第7章 数字带通传输系统.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,7,章 数字带通传输系统,通信原理,2026/1/29 周四,1,第,7,章 数字带通传输系统,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,多进制数字调制系统,改进的数字调制方式,2026/1/29 周四,2,数字基带传输,数字频带传输,振幅键控,ASK,移频键控,FSK,移相键控,PSK,2ASK,2FSK,2PSK,2026/1/29 周四,3,0,/2,3,/2,2,2026/1/29 周四,4,二进制数字调制原理,二进制数字振幅键控（,2ASK,、,OOK,）,二进制数字移频键控（,2FSK,）,二进制数字移相键控及二进制差分相位键控（,2PSK,、,2DPSK,）,2026/1/29 周四,5,1.2ASK,数学表示式,s,(,t,),为单极性,NRZ,矩形脉冲序列：,一,.,二进制数字振幅键控（,2ASK/OOK),2026/1/29 周四,6,2.2ASK,信号的产生方法（调制方法）,模拟调幅法,键控法,(,OOK,),2026/1/29 周四,7,二进制振幅键控信号时间波型,2026/1/29 周四,8,3.2ASK,信号解调方法,包络检波法,2026/1/29 周四,9,相干检测法,2026/1/29 周四,10,4.2ASK,信号的功率谱及带宽,一个,2ASK,信号可以表示成：,已调信号功率谱为,:,若,s(t,),为单极性矩形脉冲序列，且,0,、,1,等概,2026/1/29 周四,11,带宽为：,频带利用率为：,-,f,s,f,s,f,s,f,s,f,s,f,s,2026/1/29 周四,12,二,.,二进制数字频率调制（,2FSK,）,1.,已调信号的数字表达式,其中：,2026/1/29 周四,13,2.,调制原理与实现方法,模拟调频法,键控法,2026/1/29 周四,14,2026/1/29 周四,15,二进制移频键控信号的时间波形,2026/1/29 周四,16,3.2FSK,信号的解调,(1),包络检波法,2026/1/29 周四,17,(2),相干检测法,2026/1/29 周四,18,2FSK,解调过程的波形,2026/1/29 周四,19,（,3,）鉴频法,鉴频器,抽样判决,(t),2026/1/29 周四,20,(4).,过零检测法,2026/1/29 周四,21,(5).,差分检测法,角频率频移有两种取值，乘法器输出为：,2026/1/29 周四,22,合理的选取延迟，使得,此时,输出电压与角频偏呈线性关系。,2026/1/29 周四,23,4.2FSK,信号的功率谱及带宽,2026/1/29 周四,24,带宽：,频带利用率：,2026/1/29 周四,25,三,.,二进制数字相位调制,二进制相移键控（,2PSK,）,2026/1/29 周四,26,1.2PSK,的数学表示式,2026/1/29 周四,27,2.2PSK,信号的调制方框图,2026/1/29 周四,28,3.,2PSK,信号的解调,不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为：,相干解调,2026/1/29 周四,29,2PSK,接收系统各点波形如图所示：,极性比较法,2026/1/29 周四,30,鉴相法解调,带通滤波器,鉴相器,抽样判决器,本地载波,2026/1/29 周四,31,4.2PSK,信号的频谱和带宽,2026/1/29 周四,32,5.2PSK,存在的问题,“,倒,”,现象,:,由于在,2PSK,信号的载波恢复过程中存在着,180,的相位模糊，所以,2PSK,信号的相干解调存,在随机的“倒,”,现象，从而使得,2PSK,方式在实际,中很少采用。,2026/1/29 周四,33,二进制差分相移键控（,2DPSK,）,1.,一般原理及实现方法,2026/1/29 周四,34,绝对码和相对码是可以互相转换的，其转换关系为：,编码器 译码器,2026/1/29 周四,35,2.2DPSK,的实现框图,2026/1/29 周四,36,3.,2DPSK,的解调,相干解调,-,码变换法,0 0 1 0 1 1 0,2026/1/29 周四,37,差分相干解调法,2026/1/29 周四,38,4.2DPSK,信号的频谱和带宽,（,1,）,2DPSK,与,2PSK,有相同的功率谱；,（,2,）,它们的,带宽和频带利用率均相同。,2026/1/29 周四,39,矢 量 图,0,/2,-,/2,参考相位,参考相位,A,方式,B,方式,2026/1/29 周四,40,二进制数字调制系统的抗噪声性能,7.2.1 2ASK,系统的抗噪声性能,假定信道噪声为加性高斯白噪声，其均值为,0,、方差为 ；接收的信号为：,2026/1/29 周四,41,1.,相干解调时,2ASK,系统的误码率,其接收带通滤波器,BPF,的输出为：,取本地载波，则乘法器输出，在抽样判决器输入,端得到：,2026/1/29 周四,42,x(t,),值的一维概率密度为：,2026/1/29 周四,43,不难看出，最佳判决门限为：,可以证明，这时系统的误码率为：,当信噪比远大于,1,时，上式近似为：,其中,2.,包络检测时,2ASK,系统的误码率,其中,与基带系统相同,2026/1/29 周四,44,结论,：,在大信噪比情况下，,2ASK,信号相干解调时的误码率总是低于包络检波时的误码率，即相干解调,2ASK,系统的抗噪声性能优于非相干解调系统。,2026/1/29 周四,45,例,7.2.1,设,OOK,信号的码元速率 ，,采用包络检波或同步检测法解调，已知接收端输,入信号的幅度 ，信道中加性高斯白噪声,的单边功率谱密度 。试求：,（,1,）包络检波法解调时的误码率；,（,2,）同步检测法解调时的误码率。,2026/1/29 周四,46,7.2.2 2FSK,系统的抗噪声性能,1.,同步检测法的系统性能,2026/1/29 周四,47,2.,包络检波法的系统性能,2026/1/29 周四,48,结论,：,在大信噪比情况下，,2FSK,信号相干解调时的误码率总是低于包络检波时的误码率，即相干解调,2FSK,系统的抗噪声性能优于非相干解调系统。,解调方式相同时，,2FSK,系统的抗噪性能优于,2ASK,。,2026/1/29 周四,49,例,7.2.2,采用,2FSK,方式在有效带宽,2400Hz,的,传输信道上传送二进制的数字信息，已知,2FSK,信号的两个频率,f,1,=980Hz,，,f,2,=1580Hz,，码元速,率,R,B,=300B,。传输信道输出端的信噪比为,6dB,，,试求：,（,1,）,2FSK,信号的第一零点带宽；,（,2,）采用包络检波法解调时的误码率；,（,2,）采用同步检测法解调时的误码率。,2026/1/29 周四,50,7.2.3.2PSK,与,2DPSK,系统的抗噪声性能,一,、,2PSK,系统的抗噪声性能,相干检测：,2026/1/29 周四,51,二、,2DPSK,系统的抗噪声性能,极性比较,-,码变换法解调时的抗噪声性能,由此可见，码反变换器器总是使系统误码率增加，通常认为增加一倍。,2026/1/29 周四,52,差分相干解调时,2DPSK,系统的抗噪声性能,2026/1/29 周四,53,三、,2PSK,与,2DPSK,系统的比较,（,1,）检测这两种信号时判决器均可工作在最佳,门限电平（零电平）。,（,2,）,2DPSK,抗噪声性能不及,2PSK,。,（,3,）,2PSK,系统存在“反向工作”问题，而,2DPSK,系统不存在“反向工作”问题。,因此在实际应用中，真正作为传输用的数字调相信号几乎都是,DPSK,信号。,2026/1/29 周四,54,例,7.2.3,设采用,2DPSK,信号在微波线路上传送二,进制数字信息，已知码元速率 ，接收端,输入的高斯白噪声的单边功率谱密度,要求系统的误码率不大于,10,-4,，试求采用差分相,干检波法解调时，接收机输入端所需要的信号功,率。,2026/1/29 周四,55,1.,频带宽度（频带利用率）,2ASK,：,2FSK,：,2PSK/2DPSK,：,7.3,二进制数字调制系统的性能比较,2026/1/29 周四,56,2.,误码率（可靠性）,对二进制数字调制系统的抗噪声性能做如下两个方面的比较：,（,1,）,同一调制方式不同检测方法的比较,（,2,）同一检测方法不同调制方式的比较,2026/1/29 周四,57,表,7 1,二进制数字调制系统的误码率公式一览表,调制方式,误码率,相干调节,非相干调节,2ASK,2FSK,2PSK/2DPSK,2026/1/29 周四,58,误码率,Pe,与信噪比,r,的关系曲线,相干,FSK,非相干,FSK,2026/1/29 周四,59,对于同一调制方式不同检测方法，相干检测的抗,噪声性能优于非相干检测。,同一检测方法不同调制方式的比较,相干检测时，在相同误码率条件下，对信噪比的要求是：,2PSK,比,2FSK,小,3dB,，,2FSK,比,2ASK,小,3dB,；,非相干检测时，在相同误码率条件下，对信噪比的要求是：,2DPSK,比,2FSK,小,3dB,，,2FSK,比,2ASK,小,3dB,。,结论：,2026/1/29 周四,60,3.,对信道特性变化的敏感性,（,1,）最佳判决门限对信道特性变化的灵敏度,2ASK,系统最差。,2FSK,和,2PSK,系统较好。,（,2,）对信道衰落的影响,同一调制方式：,FSK,、,PSK,、,DPSK,均优于,ASK,同一解调方式：信道存在严重衰落时，通常用,非相干解调；发射机有严格功,率控制时，用相干解调。,2026/1/29 周四,61,4.,设备的复杂程度,同一调制方式，相干比非相干复杂；,同为非相干解调时，,DPSKFSKOOK,应用：,在高速数据传输中，相干,PSK,及,DPSK,用得,较多，而在中、低速数据传输中，特别是在,衰落信道中，非相干,2FSK,用得较为普遍,。,2026/1/29 周四,62,7.4,多进制数字调制系统,目的：,由于二进制数字调制系统频带利用率较低，在信道频带受限时通常采用多进制数字调制系统。,优点：,1.,相同传码率时，传信率高；,2.,相同传信率时，传码率低，码元持续时间长。,代价：,增加实现上的复杂性，降低系统的抗噪性能。,2026/1/29 周四,63,多进制数字调制系统,多进制数字振幅调制（,MASK,）系统,多进制数字频率调制（,MFSK,）系统,多进制数字相位调制（,MPSK,）系统,2026/1/29 周四,64,7.4.1,多进制数字振幅调制系统,基带信号波形,码元间隔,2026/1/29 周四,65,7.4.2,多进制数字频率调制系统,2026/1/29 周四,66,7.4.2,多进制数字频率调制系统,多进制数字频率调制一般用在,调制速率不高,的场合,具有较宽的频带，因而它的信道频带利用率不高,2026/1/29 周四,67,7.4.3,多进制数字相位调制系统,以载波相位的,M,种不同取值分别表示数字信息,信号包络波形，通常为矩形波，幅度为,1,码元间隔,第,n,个码元对应的相位，共有,M,种取值,M,进制数字相位调制信号的正交形式,2026/1/29 周四,68,多进制数字相位调制系统,00,11,参考相位,10,01,参考相位,10,11,01,00,四进制数字相位调制信号矢量图,二进制数字相位调制信号矢量图,以,0,载波相位作为参考相位,载波相位只有,0,和,两种取值,载波相位只有,/2,两种取值,载波相位四种取值,0,/2,-,/2,参考相位,参考相位,2026/1/29 周四,69,多进制数字相位调制系统,八进制数字相位调制信号矢量图,M,越大，功率谱主瓣越窄，从而频带利用率越高,2PSK,4PSK,8PSK,2026/1/29 周四,70,例：待传送二元数字序列,a,k,=1011010011,，假定,f,c,=,R,b,=1/T,s,试按下面矢量图画出,QPSK,信号,波形。,00,10,11,01,/4,？,波 形 图？,2026/1/29 周四,71,QPSK,产生与解调,a,1,0,0,1,b,1,1,0,0,a,路调制器输出,b,路调制器输出,合成相位,0,270,315,180,270,225,180,90,135,0,90,45,表,6-4,QPSK,信号相位编码逻辑关系,调相法,B,方式,2026/1/29 周四,72,QPSK,的,A,方式,调制框图,QPSK,产生与解调,2026/1/29 周四,73,QPSK,产生与解调,相位选择法,2026/1/29 周四,74,QPSK,产生与解调,n,=,/4,、,3,/4,、,5,/4,和,7,/4,图,6-26 4PSK,信号的正交解调器,t,c,w,cos,2,p,t,c,w,sin,-,积分,积分,抽样判决,抽样判决,带通,输出,接收信号,(),rt,),(,t,y,A,),(,t,y,B,),(,t,Z,A,),(,t,Z,B,抽样脉冲,),(,t,x,A,),(,t,x,B,A,B,01,10,2026/1/29 周四,75,QPSK,相干正交解调的判决准则,符号相位,n,cos,n,的极性,sin,n,的极性,判决器输出,A,B,/4,3,/4,5,/4,7,/4,2026/1/29 周四,76,QPSK,产生与解调,A,方式,11,00,2026/1/29 周四,77,QDPSK,产生与解调,双比特码元,载波相位变化（,n,）,a,b,0,0,0,0,1,90,1,1,180,1,0,270,表,7-2 QDPSK,信号载波相位编码逻辑关系,波形？,2026/1/29 周四,78,例：若输入的数字信息为,10110010011101,11,00,0,/4,？,2026/1/29 周四,79,QDPSK,产生与解调,2026/1/29 周四,80,QDPSK,产生与解调,表,7-3,QDPSK,码变换器的逻辑功能,本时刻到达的,ab,及所要求的相位相对变化,前一码元的状态,本时刻应出现的码元状态,a,n,b,n,n,c,n-1,d,n-1,n-1,c,n,d,n,n,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,0,0,90,180,270,0,0,0,1,1,1,1,0,0,90,180,270,0,1,90,0,0,0,1,1,1,1,0,0,90,180,270,0,1,1,1,1 0,0,0,90,180,270,0,1,1,180,0,0,0,1,1,1,1,0,0,90,180,270,1,1,1 0,0,0,0,1,180,270,0,90,1,0,270,0,0,0,1,1,1,1,0,0,90,180,270,0,0 0,0 1,1,1,270,0,90,180,前一双比特码元的载波相位有四种可能，现设它为,180,此时的载波相位应为,180+90=270,c,n,d,n,应为,10,码换器应将输入数据,01,（,ab,）变成,10,（,cd,）,注：前一,cd,为,11,的前提下,2026/1/29 周四,81,相干解调,+,码反变换器,QDPSK,产生与解调,2026/1/29 周四,82,表,7-4,收端码反变换器逻辑变换关系,前一时刻输入,本时刻输入,输出数据,c,n-1,d,n-1,c,n,d,n,a,n,b,n,0,0,0,0,1,1,0,1,1,0,0,0,1,1,0,1,1,0,0,1,0,0,1,1,0,1,1,0,1,0,0,1,1,0,0,1,1,1,0,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,0,1,1,0,0,1,1,0,1,1,0,0,11,00,2026/1/29 周四,83,r(t,),r(t,-T,s,),差分相干解调,11,00,2026/1/29 周四,84,表,7-5,差分相干解调的判决准则,相位差,n,n-1,的极性,的极性,判决器输出,A,B,/2,3,/2,11,00,2026/1/29 周四,85,r,=,P,s,/,n,2,为信噪比,为得到相同的误码率，多电平调制需要比二进制更高的信噪比,多电平调制尽管提高了频带利用率，但抗噪声性能却下降了，尤其抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道中采用,MASK,系统的抗噪声性能,4,2,8,16,P,s,：信号均方值的统计平均,2026/1/29 周四,86,相干解调时的误码率,r,为平均接收信号的信噪比,非相干解调时的误码率,实线为采用相干解调方式，虚线为采用非相干解调方式,信噪比,r,越大，则误码率,P,e,越小；在信噪比一定的情况下，,M,越大，则误码率,P,e,也越大,MFSK,系统的抗噪声性能,2026/1/29 周四,87,MPSK,系统的抗噪声性能,没有噪声时，每一信号相位都有相应的确定值,有噪声叠加时，合成波形相位在某一个范围内变化时，就不会产生错误判决,在,M,值很大时，差分移相和相干移相相比约损失,3dB,的功率。在四相时，大约损失,2.3dB,的功率,M,相绝对移相方式,M,相相对移相方式,2026/1/29 周四,88,欧式空间距离法,1V,1V,2V,1V,2ASK,V,1V,1V,2FSK,2PSK,4PSK,8PSK,2026/1/29 周四,89,振幅相位联合键控系统（,APK,）,问题的提出,解决方法：,振幅相位联合键控,频带利用率,功率利用率,2026/1/29 周四,90,振幅相位联合键控系统（,APK,）原理,基带信号幅度,宽度为,T,s,的单个基带信号波形,APK,信号可看作两个正交调制信号之和,2026/1/29 周四,91,一种应用广泛的,APK,信号,QAM,调制,QAM,：正交振幅调制,同相信号或,I,信号,正交信号或,Q,信号,SSB,QPSK,2026/1/29 周四,92,QAM,的星座图,2026/1/29 周四,93,16QAM,和,16PSK,的信号星座图,最大功率（或振幅）相等,16PSK,相邻信号点的距离,16QAM,相邻信号点的距离,d,2,超过,d,1,1.64,dB,在平均功率相等的情况下，,16QAM,信号比,16PSK,信号性能好,4.19,dB,16QAM,原理,2026/1/29 周四,94,16QAM,原理,星型,16QAM,星座,方型,16QAM,星座,只有两个振幅值,有三种振幅值,8,种相位,12,种相位,在衰落信道中星型,16QAM,比,方型,16QAM,星座更具有吸引力,最小移频键控（,MSK,）,MSK,是一种特殊的,CPFSK,，调制指数为,0.5,h=0.5,时，满足在码元交替点相位连续的条件,h=0.5,是移频键控为保证良好误码性能所能允许的最小调制指数,h=0.5,时，波形相关系数为,0,，信号是正交的,信号表达式,MSK,频谱特性,MSK,调制原理,MSK,信号的两个频率为：,频率间隔为,:,调制指数为,:,MSK,信号的相位约束条件,MSK,信号的相位约束条件为,当 时,当 时,附加相位函数,是一个直线方程，斜率为,a,k,/2Ts,，截距为,k,a,k,=,1,说明在任一码元周期内，,(t,),的变化量总是,/,2,a,k,=,+,1,时，增大,/,2,；,a,k,=,-1,时减小,/,2,下图是针对一特定数据序列画出的附加相位轨迹,(a),图为附加相位函数,(b),附加相位路径网格，是附加相位函数,由零开始可能经历的全部路径,MSK,调制原理,MSK,调制原理框图,MSK,解调原理框图,MSK,信号的特征,已调制信号的幅度是恒定的,（,恒定包络调制,）,码元转换时，相位连续无突变,（,峰平比低、非线性放大,）,频带利用率高。（,高速系统,）,信号频偏严格等于 ，调制指数为,0.5,在一个码元周期内，信号包含,1/4,载波周期的整数倍,信号相位在一个码元周期内变化,MSK,信号是一种包络恒定、相位连续、带宽最小且严格正交的,2FSK,信号。,GMSK,要求带外辐射功率为,-60,-80dB,GMSK,是,GSM,的优选方案,实现简单，在原,MSK,调制器增加前置滤波器,对前置滤波器的要求,带宽窄且为锐截至（抑制高频）,有较低的过脉冲响应（防止过量的瞬时频偏）,保持输出脉冲的面积不变（相干检测）,高斯滤波器满足以上的要求,类,MSK,调制的性能,新型调制技术分类,偏移,QPSK,（,OQPSK,）,OQPSK,的调制,/4-DQPSK,第七八章 小结,二进制数字调制,2ASK,（,OOK,）,2FSK,2PSK,、,2DPSK,多进制数字调制,MASK,MFSK,MPSK,、,MDPSK,（,矢量图、波形图、调制解调框图,）,改进的数字调制,APK,（,16QAM,）：,正交调制、星座图、欧氏空间距离法,MSK,GMSK,：,调制原理与特点,1.,数学表示式,2.,调制解调框图,3.,波形图与频谱图,4.,抗噪性能,作业,7-1,，,7-5(1)(2),，,7-6,，,7-7,，,7-8,，,7-11,，,7-17,，,7-18,，,7-20,，,8-1,