黑大《通信原理》第七章課件

1、第7章 數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)71 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理72 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能73 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較74 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理75 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 實(shí)際中的大多數(shù)信道(如無(wú)線信道)因具有帶通特性而不能直接傳送基帶信號(hào)，必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號(hào)與信道的特性相匹配。 這種用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波，把數(shù)字基帶信號(hào)變換為數(shù)字帶通信號(hào)(已調(diào)信號(hào))的過(guò)程稱為數(shù)字調(diào)制(digital modulation)。 在接收端通過(guò)解調(diào)器把帶通信號(hào)還原成數(shù)字基帶信號(hào)的過(guò)程稱為數(shù)字解調(diào)(digital demodulation)。 通常把包括調(diào)制和解調(diào)過(guò)程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)叫

2、做數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)。也稱為頻帶傳輸、載波傳輸。數(shù)字調(diào)制方法利用模擬調(diào)制的方法利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)通過(guò)開關(guān)鍵控載波【鍵控法】振幅鍵控(Amplitude Shift Keying, ASK)頻移鍵控(Freguency Shift Keying, FSK)相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)71 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理 調(diào)制信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)時(shí)，這種調(diào)制稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)二進(jìn)制相移鍵控(2PSK) 711 二進(jìn)制振幅鍵控 1基本原理 振幅鍵控是利用載波的幅度變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。 在2A

3、SK中，載波的幅度只有兩種變化狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制信息“0”或“1”。 一種常用的二進(jìn)制振幅鍵控方式稱為通斷鍵控(On Off Keying, OOK)a)2ASK信號(hào)的一般表達(dá)式 設(shè)g(t)是高度為1、寬度等于Ts的矩形脈沖；an是第n個(gè)符號(hào)的電平取值。 若取2ASK/OOK則相應(yīng)的2ASK信號(hào)就是OOK信號(hào)。 b)2ASK/OOK信號(hào)的產(chǎn)生c)2ASK/OOK信號(hào)的解調(diào)與模擬信號(hào)的接收系統(tǒng)相比，增加了一個(gè)“抽樣判決器”。 2ASK傳輸技術(shù)受噪聲影響很大。噪聲電壓和信號(hào)一起改變了振幅。在這種情況下，“0”可能變?yōu)椤?”，“1”可能變?yōu)椤?”。 2ASK作為研究其他數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)功率譜密度令概

4、率P1/2功率譜密度特點(diǎn)： 1)該2ASK信號(hào)功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成，連續(xù)譜取決于g(t)經(jīng)線性調(diào)制后的雙邊帶譜，離散譜則處在載波頻率上； 2) 2ASK信號(hào)的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的兩倍；2ASK信號(hào)的傳輸帶寬是碼元速率的2倍。712二進(jìn)制頻移鍵控 1基本原理 a)2FSK表達(dá)式載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化。其表達(dá)式為 b)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生 1)采用模擬調(diào)頻電路來(lái)實(shí)現(xiàn)在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的 2)采用鍵控法在相鄰碼元之間的相位是不連續(xù)變化的 c)2FSK信號(hào)的解調(diào) 1)非相于解調(diào)（包絡(luò)檢波）3)過(guò)零檢測(cè)法4)如鑒頻法5)差分檢測(cè)法等。 2功率譜密

5、度 對(duì)相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)，可以看成由兩個(gè)不同載頻的2ASK信號(hào)的疊加，2ASK頻譜2ASK頻譜圖令概率P1/2連續(xù)譜離散譜兩個(gè)中心位f1和f2處的雙邊譜兩個(gè)載頻f1和f2處若 ，連續(xù)譜在f0處出現(xiàn)單峰若 ，連續(xù)譜出現(xiàn)雙峰2FSK信號(hào)的帶寬713二進(jìn)制相移鍵控 1基本原理 相移鍵控是利用載波的相位變化來(lái)傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。 a)2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式 在2PSK中，通常用初始相位0和分別表示二進(jìn)制“1”和“0”。表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位2PSK信號(hào)表述為一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波的相乘2ASK發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“0時(shí)(an取+1)，e2PSK(t)取0相位發(fā)送

6、二進(jìn)制符號(hào)“1時(shí)(an取-1)，e2PSK(t)取相位以載波的不同相位直接去表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式，稱為二進(jìn)制絕對(duì)相移方式。1)采用模擬調(diào)制2)采用鍵控法b)2PSK信號(hào)的產(chǎn)生在2ASK中s(t)是單極性的，而在2PSK中s(t)是雙極性的基帶信號(hào)。 假設(shè)相干載波的基準(zhǔn)相位與2PSK信號(hào)的調(diào)制載波的基準(zhǔn)相讓一致(默認(rèn)為0相位)。 由于在2PSK信號(hào)的載波恢復(fù)過(guò)程中存在著 180的相位模糊，即恢復(fù)的本地載波與所需的相干載波可能同相，也可能反相，這種相位關(guān)系的不確定性將會(huì)造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好相反。 這種現(xiàn)象稱為2PSK方式的“倒”現(xiàn)象或“反相工作”。 2功率譜

7、密度 在2ASK中s(t)是單極性的， 而在2PSK中s(t)是雙極性的基帶信號(hào)。2PSK信號(hào)的功率譜Ps( f )是雙極性全占空矩形隨機(jī)脈沖序列的功率譜。若等概(P=1/2)，矩形脈沖的頻譜 714二進(jìn)制差分相移健控 1基本原理 2PSK信號(hào)的相位變化是以未調(diào)載波的相位作為參考基準(zhǔn)的。它利用載波相位的絕對(duì)數(shù)值表示數(shù)字信息，又稱為絕對(duì)相移。 2PSK相干解調(diào)時(shí)，由于載波恢復(fù)中相位有0、模糊性，導(dǎo)致解調(diào)過(guò)程出現(xiàn)“反向工作”現(xiàn)象。 為了克服此缺點(diǎn)，采用二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPS)方式。 a)2DPSK的相對(duì)相位 2DPSK利用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化傳遞數(shù)字信息，所以又稱相對(duì)相移鍵控。假設(shè)

8、 為當(dāng)前碼元與前一碼元的載波相位差一組二進(jìn)制數(shù)字信息與其對(duì)應(yīng)的2DPSK信號(hào)的載波相位二進(jìn)制數(shù)字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 02DPSK信號(hào)相位：(0)000()0000002DPSK信號(hào)的前后碼元相對(duì)相位的差才唯一決定信息符號(hào) 克服了2PSK存在的 “反向工作”現(xiàn)象。 在某個(gè)長(zhǎng)的碼無(wú)序列中，信號(hào)波形的相位可能仍沒有突跳點(diǎn)，致使在接收端無(wú)法辨認(rèn)信號(hào)碼元的起止時(shí)刻。 矢量圖 在某個(gè)長(zhǎng)的碼無(wú)序列中，信號(hào)波形的相位可能仍沒有突跳點(diǎn)，致使在接收端無(wú)法辨認(rèn)信號(hào)碼元的起止時(shí)刻。 在相鄰碼元之間必定有相位突跳b) 2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生先把表示數(shù)字信息序列的絕對(duì)碼變換成相對(duì)碼(差分碼)，再根據(jù)相對(duì)

9、碼進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相，從而產(chǎn)生二進(jìn)制差分相移鍵控信號(hào)。差分碼傳號(hào)差分碼空號(hào)差分碼傳號(hào)差分碼的編碼規(guī)則載波的相位遇到原數(shù)字信息“1”變化，遇到“0”則不變 c)2DPSK信號(hào)的解調(diào)差分譯碼(碼反變換)1)相干解調(diào)(極性比較法)加碼反變換法。2)2DPSK信號(hào)的差分相干解調(diào)(相位比較法) 不需要專門的相干載波， 不需要碼反變換器。2功率譜密度 2DPSK可以與 2PSK具有相同形式的表達(dá)式。所不同的是2PSK中的基帶信號(hào)s(t)對(duì)應(yīng)的是絕對(duì)碼序列；而 2DPSK中的基帶信號(hào)S( t)對(duì)應(yīng)的是碼變換后的相對(duì)碼序列。 2DPSK信號(hào)和2PSK信號(hào)的功率譜密度是完全一樣的。 2DPSK信號(hào)功率譜。 信號(hào)帶寬為

10、與2ASK相同，也是碼元速率的2倍。72 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 假設(shè)信道特性是恒參信道， 在信號(hào)的頻帶范圍內(nèi)具有理想矩形的傳輸特性(可取其傳輸系數(shù)為K)； 信道噪聲是加性高斯白噪聲。 7.2.1 2ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能 1同步檢測(cè)法的系統(tǒng)性能設(shè)在一個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)，其發(fā)送端輸出的信號(hào)波形在每一段時(shí)間(0，Ts)內(nèi)，接收端的輸入波形為ui(t)為uT(t)經(jīng)信道傳輸后的波形。信號(hào)經(jīng)過(guò)信道傳輸后只受到固定衰減，未產(chǎn)生失真(信道傳輸系數(shù)取為K)，令a=AK，ni(t)是均值為0的加性高斯白噪聲接收端帶通濾波器，恰好使信號(hào)無(wú)失真通過(guò)帶通濾波器的輸出波形n(t)為窄帶高斯噪聲，其均值為

11、0，方差為在抽樣判決器輸入的波形x(t)是一個(gè)高斯隨機(jī)過(guò)程，其均值分別為a(發(fā)“1”時(shí))和0(發(fā)“0”時(shí))，方差等于第k個(gè)符號(hào)的抽樣時(shí)刻的抽樣值發(fā)送“1”時(shí)，x的一維概率密度函數(shù)發(fā)送“0”時(shí)，x的一維概率密度函數(shù)當(dāng)發(fā)送“1”時(shí)，錯(cuò)誤接收為“0”的概率當(dāng)發(fā)送“0”時(shí)，錯(cuò)誤接收為“1”的概率同步檢測(cè)時(shí)2ASK系統(tǒng)的總誤碼率判決門限為b最佳判決門限若P(1)=P(0)=1/2，則最佳判決門限為2ASK信號(hào)采用相干解調(diào)(同步檢測(cè))時(shí)系統(tǒng)的誤碼率解調(diào)器輸入端的信噪比 當(dāng)大信噪比( r 1)時(shí)2包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能帶通濾波器a)當(dāng)發(fā)送“1”符號(hào)時(shí)，包絡(luò)檢波器的輸出波形抽樣值是廣義瑞利型隨機(jī)變量 設(shè)判決門限

12、為b，則發(fā)送1時(shí)錯(cuò)判為“0”的概率為b)當(dāng)發(fā)送“0”符號(hào)時(shí)，包絡(luò)檢波器的輸出波形抽樣值是瑞利型隨機(jī)變量則發(fā)送“0時(shí)錯(cuò)判為“1”的概率為總誤碼率若P(1)=P(0)=1/2，則最佳判決門限近似為在大信噪比的情況下 在相同的信噪比條件下， 同步檢測(cè)法的抗噪聲性能優(yōu)于包絡(luò)檢波法， 但在大信噪比時(shí)，兩者性能相差不大。包絡(luò)檢波法不需要相干載波，因而設(shè)備比較簡(jiǎn)單。包絡(luò)檢波法存在門限效應(yīng)，同步檢測(cè)法無(wú)門限效應(yīng)。例設(shè)有一2ASK信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其碼元速率為發(fā)“1”和發(fā)“0”的概率相等，接收端分別采用同步檢測(cè)法和包絡(luò)檢波法解調(diào)。已知接收端輸入信號(hào)的幅度a=1mV，信道中加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度試求： (1)

13、同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率； (2)包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率。722 2FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能 1同步檢測(cè)法的系統(tǒng)性能在一個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)，發(fā)送端產(chǎn)生的2FSK信號(hào)可表示為在一個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)，接收端的輸入合成波形ni(t)是均值為0的加性高斯白噪聲設(shè)帶通濾波器恰好使相應(yīng)的信號(hào)無(wú)失真通過(guò)，則其輸出端的波形n1(t)、 n2(t)是一個(gè)窄帶高斯過(guò)程均值0，方差等于a)發(fā)送“1”符號(hào)，則上下支路兩個(gè)帶通濾波器的輸出波形抽樣判決器兩路輸入波形抽樣值的一維概率密度函數(shù)傳1判為0的錯(cuò)誤概率b)同理可得，發(fā)送0”錯(cuò)判為“1”的概率若P(1)=P(0)=1/2，總誤碼率在大信噪比(r1)條

14、件下 2包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能b）發(fā)送“1”符號(hào)兩路包絡(luò)檢波器的輸出V1(t)抽樣值V2的一維概率密度函數(shù)服從廣義瑞利分布.V2(t)抽樣值V2的一維概率密度函數(shù)服從瑞利分布。傳1判為0的錯(cuò)誤概率b)同理可得，發(fā)送0”錯(cuò)判為“1”的概率 在大信噪比條件下，2FSK信號(hào)包絡(luò)檢波的系統(tǒng)性能與同步檢測(cè)時(shí)的性能相差不大，但同步檢測(cè)法的設(shè)備卻復(fù)雜得多。例采用2FSK方式在等效帶寬為2400Hz的傳輸信道上傳輸二進(jìn)制數(shù)字。2FSK信號(hào)的頻率分別為f1=980Hz, f2=1580Hz，碼元速率RB=300B。接收端輸入的信噪比為6dB。試求： (1)2FSK信號(hào)的帶寬； (2)包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率；

15、 (3)同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率。總誤碼率723 2PSK和2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能在一個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)，發(fā)送波形 12PSK相干解調(diào)(極性比較法)系統(tǒng)性能接收端帶通濾波器輸出波形抽樣判決器的輸入波形其一維概率密度函數(shù)發(fā)送“1”時(shí)發(fā)送“0”時(shí)若P(1)=P(0)=1/2，則最佳判決門限將“1”判為“0”的錯(cuò)誤，將“0”判為“1”的錯(cuò)誤，2PSK信號(hào)采用同步檢測(cè)法時(shí)的系統(tǒng)誤碼率為在大信噪比(r1)條件下22DPSK信號(hào)相干解調(diào)系統(tǒng)性能2PSK相干解調(diào)無(wú)錯(cuò)碼1 0 1 1 0 0 1 1 1 01101010011個(gè)錯(cuò)碼1 0 1 0 0 1 1 1 01101001連續(xù)2個(gè)錯(cuò)碼1 0 1 0 1 1 1 01111001 bn中有連續(xù)n個(gè)(n1)錯(cuò)碼，碼反變換器輸出的an中也只有2個(gè)錯(cuò)碼，并且錯(cuò)碼位置在兩頭。 設(shè)Pe為碼反