通信原理——基本的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)_課件

1、通通 信信 原原 理理張張 偉偉通 信 原 理1通 信 原 理2v二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)v多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)通 信 原 理3v調(diào)制把基帶信號頻譜搬移到一定的頻帶范圍以適應(yīng)調(diào)制把基帶信號頻譜搬移到一定的頻帶范圍以適應(yīng)信道的要求；或者形成特定的頻譜以適應(yīng)信道的特信道的要求；或者形成特定的頻譜以適應(yīng)信道的特性。性。v容易輻射容易輻射v實現(xiàn)頻率分配實現(xiàn)頻率分配v實現(xiàn)多路復(fù)用實現(xiàn)多路復(fù)用v減少噪聲和干擾的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力減少噪聲和干擾的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力通 信 原 理4調(diào)制器調(diào)制器m (t )C (t )s (t )單音正弦波單音正弦波連續(xù)變化的模擬量：連續(xù)

2、變化的模擬量：模擬調(diào)制模擬調(diào)制離散的數(shù)字量：離散的數(shù)字量：二進制數(shù)字脈沖二進制數(shù)字脈沖數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制單頻正弦波單頻正弦波連續(xù)波形連續(xù)波形連續(xù)載波調(diào)制連續(xù)載波調(diào)制脈沖波形脈沖波形脈沖載波調(diào)制脈沖載波調(diào)制矩形周期脈沖矩形周期脈沖通 信 原 理5調(diào)制器調(diào)制器m (t )C (t )s (f )線性調(diào)制線性調(diào)制非線性調(diào)制非線性調(diào)制m (f )s (f )m(t)改變載波信號改變載波信號C(t)的不同參數(shù)的不同參數(shù)幅度調(diào)制：幅度調(diào)制：AM、PAM、ASK s (t )相位調(diào)制：相位調(diào)制：PM、PPM、PSK頻率調(diào)制：頻率調(diào)制：PM、FM、FSK頻譜之間呈線性搬頻譜之間呈線性搬移關(guān)系：移關(guān)系：AM、AS

3、K頻譜之間沒有線性對應(yīng)頻譜之間沒有線性對應(yīng)關(guān)系：關(guān)系：FM、PM、FSK 通 信 原 理6信信源源信信源源編編碼碼信信道道編編碼碼數(shù)數(shù)字字調(diào)調(diào)制制信道信道噪聲源噪聲源數(shù)數(shù)字字解解調(diào)調(diào)信信道道譯譯碼碼信信源源譯譯碼碼信信宿宿數(shù)字通信系統(tǒng)框圖數(shù)字通信系統(tǒng)框圖通 信 原 理9v2ASK表達式表達式2c( )( )cosASKets tttnTtganncscos)(PPan1, 0, 1出現(xiàn)概率出現(xiàn)概率為其中通 信 原 理10v2ASK調(diào)制方法調(diào)制方法（1）模擬法）模擬法)(tstccos2( )( )cosASKcets tt通 信 原 理11v鍵控法鍵控法tccos)(ts2( )( )cosA

4、SKcets tt通 信 原 理12v2ASK的解調(diào)的解調(diào)2ASK可以采用可以采用2種解調(diào)方法種解調(diào)方法相干解調(diào)相干解調(diào)非相干解調(diào)非相干解調(diào)通 信 原 理13v2ASK的相干解調(diào)的相干解調(diào))(2teASKtccost低通濾波低通濾波抽樣判決抽樣判決tt通 信 原 理14v2ASK的非相干解調(diào)的非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波)(2teASKt包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波低通濾波低通濾波抽樣判決抽樣判決通 信 原 理15v2ASK的功率譜密度的功率譜密度設(shè)設(shè) 的功率譜密度為的功率譜密度為 ，s(t)s(t)的功率譜密度為的功率譜密度為 則與時域表達式對應(yīng)的頻域表達式為則與時域表達式對應(yīng)的頻域表達式為 s(t)s

5、(t)為單極性隨機矩形脈沖序列，可直接得到為單極性隨機矩形脈沖序列，可直接得到 ，即，即式中式中 。根據(jù)根據(jù) 的頻譜特點，對于所有的頻譜特點，對于所有m0m0的整數(shù)，有的整數(shù)，有得得 2( )ASKet)( fPE)( fPS)()(41)(cScSEffPffPfP)( fPS)()()1 ()()1 ()(2222smssssmffmfGPffGPPffP)()(tgfG)(tg()0sG mf2222( )(1)( )(1)(0)( )sssP ff PP G ffPGf2csc( )( )cos() cosASKnnets tta g tnTt通 信 原 理16222221( )(1)

6、()()41 (1)(0)()()4EsccsccPff ppG ffG fffpGffff當數(shù)值信號碼元當數(shù)值信號碼元1 1，0 0統(tǒng)計獨立且等概率時，統(tǒng)計獨立且等概率時， ，則又有，則又有又因為幅度為又因為幅度為1 1，周期為，周期為 的矩形脈沖頻譜為的矩形脈沖頻譜為 , , 代入代入 表達式可得表達式可得21p222211( )()()(0)()()1616EsccsccPffG ffG fffGffffSTsin( )()()sssSsT fG fT SaT fTT f.)0(sTG( )EP f22sin()sin()1( )()()16()()16scScSEcccscsTff T

7、ff TPfffffff Tff T通 信 原 理17通 信 原 理18v2ASK的抗噪聲性能的抗噪聲性能設(shè)設(shè)2ASK2ASK系統(tǒng)中發(fā)送一個碼元時間系統(tǒng)中發(fā)送一個碼元時間TsTs內(nèi)波形為內(nèi)波形為而接收波形為而接收波形為對于對于2ASK2ASK信號可以采用包絡(luò)檢波和相干解調(diào)法進行解調(diào)，但在解信號可以采用包絡(luò)檢波和相干解調(diào)法進行解調(diào)，但在解調(diào)器前端都需經(jīng)過一個帶通濾波器，其輸出波形為調(diào)器前端都需經(jīng)過一個帶通濾波器，其輸出波形為2cos1( )00cASKAtet發(fā)送 時發(fā)送 時cos( )1( )( )0ciiiatn ty tn t發(fā)送 時發(fā)送 時時發(fā)送時發(fā)送0)(1)(cos)(tntntat

8、yc通 信 原 理19 為經(jīng)過帶通濾波器后的噪聲，為一個窄帶高斯白噪聲為經(jīng)過帶通濾波器后的噪聲，為一個窄帶高斯白噪聲)(tnittnttntncsccisin)(cos)()(則有則有時發(fā)送時發(fā)送0,sin)(cos)(1,sin)(cos)(cos)(ttnttnttnttntatycscccsccci通 信 原 理20由由 表達式可知經(jīng)包絡(luò)檢波和低通濾器的輸出包絡(luò)為表達式可知經(jīng)包絡(luò)檢波和低通濾器的輸出包絡(luò)為 發(fā)送發(fā)送1 1碼的包絡(luò)函數(shù)為正弦波加窄帶隨機過程包絡(luò)，其分布服碼的包絡(luò)函數(shù)為正弦波加窄帶隨機過程包絡(luò)，其分布服從從RiceRice分布；發(fā)送分布；發(fā)送0 0碼的包絡(luò)函數(shù)為窄帶隨機過程包

9、絡(luò)，其分碼的包絡(luò)函數(shù)為窄帶隨機過程包絡(luò)，其分布服從瑞利分布。布服從瑞利分布。2222( )( )1( )( )( )0cscsan tntV tntnt發(fā)送 時發(fā)送 時)(tyinnnavavIvvf22220212exp)()(nnvvvf22202exp)(式中式中 的方差。的方差。)(2tnn為v包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能通 信 原 理21瑞利分布萊斯分布通 信 原 理22 抽樣判決器對輸出包絡(luò)函數(shù)進行判決，設(shè)判決門限電平為抽樣判決器對輸出包絡(luò)函數(shù)進行判決，設(shè)判決門限電平為b b，（1 1）當發(fā)送為）當發(fā)送為“1 1”碼，判決為碼，判決為“0 0”碼的差錯概率為碼的差錯概率

10、為11122222()( )1( )() 1()exp2beobobnnnPP vbf v dvf v dvvavvaIdv 為計算上式積分值，引入特殊函數(shù)為計算上式積分值，引入特殊函數(shù)Q Q函數(shù)（函數(shù)（MarcumMarcum函數(shù)），該函數(shù)定函數(shù)），該函數(shù)定義為義為則有則有220()( ,)()exp2tQtItdt 11(,)1( 2 ,)eonnabPQQr b 式中，式中， 為信號與噪聲的平均功率之比，稱為信噪比。而為信號與噪聲的平均功率之比，稱為信噪比。而 為歸一化門限值。為歸一化門限值。222narnobb通 信 原 理23（2 2）同理，當發(fā)送）同理，當發(fā)送“0 0”碼時，判決為

11、碼時，判決為“1 1”的差錯概率為的差錯概率為 系統(tǒng)總誤碼率為系統(tǒng)總誤碼率為 當當 時，時，bbnnboeoevvvvfbvPP222222)2exp()()(20212)0(),2(1) 1 ()0() 1 (obeeeepbrQPppppp21)0() 1 ( pp20221),2(121obeebrQP通 信 原 理24 最佳判決門限最佳判決門限b*： 10*fbfb 2022*ln2nnaa brI r 1(大信噪比大信噪比)：*2ab r 1(小信噪比小信噪比)：22221*42nnaa br 2*2nb 0*2b 或或0/ 2nbbr 或或222*2nnaa br 通 信 原 理2

12、5采用包絡(luò)檢波的系統(tǒng)通常工作在大信噪比情況下，采用包絡(luò)檢波的系統(tǒng)通常工作在大信噪比情況下，最佳門限取最佳門限取再利用再利用Q函數(shù)特性，當函數(shù)特性，當 時時則則當當 ；故上式中；故上式中 時時11，2/44111( 2,)exp()222112/ 2111 11()()2224222eorrbPQr brrrerfceerfce0)(xerfcx時r4/21reeP/ 2r11()12222Qerfcerfc -，通 信 原 理26BPF相乘器相乘器LPF抽樣抽樣判決器判決器定時脈沖定時脈沖輸入輸入輸出輸出tccos( )iyt)(txv相干解調(diào)法的系統(tǒng)性能相干解調(diào)法的系統(tǒng)性能時發(fā)送時發(fā)送0,s

13、in)(cos)(1,sin)(cos)(cos)(ttnttnttnttntatycscccsccci( )( )cos( )1(1 cos2)( )sin2,122( )10(1 cos2)( )sin2,22icccscccscx ty ttan ttn ttn ttn tt發(fā)“”時發(fā)“ ”時通 信 原 理27系數(shù)系數(shù)1/2由電路中的增益來加以補償，則抽樣判決輸入波形為由電路中的增益來加以補償，則抽樣判決輸入波形為由于由于 是高斯過程，因此當發(fā)送是高斯過程，因此當發(fā)送“1”時，過程時，過程 的一維的一維概率密度為概率密度為 時發(fā)送時發(fā)送0)(1)()(tntnatxcc)(tnc)(tn

14、ac2121()( )exp22nnxaf x，發(fā)送1時通 信 原 理28發(fā)送發(fā)送“0”時，時， 的一維概率密度為的一維概率密度為令判決門限電平值為令判決門限電平值為b，則發(fā)送碼元，則發(fā)送碼元1錯判為錯判為0的概率為的概率為 發(fā)送發(fā)送0碼錯判為碼錯判為1碼的概率為碼的概率為bbneaberfcdxxfdxxfP)2(211)(1)(111)(tnc2021()( )exp022nnxfx，發(fā)送 時bneberfcdxxfP)2(21)(02通 信 原 理29系統(tǒng)總誤碼率為系統(tǒng)總誤碼率為21)0() 1 (eeePPPPP在發(fā)送碼元在發(fā)送碼元1和和0概率相等情況下概率相等情況下)2(41)2(2

15、1121)0() 1 (21nneeeberfcaberfcppppp由由可確定最佳門限電平可確定最佳門限電平 或最佳歸一化門限電平或最佳歸一化門限電平*/ 2ba*/2obr*10()()f bf b通 信 原 理30利用關(guān)系利用關(guān)系 之后，之后，得到得到2ASK系統(tǒng)總誤碼率為系統(tǒng)總誤碼率為 當當 時，有時，有 ，于是上式變?yōu)?，于是上式變?yōu)?)(2)(,2,2/*xerfcxerfcrarbbnn221rerfcpe21)(xexxerfc/41reper1r 4/21reeP通 信 原 理312FSK：用二進制數(shù)字基帶信號去控制正弦：用二進制數(shù)字基帶信號去控制正弦載波的載頻。載波的載頻?！?/p>

16、1”碼和碼和“0”碼對應(yīng)的載波頻率分別是碼對應(yīng)的載波頻率分別是f 1和和f 2通 信 原 理32v2FSK波形波形原始信息原始信息ttt2ASK2FSK通 信 原 理33v2FSK表達式表達式t2FSK可分可分解成解成tt可見可見2FSK可看作是可看作是2個個2ASK信信號之和號之和tnTtgann1scos )(tnTtgann2scos )(通 信 原 理34v2FSK表達式表達式2FSKs1s2( )()cos()cosnnnneta g tnTta g tnTt通 信 原 理35v2FSK的調(diào)制的調(diào)制直接調(diào)制法直接調(diào)制法通 信 原 理36v鍵控法：相位不連續(xù)的鍵控法：相位不連續(xù)的2FS

17、K信號信號 11222( )cos2,0( )cos2，F(xiàn)SKss tAf tsttTs tAf t “1”“0”12,2cfff 122fff 12( )cos2,0( )cos2，cscs tAff ttTs tAff t 定義定義通 信 原 理37v模擬調(diào)頻法：相位連續(xù)的模擬調(diào)頻法：相位連續(xù)的2FSK信號信號2FSK( )cos2( )tcfstAtkbd Re( )cjtv t e ( )( )jtv tAe ( )2( )tftkbd 復(fù)包絡(luò)：復(fù)包絡(luò)：通 信 原 理38v間接調(diào)制法間接調(diào)制法12反相器門電路1Acos(1t+1)As(t)cos(1t+1)門電路2Acos(2t+2)

18、s(t)2FSK信號(a)taks(t)t1011001tAcos(1t+1)基帶信號輸入)+cos( )(22ttsA )(ts )(ts通 信 原 理39v間接調(diào)制法間接調(diào)制法tAcos(2t+2)tAs(t)cos(1t+1)tt2FSK信號(b)+cos( )(22ttsA通 信 原 理40v2FSK的解調(diào)的解調(diào)相干解調(diào)相干解調(diào)非相干解調(diào)非相干解調(diào)包絡(luò)檢波法包絡(luò)檢波法過零檢測法過零檢測法通 信 原 理41v2FSK相干解調(diào)法相干解調(diào)法帶通濾波器乘法器低通濾波器帶通濾波器乘法器低通濾波器cos1tyi(t)抽樣判別器cos2t輸入21y1(t)y2(t)z1(t)z2(t)v2(t)v1

19、(t)抽樣脈沖輸出)(ts通 信 原 理42v2FSK包絡(luò)檢波法包絡(luò)檢波法(非相干解調(diào)非相干解調(diào))通 信 原 理43v2FSK過零檢測法過零檢測法(非相干解調(diào)非相干解調(diào))通 信 原 理44v2FSK的功率譜密度的功率譜密度ttsttsteteteFSK21212cos)(cos)()()()(12ASK以為載波的22ASK以為載波的1111222211( )()()()()44EssssPfPffPffPffPff)()()()(161)()(sin)()(sin)()(sin)()(sin16)(2211222222211211ffffffffTffTffTffTffTffTffTffTff

20、TfPsssssssssE1和和0等概時等概時通 信 原 理45 fbO fb f Pg( f )(a) f2 f1Ofbf1 f2 f1f2fb f(b) PFSK( f )基帶信號功基帶信號功率譜密度率譜密度通 信 原 理46)( fpEsf8 .0sf20fsff 0sff 0sff20sff202210fff通 信 原 理47221212| 2| 2FSKsBFSKBfffffR信號帶寬為22211()| 22BBFSKFSKBRRBaudBffRHz通 信 原 理48v最小頻率間隔最小頻率間隔0bfR 02bfR 0bfR 02bfR 2bR0.8bR在原理上，若兩個信號互相正交，就

21、可以把在原理上，若兩個信號互相正交，就可以把它完全分離它完全分離 。通 信 原 理49v2FSK信號為信號為為了滿足正交條件，要求為了滿足正交條件，要求 ：即即上式積分結(jié)果為：上式積分結(jié)果為：假設(shè)假設(shè) ，上式第，上式第1和和3項近似等于零，則項近似等于零，則”時當發(fā)送“”時當發(fā)送“0)cos(1)cos()(0011tAtAts11000cos() cos()0sTttdt1010101001cos() cos()02sTttdt10101010101010101010sin()sin()sin()sin()0()()ssTT10101010cos()sin()sin()cos()10ssTT

22、101通 信 原 理50由于由于 1和和 0是任意常數(shù)，只能采用非相干解調(diào)，故必須同時有是任意常數(shù)，只能采用非相干解調(diào)，故必須同時有和和即即和和式中，式中，n和和m均為整數(shù)。均為整數(shù)。 則則所以，當取所以，當取m = 1時是最小頻率間隔，它等于時是最小頻率間隔，它等于1 / Ts。對于相干接收，可令對于相干接收，可令于是，式于是，式化簡為：化簡為： 因此，要求滿足：因此，要求滿足：即，最小頻率間隔等于即，最小頻率間隔等于1 / 2 Ts 。10sin()0sT10cos()1sT10()sTn10()2sTm10()2sTm10/sffm T00110sin()0sT10/ 2sffnT101

23、01010cos()sin()sin()cos()10ssTT通 信 原 理51v2FSK的抗噪聲性能的抗噪聲性能BPF包絡(luò)包絡(luò)檢波器檢波器抽樣抽樣判決器判決器抽樣脈沖抽樣脈沖輸入輸入輸出輸出BPF包絡(luò)包絡(luò)檢波器檢波器12非相干解調(diào)非相干解調(diào)( )y t通 信 原 理52BPF相乘器相乘器LPF抽樣抽樣判決器判決器抽樣脈沖抽樣脈沖輸出輸出t1cosBPF相乘器相乘器LPFt2cos輸入輸入12)(2tx)(1tx相干解調(diào)相干解調(diào)通 信 原 理53時發(fā)送時發(fā)送0),( 1 ),()(01tututsTTTtTttAtusT其他, 00,cos)(11tTttAtusT其他, 00,cos)(20

24、通過帶通濾波器后其輸出端的波形通過帶通濾波器后其輸出端的波形時發(fā)送時發(fā)送0),()( 1 ),()()(2011tntutntutyRRtTttatusR其他, 00,cos)(11tTttatusR其他, 00,cos)(20n1(t)、 n2(t)是一個窄帶高斯過程是一個窄帶高斯過程v2FSK性能分析建模性能分析建模通 信 原 理54假設(shè)假設(shè) 時間內(nèi)所發(fā)送的碼元為時間內(nèi)所發(fā)送的碼元為“1”（對應(yīng)（對應(yīng)1），則這），則這時送入抽樣判決器的兩路輸入包絡(luò)信號分別為時送入抽樣判決器的兩路輸入包絡(luò)信號分別為發(fā)送發(fā)送0碼元時兩包絡(luò)信號分別為碼元時兩包絡(luò)信號分別為由上面由上面4個式子相比較可以看出，所得

25、的誤碼率具有完全相個式子相比較可以看出，所得的誤碼率具有完全相同的結(jié)果同的結(jié)果 ，因此只需要計算發(fā)送碼元，因此只需要計算發(fā)送碼元1時的誤碼率時的誤碼率即可。即可。0,sT（）12eeppv包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能)()()(22111tntnatVsc)()()(22222tntntVsc22222( )( )( )scV ta n tn t12211( )( )( )scV tn tn t通 信 原 理55V1(t)包絡(luò)一維概率密度函數(shù)服從包絡(luò)一維概率密度函數(shù)服從廣義瑞利廣義瑞利分布分布.V2(t)包絡(luò)一維概率密度函數(shù)服從包絡(luò)一維概率密度函數(shù)服從瑞利瑞利分布。分布。 當當 V

26、1(t)的取樣值的取樣值V1小于小于V2(t)的取樣值的取樣值V2時，則發(fā)生判決錯誤，時，則發(fā)生判決錯誤，其錯誤概率為其錯誤概率為211121122210/2()()()12eVVrPP VVf Vf V dVdVe當發(fā)送當發(fā)送“0”碼，錯誤概率也為碼，錯誤概率也為2/221reeP2FSK接收系統(tǒng)總誤碼率接收系統(tǒng)總誤碼率2/21reeP通 信 原 理56v相干解調(diào)的系統(tǒng)性能相干解調(diào)的系統(tǒng)性能 接收的接收的2FSK信號經(jīng)與相干載波相乘，并經(jīng)低通濾波，信號經(jīng)與相干載波相乘，并經(jīng)低通濾波，輸入到判決器的兩路信號在碼元輸入到判決器的兩路信號在碼元1時為時為在碼元為在碼元為0時為時為 因為因為 分別是

27、窄帶高斯過程的正弦分量，所以分別是窄帶高斯過程的正弦分量，所以 也是高斯過程。也是高斯過程。 )()()()(2211tntxtnatxcc)()()()(2211tnatxtntxcc12( )( )ccntnt和12( )( )x tx t和通 信 原 理57 發(fā)送發(fā)送“1”碼時，抽樣判決器對兩路信號的判決只需碼時，抽樣判決器對兩路信號的判決只需比較它們抽樣值的大小，若抽樣值比較它們抽樣值的大小，若抽樣值 則判為則判為1碼，反碼，反之則判為之則判為0碼。若碼。若 則誤判為則誤判為0碼，故誤碼率碼，故誤碼率令令 也是高斯變量，且均值為也是高斯變量，且均值為，方差，方差為為 ，該，該 為為于是

28、于是z的一維概率度為的一維概率度為21xx 21xx )0()()(2121211ccccennapnnapxxppznnazcc則,212zz2222121221222)()(2)()()(nccccccznEnnEnEnnEzzzzazzf222exp21)(通 信 原 理581碼誤碼率為碼誤碼率為由于由于 ，在發(fā)送碼元，在發(fā)送碼元1和和0等概率條件下，即等概率條件下，即 于是于是2FSK系統(tǒng)總誤碼率為系統(tǒng)總誤碼率為在大信噪比條件下，上式簡化為在大信噪比條件下，上式簡化為2121()1()( )()2222ooezzzzarpp zof z dzexpdzerfc 12eepp(1)(0)

29、1/2pp1()22erperfc221reerp221rerfcpe4/21reeP通 信 原 理59v2FSK系統(tǒng)性能高于系統(tǒng)性能高于2ASK的本質(zhì)原因的本質(zhì)原因以以“比較判決比較判決”取代門限判決取代門限判決以發(fā)以發(fā)“1”（高電平）、包絡(luò)檢波為例（高電平）、包絡(luò)檢波為例門限判決（如門限判決（如2ASK）比較判決（如比較判決（如2FSK）At2/AAt第第1路輸出路輸出第第2路輸出路輸出噪聲噪聲容限容限噪聲噪聲容限容限通 信 原 理60v可以證明：可以證明： 比較判決比較判決比比門限判決門限判決相當于把信噪比提高了相當于把信噪比提高了1倍倍非相干解調(diào)時非相干解調(diào)時相干解調(diào)時相干解調(diào)時24e

30、21e2122 .rrFSKeP2erfc2122erfc212 .rrPFSKe通 信 原 理61v2PSK波形波形原始信息原始信息tt2PSKt載波載波100110通 信 原 理62v2PSK表達式表達式從上圖可以看出從上圖可以看出2PSK可以看作是可以看作是雙極性雙極性數(shù)字數(shù)字基帶信號與載波直接相乘的結(jié)果基帶信號與載波直接相乘的結(jié)果tnTtgaennPSKcs2cos)(PPan1, 1, 1出現(xiàn)概率出現(xiàn)概率為其中通 信 原 理63s(t)（BNRZ）2PSKtccoss(t)（NRZ）tccos180電子開關(guān)電子開關(guān)2PSK模擬調(diào)制法模擬調(diào)制法鍵控法鍵控法100110信息代碼信息代碼c

31、osct 2PSKcosct 2PSKv2PSK的調(diào)制的調(diào)制通 信 原 理64v2PSK的解調(diào)的解調(diào))(2tePSKtccos低通濾波低通濾波抽樣判決抽樣判決通 信 原 理65v2PSK的相位模糊現(xiàn)象的相位模糊現(xiàn)象an10112PSK信號本地載波z(t)tttttx(t)ttt1000定時脈沖抽樣值10112PSK信號本地載波z(t)tttttx(t)ttt1011定時脈沖抽樣值(b)(c)nanaan通 信 原 理66v2DPSK波形波形t2PSKt載波載波100110t2DPSK初始相位初始相位通 信 原 理67v差分編碼與差分編碼與2DPSK的關(guān)系的關(guān)系100110t差分編碼差分編碼初始

32、電平初始電平000110t差分編碼后差分編碼后的的2PSK就是原碼的就是原碼的2DPSK“絕對碼絕對碼”“相對碼相對碼”通 信 原 理68v2DPSK的調(diào)制的調(diào)制帶通濾波器cosct輸出an(a)差分編碼器極性變換器bn2DPSK信號絕絕對對碼碼相相對對碼碼2PSK調(diào)制調(diào)制1nnnbab通 信 原 理69v2DPSK的解調(diào)的解調(diào)相干解調(diào)相干解調(diào)先對先對2DPSK進行進行2PSK解調(diào)，得到相對碼，再進解調(diào)，得到相對碼，再進行差分譯碼，得到絕對碼行差分譯碼，得到絕對碼差分相干解調(diào)差分相干解調(diào)采用延時和乘法器電路，使前后波形相同和不同采用延時和乘法器電路，使前后波形相同和不同時，輸出的結(jié)果不同，從而

33、實現(xiàn)直接解調(diào)，無須時，輸出的結(jié)果不同，從而實現(xiàn)直接解調(diào)，無須進行差分譯碼進行差分譯碼通 信 原 理70v2DPSK的相干解調(diào)的相干解調(diào))(2teDPSKtccost低通濾波低通濾波抽樣判決抽樣判決t2DPSKt載波載波000110(1)10差分譯碼差分譯碼0101100110通 信 原 理71v差分譯碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)差分譯碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1nnnabb通 信 原 理72v2DPSK的差分相干解調(diào)的差分相干解調(diào))(2teDPSK延遲延遲Tst2DPSK2DPSK延遲延遲Tst低通濾波低通濾波抽樣判決抽樣判決(低電平判低電平判1)100101t100110通 信 原 理73DPSK信號的功率譜密度與信

34、號的功率譜密度與2PSK信號相同信號相同通 信 原 理74v2PSK和和2DPSK可看作是可看作是“雙極性不歸零碼雙極性不歸零碼”與載波相乘的結(jié)果，所以與載波相乘的結(jié)果，所以)()(41)(cscs2(D)PSKffPffPfP型的功率譜是雙極性不歸零基帶碼其中)(sfP22( )()sssP fA T SafT通 信 原 理752222(D)PSK( )Sa ()()4scscsA TPfff TSaff Tf2(D)PSK的功率譜的功率譜2sBf雙極性不歸零碼的功率譜雙極性不歸零碼的功率譜通 信 原 理762()PSK22DsBBfR從功率譜圖中可看出2()PSK2()1()22BBDD

35、PSKBRRBaudBRHz頻帶利用率通 信 原 理77v2PSK相干解調(diào)性能相干解調(diào)性能參照參照2ASK系統(tǒng)相干解調(diào)并假設(shè)判決門限電為系統(tǒng)相干解調(diào)并假設(shè)判決門限電為0電平，則在一電平，則在一個碼元持續(xù)時間內(nèi)，可直接寫出低通濾器輸出波形個碼元持續(xù)時間內(nèi)，可直接寫出低通濾器輸出波形它們的一維概率密度是分布在它們的一維概率密度是分布在 兩邊的完全對稱的高斯分兩邊的完全對稱的高斯分布，均值分別為布，均值分別為和和-，方差均為，方差均為 。當發(fā)送當發(fā)送1碼時若判決值碼時若判決值 時，將發(fā)生時，將發(fā)生“1”判為判為“0”的錯誤，的錯誤，其錯誤概率其錯誤概率Pe1為為同理，將同理，將“0”判為判為“1”的

36、錯誤概率為的錯誤概率為 碼發(fā)送碼發(fā)送0,)(1,)()(tnatnatxcc0 x2n0 x)0(1xppe)0(2xppe通 信 原 理78因為因為 ，只求，只求 即可即可式中式中 。 因為因為 ，故，故2PSK信號極性比較法解調(diào)時系統(tǒng)總誤信號極性比較法解調(diào)時系統(tǒng)總誤碼率為碼率為在大信噪比情況下在大信噪比情況下12eepp1eponnererfcdxaxp)(212)(exp21221222nar21eepp)(21rerfcpereerp21通 信 原 理79v2DPSK差分相干解調(diào)性能差分相干解調(diào)性能通 信 原 理80差分檢測與同步檢測重要區(qū)別在于前者的參考信號不再像后差分檢測與同步檢測

37、重要區(qū)別在于前者的參考信號不再像后者那樣具有固定的載頻和相位，此時它是受到加性噪聲干擾者那樣具有固定的載頻和相位，此時它是受到加性噪聲干擾的。因此，設(shè)在一個碼元時間內(nèi)發(fā)送的是的。因此，設(shè)在一個碼元時間內(nèi)發(fā)送的是1碼，且令前一個碼，且令前一個碼元也為碼元也為1碼，則在鑒相器輸入的兩路波形為碼，則在鑒相器輸入的兩路波形為式中式中 為無遲延支路波形，為無遲延支路波形， 為遲延支路波形。理想鑒相為遲延支路波形。理想鑒相器為相乘器為相乘-低通濾波器，則輸出為低通濾波器，則輸出為對對 進行抽樣判決，進行抽樣判決， 判為判為0碼，碼， 判為判為1碼碼 錯判錯判111222( )( ) cos( )sin(

38、)( ) cos( )sinccscccscy tanttntty tanttntt)(1ty2( )y t)()()()(21)(2121tntntnatnatxsscc)(tx0 x0 x通 信 原 理81利用恒等式利用恒等式則發(fā)送相對碼則發(fā)送相對碼11碼時，將碼時，將11碼錯判為絕對碼碼錯判為絕對碼1碼的概率為碼的概率為設(shè)設(shè)則有則有因為因為 均為高斯變量，由以前討論可知均為高斯變量，由以前討論可知 服從廣義服從廣義瑞利分布，瑞利分布， 服從瑞利分布，其概率密度分別為服從瑞利分布，其概率密度分別為 2212212212212121)()()()(41yyxxyyxxyyxx0)()()()

39、2(0)()0(2212212222121211sscsssscssccennnnnnnnapnnnanapxpp222211212212122() ,()ccssccssRannnnRnnnn)(211RRppessccnnnn2121,1R2R1221110222222222(4)()()exp24()exp()24nnnnnRaRaRf RIRRf R通 信 原 理82可得可得同理同理“1”錯判為錯判為“0”的概率的概率因此，因此，2DPSK系統(tǒng)相位比較法總誤碼率為系統(tǒng)相位比較法總誤碼率為21112121221111222()()()(24)1 ()exp242eoRRoonnnPP R

40、Rf Rf RdRRaRRaIdRe12eeppreep21通 信 原 理83對于對于2DPSK信號的解調(diào)還可以采用極性比較法，與信號的解調(diào)還可以采用極性比較法，與2PSK信號信號極性比較法不同的就是在極性比較法不同的就是在2PSK解調(diào)后再加一個碼反變換器。因解調(diào)后再加一個碼反變換器。因此，此，2DPSK極性比較法的誤碼率應(yīng)在極性比較法的誤碼率應(yīng)在2PSK信號極性比較法的信號極性比較法的基礎(chǔ)上再考慮碼反變換器所造成的誤碼率?；A(chǔ)上再考慮碼反變換器所造成的誤碼率。v2DPSK相干解調(diào)性能相干解調(diào)性能通 信 原 理84解調(diào)方法：解調(diào)方法：先用相干檢測法解調(diào)然后將所得的相對碼轉(zhuǎn)換成所需的絕對碼。先用

41、相干檢測法解調(diào)然后將所得的相對碼轉(zhuǎn)換成所需的絕對碼。碼變換器輸出的誤碼情況：碼變換器輸出的誤碼情況：碼變換器輸出的每一個碼元是由輸入的兩個相鄰碼元決定的。碼變換器輸出的每一個碼元是由輸入的兩個相鄰碼元決定的。若兩相鄰碼元若兩相鄰碼元相同相同時，則輸出為時，則輸出為“0”；若兩個相鄰碼元若兩個相鄰碼元不同不同時，則輸出為時，則輸出為“1”.輸出數(shù)字為相鄰輸入數(shù)字的輸出數(shù)字為相鄰輸入數(shù)字的模模2和和。通 信 原 理85若相干檢測輸出中有一個碼元錯誤，則在碼變換器輸出中將引起兩個相鄰碼元錯誤若相干檢測輸出中有一個碼元錯誤，則在碼變換器輸出中將引起兩個相鄰碼元錯誤若相干檢測輸出中有兩個相繼的錯碼，則在

42、碼變換器輸出起兩個碼元錯誤若相干檢測輸出中有兩個相繼的錯碼，則在碼變換器輸出起兩個碼元錯誤若輸出中出現(xiàn)一長串連續(xù)錯碼，則在碼變換器輸出中仍引起兩個碼元錯誤若輸出中出現(xiàn)一長串連續(xù)錯碼，則在碼變換器輸出中仍引起兩個碼元錯誤通 信 原 理86令令Pn表示一串表示一串n個碼元連續(xù)錯誤這一事件出現(xiàn)的概率，個碼元連續(xù)錯誤這一事件出現(xiàn)的概率，碼變換器輸出的誤碼率為碼變換器輸出的誤碼率為nePPPP22221出現(xiàn)一串出現(xiàn)一串n個碼元連續(xù)錯誤這一事件，必然是個碼元連續(xù)錯誤這一事件，必然是“n個碼元同時出個碼元同時出錯與在該一串錯碼兩端都有一碼元不錯錯與在該一串錯碼兩端都有一碼元不錯”同時發(fā)生的事件。同時發(fā)生的事

43、件。nenePPP2)1 ( eeeeeneeePPPPPPPPPPPeee)1 (211)1 (2)()1 (22322碼變換器總是使誤碼率增加，增加的系數(shù)為碼變換器總是使誤碼率增加，增加的系數(shù)為)1 (2eeePPP通 信 原 理87若若Pe很小，則有很小，則有2eePP若若Pe很大，以致使很大，以致使Pe1/2,則有則有1eePP則得到采用極性比較法檢測二進制相對移相信號時的系統(tǒng)誤碼則得到采用極性比較法檢測二進制相對移相信號時的系統(tǒng)誤碼率為率為211erf1erf1erf22ePcrcrr)(21rerfcpe通 信 原 理88v從另一個角度看從另一個角度看2PSK和和2DPSK抗噪性能

44、抗噪性能2PSK是由雙極性碼乘以載波得到的，峰峰值是是由雙極性碼乘以載波得到的，峰峰值是2ASK的的2倍，故信號功率是倍，故信號功率是2ASK的的4倍，即信噪比提高到倍，即信噪比提高到原來的原來的4倍倍rrPPSKeerfc2124erfc212 .通 信 原 理89v2DPSK差分相干解調(diào)差分相干解調(diào))()()()()(2121tntntnAtnAtxsscc在噪聲功率較小時，上式近似等于在噪聲功率較小時，上式近似等于2ASK包絡(luò)檢波時，輸出包絡(luò)包絡(luò)檢波時，輸出包絡(luò)的平方，而的平方，而2DPSK是雙極性的，故相當于信噪比提高到是雙極性的，故相當于信噪比提高到2ASK（非相干解調(diào)）的（非相干解

45、調(diào)）的4倍倍rDPSKerPe21e214.2 .4差分相干通 信 原 理90v頻帶寬度（有效性）頻帶寬度（有效性）2FSK2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度近似為系統(tǒng)的頻帶寬度近似為若傳輸?shù)拇a元時間寬度為若傳輸?shù)拇a元時間寬度為T Ts s，則，則2ASK2ASK系統(tǒng)和系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)2PSK(2DPSK)系統(tǒng)的系統(tǒng)的頻帶寬度近似為頻帶寬度近似為2/T2/Ts s，即，即 222OOKPSKssBBfT221222FSKBsBfffRT BFSKBDRffBRBBB2|2122PSK2PSK2ASK2FSK2PSK2PSK2ASK2)(21HzBaudD通 信 原 理91v誤碼率（可靠性）誤碼

46、率（可靠性）誤碼率誤碼率相干解調(diào)相干解調(diào)非相干解調(diào)非相干解調(diào)OOK2FSK2PSKDPSK4/21reeP221rerfcpe/212repe1()22eperfc)(21rerfcpereep212)(121rerfcpe通 信 原 理92通 信 原 理93v對信道特性變化的敏感性對信道特性變化的敏感性最佳判決門限對信道特性的變化是否敏感。最佳判決門限對信道特性的變化是否敏感。a)在在2FSK系統(tǒng)中，不需要設(shè)置判決門限。系統(tǒng)中，不需要設(shè)置判決門限。b)在在2PSK系統(tǒng)中，判決器的最佳判決門限為零，系統(tǒng)中，判決器的最佳判決門限為零，與接收機輸入信號的幅度無關(guān)。與接收機輸入信號的幅度無關(guān)。c)在

47、在OOK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限為系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限為a/2(當當P(l)P(0)時時),與接收機輸入信號的幅度有關(guān)。與接收機輸入信號的幅度有關(guān)。通 信 原 理94v設(shè)備的復(fù)雜程度設(shè)備的復(fù)雜程度對于對于2ASK、2FSK及移相鍵控三種方式來說，發(fā)送端設(shè)備及移相鍵控三種方式來說，發(fā)送端設(shè)備復(fù)雜程度相差不多，接收端的復(fù)雜程度則與所選用的調(diào)制復(fù)雜程度相差不多，接收端的復(fù)雜程度則與所選用的調(diào)制和解調(diào)方式有關(guān)。對于同一種調(diào)制方式，相干解調(diào)的設(shè)備和解調(diào)方式有關(guān)。對于同一種調(diào)制方式，相干解調(diào)的設(shè)備要比非相干解調(diào)時復(fù)雜；而同為非相干解調(diào)時，要比非相干解調(diào)時復(fù)雜；而同為非相干解調(diào)時，2DPSK的的設(shè)備

48、最復(fù)雜，設(shè)備最復(fù)雜，2FSK次之，次之，2ASK最簡單。最簡單。通 信 原 理952/16進制變換進制變換速率是速率是Rs =4符號符號/s速率是速率是Rs =1符號符號/ss s脈寬脈寬1 1s s通 信 原 理96 ts tr通 信 原 理97vMASK波形波形（以（以4ASK為例）為例）(a) 基帶多電平單極性不歸零信號基帶多電平單極性不歸零信號(b) MASK信號信號0010110101011110000t0t0101101010111100000101101010111100000t00000t01011010101111(c) 基帶多電平雙極性不歸零信號基帶多電平雙極性不歸零信號(

49、d) 抑制載波抑制載波MASK信號信號( )() cosnscne tb g tnTt1,121021321MMnPPPPMPPPb概率為概率為概率為概率為通 信 原 理98vMASK信號分解信號分解1211222() cos() cos, () cos0,1,0,11,0,1nscnnscnMnscnnnMMnMc g tnTtc g tnTtcg tnTtcPPcPPcP概率為概率為概率為式中概率為概率為通 信 原 理99vMASK功率譜功率譜fcf的功率譜)(1te的功率譜)(2te的功率譜)(3tecsffcsff2MASKsBf通 信 原 理100ASK22MsBBfR從功率譜圖中可

50、看出BBMASKbbRMRBR2log2所以其頻帶利用率2log()2M bitHz通 信 原 理101vMASK的調(diào)制和解調(diào)的調(diào)制和解調(diào)調(diào)制調(diào)制與與2ASK原理完全相同，只不過輸入的原理完全相同，只不過輸入的s(t)是多是多電平信號罷了。電平信號罷了。解調(diào)解調(diào)與與2ASK解調(diào)基本一樣，只是最后判決的時候解調(diào)基本一樣，只是最后判決的時候需要多個判決門限需要多個判決門限由于判決門限多而且不確定（與信道衰減程度由于判決門限多而且不確定（與信道衰減程度有關(guān)），所以有關(guān)），所以MASK在實際中很少應(yīng)用在實際中很少應(yīng)用通 信 原 理102vMASK的抗噪聲性能的抗噪聲性能設(shè)發(fā)送端設(shè)發(fā)送端L電平的基帶碼元

51、的振幅位電平的基帶碼元的振幅位d, 3d,(L-1)d,相鄰相鄰電平振幅的距離為電平振幅的距離為2d。該基帶信號經(jīng)線性調(diào)制后，發(fā)送波形為該基帶信號經(jīng)線性調(diào)制后，發(fā)送波形為電平時發(fā)送電平時發(fā)送電平時發(fā)送dLtudtudtutsLT) 1()(3)()()(2/21tTttdLtutTttdtutTttdtuscLscsc其他其他其他00cos) 1()(00cos3)(00cos)(2/21通 信 原 理103假定信道不使假定信道不使sT(t)產(chǎn)生任何畸變，接收端輸入理想帶通濾波器，產(chǎn)生任何畸變，接收端輸入理想帶通濾波器，帶通濾波器輸出的波形為帶通濾波器輸出的波形為電平時發(fā)送電平時發(fā)送電平時發(fā)送

52、dLtntudtntudtntutyL) 1()()(3)()()()()(2/21n(t)窄帶高斯過程窄帶高斯過程設(shè)采用同步檢測法，在抽樣判決器輸入端得到的波形為設(shè)采用同步檢測法，在抽樣判決器輸入端得到的波形為)()()(tntVtxckVk(t)第第k個電平對應(yīng)的信號，個電平對應(yīng)的信號， k =1,2,Lnc(t) 窄帶高斯過程窄帶高斯過程n(t)的同相分量。的同相分量。到達抽樣判決器之前的可能電平為到達抽樣判決器之前的可能電平為d, 3d,(L-1)d ，抽樣判決器的門限電平選擇在抽樣判決器的門限電平選擇在0,2d, 4d,(L-2)d 。當抽樣值當抽樣值x=Vk+nc中的噪聲值中的噪聲

53、值.,個碼元將會判錯第時kdnc通 信 原 理104BPFLPF抽樣判決抽樣判決A(t)A(t)tccostccosx(t)ddd3d3d2d2dL) 2( dL) 2( dL)1(dL) 1( )()()(tntVtxck門限電平門限電平對于電平等于對于電平等于(L-1)d 的兩個外的兩個外層電平碼元，噪聲值僅在一個方層電平碼元，噪聲值僅在一個方向超過向超過d時才會產(chǎn)生錯誤判決。時才會產(chǎn)生錯誤判決。.,個碼元將會判錯第時kdnc通 信 原 理105當發(fā)送當發(fā)送L個電平等概發(fā)送，多電平調(diào)制系統(tǒng)總的誤碼率為個電平等概發(fā)送，多電平調(diào)制系統(tǒng)總的誤碼率為22/222 1()()211()112(1)2

54、1(1)()2neccctdnnLPP ndP ndLLP ndLedtLderfcL通 信 原 理1062/222121 (21) / 26LsmLpdmdL信號功率信號功率2261spdL1/2213(1)()1eperfcrLL2snpr通 信 原 理107vMFSK波形（以波形（以4FSK為例）為例）t4FSK302130通 信 原 理108vMFSK的調(diào)制的調(diào)制二二進進制制111113-8譯碼器譯碼器10012ASK開關(guān)電路開關(guān)電路無信號無信號無信號無信號fm信號信號fm信號信號通 信 原 理109vMFSK的解調(diào)的解調(diào)濾除帶外噪聲濾除帶外噪聲與與2FSK原理一樣，只不過變成多路原理

55、一樣，只不過變成多路8-3編碼器編碼器fm信號信號無信號無信號無信號無信號fm信號信號001111111通 信 原 理110vMFSK的功率譜和帶寬的功率譜和帶寬1ffm1| 2MFSKmsBfff從圖中可以看出| 2MFSKHLsBfff也可以寫成通 信 原 理111vMFSK的頻帶利用率的頻帶利用率則的主瓣都恰好不重疊假設(shè),.,21mfff1(1)2msffmf12(1)msffmf即2(1)22MFSKsssBmffmf2.log2bBb MFSKMFSKsRRMBmf,sBmM fR22.loglog22b MFSKb MASKMMM通 信 原 理112非相干非相干MFSK相干相干MF

56、SKMFSK誤碼率公式誤碼率公式1()()22eMrperfc21()2reMpevMFSK的抗噪性能的抗噪性能通 信 原 理113v多進制數(shù)字相位調(diào)制的原理多進制數(shù)字相位調(diào)制的原理M(=2K)種相位可以用來表示種相位可以用來表示K比特碼元的比特碼元的2K種狀態(tài)，種狀態(tài)，M相調(diào)制波形為相調(diào)制波形為tkTtgbtkTtgatkTtgteckskckskkckssin)(cos)(cos)()(0cos,sinkkkkkab是受調(diào)相位多相制中使用最廣泛的是四相制和八相制多相制中使用最廣泛的是四相制和八相制,四相制記為四相制記為4PSK或或QPSK。sc() cosMASKnnea g tnTt同相

57、支路正交支路MPSK：兩路正交：兩路正交MASK合成合成通 信 原 理114QPSKQPSK信號兩路正交載波的信號兩路正交載波的2PSK2PSK信號之和信號之和QPSKQPSK信號功率譜兩路正交信號功率譜兩路正交2PSK2PSK信號功率譜之和信號功率譜之和vQPSK表達式表達式tkTtgbtkTtgatkTtgteckskckskkckssin)(cos)(cos)()(02sc() cosPSKnnea g tnTt同相支路正交支路通 信 原 理115vQPSK的功率譜的功率譜2222PSK( )Sa ()()4scscsA TPfff TSaff T2每個支路振幅，QPSKA222QPSK

58、(/2)( )2Sa ()()4scscsATPfff TSaff T222Sa ()()4scscsA Tff TSaff T2sbTT sbTT 通 信 原 理116vQPSK的功率譜的功率譜B2PSK=2Rs=2RbB4PSK=2Rs=RbM M越大，功率譜主瓣越窄，越大，功率譜主瓣越窄， 從從而頻帶利用率越高而頻帶利用率越高! ! 通 信 原 理117v星座圖的概念和物理意義星座圖的概念和物理意義參考相位參考相位為例來說明以 PSK2（在這里可（在這里可以認為是載以認為是載波相位）波相位）發(fā)發(fā)“1”時與載波同相時與載波同相發(fā)發(fā)“0”時與載波反相時與載波反相原原點點可以看出，如果確定了原

59、點和參考方向，這些矢量可以看出，如果確定了原點和參考方向，這些矢量可以分別用可以分別用1個星座點來表示，如圖個星座點來表示，如圖10通 信 原 理118v各種各種MPSK星座圖舉例星座圖舉例(形式一)相10相0體系相110相00相1001相(4相)相1100相000相101011(8相)相100相111010相相相0011相相(2相)(形式二)體系11相10相相0001相(4相)相010相011001相000相100(8相)相相111101相 110(2相)相022234343224424243434485878388838587通 信 原 理119v比特映射方式（比特映射方式（Bit Map

60、ping）每個碼元時間內(nèi)，每個碼元時間內(nèi)，QPSK符號有四種可能相位，可以用符號有四種可能相位，可以用2比特來表示四種不同的相位，一般記為比特來表示四種不同的相位，一般記為ab。因此，就存。因此，就存在不同的比特映射方式。在不同的比特映射方式。 常用的兩種映射常用的兩種映射 Gray映射映射 自然碼映射自然碼映射通 信 原 理120v自然映射自然映射004301451047114311201200010或或 載載波波相相位位abab載載波波相相位位abab2 體體系系4 體體系系通 信 原 理121vGray映射映射 11310271040043014012000或或 5114載載波波相相位位