c7-第7章数字调制课件

数字带通传输第7章二进制数字调制/解调原理2ASK 2FSK 2PSK/2DPSK 二进制数字调制系统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原理和特点本章内容:第7章数字调制 u数字调制：用数字调制：用数字基带信号数字基带信号控制载波某个参数的过程。控制载波某个参数的过程。u数字带通传输系统：包括调制数字带通传输系统：包括调制/解调过程的数字传输系统。解调过程的数字传输系统。振幅键控 频移键控 相移键控q模拟调制法模拟调制法 q数字键控法数字键控法q二进制二进制和多进制调制q基本调制基本调制和新型调制方法分类分类Amplitude Shift Keying Frequency Shift Keying Phase Shift Keying ASK PSK FSK 概述 二进制数字调制原理7.1 1 0 1 101s(t)载波2ASKtn表达式：2ASK 也称 OOKttn原理：n波形：单极性单极性Tss(t)载波幅度7.1.1 二进制振幅键控（2ASK）n2ASK产生u模拟调制法u键控法n 2ASK 解调u 包络检波法u 相干解调法u 包络检波法的各点波形相呼应n原理：n波形：n表达式：s(t)载波频率载波频率7.1.2 二进制频移键控（2FSK）一、一、2FSK信号的产生信号的产生1、采用模拟调频电路来实现，如下图（、采用模拟调频电路来实现，如下图（a）；）；2、采用数字键控的方法来实现，如下图（、采用数字键控的方法来实现，如下图（b）。）。模拟调频器载波1载波2图图 二进制移频键控二进制移频键控2FSK信号的产生及波形信号的产生及波形1 0 0 1 u模拟调频法：相邻码元之间的相位是连续变化的。相邻码元之间的相位是连续变化的。u键控法：相邻码元之间的相位不一定连续。相邻码元之间的相位不一定连续。特点特点：转换速度快、电路简单、转换速度快、电路简单、产生的波形好、频率稳定度高产生的波形好、频率稳定度高。图图 二进制移频键控信号的时间波形二进制移频键控信号的时间波形三、三、2FSK信号的解调信号的解调1、非相干解调，如图（、非相干解调，如图（b）；）；2、相干解调，如图（、相干解调，如图（a）。）。3、过零检测法；、过零检测法；图图79二进制移频键控信号解调器原理图二进制移频键控信号解调器原理图 s1s1s2s2u 包络检波法n 2FSK 解调 01012FSK非相干解调过程的时间波形非相干解调过程的时间波形 s1(t)s2(t)0u 过零检测法n FSK应用：应用：n原理：n波形：n表达式：双极性双极性s(t)载波相位7.1.3 二进制相移键控（2PSK）图图 2PSK信号的波形信号的波形数字信息 0 1 1 0n 2PSK 产生u键控法u模拟调制法图图7-142PSK信号的解调原理图信号的解调原理图带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲l 2PSK 解调 图图 7-152PSK信号相干解调各点时间波形信号相干解调各点时间波形 2PSK信信号号相相干干解解调调各各点点时时间间波波形形如如图图7-14 所所示示。当当恢恢复复的的相相干干载载波波产产生生180倒倒相相时时，解解调调出出的的数数字字基基带带信信号号将将与与发发送送的的数数字字基基带带信信号号正正好好是是相相反反，解解调调器器输输出出数数字字基基带带信信号号全部出错。全部出错。这这种种现现象象通通常常称称为为“倒倒”现现象象。由由于于在在2PSK信信号号的的载载波波恢恢复复过过程程中中存存在在着着180的的相相位位模模糊糊，所所以以2PSK信信号号的的相相干干解解调调存存在在随随机机的的“倒倒”现现象象，从从而而使使得得2PSK方方式式在在实实际际中很少采用。中很少采用。利用前后相邻码元的载波相对相位表示信息。n矢量图:B方式 A方式 n原理：7.1.4 二进制差分相移键控（2DPSK）n 波形:示例:n 差分编码规则：为模2加bn-1为 bn的前一码元 最初bn-1可任意设定参考相位n 2DPSK 产生u构思u模型（差分编码）2DPSK信号的产生信号的产生 2DPSK信号的实现方法可以采用：对绝对码作相对相移信号的实现方法可以采用：对绝对码作相对相移 对相对码作绝对相移对相对码作绝对相移1、首首先先对对二二进进制制数数字字基基带带信信号号(绝绝对对码码)进进行行码码变变换换，即即将将绝绝对对码码转转换换为为相相对对码码，然然后后对对相相对对再再进进行行绝绝对对调调相相，从从而而产产生生2DPSK信号。信号。如图如图7-19（a）所示。）所示。若设若设 an为绝对码，为绝对码，bn为相对码（差分码）为相对码（差分码）则则 bn=an bn-12、键控法。如图、键控法。如图7-19（b）所示。）所示。电平转换相乘载波码变换载波相移码变换图图719 2DPSK的调制方框图的调制方框图2DPSK信号调制过程波形图信号调制过程波形图 1 0 0 1 0 1 1 0 设初态为设初态为0 an bn 参考参考 1、相相干干解解调调方方式式(极极性性比比较较法法)：解解调调原原理理是是对对2DPSK信信号号进进行行相相干干解解调调，恢恢复复出出相相对对码码；对对相相对对码码再再进进行行码码反反变变换换，变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。2、差差分分相相干干解解调调（相相位位比比较较法法）：解解调调原原理理是是直直接接比比较较前前后后码码元元的的相相位位差差，从从而而恢恢复复发发送送的的二二进进制制数数字字信信息息。由由于于解解调调的的同同时时完完成成了了码码反反变变换换作作用用，故故解解调调器器中中不不需需要要码码反反变变换换器器。由由于于差差分分相相干干解解调调方方式式不不需需要要专专门门的的相相干干载载波波，因因此是一种非相干解调方法。此是一种非相干解调方法。n 2DPSK 的解调的解调（1）2DPSK 相干解调+码反变换法2DPSK信号相干解调器原理图和解调过程各点时间波形信号相干解调器原理图和解调过程各点时间波形高电平判高电平判1,低电平判低电平判0时初态应设时初态应设1 设初态为设初态为11 1 1 0 0 1 0 00低电平判低电平判1,高电平判高电平判0时初态应设时初态应设0（2）2DPSK 差分相干解调(相位比较)法相乘器起着相位比较的作用图图7.212DPSK信号差分相干解调器原理图和解调过程各点时间波形信号差分相干解调器原理图和解调过程各点时间波形0参考参考反相反相u注：相位注：相位变化表示化表示“1”u 相位不相位不变表示表示“0”时，2DPSK的差分相干解的差分相干解调抽抽样判决器的判决器的规则是：低是：低电平判平判为1，高，高电平判平判为0。u 相位相位变化表示化表示“0”u 相位不相位不变表示表示“1”时，2DPSK的差分相干解的差分相干解调法，抽法，抽样判决器的判决器的规则是：是：低低电平判平判为0，高，高电平判平判为1。n 分析目的：B 和 fcn 分析方法：借助于基带信号的功率谱Power Spectral Density7.1.5 二进制数字已调信号的功率谱(PSD)设 Ps(f)s(t)的PSD P2ASK(f)2ASK信号的PSD则1 2ASK信号的功率谱密度信号的功率谱密度可见，P2ASK(f)是Ps(f)的线性搬移（属线性调制）。单极性单极性基带带宽基带带宽fB=1/TB=RB 2PSK信号的频谱与2ASK的十分相似；带宽也是基带信号带宽的两倍：区别仅在于当P=1/2时，谱中无离散谱（即载波分量）。2 2PSK/2DPSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度双极性双极性3 2FSK信号的功率谱密度的功率谱密度 连续谱形状随着两个载频之差的大小而变化 谱零点带宽：二进制数字调制系统抗噪声性能7.2概述n性能指标性能指标：系统的误码率 Pen n分析方法分析方法分析方法分析方法：借用数字基带系统的方法和结论 n分析条件分析条件：恒参信道（传输系数取为 K）信道噪声是加性高斯白噪声n背景知识背景知识：窄带噪声 正弦波+窄带噪声a=kA7.2.1 2ASK系统的抗噪声性能n 2ASK-相干解调2ASK信号相干相干解调时系统的总误码率为r 1时解调器输入端信噪比 n 2ASK-包络检波 正弦波+窄带高斯噪声 窄带高斯噪声包络检波器 整流-低通l实际情况实际情况 系统工作在大信噪比情况下，最佳门限应取：此时，系统的总误码率为：当 r 时，上式的下界为：归纳归纳接收端带通滤波器带宽为：带通滤波器输出噪声平均功率为：信噪比为：解解例例(1)同步检测同步检测法解调时系统的误码率为(2)包络检波包络检波法解调时系统的误码率为 评注评注r 1时时l 2FSK-相干解调相干解调系统的总误码率为西安电子科技大学西安电子科技大学 7.2.2 2FSK系统的抗噪声性能对比：2FSK-相干解调相干解调系统的总误码率2FSK-包络检波包络检波系统的总误码率为r 1n 2FSK-包络检波（2）上、下支路带通滤波器(BPF)的带宽近似为：解解例例（3）同步解调同步解调时系统的误码率:信道输出端信噪比为 6dB（即4），带通滤波器输出端（解调器输入端)的信噪比为：因此，包络检波包络检波时系统的误码率：在任意一个TB内，2PSK 和2DPSK都可表示为：2PSK 信号信号2DPSK 信号信号原始数字信息原始数字信息（绝对码绝对码）相对码相对码7.2.3 2PSK/2DPSK系统的抗噪声性能 1 2PSK相干解调系统相干解调系统 因此，x(t)的一维概率密度函数为:高斯噪声(0，n2)高斯噪声(a，n2)与双极性基带系统 的情况类似=双极性基带信号+高斯噪声可见可见因此，借助双极性基带系统的分析结果：可方便地得到2PSK-相干相干系统的分析结果：2PSK信号相干相干解调系统的总误码率：r 1时解调器输入端信噪比 f点：绝对码绝对码序列。只需在Pe2PSK基础上考虑码反变换器 对误码率的影响即可。e点：相对码相对码序列。由2PSK误码率公式来确定：在大信噪比（r 1）时，Pe 0，判为“1”正确 x 0，判为“0”错误判决判决l2DPSK-差分相干解调差分相干解调系统的总误码率为：7.3 二进制数字调制系统性能比较 1 误码率可靠性讨论讨论2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK讨论讨论2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK讨论讨论2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK讨论讨论2PSK、2DPSK、2FSK、2ASKl 大信噪比大信噪比(r r 11)时时,两者性能相差不大。两者性能相差不大。lB2FSK不仅与基带信号带宽有关，且与两个载频之差有关。l设基带信号的谱零点带宽为RB=1/TS，则有：l在RB一定时一定时，2FSK的频带利用率最低，有效性最差。2 频带带宽有效性2ASK：2PSK：2FSK：3 对信道特性变化的敏感性 通常，非相干非相干方式 比 相干相干方式简单。这是因为相干解调需要提取相干载波，故设备相对复杂些，成本也略高。4 设备的复杂度综述综述多进制数字调制系统7.4 引言二进制进制：每个码元只携带每个码元只携带 1 bit 信息信息Mlog 2M西安电子科技大学西安电子科技大学 通院通院 n MASK可看成是二进制振幅键控（可看成是二进制振幅键控（2ASK）的推广。）的推广。且有且有7.4.1 多进制振幅键控（MASK）n 4ASK信号振幅有信号振幅有4种取值，每个码元含种取值，每个码元含2bit。n MASK调制制:与与2ASK的产生方法相似，区别在于的产生方法相似，区别在于:发送端输入的发送端输入的二二二二进制数字基带信号需要先经过电平变进制数字基带信号需要先经过电平变换器转换为换器转换为M电平的基带脉冲，然后再去调制。电平的基带脉冲，然后再去调制。n MASK解解调:与与2ASK信号解信号解调也相似，有相干和非相干解也相似，有相干和非相干解调两种。两种。lMASK信号的功率谱信号的功率谱 与与 2ASK信号具有相似的形式信号具有相似的形式;l谱零点带宽是谱零点带宽是 M 进制数字基带信号带宽的两倍。进制数字基带信号带宽的两倍。l在在 Rb相同时，相同时，MASK信号带宽是信号带宽是 2ASK的的 1/log2M 倍倍。l MASK的抗噪声能力差，的抗噪声能力差，l 常用多常用多进制正交振幅制正交振幅调制（制（MQAM）来代替。）来代替。n MFSK可视为可视为2FSK方式的推广。方式的推广。n 4FSK采用采用 4种种不同的不同的频率频率分别表示分别表示双比特双比特信息：信息：7.4.2 多进制频移键控（MFSK）n MFSK调制与解调的原理框图：调制与解调的原理框图：l要要求求载载频频之之间间的的距距离离足足够够大大，以以便便用用滤滤波波器器分分离不同频率的谱离不同频率的谱。lMFSK信号占用较宽的频带，信道频带利用率不高。信号占用较宽的频带，信道频带利用率不高。lMFSK一般用于一般用于 调制速率调制速率(1/TB)不高的不高的衰落信道衰落信道 传输传输场合。场合。7.4.3 多进制相移键控（MPSK）1.1.多进制数字相位调制多进制数字相位调制(MPSK)(MPSK)的原理的原理 多进制数字相位调制又称多相制，它是利用载波的多进制数字相位调制又称多相制，它是利用载波的多种不同相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式。多种不同相位（或相位差）来表征数字信息的调制方式。与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制和差分相位调制两种。绝对相位调制和差分相位调制两种。2 4PSK 调制l QPSK的每一种的每一种载波相位代表两个比特波相位代表两个比特：（00、01、10 或或 11）l 两个比特的组合两个比特的组合 称做称做 双比特双比特 码元，记为码元，记为 a b1 1）双比特与载波相位的关系）双比特与载波相位的关系n矢量图 注：注：对应关系可有不同对应关系可有不同规定，但相邻码组应符规定，但相邻码组应符合合格雷码格雷码编码规则编码规则n波形 n正交调相法2）QPSK调制-sin0t相干载波产生相乘电路相乘电路/2相移串/并变换相加电路cos0tA(t)s(t)图图7-36正交调相法产生正交调相法产生QPSK信号信号ab 根据当时的双比特根据当时的双比特ab，选相电路从候选的选相电路从候选的4 4个个相位中选择相应相位的载波输出。相位中选择相应相位的载波输出。n相位选择法abB方式方式原理：原理：n 解决方案解决方案：采用四相相对相位调制，即QDPSK。n 存在问题存在问题：存在900的相位模糊（0,90,180,270）n 原理原理：分解为两路2PSK信号的相干解调。3 QPSK 解调相干载波相干载波相乘器相乘器低通低通抽样判决抽样判决器器/2/2移相移相相乘器相乘器低通低通抽样判决抽样判决器器并并/串变换串变换图图7-40 QPSK信号解调方框图信号解调方框图 yA(t)yB(t)XA(t)XB(t)B方式方式设接收到的信号为设接收到的信号为 s(t)=Acos(ct+k)其中，其中，k=/4、3/4、5/4、7/4上、下支路相乘器的输出分别为上、下支路相乘器的输出分别为 yA(t)=A/2 cosk+A/2 cos(2ct+k yB(t)=A/2 sink-A/2 sin(2ct+k)经经LPF输出后，分别为输出后，分别为 XA=A/2 cosk XB=A/2 sink 则抽样判决器输出为则抽样判决器输出为k 的相位Cosk极性Sink极性判决输出ab/4+113/4-+015/4-007/4+-10l跳跳变周期周期 2Tbl带宽 B=RbnQPSK 特点：特点：l相位跳相位跳变：0,90,180 l最大相位跳变最大相位跳变180，使使限带限带的的QPSK信号包络起伏信号包络起伏很大，并出现包络零点。很大，并出现包络零点。l频谱扩展大，旁瓣对邻道干扰大。频谱扩展大，旁瓣对邻道干扰大。nQPSK 缺点：缺点：7.4.4 多进制相移键控（MDPSK）1.1.基本原理基本原理 QDPSK QDPSK信号是利用前后码元之间的相对相位变化来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，并表示数字信息。若以前一双比特码元相位作为参考，并令令kk为当前双比特码元与前一双比特码元初相差，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表则信息编码与载波相位变化关系如表7 74 4 所示所示表表 7 4DPSK信号载波相位编码逻辑关系信号载波相位编码逻辑关系abkA方式B方式00902250101351127045101803152 QDPSK的产生abcd码码变换变换相加相加电路电路s(t)图图7-43 正交调相法产生正交调相法产生A方式方式QDPSK信号的原理方框图信号的原理方框图A(t)串串/并并变换变换-/4载波载波产生产生相乘相乘电路电路相乘相乘电路电路/4cdabQDPSKB方式方式n 相干解调（相干解调（极性比较）+码反变换将相对码相对码 cd 绝对码绝对码 ab差分 译码3 QDPSK解调Bn 差分相干解调（差分相干解调（相位比较法）多进制数字调制系统的抗噪声性能7.5 回顾：二进制调制系统的抗噪声性能回顾：二进制调制系统的抗噪声性能n抑制载波MASK-相干解调系统的误码率:M=2时时:Per(dB)输入信噪功率比输入信噪功率比 -噪声功率噪声功率Ps -信号码元功率信号码元功率-解调器解调器nMFSK非相干解调系统的误码率:(a)非相干解调rbPe每比特的信噪功率比每比特的信噪功率比nMFSK相干解调系统的误码率:(b)相干解调Perb比较比较相干相干和和非相干非相干解调解调 的的误码率，当误码率，当 log2M 7时，时，误码率的上界都可表示为：误码率的上界都可表示为：nMPSK(M4)相干解调系统的误码率:nMDPSK(M4)相干解调系统的误码率:OQPSK的抗噪声性能和QPSK完全一样。Perb(dB)Perb(dB)lMDPSK系统的误码率lMPSK系统的误码率 谢谢！