第六章 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)(數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng))

1、第六章 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)（數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)）6.1 引 言 在實際通信中，有不少信道都不能直接傳送基帶信號，而必須用基帶信號對載波波形的某些參量進(jìn)行控制，使載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化，即所謂調(diào)制。 數(shù)字調(diào)制是用載波信號的某些離散狀態(tài)來表征所傳送的信息，在收端對載波信號的離散調(diào)制參量進(jìn)行檢測。數(shù)字調(diào)制信號也稱鍵控信號?；鶐}沖輸入調(diào)制器調(diào)制器調(diào)制器基帶脈沖輸出噪聲干擾數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖在二進(jìn)制時，有 ASK 振幅鍵控 FSK 移頻鍵控 PSK 移相鍵控 正弦載波的三種鍵控波形 見樊書P129，圖61 6.2 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK） 一、一般原理及實現(xiàn)

2、方法基帶信號形成器×帶通濾波器2ASK信號2ASK調(diào)制的方框圖2ASK是用“0”，“1”碼基帶矩形脈沖去鍵控一個連續(xù)的載波，使載波時斷時續(xù)地輸出。最早使用的載波電報就是這種情況。轉(zhuǎn)換成 數(shù)字序列 單極性基帶脈沖序列 與相乘，頻譜搬移到附近，實現(xiàn)2ASK。 帶通濾波器濾出所需已調(diào)信號，防止帶外輻射，影響鄰臺。二、2ASK信號的功率譜及帶寬 1 0 1 1 0 1，2ASK信號的一個樣本波形 為的功率譜，可見，知道了即可知道。 由前面，二進(jìn)制隨機序列的功率譜： 式中，根據(jù)矩形波形的的頻譜特性，對于 的整數(shù)有，故的功率譜： 的功率譜： 的功率譜： ，得，的功率譜：（見下面圖形） 由圖可見，

3、2ASK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成。 連續(xù)譜取決于經(jīng)線性調(diào)制后的雙邊帶譜。 離散譜由載波分量決定。（注：是考慮的單極性脈沖隨機序列，無） 2ASK信號的頻帶寬度是基帶脈沖帶寬的兩倍。這與模擬AM、DSB一樣。 若只計及基帶脈沖頻譜的主瓣，其帶寬： 6.2.2 二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK）一、2FSK信號的產(chǎn)生及波形 （見樊書P133 圖6-5） 一種是模擬調(diào)頻法，加在變?nèi)荻O管上（LC諧振回路）直接調(diào)頻。 一種是采用鍵控法，用矩陣脈沖序列控制開關(guān)電路對兩個不同的頻率源進(jìn)行選通。 圖6-5（c）P133是一個實現(xiàn)、一個實現(xiàn)（樣本）。2FSK的解調(diào)有：2個ASK信號相干解調(diào)、鑒頻器方法、

4、過零檢測、差分檢測等方法。二、2FSK信號的功率譜及帶寬 由樊書P133圖6-5（b）知，（、是載波） ， 是的反碼鍵控法產(chǎn)生的信號：第n個信號碼元的初相位與序列n無關(guān)，改變時相位不連續(xù)。 模擬調(diào)頻法產(chǎn)生的信號： 改變時相位連續(xù)，與序列n有關(guān)，頻譜分析較繁。 下面僅分析鍵控法產(chǎn)生的頻譜，且令=0 樊書P136，公式（6.2-23）再考慮，及講義P135下面處的公式，得單邊譜： 2FSK單邊功率譜圖形：分析討論： FSK譜由連續(xù)譜和離散譜組成，連續(xù)譜是的ASK功率譜和ASK功率譜兩者之和：。的中心位置在，的中心位置在離散譜出現(xiàn)在兩個載頻位置上。3.4K3.4K9K10K15K16K6.6K2.6

5、K保護(hù)帶2.4K12.4K 2FSK帶寬（相位不連續(xù)2FSK）： 舉例子：2FSK多路傳輸，6.2.3 二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）及二進(jìn)制差分相位鍵控（2DPSK） 2PSK方式是用二進(jìn)制數(shù)字脈沖序列去控制連續(xù)載波的相位。6.3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪性能 通信系統(tǒng)的抗噪聲性能是指系統(tǒng)克服加性噪聲影響的能力。 在數(shù)字通信中，信道的加性噪聲可能使傳輸碼元產(chǎn)生錯誤，錯誤程度通常用誤碼率來衡量。 與數(shù)字基帶系統(tǒng)一樣，分析數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)（數(shù)字頻帶系統(tǒng)）的抗噪性能，也就是要找出系統(tǒng)用加性噪聲產(chǎn)生的總誤碼率。6.3.1 2ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能 接收端輸入波形可表示為輸入帶通輸出抽樣判決低通濾波包絡(luò)檢波定

6、時脈沖（a）包絡(luò)解調(diào)（非相干方式）（b）相干解調(diào)（同步解調(diào)）輸入帶通輸出抽樣判決器低通定時脈沖× 為了分析簡便，也可表示： 下面討論兩種不同的解調(diào)方法的性能。一、包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能 帶通濾波器的輸出波形及概率密度函數(shù) 的包絡(luò)： 根據(jù)本講義§2.7，§2.9. 窄帶過程，正弦波加窄帶過程的內(nèi)容， 窄帶過程的包絡(luò)的一維概率密度函數(shù)服從瑞利分布，正弦波加窄帶過程的包絡(luò)一維概率密度函數(shù)服從廣義瑞利分布（萊斯分布），因此，它們的概率密度分別表示：（參見下圖：2ASK包絡(luò)檢測誤碼率幾何表示圖） 平穩(wěn)隨機過程若是電壓電流信號，均值表示直流分量， 方差表示交流分量的平均功率，噪

7、聲只有方差，為交流信號。 誤碼率的推導(dǎo) 顯然，包絡(luò)經(jīng)抽樣判決，(門限值)判為 “1”碼,V b判為 “0”碼。 門限b的選取與判決的正確程度密切相關(guān)，選什么樣的b值，會有不同的誤碼率。 我們規(guī)定判決準(zhǔn)則如下： 0 < b < a ,通常取b=a/2，V為抽樣時刻的包絡(luò)值。無噪聲時：此時判決器輸出就不會出錯（見ad圖）。 若有噪聲（肯定會有），y（t）的包絡(luò)函數(shù)V（t）是一個隨機過程，固定任一時刻t（如抽樣時刻）觀察，它是一個隨機變量，且其值分布在0 。為此判決器輸出很可能出錯。如下圖（e）（f）（g）（h）（第二個碼元判錯）所示。深入討論： 信號和噪聲混在一起，兩者相加后在抽樣判決

8、時刻，發(fā)“1”碼時，收到的是: 1 0 1 0abV(t)（t）1 0 1 0（a）發(fā)送信號（b）判決器輸入（c）抽樣脈沖（d）判決器輸出1 0 1 0abV(t)（t）1 1 1 0（e）發(fā)送信號（f）判決器輸入（g）抽樣脈沖（h）判決器輸出 這樣，抽樣判決時刻的瞬時值V（t）是一隨機變量，（隨機電平），理論上講該隨機電平為0 范圍內(nèi)變化。但在0 范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率是不同的。顯然，對于收到的“1”碼來講，抽樣判決瞬時值出現(xiàn)在a附近的概率比遠(yuǎn)離a值的概率大得多，應(yīng)該在0 a之間選擇適當(dāng)?shù)拈T限值b。 發(fā)“1”碼時的錯誤接收概率即是包絡(luò)值V b的概率。（結(jié)合參考2ASK包絡(luò)檢測誤碼率幾何表示圖） 發(fā)

9、“1”碼概率發(fā)“0”碼概率 發(fā)“0”碼時，錯判“1”： 在0 a之間選擇一個什么樣的b（門限）？使誤碼率最??？這個門限b就是最佳門限。（結(jié)合2ASK誤碼率幾何表示圖） 設(shè)兩條概率密度曲線總誤碼率是與兩個陰影面積之和有關(guān)，當(dāng)b=b*時，兩個陰影面積之和最小，總誤碼率最小，b*稱最佳門限。 大約發(fā)1萬個左右碼元，錯1個碼元。二、相干檢測法的系統(tǒng)性能 （同步檢測） 注釋： 上式可見無論發(fā)“1”，發(fā)“0”，判決器的輸入x（t）都是信號噪聲的混合物，其瞬時值的概率密度是高斯分布（），只是均值不同，發(fā)“1”均值 = a，發(fā)“0”均值 = 0 。 注釋： 相干檢測法的總誤碼率： 在大信噪比下，設(shè)，最佳門限輸

10、入信噪比 總誤碼率： 一般來講，在相同的大信噪比下，2ASK相干檢測的誤碼率優(yōu)于（低于）包絡(luò)法（但在也同一數(shù)量級上），原因是相乘后，抵消了噪聲的項。 但相干檢測需要插入相干載波，且要穩(wěn)定，設(shè)備要復(fù)雜一些，而包絡(luò)法不要。6.4 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較 見樊書P156.圖6-18 在每一對相干和非相干的鍵控系統(tǒng)中，誤碼性能（抗噪性能）相干方式優(yōu)于非相干方式（如ASK的相干檢測法優(yōu)于ASK的包絡(luò)法）抗噪性能的優(yōu)劣排序（同一條件下）： PSK、FSK、ASK 優(yōu) 差 一般來講，相干法的設(shè)備復(fù)雜于非相干法。 2ASK要嚴(yán)格工作在最佳門限電平上困難，抗信道振幅衰落的性能差，2FSK、2PSK的最佳電平為零，易設(shè)置，均有較強的抗振幅衰落性能。 另外，當(dāng)信道存在嚴(yán)重衰落時，通常選擇非相干接收方式。 碼元寬度為時，2ASK、2PSK系統(tǒng)的頻譜帶寬近似為，而2FSK系統(tǒng)的頻譜寬近似為： 因此，2FSK系統(tǒng)的頻帶寬，頻帶利用率最差。第六章 總結(jié)復(fù)習(xí) 數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)中2ASK、