西南交大通信考研輔導(dǎo)班課件2.ppt

1、現(xiàn)代通信原理,第6章 正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),本章知識要點(diǎn),6.1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理 6.2 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能 6.3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較 6.4 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)及其抗噪聲性能 6.5 改進(jìn)的數(shù)字調(diào)制方式 6.6 帶通傳輸系統(tǒng)的復(fù)函數(shù)表示和計(jì)算機(jī)模擬,引言,為什么調(diào)制？ 匹配帶通信道傳輸特性：將基帶信號變換成適合在帶通信道中傳輸?shù)囊颜{(diào)信號。 有效地利用頻帶：實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用傳輸(FDM)。 天線設(shè)計(jì)：將基帶信號加載到高頻載波，可以減小無線傳輸時(shí)所使用的天線尺寸，便于實(shí)現(xiàn)。 無線通信時(shí)天線尺寸通常等于四分之一電磁波(EM)波長 提高通信系統(tǒng)抗噪聲/干擾性能。,數(shù)字調(diào)

2、制與模擬調(diào)制的比較,數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的原理相同，調(diào)制的基本方法是按基帶調(diào)制信號的變化規(guī)律去改變高頻載波某些參數(shù)(幅值、相位、頻率)的過程。 數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的不同之處在于，數(shù)字已調(diào)信號參數(shù)取值離散，而模擬已調(diào)信號參數(shù)取值連續(xù)。 根據(jù)已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)，數(shù)字調(diào)制也可分為： 線性調(diào)制：從頻譜上來看，已調(diào)信號的頻譜結(jié)構(gòu)與基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同，只不過頻率位置搬移了。 非線性調(diào)制：已調(diào)信號的頻譜不再保持原來基帶調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)，有新的頻率成分出現(xiàn)。,數(shù)字調(diào)制就是將數(shù)字符號變換成適合于信道的波形。所用的載波一般是余弦波形，調(diào)制信號為數(shù)字基帶信號。利用基帶信號控制載波的參數(shù)，使載波的參數(shù)攜帶基帶信息

3、，就完成了調(diào)制。由于數(shù)字信息是離散的，因此，調(diào)制后的載波參數(shù)取值離散。類似于用數(shù)字信息控制開關(guān)，從幾個(gè)具有不同參量的獨(dú)立震蕩源中選擇參量，因此，又稱鍵控。 常用的數(shù)字調(diào)制包括： 振幅鍵控(ASK-Amplitude Shift Keying) 移頻鍵控(FSK-Frequency Shift Keying) 移相鍵控(PSK-Phase Shift Keying),6.1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理,若調(diào)制信號是二進(jìn)制數(shù)字基帶信號，對應(yīng)的調(diào)制稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。 二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)原理 2ASK調(diào)制與解調(diào) 二進(jìn)制移頻鍵控(2FSK)原理 2FSK調(diào)制與解調(diào) 二進(jìn)制移相鍵控(2PSK,BPSK)

4、原理 2PSK調(diào)制與解調(diào) 二進(jìn)制差分移相鍵控(2DPSK)原理 2DPSK調(diào)制與解調(diào),二進(jìn)制振幅鍵控2ASK,2ASK信號表示 已調(diào)信號 調(diào)制信號 2ASK信號的功率譜,所以2ASK屬于線性調(diào)制。,0/1等概時(shí)2ASK信號的功率譜密度,-2,-1,f/fs,1,1/4,Ts/4,2,Ts/16,f,fc,-fc,1/16,2ASK信號的產(chǎn)生,模擬相乘法 數(shù)字鍵控法：利用數(shù)字基帶信號控制載波的幅值,二進(jìn)制單極性不 歸零基帶信號,2ASK信號也被稱為通-斷鍵控(OOK,On-Off Keying)信號,s(t),載波,開關(guān)電路,通-斷鍵控(OOK,On-Off Keying),1 0 0 1,1,

5、0,-1,1,1,0,0,t,Ts,基帶信號波形,2ASK信號波形,s(t),eo(t),t,2ASK信號的非相干解調(diào),定時(shí)脈沖,帶通 濾波器,半波或全 波整流器,低通 濾波器,抽樣 判決器,輸出,包絡(luò)檢波,窄帶高斯噪聲,BG：基帶信號帶寬,判決規(guī)則(二元單極性不歸零基帶信號的判決規(guī)則)：,2ASK信號的相干解調(diào),帶通 濾波器,低通 濾波器,抽樣 判決器,輸出,載波提取電路,位定時(shí)脈沖,時(shí)鐘提取電路,窄帶高斯噪聲,低通濾波之后，2倍頻被濾掉，只留下低頻信號：,系數(shù)1/2不影響結(jié)果，可以調(diào)整濾波器增益，使,判決規(guī)則(二元單極性不歸零基帶信號的判決規(guī)則)：,2ASK頻帶傳輸系統(tǒng),基帶脈沖 生成器,

6、單極性不歸零基帶脈沖序列,an取0或1,定時(shí)脈沖,帶通 濾波器,抽樣 判決器,輸出,時(shí)鐘提取電路,理想限帶特性,低通濾波器,頻帶信道,相干解調(diào),SRRC,SRRC,二進(jìn)制移頻鍵控2FSK,2FSK信號的產(chǎn)生 數(shù)字鍵控法：利用數(shù)字基帶信號控制載波的頻率 模擬調(diào)頻法,2FSK信號相位不連續(xù),基帶信號,FSK信號,1 0 0 1,f1 f2 f2 f1,f1 f1,f2 f2,ASK信號,ASK信號,FSK信號可以視為兩個(gè)不同頻率交替發(fā)送的ASK信號之和,模2和,數(shù)字鍵控法生成的2FSK信號功率譜,0/1等概時(shí)2FSK信號的功率譜密度,f,0,f2,f1,f2+fs,fo=(f1+ f2)/2,f1

7、-fs,0/1等概時(shí)2FSK信號的功率譜密度,f,f0 -fs,f0 +fs,f0 -2fs,f0 +2fs,2FSK信號所需的第一零點(diǎn)帶寬,2FSK信號的非相干解調(diào),f1,抽樣脈沖,帶通 濾波器,包絡(luò) 檢波器,抽樣 判決器,輸出,帶通 濾波器,包絡(luò) 檢波器,f2,FSK 信號,2FSK信號的相干解調(diào),帶通 濾波器,抽樣 判決器,帶通 濾波器,FSK信號,低通濾波器,低通濾波器,f1,f2,低通濾波之后，2倍頻倍濾掉，只留下低頻信號：,二進(jìn)制移相鍵控2PSK(BPSK),2BSK信號的產(chǎn)生 數(shù)字鍵控法：利用數(shù)字基帶信號控制載波的相位 模擬相乘法,s(t),載波,開關(guān)電路,180o移相,180o

8、,0o,2PSK信號波形,載波,1 0 0 1 0 1 1 0,1 -1 -1 1 -1 1 1 -1,2PSK信號:,2PSK信號的相干解調(diào),定時(shí)脈沖,帶通 濾波器,低通 濾波器,抽樣 判決器,載波提取電路,時(shí)鐘提取電路,窄帶高斯噪聲,低通濾波之后，2倍頻被濾掉，只留下低頻信號：,判決原則：,系數(shù)1/2不影響結(jié)果，可以調(diào)整濾波器增益，使,2PSK的缺點(diǎn)在于，系統(tǒng)存在“倒現(xiàn)象”或“反向工作”現(xiàn)象，導(dǎo)致2PSK通信過程中出錯(cuò)。,LPF,LPF,環(huán)路濾波,VCO,90O,載波恢復(fù)電路：科斯塔斯環(huán),VCO: Voltage Controlled Oscillator 電壓可控振蕩器,其中是VCO輸出

9、信號與接收的PSK信號載波的相位差。,低通濾波之后，2倍頻倍濾掉，只留下低頻信號,在基帶信號為雙極性矩形脈沖時(shí)，所以,v(),-,0,v()控制VCO。由圖可以看出，VCO的穩(wěn)定工作點(diǎn)在n上(即 )，也就是說，壓控振蕩器輸出的載波可能和接收信號載波相同，也可能相位相差。這就是相位關(guān)系的不確定性，稱為0、 相位模糊度。,相位模糊,二進(jìn)制相對(差分)移相鍵控2DPSK,為了解決由于相位模糊所產(chǎn)生的“倒現(xiàn)象”問題，可以采用相對（差分）移相2DPSK數(shù)字調(diào)制技術(shù)。 二進(jìn)制差分移相鍵控2DPSK是利用前后相鄰碼元的相對載波相位差值去表示數(shù)字信息的一種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法。 假定相鄰碼元的相對相位偏移為 （

10、當(dāng)前碼元初相與前一碼元初相之差），則,CCITT標(biāo)準(zhǔn),2DPSK波形示意圖,2PSK信號,(0) () () (0) () (0) (0) (),載波,1 0 0 1 0 1 1 0,數(shù)字信息,1 0 0 0 1 1 0 1 1,(0) () () () (0) (0) () (0) (0),2DPSK信號,絕對碼ak,相對碼bk,DPSK信號生成,數(shù)字鍵控法：利用數(shù)字基帶信號控制載波的相位 模擬相乘法,單雙極性變換,雙極性不歸零脈沖序列,基帶脈沖 生成器,模二加,dn取-1或1,絕對碼到相對碼變換,時(shí)延Ts,DPSK信號解調(diào),相干解調(diào) 差分解調(diào)：直接比較前后碼元的相位差,DPSK信號,定時(shí)脈

11、沖,帶通 濾波器,低通 濾波器,抽樣 判決器,載波提 取電路,時(shí)鐘提 取電路,碼反變換,DPSK信號,定時(shí)脈沖,帶通 濾波器,低通 濾波器,抽樣 判決器,延遲Ts,時(shí)鐘提 取電路,DPSK信號的相干解調(diào),低通濾波之后，2倍頻倍濾掉，只留下低頻信號：,相對碼到絕對碼的反變換,DPSK信號的差分相干解調(diào),低通濾波之后，2倍頻倍濾掉，只留下低頻信號：,判決原則：,2DPSK信號中無相位模糊問題,載波,1 0 0 1 0 1 1 0,數(shù)字信息,1 0 0 0 1 1 0 1 1,(0) () () () (0) (0) () (0) (0),絕對碼ak,相對碼bk,始終成立,2PSK信號的功率譜,0/

12、1等概時(shí)2BSK信號的功率譜密度,當(dāng)0/1等概時(shí)，2PSK信號的功率譜密度將不存在離散譜。,f,6.2 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能分析,通信系統(tǒng)的抗噪聲性能是指系統(tǒng)克服加性噪聲影響的能力。 誤碼率是數(shù)字通信系統(tǒng)衡量抗噪聲性能的重要指標(biāo)，系統(tǒng)總的誤碼率定義為：將數(shù)字符號“1”誤判為“0”的錯(cuò)誤概率與將“0”誤判為“1”的錯(cuò)誤概率的統(tǒng)計(jì)平均，即 抗噪聲性能分析的假定條件： 數(shù)字信源等概率發(fā)送二進(jìn)制數(shù)字符號0和1； 信道為恒參信道； 噪聲為零均值、方差為 的加性高斯白噪聲；,2ASK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率,2ASK信號的相干解調(diào)的判決變量,類似于無碼間干擾的單 極性二元碼的基帶傳輸,0/1等概時(shí)的高

13、斯分布 時(shí)的最佳判決門限,2ASK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率(續(xù)),2ASK信號的非相干解調(diào)的判決變量,由概率論可知,I0(t)為一類零階修正Bessel函數(shù)。 y1(t)服從廣義Rayleigh分布，y2(t)服從Rayleigh分布,類似于無碼間干擾的單 極性二元碼的基帶傳輸,0/1等概，判決門限,Marcum Q函數(shù),最佳門限的確定,2ASK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率(續(xù)),2ASK信號的非相干解調(diào)的可靠性能 用平均信號功率S與噪聲方差N的表示2ASK信號的相干與非相干解調(diào)的可靠性能為,2ASK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率(續(xù)),在信干比足夠大時(shí)，2ASK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的相干接收和非相干接收的誤碼率性能相差不

14、大。,2FSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率,2FSK信號的相干解調(diào)的判決變量 信源發(fā)送“1”和“0”時(shí)兩個(gè)通道接收到的判決變量為 接收端在下述條件下將出現(xiàn)誤判：,2FSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率(續(xù)),即 顯然 在0/1等概時(shí)2FSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)相干解調(diào)的誤碼率為,2FSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率(續(xù)),2FSK信號非相干解調(diào)時(shí)的判決變量 接收端在下述條件下將出現(xiàn)誤判,2FSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率(續(xù)),同理 0/1等概時(shí)2FSK數(shù)字信號非相干解調(diào)的誤碼率為,2PSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率,2PSK信號相干解調(diào)的判決變量 接收端在下述條件下將出現(xiàn)誤判：,2PSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率(續(xù)),2PSK信號相干解調(diào)的

15、誤碼率為 2DPSK信號差分相干檢測系統(tǒng)的誤碼率 2DPSK信號相干檢測系統(tǒng)的誤碼率,-5,0,5,10,15,10,-6,10,-4,10,-2,10,0,SNR*,dB,Pe,coherent 2PSK,2DPSK, Differential detection,2FSK,2DPSK信號的抗噪聲性能*,2DPSK信號的差分檢測誤碼率性能： 相鄰的兩個(gè)相對碼元共有四種可能的組合，即 在0/1等概時(shí)，若假定 ，則兩種組合 或 出現(xiàn)的概率相等，且均為1/4。不失一般性，考慮組合,低通濾波濾掉2倍頻分量,2DPSK信號的抗噪聲性能(續(xù)),對應(yīng)的差分檢測判決規(guī)則為 即發(fā)送的絕對碼為 ，接收判決為 的

16、概率為,廣義Rayleigh分布,Rayleigh分布,可以推導(dǎo)發(fā)送 時(shí)的出錯(cuò)概率也為 同理,2DPSK信號的抗噪聲性能(續(xù)),2DPSK信號的抗噪聲性能(續(xù)),2DPSK信號的相干檢測誤碼率性能： 已知相對碼元采用2PSK調(diào)制時(shí)相干檢測的可靠性能為 相對碼到絕對碼的反變換 ，在相對碼到絕對碼的反變換過程中，無論相對碼出現(xiàn)多個(gè)連續(xù)的錯(cuò)誤，只要錯(cuò)誤的相對碼元前后的碼元接收正確，則只會引起兩個(gè)絕對碼元錯(cuò)誤，即絕對碼的錯(cuò)誤概率為,-5,0,5,10,15,20,10,-10,10,-8,10,-6,10,-4,10,-2,10,0,SNR*,dB,Pe,Coherent 2PSK,Coherent

17、2DPSK,Differential 2DPSK,2FSK,2ASK,6.3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較,頻帶寬度： 2ASK： 2FSK: 2PSK,2DPSK: 誤碼率： 相干接收優(yōu)于非相干接收； 在采用相同的發(fā)送電平A，背景噪聲為零均值、方差為 的加性高斯白噪聲時(shí)，2PSK性能最優(yōu)，2FSK次之，2ASK(OOK)信號性能最差；其中2PSK性能較2FSK好3dB， 2FSK性能較OOK好3dB;,-5,0,5,10,15,20,10,-10,10,-8,10,-6,10,-4,10,-2,10,0,SNR*,dB,Pe,Coherent 2PSK,Coherent 2DPSK,Diffe

18、rential 2DPSK,Coherent 2FSK,Non-coherent 2ASK,Non-coherent 2FSK,coherent 2ASK,參見表6-2,最佳判決門限值的選擇對信道特性變化是否敏感性： 2ASK：最佳門限值與接收機(jī)輸入信號的幅度有關(guān)； 2FSK：無需設(shè)置判決門限值； 2PSK,2DPSK：最佳門限值與接收機(jī)輸入信號的幅度無關(guān)； 設(shè)備復(fù)雜程度： 2ASK,2FSK,2PSK(2DPSK)發(fā)送端設(shè)備復(fù)雜程度相當(dāng) ； 相干解調(diào)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜； 非相干解調(diào)中，2DPSK最復(fù)雜，2FSK次之，2ASK最簡單。,在信道頻帶受限時(shí)，為了提高頻帶利用率，可以采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)；

19、利用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號去調(diào)制載波的振幅、頻率或相位即可實(shí)現(xiàn)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制；相應(yīng)的有多進(jìn)制數(shù)字調(diào)幅、多進(jìn)制數(shù)字調(diào)頻和多進(jìn)制數(shù)字調(diào)相等三種基本方式。 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的特點(diǎn)： 信息傳輸速率Rb (bit/s) 、碼元傳輸速率Rs (Baud/s)和進(jìn)制數(shù)M之間的關(guān)系 在相同的背景噪聲下，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能低于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),6.4 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制MASK,多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制是二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控的推廣，也稱多電平調(diào)制，它是利用多個(gè)不同電平來表征數(shù)字信息的方法；在MASK信號中，每個(gè)符號時(shí)間間隔Ts內(nèi)發(fā)送M個(gè)幅度中的一種幅度的載波信號,MASK信號的產(chǎn)生,脈沖成形濾

20、波器,二進(jìn)制變換M進(jìn)制,二進(jìn)制信息序列,M進(jìn)制符號序列,MASK信號的特點(diǎn),將二進(jìn)制信息序列分為n(=log2M)個(gè)一組，然后經(jīng)電平變換器轉(zhuǎn)換為M電平基帶信號后，經(jīng)調(diào)制后可得到MASK信號。 MASK信號可以看成時(shí)間上不重疊的M個(gè)不同振幅的OOK信號的疊加。 MASK已調(diào)信號的帶寬與二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控信號相同。 MASK信號的誤碼率為,MASK多電平調(diào)幅系統(tǒng)性能,多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制MFSK,多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制是二進(jìn)制數(shù)字頻率鍵控的推廣，也稱多頻調(diào)制，它是利用多個(gè)不同載波頻率來表征數(shù)字信息的方法。MFSK信號可以表示為 為M個(gè)不同的載波角頻率。 MFSK信號的第一過零點(diǎn)帶寬為 MFSK調(diào)制的可靠

21、性能為： 相干解調(diào) 非相干解調(diào),MFSK系統(tǒng)組成方框圖(1),MFSK系統(tǒng)組成方框圖(2),多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制MPSK,多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制又稱多相調(diào)制，其基本思路是利用載波的多種不同相位(或相位差)來表征數(shù)字信息的方法。 若相位數(shù) ，信息比特的持續(xù)時(shí)間為Ts，則MPSK的信號表示式為 MPSK信號可以近似看作為兩個(gè)正交載波進(jìn)行多電平MASK調(diào)制后的疊加信號。,常用的MPSK數(shù)字相位調(diào)制,數(shù)字相位調(diào)制中多個(gè)相位通常是等間隔取值，即,四相絕對移相鍵控QPSK信號,QPSK信號的正弦載波有4個(gè)可能的離散相位狀態(tài)，每個(gè)載波相位攜帶2位二進(jìn)制數(shù)字，其信號表示式為,(dndn-1),QPSK信號(續(xù)),Q

22、PSK信號的正交載波信號表示式為,/4QPSK信號,/4QPSK的信號表示式為,s2(01),s1(11),s3(00),s4(10),(dndn-1),/4QPSK信號(續(xù)),/4QPSK信號的正交載波表示為,/4QPSK信號等效于兩個(gè)2PSK信號的疊加,/4QPSK信號的產(chǎn)生(續(xù)),相位選擇法,串并轉(zhuǎn)換示意,并串轉(zhuǎn)換示意,QPSK的相干接收,判決規(guī)則,濾掉2倍頻,s1(11),s4(10),s2(01),s3(00),QPSK調(diào)制系統(tǒng)的可靠性能,相干接收時(shí)/4QPSK的誤符號率為,四相相對移相鍵控QDPSK信號,以前一碼元相位為參考，令 代表當(dāng)前碼元與前一碼元的相位差，信息編碼與載波相位的變換關(guān)系為,QDPSK調(diào)制中的碼變換,碼變換滿足如下映射關(guān)系,QDPSK調(diào)制中的碼反變換,振幅相位聯(lián)合鍵控APK系統(tǒng),多進(jìn)制移相鍵控調(diào)制信號點(diǎn)之間的最小距離隨著進(jìn)制數(shù)M的增加而減小，使得相應(yīng)的信號判決區(qū)域隨之減小，信號容易受到噪聲和干擾的影響，接收信號錯(cuò)誤概率隨之增大。 為了在保持多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的頻譜利用率的同時(shí)，提