通信原理第7版第7章PPT课件(樊昌信版).ppt

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1、数字带通传输,第7章,樊昌信 曹丽娜 编著,通信原理（第7版）,二进制数字调制/解调原理 2ASK 2FSK 2PSK/2DPSK 二进制数字调制系统抗噪声性能 二进制数字调制系统的性能比较 多进制数字调制原理和特点,本章内容:,第7章 数字调制,数字调制：用数字基带信号控制载波某个参数的过程。 数字带通传输系统：包括调制/解调过程的数字传输系统。,振幅键控 频移键控 相移键控,模拟调制法 数字键控法,二进制和多进制调制 基本调制和新型调制,方法,分类,Amplitude Shift Keying,Frequency Shift Keying,Phase Shift Keying,ASK,PS

2、K,FSK,概 述,二进制数字调制原理,7.1,1,0,1,1,0,1,s(t),载波,2ASK,t,表达式：,2ASK 也称 OOK,t,t,原理：,波形：,单极性,Ts,s(t)载波幅度,7.1.1 二进制振幅键控 （2ASK）,2ASK 产生,模拟调制法,键控法,2ASK 解调,包络检波法,相干解调法,包络检波法的各点波形,相呼应,原理： 波形： 表达式：,s(t)载波频率,7.1.2 二进制频移键控（2FSK）,10,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,模拟调频法：相邻

3、码元之间的相位是连续变化的。 键控法：相邻码元之间的相位不一定连续。,2FSK 产生,特点：转换速度快、电路简单、 产生的波形好、频率稳定度高。,包络检波法,2FSK 解调,0,1,0,1,s1,s2,其他解调方法：鉴频法、差分检测法、过零检测法等。,相干解调法,过零检测法,FSK应用：,原理： 波形： 表达式：,双极性,s(t)载波相位,7.1.3 二进制相移键控 （2PSK）,2PSK 产生,键控法,2PSK 解调,模拟调制法,2PSK 解调原理 框图 和 各点波形：,2PSK存在问题：,解决方案： DPSK,Differential PSK,载波相位模糊,倒现象 (反相工作),利用前后相

4、邻码元的载波相对相位表示信息。,矢量图:,B方式,A方式,基准 2PSK 前一 2DPSK,原理：,7.1.4 二进制差分相移键控 （2DPSK）,波形:,示例:,差分编码规则：,为模2加 bn-1为 bn的前一码元 最初bn-1可任意设定,2DPSK 产生,构思,2DPSK 解调,模型,（差分编码）,（1）2DPSK 相干解调 + 码反变换法,相位 模糊,消除影响,（2） 2DPSK 差分相干解调 (相位比较)法,相乘器 起着 相位比较的作用,分析目的：B 和 fc,分析方法：借助于基带信号的功率谱,Power Spectral Density,7.1.5 二进制数字已调信号的功率谱 (PS

5、D),设 Ps (f) s(t) 的PSD P2ASK (f) 2ASK信号的PSD 则,1 2ASK信号的功率谱密度,可见， P2ASK (f) 是Ps (f)的线性搬移（属线性调制）。,单极性,基带带宽,fB = 1/TB=RB,2PSK信号的频谱与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，谱中无离散谱（即载波分量）。,2 2PSK/2DPSK信号的功率谱密度,双极性,3 2FSK信号的功率谱密度,连续谱形状随着两个载频之差的大小而变化,谱零点带宽：,二进制数字调制系统 抗噪声性能,7.2,概 述,性能指标：系统的误码率 Pe 分析方法：借用数字基带系统

6、的方法和结论 分析条件：恒参信道（传输系数取为 K ） 信道噪声是加性高斯白噪声 背景知识： 窄带噪声 正弦波+窄带噪声,a = kA,7.2.1 2ASK系统的抗噪声性能,2ASK-相干解调,（均值 a或 0，方差 n2），一维概率密度函数：,nc(t)是高斯过程 （0， n2）,抽样：,x 高斯,发送“1”时,发送“0”时,设判决门限为 b，则判决规则为：,b,咦？好像与单极性基带系统 的情况类似！,西安电子科技大学,因此，借助单极性基带系统的分析结果：,=单极性基带信号+高斯噪声,可方便地得到2ASK-相干系统的分析结果：,借用：,2ASK信号相干解调时系统的总误码率为,r 1时,解调器

7、 输入端 信噪比,2ASK-包络检波,正弦波+窄带高斯噪声,窄带高斯噪声,包络检波器 整流-低通,当发送“1”符号时，包络检波器的输出为 当发送“0”符号时，包络检波器的输出为, 广义瑞利分布, 瑞利分布,式中，n2为窄带高斯噪声n(t)的方差。,设判决门限为b ，判决规则为：,发“1”错判为“0”的概率为,利用Marcum Q函数：,r = a2 / 2n2 信号噪声功率比 b0 =b /n 归一化门限值,则 P(0/1) 可借助Marcum Q函数表示为,发“0”错判为“1”的概率为,系统的总误码率为,当 P(1) = P(0) 时，有,包检系统的Pe取决于信噪比r 和归一化门限值b0,求

8、最佳判决门限，令：,当P(1)=P(0)时，有,最佳判决门限:,归一化最佳判决门限:,实际情况 系统工作在大信噪比情况下，最佳门限应取： 此时，系统的总误码率为：,当 r 时，上式的下界为：,归纳,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：,解,(1) 同步检测法解调时系统的误码率为 (2) 包络检波法解调时系统的误码率为,评注,7.2.2 2FSK 系统的抗噪声性能,相干解调,n1(t)和n2(t)是ni(t)经过上、下带通 滤波器的输出噪声窄带高斯噪声,均值同为0 方差同为n2,只是中心频率 不同而已,发“1”时：,经过相干解调后，送入抽样判决器的两路波形分别为：

9、 上支路 下支路,式中，n1c(t) 和 n2c(t) 均为低通型高斯噪声，( 0，n2 ),发 “1” 错判为“0”的概率为,判决 规则,r 1时,发 “0” 错判为 “1” 的概率,2FSK-相干解调系统的总误码率为,西安电子科技大学,包络 检波器,包络 检波器,发 “1” 符号（对应1）时：,2FSK-包络检波, 广义瑞利分布, 瑞利分布,一维概率密度函数分别为：,上支路,下支路,判决 规则,发“1” 错判为“0”的概率为,根据MarcumQ函数的性质:,可得：,令,代入上式，简化为：,对比：2FSK -相干解调系统的总误码率,因此，2FSK- 包络检波系统的总误码率为,r 1,发“0”

10、 错判为“1”的概率为,（2）上、下支路带通滤波器(BPF)的带宽近似为：,解,（3） 同步解调时系统的误码率:,信道输出端信噪比为 6dB（即4），带通滤波器输出 端（解调器输入端)的信噪比为：,因此，包络检波时系统的误码率：,在任意一个TB内， 2PSK 和2DPSK都可表示为：,2PSK 信号,2DPSK 信号,原始数字信息 （绝对码）,相对码,7.2.3 2PSK/2DPSK系统的抗噪声性能,1 2PSK相干解调系统,因此，x(t)的一维概率密度函数为:,高斯噪声 ( 0，n2 ),高斯噪声 ( a，n2 ),与双极性基带系统 的情况类似,=双极性基带信号+高斯噪声,可见,因此，借助双

11、极性基带系统的分析结果：,可方便地得到2PSK-相干系统的分析结果：,2PSK信号相干解调系统的总误码率：,r 1时,解调器 输入端 信噪比,f点：绝对码序列。只需在Pe2PSK基础上考虑码反变换器 对误码率的影响即可。,e点：相对码序列。由2PSK误码率公式来确定：,（无误码）,（bn错1个码）,（bn连错2个码）,（ bn连错n 个码）,an 总是错 2个,码反变换器对误码的影响：,an 错 2个,在大信噪比（r 1）时，Pe1，因此：,条件： 假设每个 相对码 出错概率 相等 且 统计独立, 2DPSK相干+码反变换系统的误码率：,式中：,3 2DPSK 差分相干解调(相位比较）,两者独

12、立,则低通滤波器的输出为:,经抽样后的样值为:,x 0，判为“1”正确 x 0 ，判为“0”错误,判决,发“1”错判为“0”的概率为： 利用恒等式 令上式中 则,，,，,R12,R22,令,简 化 为,由随机信号理论可知：R1的一维分布服从广义瑞利分布， R2的一维分布服从瑞利分布，其概率密度函数分别为： 将以上两式代入： 可得：,2DPSK -差分相干解调系统的总误码率为：,发“0”错判为“1”的概率为：,(1) 接收端带通滤波器的带宽为: 输出噪声功率:,可得:,由,解,因此，接收机输入端所需的信号功率为：,（2）相干解调-码反变换的2DPSK系统：,即有：,查误差函数表，可得,由 r =

13、 a2 / 2n2可得接收机输入端所需的信号功率：,配套辅导教材：,曹丽娜 樊昌信,编著,国防工业出版社,整理知识 归纳结论 梳理关系 引导主线 剖析难点 解惑疑点 强化重点 点击考点,7.3,二进制数字调制系统 性能比较,1 误码率 可靠性,讨论,2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,讨论,2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,讨论,2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,讨论,2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK,大信噪比(r 1)时, 两者性能相差不大。,B2FSK不仅与基带信号带宽有关，且与两个载频之差有关。,设基带信号的谱零点带宽为RB=1/TS，则有：,在RB一定时，

14、2FSK的频带利用率最低，有效性最差。,2 频带带宽有效性,2ASK：,2PSK：,2FSK：,3 对信道特性变化的敏感性,通常，非相干方式 比 相干方式简单。 这是因为相干解调需要提取相干载波， 故设备相对复杂些，成本也略高。,4 设备的复杂度,综述,配套辅导教材：,曹丽娜 樊昌信,编著,国防工业出版社,整理知识 归纳结论 梳理关系 引导主线 剖析难点 解惑疑点 强化重点 点击考点,多进制 数字调制系统,7.4,引言,二进制：每个码元只携带 1 bit 信息,M,log 2M,西安电子科技大学 通院,MASK可看成是二进制振幅键控（2ASK）的推广。,且有,7.4.1 多进制振幅键控 （MA

15、SK）,4ASK信号振幅有4种取值，每个码元含2bit。,MASK调制:,与2ASK的产生方法相似，区别在于: 发送端输入的二进制数字基带信号需要先经过电平变换器转换为M电平的基带脉冲，然后再去调制。,MASK解调:,与2ASK信号解调也相似，有相干和非相干解调两种。,MASK信号的功率谱 与 2ASK信号具有相似的形式; 谱零点带宽是 M 进制数字基带信号带宽的两倍。 在 Rb相同时，MASK信号带宽是 2ASK的 1 / log2M 倍 。,MASK的抗噪声能力差， 常用多进制正交振幅调制（MQAM）来代替。,MFSK可视为2FSK方式的推广。,4FSK采用 4种不同的频率分别表示双比特信

16、息：,7.4.2 多进制频移键控 （MFSK）,MFSK调制与解调的原理框图：,要求载频之间的距离足够大，以便用滤波器分离不同频率的谱。,MFSK信号占用较宽的频带，信道频带利用率不高。,MFSK一般用于 调制速率(1/TB) 不高的衰落信道 传输场合。,利用载波的M种不同相位表示数字信息。,信号矢量图（星座图）：,7.4.3 多进制相移键控 （MPSK）,1 基本概念,2 4PSK 调制,QPSK的每一种载波相位代表两个比特： （00、01、10 或 11）,两个比特的组合 称做 双比特 码元，记为 a b,1）双比特与载波相位的关系,矢量图,注：对应关系可有不同规定，但相邻码组应符合格雷码

17、编码规则,波形,正交调相法,2） QPSK调制,根据当时的双比特ab，选相电路从候选的4个相位中选择相应相位的载波输出。,相位选择法,a,b,B方式,原理：,解决方案：采用四相相对相位调制，即QDPSK。,存在问题：存在900的相位模糊（0, 90, 180, 270）,原理：分解为两路2PSK信号的相干解调。,3 QPSK 解调,跳变周期 2Tb 带宽 B = Rb,QPSK 特点：,相位跳变：0, 90, 180,最大相位跳变180，使限带的QPSK信号包络起伏很大，并出现包络零点。 频谱扩展大，旁瓣对邻道干扰大。,QPSK 缺点：,改进思路：,QPSK 相位路径,最大相位跳变 180,改

18、进思路：,信号点不作对角线移动 即双比特ab不同时跳变,改进思路：,信号点不作对角线移动 即双比特ab不同时跳变,OQPSK 相位路径,相位跳变 0或 90,4 OQPSK (偏置或交错QPSK，Offset QPSK),如何实现？,OQPSK,限带QPSK 与 限带OQPSK 对比：,最大相位跳变180 包络起伏大 频谱扩展大 相位跳变周期 2Tb,最大相位跳变90 包络起伏小 频谱扩展小 相位跳变周期 Tb,影响 主瓣 带宽,由两个相差/4的QPSK星座图交替产生： A方式: 0, 90,180 B方式: 45, 135,5 /4 - QPSK,原理和特点：,4-QPSK优势：,原理与 2

19、DPSK 类似：利用相邻码元载波的相对相位 变化 表示 数字信息。,QDPSK与QPSK的关系，如同2DPSK与2PSK关系,4DPSK 也称 QDPSK,7.4.4 多进制差分相移键控 （MDPSK ）,1 基本原理,QDPSK的矢量图与QPSK的矢量图相似 只是参考相位 是前一码元的载波相位,矢量图,前一码元 载波相位,波形,也有正交调相法 和 相位选择法,差分 编码,将绝对码 ab 相对码 cd,码变换+绝对调相 原理图,B方式,仅需在QPSK调制器基础上增添差分编码（码变换）,2 QDPSK调制,c,d,a,b,QDPSKB方式,相干解调（极性比较）+码反变换,将相对码 cd 绝对码

20、ab,差分 译码,3 QDPSK解调,B,差分相干解调（相位比较法）,多进制数字调制系统的抗噪声性能,7.5,回顾：二进制调制系统的抗噪声性能,抑制载波MASK -相干解调系统的误码率:,M = 2时:,输入信噪功率比,- 噪声功率,Ps - 信号码元功率,- 解调器,MFSK 非相干解调系统的误码率:,每比特的信噪功率比,MFSK 相干解调系统的误码率:,比较相干和非相干解调 的 误码率，当 log2M 7时， 误码率的上界都可表示为：,MPSK(M 4) 相干解调系统的误码率:,MDPSK(M 4) 相干解调系统的误码率:,OQPSK的抗噪声性能和QPSK完全一样。,MDPSK系统的误码率,MPSK系统的误码率,