通信原理及SystemView仿真测试数字带通传输系统

会计学1通信原理及通信原理及SystemView仿真测试数字带仿真测试数字带通传输系统通传输系统图7-1 基本数字调制方式第2页/共207页7.1.1 二进制振幅键控二进制振幅键控(2ASK)1.二进制振幅键控二进制振幅键控的基本原理的基本原理OOK)，即载波在二进，即载波在二进制基带信号制基带信号s(t)的控制下的控制下做通断变化。做通断变化。7.1 二进制数字调制原理第3页/共207页二进制振幅键控的表达式为二进制振幅键控的表达式为cOOKcos,1()0,10AtPetP以概率 发送“”时以概率发送“”时第4页/共207页图7-2 二进制振幅键控信号波形图第5页/共207页由第由第5章学过的模拟调制可章学过的模拟调制可知，模拟调幅信号是将基带信号知，模拟调幅信号是将基带信号乘以正弦载波信号得到的，如果乘以正弦载波信号得到的，如果把数字基带信号看成是模拟基带把数字基带信号看成是模拟基带信号的特殊情况，设发送的二进信号的特殊情况，设发送的二进s()()nns ta g tnT第6页/共207页s(t)是二进制基带脉冲序列，是二进制基带脉冲序列，其波形可以是矩形脉冲，也可以其波形可以是矩形脉冲，也可以是其他波形。为了分析方便，通是其他波形。为了分析方便，通11,0,nPPa概率为概率为第7页/共207页2.二进制振幅键控信号的产二进制振幅键控信号的产图7-3 二进制振幅键控信号的产生方法第8页/共207页3.二进制振幅键控信号的解二进制振幅键控信号的解调调第9页/共207页图7-4 2ASK信号的解调原理框图第10页/共207页在包络检波方式中，全波整在包络检波方式中，全波整第11页/共207页图7-5 包络检波过程中各点的时间波形第12页/共207页4.二进制振幅键控信号的功二进制振幅键控信号的功率谱密度率谱密度由于实际的由于实际的s(t)均为随机脉均为随机脉冲序列，所以在研究冲序列，所以在研究2ASK信号的信号的频谱特性时，应该讨论其功率谱频谱特性时，应该讨论其功率谱密度。密度。2ASKscsc1()()()4PfP ffP ff第13页/共207页前面已经假设前面已经假设s(t)是单极性是单极性的随机矩形脉冲序列，利用第的随机矩形脉冲序列，利用第6章已学过的知识可知章已学过的知识可知222ASKscc222scc1()(1)()()41 (1)(0)()()4Pff PPG ffG fffPGffff第14页/共207页当概率当概率P=0.5时，时，考虑到考虑到G(f)=TsSa(fTs)，G(0)=Ts22scscs2ASKcscsccsin()sin()()16()()1 ()()16Tff Tff TPfff Tff Tffff第15页/共207页图7-6 2ASK信号的功率谱密度曲线第16页/共207页从以上的分析及图从以上的分析及图7-6可知：可知：(1)2ASK信号的功率谱由连信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成；连续续谱和离散谱两部分组成；连续第17页/共207页5.二进制振幅键控信号的仿二进制振幅键控信号的仿真真根据前面的介绍可知，对于根据前面的介绍可知，对于第18页/共207页图7-7 调幅法仿真原理图及相应波形第19页/共207页图7-8 键控法仿真原理图及相应波形第20页/共207页7.1.2 二进制频移键控二进制频移键控(2FSK)1.基本原理基本原理频移键控是利用载波的频率频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息的。在二进变化来传递数字信息的。在二进制数字调制中，若正弦载波的频制数字调制中，若正弦载波的频”时发送“”时发送“0),cos(A1),cos(A)(212FSKnnttte第21页/共207页由式由式(7-5)可见二进制频移键可见二进制频移键控信号可以看成是两个不同载波控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。的二进制振幅键控信号的叠加。若二进制基带信号的若二进制基带信号的“1”符号对符号对应于载波频率应于载波频率f1，“0”符号对应符号对应)cos()()cos()()(2s1s2FSKnnnnnntnTtgbtTntgate0,11nPaP概率，概率0,11 nPbP概率，概率第22页/共207页在这里，在这里，bn是是an的反码，即的反码，即若若an=1，则，则bn=0；若；若an=0，则，则bn=1。另外，。另外，n和和n分别代表第分别代表第n个信号码元的初始相位。在二进个信号码元的初始相位。在二进制频移键控信号中，制频移键控信号中，n和和n不携不携 tnTtgbtTntgatennnn2s1s2FSKcos)(cos)()(第23页/共207页图7-9 二进制频移键控信号的波形图第24页/共207页2.产生方法产生方法1)直接调频法直接调频法直接调频法是用数字基带信直接调频法是用数字基带信号直接控制载波振荡器的振荡频号直接控制载波振荡器的振荡频率。实现直接调频法的电路有很率。实现直接调频法的电路有很多，一般采用的控制方法是：当多，一般采用的控制方法是：当基带信号对应基带信号对应“1”码元时，改变码元时，改变第25页/共207页2)频移键控法频移键控法频移键控法也称频率选择法，频移键控法也称频率选择法，其原理框图如图其原理框图如图7-10所示。它有所示。它有两个独立的振荡器，在二进制基两个独立的振荡器，在二进制基带脉冲序列的控制下通过开关电带脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的频率源进行选择，路对两个不同的频率源进行选择，使得在一个码元持续时间内输出使得在一个码元持续时间内输出第26页/共207页图7-10 频率选择法原理框图第27页/共207页3.二进制频移键控信号的解二进制频移键控信号的解调调二进制频移键控信号可以采二进制频移键控信号可以采用非相干解调和相干解调两种方用非相干解调和相干解调两种方法来解调，其相应的原理图如图法来解调，其相应的原理图如图第28页/共207页图7-11 2FSK信号的解调原理框图第29页/共207页图7-12 非相干解调过程的时间波形第30页/共207页除了上述两种方法之外，常除了上述两种方法之外，常用的用的2FSK信号解调方式还有过零信号解调方式还有过零检测法。过零检测法解调器的原检测法。过零检测法解调器的原理图和各点时间波形如图理图和各点时间波形如图7-13所所示。示。其基本原理是，二进制频移其基本原理是，二进制频移第31页/共207页图7-13 过零检测法解调器的原理图和各点时间波形图第32页/共207页4.二进制频移键控信号的功二进制频移键控信号的功率谱密度率谱密度)cos()()cos()()(2s1s2FSKnnnnnntnTtgatnTtgate第33页/共207页令，令，根据，根据2ASK信号功率谱密度的信号功率谱密度的表示式，可以直接写出这种表示式，可以直接写出这种2FSK信号的功率谱密度的表示式，即信号的功率谱密度的表示式，即 nnnTtgats)(s1 nnnTtgats)(s222s1s1s2FSK1s1s22s2s2s2s2s1122sin()sin()()16()()sin()sin()16()()1 ()()()()16Tff Tff TPfff Tff TTff Tff Tff Tff Tffffffff(7-8)第34页/共207页图7-14 2FSK信号的功率谱密度曲线图第35页/共207页设两个载频的中心频率为设两个载频的中心频率为fc，频差为频差为f，即，即12c,2fff21fff sfhR第36页/共207页5.二进制频移键控信号的仿二进制频移键控信号的仿真真由前述内容可知，由前述内容可知，2FSK信号信号的获取方法有两种，一种是利用的获取方法有两种，一种是利用模拟调频法实现数字调频，即利模拟调频法实现数字调频，即利第37页/共207页图7-15 2FSK信号的调制仿真原理图第38页/共207页图7-16 调频法和键控法输出的2FSK调制波形图第39页/共207页7.1.3 二进制相移键控二进制相移键控(2PSK)1.二进制相移键控的一般原二进制相移键控的一般原理理绝对相移是利用载波的相位绝对相移是利用载波的相位(指初相指初相)直接表示数字信号的相直接表示数字信号的相移方式。二进制相移键控中，通移方式。二进制相移键控中，通常用相位常用相位0和和分别来表示码元分别来表示码元s()()nns ta g tnT第40页/共207页式中：式中：g(t)是高度为是高度为1，宽度为，宽度为Ts的门函数；的门函数；1,1,1nPaP概率为概率为2PSKcc()coscos()iettt 0ii或 第41页/共207页图7-17 2PSK信号的典型波形第42页/共207页2.二进制相移键控的产生方二进制相移键控的产生方法法2PSK信号的调制方框图如图信号的调制方框图如图7-18所示。所示。其中，图其中，图(a)是产生是产生2PSK信号的模拟调制法框图，图信号的模拟调制法框图，图(b)是产生是产生2PSK信号的键控法框信号的键控法框第43页/共207页图7-18 2PSK信号的调制原理图第44页/共207页3.二进制相移键控的解调二进制相移键控的解调2PSK信号属于信号属于DSB信号，信号，其解调不能采用包络检测的方法，其解调不能采用包络检测的方法，第45页/共207页图7-19 2PSK信号的解调第46页/共207页4.二进制相移键控的频谱二进制相移键控的频谱2PSK信号与信号与2ASK信号的时信号的时域表达式在形式上是完全相同的，域表达式在形式上是完全相同的，不同的只是两者基带信号不同的只是两者基带信号s(t)的的构成，一个由双极性构成，一个由双极性NRZ码组成，码组成，2PSKscsc1()()()4PfP ffP ff第47页/共207页式中：式中：Ps(f)为基带数字信号为基带数字信号s(t)的的功率谱密度。由第功率谱密度。由第6章学过的知章学过的知识可知，双极性非归零序列的功识可知，双极性非归零序列的功率谱密度为率谱密度为22sssss()4(1)()(21)()()nP ff PP G ffPG mffmf第48页/共207页将式将式(7-12)代入式代入式(7-11)中，中，可得可得2PSK信号的功率谱密度为信号的功率谱密度为2scsc2scscs2PSK)()(sin)()(sin4)(TffTffTffTffTfP第49页/共207页图7-20 2PSK信号的功率谱密度曲线第50页/共207页由式由式(7-13)及图及图7-20可见：可见：(1)当双极性基带信号以相当双极性基带信号以相等的概率出现时，等的概率出现时，2PSK信号的功信号的功率谱仅由连续谱组成。而一般情率谱仅由连续谱组成。而一般情况下，况下，2PSK信号的功率谱由连续信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中，谱和离散谱两部分组成。其中，第51页/共207页5.二进制相移键控信号的仿二进制相移键控信号的仿第52页/共207页图7-21 2PSK调制的仿真原理图及相应波形第53页/共207页7.1.4 二进制差分相移键控二进制差分相移键控(2DPSK)1.一般原理与实现一般原理与实现方法方法二进制差分相移键二进制差分相移键控常简称为二相相对调控常简称为二相相对调则按照该规定可画出则按照该规定可画出2DPSK信号的波形如图信号的波形如图7-22所示。所示。(7-14)第54页/共207页图7-22 2DPSK的波形图第55页/共207页由于初始参考相位有两种可由于初始参考相位有两种可能，因此能，因此2DPSK信号的波形可以信号的波形可以有两种有两种(另一种相位完全相反，另一种相位完全相反，图中未画出图中未画出)。为便于比较，图。为便于比较，图中还给出了中还给出了2PSK信号的波形。由信号的波形。由图图7-22可以看出：可以看出：(1)与与2PSK的波形不同，的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应波形的同一相位并不对应第56页/共207页(2)单从波形上看，单从波形上看，2DPSK与与2PSK是无法分辨的，比如图是无法分辨的，比如图7-22中，中，2DPSK也可以是另一符号也可以是另一符号序列序列(见图中下部的序列见图中下部的序列bn，称，称为相对码，而将原符号序列为相对码，而将原符号序列an称为绝对码称为绝对码)经绝对相移而形成经绝对相移而形成的。这说明，一方面，只有已知的。这说明，一方面，只有已知相移键控方式相移键控方式(是绝对的还是相是绝对的还是相换而来的。换而来的。第57页/共207页绝对码绝对码an和相对码和相对码bn是可是可以互相转换的，其转换关系为以互相转换的，其转换关系为1nnnbab1nnnabb第58页/共207页s()()nns tb g tnT第59页/共207页2.二进制差分相移键控信号二进制差分相移键控信号的产生的产生 实现相对调相的最常用方法实现相对调相的最常用方法正是基于上述讨论而建立的。首正是基于上述讨论而建立的。首第60页/共207页图7-23 2DPSK信号的调制方法第61页/共207页3.二进制差分相移键控信号二进制差分相移键控信号的解调的解调2DPSK信号的解调有两种解信号的解调有两种解调方式，一种是差分相干解调，调方式，一种是差分相干解调，另一种是相干解调另一种是相干解调-码反变换法。码反变换法。-第62页/共207页图7-24 2DPSK的相干解调器原理图第63页/共207页(2)差分相干解调法。它是差分相干解调法。它是直接比较前后码元的相位差而构直接比较前后码元的相位差而构第64页/共207页图7-25 2DPSK信号的差分相干解调第65页/共207页4.二进制差分相移键控的频二进制差分相移键控的频谱谱由前面讨论可知，无论是由前面讨论可知，无论是2PSK还是还是2DPSK信号，就波形本信号，就波形本身而言，它们都可以等效成双极身而言，它们都可以等效成双极性基带信号作用下的调幅信号，性基带信号作用下的调幅信号，无非是一对倒相信号的序列。因无非是一对倒相信号的序列。因此，此，2DPSK和和2PSK信号具有相同信号具有相同形式的表达式，所不同的是形式的表达式，所不同的是2PSK(3)2DPSK与与2PSK信号频带信号频带利用率也相同。利用率也相同。第66页/共207页5.二进制差分相移键控信号二进制差分相移键控信号的仿真的仿真2DPSK调制方式与调制方式与2PSK调制调制方式的区别在于，方式的区别在于，2PSK是用绝对是用绝对码形式的基带序列对载波进行调码形式的基带序列对载波进行调制，而制，而2DPSK调制是用相对码形调制是用相对码形第67页/共207页图7-26 2DPSK的SystemView仿真实现电路第68页/共207页图7-27 2DPSK的SystemView仿真结果第69页/共207页(7-16)7.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能cccsciccsccos()cos()sin,1()()()()cos()sin 0Atn ttn tty ts tn tn ttn tt发“”，发“”第70页/共207页经包络检波器检测，输出包络信经包络检波器检测，输出包络信号号(7-17)由式由式(7-16)可知，发可知，发“1”时，时，22cs22cs()(),1()()(),0An tntx tntnt发“”发“”第71页/共207页图7-28 包络检波时误码率的几何表示第72页/共207页x(t)亦即抽样判决器输入信亦即抽样判决器输入信号，对其进行抽样判决后即可确号，对其进行抽样判决后即可确定接收码元是定接收码元是“1”还是还是“0”。我。我们规定，倘若们规定，倘若x(t)的抽样值的抽样值xUd，第73页/共207页这里存在两种错判的可能性：这里存在两种错判的可能性：一是发送的码元为一是发送的码元为“1”时，错判时，错判为为“0”，其概率记为，其概率记为P(0/1)；二；二“dd00(1/0)()()dUPP xUfxxSdd110(0/1)()()dUPP xUf xxS(7-19)(7-18)第74页/共207页式中：式中：S0、S1分别为图分别为图7-28所示所示的阴影面积。假设发送的阴影面积。假设发送“1”码的码的概率为概率为P(1)，发送，发送“0”码的概率码的概率为为P(0)，则系统的总误码率，则系统的总误码率Pe为为e0111(1)(0)()22PPPSS第75页/共207页也就是说，也就是说，Pe就是图就是图7-28中中两块阴影面积之和的一半。不难两块阴影面积之和的一半。不难看出，当看出，当Ud=U*d时，该阴影面时，该阴影面积之和最小，即误码率积之和最小，即误码率Pe最低。最低。使误码率为最小值的门限使误码率为最小值的门限U*d称称4e1e2rP第76页/共207页2.相干解调时相干解调时2ASK系统的系统的误码率误码率cccsciccsccos()cos()sin,1()()()()cos()sin 0Atn ttn tty ts tn tn ttn tt发“”，发“”第77页/共207页图7-29 2ASK信号相干解调抗噪声分析模型第78页/共207页取本地载波为取本地载波为2cosct，则乘，则乘法器输出经低通滤波器滤除高频法器输出经低通滤波器滤除高频cc(),1()(),0An tx tn t发“”发“”第79页/共207页根据根据3.5节的分析可知，节的分析可知，nc(t)为高斯噪声，因此，无论是发送为高斯噪声，因此，无论是发送“1”还是还是“0”，x(t)瞬时值瞬时值x的一的一维概率密度维概率密度f1(x)、f0(x)都是方差都是方差为为2n的正态分布函数，只是前者的正态分布函数，只是前者2121()()exp22nnxaf x2021()exp22nnxfx第80页/共207页图7-30 同步检测时误码率的几何表示第81页/共207页类似于包络检波时的分析，类似于包络检波时的分析，不难看出，若仍令判决门限电平不难看出，若仍令判决门限电平为为Ud，则将，则将“0”错判为错判为“1”的概的概率率P(1/0)及将及将“1”错判为错判为“0”的的概率概率P(0/1)分别为分别为dd00(1/0)()()dUPP xUfxxSdd110(0/1)()()dUPP xUf xxS01(1)(0/1)(0)(1/0)11 (1)(0)()22ePPPPPPPSS第82页/共207页且不难看出，最佳门限且不难看出，最佳门限U*d=a/2。综合式。综合式(7-25)、式、式(7-26)和和(7-27)，可以证明，这时系统，可以证明，这时系统的误码率为的误码率为e1erfc()22rP 4e1erPr第83页/共207页3.2ASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能仿真仿真第84页/共207页图7-31 2ASK信号的解调仿真原理图第85页/共207页这里分析一种小信噪比的情这里分析一种小信噪比的情况，设定基带信号的幅值为况，设定基带信号的幅值为0.5 V，噪声的均值为噪声的均值为0，方差为，方差为1，仿真，仿真第86页/共207页图7-32 2ASK信号的解调仿真波形第87页/共207页例例7-1 若采用若采用2ASK方式传送方式传送二进制数字信息，已知发送端发二进制数字信息，已知发送端发出的信号振幅为出的信号振幅为5 V，输入接收输入接收端解调器的高斯噪声功率为端解调器的高斯噪声功率为2n=31012W，要求误码率，要求误码率Pe=104。试求：。试求：4e1e2rP第88页/共207页若要求误码率若要求误码率Pe=104，则，则解调器输入端的信噪比应为解调器输入端的信噪比应为2e24ln2342narP 212523423 101.428 10 Vnar 5520lg20lg110.8dB1.428 10Aka第89页/共207页(2)相干接收时，相干接收时，2ASK信号信号的误码率为的误码率为4e1erfc()1022rP22272nar212522723 101.273 10 Vnar 5520lg20lg111.8dB1.273 10Aka第90页/共207页7.2.2 2FSK的抗噪声性能的抗噪声性能1.同步检测时同步检测时2FSK系统的系统的误码率误码率2FSK信号采用同步检测法性信号采用同步检测法性能分析模型如图能分析模型如图7-33所示。所示。假定信道噪声假定信道噪声n t为加性高为加性高”，发“”，发“0cos1cos)()(212tAtAtstsFSKT第91页/共207页图7-33 2FSK信号采用同步检测法性能分析模型第92页/共207页则接收机输入端合成波形为则接收机输入端合成波形为(7-31)其中，为简明起见，认为发其中，为简明起见，认为发 ”，发“”，发“0cos1cos)(21tntatntatyi第93页/共207页上支路上支路:(7-32)”，发“”，发“0)(1)(cos)(1111tntntaty”，发“”，发“1)(0)(cos)(2222tntntaty第94页/共207页其中，其中，n1(t)、n2(t)皆为窄带高斯皆为窄带高斯噪声，两者的统计规律相同噪声，两者的统计规律相同(输输入同一噪声源、入同一噪声源、BPF带宽相同带宽相同)，ttnttntnttnttntnscsc2212211111sin)(cos)()(sin)(cos)()(第95页/共207页将式将式(7-34)代入式代入式(7-32)和式和式(7-33)，则有则有”，发“”，发“0sin)(cos)(1sin)(cos)()(111111111ttnttnttnttnatyscsc”，发“”发“，0sin)(cos)(1sin)(cos)()(222222222ttnttnattnttntyscsc第96页/共207页假设在假设在(0，Ts)内发送内发送“1”符符号，则上、下支路带通滤波器输号，则上、下支路带通滤波器输第97页/共207页第98页/共207页分别通过上、下支路低通滤波器，分别通过上、下支路低通滤波器，第99页/共207页因为因为n1c(t)和和n2c(t)均为高斯型均为高斯型噪声，故噪声，故x1(t)的抽样值的抽样值x1=a+n1c是均值为是均值为a，方差为，方差为2n的高斯随的高斯随机变量；机变量；x2(t)的抽样值的抽样值x2=n2c是是第100页/共207页式中：式中：z=x1x2。显然，。显然，z也是也是高斯随机变量，且均值为高斯随机变量，且均值为a，方，方差为差为2z(可以证明，可以证明，2z=22n)，其，其一维概率密度函数可表示为一维概率密度函数可表示为2212)(exp21)(zzaxzfdzaxdzaxdzzfzPPnnzz0221002214)(exp212)(exp21)()0()1/0(221rerfc第101页/共207页式中：式中：r=a222n为图为图7-33中分中分路滤波器输出端信噪比。路滤波器输出端信噪比。同理可得，发送同理可得，发送“0”符号而符号而错判为错判为“1”符号的概率符号的概率P(1/0)为为221)()0/1(21rerfcxxPPe1erfc22rP 第102页/共207页图7-34 z的一维概率密度曲线第103页/共207页在大信噪比条件下，即在大信噪比条件下，即r1时，式时，式(7-44)可近似表示为可近似表示为221reerP第104页/共207页2.非相干解调时非相干解调时2FSK系统系统的误码率的误码率由于一路由于一路2FSK信号可视为两信号可视为两路路2ASK信号的合成，所以，信号的合成，所以，第105页/共207页若在若在(0，Ts)发送发送“1”符号，符号，则则y1(t)和和y2(t)分别为分别为)(cos)()(sin)(cos)()(11212111111tttntnattnttnatyscsc)(cos)(111tttv)(cos)()(sin)(cos)()(22222222222tttntnttnttntyscsc)(cos)(222tttv第106页/共207页图7-35 2FSK信号采用包络检测法性能分析模型第107页/共207页由于由于y1(t)具有正弦波具有正弦波加窄带噪声的形式，故其加窄带噪声的形式，故其包络包络v t的抽样值的抽样值v的一的一(7-48)22121)()1/0(revvPP第108页/共207页同理可得，发送同理可得，发送“0”符号而符号而错判为错判为“1”符号的概率符号的概率P(1/0)为为发发“0”时时v1v2的概率。经过计算，的概率。经过计算，得得22121)()0/1(revvPP)0()1(21)0/1()1()1/0()1(2PPePPPPPre221re第109页/共207页将相干解调与包络将相干解调与包络(非相干非相干)解调系统误码率进行比较，可以解调系统误码率进行比较，可以发现：发现：(1)当信噪比当信噪比r一定时，相干一定时，相干解调的误码率小于非相干解调的解调的误码率小于非相干解调的误码率；当系统的误码率一定时，误码率；当系统的误码率一定时，相干解调比非相干解调对输入信相干解调比非相干解调对输入信号的信噪比要求低。所以相干解号的信噪比要求低。所以相干解第110页/共207页3.2FSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能仿真分析仿真分析2FSK信号的常用解调方法可信号的常用解调方法可采用图采用图7-11所示的非相干检测法所示的非相干检测法和相干检测法，这里的抽样判决和相干检测法，这里的抽样判决器是判决哪一个输入样值大，此器是判决哪一个输入样值大，此第111页/共207页图7-36 2FSK相干解调的SystemView仿真电路图第112页/共207页图7-37 调制前与调制后的数据波形及其比较覆盖图第113页/共207页例例7-2 采用二进制频移键控采用二进制频移键控方式在有效带宽为方式在有效带宽为1800 Hz的传的传输信道上传送二进制数字信息。输信道上传送二进制数字信息。已知已知2FSK信号的两个载频信号的两个载频f1=1800 Hz，f2=2500 Hz，码元速率，码元速率RB=300 Baud，传输信道输出端传输信道输出端信噪比信噪比rc=6 dB。试求：。试求：2FSK21s21B221300HzBfffffR第114页/共207页(2)由于由于RB=300 Baud，故接，故接收系统上、下支路带通滤波器收系统上、下支路带通滤波器BPF1和和BPF2的带宽为的带宽为B=2RB=600 Hz4e1066.26erf212erfc21crP第115页/共207页(3)同理，根据式同理，根据式(7-50)，可，可362e1024.1e21e21rP第116页/共207页7.2.3 2PSK和和2DPSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能1.2PSK系统抗噪声性能分系统抗噪声性能分析析2PSK信号相干解调系统性能信号相干解调系统性能分析模型如图分析模型如图7-38所示。所示。”，发“”发“，0cos1cos)(tAtAtsccT第117页/共207页图7-38 2PSK信号相干解调系统性能分析模型第118页/共207页则经信道传输，接收端输入信号则经信道传输，接收端输入信号为为(7-52)”，发“”，发“0cos1cos)(tntatntatycci ”，发“”发“，0sin)(cos)(cos1sin)(cos)(cos)(ttnttntattnttntatntstycsccccsccci第119页/共207页取本地载波为取本地载波为2cosct，则乘法器，则乘法器输出为输出为z(t)=2y(t)cosct”，发“”，发“0)(1)()(tnatnatxcc第120页/共207页根据根据3.5节的分析可知，节的分析可知，nc(t)为高斯噪声，因此，无论是发送为高斯噪声，因此，无论是发送“1”还是还是“0”，x(t)瞬时值瞬时值x的一的一维概率密度维概率密度f1(x)、f0(x)都是方差都是方差为为2n的正态分布函数，只是前者的正态分布函数，只是前者”，发“12)(exp21221nnaxxf”，发“0)2)(exp(21220nnaxxf第121页/共207页图7-39 2PSK信号概率分布曲线第122页/共207页当当P(1)=P(0)=1/2时，时，2PSK系统的最佳判决门限电平为系统的最佳判决门限电平为U*d=0(7-57)在最佳门限时，在最佳门限时，2PSK系统系统01010010)()1()0()()()1()()0()1/0()1()0/1()0(dxxfPPdxxfdxxfPdxxfPPPPPPe)(21rerfc第123页/共207页reerP21第124页/共207页2.2DPSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能分析分析1)相干解调相干解调-码型变换法性码型变换法性能分析能分析2DPSK信号极性比较信号极性比较-码反码反第125页/共207页图7-40 2DPSK信号相干解调-码反变换法解调系统性能分析模型第126页/共207页为了分析码反变换器对误码为了分析码反变换器对误码的影响，我们以的影响，我们以bn0110111001第127页/共207页图7-41 码反变换器对误码的影响第128页/共207页在一个很长的序列中，出现在一个很长的序列中，出现“一串一串n个码元连续错误个码元连续错误”这一这一事件，必然是事件，必然是“n个码元同时出个码元同时出错与在该一串错码两端都有一个错与在该一串错码两端都有一个码元不错码元不错”同时发生的事件。因同时发生的事件。因此此第129页/共207页从图从图7-41中可以看出：中可以看出：(1)若相对码信号序列中有若相对码信号序列中有一个码元错误，则在码反变换器一个码元错误，则在码反变换器输出的绝对码信号序列中将引起输出的绝对码信号序列中将引起两个码元错误，如图两个码元错误，如图7-41(b)所示。所示。图中，带图中，带“”的码元表示错码；的码元表示错码；第130页/共207页按此规律，若令按此规律，若令Pn表示表示“一一串串n个码元连续错误个码元连续错误”这一事件这一事件出现的概率出现的概率(n1、2、3、)，则码反变换器输出的误码率为则码反变换器输出的误码率为第131页/共207页因为因为Pe总是小于总是小于1，故下式必，故下式必成立成立eeePPP1112第132页/共207页将式将式(7-58)表示的表示的2PSK信号信号相干解调系统误码率相干解调系统误码率Pe代入式代入式(7-62)，则可得到，则可得到2DPSK信号极性比信号极性比较较-码反变换方式解调时的误码率码反变换方式解调时的误码率为为)(1 212rerfPe)(2rerfcPPee第133页/共207页2)差分相干解调时差分相干解调时2DPSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能2DPSK信号差分相干解调系信号差分相干解调系统性能分析模型如图统性能分析模型如图7-42所示。所示。在此，我们仅给出如下结论：在此，我们仅给出如下结论：rPPPPPe21)0/1()0()1/0()1(e第134页/共207页图7-42 2DPSK信号差分相干解调系统性能第135页/共207页例例7-3 用用2DPSK在某微波线在某微波线路上传送二进制数字信息，已知路上传送二进制数字信息，已知传码率为传码率为106 Baud，接收机输入，接收机输入端的高斯白噪声的双边功率谱密端的高斯白噪声的双边功率谱密度为度为n0/2=1010 W/Hz，若要求，若要求误码率误码率Pe104，求：，求：(1)采用相干解调采用相干解调-码变换法码变换法第136页/共207页由于是相干解调由于是相干解调-码变换法，应用码变换法，应用式式(7-64)e1erfPr eerf10.9999rP 2.75r 227.56252nar第137页/共207页所以，接收机输入端信号功所以，接收机输入端信号功率为率为22437.56254 103.03 10 W2naPr 4e1e102rP228.522nar22438.524 103.41 10 W2naPr 第138页/共207页7.3 二进制数字调制系统的性能比较第139页/共207页表7-1 二进制数字调制系统误码率及信号带宽第140页/共207页2.频带宽度频带宽度各种二进制数字调制系统的各种二进制数字调制系统的频带宽度也示于表频带宽度也示于表7-1中，其中中，其中Ts为传输码元的时间宽度。从表为传输码元的时间宽度。从表7-1可以看出，可以看出，2ASK系统和系统和第141页/共207页3.对信道特性变化的敏感性对信道特性变化的敏感性信道特性变化的灵敏度对最信道特性变化的灵敏度对最佳判决门限有一定的影响。在佳判决门限有一定的影响。在2FSK系统中，是通过比较两路解系统中，是通过比较两路解调输出的大小来做出判决的，不调输出的大小来做出判决的，不需人为设置判决门限。在需人为设置判决门限。在2PSK系系统中，判决器的最佳判决门限为统中，判决器的最佳判决门限为0，与接收机输入信号的幅度无，与接收机输入信号的幅度无因此，从对信道特性变化的敏感因此，从对信道特性变化的敏感程度上看，程度上看，2ASK调制系统最差。调制系统最差。第142页/共207页4.设备的复杂程度设备的复杂程度就设备的复杂度而言，就设备的复杂度而言，2ASK、2PSK及及2FSK发端设备的发端设备的复杂度相差不多，而接收端的复复杂度相差不多，而接收端的复第143页/共207页二进制数字调制系二进制数字调制系统是数字通信系统最基统是数字通信系统最基Rb、码元传输速率码元传输速率RB和进制和进制数数M之间的关系为之间的关系为7.4 多进制数字调制原理bBlbRRM第144页/共207页7.4.1 多进制振幅键控多进制振幅键控(MASK)1.MASK信号的波形及表示信号的波形及表示式式多进制数字幅度调制多进制数字幅度调制(MASK)又称为多电平调制，它是二进制又称为多电平调制，它是二进制第145页/共207页这里，这里，s(t)为为M进制数字基带信进制数字基带信号号nnnTtgats)()(b第146页/共207页且且P0+P1+P2+PM第147页/共207页图7-43 多进制数字幅度调制波形第148页/共207页图7-44 多进制数字幅度调制等效波形第149页/共207页图图7-44中的各个波形可表示为中的各个波形可表示为第150页/共207页式中式中:第151页/共207页e0(t)、eM1(t)均为均为2ASK信号，信号，但它们的幅度互不相等，时间上但它们的幅度互不相等，时间上互不重叠。互不重叠。e0(t)=0可以不考虑。可以不考虑。11MASK)()(Mtitets第152页/共207页2.MASK信号的频谱、带宽信号的频谱、带宽及频带利用率及频带利用率由式由式(7-71)可知，可知，MASK信信号的功率谱是这号的功率谱是这M1个个2ASK信信第153页/共207页与与2ASK信号相比较，当两者信号相比较，当两者码元速率相等码元速率相等(记二进制码元速记二进制码元速率为率为fs)时，即时，即fs=fs，则两者带宽，则两者带宽相等，即相等，即BB2logRRM第154页/共207页比较式比较式(7-74)和式和式(7-73)可得可得(7-75)MASK2ASK1lbBBMsMASKllb2fbMMB第155页/共207页3.MASK信号的调制解调方信号的调制解调方法法实现实现M电平调制的原理框图电平调制的原理框图如图如图7-45所示，它与所示，它与2ASK系统非系统非常相似。不同的只是基带信号由常相似。不同的只是基带信号由二电平变为多电平。为此，发送二电平变为多电平。为此，发送端增加了端增加了2-M电平变换器，将二电平变换器，将二进制信息序列每进制信息序列每lbM个分为一组，个分为一组，第156页/共207页图7-45 M进制幅度调制系统原理框图第157页/共207页4.多进制振幅键控方式的多进制振幅键控方式的仿真仿真MASK系统的调制和解调仿系统的调制和解调仿真原理图如图真原理图如图7-46所示。这是一所示。这是一第158页/共207页图7-46 MASK调制性能的SystemView仿真电路第159页/共207页图7-47 四电平MASK系统的仿真波形第160页/共207页7.4.2 多进制频移键控多进制频移键控(MFSK)1.MFSK调制解调原理调制解调原理多进制频移键控多进制频移键控(MFSK)简简第161页/共207页图7-48 多进制数字频率调制系统的组成方框图第162页/共207页2.MFSK信号的频谱、带宽信号的频谱、带宽及频带利用率及频带利用率键控法产生的键控法产生的MFSK信号，信号，可以看做由可以看做由M个幅度相同、载频个幅度相同、载频不同、时间上互不重叠的不同、时间上互不重叠的2ASK信信号叠加的结果。设号叠加的结果。设MFSK信号码信号码第163页/共207页图7-49 MFSK信号的功率谱第164页/共207页若相邻载频之差等于若相邻载频之差等于2fs，即，即相邻频率的功率谱主瓣刚好互不相邻频率的功率谱主瓣刚好互不重叠，这时，重叠，这时，MFSK信号的带宽信号的带宽及频带利用率分别为及频带利用率分别为BMFSK=2Mf(7-78)sMFSKMFSKlblb2fMMBMMFSKMASK1M第165页/共207页7.4.3 多进制相移键控多进制相移键控(MPSK)1.多相制信号表达式及相位多相制信号表达式及相位配置配置多进制数字相位调制又称多多进制数字相位调制又称多第166页/共207页设载波为设载波为cosct，则，则M进制进制数字相位调制信号可表示为数字相位调制信号可表示为MPSKsccscs()()cos()coscos()sinsin()nnnnnnstg tnTttg tnTtg tnT第167页/共207页式中：式中：g(t)是高度为是高度为1，宽度为，宽度为Ts的门函数；的门函数；Ts为为M进制码元的持进制码元的持续时间；续时间；n为第为第n个码元对应的个码元对应的相位，共有相位，共有M种不同取值，即种不同取值，即第168页/共207页由于一般都是在由于一般都是在(0，2)范范围内等间隔划分相位的围内等间隔划分相位的(这样造这样造成的平均差错概率将最小成的平均差错概率将最小)，因，因此相邻相移的差值为此相邻相移的差值为M2第169页/共207页则式则式(7-81)变为变为MPSKcscscc()cos()sin()()cos()sinnnnnstta g tnTtb g tnTI ttQ tts()=(),nnI ta g tnTs()=()nnQ tb g tnT第170页/共207页M进制数字相位调制信号还进制数字相位调制信号还可以用矢量图来描述，图可以用矢量图来描述，图7-50画画出了出了M2、4、8三种情况下的矢三种情况下的矢量图。具体的相位配置的两种形量图。具体的相位配置的两种形式，根据式，根据CCITT的建议，图的建议，图(a)所所示的移相方式，称为示的移相方式，称为A方式；图方式；图(b)所示的移相方式，称为所示的移相方式，称为B方式。方式。第171页/共207页图7-50 相位配置矢量图第172页/共207页2.MPSK信号的频谱、带宽信号的频谱、带宽及频带利用率及频带利用率前面已说过，前面已说过，MPSK信号可信号可第173页/共207页3.4PSK信号的产生与解调信号的产生与解调在在M进制数字相位调制中，进制数字相位调制中，四进制绝对相移键控四进制绝对相移键控(4PSK，又，又称称QPSK)和四进制差分相移键控和四进制差分相移键控第174页/共207页1)4PSK信号的产生信号的产生常用的多相制信号常用的多相制信号产生方法有相位选择法产生方法有相位选择法及直接调相法。及直接调相法。(1)相位选择法。相位选择法。因为在一个码元持续时因为在一个码元持续时间间T内，内，4PSK信号为载信号为载出相应相位的载波。例出相应相位的载波。例如，如，B方式情况下，双方式情况下，双比特码元比特码元ab为为11时，输时，输出相位为出相位为45的载波；的载波；双比特码元双比特码元ab为为01时，时，输出相位为输出相位为135的载波的载波等。等。第175页/共207页图7-51 相位选择法产生4PSK信号(B方式)方框图第176页/共207页(2)直接调相法。直接调相法。4PSK信号信号也可以采用正交调制的方式产生。也可以采用正交调制的方式产生。B方式的方式的4PSK信号的原理方框图信号的原理方框图第177页/共207页图7-52 直接调相法产生4PSK信号方框图第178页/共207页2)4PSK信号的解调信号的解调由于由于4PSK信号可以看做两个信号可以看做两个载波正交的载波正交的2PSK信号的合成，因信号的合成，因此，对此，对4PSK信号的解调可以采用信号的解调可以采用第179页/共207页图7-53 4PSK信号的相干解调第180页/共207页7.4.4 多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)1.基本原理基本原理MDPSK信号和信号和MPSK信号类信号类似，只需把似，只需把MPSK信号用的参考信号用的参考第181页/共207页2.4DPSK信号的产生与解调信号的产生与解调1)4DPSK信号的产生信号的产生与与2DPSK信号的产生相类似，信号的产生相类似，在直接调相的基础上加码变换器，在直接调相的基础上加码变换器，就可形成就可形成4DPSK信号。图信号。图7-54示示出了出了4DPSK信号信号(A方式方式)产生的产生的第182页/共207页图7-54 码变换-直接调相法产生4DPSK信号方框图第183页/共207页2)4DPSK信号的解调信号的解调4DPSK信号的解调可以采用信号的解调可以采用相干解调相干解调-码反变换器方式码反变换器方式(极性极性第184页/共207页图7-55 4DPSK信号的相干解调码反变换法解调第185页/共207页4DPSK信号的差分相干解调信号的差分相干解调方式原理图如图方式原理图如图7-56所示。它也所示。它也第186页/共207页图7-56 4DPSK信号的差分相干解调方框图第187页/共207页7.5.1 MASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能多进制数字调制系多进制数字调制系(7-88)7.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能)13(erfc)1(2eMrMMP第188页/共207页值得注意的是，上式是在最值得注意的是，上式是在最佳判决电平、各电平等概率出现、佳判决电平、各电平等概率出现、双极性相干检测条件下获得的。双极性相干检测条件下获得的。容易看出，为了得到相同的误码容易看出，为了得到相同的误码率率Pe，所需的信噪比，所需的信噪比r随电平数随电平数M的增加而增大。例如，四电平系的增加而增大。例如，四电平系第189页/共207页图7-57 MASK系统的误码率曲线第190页/共207页7.5.2 MFSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能MFSK信号采用非相干解调信号采用非相干解调时系统的误码率为时系统的误码率为2ee)21(rMP)2(erfc)21(erMP第191页/共207页多频制的主要缺点是信号频多频制的主要缺点是信号频第192页/共207页图7-58 MFSK系统的误码率曲线第193页/共207页7.5.3 MPSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能4PSK信号采用相干解调时系信号采用相干解调时系统的误码率为统的误码率为)4sin(erfcerP 第194页/共207页图7-59 MPSK系统的误码率曲线第195页/共207页7.5.4 MDPSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能4DPSK信号采用相干解调时信号采用相干解调时系统的误码率为系统的误码率为)8sin2(erfcerP 第196页/共207页图7-60 MDPSK系统的误码率曲线第197页/共207页7.6 仿真实训第198页/共207页2.实训内容实训内容第199页/共207页3.实训仿真实训仿真1)2PSK系统的仿真系统的仿真根据前面的章节介绍根据前面的章节介绍已知，已知，2PSK信号的产生信号的产生可以采用开关法和模拟法，可以采用开关法和模拟法，其接收端采用的是相干解其接收端采用的是相干解调。调。2PSK系统的调制解系统的调制解调仿真原理图如图调仿真原理图如图7-61所所高斯噪声，如图符高斯噪声，如图符6所示。所示。其解调端只能采用相干解其解调端只能采用相干解调，解调部分的载波如图调，解调部分的载波如图符符9所示，其参数设置与所示，其参数设置与图符图符3相同；图符相同；图符7和图符和图符10分别为带通滤波器和低分别为带通滤波器和低通滤波器；图符通滤波器；图符16为缓冲为缓冲器。仿真结果如图器。仿真结果如图7-62所所示。示。第200页/共207页图7-61 2PSK系统的SystemView仿真原理图第201页/共207页图7-62 2PSK系统的仿真结果第202页/共207页2)2DPSK系统的仿真系统的仿真与与2PSK信号一样，信号一样，2DPSK信信号的获取也可以采用键控法和模号的获取也可以采用键控法和模拟法，不同的是需要进行码型变拟法，不同的是需要进行码型变第203页/共207页图7-63 2DPSK系统的调制解调仿真原理图第204页/共207页其调制部分采用的其调制部分采用的是开关键控法。图符是开关键控法。图符0所所示的是二进制单极性序示的是二进制单极性序列，高电平表示码元列，高电平表示码元“1”，0电平表示码元电平表示码元“0”，其，其振幅设为振幅设为1 V，频率为，频率为20 Hz；图符；图符3所示的延时器所示的延时器和图符和图符4所示的异或门构所示的异或门构成了差分编码电路，将成了差分编码电路，将输入的绝对码转换为相输入的绝对码转换为相图符图符16所示为接收端所需所示为接收端所需的本地载波，其参数设的本地载波，其参数设置与图符置与图符8相同；图符相同；图符19所示的缓冲器与图符所示的缓冲器与图符20所示的延时器以及图符所示的延时器以及图符21所示的异或门形成了差所示的异或门形成了差分译码电路，能将相对分译码电路，能将相对码转换为绝对码序列。码转换为绝对码序列。2DPSK系统的仿真结果系统的仿真结果如图如图7-64所示。所示。第205页/共207页图7-64 2DPSK系统的仿真结果第206页/共207页感谢您的观看！第207页/共207页