方法：模拟调频法和键控法。,12,二进制移频键控信号解调,非相干方式,相干方式,13,仿真波形-调制,14,仿真波形-非相干解调,不是很清楚包络器怎么输出的,15

4、,仿真波形-相干解调,16,其它解调方法，如鉴频法、过零检测法及差分检波法。,过零检测法,17,a：b：c：d：e：,差分检波法,当满足 时，输出电压V与角频偏成线性关系，再经过抽样判决后得到相应的数字基带信号。2FSK是数字通信中用的较多的一种调制方式，在话音频带内进行数据传输时，ITU推荐在话音频带内低于1200bit/s数据率时使用FSK方式。,18,19,2FSK信号频谱有相位不连续和相位连续两种情况，且这两种情况下频谱是不同的。由于2FSK调制属非线性调制，分析起来比较困难，但2FSK信号可以视为两个频率分别为 和 的ASK信号的叠加。由于两个ASK信号“1”码元和“0”码元在时间上

5、永远不会同时出现，因此FSK信号的功率谱密度可以看成这两个ASK信号功率谱密度之和，即,2FSK信号的频谱,20,最后可得,当概率为1/2时，整理后得,21,结论1、2FSK信号频谱由连续谱和离散谱组成，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两载频处。2、3、传输2FSK信号所需的第一零点带宽为,22,二进制移相键控是用二进制数字信号0，1去控制载波的两个相位 的方法，其时域表达式为式中，为双极性数字信号，若g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，则有以载波的不同相位直接去表示相应数字信息的相位键控称为绝对移相，即2PSK。,5.1.3 二进制移相键控及二进制差分相位键控,23,采用绝对移相，

6、在发送端以某一相位作为基准，在接收端必须有一个固定的相位作基准，如果参考相位发生变化，导致恢复的数字信号1变为0，0变为1，造成错码，这种现象称为2PSK方式的“倒”现象或“反向工作”现象。差分相位键控（2DPSK）方式利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息。相位值用 来表示，定义为本码元初相与前一码元初相之差，即重新设定2PSK为,24,仿真波形-反向工作,25,2DPSK:同一相位并不对应相同的数字信号，前后码元相位差决定数字信息符号；相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。,2PSK与2DPSK信号波形,26,变换原理（a）

7、，（b）为 前一个码元，最初的 可任意设定。,由绝对码变换成相对码的过程称为差分编码，又称码变换；由相对码变换成绝对码的过程称为码反变换。为绝对码，为相对码。,27,（a）模拟相乘法,（b）键控法,2PSK信号的产生,S(t),e0(t),28,2PSK信号的解调,相干解调（极性比较法）,仿真波形-相干解调,29,30,2DPSK信号的产生,模拟相乘法和键控法,与2PSK相比，只是多了一个码变换器，其作用是将绝对码变换为相对码。,31,2DPSK信号的解调,极性比较法和相位比较法,32,仿真波形-相位比较法,1 2 3 4 5 6 7 8,1 2 3 4 5 6 7,0 0 1 1 1 0 0

8、 1,33,2PSK和2ASK的形式完全相同，只是 的取值不同，求2PSK信号的功率谱密度，可采用与求2ASK信号功率谱密度相同的方法。2PSK信号功率谱密度 由于g(t)是双极性矩形脉冲信号上式变为当概率相等时，上式变为,2PSK信号及2DPSK信号的频谱,34,最后得到,2PSK信号及2DPSK信号的频谱,2PSK信号频谱同样由连续谱和离散谱构成，当双极性信号等概出现时，将不存在离散谱部分。连续谱结构与ASK信号连续谱结构基本相同，仅相差一个常数因子；2PSK信号带宽与2ASK信号带宽相同；2DPSK信号只相差一个码变换及码反变换，不影响其频谱结构，2DPSK信号频谱与2PSK信号频谱完全

9、相同。,35,5.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能,5.2.1 二进制振幅键控系统的抗噪声性能 设2ASK系统中发送一个码元时间Ts内波形为而接收波形为2ASK信号可以采用包络检波和相干解调法进行解调，在解调器前端都需经过一个带通滤波器，其输出波形为,36,为经过带通滤波器后的噪声，为一个窄带高斯白噪声。由以前章节讨论可知,则有,37,由 表达式可知，经包络检波和低通滤器后输出包络为 由随机信号分析可知，发送1码的包络函数其一维概率密度函数服从广义瑞利分布；发送0码的包络函数其一维概率密度函数服从瑞利分布。,包络检波法的系统性能,式中 的方差。,38,（1）当发送为“1”码，判决为“0”码的

10、差错概率为,为计算上式积分值，引入特殊函数Q函数（Marcum函数），该函数定义为则有,式中，为信号与噪声的平均功率之比，称为信噪比。而 为归一化门限值。,39,（2）同理，当发送“0”码时，判决为“1”的差错概率为 设发送1码的概率为P(1)，发送0码的概率为P(0)，则系统总误码率为 当 时，,包络检波时误码率的几何表示,40,在大信噪比情况下，即，表达式可简化为对于大信噪比时，再利Q函数特殊值，化简得到当；故上式中 时，变为上式是在大信噪比条件下、最佳门限电平判决以及 条件下得到的，它表明ASK系统总误码率 随着信噪比r的增加而近似地按指数规律下降。,41,相干解调法的系统性能接收波形与

11、相干载波相乘，然后由低通滤波器滤除载频的二次谐波，抽样判决输入波形为由于 是高斯过程，因此当发送“1”时，过程 的一维概率密度为,42,而当发送“0”时，的一维概率密度为若令判决门限电平值为b，则发送码元1错判为0的概率为 同理，可求得发送0码错判为1码的概率为,43,可确定最佳门限电平，或最佳归一化门限电平 在发送码元1和0概率相等情况下，则可得系统总误码率为,44,2ASK系统总误码率为 当 时，上式变为,45,5.2.2 二进制移频键控系统的抗噪声性能 设2FSK系统的发送信号在一个码元时间Ts内的波形为2FSK信号解调采用包络检波法和相干解调法，在解调过程中，每一系统用两个带通滤波器来

12、区分中心频率为1和2的信号码元。假设带通滤波器无失真地使信号通过，则输出端波形为其中式中 为窄带高斯过程。,46,包络检波系统性能假设 时间内所发送的码元为“1”（对应1），则这时送入抽样判决器的两路输入包络信号分别为发送0码元时两包络信号分别为由上面4个式子相比较可以看出，所得误码率具有完全相同的结果，因此只需要计算发送码元1时的误码率即可。,47,根据上面讨论可知，的一维概率分布为广义瑞利分布，而 的一维概率分布为瑞利分布。在判决时，当 的取样值V1小于 的取样值V2时则发生错误判决，其错误概率为根据Q函数性质有，于是上式Pe1为式中。,48,同理，可求得发送0码错判为1码的概率为于是2F

13、SK信号传输非相干接收系统总误码率为相干解调系统性能接收的2FSK信号经与相干载波相乘，并经低通滤波，输入到判决器的两路信号在码元1时为在码元为0时为因为 分别是窄带高斯过程的同相分量，它们也是高斯过程。,49,信号为1码时抽样值 是均值为，方差为 的高斯变量；抽样值，也是均值为0，方差为 的高斯变量；若抽样值 则判为1码，反之则判为0码。发送1码时，若 则误判为0码，故误码率为令 也是高斯变量，且均值为，方差为，该 为于是z的一维概率度为,总误码率为由于，在发送码元1和0等概率条件下，即 于是2FSK系统总误码率为在大信噪比条件下，上式简化为,50,51,5.2.3 二进制移相键控及差分移相

14、键控系统的抗噪声性能1、2PSK系统极性比较法性能参照2ASK系统相干解调并假设判决门限电为0电平，则在一个码元持续时间内，可直接写出低通滤器输出波形它们的一维概率密度是分布在 两边的完全对称的高斯分布，均值分别为和-，方差均为。当发送1码时若判决值 时，将发生“1”判为“0”的错误，其错误概率Pe1为同理，将“0”判为“1”的错误概率为,52,因为，只求 即可式中。因为，故2PSK信号极性比较法解调时系统总误码率为在大信噪比情况下,53,2DPSK系统相位比较法性能相位比较法与极性比较法重要区别在于前者的参考信号不再像后者那样具有固定的载频和相位，此时它是受到加性噪声干扰的。因此，设在一个码

15、元时间内发送的是1码，且令前一个码元也为1码（也可为0码），则在鉴相器的两路波形为式中 为无迟延支路波形，为迟延支路波形。理想鉴相器为相乘-低通滤波器，则输出为对 进行抽样判决，判为1码，判为0码。,54,利用恒等式则发送1码时，将1码错判为0码的概率为设则有因为 均为高斯变量，由以前讨论可知 服从广义瑞利分布，服从瑞利分布，其概率密度分别为,55,可得同理“0”错判为“1”的概率因此，2DPSK系统相位比较法总误码率为2DPSK系统极性比较码变换法性能2DPSK信号的解调还可以采用极性比较法，与2PSK信号极性比较法不同的就是在2PSK解调后再加一个码反变换器。因此，2DPSK极性比较法的误

16、码率应在2PSK信号极性比较法的基础上再考虑码反变换器所造成的误码率。,56,由码反变换器的相关知识可以得出，若相干解调输出一个或多个连续错码，在码反变换器输出都会引起两个错码，经计算可以推出的结论：在2PSK系统中加上码反变换器后将会使其总误码率增加，因此2DPSK信号极性比较法总误码率为,码反变换器对误码的影响,57,58,59,5.3 二进制数字调制系统的性能比较,综合前面的讨论，对二进制数字信号频带传输系统的抗噪声性能已经有所了解，下面就针对系统的频带宽度、误码率及对信道特性变化的敏感性等几方面加以简单比较。频带宽度当码元宽度为Ts时，2ASK系统和2PSK的第一零点带宽为，2FSK系

17、统的第一零点带宽为。因此从频带利用率的角度看，2FSK系统频带利用率不如前两者高。,60,误码率(高斯白噪声条件下)1、相干解调系统抗噪声性能优于非相干解调系统。当 很高时，即 时，每种传输的相干解调与非相干解调趋于同一近似表达式，说明系统抗噪声性能差异不大。2、对于2ASK、2FSK、2PSK系统相干解调时，在相同误码率条件下，在信噪比要求上2PSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB。在抗加性高斯白噪声方面，相干2PSK性能最好，2FSK性能次之，2ASK性能最差。2PSK系统抗噪声性能优于2DPSK系统，但它有反向工作现象，故在实际工程中广泛应用2DPSK系统。,61,二进制系

18、统误码率公式一览表,62,三种数字调制系统的 曲线,63,对信道特性变化的敏感性在选择数字调制方式时还应考虑它的最佳判决门限对信道特性的变化是否敏感。1、在2FSK系统中比较两种解调输出的大小来作判决的，不需要人为设定门限电平。2、在2PSK系统中，最佳门限为0，与接收信号的幅度无关，不随信道特性变化而变化，接收机总能保持最佳门限。3、对于2ASK系统，最佳判决门限与信号及噪声均有关，当信噪比较大时，最佳门限为，它仍与信号幅度有关。因此，信道特性变化时，2ASK方式不容易保证始终工作于最佳判决状态，所以它对信道特性变化比较敏感，性能最差。,64,设备的复杂程度对于2ASK、2FSK及2PSK三

19、种方式来说，发送端设备复杂程度相差不多，接收端的复杂程度则与所选用的调制和解调方式有关。相干解调的设备要比非相干解调时复杂；而同为非相干解调时，2DPSK的设备最复杂，2FSK次之，2ASK最简单。除以上4种主要性能之外，在抗多径时延特性方面，2PSK信号最为敏感，2FSK信号性能较为优越。因此2FSK广泛应用于多径时延较严重的短波信道中。,65,本 章 小 结,各种二进制数字调制、多进制调制、现代数字调制的原理及数字调制系统抗噪声性能。各种二进制调制的波形、功率谱密度图、带宽、调制信号的产生和解调方法及误码率性能分析的结论和公式。二进制误码率分析推导的思路。通过对各种数字调制系统性能的比较，能掌握各种调制系统性能的优劣，能根据实际情况正确选用调制和解调的电路。,66,思考题与作业,思考题1.什么是数字调制？它和模拟调制有哪些异同点？2.什么是绝对移相？什么是相对移相？它们有何区别？3.2PSK信号及2DPSK信号可以用哪些方法产生和解调？它们 是否可以采用包络检波法解调，为什么？作业5-1，5-2，5-4，5-7，5-10,