通信第5章基本的数字频带传输教学课件

数字频带传输技术数字频带传输技术在带通信道上传输数字信号的方法。在带通信道上传输数字信号的方法。图图5.0 二元二元ASK、FSK与与PSK的信号波形的信号波形 单极性单极性NRZ双极性双极性NRZASK信号信号PSK信号信号FSK信号信号7/27/20241本章目录：本章目录：5.1 2ASK5.2 2FSK5.3 2PSK与与2DPSK5.4 QPSK与与DQPSK5.5 基本频带调制的讨论基本频带调制的讨论5.6 *复包络、等效基带系统与无复包络、等效基带系统与无ISI传输传输7/27/20242信道噪声接收设备接收设备信源信宿格式化脉脉冲冲基基带带调调制制发送设备发送设备信源编码信道编码加密频带调制发射机格式化脉脉冲冲基基带带检检测测信源译码信道译码解密频带解调接收机数字通信系统简化模型数字通信系统简化模型 信号处理信号处理信号处理信号处理基带信号基带信号基带信号基带信号7/27/20243调制信号调制信号已调带通信号已调带通信号数字基带信号数字基带信号数字基带信号数字基带信号带通信号带通信号数字载波系统模型：数字载波系统模型：频带调制频带调制频带调制频带调制传输媒介传输媒介(信道信道)7/27/20244已调带通信号已调带通信号:的频谱的频谱:或功率谱或功率谱:令：令：7/27/202455.1 2ASK 2ASK(2 Amplitude Shift Keying)7/27/202465.1.1 基本原理基本原理 2ASK或或OOK(二进制幅移键控二进制幅移键控)键控（改变）正弦键控（改变）正弦载波的振幅来传输载波的振幅来传输0或或1符号。符号。1.2ASK信号及其调制方法信号及其调制方法 图图5.1.1 2ASK（或（或OOK）信号的波形）信号的波形 通断键控通断键控或或启闭键控启闭键控7/27/20247复包络复包络:2ASK信号也可以表示为：信号也可以表示为：2ASK信号时域表示：信号时域表示：第第n个码元个码元7/27/20248（a）乘积法）乘积法（b）开关法（键控法）开关法（键控法）乘法器乘法器单极性不单极性不归零信号归零信号图图5.1.2 2ASK调制框图调制框图 载波产生载波产生 2ASK信号的产生：信号的产生：7/27/202492.包络检波解调方法包络检波解调方法 发送端发送端信道信道BPF包络检波器包络检波器抽样判抽样判决器决器定时信号定时信号输出输出图图 5.1.3 2ASK包络检波解调框图包络检波解调框图 带宽带宽B带宽带宽2BB=Rb带宽带宽2B7/27/2024107/27/202411系统的误码率：系统的误码率：定义信噪比：定义信噪比：大信噪比时，大信噪比时，小信噪比时，小信噪比时，包络检波器抗噪性能急剧下降，系统无法正包络检波器抗噪性能急剧下降，系统无法正常工作。此称为常工作。此称为门限效应。门限效应。BPF的输出信噪比的输出信噪比7/27/202412例例5.1 2ASK系统的传输率为系统的传输率为5Mbps，接收，接收BPF输出幅度为输出幅度为223.6mV；高斯噪声的功率谱密度分别为；高斯噪声的功率谱密度分别为 和和 。求两种情况下包络检波器输出的最佳误码率。求两种情况下包络检波器输出的最佳误码率。由门限效应可知，系统无法正常工作。（不再用公式计算）由门限效应可知，系统无法正常工作。（不再用公式计算）7/27/2024135.1.2 功率谱与带宽功率谱与带宽 复包络复包络:单极性单极性NRZ信号信号7/27/2024147/27/202415当作无当作无 ISI 滤波时滤波时(如如 作升余弦谱滤波）作升余弦谱滤波）接收机须是相干解调接收机须是相干解调作业：作业：1、27/27/202416v ASK for no ISILPF抽样判决抽样判决基带系统频率特性基带系统频率特性射频系统频率特性射频系统频率特性射频基本脉冲射频基本脉冲基带基本脉冲基带基本脉冲7/27/202417当当 满足无满足无ISI的时域条件时的时域条件时或当或当 满足无满足无ISI的频域条的频域条件时，数字调制系统无件时，数字调制系统无ISI无无ISI时，图中各点波时，图中各点波形如右图所示：形如右图所示：7/27/2024185.2 2FSK(2 Frequency-Shift Keying)7/27/2024195.2.1 基本原理基本原理 2FSK或或BFSK（二进制频移键控）（二进制频移键控）键控正弦载波的键控正弦载波的频率来传输二元符号。频率来传输二元符号。1.2FSK信号及其调制方法信号及其调制方法 7/27/202420 2FSK信号时域表示：信号时域表示：也可以表示为（相当于两路也可以表示为（相当于两路OOK）：）：与与 “互补互补”：7/27/202421图图5.2.2 2FSK信号的时域波形及其互补信号的时域波形及其互补OOK特点特点 1 0 1 0 0 17/27/202422单极性NRZ 2FSK信号的产生：信号的产生：图图5.2.1 5.2.1 2FSK信号的产生原理框图信号的产生原理框图7/27/2024232.*相位连续性相位连续性(a)(b)图图5.2.3 不连续与连续相位的不连续与连续相位的2FSK信号信号 相位不连续的信号占据很多的频带，应该尽量避免相位不连续的信号占据很多的频带，应该尽量避免 相位不连续相位不连续相位连续相位连续保持相位连续的方法：保持相位连续的方法：1）桑德）桑德FSK信号的参数信号的参数：其中：其中：k 为某固定正整数为某固定正整数7/27/2024242）使用压控振荡器产生，）使用压控振荡器产生，()即用模拟调频的方式产生即用模拟调频的方式产生FSK信号信号其中，其中，是双极性基带信号是双极性基带信号7/27/2024253.包络检波解调方法包络检波解调方法 两个互补两个互补OOK接收系统的组合：接收系统的组合：(非相干解调非相干解调)包络检波器包络检波器包络检波器包络检波器输出输出定时信号定时信号图图5.2.4 FSK信号的包络检波接收框图信号的包络检波接收框图 W=2RbW=2Rb整流整流整流整流LPFLPF抽样判决抽样判决BPF(f1)BPF(f0)适合于频差较大的场合适合于频差较大的场合7/27/202426（2 2）判决准则为：）判决准则为：，或或 （1 1）上支路接收）上支路接收 部分，部分，下支路接收下支路接收 部分；部分；系统必须满足：系统必须满足：；适合于频差较大的场合适合于频差较大的场合7/27/2024271 0 1 0 0 1图图5.2.5 包络检波器的输出包络检波器的输出 7/27/202428其中，其中，BPF的输出信噪比的输出信噪比 系统的误码率：系统的误码率：大信噪比时，大信噪比时，小信噪比时，小信噪比时，包络检波器抗噪性能急剧下降，系统无包络检波器抗噪性能急剧下降，系统无法正常工作。此称为法正常工作。此称为门限效应。门限效应。7/27/2024294.*过零检测解调方法过零检测解调方法 其主要过程：其主要过程：(1)检测过零点；形成边沿窄脉冲；检测过零点；形成边沿窄脉冲；(2)将脉冲的疏密变换为电平高低；最后得到将脉冲的疏密变换为电平高低；最后得到0或或1 (非相干解调非相干解调)7/27/202430图图5.2.6 过零检测器中的主要信号波形过零检测器中的主要信号波形(1)检测过零点；形成边沿检测过零点；形成边沿窄脉冲；窄脉冲；(2)将脉冲的疏密变换为电将脉冲的疏密变换为电平高低；最后得到平高低；最后得到0或或1LPFBPF位同步器位同步器输出输出W=|f1-f0|+2Rb限幅限幅微分微分整流整流单稳单稳抽样判决抽样判决7/27/202431 相干解调相干解调频差较大时适合频差较大时适合频差较小时，若频差较小时，若 正交，则正交，则LPF换成积分器可实现最佳接收。换成积分器可实现最佳接收。抽样判决抽样判决LPFLPFBPFBPF7/27/202432波形相关系数波形相关系数:一般一般2FSK 的两个载波的两个载波 时时,称称 在在0,Tb内正交内正交频差较大时，频差较大时，的谱基本不重叠两个信的谱基本不重叠两个信号近似正交。号近似正交。当当 是满足两个波形正交的最小频差时，是满足两个波形正交的最小频差时，2FSK MSK(最小频移键控最小频移键控)7/27/2024335.2.2 功率谱与带宽功率谱与带宽 两个互补的两个互补的2ASK信号的功率谱的相加，信号的功率谱的相加，传输带宽传输带宽：7/27/202434如果如果 和和 过于接近时，功率谱中两个过于接近时，功率谱中两个2 2ASK频谱将发生频谱将发生重叠。重叠。需要保持，需要保持，图图5.2.8 FSK信号功率谱示意图信号功率谱示意图 一般：一般：7/27/202435当作无当作无 ISI 滤波时滤波时(如如 作升余弦谱滤波）作升余弦谱滤波）发发1发发07/27/202436例例5.2 Bell 103型型FSK Modem是一种早期流行的电话线是一种早期流行的电话线Modem。它通过频带为。它通过频带为3003300Hz电话线进行全双工电话线进行全双工数字通信。两个通信方被称为主叫方与应答方，每个方向数字通信。两个通信方被称为主叫方与应答方，每个方向上采用上采用300波特的波特的2FSK调制，频率参数如表调制，频率参数如表5.2.1。求两。求两路通信的带宽与频带位置。路通信的带宽与频带位置。解：两路均有解：两路均有 与与两频带分别是：两频带分别是：与与300Hz3300Hz1800Hz7/27/202437作业：作业：3、47/27/2024385.3 2PSK与2DPSK(2 Phase-Shift Keying)(2 Differential Phase-Shift Keying)7/27/2024391.2PSK信号及其调制方法信号及其调制方法 5.3.1 2PSK 2PSK或或BPSK（二进制相移键控）（二进制相移键控）利用两种相利用两种相位来传输二元符号。位来传输二元符号。2PSK2PSK最常用的两种相位：最常用的两种相位：0(同相同相)或或（反相）（反相）7/27/202440 2PSK信号时域表示：信号时域表示：或，令序列或，令序列 的双极性二元的双极性二元NRZ基带信号为基带信号为 ，7/27/202441信号矢量图信号矢量图（星座图）：（星座图）：（未调载波初相）（未调载波初相）（未调载波初相）（未调载波初相）信号矢量图信号矢量图（星座图）：（星座图）：7/27/202442注意：注意：“同相同相”与与“反相反相”是相对于是相对于当前时隙当前时隙的未调的未调载波相位而言的：载波相位而言的：图图5.3.1 2PSK及其相关信号的波形及其相关信号的波形 1 1 0 1 0 07/27/202443双极性双极性NRZ 2PSK信号的产生：信号的产生：乘积法与选择法。乘积法与选择法。开关电路开关电路7/27/202444复包络复包络:双极性双极性NRZ信号信号2.功率谱与带宽功率谱与带宽 7/27/202445形状与形状与2ASK的相同，但没有离散的载波谱线。的相同，但没有离散的载波谱线。传输带宽传输带宽 2PSK又可以看作又可以看作抑制载波后的抑制载波后的2ASK信号，或，信号，或，2ASK信号确实是信号确实是2PSK信号与载波信号与载波的叠加。的叠加。双极性双极性单极性单极性7/27/202446当作无当作无 ISI滤波时滤波时 (如如 作升余弦谱滤波）作升余弦谱滤波）7/27/2024473.2PSK的相干解调的相干解调 来自来自信道信道向下频移向下频移符号定时符号定时基带接收基带接收滤波器滤波器抽样与抽样与判决判决BPFLPF图图5.3.3 2PSK相干解调框架相干解调框架 B中心中心 fcB为基基带信号信号带宽2B注意：注意：nc(t)的的 双边功率谱密度为双边功率谱密度为 N07/27/202448nc(t)的双边功率谱密度的双边功率谱密度LPF（低通（低通滤波器）波器）：其中，其中，正是窄带噪声正是窄带噪声 的同相分量，功率谱的同相分量，功率谱为为 ，带宽等于，带宽等于 。仿佛是基带信号通过仿佛是基带信号通过AWGNAWGN信道的结果。因此，可信道的结果。因此，可用用LPF(LPF(低通滤波低通滤波)或或MF(MF(匹配滤波匹配滤波)方法接收方法接收 7/27/2024497/27/2024502PSK调制解调过程：调制解调过程：7/27/202451 双极性双极性NRZ向上向上频移频移基带接收基带接收滤波器滤波器抽样与抽样与判决判决BPFLPFB2B基带发送基带发送滤波器滤波器向下向下频移频移AWGN频频带信道带信道4.误码性能误码性能 2PSK的等效基带传输系统的等效基带传输系统：符号定时符号定时图图5.3.4 2PSK传输系统与传输系统与等效等效AWGN基带信道基带信道 AWGN基基带信道带信道的双边功率谱密度为的双边功率谱密度为 N07/27/202452借助第借助第4章中双极性章中双极性2PAM信号的结论信号的结论：LPF接收系统（带宽接收系统（带宽 ）：）：匹配滤波器接收系统：匹配滤波器接收系统：双极性双极性2PAM：基带平均码元能量基带平均码元能量 7/27/202453LPF接收系统接收系统（带宽（带宽 ）：匹配滤波器接收系统：匹配滤波器接收系统：2PSK信号的平均信号的平均码元能量：元能量：注意：基注意：基带平均码元能量平均码元能量：基带基带2PAM:基带基带2PAM:7/27/202454评述：评述：(1)2PSK系统与双极性系统与双极性NRZ基带传输系统的抗噪性能相同；基带传输系统的抗噪性能相同；(2)2PSK的抗噪性能比的抗噪性能比2ASK、2FSK好，好，(3)但这种系统需要进行载波同步，其复杂度要高出许多。但这种系统需要进行载波同步，其复杂度要高出许多。7/27/202455例例5.3 5.3 假定假定2PSK系统的传输率为系统的传输率为5Mbps，接收带通，接收带通滤波器的输出信号的幅度为滤波器的输出信号的幅度为223.6mV,高斯噪声的功率高斯噪声的功率谱密度为谱密度为 。求相干接收的最佳误码率。求相干接收的最佳误码率。匹配滤波器接收匹配滤波器接收系统系统解：由于，解：由于，于是，于是，7/27/202456 中出现中出现 分量，用锁相环提取分量，用锁相环提取 分量，得分量，得本地载波，保证了同频，但用锁相环恢复的本地载波，保证了同频，但用锁相环恢复的载波相位载波相位为：为：p BPSK 信号相干解调的问题：信号相干解调的问题：“相位模糊相位模糊”a.相干载波的恢复相干载波的恢复 n为任意整数，锁相环都工作在平衡稳定点：为任意整数，锁相环都工作在平衡稳定点：二重相位模糊二重相位模糊平方平方二分频二分频7/27/202457b.相位模糊对相干解调的影响相位模糊对相干解调的影响低通后：低通后：抽样、判决抽样、判决LPF二进制代码二进制代码7/27/2024585.3.2 2DPSK 2PSK无法直接应用无法直接应用：本地振荡存在着：本地振荡存在着“不确定性反相不确定性反相”的的问题：问题：“0”与与“1”颠倒，而自身对此无法知道。颠倒，而自身对此无法知道。2DPSK（二进制差分相移键控）（二进制差分相移键控）将差分编码与将差分编码与2PSK相结合，解决了相结合，解决了“不确定性反相不确定性反相”的问题。的问题。7/27/202459取值取值0、12PSK相干相干解调器解调器Tb模二加模二加取值取值-1、1取值取值0、1相位模糊相位模糊电平电平转换转换2DPSK信号其实是传输信号其实是传输 的的2PSK调制信号调制信号 与与 绝对码绝对码 与与 相对码相对码 图图5.3.5 2DPSK传输系统传输系统 1.基本原理基本原理取值取值0、1取值取值-1、1电平电平转换转换2PSK调制器调制器Tb取值取值0、1模二加模二加7/27/202460例例:设设DPSK 实质：用前后实质：用前后码元载波相位的相对码元载波相位的相对变化传数字信息变化传数字信息传号差分编码传号差分编码7/27/2024612DPSK星座图：星座图：前一码元初相前一码元初相（参考相位）（参考相位）（未调载波初相）（未调载波初相）2PSK星座图：星座图：（参考相位）（参考相位）DPSK DPSK 实质：用前后实质：用前后码元载波相位的相码元载波相位的相对变化传数字信息对变化传数字信息相对调相相对调相绝对调相绝对调相7/27/202462 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1+1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -0 0 -相对码相对码 绝对码绝对码电平电平 相位相位 n例例5.4 举例说明举例说明2DPSK信号产生过程中各码元的变换以信号产生过程中各码元的变换以及与载波相位变化的关系及与载波相位变化的关系 绝对相位绝对相位相对相位相对相位通过相邻时隙载波相位的变化与否来通过相邻时隙载波相位的变化与否来“携带携带”信息：信息：“1相位变化相位变化”，“0相位不变相位不变”7/27/202463 0 1 2 3 4 5 6 7 8+1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 +1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 相对码相对码 2PSK解调结果解调结果n绝对码绝对码 上次相对码上次相对码 例例5.5 说明说明2DPSK信号的接收过程。信号的接收过程。（1）传输后结果正确，则差分解码的过程为：）传输后结果正确，则差分解码的过程为：本地载波相位正确本地载波相位正确传号差分译码传号差分译码7/27/202464（2）传输后结果反相，则差分解码的过程为：）传输后结果反相，则差分解码的过程为：可见，不论是否发生反相，可见，不论是否发生反相，2DPSK都能正确收到信息。都能正确收到信息。本地载波相位相反本地载波相位相反 0 1 2 3 4 5 6 7 8-1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 +1 -1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 相对码相对码 2PSK解调结果解调结果n绝对码绝对码 上次相对码上次相对码 7/27/202465可以证明：差分编码的输出序列可以证明：差分编码的输出序列 也是等概率的二元也是等概率的二元独立序列。独立序列。2.功率谱与带宽功率谱与带宽 3.相干解调及其误码性能相干解调及其误码性能 2DPSK的误码率：的误码率：，LPF接收法接收法，匹配滤波器接收法，匹配滤波器接收法 为2PSK传输误码率率2DPSK的功率谱、带宽的功率谱、带宽：与：与2PSK的完全一样。的完全一样。7/27/202466取值取值0、12PSK相干相干解调器解调器Tb模二加模二加取值取值-1、1取值取值0、1电平电平转换转换图图5.3.5 2DPSK传输系统传输系统 取值取值0、1取值取值-1、1电平电平转换转换2PSK调制器调制器Tb取值取值0、1模二加模二加7/27/202467说明：说明：dn序列经序列经2PSK传输后是否错误是彼此独立的传输后是否错误是彼此独立的 正确正确 正确正确 正确正确 错误错误 正确正确 错误错误 正确正确 错误错误 错误错误 错误错误 错误错误 正确正确7/27/202468另一种重要的解调方法：另一种重要的解调方法：比较两个相邻时隙上信号的相位，比较两个相邻时隙上信号的相位，还原出绝对码（信息比特）还原出绝对码（信息比特），而，而不需要本地振荡不需要本地振荡。4.差分相干接收差分相干接收（非相干解调非相干解调）图图5.3.6 2DPSK的差分相干解调的差分相干解调 BPFLPF延时延时Tb抽样判抽样判决决符号定时符号定时7/27/202469 1 1+1 -1 -1+1 1 1 0 0 -1+1 -1+1 0 0 与与 的关系的关系信息比特信息比特两者相同两者相同两者不同两者不同表表5.3.2 5.3.2 差分相干解差分相干解调的判决准的判决准则，取值取值0、1取值取值-1、1电平电平转换转换2PSK调制器调制器Tb取值取值0、1模二加模二加7/27/2024707/27/202471相干解调性能相干解调性能实际过程中，噪声总是存在的，这种实际过程中，噪声总是存在的，这种接收系统的误码性能：接收系统的误码性能：其中，其中，折算为折算为 时时，差分相干解调的性能不如相干解调的差分相干解调的性能不如相干解调的 带通滤波器的带通滤波器的带宽取为最小带宽取为最小理论值理论值7/27/202472解：解：相干接收时误码率为，相干接收时误码率为，差分相干接收误码率为差分相干接收误码率为 例例5.6 假定假定2DPSK系统的传输率为系统的传输率为5Mbps，接收带通滤，接收带通滤波器的输出信号的幅度为波器的输出信号的幅度为223.6mV，高斯噪声的功率谱密，高斯噪声的功率谱密度为度为 。求相干接收与差分相干接收的误码率。求相干接收与差分相干接收的误码率。作业：作业：8、107/27/202473习题习题5.9 设载频为设载频为1800Hz，码元速率为，码元速率为1200波特，发送波特，发送信息为信息为011010。试按下面两种方式画出。试按下面两种方式画出2DPSK信号的波形。信号的波形。（1）若相位偏移）若相位偏移 代表代表“0”，代表代表“1”；（2）若相位偏移）若相位偏移 代表代表“0”，代表代表“1”。解：解：（1）0 1 1 0 1 07/27/202474（2）0 1 1 0 1 0 7/27/2024755.4 QPSK与DQPSK7/27/202476n MPSK（多进制调相）(1)MPSKFor example:M=47/27/202477信号星座图：信号星座图：参考矢量参考矢量参考矢量参考矢量7/27/202478 MPSK 调制器调制器7/27/2024792/M二进制信号二进制信号多电平信号多电平信号 m(t)-90o信号信号处理器处理器振荡器振荡器7/27/202480 MPSK 解调器解调器抽样抽样鉴相器鉴相器二进制信号二进制信号因为有噪声因为有噪声,参考矢量参考矢量LPFLPF抽样抽样7/27/202481取值有四种可能，以传送四元符号。取值有四种可能，以传送四元符号。5.4.1 QPSK5.4.1 QPSK信号的基本原理信号的基本原理 1.QPSK信号信号QPSK或或4PSK（四进制相移键控）：（四进制相移键控）：（1 1）采用了）采用了4 4种相位；种相位；（2 2）采用了正交的载波。）采用了正交的载波。（00，01，11，10）四元符号四元符号7/27/202482QPSK的两种星座图：的两种星座图：A方式：方式：B方式：方式：（表（表5.4.1 QPSK的两套相位值）的两套相位值）后面讨论后面讨论B方式。其实，两种方式只相差方式。其实，两种方式只相差 （即（即 ）格雷码好处：格雷码好处：相邻相位对应的符号中只有相邻相位对应的符号中只有1 1位不同，相位不同，相位错误通常只导致有位错误通常只导致有1 1个比特的损失。个比特的损失。7/27/202483串并变换：串并变换：四元信息序列拆分为两个二元序列四元信息序列拆分为两个二元序列 四元符号序列四元符号序列2.QPSK与两路正交与两路正交2PSK 四元序列四元序列 的高位比特与低位比特排成：的高位比特与低位比特排成：与与 序列，那么，序列，那么，则，则，QPSK是这两个序列生成的两个彼此正交是这两个序列生成的两个彼此正交(载波相差载波相差 )的的2PSK信号之和。信号之和。7/27/202484其中：其中：B方式：方式：7/27/2024851 0 0 1B方式：方式：恒包络恒包络7/27/202486的复包络：的复包络：的符号速率与的符号速率与 相同，均为相同，均为3.功率谱与带宽功率谱与带宽7/27/202487 若正交路、同相路基带信号用矩形波（双极性若正交路、同相路基带信号用矩形波（双极性 NRZ)，则基带信号带宽为：则基带信号带宽为：7/27/202488QPSK每个时隙传输两每个时隙传输两比特，频带利用率是比特，频带利用率是2PSK的两倍。的两倍。7/27/202489 若正交路、同相路基带信号用升余弦谱波若正交路、同相路基带信号用升余弦谱波7/27/202490例例5.7 5.7 假定假定QPSK系统的输入二进制序列为系统的输入二进制序列为011111011000,011111011000,试说明试说明(1)(1)相应的载波相位相应的载波相位(B方式方式)序序列列;(2);(2)同相与正交支路的比特序列同相与正交支路的比特序列;(3);(3)传输速率为传输速率为4800bps时需要的带宽时需要的带宽.解解:四元符号序列四元符号序列:01 11 11 01 10 00(1)载波相位载波相位:(2)同相支路同相支路:1 1 1 1 0 0正交支路正交支路:0 1 1 0 1 0(3)带宽带宽:7/27/2024915.4.2 QPSK的调制解调方法及误比特性能的调制解调方法及误比特性能 1.调制解调方法调制解调方法 基于基于“QPSK等效于两路正交的等效于两路正交的2PSK之和之和”的想法：的想法：调制器：调制器：QPSK信号信号基带脉冲基带脉冲成型成型基带脉冲基带脉冲成型成型串串/并并转换转换速率减半速率减半速率减半速率减半7/27/202492解调器：解调器：QPSK信号信号载波同步载波同步并并/串串转换转换BPFLPF或或MFLPF或或MF符号符号定时定时抽样判决抽样判决抽样判决抽样判决图图5.4.4 QPSK调制解调框图调制解调框图 同相与正交解调器彼此独立工作同相与正交解调器彼此独立工作 7/27/202493例如，在上支路的相乘器之后，例如，在上支路的相乘器之后，LPF后输出为：后输出为：7/27/202494QPSK的每个四元符号所包含的两个比特都独立、并行地的每个四元符号所包含的两个比特都独立、并行地按按2PSK传输，各比特的传输误比特率均为传输，各比特的传输误比特率均为 （相（相干干2PSK的误比特率）。所以，的误比特率）。所以，2.误比特性能误比特性能 QPSK的误比特率为的误比特率为：作业：作业：11 19 21 227/27/202495矩形矩形NRZ的的QPSK在时隙边界处经常间断，使信号功在时隙边界处经常间断，使信号功率谱有很高的旁瓣。率谱有很高的旁瓣。5.4.4 *OQPSK与与 DQPSK 1 0 0 1恒包络恒包络QPSK星座星座,最大相位跳变为最大相位跳变为为了限制带宽，实际调制器中改用为了限制带宽，实际调制器中改用符合带限信道的无符合带限信道的无ISI基基带成形脉冲带成形脉冲。由此产生的。由此产生的QPSK信号不再保持恒定的包络。信号不再保持恒定的包络。7/27/202496恒包络信号的优点：允许非线性放大，效率高、易恒包络信号的优点：允许非线性放大，效率高、易实现。人们希望改进实现。人们希望改进QPSK的包络。的包络。有了有了AM分量分量恒包络恒包络经分析：相位跳变越大，限带后则经分析：相位跳变越大，限带后则AMAM分量越大。分量越大。7/27/2024971.OQPSK 偏移正交相移键控（偏移正交相移键控（Offset QPSK）两个正交支路两个正交支路的的2PSK信号相互错开的时间，使相位改变不同时发生。信号相互错开的时间，使相位改变不同时发生。可以减小相位变化，进而减少包络起伏。可以减小相位变化，进而减少包络起伏。计算机仿真结论：包络起伏由计算机仿真结论：包络起伏由01.25改善为改善为0.71.15。最大相位调变为最大相位调变为mI(t)和和 mQ(t)分量在时间上相互偏移分量在时间上相互偏移Ts/27/27/202498图图5.4.7 (宽带宽带)OQPSK信号信号 最大相位调变为最大相位调变为7/27/2024992.DQPSK（差分正交相移键控）差分正交相移键控）它是由相互旋转它是由相互旋转/4 的两个的两个QPSK星座图交替出现而产生星座图交替出现而产生波形的。波形的。01110010符号映射规则：符号映射规则：（1）信号的最大相位变化为）信号的最大相位变化为 ，包络的起伏减小。，包络的起伏减小。（2）DQPSK是差分调制，便于接收机简化。是差分调制，便于接收机简化。7/27/2024100 例例5.9 假定假定 DQPSK系统的输入二进制序列为系统的输入二进制序列为011010011100，试说明：（，试说明：（1）相应的载波相位差（）相应的载波相位差（2）相）相应的绝对载波相位（令初相位为应的绝对载波相位（令初相位为 ）。）。解：（解：（1）四元符号序列：）四元符号序列：01 10 10 01 11 00 载波相位差：载波相位差：（2）绝对载波相位：）绝对载波相位：011100101 3 3 1 2 0 7/27/2024101QPSK延迟延迟交替交替p QPSK,/4DQPSK与与 OQPSK的关系的关系调制类型调制类型最大相移最大相移AM分量分量bigsmallsmallestOQPSKQPSK(/4)QPSK7/27/2024102若基带用升余弦谱波限带时，已调信号会有若基带用升余弦谱波限带时，已调信号会有AM分量。经分分量。经分析：相位跳变越大，则析：相位跳变越大，则AM分量越大。这使得限带后的信号分量越大。这使得限带后的信号不能用效率高的非线性不能用效率高的非线性C类放大器放大，只能用类放大器放大，只能用A、B类线性类线性放大器。放大器。注：若基带用矩形波传时，它们是恒包络调制，但已调信注：若基带用矩形波传时，它们是恒包络调制，但已调信号谱太宽；号谱太宽；7/27/2024103n QAM对于对于MASK，矢量端点在一条直线轴上分布；矢量端点在一条直线轴上分布；对于对于MPSK，矢量端点在一个圆周上分布；矢量端点在一个圆周上分布；对于对于QAM，矢量端点在整个信号平面上分布；矢量端点在整个信号平面上分布；7/27/2024104MQAM 调制器调制器2bit串串/并变换并变换binary可引入无可引入无ISI滤波器滤波器2/L电平变换电平变换2/L电平变换电平变换7/27/202410510000111100001110111111100111011When M=4,4QAM=QPSK7/27/2024106 QAM 解调器解调器抽样抽样抽样抽样binary可引入无可引入无ISI滤波器滤波器并并/串串(L-1)个门限个门限(L-1)个门限个门限判决判决判决判决LPFLPF7/27/20241075.5 基本频带调制的讨论7/27/20241085.5.1 ASK与与FSK的相干解调的相干解调 图图5.5.1 2ASK相干解调传输系统与等效相干解调传输系统与等效AWGN基带信道基带信道 单极性单极性NRZ向上向上频移频移基带接收基带接收滤波器滤波器抽样与抽样与判决判决BPFLPFB2B基带发送基带发送滤波器滤波器向下向下频移频移AWGN频频带信道带信道LPF或或MF符号定时符号定时判决门限为判决门限为 A/2(LPF)判决门限为判决门限为 AT/2(MF)的双边功率谱密度为的双边功率谱密度为1.2ASK的相干解调的相干解调:7/27/2024109借助第借助第4章中单极性章中单极性2PAM信号的结论信号的结论：LPF接收系统（带宽接收系统（带宽 ）：）：匹配滤波器接收系统：匹配滤波器接收系统：单极性极性2PAM：基带平均码元能量基带平均码元能量 7/27/2024110LPF接收系统（带宽接收系统（带宽 ）：）：匹配滤波器接收系统：匹配滤波器接收系统：2ASK的平均的平均码元能量：元能量：注意：基注意：基带平均码元能量平均码元能量：7/27/2024111考虑：考虑：（1）广义的）广义的二进制（基带或带通）二进制（基带或带通）信号：信号：与与（2）接收机为）接收机为线性处理器线性处理器（含基带的（含基带的LPF、匹配滤波器、匹配滤波器二元信号二元信号 AWGN信道信道 抽样抽样判决判决线性滤波器线性滤波器2.2FSK的相干解调的相干解调:甚至对于带通二进制系统的相干解调器和甚至对于带通二进制系统的相干解调器和MF ）线性线性处理器处理器7/27/2024112(1)最佳最佳门限：限：(2)最小平均最小平均误码率率，0、1等概发送时等概发送时(3)高斯白噪声和高斯白噪声和 Match-filter的结果的结果7/27/2024113频差较大时适合频差较大时适合抽样判决抽样判决LPFLPFBPFBPF 相干解调时相干解调时W=2Bf1f0W=2B7/27/20241142B2Bpn0(f)pn1(f)7/27/2024115抽样判决抽样判决BPF MF接收时接收时频差较小时，设频差较小时，设 正交，正交，。7/27/2024116匹配滤波器接收系统：匹配滤波器接收系统：2FSK的平均的平均码元能量：元能量：LPF接收系统（带宽接收系统（带宽 ）：）：可见，可见，2FSK的相干解调系统的误码性能与的相干解调系统的误码性能与2ASK的相的相干解调系统的误码性能相同干解调系统的误码性能相同7/27/2024117方式方式频带调制制式频带调制制式误比特率误比特率Pb备注备注非非相相干干解解调调2ASK2FSK2DPSK一般结论一般结论最优结果最优结果两两者者相相同同好好3dB5.5.2 系统差错概率的比较系统差错概率的比较表表5.5.1 几种基本的频带调制信号的误比特率公式几种基本的频带调制信号的误比特率公式 表中所有的表中所有的带通滤波器带宽带通滤波器带宽取理论最小值取理论最小值7/27/2024118 2FSK QPSK 2ASK 2DPSK 2PSK 方式方式频带调制制式频带调制制式误比特率误比特率Pb备注备注匹匹配配滤滤波波器器两者相同两者相同比比2PSK2PSK差差 3dB 3dB表表5.5.1 几种基本的频带调制信号的误比特率公式（续）几种基本的频带调制信号的误比特率公式（续）MF：7/27/2024119 方式方式相相干干解解调调 2FSK QPSK 2ASK 2DPSK 2PSK调制制式调制制式误比特率误比特率Pb一般结论一般结论最优结果最优结果带通滤波器带宽取已调信号谱零点带宽带通滤波器带宽取已调信号谱零点带宽当当带通滤波器带宽取理论最小值带通滤波器带宽取理论最小值当当7/27/2024120单极性基带单极性基带NRZ相干相干ASK、FSK非相干非相干ASK、FSK双极性基带双极性基带NRZ 相干相干PSK、QPSK差分相干差分相干2DPSK图图 5.5.3 主要的误比特率曲线主要的误比特率曲线7/27/2024121（1 1）误比特性能排序：）误比特性能排序：（2 2）PSKPSK与与QPSKQPSK性能优秀、复杂度最高的；性能优秀、复杂度最高的；QPSKQPSK频带最少。频带最少。（3 3）DPSKDPSK接近接近PSKPSK（仅（仅 ），但没有），但没有“不确定性反相不确定性反相”问题。问题。（4 4）FSKFSK性能一般，非相干接收实用；它占用频带多，但性能一般，非相干接收实用；它占用频带多，但比其他传输方式更比其他传输方式更“顽强顽强”。（5 5）非相干）非相干ASKASK（或（或OOKOOK）适用于质量好的信道，设备很简）适用于质量好的信道，设备很简单。单。从图中可以看到：从图中可以看到：7/27/2024122相干解相干解调误码率，率，例例5.10 假定假定2FSK信号通过某窄带信号通过某窄带AWGN信道后采用非相信道后采用非相干解调的误码率为干解调的误码率为 。问：（。问：（1）改用相干解调的误码）改用相干解调的误码率是多少？（率是多少？（2）改用码率、载频、幅度相同的）改用码率、载频、幅度相同的2ASK信号信号通过该信道时，相干与非相干解调的通过该信道时，相干与非相干解调的 是多少？（是多少？（3）改）改用用2ASK信号后，如何调整幅度，可保持信号后，如何调整幅度，可保持 不变？不变？解：（解：（1）由非相干解调的由非相干解调的 于是，于是，7/27/2024123相同码率、载频、幅度时相同码率、载频、幅度时（3 3）将）将2ASK2ASK幅度提高为幅度提高为2FSK2FSK幅度的幅度的1.4141.414倍可保持与倍可保持与2FSK2FSK同样的误码率。同样的误码率。（2 2）2ASK2ASK信号的带宽比信号的带宽比2FSK2FSK的窄，可以通过该信道。但同的窄，可以通过该信道。但同样幅度下，样幅度下，。因此，。因此，2ASK 2ASK相干与相非干相干与相非干解调的误码率，解调的误码率，非相干非相干:相干相干:7/27/20241245.5.3 功率谱与带宽的讨论功率谱与带宽的讨论 功率谱有三种基本形式（已调信号包络为矩形时）：功率谱有三种基本形式（已调信号包络为矩形时）：(a)2ASK (b)2PSK与与QPSK (c)2FSK 图图5.5.4 基本频带调制信号的功率谱基本频带调制信号的功率谱 QPSK频带最窄频带最窄7/27/2024125总的传输系统为无总的传输系统为无ISI的滤波器时：的滤波器时：(a)2ASK (b)2PSK与与QPSK (c)2FSK fcf0fcf1QPSK频带最窄频带最窄7/27/2024126总的传输系统为无总的传输系统为无ISI的滤波器的滤波器()时：得到各已调系统时：得到各已调系统理论最小带宽理论最小带宽 QPSK频带最窄频带最窄 (a)2ASK (b)2PSK与与QPSK (c)2FSK fcf0fcf17/27/2024127注意到下面几个特征：注意到下面几个特征：（1 1）有无离散载波谱线：）有无离散载波谱线：2ASK2ASK与与2FSK2FSK有；有；（2 2）单载波与多载波制式：）单载波与多载波制式：2FSK 2FSK信号是多载波的信号是多载波的一种简单的情形；一种简单的情形；（3 3）同相与正交通道：）同相与正交通道：QPSKQPSK在同一个载波的同一频在同一个载波的同一频带上，借助相位的正交性，可以并行地传输两路带上，借助相位的正交性，可以并行地传输两路2PSK2PSK信号。即信号。即QPSKQPSK在同一个频带上传输在同一个频带上传输2 2倍于倍于2PSK2PSK的数据量。的数据量。7/27/2024128 频带利用率频带利用率（bit/s/Hz）功率谱特点功率谱特点 单单/多载波多载波有无离散有无离散载波载波正交正交复用复用带宽（带宽（Hz）调制制式调制制式 2ASK2PSKQPSK2FSK典型值：典型值：单单 单单 多（双）多（双）单单 有有 有有 是是 表表5.5.2 各种信号的带宽与功率谱特点各种信号的带宽与功率谱特点 典型值：典型值：图中蓝色的公式是最小带宽及相应的频带利用率图中蓝色的公式是最小带宽及相应的频带利用率7/27/2024129例例5.11 5.11 电话线频带为电话线频带为 ,调制解调器经常调制解调器经常取取24002400波特率。求（波特率。求（1 1）载频为多少合理？（）载频为多少合理？（2 2）采用升余）采用升余弦滤波器时，滚降系数的选取范围？（弦滤波器时，滚降系数的选取范围？（3 3）假定采用）假定采用QPSKQPSK调调制，频带利用率是多少？制，频带利用率是多少？解：（解：（1 1）载频宜于选频带的中央，）载频宜于选频带的中央，（2 2）。因此，。因此，（3 3）QPSKQPSK调制下，调制下，7/27/20241302ASK、2PSK、QPSK的已调信号谱（无的已调信号谱（无ISI的升余弦谱）：的升余弦谱）：QPSK时：时：2FSK的已调信号带宽（无的已调信号带宽（无ISI的升余弦谱）：的升余弦谱）：7/27/2024131关于数字调制关于数字调制1.掌握掌握 2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK的调制原理和解调的调制原理和解调方法，会计算各种已调信号的功率谱、带宽（包括无方法，会计算各种已调信号的功率谱、带宽（包括无ISI系系统）。会画统）。会画2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK信号波形；信号波形；2.了解了解 QPSK的调制原理和解调方法，会计算的调制原理和解调方法，会计算 QPSK、的的功率谱、带宽（包括无功率谱、带宽（包括无ISI系统）。了解系统）。了解QPSK的星座图。的星座图。3.掌握数字调制系统的差错率的计算方法掌握数字调制系统的差错率的计算方法(OOK,BPSK,FSK,2DPSK,QPSK)；会比较各系统的性能优劣（可靠性和；会比较各系统的性能优劣（可靠性和有效性）。有效性）。7/27/2024132谢谢你的阅读v知识就是财富v丰富你的人生