数据通信原理第5章.ppt

第5章 数据信号的频带传输,目的要求,掌握频带传输系统的组成； 二进制数字调制解调的基本原理系统构成和它的基本特点； 了解多进制数字调制解调的基本原理。 本章是本课程的重点。,授课内容,5.1 频带传输系统的构成 5.2 二进制数字调制解调 5.3 二进制数字调制系统性能分析 5.4 多进制数字调制解调 5.5 正交幅度调制,返回目录,5.1 频带传输系统组成,一、定义 所谓频带传输是指在发送端，经过调制，把基带信号变成频带信号传输，接收端再由解调器将频带信号恢复成基带信号的传输系统，调制解调器是频带传输系统的核心部分。,返回目录,二、调制必要性 实际通信中很多信道都不能直接传送基带信号。 如：使用模拟电话信道传呼数据信号,单极性NRZ码频谱,模拟电话信道特性,三、频带传输系统组成,基带传输系统,频带传输系统,说明： 基带数据信号在送入信道前，必须先对其进行调制，使它的频率由零频附近搬移到了较高处，由低通型信号变成了带通型信号，随后再经过放大等功能转换，送入信道传输。在收端信号通过接收滤波器进入解调器，解调器对信号的变换正好与调制器相反，即把一个高频的已调信号变成低频的基带信号，随后再通过抽样判决器恢复成标准的数据基带信号。,返回,5.2 二进制数字调制解调,5.2.1 二进制幅移键控 5.2.2 二进制频移键控 5.2.3 二进制相移键控,返回目录,5.2 二进制数字调制解调,数字调制分类 1、按实现途径 模拟调制法：将数字信号看成是模拟信号的特殊形式； 键控法：控制载波某一参量的变化，采用数字电路 2、按基带信号的状态 二进制调制、多进制调制,5.2.1 二进制幅移键控,一、定义 用基带数据信号控制一个载波的幅度，又称数字调幅，简称ASK（Amplitude Shift Keying）。是利用数字信号来控制一定形式高频载波的幅度参数，以实现其调制的一种方式。若数字信号是二进制信号，则称为二进制幅移键控（2ASK），若是多（M）进制，则称为MASK，若M ，则MASK数字信号就变成了AM模拟信号。,二、2ASK调制实现,1、基本框图：调制解调器本质上就是一个乘法器,2、产生：一个单极性（或双极性）矩形脉冲序列与一个正弦载波相乘,3、两种实现方法：,(c)对应波形,(a)模拟相乘法,(b)数字键控法,ASK信号,其中,g(t)是单位矩形脉冲，周期为Tb，an取值为：,4、表示,5、2ASK波形,7.1 二进制数字调制与解调原理,功率谱密度 2ASK信号可以表示成 式中 s(t) 二进制单极性随机矩形脉冲序列 设：Ps (f) s(t)的功率谱密度 P2ASK (f) 2ASK信号的功率谱密度 则由上式可得 由上式可见，2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱Ps (f)的线性搬移（属线性调制）。 知道了Ps (f)即可确定P2ASK (f) 。,由第四章节知，单极性的随机脉冲序列功率谱的一般表达式为 式中 fs = 1/Ts G(f) 单个基带信号码元g(t)的频谱函数。 对于全占空矩形脉冲序列，根据矩形波形g(t)的频谱特点，对于所有的m 0的整数，有 ，故上式可简化为 将其代入 得到,当概率P =1/2时，并考虑到 则2ASK信号的功率谱密度为,说明： 由连续谱和离散谱组成：其中连续谱则由基带谱中的连续谱经调制后的双边带谱，而离散谱则由载波分量来确定； 2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍： B2ASK = 2f b （f b= 1/Tb 是二进制数字信号的码元速率） (3)频带利用率,四、2ASK信号的解调,对2ASK信号也能够采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)，其相应原理方框图如图7-4所示。 （a) (a) 非相干解调方式 时间波形,带通 滤波器,包络 检波器,低通 滤波器,抽样 判决器,a,b,c,d,输出,定时脉冲,2ASK包络检波法解调过程示意图,2、相干解调 ：接收端产生一个相干载波来解调,（b) 相干解调方式,带通 滤波器,相乘器,低通 滤波器,抽样 判决器,定时脉冲,输出,思考题 设发送的二进制信息为101100011，采用2ASK方式传输。已知码元传输速率为1200B，载波频率为2400Hz。 （1）试构成一种2ASK信号调制器原理框图，并画出2ASK信号的时间波形； （2）简略画出2ASK信号的频谱结构示意图； （3）若对2ASK信号采用包络检波方式进行解调，试构成解调器原理框图，并画出各点时间波形。,返回,5.2.2 二进制频移键控,一、定义：(Frequency Shift Keying，又称数字调频) 用基带数据信号控制载波频率。当传送“1”码时送出一个频率fc1，传送“0”码时送出另一个频率fc2 ，这种调制信号为二进制的信号，称为二进制频移键控，简称2FSK，若是M进制，则称MFSK。当MFSK的进制数M 时，MFSK FM。,二、应用 2FSK设备较简单，主要应用于低速或中低速的数据传输中（是因为在相同传信率下，需要比数字调幅ASK和数字调相PSK更宽的传输频带 带宽 。在话路频带下，一般传信率只能达到1200bit/s） 三、分类 根据前后相邻码元的载波相位是否连续，FSK可分为两种： 相位连续的频移键控:CPFSK 相位不连续的频移键控:DPFSK,四、调制实现 1、表示 相位不连续的数字调频信号可看成是两个数字调幅信号之和,其中an为第n个数据符号的幅度,2、波形 相位不连续的数字调频信号可看成是两个数字调幅信号之和,3、实现方法 （1）键控法，产生相位不连续频移键控信号,调制 数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图,振荡器1,选通开关,相加器,反相器,振荡器2,选通开关,基带信号,基带信号,3、实现方法 方法（2）：基带信号直接控制压控振荡器产相位连续频移键控信号（CPFSK）,五、频谱和带宽 2FSK信号表达式：,2FSK信号频谱：,2FSK信号带宽：,其中h=|fc1fc2|/fb，称为调制指数或频移指数,为保证接收端能够正确接收，|fc1fc2|通常取2fb或更大,频带利用率：,总结： 2FSK信号的功率谱密度的特点是： （1）2FSK由连续谱和离散谱组成，其中连续谱由两个双边带谱叠加而成，离散谱出现在fc1和fc2的两个载频位置上 （2）当两个载频之差较小时，如小于fb = 1 / Tb，则连续谱为单峰；当载频之差增大时，连续谱呈现双峰 （3）带宽： B = 2fb + | fc1 fc2 |,六、解调 1、非相干解调 ：分路滤波、过零点检测 2、相干解调 （1）分路滤波,（2）过零点检测,在上图中，输入信号经过限幅后产生矩形波，经微分、整流、波形整形，形成与频率变化相关的矩形脉冲波，经低通滤波器滤除高次谐波，便恢复出与原数字信号对应的基带数字信号。,（3）相干解调,思考题 设发送的二进制信息为11001000101，采用2FSK方式传输。已知码元传输速率为1000B，“1”码元的载波频率为3000Hz， “0”码元的载波频率为2000Hz 。 （1）构成一种2FSK信号调制器原理框图，并画出2FSK信号的时间波形； （2）计算2FSK信号带宽； （3）若对2FSK信号采用非相干解调方式进行解调，试构成解调器原理框图，并画出各点时间波形。,返回,5.2.3 二进制相移键控,一、定义： 用基带数据信号控制载波的相位，使它作不连续的、有限取值的变化以实现信息传输的方法。又称数字调相。 二、应用： 中速和中高速(1200bit/s-4800bit/s)的数据传输系统中 三、分类： 绝对调相PSK 相对调相DPSK,绝对调相PSK 已调信号的相位变化都是相对于一个固定的参考相 位未调载波的相位来取值 2PSK：已调信号只有两种相位取值（0、）。 = 0（表示”1”信号时） 或（表示”0”信号时） 相对调相DPSK 每一个码元载波相位的变化不是以固定相位作参考，而是以前一码元载波相位作参考 2DPSK：只有两种载波相位差（0、） = i - i-1 = （表示”1”信号时） 或0（表示”0”信号时）,2PSK信号的实现方法,调制：二进制移相键控信号的调制原理图如图7-12所示 移相 (a) (b) 其中图(a)是采用模拟调制的方法产生2PSK信号，图(b)是采用数字键控的方法产生2PSK信号。,码型变换,乘法器,双极性 不归零,开关电路,说明：图中幅度都保持恒定，用相位代表数据信息。从波形上看，无法区分是PSK还是DPSK，只有与S(t)联系起来才能确定,两者关系： 下表给出数据信号（码）和已调载波相位关系,由表可知：相对调相本质上就是经过相对码变换后的数字信号序列的绝对调相。,绝对码转换成相对码公式： bn = bn-1 an,2DPSK信号的实现方法,由以上可以看出，2DPSK信号的实现方法可以采用：首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示信息，然后再进行绝对调相，从而产生二进制差分相位键控信号。 相移 图7-16 2DPSK信号调制器原理图,2DPSK信号调制器原理图如图7-16所示。,开关电路,码变换,四、表示：,2PSK信号表达式,调相信号的相位变化可以反映到幅度变化上，其表达式可表达为：,2PSK信号频谱,2PSK信号的带宽也是2fb,2DPSK调制和2PSK调制的区别仅在于对应的基带信号是差分双极性码，所以其频谱结构与2PSK信号的完全相同,矢量表示,虚线表示参考矢量,在PSK中,为固定相位0,在DPSK中，它是前一码元载波的初始相位。 A方式：每个码元载波相位对于参考相位可取0和，因此，在相对调相时，若后一码元载波相位相对于前一码元为零，则前后两码元载波相位就是连续的；否则相位在两码元间发生突变。 B方式：每个码元载波相位相对于参考相位可取/2。这样，在相对调相时，相邻码元之间的载波相位必然发生突变。接收端可利用这一规律检测到码元定时信息，因此，B方式被广泛采用。,2PSK信号的解调2PSK信号的解调通常都是采用相干解调，解调器原理下图所示。,解调 2PSK信号的解调原理图 2PSK信号相干解调各点时间波形如下图所示。,带通 滤波器,相乘器,低通 滤波器,定时 脉冲,输出,抽样 判决器,a,b,c,d,e,7.1 二进制数字调制与解调原理,图7-14,问题：,当恢复的相干载波产生 倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象通常称为“倒”现象。,2DPSK信号的解调（方法1）,2DPSK信号可以采用相干解调方式(极性比较法)，解调器原理图和解调过程各点时间波形如图7-17所示。 波形 其解调原理是：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过差分译码器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，若相干载波产生相位模糊，使得解调出的相对码产生倒置现象。但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊度的问题。,带通 滤波器,相乘器,低通 滤波器,抽样 判决器,输出,定时 脉冲,差分 译码器,a,b,c,d,e,f,2DPSK信号相干解调方式解调过程各点时间波形如图所示 框图,2DPSK信号的解调（方法2）,2DPSK信号也可以采用差分检测解调方式(相位比较法)，解调器原理图和解调过程各点时间波形如图7-18所示。其解调原理是直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用，故解调器中不需要码反变换器。差分相干解调方式不需要专门的相干载波，因此是一种非相干解调方法。 2DPSK信号差分相干解调器原理图,输出,e,定时 脉冲,d,低通 滤波器,c,b,延迟,a,带通 滤波器,相乘器,抽样 判决器,2DPSK信号差分相干解调过程各点时间波形,思考题 设发送的二进制信息为11010011，采用2PSK方式传输。已知码元传输速率为2400B，载波频率为4800Hz。 （1）构成一种2PSK信号调制器原理框图，并画出2PSK信号的时间波形； （2）若采用相干解调方式进行解调，试构成解调器原理框图，并画出各点时间波形。 （3）若采用2DPSK方式传输，载波频率为3600Hz，重复（1）、（2）。,返回,5.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能,分析二进制数字调制系统的抗噪声性能，也就是分析在信道等效加性高斯白噪声的干扰下系统的误码性能，得出误码率与信噪比之间的数学关系。 在二进制数字调制系统抗噪声性能分析中，假设信道特性是恒参信道，在信号的频带范围内其具有理想矩形的传输特性(可取传输系数为K)。噪声为等效加性高斯白噪声，其均值为零，方差为2。,5.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能,二进制振幅键控（2ASK）系统的抗噪声性能,相干检测法的系统性能 包络检波法的系统性能,相干检测法的系统性能,2ASK信号相干检测法的系统性能分析模型,分析其抗噪声性能,发送端,带通 滤波器,低通 滤波器,码元时间间隔Ts内，发送端输出的2ASK信号,其中,c为载波角频率 Ts 为码元时间间隔,在(0,Ts)时间间隔，接收端带通滤波器输入合成波形yi(t)为,式中,加性高斯白噪声，均值为零，方差为2,带通滤波器的输出波形,假设接收端带通滤波器具有理想矩形传输特性,n(t)为窄带高斯噪声，均值为零方差为n2，表示为,与相干载波2cosct相乘后的波形,理想低通滤波器输出波形,a为信号成分 nc(t) 为低通型高斯噪声，均值为零，方差为n2,设对第k个符号的抽样时刻为kTs，则x(t)在kTs时刻的抽样值为,均值为零，方差为n2的高斯随机变量,发送“1”符号时的抽样值xanc的一维概率密度函数,发送“0”符号时的抽样值xnc的一维概率密度函数,性能分析,假设抽样判决器的判决门限为，则抽样值时判为“1”符号输出，若抽样值时判为“0”符号输出。,若发送的第个符号为“1” ，错判为“0”的错误概率,若发送的第个符号为“0” ，错判为“1”的错误概率,性能,系统总错误概率,当符号的发送概率P(1)、P(0)及概率密度函数f1(x) 、f0(x)一定时，系统总的误码率Pe将与判决门限b有关，误码率Pe等于图中阴影的面积,当判决门限b取两条曲线相交点b*时，阴影的面积最小。这个门限就称为最佳判决门限,a,b*,性能,最佳判决门限也可通过求误码率Pe关于判决门限b的最小值的方法得到,令,当,最佳判决门限,发送二进制符号“1”和“0”等概，且判决门限取b*=a/2时，对2ASK信号采用同步检测法进行解调时的误码率,式中,在大信噪比（r1）条件下,二进制振幅键控（2ASK）系统的抗噪声性能,相干检测法的系统性能 包络检波法的系统性能,二、包络检测法的系统性能,2ASK信号包络检测法的系统性能分析模型,分析其抗噪声性能,性能,带通滤波器输出信号,性能,发送“1”符号时,发送“0”符号时,在kTs时刻包络检波器 输出波形的抽样值,发送“1”符号时的抽样值是广义瑞利型随机变量；发送“0”符号时的抽样值是瑞利型随机变量，它们的一维概率密度函数分别为,n2为窄带高斯噪声n(t)的方差,性能,抽样判决器对抽样值作出判决，若抽样值大于判决门限，即Vb时判为“1”符号输出；若抽样值小于等于判决门限，即Vb时判为“0”符号输出。,积分值可用Marcum Q函数计算,Q函数定义,将Q函数代入上式,归一化门限值，用b0表示,式中,性能,同理,系统总错误概率,在系统输入信噪比一定的情况下，系统误码率将与归一化门限值b0有关,当归一化判决门限值b0处于两条曲线的相交点时，图中阴影部分的面积最小，即此时系统的总误码率最小。 b0*为最佳归一化判决门限,性能,最佳判决门限也可通过求极值的方法得到,令,当,最佳判决门限,最佳归一化判决门限,大信噪比(r1)条件下，上式近似为,1.,r的取值分大信噪比和小信噪比两种情况考虑,性能,最佳判决门限,最佳归一化判决门限,小信噪比(r1)条件下，上式近似为,2.,结论：对于任意的r值，b0*的取值介于 和 之间,实际工作中，系统总是工作在大信噪比的情况下，此时最佳归一化判决门限,系统总误码率,当r时，上式的下界为,包络检测法的系统性能,包络检测法与相干检测法系统性能比较 在相同的信噪比条件下，相干检测法的误码性能优于包络检波法的性能； 在大信噪比条件下，包络检波法的误码性能将接近相干检测法的性能。 包络检波法不需要稳定的本地相干载波信号，故在电路上要比相干检测时简单。,例 设某2ASK系统中二进制码元传输速率为9600波特，发送“1”符号和“0”符号的概率相等，接收端分别采用同步检测法和包络检波法对该2ASK信号进行解调。已知接收端输入信号幅度 ，信道等效加性高斯白噪声的双边功率谱密度 。试求 （1）同步检测法解调时系统总的误码率； （2）包络检波法解调时系统总的误码率。,解： (1) 对于2ASK信号，信号功率主要集中在其频谱的主瓣。因此，接收端带通滤波器带宽可取2ASK信号频谱的主瓣宽度，即 带通滤波器输出噪声平均功率为 信噪比为 因为信噪比 ，所以同步检测法解调时系统总的误码率为,（2）包络检波法解调时系统总的误码率为 比较两种方法解调时系统总的误码率可以看出，在大信噪比的情况下，包络检波法解性能接近同步检测法解调性能。,5.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能,二进制频移键控（2FSK）系统的抗噪声性能,相干检测法的系统性能 包络检波法的系统性能,相干检测法的系统性能,2FSK信号相干检测法的系统性能分析模型,分析其抗噪声性能,性能,码元时间间隔Ts内，发送端输出的2FSK信号,其中,1发送“1”符号的载波角频率 2发送“0”符号的载波角频率,性能,信道输出合成波形,加性高斯白噪声，均值为零，方差为2,性能,假设在(0,Ts)发送“1”信号,上下两个支路低通滤波器的输出,a为信号成分 n1c(t) 和n2c(t)为低通型高斯噪声，均值为零，方差为n2,x1(t)和x2(t)在kTs时刻抽样值的一维概率密度函数分别为,性能,错误概率P(0/1),高斯型随机变量，均值为a，方差为2n2,性能,总错误概率,式中,在大信噪比（r1）条件下,二进制频移键控（2FSK）系统的抗噪声性能,相干检测法的系统性能 包络检波法的系统性能,包络检测法的系统性能,2FSK信号包络检测法的系统性能分析模型,分析其抗噪声性能,性能,图中,假设在(0,Ts)发送“1”信号,V1(t),V2(t),性能,在kTs时刻包络检波器输出波形的抽样值,错误概率,令,性能,根据Q函数性质,同理可得,总错误概率,包络检测法的系统性能,包络检测法与相干检测法系统性能比较 在大信噪比条件下，2FSK信号采用包络检波法解调性能与相干检测法解调性能接近，相干检测法性能较好 但采用相干检测时设备更为复杂，因此，在能够满足信噪比要求的场合，包络检测法比相干检测法更为常用,例：采用2FSK方式在有效带宽为2400HZ的信道上传送二进制数字序列。已知2FSK系统的两个载波频率分别为：fc1=2025HZ，fc2=2225HZ，码元速率RB=300Baud，信道输出端的信噪比为6dB，试求： （1）2FSK信号的带宽 （2）采用包络检波法解调时的误码率 （3）采用相干接收法解调时的误码率,5.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能,2PSK及2DPSK系统的抗噪声性能,2PSK相干解调系统性能 2DPSK信号相干解调系统性能 2DPSK信号差分相干解调系统性能,2PSK相干解调系统性能,2PSK信号相干解调系统性能分析模型,分析其抗噪声性能,性能,码元时间间隔Ts内，发送端输出的2PSK信号,其中,c为载波角频率 Ts 为码元时间间隔,接收端带通滤波器输出波形,性能,低通滤波器输出波形,在kTs时刻抽样值的一维概率密度函数分别为,由最佳判决门限分析可知，在发送“1”符号和发送“0”符号概率相等时，最佳判决门限b*=0,性能,错误概率,式中,同理,总错误概率,在大信噪比（r1）条件下,2PSK及2DPSK系统的抗噪声性能,2PSK相干解调系统性能 2DPSK信号相干解调系统性能 2DPSK信号差分相干解调系统性能,2DPSK信号相干解调系统性能,2PSK信号相干解调系统性能分析模型,2DPSK信号采用相干解调加码反变换器方式解调时，码反变换器输入端的误码率既是2PSK信号采用相干解调时的误码率 只需要再分析码反变换器对误码率的影响即可。,2DPSK系统有关端点上的信号关系,码变换器输出的每一个码元是由输入的两个相邻码元决定的 规定：若两相邻码元相同，输出“0”；不同，输出“1”（即输出数字为相邻输入数字的模二和）,码变换发生错码的情况,相干检测输出相对码发生一个错码,码变换器引起相邻两个码元错误,相干检测输出相对码发生两个连续错码,码变换器引起两个码元错误,相干检测输出相对码发生N个连续错码,码变换器引起两个码元错误,性能,码反变换器输入端相对码序列连续出现个错码的概率,式中,设,码变换器输入端相对码序列误码率,每个码元出错概率相等，且统计独立,码反变换器输出端绝对码序列误码率,性能,Pe小于1,当相对码的误码率Pe1时,码反变换器输出端绝对码序列的误码率是码反变换器输入端相对码序列误码率的两倍。 码反变换器的影响是使输出误码率增大。,2PSK及2DPSK系统的抗噪声性能,2PSK相干解调系统性能 2DPSK信号相干解调系统性能 2DPSK信号差分相干解调系统性能,2DPSK信号差分相干解调系统性能,2DPSK信号差分相干解调系统性能分析模型,分析其抗噪声性能,性能,带通滤波器输出,假设当前发送的是“1”符号，并且前一个时刻发送的也是“1”符号,延迟器输出,其中n1(t)和n2(t)分别为无延迟支路的窄带高斯噪声和有延迟支路的窄带高斯噪声，并且n1(t)和n2(t)相互独立,带通滤波器输出,性能,抽样时刻的样值,若x0，则判决为“1”符号-正确判决 若x0，则判决为“0”符号-错误判决,利用恒等式,错误概率,性能,设,R1为服从广义瑞利分布的随机变量,n1c、n2c、n1s、n2s是相互独立的正态随机变量,R2为服从瑞利分布的随机变量,性能,同理,系统总误码率,2DPSK信号差分相干解调系统性能,差分相干方式与相干解调码反变换方式性能比较 当系统误码率较小时，2DPSK系统采用差分相干方式接收与采用相干解调码反变换方式接收的性能很接近。,例：若采用2DPSK方式传送二进制数字信息，已知发送端发出的信号振幅为5V，输入接收端解调器的高斯噪声功率 W， 今要求误码率 。试求： (1)采用差分相干接收时，由发送端到解调器输入端的衰减为多少？ (2)采用相干解调码反变换接收时，由发送端到解调器输入端的衰减为多少？,解： (1) 2DPSK方式传输，采用差分相干接收，其误码率为 可得 又因为 可得 衰减分贝数为,（2）采用相干解调码反变换接收时误码率为 则可得 衰减分贝数为,5.3.4 二进制数字调制系统的性能比较,1.频带宽度 若传输的码元时间宽度为 ，则2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度近似为 ，即 2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统具有相同的频带宽度。2FSK系统的频带宽度近似为 大于2ASK系统或2PSK系统的频带宽度。 因此，从频带利用率上看，2FSK系统的频带利用率最低。,2 误码率,5.3.4 二进制数字调制系统的性能比较,5.3.4 二进制数字调制系统的性能比较,由表可以看出，从横向来比较，对同一种数字调制信号，采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率。从纵向来比较，在误码率 一定的情况下，2PSK、2FSK、2ASK系统所需要的信噪比关系为 将式(7.3-1)转换为分贝表示式为 若信噪比 一定时，2PSK系统的误码率低于2FSK系统，2FSK系统的误码率低于2ASK系统。,5.3.4 二进制数字调制系统的性能比较,3对信道特性变化的敏感性 在2FSK系统中，判决器是根据上下两个支路解调输出样值的大小来作出判决，不需要人为地设置判决门限，因而对信道的变化不敏感。在2PSK系统中，当发送符号概率相等时，判决器的最佳判决门限为零，与接收机输入信号的幅度无关。因此，判决门限不随信道特性的变化而变化，接收机总能保持工作在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为a/2(当P(1)=P(0)时)，它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度将随着发生变化，从而导致最佳判决门限也将随之而变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，因此，2ASK对信道特性变化敏感，性能最差。,4.设备复杂程度 对于几种二进制数字调制方式，发送端的设备复杂程度差不多，而接收端的设备复杂度与解调的方式相关。 对于同一种调制方式，由于相干检测需要同步载波，所以相干检测设备要比非相干检测设备复杂。 若同为相干检测，2DPSK的设备最为复杂，2FSK次之，2ASK最简单。,5.3.4 二进制数字调制系统的性能比较,5.3.4 二进制数字调制系统的性能比较,5.应用 可见，选择调制解调的方式时，需要考虑较多因素。一般来说，信噪比高的系统常采用非相干解调，而在小信噪比工作的环境中，需采用相干解调。数据传输中最常用的是相对调相2DPSK和频移键控2FSK，相干检测2DPSK主要用于高速数据传输系统，而非相干检测2FSK主要用于低速数据传输系统中。,5.4,多进制数字调制系统,5.4.1 多进制数字振幅调制系统 (MASK) 5.4.2 多进制数字频率调制系（MFSK) 5.4.3多进制数字相位调制系统（MPSK和MDPSK）,5.4 多进制数字调制解调,由信息传输速率 、码元传输速率 和进制数 之间的关系 可知，在信息传输速率不变的情况下，通过增加进制数 ，可以降低码元传输速率，从而减小信号带宽，节约频带资源，提高系统频带利用率。 由关系式 可知，在码元传输速率不变的情况下，通过增加进数 ，可以增大信息传输速率，从而在相同的带宽中传输更多的信息量。,5.4.1 多进制幅移键控,其中s(t)是多进制基带信号，bn是M进制电平码其取值为：,且,MASK信号表达式,频带利用率,返回,1、M进制已调幅信号带宽是M进制数字基带信号带宽的两倍。 即 BM（已调）=2BM（未调） 2、频带利用率 可见，MASK信号的频带利用率比2ASK信号提高了log2M倍。但由于是多个电平判决，其误码率比2ASK系统增大了。故MASK调制一般用在信道质量良好的恒参信道中。,一种四进制数字振幅调制信号的时间波形如图所示。,对该 进制数字振幅调制信号进行相干解调，则系统总的误码率 为 式中， 为信噪比。 当 取不同值时， 进制数字振幅调制系统总的误码率 与信噪比 关系曲线如图7-34所示。,多进制数字调制系统,由此图可以看出，为了得到相同的误码率 ，所需的信噪比随 增加而增大。,5.4.2 多进制频移键控,MFSK信号,且,MFSK频谱,返回,多进制数字频率调制(MFSK)简称多频调制，它是2FSK方式的推广。MFSK信号可表示为 式中： 多进制数字频率调制信号的带宽近似为,若相邻载频之差为2fs，即相邻频率的功率谱主瓣刚好互不重叠，这时的MFSK信号的带宽及频带利用率分别为 带宽 BMFSK=2Mfs 频带利用率r=log2M/2M 可见：MFSK信号的带宽随频率数M的增大而线性增宽，频带利用率明显下降。与MASK的频带利用率相比，MFSK的频带利用率总是低于MASK的频带利用率。,MFSK信号采用非相干解调时的误码率为 MFSK信号采用相干解调时的误码率为 在 一定的情况下，信噪比 越大，误码率 越小；在 一定的情况下， 越大，误码率 也越大。,543 多进制数字相位调制 1.多进制数字相位调制 (MPSK) 信号的表示形式 四进制数字相位调制信号矢量图如图所示，载波相位有0、 、 和 （或 、 、 和 ），它们分别代表信息11、01、00和10。,多相调相信号矢量图,四相调相A方式,四相调相B方式,四相调相A方式,四相调相B方式,在 进制数字相位调制中，是以载波相位的 种不同取值分别表示数字信息，因此 进制数字相位调制信号可以表示为 式中， -信号包络波形，通常为矩形波，幅度为1； -码元时间宽度； -载波角频率； -第 个码元对应的相位，共有 种取值。 对于二相调制， 可取0和 ；对于四相调制， 可取0、 、 和 ；对于八相调制， 可取 、 、 、 、 、 、 和 。,MPSK信号的带宽与MASK信号的带宽相同。 即 BMPSK=BMASK=2fs 其中，fs=1/Ts是M进制码元速率。此时信息速率与MASK相同。是2ASK及2PSK的K=log2M倍。即MPSK系统的频带利用率是2PSK的K倍。 1、如用多进制基带传输，则理论上频带利用率为2log2M。 2、若调制后的带宽是基带带宽的2倍，故理论上频带利用率为log2M。 3、实际应用中，采用频谱滚降特性，如滚降系数为a，则多相调相的频带利用率为log2M/1+a,2.4PSK信号的产生与解调 四进制绝对移相键控利用载波的四种不同相位来表示数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，因此每个四进制码元可以用两个二进制码元的组合来表示。两个二进制码元中的前一比特用a表示，后一比特用 b 表示，则双比特ab与载波相位的关系如表所示。,正交调制器原理图如图所示，它可以看成由两个载波正交的4PSK调制器构成。 图中，串/并变换器将输入的二进制序列分为速率减半的两个并行的双极性序列 和 ，然后分别对 和 进行调制，相加后即可得到4PSK信号。,串/并 变换,输入,- 移相,载波 震荡,相加器,输出,相位选择法产生4PSK信号，其原理图如图所示。 图中，四相载波产生器输出4PSK信号所需的四种不同相位的载波。输入二进制数据流经串/并变换器输出双比特码元，逻辑选相电路根据输入的双比特码元，每个时间间隔 选择其中一种相位的载波作为输出，然后经带通滤波器滤除高频分量。,串/并 变换,输入,逻辑选相 电路,带通 滤波器,输出,四相载波产生器,4PSK信号的解调可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，解调原理图如图所示。,输入,带通 滤波器,低通 滤波,抽样 判决,并/串 变换,低通 滤波,抽样 判决,载波 恢复,位定时,输出,在2PSK信号相干解调过程中会产生 相位模糊。同样，对4PSK信号相干解调也会产生相位模糊问题，并且是 、 、 和 四个相位模糊。 因此，在实际中更实用的是四相相对移相调制，即4DPSK方式。,3.4DPSK信号的产生与解调 4DPSK信号是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。若以前一双比特码元相位作为参考， 为当前双比特码元与前一双比特码元初相差，则信息编码与载波相位变化关系如下表所示,载波相位变化,4DPSK信号产生原理图如图所示。 图中，串/并变换器将输入的二进制序列分为速率减半的两个并行序列 和 ，再通过差分编码器将其编为四进制差分码，然后用绝对调相的调制方式实现4DPSK信号 。,输入,串/并 变换,载波 震荡,码变换,a,b,c,d,相加器,输出,a,b,4DPSK信号的解调可以采用相干解调加码反变换器方式(极性比较法)，也可以采用差分相干解调方式(相位比较法)。4DPSK信号相干解调加码反变换器方式原理图如图所示。,输入,带通 滤波器,低通 滤波,抽样 判决,并/串 变换,低通 滤波,抽样 判决,载波 恢复,位定时,码反 变换,输出,4DPSK信号差分相干解调方式原理图如图所示。,输入,带通 滤波,并/串 变换,低通 滤波,抽样 判决,位定时,输出,延迟,移相,低通 滤波,抽样 判决,4.4PSK及4DPSK系统的误码率性能 对4PSK信号，采用相干解调器，系统总的误码率 为 式中 为信噪比。 4DPSK方式的误码率为,5.5 正交幅度调制,数字调制三种基本方式(数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制)存在的不足：频谱利用率低、抗多径抗衰落能力差、功率谱衰减慢带外辐射严重等 为了改善这些不足，近几十年来人们不断地提出一些新的数字调制解调技术，以适应各种通信系统的要求。 本节分别对几种具有代表性的数字调制系统进行讨论。,现代数字调制解调技术,正交振幅调制(QAM),随着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一。 正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一种频谱利用率很高的调制方式。 正交振幅调制QAM的应用领域：中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统、移动通信系统等领域。,正交振幅调制(QAM),MQAM调制原理 MQAM的星座图 MQAM解调原理 MQAM抗噪声性能,MQAM调制原理,正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。 正交振幅调制信号的一般表示式,MQAM调制原理,串/并变换,2/L 电平变换,2/L 电平变换,预调制 LPF,预调制 LPF,输出,y(t),Am,Bm,输入,输入的二进制序列经过串/并变换器输出速率减半的两路并行序列，再分别经过2电平到L电平的变换，形成L电平的基带信号 为了抑制已调信号的带外辐射，该L电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，形成X(t)和Y(t),再分别对同相载波和正交载波相乘 最后将两路信号相加即可得到QAM信号,正交振幅调制信号的一般表示式,正交振幅调制(QAM),MQAM调制原理 MQAM的星座图 MQAM解调原理 MQAM抗噪声性能,MQAM的星座图,信号矢量端点的分布图称为星座图。 通常，可以用星座图来描述QAM信号的信号空间分布状态。 M16的16QAM的两种具有代表意义信号星座图,方型16QAM星座（标准型16QAM）,星型16QAM星座,比 较,(3,3),(3,1),(-3,3),(-3,1),(-3,-3),(3,-3),(-1,-1),(-1,1),(0,4.61),(0,2.61),(4.61,0),(0,-4.61),(0,-2.61),(2.61,0),(-4.61,0),(-2.61,0),MQAM与MPSK星座图比较,若已调信号的最大幅度为1，则MPSK信号星座图上信号点间的最小距离为,MQAM信号矩形星座图上信号点间的最小距离,L为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数，M=L2,由星座图可知：各信号点之间的距离越大，抗误码能力越强，星座图上点数越多，频带利用率越高，但抗干扰能力越差。 若星座图中只有4个点，则称为4QAM，若有16个点，则称16QAM。 一般dMSPK，mindMQAM,min.这是因为MQAM较充分利用整个星座图平面，所以相对MPSK有较强的抗干扰能力。,正交振幅调制(QAM),MQAM调制原理 MQAM的星座图 MQAM解调原理 MQAM抗噪声性能,MQAM解调原理,MQAM信号同样可以采用正交相干解调方法,解调器输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波输出两路多电平基带信号X(t)和Y(t)。 多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测，再经L电平到2电平转换和并/串变换器最终输出二进制数据。,LPF,多电平 判决,L/2 电平变换,LPF,多电平 判决,L/2 电平变换,定时恢复,并/串变换,正交振幅调制(QAM),MQAM调制原理 MQAM的星座图 MQAM解调原理 MQAM抗噪声性能,MQAM抗噪声性能,对方型QAM，可以看成是由两个相互正交且独立的多电平ASK信号叠加而成。 因此，利用多电平信号误码率的分析方法，可得到M进制QAM的误码率为,M=L2 Eb为每比特码元能量 n0为噪声单边功率谱密度,例5.5 正交幅度系统采用16QAM，带宽为4800Hz，滚降系数a=0.5，求每路有几个电平？总比特率、调制速率各为多少？频谱利用率是多少？,MQAM抗噪声性能,M进制方型QAM的误码率曲线,本章小结,1，频带传输系统：在发送端用基带信号控制载波的分量，变换成频带信号进行传输，接收端再由解调器将频带信号恢复成基带信号的传输系统。其中，调制和解调技术是频带传输系统的核心内容。 2，分类：根据调制信号的不同，分为2进制和多进制调制。根据基带信号控制载波的参数不同，分为ASK、FSK、PSK三种调制方式。,3，ASK：是用基带数据信号控制一个载波的幅度，其实现简单，发送端可用模拟相乘法和键控法产生频带信号，接收端可用包络检波法和相干解调实现解调。但ASK的抗噪声性能较差，主要应用于信噪比要求不高的场合。 4，FSK：是用基带数据信号去控制载波的频率，当发送不同的码元时传送不同的频率。FSK信号的产生可以用模拟相乘电路和数字键控方法来实现，其解调方法有非相干解调和相干解调两种。非相干解调有分路滤波法、过零点检测法、限幅鉴频法等。,FSK设备较简单，其抗噪声性能优于ASK，但FSK需要占用较宽的传输频带，主要应用于低速或中速的数据传输中。 5，PSK：是用基带数据信号控制载波的相位，使它作不连续的、有限取值的变化以实现信息传输的方法。根据已调信号参考相位的不同，分为绝对调相（PSK）和相对调相（DPSK）。PSK的抗噪声性能好，但接收端只能采用相干解调，会出现倒 现象。故实际应用中，常采用DPSK来克服这一问题。DPSK的抗噪声性能较PSK较差，有极性比较法和相位比较法两种解调方式。由于DPSK系统的性能优于FSK和ASK系统，一般应用在中速和中高速（12004800bit/s）的数据传输系统中。,6，多进制数字调制系统与2进制调制系统相比，信息传输速率较高，频带利用率较高，但系统的抗噪声性能低于2进制数字调制系统，且设备较复杂。所以多进制调制常用于高速数据传输系统中。应用较多的高速调制解调方式是正交幅度调制（QAM），这一方式是由两路在频谱上成正交的抑制载波的双边带调幅组成，可获得较高的信道频带利用率。在多种调制系统中，MQAM系统的性能最接近香农定理信道容量的极限。QAM调制主要应用于有线数字视频广播和宽带接入等通信系统方面，还可用于微波通信、卫星通信、移动通信等领域。,