通信原理第8章教案和习题.ppt
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1、2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,1,第8章 数字调制技术,主要内容数字调制的特点及类型各种数字调制的原理数字调制的功率谱分析及带宽数字调制的相干和非相干解调数字调制系统的误码率计算各种数字调制系统的性能比较,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,2,8.1 引 言,数字调制调制信号为数字基带信号,载波为正弦载波,已调信号的幅度、频率、相位只有有限的几种取值。所以又称为数字键控。,调幅(幅度键控,ASK)调频(频移键控,FSK)调相(相移键控,PSK),2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,3,8.1 引 言,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,4
2、,8.2 二进制振幅调制,2ASK信号的产生,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,5,8.2 二进制振幅调制,2ASK信号的功率谱和带宽,s2ASK(t)等于调制信号s(t)乘以载波信号c(t),所以s2ASK(t)=s(t)cos2fct,其中,调制信号为单极性NRZ基带信号,其功率谱带宽为Rs,含有直流分量。,功率谱为,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,6,8.2 二进制振幅调制,带宽B=2fs=2Rs,频带利用率为 0.5 baud/Hz。功率谱中同时有连续谱和离散谱,且含载频分量。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,7,8.2 二进制振幅调制,解
3、调原理及抗噪声性能,相干解调原理,判决规则:,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,8,8.2 二进制振幅调制,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,9,8.2 二进制振幅调制,相干解调抗噪声性能,(忽略系数1/2),2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,10,8.2 二进制振幅调制,nI(t)和a+nI(t)分别是均值为零和a的低通型高斯噪声,方差都与ni(t)的方差相同。所以,nI(t)和a+nI(t)的取样值都是高斯随机变量,均值分别为0和a,方差都为,因此取样值的概率密度函数分别为,(“0”码),(“1”码),2023/11/17,西南交通大学电气工程学院
4、,11,8.2 二进制振幅调制,峰值信噪比,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,12,8.2 二进制振幅调制,非相干解调原理,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,13,8.2 二进制振幅调制,非相干解调抗噪声性能,当 r 1时,,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,14,8.3 二进制频率调制,2FSK信号的产生,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,15,8.3 二进制频率调制,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,16,8.3 二进制频率调制,2FSK信号的功率谱和带宽,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,17,8.3 二
5、进制频率调制,2FSK信号可以看成是两个载波频率分别为f1和f2的2ASK信号的和。由于“1”、“0”统计独立,因此,2FSK信号功率谱密度等于这两个2ASK信号功率谱密度之和。功率谱中同时含有两个载波分量。功率谱的形状决定于两个载频的大小。(单峰、双峰)2FSK信号的带宽为B=|f1-f2|+2fs,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,18,8.3 二进制频率调制,解调原理及抗噪声性能,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,19,8.3 二进制频率调制,抽样判决规则:,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,20,8.3 二进制频率调制,相干解调抗噪声性能,nI
6、1、nI2都是均值为0、方差为2n的高斯随机变量,所以x是均值为a、方差为22n的高斯随机变量。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,21,8.3 二进制频率调制,非相干解调的抗噪声性能,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,22,8.4 二进制相位调制,绝对调相(2PSK),2PSK信号的产生,电平变换器的作用是将输入的数字信息变换成双极性全占空数字基带信号s(t)。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,23,8.4 二进制相位调制,1变0不变,0变1不变,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,24,8.4 二进制相位调制,2023/11/17,西
7、南交通大学电气工程学院,25,8.4 二进制相位调制,例 画出数字信息1100101的2PSK信号的波形(调制规则自定)。(1)设码元周期是载波周期的整数倍(为画图方便设Ts=2Tc)。(2)设码元周期不是载波周期的整数倍(设Ts=1.5Tc)。解 设调制规则为:数字信息为“1”,载波反相;数字信息为“0”,载波相位不变。这一规则常称作“1”变“0”不变。当然也可采用相反的规则:数字信息为“0”,载波反相;数字信息为“1”,载波相位不变,即“0”变“1”不变。当Ts=2Tc和Ts=1.5Tc时的2PSK波形图如图8.4.2(a)、(b)所示。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,2
8、6,8.4 二进制相位调制,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,27,8.4 二进制相位调制,2PSK信号的功率谱,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,28,8.4 二进制相位调制,2PSK信号的功率谱与2ASK信号的功率谱形状相同,只是少了一个离散的载波分量,这是由于双极性数字基带信号在“1”、“0”等概时直流分量等于零的缘故。带宽B=2fs,频带利用率为 0.5 baud/Hz。由于无载波分量,所以2PSK只能采用相干解调。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,29,8.4 二进制相位调制,2PSK的解调,判决规则(1变0不变):,(极性比较法解调),2
9、023/11/17,西南交通大学电气工程学院,30,8.4 二进制相位调制,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,31,8.4 二进制相位调制,2PSK的抗噪声性能,误码率的基本分析方法是:(1)求出发“1”及发“0”时低通滤波器输出信号的数学表达式。(2)求出取样值的概率密度函数。(3)求出解调器的平均误码率公式。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,32,8.4 二进制相位调制,对2PSK,假设采用1变0不变规则,,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,33,8.4 二进制相位调制,2PSK的反向工作问题(倒现象),2PSK信号是以一个固定初相的未调载波作为
10、参考的。因此,解调时必须有与此同频同相的同步载波。由于接收端恢复载波常常采用二分频电路,它存在相位模糊,即用二分频电路恢复的载波有时与发送载波同相,有时反相。当本地参考载波反相时,则相乘器以后的输出波形都和载波同频同相时的情况相反,判决器输出的数字信号全错,与发送数码完全相反,这种情况称为反向工作。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,34,8.4 二进制相位调制,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,35,8.4 二进制相位调制,相对调相(差分相移键控,2DPSK),2DPSK信号的产生,用二进制数字信息去控制载波相邻两个码元的相位差,使载波相邻两个码元的相位差随二进制
11、数字信息变化。载波相邻两码元的相位差定义为n=n-n-1n、n-1分别表示第n及n-1个码元的载波初相。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,36,8.4 二进制相位调制,由于二进制数字信息只有“1”和“0”两个不同的码元,受二进制数字信息控制的载波相位差n也只有两个不同的值。通常选用0和180两个值。“1”码、“0”码和0、180之间有两种一一对应关系,如图所示。,“1”码n=180“1”码n=0“0”码n=0“0”码n=180(1)(2),2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,37,8.4 二进制相位调制,下面都假设2DPSK调制都采用对应关系(1),此对应关系也称为
12、“1”变“0”不变规则。,参考信号的初相为0,参考信号的初相为180。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,38,8.4 二进制相位调制,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,39,8.4 二进制相位调制,由图可见,2DPSK调制器的输出信号对输入的绝对码an而言是2DPSK信号,但对相对码bn而言是2PSK信号,所以对于相同的数字信息序列,2PSK信号和2DPSK信号具有相同的功率谱密度函数,因此,2DPSK信号的带宽也为B2DPSK=2fs其中,fs在数值上等于数字信息的码元速率。,2DPSK信号的功率谱和带宽,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,40,8
13、.4 二进制相位调制,2DPSK信号的解调,c(t),抽样判决,LPF,定时脉冲,差 分译 码,an=bnbn-1,极性比较法解调,2DPSK信号,bn,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,41,8.4 二进制相位调制,2DPSK信号克服反向工作波形示意图,2PSK解调结果与bn相同,2PSK解调结果与bn反相,两种情况差分译码结果与an完全相同,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,42,8.4 二进制相位调制,相位比较法解调(差分相干解调),特 点:解调器同时实现码变换;无需相干载波;需要一个精确延迟电路。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,43,8.4
14、 二进制相位调制,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,44,8.4 二进制相位调制,2DPSK的抗噪声性能,极性比较法,相位比较法,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,45,8.5 性能比较,带宽和频带利用率,设码元速率为Rs=fs,则 B2ASK=B2PSK=2fs B2FSK=|f2-f1|+2fs,结 论:2FSK有效性最差。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,46,8.5 性能比较,抗噪声性能(误码率),结论:各信号按抗噪声性能优劣的排列是2PSK相干解调、2DPSK相干解调、2DPSK非相干解调、2FSK相干解调、2FSK非相干解调、2ASK相干
15、解调、2ASK非相干解调。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,47,8.5 性能比较,误码率随峰值信噪比的变化曲线,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,48,8.5 性能比较,对信道特性变化的敏感性,在2FSK中是比较两个取样值的大小来判决其对信道特性变化的敏感性的,没有人为设定门限。在2PSK中,判决电平为0,通常选地电位,它很稳定,并且与输入信号幅度无关,接收机总能保证工作于最佳判决门限状态。对2ASK,最佳判决门限为a/2,它与信号幅度有关。,结论:在信道特性变化时,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敏感,性能最差。,2023/1
16、1/17,西南交通大学电气工程学院,49,8.5 性能比较,设备的复杂程度,对于三种调制技术,发端设备的复杂程度相差不多,但接收端的复杂程度却和解调方式有密切关系。对同一种调制方式,相干解调的设备比非相干解调的设备要复杂得多,因为相干解调需要提取与调制载波同频同相的本地载波。对不同的调制方式,2FSK解调相对较复杂,因为它需要两个支路。,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,50,8.5 性能比较,计算举例,例1 2ASK,Rs=4.8106baud,接收端输入信号幅度a=1 mV,n0=210-15 W/Hz。分别求相干和非相干接收时的误码率。,解 接收机带通滤波器带宽为 B=2R
17、s=9.6106 Hz 窄带噪声功率 峰值信噪比,相干接收:,非相干接收:,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,51,8.5 性能比较,例2 2FSK,f1=2025Hz,f2=2225Hz,Rs=300baud,信道带宽3000Hz,信道输出信噪比为6dB。求:(1)2FSK信号的带宽;(2)非相干接收时的误码率。,解(1)B=|f1-f2|+2Rs=800 Hz(2)BPF带宽为 Bb=2Rs=600 Hz,则输出信噪比为信道输出信噪比的3000/600=5倍,即,2023/11/17,西南交通大学电气工程学院,52,8.6 现代数字调制技术,多进制数字调制利用多进制数字基带信
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