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第6章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 本章介紹數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的基礎知識 包括二進制及多進制數(shù)字頻帶系統(tǒng)原理 抗噪性能 載波同步原理 并將數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中有關概念及結論應用到數(shù)字頻帶系統(tǒng) 本章內容目錄 6 1二進制調制原理6 2多進制數(shù)字調制原理6 3余弦滾降數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)6 4正交部分響應幅度調制系統(tǒng)6 5數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能6 6各類數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較6 7數(shù)字頻帶信號的最佳接收6 8數(shù)字頻帶系統(tǒng)的載波同步原理 二進制振幅鍵控 2ASK B2ASK 2fs fs在數(shù)值上等于信息速率Rb 2ASK調制和功率譜 二進制振幅鍵控 續(xù) 2ASK解調 二進制移頻鍵控 2FSK B2FSK f2 f1 2fs fs在數(shù)值上等于信息速率Rb 2FSK調制和功率譜 二進制移頻鍵控 續(xù) 2FSK解調 包絡檢波和相干解調 二進制移頻鍵控 續(xù) 2FSK解調 過零檢測 二進制移相鍵控 2PSK或BPSK B2PSK 2fsfs在數(shù)值上等于信息速率Rb 2PSK調制和功率譜 二進制移相鍵控 續(xù) 2PSK解調 相干解調 二進制差分移相鍵控 2DPSK 2DPSK調制和波形 二進制差分移相鍵控 續(xù) 2DPSK解調 相干解調和差分相干解調 二進制調制舉例 例設某2FSK調制系統(tǒng)的碼元傳輸速率為1000Bd 載頻為1000Hz或2000Hz 1 若發(fā)送數(shù)字信息為011010 畫出2FSK信號波形 2 若發(fā)送數(shù)字信息是等概的 畫其功率譜密度草圖 3 試討論這個2FSK信號應選擇怎樣的解調器解調 解 3 不能采用相干解調法及包絡檢波法解調此2FSK信號 可以采用過零檢測解調器解調此2FSK信號 因為它不需要用濾波器將兩個組成2FSK信號的2ASK信號分開 二進制調制舉例 續(xù) 例假設在2DPSK系統(tǒng)中 載波頻率為2400Hz 碼元速率為1200Bd 已知相對碼序列為1100010111 1 試畫出2DPSK信號波形 2 若采用差分相干解調法接收該信號 試畫出解調系統(tǒng)方框圖及各點波形 3 若采用相干解調法接收該信號 試畫出解調系統(tǒng)方框圖及各點波形 思路 此題給的是相對碼序列 對于絕對碼是2DPSK的信號 對于相對碼則是2PSK信號 因此就相對碼序列1100010111畫出2PSK波形即是題目要求的2DPSK信號波形解 二進制調制舉例 續(xù) 接上例 2 差分相干解調 二進制調制舉例 續(xù) 接上例 3 相干解調 當b t 反相時 c t d t e t 也反相 但f t 不變 本章內容目錄 6 1二進制調制原理6 2多進制數(shù)字調制原理6 3余弦滾降數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)6 4正交部分響應幅度調制系統(tǒng)6 5數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能6 6各類數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較6 7數(shù)字頻帶信號的最佳接收6 8數(shù)字頻帶系統(tǒng)的載波同步原理 多進制振幅調制 MASK 4ASK信號 多進制頻率調制 MFSK MFSK系統(tǒng)和功率譜 多進制相位調制 I t 及Q t 有M 2個電平 其碼元寬度為M進制信號的碼元寬度 由于M 4時 MQAM信號比MPSK信號的抗噪性能好 故目前常用的多進制相位調制信號是四進制移相鍵控調制 四進制移相鍵控 4PSK或QPSK 4PSK正交調制和相位選擇法調制 四進制移相鍵控 續(xù) B4PSK fs fs在數(shù)值上等于信息速率Rb B方式A方式 四進制移相鍵控 續(xù) 4PSK相干接收機和載波相位模糊現(xiàn)象 四進制差分移相鍵控 4DPSK或QDPSK 4DPSK與4PSK的關系類似2DPSK與2PSK的關系 四進制差分移相鍵控 續(xù) 雙比特絕對碼與4DPSK信號的相位變化之間的關系為 四進制差分移相鍵控 續(xù) 四進制差分移相鍵控 續(xù) 4DPSK差分相干解調 四進制差分移相鍵控 續(xù) 4DPSK差分相干解調 多進制正交振幅調制 MQAM eMQAM t I t cos ct Q t sin ct 16ASK 16PSK 16QAM星座圖 多進制正交振幅調制 續(xù) BMQAM 2Rb log2M 16QAM系統(tǒng) 多進制正交振幅調制 續(xù) MQAM星座圖 多進制數(shù)字調制舉例 例設發(fā)送數(shù)字信息序列為01011000110100 分別畫出相應的4PSK及4DPSK信號的波形 思路一般采用A方式畫4PSK信號波形圖 本題沒給出載波頻率及信息速率 畫波形時可設在一個雙比特碼元內有一個載波周期 解 本章內容目錄 6 1二進制調制原理6 2多進制數(shù)字調制原理6 3余弦滾降數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)6 4正交部分響應幅度調制系統(tǒng)6 5數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能6 6各類數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較6 7數(shù)字頻帶信號的最佳接收6 8數(shù)字頻帶系統(tǒng)的載波同步原理 數(shù)字頻帶系統(tǒng)無碼間串擾條件 Hc f H f fc H f fc 可見 將無碼間串擾的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的頻率特性線性地搬移至載頻兩邊 就是無碼間串擾線性數(shù)字頻帶系統(tǒng)的頻率特性 余弦滾降頻率特性 無碼間串擾余弦滾降特性 B 1 1 Bd Hz b log2M 1 bps Hz 余弦滾降頻率特性 續(xù) 采用余弦滾降LPF的2PSK及MQAM通信系統(tǒng)原理框圖 本章內容目錄 6 1二進制調制原理6 2多進制數(shù)字調制原理6 3余弦滾降數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)6 4正交部分響應幅度調制系統(tǒng)6 5數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能6 6各類數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較6 7數(shù)字頻帶信號的最佳接收6 8數(shù)字頻帶系統(tǒng)的載波同步原理 正交部分響應幅度調制系統(tǒng) 能否設計一種數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 它的頻帶利用率可以達到最大值1Bd Hz 系統(tǒng)的頻率特性易于實現(xiàn) 而且又能放寬對定時信號抖動范圍的要求 MQPR系統(tǒng)原理圖 MQPR系統(tǒng) 續(xù) 9QPR及49QPR星座圖 MQPR系統(tǒng)頻率特性 第I類及第IV類 本章內容目錄 6 1二進制調制原理6 2多進制數(shù)字調制原理6 3余弦滾降數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)6 4正交部分響應幅度調制系統(tǒng)6 5數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能6 6各類數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較6 7數(shù)字頻帶信號的最佳接收6 8數(shù)字頻帶系統(tǒng)的載波同步原理 數(shù)字頻帶系統(tǒng)抗噪性能分析 2ASK包絡檢波解調 數(shù)字頻帶系統(tǒng)抗噪性能分析 續(xù) 2ASK相干解調 本章內容目錄 6 1二進制調制原理6 2多進制數(shù)字調制原理6 3余弦滾降數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)6 4正交部分響應幅度調制系統(tǒng)6 5數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能6 6各類數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較6 7數(shù)字頻帶信號的最佳接收6 8數(shù)字頻帶系統(tǒng)的載波同步原理 數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較 有效性 關于數(shù)字調制系統(tǒng)有效性的主要結論如下 1 頻帶利用率從高至低的排隊次序為 MQPR MASK MPSK MQAM MFSK 2 線性調制系統(tǒng)的進制數(shù)越大 頻帶利用率越高 且與log2M成正比 3 非線性調制系統(tǒng)的進制數(shù)越大 頻帶利用率越低 數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較 續(xù) 可靠性 各類數(shù)字調制系統(tǒng)誤碼率公式 數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較 續(xù) 可靠性結論1 在二進制數(shù)字調制系統(tǒng)中 可靠性最好的是2PSK 最差的是2ASK 若誤碼率相同 則2ASK接收機的信號功率比2FSK大3dB 2FSK接收機的信號功率比2PSK大3dB 2 調制方式相同時 相干解調接收機的可靠性優(yōu)于非相干解調接收機 3 線性調制系統(tǒng) MASK MPSK MQAM MQPR 的可靠性隨著進制數(shù)的增大而降低 4 MFSK系統(tǒng)的可靠性隨著進制的增大而增強 數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較 續(xù) 5 在二進制及四進制數(shù)字調制系統(tǒng)中 常用2DPSK和4DPSK 因為2DPSK的抗噪能力優(yōu)于2ASK和2FSK且頻率利用率高于2FSK 4DPSK的抗噪能力優(yōu)于4ASK而頻帶利用高于4FSK 在十六進制以上的線性調制系統(tǒng)中一般不采用MASK MPSK而采用MQAM或MQPR 因為MQAM和MQPR的抗噪能力優(yōu)于MASK MPSK且頻帶利用率不低于MASK MPSK 6 采用格雷碼時 M進制線性調制系統(tǒng)的誤碼率為誤比特率的log2M倍 MFSK系統(tǒng)的誤碼率為誤比特率的2倍 綜合有效性及可靠性特點可見 線性多進制調制系統(tǒng)犧牲可靠性換取有效性 MFSK系統(tǒng)則犧牲有效性換取可靠性 這一現(xiàn)象是與香農定律相吻合的 數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較 續(xù) 除有效性及可靠性外 在選取調制方式和解調方式時還應考慮其它問題 如 1 2ASK系統(tǒng)的最佳判決門限與接收信號功率有關 不便使用 其它二進制系統(tǒng)不存在此問題 2 2DPSK及4DPSK差分相干解調接收不需提取相干載波 比較適合于信道不穩(wěn)定的系統(tǒng) 但此系統(tǒng)解調器輸入信號的載頻與碼速率必須滿足一定的關系 這就對系統(tǒng)的組成有一定限制 比如發(fā)端不允許用獨立的本振信號對已調信號進行上變頻 在收端也不允許用獨立的本振信號對接收信號進行下變頻等 3 當可用包絡檢波解調且誤碼率能滿足要求時 一般不采用相干解調接收機 因為相干解調接收機需提取相干載波 設備比較復雜 4 在隨參信道中 存在著頻率選擇性衰落 不宜采用只有一個載波的線性調制方式傳輸信息 數(shù)字調制系統(tǒng)舉例 例已知電話信道可用的信號傳輸頻帶為600 3000Hz 取載頻為1800Hz 試說明 1 采用升余弦滾降基帶信號時 QPSK調制可以傳輸2400bit s數(shù)據 2 采用升余弦滾降基帶信號時 16QAM調制可以傳輸6400bit s數(shù)據 3 畫出 1 和 2 傳輸系統(tǒng)的頻率特性草圖 解 1 Bc 3000 600 Hz 2400Hz b bps Hz 1bps HzRb Bc b 2400 1bit s 2400bit s 2 b log216 1 0 5 8 3bps HzRb Bc b 2400 8 3bit s 6400bit s 數(shù)字調制系統(tǒng)舉例 續(xù) 接上題解 3 數(shù)字調制系統(tǒng)舉例 續(xù) 例采用8PSK調制傳輸4800bit s數(shù)據 1 信道帶寬的最小理論值是多少 2 若信道帶寬不變 而信息速率加倍 則調制方式應作何改變 為達到相同誤比特率 發(fā)送功率應作何變化 解 1 最大頻帶利用率 b log2M log28 bps Hz 3bps Hz最小理論帶寬Bc Rb b 48 3Hz 1600Hz 2 若信道帶寬不變 而信息速率加倍 則系統(tǒng)的頻帶利用率 b也應加倍 即 b log2M 6bps Hz由此得M 26 64 即應采取64進制的線性調制方式 如64PSK 64QAM或64QPR 為達到相同的誤比特率 應加大發(fā)射功率 本章內容目錄 6 1二進制調制原理6 2多進制數(shù)字調制原理6 3余弦滾降數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)6 4正交部分響應幅度調制系統(tǒng)6 5數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能6 6各類數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較6 7數(shù)字頻帶信號的最佳接收6 8數(shù)字頻帶系統(tǒng)的載波同步原理 線性數(shù)字頻帶信號最佳接收機 二進制線性數(shù)字頻帶信號最佳接收機 2DPSK最佳相干接收機 線性數(shù)字頻帶信號最佳接收機 續(xù) 多進制線性數(shù)字頻帶信號最佳接收機 將線性數(shù)字調制信號的相干接收機中的低通濾波器換為積分器 就可構成最佳相干接收機 另外 在理論上最佳相干接收機的輸入端可以不加帶通濾波器 這也是最佳接收機與一般相干接收機的區(qū)別 QPSK及MQAM最佳相干接收機 線性數(shù)字頻帶信號最佳接收機 續(xù) 最佳線性數(shù)字頻帶系統(tǒng) MFSK信號最佳接收機 正交MFSK信號最佳接收機 MFSK信號最佳接收機 續(xù) 隨相MFSK信號接收機 數(shù)字頻帶信號最佳接收機抗噪性能 用Es n0取代普通接收機誤碼率公式中的信噪比r 就是數(shù)字頻帶信號最佳接收機的誤碼率 對于M進制信號Es Eblog2M式中Eb為每比特信號能量 Es為每碼元信號能量 數(shù)字頻帶信號最佳接收機的誤碼率 數(shù)字頻帶信號的最佳接收舉例 數(shù)字頻帶信號的最佳接收舉例 接上題解 2 3 本章內容目錄 6 1二進制調制原理6 2多進制數(shù)字調制原理6 3余弦滾降數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)6 4正交部分響應幅度調制系統(tǒng)6 5數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能6 6各類數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較6 7數(shù)字頻帶信號的最佳接收6 8數(shù)字頻帶系統(tǒng)的載波同步原理 數(shù)字頻帶系統(tǒng)的載波同步原理 載波同步 非線性變換法 2PSK載波同步器 載波同步 非線性變換法 續(xù) 2PSK載波同步器 同相正交環(huán)分析 載波同步 插入導頻法 當M比較大時 用插入導頻法更有利用節(jié)省信號功率 可以用頻分復用法及時分復用法插入導頻 在收端用窄帶帶通濾波器或載波跟蹤鎖相環(huán)提取出導頻信號 進而得到相干載波 本章作業(yè) 6 26 46 66 116 126 136 156 166 18 第6章結束 第7章現(xiàn)代調制技術 本章對各種現(xiàn)代調制技術加以介紹 包括幾種適合在非線性信道中傳輸?shù)南辔贿B續(xù)調制技術和同時具有較強抗衰落能力及較大頻帶利用率的正交頻分復用調制技術 本章內容目錄 7 1偏移四相移相鍵控 OQPSK 7 2 4移位差分四相移相鍵控 4 DQPSK 7 3最小移頻鍵控 MSK 7 4高斯濾波最小移頻鍵控 GMSK 7 5正交頻分復用 OFDM 調制 偏移四相移相鍵控 OQPSK OQPSK調制器基帶波形QPSK或OQPSK相位轉移圖 本章內容目錄 7 1偏移四相移相鍵控 OQPSK 7 2 4移位差分四相移相鍵控 4 DQPSK 7 3最小移頻鍵控 MSK 7 4高斯濾波最小移頻鍵控 GMSK 7 5正交頻分復用 OFDM 調制 4移位差分四相移相鍵控 4 DQPSK信號星座圖和調制器A方式QPSKB方式QPSK 4 DQPSK 4移位差分四相移相鍵控 續(xù) 4 DQPSK信號相位跳變規(guī)則和轉移圖 本章內容目錄 7 1偏移四相移相鍵控 OQPSK 7 2 4移位差分四相移相鍵控 4 DQPSK 7 3最小移頻鍵控 MSK 7 4高斯濾波最小移頻鍵控 GMSK 7 5正交頻分復用 OFDM 調制 最小移頻鍵控 MSK MSK是一種特殊的2FSK信號 它滿足以下兩個條