第7章-数字带通传输系统--课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,PPT课件,*,第,7,章 数字带通传输系统,本章教学目的与要求：,1、掌握三种基本二进制数字频带调制方式,（2ASK、2FSK、2PSK/2DPSK）,的调制和解调原理、带宽。,2、掌握三种方式的误码率信噪比公式，会计算。,3、了解多进制数字频带调制系统原理和抗噪性,。,1,PPT课件,第7章 数字带通传输系统 本章教学目的与要求：1,主要外语词汇,振幅键控,ASK（Amplitude Shift Keying）,通断键控,OOK（On-Off Keying）,频移键控,FSK（Frequency Shift Keying）,相移键控,PSK（Phase Shift Keying）,差分（相对）相移键控,DPSK（Differential Phase Shift Keying）,正交相移键控,QPSK（Quadriphase Shift Keying）,M,进制振幅键控,MASK（M-ary Amplitude Shift Keying）,2,PPT课件,主要外语词汇振幅键控 ASK（Amplitude,作业,P,235,1,，,2,，,3,，,7,，,11,，,17,（二进制信息为,10110001,）,3,PPT课件,作业P235 1，2，3，7，11，3PPT课件,本章主要内容,7.1,二进制数字调制原理,7.2,二进制数字调制系统的抗噪声性能,7.3,二进制数字调制系统的性能比较,7.4,多进制数字调制原理及抗噪声性能,4,PPT课件,本章主要内容 7.1二进制数字调制原理 4PPT课件,频率很低的电信号,信息源,语言,音乐,图像,直接转换,包括（或不包括）直流分量的低通频谱,最高频率和最低频率之比远大于,1,基带信号,如电话信号的频率范围在,300,3400Hz,基带信号可以直接通过架空明线、电缆等有线信道传输，但不可能在无线信道直接传输。,即使可以在有线信道传输，但一对线路上只能传输一路信号，对信道的利用是很不经济的。,概述：,基带信号,5,PPT课件,频率很低的电信号信息源语言音乐图像直接转换 包括（或不包括）,概述：,调制和解调,原始信号,调制器,调制：发送端把基带信号频谱,搬移到给定信道通带内的过程,解调器,解调：在接收端把已搬到给定信道,通带内的频谱还原为基带信号的过程,原始信号,6,PPT课件,概述：调制和解调原始信号调制器调制：发送端把基带信号频谱解调,概述：,调制的基本特征和分类,调制器,m(t),C(t),S,m,(,t,),单音正弦波,连续变化的模拟量：,模拟调制,离散的数字量：,二进制数字脉冲,数字调制,单频正弦波,连续波形,连续载波调制,脉冲波形,脉冲载波调制,矩形周期脉冲,7,PPT课件,概述：调制的基本特征和分类调制器m(t)C(t)Sm,引言,一、,什么是,数字信号的带通传输？,数字信号的带通传输又称,数字频带传输,（,数字载波传输,），是将数字基带信号的信息转载到高频载波上去的处理过程。,数字基,带信号,调制器,信道,解调器,数字,信号,数字带通传输系统,（,数字频带传输系统）,8,PPT课件,引言一、什么是数字信号的带通传输？数字基调制器信道解调器数字,二、,为什么要,进行数字频带传输？,1,、基带传输损耗大、易误码。,基带传输一般用于局域网，较少用于长途传输。,2,、便于利用各种模拟信道（带通信道）资源传输数字信号。,9,PPT课件,二、为什么要进行数字频带传输？1、基带传输损耗大、易误码。9,三、,怎样进行,数字频带传输？,（数字信号的调制）,高频载波,C(t)=ACOS(,c,t+,0,),为等幅单频余弦电波。,需要让载波携带的数字基带信号信息，为,有限个离散值,。,可以携带数字基带信号信息的参量有,幅度,、,频率,和,相位,。,因此可设计出三种调制方案：,1,、让载波幅度,A,按数字信号的代码变化,数字调幅,；,2,、让载波频率,c,按数字信号的代码变化,数字调频,；,3,、让载波相位,0,按数字信号的代码变化,数字调相,。,10,PPT课件,三、怎样进行数字频带传输？,调制器,S,(,t,),C,(,t,),e,(,t,),数字基带信号,正弦载波,调制信号为二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有,两种,变化状态。,2,PSK,t,2,FSK,t,11,PPT课件,调制器S(t)C(t)e(t)数字基带信号正弦载,7.1,二进制数字调制原理,一、二进制振幅键控,数字振幅调制又称振幅键控，记作,ASK,（,Amplitude shift keying,），二进制振幅键控记作,2ASK,。,1,、时域表示及波形,2ASK,是利用代表数字信息（“,0”,或“,1”,）的基带矩形脉冲去键控一个连续的正弦型载波的振幅，使载波,时断时续,地输出。,有载波输出时表示发送“,1”,，无载波输出时表示发送“,0”,。,12,PPT课件,7.1二进制数字调制原理一、二进制振幅键控数字振幅,特点：“,1”,码期间有等幅正弦波输出，相当于开关开通；,“,0”,码期间无输出，相当于开关切断。,因此，数字调幅又称为,开关键控,(,通断键控,),，记作,OOK(On Off Keying),。,二进制振幅键控信号的时间波形,T,s,13,PPT课件,特点：“1”码期间有等幅正弦波输出，相当于开关开通；二进制振,数字基带信号,，,式中,g(t),是宽度为,T,s,、高度为,A,的矩形脉冲。,a,n,为数字序列,a,n,的第,n,个码元的电平值。,载波是单频正弦波,c(t)=,COS,(,c,t+,0,),已调波,类似于模拟信号调幅，现在是用数字基带信号去调幅,调制信号是,单极性不归零码。,14,PPT课件,数字基带信号载波是单频正弦波 c(t)=COS(ct+,2,、调制方法：,(,),二进制单极性不归零的随机矩形脉冲序列,乘法器,cos,w,c,t,e,2ASK,(t),a,s,(,t,),模拟相乘法,(,),cos,w,c,t,开关电路,s,(,t,),b,数字键控法,e,2ASK,(t),1,0,15,PPT课件,2、调制方法：()二进制单极性不归零的随机矩形脉冲序列 乘法,3,、,2ASK,信号的解调,与模拟调制系统一样，数字调制系统的解调也有相干和非相干两种方式：,相干解调,采,用相干波相乘的方法，主要用于线性调制信号，如,ASK,和,PSK,；,非相干解调,采用包络检波的方法，,主要用于,FSK,，也可用于,ASK,。,16,PPT课件,3、2ASK信号的解调 与模拟调制系统一样，数字调,2ASK,非相干解调流程框图,(1),非相干解调,（包络检波法）,17,PPT课件,2ASK非相干解调流程框图(1)非相干解调（包络检波法）17,2ASK,非相干解调各步波形,18,PPT课件,2ASK非相干解调各步波形18PPT课件,(2,),相干解调（同步检测法）,2ASK,相干解调流程框图,与模拟系统解调的不同点仅仅在于多了一个抽样判决,。,a,b,c,d,z(t),x(t),19,PPT课件,(2)相干解调（同步检测法）2ASK相干解调流程框图abcd,a,b,c,d,z(t),x(t),2ASK,相干解调各步波形,20,PPT课件,abcdz(t)x(t)2ASK相干解调各步波形2,相乘器输出为,经,LPF,，滤除,2,C,频率分量，,x,(,t,),=s,(,t,),/2,。,对,x,(,t,),进行抽样，取得抽样值,x,。,当,x,判决门限，判为“,1”,码。,e,2ASK,=,s,(,t,),cos,c,t,21,PPT课件,相乘器输出为 经LPF，滤除 2C 频率分量，x(t),用,SYSTEMVIEW,仿真,2ASK,调制解调系统,22,PPT课件,用SYSTEMVIEW仿真2ASK调制解调系统22PPT课件,23,PPT课件,23PPT课件,24,PPT课件,24PPT课件,4,、,2ASK,信号的功率谱和带宽,2ASK,是,单极性不归零码与载波相乘,所得。我们知道，当信号乘以,cos,c,t,后，其频谱为线性搬移,：,其功率谱密度为：,25,PPT课件,4、2ASK信号的功率谱和带宽 2ASK是单,基带信号（单极性不归零码）功率谱：,2ASK,信号功率谱,：,26,PPT课件,基带信号（单极性不归零码）功率谱：2ASK信号功率谱：2,基带信号功率谱密度,T,s,/4,f,P,s,(f),0 f,s,1/4,f,P,2ASK,(f),0,2,f,s,-,f,c,T,s,/16,1/16,f,c,2ASK,信号功率谱密度,27,PPT课件,基带信号功率谱密度 Ts/4fPs(f)0 fs1/,结论,:,(1)2ASK,信号的功率谱是信号,s(t),功率谱的线性搬移，属线性调制；,(2)2ASK,信号的功率谱包含连续谱和离散谱两部分；,(3)2ASK,信号的带宽是基带信号带宽的两倍。,有效带宽取第一零点处带宽。基带带宽,B,m,=f,s,=R,B,2ASK,带宽则为,B,2ASK,=2B,m,=2f,s,=2/T,s,=2R,B,2ASK,信号频带利用率,=R,B,/B,2ASK,=R,B,/2 R,B,=1/2,（,Baud/Hz,）,28,PPT课件,结论:28PPT课件,例,1,已知某,OOK,系统的码元传输速率为,10,3,B,，所用的载波信号为,Acos(410,6,t),。,（,1,）设所传送的数字信息为,011001,，试画出相应的,OOK,信号波形示意图。,（,2,）求,OOK,信号的第一零点带宽。,29,PPT课件,例1 已知某OOK系统的码元传输速率为1,二、,二进制数字频移键控,1,、时域表示及波形,数字频率调制又称频移键控，记作,FSK,（,Frequency shift keying,），二进制频移键控记作,2FSK,。,2FSK,系统是利用二进制数字基带信号控制载波频率进行频谱变换的过程。,30,PPT课件,二、二进制数字频移键控1、时域表示及波形数字频率调制又称,它相当于,载波在两种不同频率之间进行切换,，故称频移键控,(,FSK Frequency Shift Keying),。,二进制基带信号只有两种代码，所以调频时，载波频率只能被置于两种频率，即：,即,用频率为,f,1,的载波代表“,1”,码，用频率为,f,2,的载波代表“,0”,码,，或相反。,31,PPT课件,它相当于载波在两种不同频率之间进行切换，故称,载波在两种不同频率之间进行切换,生成,2FSK,信号的波形,e,2FSK,(t),32,PPT课件,载波在两种不同频率之间进行切换e2FSK(t)32PPT课件,0,0,0,t,t,t,s(t),e,2FSK,(t),+1,-1,两种,2FSK,信号波形,相位不连续的,2FSK,调制,相位连续的,2FSK,调制,e,2FSK,(t),33,PPT课件,000ttts(t)e2FSK(t)+1-1两种2,相位连续和相位不连续,这种键控切换方式，只要码元间隔时间,T,s,一到，载波立即发生切换，造成,s,2FSK,(t),波形不连续，称之为,相位不连续的,FSK,调制,。,为了波形连续，又发明了,相位连续的,FSK,调制,。首先，两个不同频率的载波应来自同一振荡源,(,晶振,),，由不同的分频倍程所得；其次，还要恰当选择,1,和,2,，使一个码元时段产生的相移之差为,2,的整数倍，即,(,1,-,2,)T,s,=2n,。,(,f,1,-f,2,=nf,s,),34,PPT课件,相位连续和相位不连续 这种键控切换方式，只要码元,另一方面，,2FSK,调制信号也可以看作,两个,2ASK,调制信号的叠加,：,35,PPT课件,另一方面，2FSK调制信号也可以看作两个2AS,两个,2ASK,调制信号合成,2FSK,信号,a,n,1,0,1,1,0,0,1,s(t),s(t),2FSK,c,1,(t),c,2,(t),s(t)c,1,(t),s(t)c,2,(t),36,PPT课件,两个2ASK调制信号合成2FSK信号an1011001,2,、调制方法：,s(t),e,2FSK,(t),模拟调,频器,(a),模拟调频法,(b),频率键控法,37,PPT课件,2、调制方法：s(t)e2FSK(t)模拟调频器(a)模,3,、,2FSK,信号的解调,(1),过零检测法,（属非相干解调）,过零检测法原理框图和各点时间波形,f,38,PPT课件,3、2FSK信号的解调(1)过零检测法（属非相干解调）,(2),差分检波法,（属相干解调）,设接收的,2FSK,信号为：,式中,a,n,=0,时取“,+”,号，,a,n,=1,时取“,-”,号。,经延时,后变为：,LPF,抽样,判决,e,2FSK,S(t),抽样脉冲,BPF,延迟,u,1,(t),u,2,(t),u,3,(t),u,0,(t),39,PPT课件,(2)差分检波法（属相干解调）设接收的2FSK信号为：LP,二者相乘为：,经低通滤波后为：,调节延时,，使,在频偏较小时：,于是，由正负号就可判定：,负值判为“,0”,；正值判为“,1”,40,PPT课件,二者相乘为：40PPT课件,f,1,带通,滤波器,包络,检波,抽样,f,2,带通,滤波器,包络,检波,抽样,判定,再生,s,2FSK,(t),V1V2,判为,f,1,代表的基带信号,V1 0,）,表明前后码元相同，,判定为“,0”,码,；,=,，,v(t)=-A,2,/2,（,抽样值,0,）,表明前后码元不同，,判定为“,1”,码,；,64,PPT课件,设前一码元 S1(t)=ACOS(c t+1)6,从,2PSK,信号和,2DPSK,信号的波形来说，都可等效为,双极性不归零基带信号的幅度调制,，表达式相同，,e,2PSK,(t)=s(t)cos,c,t,。不同在于,2DPSK,信号中的,s(t),为由,2PSK,信号的基带信号变换而来的差分码数字信号。,所以，,2PSK,信号与,2DPSK,信号功率谱 密度相同。,3,、,2PSK,信号和,2DPSK,信号的功率谱和带宽,65,PPT课件,从2PSK信号和2DPSK信号的波形来说，都可等效为双极,乘以余弦调制后,2PSK(2DPSK),信号功率谱密度为（信源等概）,:,双极性不归零码（等概）的功率谱为：,2PSK(2DPSK),信号功率谱密度为（信源不等概）,:,66,PPT课件,乘以余弦调制后2PSK(2DPSK)信号功率谱密度为（信源等,除了没有冲激项之外，功率谱与,P,2ASK,(f),完全相同。因此,2PSK,信号和,2DPSK,信号的带宽仍然是基带带宽的两倍,:,B,2PSK,=B,2DPSK,=B,2ASK,=,2f,s,=2/T,s,=2R,B,f,s,f,s,f,s,f,s,f,s,-f,s,67,PPT课件,除了没有冲激项之外，功率谱与P2ASK(f)完全相同。因,例,3,假设在某,2DPSK,系统中，载波频率为,2400 Hz,，码元速率为,1200,波特，已知,相对码,序列为,1 1 0 0 0 1 0 1 1 1,。,(1),试画出,2DPSK,信号波形；,(2),若采用差分相干解调法接收该信号时，试画出解调系统的各点波形；,(3),若发送信息符号,0,和,1,的概率分别为,0.6,和,0.4,，试求,2DPSK,信号的功率谱密度。,68,PPT课件,例3 假设在某 2DPSK 系统中，载波频率为 2,(1)(2),已知,T,s,=2T,c,相对码,0,1 1 0 0 0 1 0 1 1 1,(,参考,),2DPSK,延时,T,s,二者相乘,低通滤波,抽样信号,再生信号,绝对码,1,0 1 0 0 1 1 1 0 0,2DPSK,差分相干解调,流程框图,69,PPT课件,(1)(2)已知Ts=2Tc 相对码 0,(3),若发送信息符号,0,和,1,的概率分别为,0.6,和,0.4,，试求,2DPSK,信号的功率谱密度。,p,=0.4,70,PPT课件,(3)若发送信息符号 0 和 1 的概率分别为 0.6 和,例,4,7-6,设发送的,绝对码,序列为,0110110,，采用,2DPSK,方式传输。已知码元速率为,2400,波特，载波频率为,2400 Hz,。,(1),试构成一种,2DPSK,信号调制器原理框图；,(2),若采用相干解调码反变换器方式进行解调，试画出解调系统的各点时间波形；,(3),若采用差分相干解调法接收该信号时，试画出解调系统的各点波形。,71,PPT课件,例4 7-6 设发送的绝对码序列为0110110，采用,绘制二进制数字频带调制信号波形示意图。,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,t,数字序列,a,n,t,(,a,)2ASK,t,(,b,)2FSK,t,(,c,)2PSK,t,(,d,)2DPSK,初始参考相位,例,5,72,PPT课件,绘制二进制数字频带调制信号波形示意图。1100110011t,7.2,二进制数字调制系统的抗噪声性能,一、,2ASK,系统的抗噪声性能：,接收端收到的,2ASK,信号为,信道,2ASK,信号,数字信号,误码率,y(t),n(t),相干解调,非相干解调,BPF,解调,n,i,(t),信噪比,73,PPT课件,7.2二进制数字调制系统的抗噪声性能一、2ASK系统的,信道噪声为高斯白噪声，经,BPF,后形成,窄带高斯白噪声,：,BPF,输出是,2ASK,信号和窄带高斯白噪声的叠加，在一个码元周期,T,s,内：,74,PPT课件,信道噪声为高斯白噪声，经BPF后形成窄带高斯白噪声：BP,1,、相干解调时,2ASK,系统误码率,y(t),与相干载波,cos,c,t,相乘后的波形,z(t),为,z(t)=y(t)cos,c,t=,a+n,c,(t),cos,2,c,t-n,s,(t)sin,c,tcos,c,t,，,发送“,1”,码,n,c,(t)cos,2,c,t-n,s,(t)sin,c,t cos,c,t,，,发送“,0”,码,=a+n,c,(t)+a+n,c,(t)cos2,c,t-n,s,(t)sin2,c,t /2,，,发送“,1”,码,n,c,(t)+n,c,(t)cos2,c,t-n,s,(t)sin2,c,t /2,，,发送“,0”,码,75,PPT课件,1、相干解调时2ASK系统误码率y(t)与相干载波cosc,z(t),经,LPF,后，在,抽样判决器输入端,得到：,x,(,t,),值的一维概率密度为：,设,b,为判决门限电平值（阈值电平），判决规则为：,x,b,，,判为“,1”,码,x,b,，,判为“,0”,码,76,PPT课件,z(t)经LPF后，在抽样判决器输入端得到：x(t)值的一维,P x b,|0=P(1|0),表示发出“,0”,码而错判为“,1”,码的概率。,总误码率为,P,e,=P(1)P(0,|1,),+,P(0)P(1,|0,),=P(0,|1,),+,P(1,|0,)/2,（信源等概）,P(0/1),P(1/0,),77,PPT课件,P x1,的大信噪比情况下，有,最佳判决门限为：,b,*,=a/2,误码率为,83,PPT课件,此时有 f1(b*)=f0(b*)发“,前项为,后项为,解调器输入端信噪比,为,（,b,*,=a/2,）,则,前项为,后项为,84,PPT课件,前项为解调器输入端信噪比为（b*=a/2）则 前项为,2ASK,系统,非相干解调,时误码率,当信噪比远大于,1,时，上式近似为：,将上式和同步检测法（即相干解调）的误码率公式相比较可以看出：在相同的信噪比条件下，同步检测法的抗噪声性能优于包络检波法，但在大信噪比时，两者性能相差不大。然而，包络检波法不需要相干载波，因而设备比较简单。另外，包络检波法存在门限效应，同步检测法无门限效应。,（,P,200,7.2-38,）,（,P,200,7.2-37,）,85,PPT课件,2ASK系统非相干解调时误码率 当信噪比远大于1时，上式近,设有一,2ASK,信号传输系统，其码元速率为,R,B,=4.8,10,6,波特，发“,1”,和发“,0”,的概率相等，接收端分别采用同步检测法和包络检波法解调。已知接收端输入信号的幅度,a=1 mV,，信道中加性高斯白噪声的单边功率谱密度,n,0,=2,10,-15,W/Hz,。试求,(1),同步检测法解调时系统的误码率；,(2),包络检波法解调时系统的误码率。,【解】根据,2ASK,信号的频谱分析可知，,2ASK,信号所需的传输带宽近似为码元速率的两倍，所以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,例,6(P,200,例,7-1),86,PPT课件,设有一2ASK信号,信噪比为,(1),同步检测法解调时系统的误码率为,(2),包络检波法解调时系统的误码率为,可见，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。,87,PPT课件,信噪比为 可见，在大信噪比的情,例,7,P,235,7-8,若采用,OOK,方式传送二进制数字信息，已知码元传输速率,R,B,=210,6,B,，接收端解调器输入信号的振幅,a=40V,，信道加性噪声为高斯白噪声，且其单边功率谱密度,n,0,=610,-18,W/Hz,，试求,:,(1),非相干接收时，系统的误比特率；,(2),相干接收时，系统的误比特率。,88,PPT课件,例7P2357-8 若采用OOK方式传送二进制数字信息，已,二、二进制频移键控,(2FSK),系统的抗噪声性能,89,PPT课件,二、二进制频移键控(2FSK)系统的抗噪声性能89PPT课件,采用,包络检波,时,2FSK,系统的总误码率为,（,P,205,7.2-64,）,结论：将,2FSK,包络检波和同步检波时系统的误码率公式比较可见，在大信噪比条件下，,2FSK,信号包络检波时的系统性能与同步检测时的性能相差不大，但同步检测法的设备却复杂得多。因此，在满足信噪比要求的场合，多采用包络检波法。,采用,同步检测,时,2FSK,系统的总误码率为,（,P,203,7.2-54,）,在大信噪比条件下，上式可以近似表示为,（,P,203,7.2-55,）,90,PPT课件,采用包络检波时2FSK系统的总误码率为结论：将2FSK包络检,采用,2FSK,方式在等效带宽为,2400Hz,的传输信道上传输二进制数字。,2FSK,信号的频率分别为,f,1,=980 Hz,，,f,2,=1580 Hz,，码元速率,R,B,=300 B,。接收端输入（即信道输出端）的信噪比为,6dB,。试求：,（,1,）,2FSK,信号的带宽；,（,2,）包络检波法解调时系统的误码率；,（,3,）同步检测法解调时系统的误码率。,【解】（,1,）根据式,(7.1-22),，该,2FSK,信号的带宽为,（,2,）由于误码率取决于带通滤波器输出端的信噪比。由于,FSK,接收系统中上、下支路带通滤波器的带宽近似为,例,8(P,205,例,7-2),91,PPT课件,采用2FSK方,它仅是信道等效带宽（,2400Hz,）的,1/4,，故噪声功率也减小了,1/4,，因而带通滤波器输出端的信噪比比输入信噪比提高了,4,倍。又由于接收端输入信噪比为,6dB,，即,4,倍，故带通滤波器输出端的信噪比应为,将此信噪比值代入误码率公式，可得包络检波法解调时系统的误码率,（,3,）同理可得同步检测法解调时系统的误码率,92,PPT课件,它仅是信道等效带宽（2400Hz）的1/4，故噪声功率也减,三、,2PSK,和,2DPSK,系统的抗噪声性能,2PSK,信号相干解调时系统的总误码率为,（,P,207,7.2-72,）,在大信噪比条件下，上式可以近似表示为,（,P,207,7.2-73,）,93,PPT课件,三、2PSK和2DPSK系统的抗噪声性能2PSK信号相干解调,2DPSK,信号相干解调时系统的总误码率为,（,P,208,7.2-77/80,）,在大信噪比条件下，上式可以近似表示为,（,P,208,7.2-81,）,2DPSK,信号差分相干解调时系统的总误码率为,（,P,210,7.2-96,）,94,PPT课件,2DPSK信号相干解调时系统的总误码率为2DPSK信号差分相,假设采用,2DPSK,方式在微波线路上传送二进制数字信息。已知码元速率,R,B,=10,6,B,，信道中加性高斯白噪声的单边功率谱密度,n,0,=2,10,-10,W/Hz,。今要求误码率不大于,10,-4,。试求,(1),采用差分相干解调时，接收机输入端所需的信号功率；,(2),采用相干解调,-,码反变换时，接收机输入端所需的信号功率。,【解】,(1),接收端带通滤波器的带宽为,其输出的噪声功率为,所以，,2DPSK,采用差分相干接收的误码率为,例,9(P,211,例,7-3),95,PPT课件,假设采用2DPSK方,求解可得 又因为,所以，接收机输入端所需的信号功率为,（,2,）对于相干解调,-,码反变换的,2DPSK,系统，,根据题意有 因而,即,查误差函数表，可得,由,r=a,2,/2,n,2,，可得接收机输入端所需的信号功率为,96,PPT课件,求解可得,7.3,二进制数字调制系统的性能比较,解调器输入端,(BPF,输出端,),97,PPT课件,7.3 二进制数字调制系统的性能比较解调器输入端(B,98,PPT课件,98PPT课件,误码率和信噪比,1,、信噪比增大，误码率降低；,2,、对于同一调制方式不同检测方法，相干检测的抗噪声性能优于非相干检测。,3,、在,相同误码率,条件下，采用相同解调方式，所需要的信噪比要求是：,2ASK,比,2FSK,高,3dB,，,2FSK,比,2PSK,高,3dB,。,反之，若信噪比一定，,2PSK,系统的误码率比,2FSK,的小，,2FSK,系统的误码率比,2ASK,的小。,结论：在抗加性高斯白噪声方面，相干,2PSK,性能最好，,2FSK,次之，,2ASK,最差。,99,PPT课件,误码率和信噪比99PPT课件,误码率,P,e,与信噪比,r,的关系曲线,100,PPT课件,误码率Pe与信噪比r的关系曲线100PPT课件,传输带宽,频带利用率,101,PPT课件,传输带宽101PPT课件,信道特性对调制系统的影响,信道特性变化的灵敏度对最佳判决门限有一定的影响。,2ASK,系统最差。,2FSK,系统和,2PSK,系统较好。,设备复杂性与成本,在高速数据传输中，相干,2PSK,及,2DPSK,用得较多，而在中、低速数据传输中，特别是在衰落信道中，非相干,2FSK,用得较为普遍。,102,PPT课件,信道特性对调制系统的影响 102PPT课件,例,10,在,PSTN,中，信道在,600,3000Hz,频带内传输,2DPSK,信号。若接收机输入信号幅度为,0.1v,，接收输入信噪比为,9dB,。,试求,:(1)2DPSK,信号的传码率；,(2),求接收机输入端高斯噪声双边功率谱密度。,(3),差分相干解调时，系统的误码率。,(4),若保持误码率不变，改为,2ASK,传输，接收端,采用包络解调，其它参量不变，求接收端输入,信号幅度。,103,PPT课件,例10 在PSTN中，信道在6003000Hz频带内传输,7.4,多进制数字调制原理及抗噪声性能,用二进制序列“,0”,和“,1”,分别对应载波的两种状态（如,2ASK,的两种幅度、,2FSK,的两种频率、,2PSK,的两种相位），这样的调制叫,二元调制,。,为了提高传信率，比如用四进制数去对应载波的四种状态，就可进行四元调制，一位四进制码相当于二位二进制码，传信率就会加倍。同理，还可以设计出更多进制的数字调制系统。,104,PPT课件,7.4多进制数字调制原理及抗噪声性能,与二进制数字调制系统相比，多进制数字调制系统具有以下几个特点：,在,码元速率,(,传码率,),相同条件,下，可以,提高信息速率,(,传信率,),，从而提高系统的有效性。当码元速率相同时，,M,进制数字传输系统的信息速率是二进制的,log,2,M,倍。,（,R,b,=R,B,log,2,M,）,在信息速率相同条件下，可降低码元速率，此时,M,进制码元宽度是二进制的,log,2,M,倍，这样增加了每个码元的能量，减小了码间串扰的影响，从而,提高了传输的可靠性,。,在接收机输入信噪比相同条件下，多进制数字传输系统的,误码率,比相应的二进制系统要高。,与二进制比较，,增加了发射功率和实现上的复杂性,。,105,PPT课件,与二进制数字调制系统相比，多进制数字调制系统具,用多进制的数字基带信号调制载波，就可以得到多进制数字调制信号。,通常，取多进制数,M,为,2,的幂次（,M,2,k,）。当携带信息的参数分别为载波的幅度、频率或相位时，数字调制信号为,多进制幅度振幅键控,（,MASK,：,M-ary Amplitude Shift Keying,）、,多进制频移键控,（,MFSK,）、,多进制相移键控,（,MPSK,）和,多进制差分相移键控,（,MDPSK,）。,106,PPT课件,用多进制的数字基带信号调制载波，就可以得到多进制数字调制信,一、,多,进制振幅键控,（,MASK,）,用载波幅度的,M,个量化电平来对应,M,进制数字码元，叫,M,元振幅键控。,MASK,信号相当于,M,电平的基带信号对载波进行双边带调幅。,S,MASK,(t)=S(t),cos,c,t,MASK,信号的带宽是基带信号带宽的两倍。,B,MASK,=2 f,s,，,其中,f,s,=1/T,s,是多进制码元速率。,MASK,同样可以采用相干或非相干解调，相干解调时系统的误码率为,（,P,227,7.5-11,）,107,PPT课件,一、多进制振幅键控（MASK）用载波幅度的M个量化电平来对,P,e,r,(dB),MASK,信号的误码率曲线,108,PPT课件,Per(dB)MASK信号的误码率曲线108PPT课件,(b),M,ASK,信号,(a),基带多电平单极性不归零信号,0,01,01,10,10,10,11,11,00,00,t,0,t,01,01,10,10,10,11,11,00,01,01,10,10,10,11,11,00,00,0,t,(c),基带多电平双极性不归零信号,00,00,0,t,01,01,10,10,10,11,11,(d),抑制载波,M,ASK,信号,109,PPT课件,(b)MASK信号(a)基带多电平单极性不归零信号001,S,MASK,(t),可看成,M-1,个时间不重合，振幅不同的,2ASK,信号的叠加。,MASK,的解调方法同样可以采用相干或非相干解调，不同在于抽样判定时需要,M-1,个判决门限电平（阈值）,来区分,M,个不同的量化电平。,为保持与,2ASK,相同的分辨能力，每个电平台阶就应取与二元电平同样的大小，则总的信号幅度就会大大增加，消耗能量就会大增。,如果保持信号幅度不变，则每个量化台阶距离就会变小，则量化误差必然大大增加。,可见,提高传信率是以提供更大能量或牺牲可靠性为代价换来的,。,110,PPT课件,SMASK(t)可看成M-1个时间不重合，振幅不同的2ASK,二、,多,进制频移键控,（,MFSK,）,选择,M,个不同的载波频率去对应,M,进制数字信号，叫,M,元数字调频。,MFSK,同样可以采用相干或非相干解调，相干解调时系统的误码率为,（,P,231,7.5-30,）,非相干解调时系统的误码率为,（,P,230,7.5-21,）,111,PPT课件,二、多进制频移键控（MFSK）选择M个不同的载波频率去对应,(,a)4FSK,信号波形,f,3,f,1,f,2,f,4,T,T,T,T,t,(b)4FSK,信号的取值,4FSK,信号波形举例,112,PPT课件,(a)4FSK信号波形f3f1f2f4TTTTt(b)4,MFSK,系统的组成方框图,m=2,k,例如：,8FSK,，,k,3,，,m,2,k,8,。,八进制代码,7,对应二进制代,码为,111,。,113,PPT课件,MFSK系统的组成方框图 m=2k例如：113PPT课件,上图是多进制数字频率调制系统的组成方框图。发送端首先通过,串并变换,把,串行的码流,k,个一组，变成,k,路并行,，再通过逻辑电路选通,m=2,k,中的一路。发送端采用键控选频的方式，在,一个码元期间,T,s,内只有,m,个频率中的一个被选通输出。,接收端采用非相干解调方式，输入的,MFSK,信号通过,m,个中心频率分别为,f,1,f,2,f,M,的带通滤波器，分离出发送的,m,个频率。再通过包络检波器、抽样判决器和逻辑电路，从而恢复出二进制信息。,多进制数字频率调制信号的带宽近似为,B,MFSK,=|f,M,-f,1,|+2f,s,。,可见，,MFSK,信号具有较宽的频带，因而它的信道频带利用率不高。多进制数字频率调制一般在调制速率不高的场合应用。,114,PPT课件,上图是多进制数字频率调制系统的组成方框图。发送端首先通过串,三、,多,进制相移键控,(MPSK),用载波的,M,个相位来对应,M,进制数字码元，构成,M,进制数字调相。,同理，它提高了传信率，也有效的节省了频带，所付出的代价是减小了相位之间的差别（,2PSK,相差,180,度，而,4PSK,相差,90,度，,MPSK,只有,360,o,/M,），,抗干扰能力减弱,。,下面以四相制为例介绍,MPSK,原理。,4PSK,常称为,正交相移键控,(,QPSK-Quadrature Phase Shift Keying,),115,PPT课件,三、多进制相移键控(MPSK)用载波的M个相位来对,A,方式,/2,体系,相,1,0,相,0,相,10,/2,相,00,0,相,01,3,/2,相,11,/4,相,100,0,相,000,/2,相,101,3,/4,相,111,相,110,-,3,/4 010,-,/2,相,011,-,/4,相,001,/2,相,0,-,/2,相,1,3,/4,相,00,-3,/4,相,10,/4,相,01,-,/,4,相,11,7,/8,相,011,-7,/8,相,001,-5,/8,相,000,-3,/8,相,100,-,/,8,相,101,/8,相,111,3,/8,相,110,5,/8,相,010,（,4,相）,（,2,相）,（,8,相）,B,方式,/4,体系,116,PPT课件,A方式相 10相 0相 10/2相 000相,1 0 1 0 1,如（,s,n,）,=,（,1,0,0,1,1,1,0,0,1,1,）,（）,0 1 1 0 1,四进制码，实际是用,2,位二进制码表示的。常采用的做法是将,二进制码流两两分组，进行串,/,并变换，变为两路并行传输，每个码元的持续时间是输入码元的,2,倍,，叫“,双比特码,”。分别记作,A,路和,B,路。,b,a,（,a,b,）,（）,为了两路在时间轴对齐，让,A,路延时一个码元时间,。,每对双比特码用一种载波相位表示，比如：,90,0,，,180,0,，,270,0,，,0,0,117,PPT课件,1 0 1 0 1如（sn）=（10 01 11 00,1,0,0,1,1,1,0,0,1,1,t,T,s,s,n,四元码,2,1,3,0,3,串并变换后两路波形的时间关系,t,偶比特,b,n,0 1 1 0 1,t,奇比特,a,n,2T,s,1 0 1 0 1,k,180,0,0,0,270,0,90,0,270,0,t,s,4PSK,(,t,),118,PPT课件,1001110011t Tssn四元码21303串并变换后两,（,1,）正交调相法,（直接调相法）,：,串,/,并变换,单,/,双极,性变换,二元,数字序列,a,b,单,/,双极,性变换,4PSK,信号,/2,COS,0,t,-sin,0,t,4PSK,正交调制器方框图如图所示。输入的串行二进制码经串,/,并变换，分为两路速率减半的序列，通过,单,/,双极性变换器,分别产生双极性二电平信号,a,n,(t),和,b,n,(t),，然后分别对同相载波,cos,0,t,和正交载波,(-,sin,0,t,),进行调制，相加后即得到了,4PSK,信号。,1,、调相有两种方法：,正交调相法和相位选择合成法,。,119,PPT课件,（1）正交调相法（直接调相法）：串/并变换单/双极二元ab,载波发生器产生,4,种相位的载波，输入的数字信息经串,/,并变换成为双比特码，经逻辑选择电路，每次选择其中一种作为输出，然后经过带通滤波器滤除高频分量。这是一种全数字化的方法，适合于载波频率较高的场合。,（,2,）相位选择合成法：直接用数字信号选择所需相位的载波以产生四相制信号。,输出,4PSK,信号,串,/,并,变换,逻辑选相,电路,BPF,四相载波,发生器,输入二进制信号,1,2,3,4,a,b,120,PPT课件,载波发生器产生4种相位的载波，输入的数字信息经串,设,M=4,（四进制），,k,=45,135,225,315,MPSK,信号可表示为,121,PPT课件,设M=4（四进制），k =45,135,2,2,、,QPSK,的解调：,采用相干解调，用本地载波去相乘，自然把四个相位区分开来了。,载波,提取,相乘,低通,抽判,/2,相乘,低通,抽判,并,/,串,A(t),s,QPSK,(t),a,b,cos,0,t,-sin,0,t,定时,提取,QPSK,信号解调原理方框图,122,PPT课件,2、QPSK的解调：采用相干解调，用本地载,3,、偏置,QPSK,（,OQPSK-Offset QPSK,偏置正交相移键控）,QPSK,体制的缺点：它的相邻码元最大相位差达到,180,，这在频带受限的系统中会引起信号包络的很大起伏。,偏置,QPSK,的改进：为了减小此相位突变，将两个正交分量的两个比特,a,和,b,在时间上错开半个码元，使之不可能同时改变。这样安排后相邻码元相位差的最大值仅为,90,，从而减小了信号振幅的起伏。,123,PPT课件,3、偏置QPSK （OQPSK-Off,OQPSK,信号的波形与,QPSK,信号波形的比较,a,1,a,3,a,5,a,7,a,2,a,6,a,4,a,8,a,2,a,4,a,1,a,3,a,5,a,7,a,6,a,8,124,PPT课件,OQPSK信号的波形与QPSK信号波形的比较a1a3a5a,4,相移,QPSK,信号是由两个相差,4,的,QPSK,星座图交替产生的，它也是一个,4,进制信号：,当前码元的相位相对于前一码元的相位改变,45,或,135,。例如，若连续输入“,11 11 11 11”,，则信号码元相位为“,45,90,45,90,”,优点：这种体制中相邻码元间总有相位改变、最大相移为,135,，比,QPSK,的最大相移小。,4,、,/4,相移,QPSK,45,11,10,(b),星座图之二,01,00,(a),星座图之一,11,01,00,10,125,PPT课件,4相移QPSK信号是由两个相差4的QPSK星座图交,与二元调相,2PSK,存在“,0,模糊”相似，四元调相,4PSK,也存在“,四相模糊,”问题。,所谓“四相模糊”指,4PSK,存在四种相位，我们的本地载波与哪一个同相位呢,?,不同的参考相位，将会使判定结果完全不同,(,有四种结果,),。,为此，同二元差分调相一样，也采用,四元差分调相,4DPSK,（,QDPSK,）,来解决这个问题。,四、多进制差分相移键控（,MDPSK,）,:,126,PPT课件,与二元调相2PSK存在“0模糊”相似，四元调相4PSK,QDPSK,信号编码方式如上表所示。表中,k,是相邻码元的相位差,。,这里有,A,和,B,两种方式。,B,方式,QDPSK,有时又称为,/4 QDPSK,。,3,/4,相,00,-3,/4,相,10,/4,相,01,-,/4,相,11,相,10,/2,相,00,0,相,01,3,/2,相,11,A,方式,B,方式,127,PPT课件,QDPSK信号编码方式如上表所示。表中k是相邻码元的相位,QDPSK,信号（,A,方式,）产生原理图,a,b,c,d,码,变换,相加,电路,s,(,t,),A,(,t,),串,/,并,变换,-,/4,载波,产生,相乘,电路,相乘,电路,/4,128,PPT课件,QDPSK信号（A方式）产生原理图abcd码相加s(t)A(,QDPSK,信号相干解调,(,极性比较法,),加码反变换器原理图,（,A,方式）,b,a,c,d,A,(,t,),-,/4,相乘,电路,相乘,电路,/4,s,(,t,),低通,滤波,低通,滤波,抽样,判决,抽样,判决,并,/,串,变换,逆码,变换,定时,提取,载波,提取,129,PPT课件,QDPSK信号相干解调(极性比较法)bacdA(t)-,QDPSK,信号差分正交解调,(,相位比较法,),（,A,方式）,A,(,t,),-,/4,相乘,电路,相乘,电路,/4,s,(,t,),低通,滤波,低通,滤波,抽样,判决,抽样,判决,并,/,串,变换,定时,提取,延迟,T,130,PPT课件,QDPSK信号差分正交解调(相位比较法)A(t)-/4相,MPSK,信号的功率谱密度,下图给出了信息速率相同的信号单边功率谱,M,越大，功率谱主瓣越窄，从而频带利用率越高,R,b,/3,131,PPT课件,MPSK信号的功率谱密度M越大，功率谱主瓣越窄，从而频带利,对,绝对相移,而言，参考相位为,载波的初相,；,对,差分相移,而言，参考相位为,前一已调载波的末相,(,当载波频率是码元速率的整数倍时，也可认为是初相,),。,各相位值都是对参考相位而言的，正为超前，负为滞后。,设发送数字信息序列为,11 01 10 11 00 10,，试按下列要求，分别画出相应的,4PSK,及,4DPSK,信号的所有可能波形。,例,11,B,方式,A,方式,相,10,/2,相,00,0,相,01,3,/2,相,11,3,/4,相,00,-3,/4,相,10,/4,相,01,-,/,4,相,11,132,PPT课件,对绝对相移而言，参考相位为载波的初相；设发送数字信息序列为1,四相制信号波形图,双比特码,1,1,0 1,1 0 1,1 0 0,1,0,4PSK,B,方式,参考载波,4DPSK,B,方式,-/4 /4 -3/4 -/4 3/4 -3,/4,-/4 /4 -3/4 -/4 3/4 -3,/4,4PSK,A,方式,-/2 0 -/2 /2 ,4DPSK,A,方式,-/2 0 -/2 /2 ,133,PPT课件,四相制信号波形图 双比特码1 1 0 1 1 0 1,数字带通传输系统小结,数字带通调制是提高数字信息传输有效性和可靠性的重要手段；,在,AWGN,（加性高斯白噪声）信道条件下，,2PSK,的误码性能最优，其次是,2DPSK,、,2FSK,和,2ASK,；,从实现调制系统的复杂性看，基于非相干解调的,2FSK,和,2ASK,系统的复杂性较低，,2PSK,或,2DPSK,系统的实现成本要高一些；从对频谱的利用效率看，,2PSK,、,2DPSK,、,2ASK,系统比,2FSK,要高。,134,PPT课件,数字带通传输系统小结数字带通调制是提高数字信息传输有效性,数字调制系统的基本作用是将数字信息序列映射为合适的信号波形，以便发射到（无线）信道中去。,数字调制系统对频谱资源的利用程度和抗噪声能力是我们考察数字调制方式的重要指标。,因此，本章在详细说明基本调制方式的原理后，介绍一些比基本调制系统抗噪声性能和,/,或频谱利用率更高的调制方式，主要包括：多进制的调制（,MASK,、,MFSK,、,MPSK,等）、,QAM,、,MSK,和,GMSK,等。,135,PPT课件,数字调制系统的基本作用是将数字信息序列映射为合适的信号波形，,谢 谢 大 家,136,PPT课件,谢 谢 大 家136PPT课件,