通信原理—数字频带传输系统课件

数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/20241u 二进制数字调制与解调原理u 二进制数字调制系统的抗噪声性能u 二进制数字调制系统的性能比较u 多进制数字调制系统u现代数字调制技术数字频带传输系统通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/20241数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/20242在在实实际际信信道道中中，大大多多数数信信道道具具有有带带通通传传输输特特性性，数数字字基基带带信信号号不不能能直直接接在在这这种种信信道道中中传传输输，因因此此，必必须须用用数数字字基基带带信信号号对对载载波波进进行行调调制制，产产生生已已调调数数字字信信号号。类类似似与与模模拟拟调调制制，有有数数字字振振幅幅调调制制、数字频率调制和数字相位调制。数字频率调制和数字相位调制。数字调制系统基本结构调制器信 道解调器噪声源基带信号输入基带信号输出数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/20243振振幅幅键键控控是是正正弦弦载载波波的的幅幅幅幅度度度度随随随随数数数数字字字字基基基基带带带带信信信信号号号号而而而而变变变变化化化化的的的的数数数数字字字字调调调调制制制制。当当数数字字基基带带信信号号为为二二进进制制时时，则则为为二二进进制制振振幅幅键键控控。设设发发送送的的二二进进制制符符号号序序列列由由0、1序序列列组组成成，发发送送0符符号号的的概概率率为为P，发发送送1符符号号的的概概率率为为1-P，且相互独立且相互独立。该二进制符号序列可表示为。该二进制符号序列可表示为二进制数字调制与解调原理(2ASK)二进制振幅键控（2ASK）数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/20244则二进制振幅键控信号可表示为coswcte2ASK1011Tb001ttts(t)二进制数字调制与解调原理(2ASK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202452ASK信号与模拟调制中的AM信号类似。所以，对2ASK信号也能够采用非相干解调非相干解调(包络检波法包络检波法)和和相干解调相干解调(同步检测法同步检测法)。模拟相乘数字键控二进制数字调制与解调原理(2ASK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/20246二进制振幅键控信号解调器原理框图 非相干解调相干解调二进制数字调制与解调原理(2ASK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202472ASK信号非相干解调非相干解调过程的时间波形11100000101abcd二进制数字调制与解调原理(2ASK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/20248在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号(2FSK信号)。图图中中波波形形g可可分分解解为为波波形形e和和波波形形f，即即二二进进制制移移频频键键控控信信号号可可以以看看成成是是两两个个不不同同载载波波的的二二进进制制振振幅幅键键控控信信号号的的叠叠加加。若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为二进制移频键控二进制移频键控(2FSK)二进制数字调制与解调原理(2FSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/20249二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二进制数字调制与解调原理(2FSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202410二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非相干解调二进制移频键控信号的解调方法很多，有模拟鉴频法和数字检测法，有非相干解调方法也有相干解调方法有非相干解调方法也有相干解调方法。二进制数字调制与解调原理(2FSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202411相干解调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二进制数字调制与解调原理(2FSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024122FSK非相干解调过程的时间波形非相干解调过程的时间波形二进制数字调制与解调原理(2FSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202413过零检测法原理图和各点时间波形二进制数字调制与解调原理(2FSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202414在二进制数字调制中，当当正正弦弦载载波波的的相相位位随随二二进进制制数数字字基基带带信信号号离离散散变变化化时时，则则产产生生二二进进制制移移相相键键控控(2PSK)信信号号。通常用已调信号载波的0和180分别表示二进制数字基带信号的1和0。二进制移相键控信号的时域表达式为在2PSK调制中，an应选择双极性，即二进制移相键控（二进制移相键控（2PSK）二进制数字调制与解调原理(2PSK)和2ASK不同数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202415二进制移相键控信号的时间波形若用n表示第n个符号的 绝对相位绝对相位，则有若g(t)是脉宽为Ts,高度为1的矩形脉冲时，则有二进制数字调制与解调原理(2PSK)这种以载波的不这种以载波的不同相位直接表示同相位直接表示相应二进制数字相应二进制数字信号的调制方式，信号的调制方式，称为二进制绝对称为二进制绝对移相方式。移相方式。数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024162PSK信号的调制原理图信号的调制原理图 采用模拟调制的方法产生采用模拟调制的方法产生2PSK信号信号采用数字键控的方法产生2PSK信号二进制数字调制与解调原理(2PSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202417 2PSK信信号号的的解解调调通通常常都都是是采采用用相相干干解解调调。在在相相干干解解调调过过程中需要用到与接收的程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波。信号同频同相的相干载波。二进制数字调制与解调原理(2PSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024182PSK信号相干解调各点时间波形10a110100bcde二进制数字调制与解调原理(2PSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202419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中很很少少采用。采用。二进制数字调制与解调原理(2PSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202420在2PSK信号中，信号相位的变化是以未调正弦载波的相位作为参考，用载波相位的绝对数值表示数字信息的，所以称为绝对移相。但相干载波恢复中载波相位的180相位模糊，导致解调出的二进制基带信号出现反向现象，从而难以实际应用。为为了了解解决决2PSK信信号号解解调调过过程程的的反反向向工工作作问问题题，提提出出了二进制差分相位键控了二进制差分相位键控(2DPSK)。2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相相对对相相位位变变化化来表示数字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为，可定义一种数字信息与之间的关系为二进制差分相位键控（二进制差分相位键控（2DPSK）二进制数字调制与解调原理(2DPSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202421还还有其他定义方式吗？有其他定义方式吗？如何定义如何定义则则一一组组二二进进制制数数字字信信息息与与其其对对应应的的2DPSK信信号号的的载载波波相相位位关关系如下所示系如下所示:二进制数字信息：二进制数字信息：1 1 0 1 0 0 1 1 1 02DPSK信号相位：信号相位：0 0 0 0 0 0或或 0 0 0 0 0 数字信息与之间的关系也可以定义为二进制数字调制与解调原理(2DPSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024222DPSK信号调制过程波形图1 0 0 1 0 1 1 0二进制数字调制与解调原理(2DPSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024232DPSK信号调制器原理图二进制数字调制与解调原理(2DPSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024242DPSK信号相干解调相干解调器原理图和解调过程各点时间波形在解调过程中，若相干载波产生180相位模糊，解调出的相对码将产生倒置现象，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。二进制数字调制与解调原理(2DPSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024252DPSK信号差分相干解调差分相干解调器原理图和各点时间波形二进制数字调制与解调原理(2DPSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202426由由于于差差分分相相干干解解调调方方式式在在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。另另外外，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，因因此此是是一一种种非非相相干解调方法。干解调方法。2DPSK系统是一种实用的数字调相系统，系统是一种实用的数字调相系统，但但其抗加性白噪声性能比其抗加性白噪声性能比2PSK的要差。的要差。二进制数字调制与解调原理(2DPSK)数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024272ASK信号的功率谱密度若二进制基带信号s(t)的功率谱密度功率谱密度为二进制数字调制信号的功率谱密度数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202428 二进制数字调制信号的功率谱密度数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024292ASK信号的功率谱密度示意图二进制数字调制信号的功率谱密度二进制振幅键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱离散谱和连续谱两部分组成离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形g(t)确定二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍,B2ASK=2B。数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202430对相位不连续的二进制移频键控信号，可以看成由两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加，其中一个频率为f1，另一个频率为f2。因此，相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱密度可以近似表示成两个不同载波的二进制振幅键控信号功率谱密度的叠加。相位不连续的二进制移频键控信号的时域表达式为根据二进制振幅键控信号的功率谱密度可以得到2FSK信号的功率谱密度二进制数字调制信号的功率谱密度数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202431令概率P=1/2，则有二进制数字调制信号的功率谱密度数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202432相位不连续2FSK信号的功率谱示意图相位不连续的2FSK信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成；离散谱位于两个载频f1和f2处；连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加形成；若两个载波频差小于fs，则连续谱在fc处出现单单峰峰；若载频差大于fs，则连续谱出现双峰双峰。二进制数字调制信号的功率谱密度数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202433若以二进制移频键控信号功率谱第一个零点之间的频率间隔计算二进制移频键控信号的带宽，则该二进制移频键控信号的带宽B2FSK为二进制数字调制信号的功率谱密度数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024342PSK与2DPSK信号有相同的功率谱。2PSK信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与正弦载波相乘，则2PSK信号的功率谱为代入基带信号功率谱，可得2PSK及及2DPSK信号的功率谱密度信号的功率谱密度二进制数字调制信号的功率谱密度数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024352PSK(2DPSK)信号的功率谱密度一般情况下2PSK信号的功率谱密度由离散谱和连续谱所组成，其结构与2ASK信号的功率谱密度相类似，带宽也是基带信号带宽的两倍。当当二二进进制制基基带带信信号号的的“1”符号和符号和“0”符号出现概率相等时，则不存在离散谱符号出现概率相等时，则不存在离散谱。若P=1/2二进制数字调制信号的功率谱密度数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202436二进制数字调制系统的抗噪声性能 通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。在数字通信系统中，衡量系统抗噪声性能的重要指标是误码率，因此，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，假设信信道道特特性性是是恒恒参参信信道道，在信号的频带范围内其具具有有理理想想矩矩形形的的传传输输特特性性(可取传输系数为K)。噪声为等效加性高斯白噪声，其等效加性高斯白噪声，其均值为零均值为零，方差为，方差为2 2。数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202437对二进制振幅键控信号可采用包络检波法包络检波法进行解调，也可以采用同步检测法进行解调。但两种解调器结构形式不同，因此分析方法也不同。1.同步检测法的系统性能同步检测法的系统性能在一个码元的时间间隔Ts内，发送端输出的信号波形sT(t)为其中二进制振幅键控(2ASK)系统的抗噪声性能二进制数字调制系统的抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024382ASK信号同步检测法的系统性能分析模型式中二进制数字调制系统的抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202439设接收端带通滤波器具有理想矩形传输特性，恰好使信号完整通过，则带通滤波器的输出波形y(t)为n(t)为窄带高斯噪声，其均值为零，方差为2n。二进制数字调制系统的抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202440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x为二进制数字调制系统的抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202441一维概率密度函数f(x)为发送“1”发送“0”图7-23抽样值x的一维概率密度函数二进制数字调制系统的抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202442式中：二进制数字调制系统的抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202443图724同步检测时误码率的几何表示总误码率当判决门限b取P(1)f1(x)与P(0)f0(x)两条曲线相交点b*时，阴影的面积最小。即判决门限取为b*时，此时系统的误码率Pe最小。这个门限就称为最佳判决门限。二进制数字调制系统的抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202444当，大信噪比时 求最佳门限b*当P(1)=P(0)=1/2时则最小误码率为式中为信噪比 二进制数字调制系统的抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202445 包络检波法的系统性能包络检波法解调过程不需要相干载波，比较简单。接收端带通滤波器的输出波形与相干检测法的相同。图725包络检波法的系统性能分析模型数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202446一维概率密度函数为发送“1”(广义瑞利)发送“0”(瑞利)在kTs时刻包络检波器输出波形的抽样值为 包络检波法的系统性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202447式中MarcumQ函数归一化门限值信噪比包络检波法的系统性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202448总误码率与同步检测法类似，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。求最佳门限b*P(1)=P(0)包络检波法的系统性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202449当最佳归一化门限b0*当最佳归一化门限b0*在实际工作中，系统总是工作在大信噪比的情况下，因此最佳归一化判决门限应取 。包络检波法的系统性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202450当r式，上式的下界为可以看出：在相同的信噪比条件下，同步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同步检测法的性能。另外，包络检波法存在门限效应，同步检测法无门限效应。总误码率包络检波法的系统性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202451【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a=1mV，信道等效加性高斯白噪声的双边功率谱密度=410-13W/Hz。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，即包络检波法的系统性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202452信噪比因为信噪比r32.551，所以同步检测法解调滤波器带宽输出噪声平均功率(2)包络检波法解调时系统总的误码率为在大信噪比的情况下，包络检波法解调性能接近同步检测法解调性能。包络检波法的系统性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202453对2FSK信号解调同样可以采用同步检测法和包络检波法。同步检测法的系统性能在码元时间宽度Ts区间，发送端产生的2FSK信号可表示为其中二进制移频键控(2FSK)系统抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202454图7262FSK信号采用同步检测法性能分析模型二进制移频键控(2FSK)系统抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202455若 只 发 送“1”与载波相乘后二进制移频键控(2FSK)系统抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202456滤波后概率密度当x1(t)的抽样值x1小于x2(t)的抽样值x2时，判决器输出“0”符号，发生将“1”符号判为“0”符号的错误，其错误概率P(0/1)为式中二进制移频键控(2FSK)系统抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202457同理当，大信噪比时 二进制移频键控(2FSK)系统抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202458图7-272FSK信号采用包络检测波法解调性能分析包络检波法的系统性能与2ASK信号解调相似，2FSK信号也可以采用包包包包络络络络检检检检波波波波法法法法解调。二进制移频键控(2FSK)系统抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202459发送“1”二进制移频键控(2FSK)系统抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202460同样比较式(7.2-55)和式(7.2-64)可以看出，在大信噪比条件下，2FSK信号采用包络检波法解调性能与同步检测法解调性能接近，同步检测法性能较好。对2FSK信号还可以采用其他方式进行解调。二进制移频键控(2FSK)系统抗噪声性能数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202461二进制移相键控(2PSK)和二进制差分相位键控(2DPSK)系统的抗噪声性能在二进制移相键控方式中，有绝对调相和相对调相两种调制方式，相应的解调方法也有相干解调和差分相干解调。2PSK相干解调系统性能2PSK信号的解调通常都是采用相相相相干干干干解解解解调调调调方方方方式式式式(又称为极性比较法)。图7-282PSK信号相干解调系统性能分析模型数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024622PSK信号采用相干解调方式与2ASK信号采用相干解调方式分析方法类似。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。其中当，大信噪比时 数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202463二进制数字调制系统的性能比较在数字通信中，误码率是衡量数字通信系统的重要指标之一，上一节我们对各种二进制数字通信系统的抗噪声性能进行了详细的分析。下面我们将对二进制数字通信系统的误码率性能、频带利用率、对信道的适应能力等方面的性能做进一步的比较。误码率二进制数字调制方式有2ASK、2FSK、2PSK及2DPSK，每种数字调制方式又有相干解调方式和非相干解调方式。数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202464二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2ASK2FSK2PSK/2DPSK二进制数字调制系统的性能比较数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202465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Pe一定的情况下，2PSK、2FSK、2ASK系统所需要的信噪比关系为上式表明，若都采用相干解调方式，在误码率Pe相同的情况下，所需要的信噪比2ASK是2FSK的2倍，2FSK是2PSK的2倍，2ASK是2PSK的4倍。若都采用非相干解调方式，在误码率Pe相同的情况下，所需要的信噪比2ASK是2FSK的2倍，2FSK是2DPSK的2倍，2ASK是2DPSK的4倍。二进制数字调制系统的性能比较数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202466上式表明，若都采用相干解调方式，在误码率Pe相同的情况下，所需要的信噪比2ASK比2FSK高3dB，2FSK比2PSK高3dB，2ASK比2PSK高6dB。若都采用非相干解调方式，在误码率Pe相同的情况下，所需要的信噪比2ASK比2FSK高3dB，2FSK比2DPSK高3dB，2ASK比2DPSK高6dB。反过来，若信噪比r一定，2PSK系统的误码率低于2FSK系统，2FSK系统的误码率低于2ASK系统。二进制数字调制系统的性能比较数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202467误码率Pe与信噪比r的关系曲线在相同的信噪比r下，相干解调的2PSK系统的误码率Pe最小。二进制数字调制系统的性能比较数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202468Pe=10-5时2ASK、2FSK和2PSK所需要的信噪比 方式信噪比倍分贝2ASK36.415.62FSK18.212.62PSK9.19.6r=1时2ASK、2FSK、2PSK/2DPSK的误码率 方式误码率相干解调非相干解调2ASK1.2610-2 4.110-2 2FSK7.910-4 3.3710-32PSK3.910-6 2.2710-5 二进制数字调制系统的性能比较数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024692ASK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频带宽度若 传 输 的 码 元 时 间 宽 度 为 Ts，则 2ASK系 统 和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度近似为2/Ts，即 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。二进制数字调制系统的性能比较数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202470对信道特性变化的敏感性上一节中对二进制数字调制系统抗噪声性能分析，都是针对恒参信道条件进行的。在实际通信系统中，除恒参信道之外，还有很多信道属于随参信道，也即信道参数随时间变化。因此，在选择数字调制方式时，还应考虑系统对信道特性的变化是否敏感。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二进制数字调制系统的性能比较数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202471在最最最最佳佳佳佳判判判判决决决决门门门门限限限限状状状状态态态态。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。在恒参信道传输中，如果要求较高的功率利用率，则应选择相干2PSK和2DPSK，而2ASK最不可取；如果要求较高的频带利用率，则应选择相干2PSK和2DPSK，而2FSK最不可取。若传输信道是随参信道，则2FSK具有更好的适应能力。二进制数字调制系统的性能比较数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202472多进制数字调制系统二进制数字调制系统是数字通信系统最基本的方式，具有较好的抗干扰能力。由于二进制数字调制系统频带利用率较低，使其在实际应用中受到一些限制。在信道频带受限时为了提高频带利用率，通常采用多进制数字调制系统。其代价是增加信号功率和实现上的复杂性。可知，在信息传输速率不变的情况下，通过增加进制数M，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。数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202473多进制数字振幅调制信号的时间波形多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202474MASK系统相干解调的误码率Pe性能曲线为了得到相同的误码率Pe，所需的信噪比随M增加而增大。多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202475图7-36FLEX系统4FSK信号频率关系多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202476多进制数字频率调制系统的组成方框图多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202477MFSK系统误码率性能曲线非相干解调相干解调在M一定的情况下，信噪比r越大，误码率Pe越小；在r一定的情况下，M越大，误码率Pe也越大。另外，相干解调和非相干解调的性能差距将随M的增大而减小；同一M下，随着信噪比r的增加非相干解调性能将趋于相干解调性能。多进制数字相位调制数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202478 多进制数字相位调制多进制数字相位调制(MPSK)信号的表示形式信号的表示形式多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024794PSK2PSK8PSK(Constellation)信号矢量图多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202480M进值数字相位调制信号功率谱M越大，功率谱主瓣越窄，从而频带利用率越高。多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202481 4PSK信号的产生与解调双比特双比特abab与载波相位的关系与载波相位的关系 双比特码元载波相位(n)abA方式 B方式 011000110 90 180 270 225 315 45 135 相位选择法产生4PSK信号原理图数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024824PSK正交调制器多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024834PSK信号相干解调原理图4PSK信号相干解调也会产生相位模糊问题，并且是0、90、180和270四个相位模糊。多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024844DPSK信号产生原理图4DPSK信号的产生与解调多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024854DPSK信号相干解调加码反变换器方式原理图多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/2024864DPSK信号差分相干解调方式原理图多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术通信原理通信原理电子科学与技术学院7/27/202487MPSK系统相干解调的误码率性能曲线多进制数字调制系统数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术偏移四相相移键控（OQPSK）QPSK信号是利用正交调制方法产生的，其原理信号是利用正交调制方法产生的，其原理是先对输入数据作串是先对输入数据作串/并变换，即将二进制数据每两并变换，即将二进制数据每两比特分成一组，得到四种组合：（比特分成一组，得到四种组合：（1，1）、（）、（-1，1）、（）、（-1，-1）和（）和（1，-1），每组的前一比特为），每组的前一比特为同相分量，后一比特为正交分量。然后利用同相分同相分量，后一比特为正交分量。然后利用同相分量和正交分量分别对两个正交的载波进行量和正交分量分别对两个正交的载波进行2PSK调制，调制，最后将调制结果叠加，得到最后将调制结果叠加，得到QPSK信号。信号。对对QPSK做正交调制时，将正交分量做正交调制时，将正交分量Q(t)的基带信的基带信号相对于同向分量号相对于同向分量I(t)的基带信号延迟半个码元间隔的基带信号延迟半个码元间隔（TS/2 一个比特间隔）。这种方法称为偏移四相相一个比特间隔）。这种方法称为偏移四相相移键控。移键控。为了减小包络起伏为了减小包络起伏现代数字调制技术7/27/202488数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术现代数字调制技术QPSK和和OQPSK信号的相位关系信号的相位关系QPSK信号的相位关系信号的相位关系OQPSK信号的相位关系信号的相位关系7/27/202489数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术经带通滤波器后，经带通滤波器后，OQPSK信号中包络的最大值与最信号中包络的最大值与最小值之比约为小值之比约为 ，不再出现比值无限大的现象。，不再出现比值无限大的现象。也就是说，滤波后的也就是说，滤波后的QPSK信号和信号和OQPSK信号有本信号有本质区别。质区别。如果采用相干解调方式，理论上如果采用相干解调方式，理论上OQPSK信号的信号的误码性能与相干解调的误码性能与相干解调的QPSK相同。但是，频带受相同。但是，频带受限的限的OQPSK信号包络起伏比频带受限的信号包络起伏比频带受限的QPSK信号信号小，经限幅放大后频谱展宽的少，所以小，经限幅放大后频谱展宽的少，所以OQPSK的性的性能优于能优于QPSK。实际中，实际中，OQPSK比比QPSK应用更广泛。应用更广泛。偏移四相相移键控（OQPSK）现代数字调制技术7/27/202490数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术与与OQPSK只有四个相位点不同，只有四个相位点不同，p/4-QPSK信信号已调信号的相位被均匀地分配为相距号已调信号的相位被均匀地分配为相距 p/4 的八个的八个相位点，如图相位点，如图a）所示。所示。八个相位点被分为两组，分别用八个相位点被分为两组，分别用“”和和“”表表示，如图（示，如图（b）和（和（c）所示。所示。如果能够使已调信号的相位在两组之间交替跳变，如果能够使已调信号的相位在两组之间交替跳变，则相位跳变值就只能有则相位跳变值就只能有 p/4 和和 ，从而避免了，从而避免了QPSK信号相位突变的现象。而且相邻码元间至少有信号相位突变的现象。而且相邻码元间至少有 的相位变化，从而使接收机容易的相位变化，从而使接收机容易 进行时钟恢复和同步进行时钟恢复和同步。由于最大相移由于最大相移 比比QPSK的的 最大相移小，所最大相移小，所以称为移位以称为移位QPSK，简称为，简称为 p/4-QPSK。/4四相相移键控现代数字调制技术7/27/202491数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术/4-QPSK信号的星座图信号的星座图现代数字调制技术7/27/202492数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术需要指出的是，需要指出的是，p/4-QPSK的优势还在于它的优势还在于它可以采用差分检测，这是因为可以采用差分检测，这是因为p/4-QPSK信号内信号内的信息完全包含在载波的两个相邻码元之间的相位的信息完全包含在载波的两个相邻码元之间的相位差中。差分检测是一种非相干解调，这大大简化了差中。差分检测是一种非相干解调，这大大简化了接收机的设计。而且，通过研究还发现，在存在多接收机的设计。而且，通过研究还发现，在存在多径和衰落时径和衰落时,p/4-QPSK的性能优于的性能优于OQPSK.现代数字调制技术所以，p/4-QPSK日益得到重视，现在北美和日本的数字蜂窝移动通信系统中已采用p/4-QPSK调制方式。7/27/202493数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术OQPSK和和p/4-QPSK虽然避免了虽然避免了QPSK信号相位信号相位突变突变180度的现象，改善了包络起伏，但是并没有从度的现象，改善了包络起伏，但是并没有从根本上解决包络起伏问题。究其原因，包络起伏是由根本上解决包络起伏问题。究其原因，包络起伏是由相位的非连续变化引起的。因此，我们自然会想到使相位的非连续变化引起的。因此，我们自然会想到使用相位连续变化的调制方式，这种方式称为连续相位用相位连续变化的调制方式，这种方式称为连续相位调制（调制（CPM）。）。现代数字调制技术最小频移键控（最小频移键控（MSK）MSK是一种特殊的是一种特殊的2FSK信号，它是二进制连续相位信号，它是二进制连续相位频移键控（频移键控（CPFSK）的一种特殊情况。）的一种特殊情况。2FSK信号通常是由两个独立的振荡源产生的，在信号通常是由两个独立的振荡源产生的，在频率转换处相位不连续，因此，会造成功率谱产生频率转换处相位不连续，因此，会造成功率谱产生很大的旁瓣分量，若通过带限系统后，会产生信号很大的旁瓣分量，若通过带限系统后，会产生信号包络的起伏变化，这种起伏是我们所不需要的。包络的起伏变化，这种起伏是我们所不需要的。7/27/202494数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术MSK称为称为最小移频键控最小移频键控，有时也称为有时也称为快速移频键控快速移频键控(FFSK)所谓所谓“最小最小”是指这种调制方式能以最小的调制是指这种调制方式能以最小的调制指数指数(0.5)获得正交信号；获得正交信号；所谓所谓“快速快速”是指在给定同样的频带内，是指在给定同样的频带内，MSK能能比比2PSK的数据传输速率更高，且在带外的频谱分的数据传输速率更高，且在带外的频谱分量要比量要比2PSK衰减的快。衰减的快。现代数字调制技术最小频移键控（最小频移键控（MSK）7/27/202495数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术（1）MSK信号的包络是恒定不变的；信号的包络是恒定不变的；（2）MSK是调制指数为是调制指数为0.5的正交信号，频率偏移的正交信号，频率偏移等于等于（）Hz；（3）MSK波形相位在码元转换时刻是连续的；波形相位在码元转换时刻是连续的；（4）MSK附加相位在一个码元持续时间内线性地附加相位在一个码元持续时间内线性地变化变化 等；等；现代数字调制技术MSK信号具有如下特点信号具有如下特点7/27/202496数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术现代数字调制技术MSK信号的正交性MSK信号可以表示为信号可以表示为除载波相位之外的附加相位除载波相位之外的附加相位7/27/202497数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术当当ak=1 时，信号的频率为时，信号的频率为 当当ak=1时，信号的频率为时，信号的频率为 现代数字调制技术最小频差最小频差调制指数调制指数最小频差等于最小频差等于码元传输速率码元传输速率的一半的一半7/27/202498数字调制与解调原理数字调制信号的功率谱密度数字频带传输系统数字调制系统抗噪声性能多进制调制系统现代数字调制技术M