數(shù)字調(diào)制傳輸系統(tǒng)

1、第七章 數(shù)字信號的調(diào)制傳輸本章教學(xué)根本要求：掌握： 1. 二進制數(shù)字調(diào)制根本原理2. 幾種調(diào)制方式的特點、性能比照3. 會畫2ASK 2FSK 2PSK 2DPSK言號波形圖理解：多進制數(shù)字調(diào)制的幾種方式 本章核心內(nèi)容：一、數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)根本結(jié)構(gòu)二、模擬調(diào)制原理和頻分復(fù)用三、2ASK 2FSK 2PSK 2DPSK系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)原理四 二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能和系統(tǒng)性能比擬五 簡介其他數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)重點： 二進制數(shù)字調(diào)制的根本原理；二進制數(shù)字調(diào)制的抗噪性能分析及比擬； 難點： 二進制數(shù)字調(diào)制的抗噪性能分析及比擬學(xué)時安排： 6 學(xué)時引言：前一章介紹的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) ,? 是將信源發(fā)出的信

2、息碼經(jīng)碼型變換及波形形成后直接傳送至 接收端。雖然碼型變換及波形形成可使其頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生某些變化， 但分布的范圍仍然在基帶范圍內(nèi)。 因此， 數(shù)字基帶信號不可能在諸如無線信道 光纖信道等傳輸媒質(zhì)中直接傳輸。與模擬信號一樣，必須經(jīng)調(diào)制后 才能在無線信道 光纖信道等媒質(zhì)中傳輸。1 數(shù)字信號的傳輸方式 數(shù)字信號共有兩種傳輸方式1基帶傳輸已經(jīng)在第 6 章介紹：數(shù)字信號直接傳送的方式。2頻帶傳輸將在本章介紹：用數(shù)字基帶信號調(diào)制載波后的傳送方式。 數(shù)字調(diào)制傳輸系統(tǒng)定義：用數(shù)字基帶信號調(diào)制載波的一種傳輸系統(tǒng)，這個系統(tǒng)也稱為數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)。2 載波的形式 載波的波形是任意的，但大多數(shù)的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)都選擇單頻信號

3、正弦波或余弦波作為載波，因為便于產(chǎn)生與接收。3 數(shù)字調(diào)制的分類共有以下三種根本形式。 1 振幅鍵控 ASK；2 頻移鍵控 FSK；3 相移鍵控 PSK其它形式由此派生而來。 也可分為： 1 線性調(diào)制 如 ASK；2 非線性調(diào)制如 FSK，PSK 本章主要討論二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理及抗噪聲性能 ,? 并簡要介紹多進制數(shù)字調(diào)制原理及其它幾種 派生出來的數(shù)字調(diào)制方式。§ 7.1 二進制數(shù)字調(diào)制原理§7.1.1 二進制幅度鍵控 2ASK 一 ASK 概念：正弦載波的幅度隨著調(diào)制信號而變化。即傳“ 1信號時，發(fā)送載波，傳“0信號時，送 0 電平。所以也稱這種調(diào)制為通 on 斷 of

4、f 鍵控 OOK。 其實現(xiàn)模型如圖 7.1-1 所示，其調(diào)制波形如圖 7.1-2 所示。7.1-2調(diào)制波形2ASK的時域表達與波形2ASK的時間表達式：SASK(t)=ang(t -nTs)cos，ctn其中，an =0，,出現(xiàn)概率為 J , g(t)為單個脈沖信號的時間波形。三、2ASK信號的功率譜密度由于二進制的隨機脈沖序列是一個隨機過程,?所以調(diào)制后的二進制數(shù)字信號也是一個隨機過程，因此在頻率域中只能用功率譜密度表示。二進制隨機脈沖序列功率譜密度表達式為Pb( f) = fsP(1 - P)GM f) G2( f)2 + fsT pG! (nfs) + (1 p)G2 (nfs) (f

5、nfs)nG2(f) =O,G(f)二G(f)222PB(f) = fsP(1 - P)G(f) fs' pG(nfs)、(f -nfs)n222假設(shè) g(t)為矩形信號，那么有 二 PB(f) = fsP(1 p)G(f) + fsZ |pG(0) 6(f)n1PASK ( f )PB(ffc) PB(f - fc)4aS-hJfs=20Hzfc=100Hz離我涔由純波命童決定Ti1n總結(jié)：2A K信號功率譜密度的特點如下：(1) 、由連續(xù)譜和離散譜兩局部構(gòu)成；連續(xù)譜由傳號的波形g(t)經(jīng)線性調(diào)制后決定，離散譜由載波分量決定。(2) 、已調(diào)信號的帶寬是基帶脈沖波形帶寬的二倍，即Bas

6、k= 2fs。四、2ASK信號的調(diào)制與解調(diào)與DSB相似，主要有兩種方式：非相干接收和相干接收。其組成框圖如下圖。工作原理及誤碼特性 將在后面進行分析。全波或半波藝流定時豚沖(a)非相干接收輸出(b)相干接收SUW號援收黑靛組成方起31§ 7.1.2 二進制頻移鍵控(2FSK )一、概念：利用載波的頻率來傳遞數(shù)字信息。傳“ 1信號時，發(fā)送頻率為 fi的載波； 傳“0信號時，發(fā)送頻率為 f2的載波。其實現(xiàn)模型可表示為：我波2FSK波形及時間表達式時間表達式：s,FSK(t) = ang(t - nTs)cos' ang(t-nTs)cos 2tnn»亠10,出現(xiàn)概率為p

7、其中an = 出現(xiàn)概率為(1_p)，由此可見2FSK信號是由2個2ASK信號相加構(gòu)成。2FSK信號波形如下列圖所示:注意：2FSK有兩種形式：(1)相位連續(xù)的2FSK (2)相位不連續(xù)的 2FSK三、2FSK的功率譜密度及帶寬S2FSK(t)二' ang(t nTs)cos it ' ang(t nTs)cos7 "(tjcos “t £(t)cos2tnn11P2ASK(f)二Ps1(ffl) Ps1(f -Ps2(ff2) Ps2( f - f?"44調(diào)制指數(shù)：h = f2 一 f2 = f ,其中中心頻率fc =(f2f1)/2，頻差廿=f2

8、 - f1RsRs總結(jié)：2FSK功率譜密度的特點如下，1、2FSK信號的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩局部構(gòu)成,?離散譜出現(xiàn)在f1和f2位置；2、功率譜密度中的連續(xù)譜局部一般出現(xiàn)雙峰。假設(shè)兩個載頻之差| f1 -f2| W fs,那么出現(xiàn)單峰。3、所需傳輸帶寬 Bfsk= | f1七|+2 fs。四、2FSK信號的調(diào)制與解調(diào)2FSK 信號的產(chǎn)生：1、直接調(diào)頻；2、選頻：2FSK信號的解調(diào)：1、相干解調(diào)；2、非相干解調(diào)；3、過零檢測法如下所示：AA/WVXJ寸_L_K_*_§ 7.1.3 二進制相移鍵控2PSK or 2BPSK 相移鍵控在數(shù)據(jù)傳輸中,?尤其是在中速和中高速的數(shù)傳機?2400

9、-4800bit/s中得到了廣泛的應(yīng)用。相移鍵控有很好的抗干擾性,?在有衰落的信道中也能獲得很好的效果。我們主要討論二相、四相調(diào)相，在實際應(yīng)用中還有八相及十六相調(diào)相。相移信號可分為兩種：1絕對相移；2相對相移差分相移一、絕對相移概念傳“1信號時，發(fā)起始相位為n的載波；傳“0信號時，發(fā)起始相位為0的載波。即用載波相位直接去表示數(shù)字信息的相位鍵控常稱為絕對相移方式。二、2PSK的波形及時間表達式時間表達式：s2pSKt =' angt- nTscos ctn1,出現(xiàn)概率為p其中：an 一 出現(xiàn)概率為1-p如果gt是幅度為1的矩形脈沖，那么s2PSKt - - cos ct，的其波形為：2P

10、SK信號的產(chǎn)生與解調(diào)2PSK信號的產(chǎn)生：1、鍵控法2、相乘電路法2PSK信號的解調(diào)：由于 2PSK 雙極性碼無直流成分信號的功率譜中無載波分量，故必須采用相干 解調(diào)。2PSK解調(diào)中的倒-現(xiàn)象:我們研究-=.碼元區(qū)間的解調(diào)過程，此時2磁上=°減砒=久COS砂濾波器的輸入信號為Uq C&S 7y- + J COS 209 1上式中的信號通過低通濾波器后，濾除高頻分量，可以得到低通濾波器的輸出信號為那么抽樣判決器的判決結(jié)果為當-一 I時，.-,有一 I當;時，；，有-從以上的判決結(jié)果可知：一匚，相干解調(diào)的結(jié)果正確，沒有過失?，F(xiàn)在假設(shè)由于某種原因,使本地載波的相位改變了工，即本地載波

11、變成了 一二- 1，那么這時低通濾波器的輸入信號為：q cos cos 叫£= -字 us 2叫藝上式中的信號通過低通濾波器后，濾除高頻分量，可以得到低通濾波器的輸出信號為那么抽樣判決器的判決結(jié)果為當【時， L ,有-當"一時，._ ，有一 I從以上的判決結(jié)果可知：- |- 相干解調(diào)的輸出結(jié)果正變負，負變正，這種現(xiàn)象，即為解調(diào)過程中的“倒現(xiàn)象。由于本地相干載波一般是從接收信號中提取形成的，通常它的相位有兩個穩(wěn)定狀態(tài)0或-擾作用下，其相位可以由一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)，并且是隨機的，這使得解調(diào)出的消息可能與原始消息2PSK相干，在各種干符號相反，由于“倒 現(xiàn)象是隨機的，因此使得

12、無法判斷 因此，實際中一般不采用 2PSK方式，為了克服2PSK的“倒現(xiàn)象，提出了差分移相鍵控, § 二進制差分相移鍵控2DPSK 一、概念：二進制移相鍵控2PSK是利用載波相位的絕對數(shù)值來傳送數(shù)字信息，也稱為絕對移相。而 是利用相鄰的碼元之間的載波相位差來傳送消息，即相對移相。例：的正確與否。即 2DPSK2DPSK 貝U90110101110絕對碼0鬲Q0拓拓0曲寸移相2DPW對目位0000000相對移相00100110100拒對碼、2DPSK信號的產(chǎn)生1、PSK的產(chǎn)生：«將絕對碼變換成相對碼* 對相對碼進行絕對移相鍵控 (2PSK) 差分碼(相對碼)的編碼規(guī)那么：bn

13、二an二bnA相應(yīng)的譯碼規(guī)那么：a.二0二bn_i絕對碼變相對碼的方框圖2DPSK信號的產(chǎn)生2DPSK信號的調(diào)制方框圖011|0 0 I o 0相對碼 WWVW前后碼元相位關(guān)系：“1變“ 0不變在2DPSK中，數(shù)字信息是利用相鄰的碼元之間的相位差來傳送，因此即使本地相干載波的相位倒但并不影響相對關(guān)系，雖然解調(diào)得到的相對碼是0 T 1,1 T 0 ，但經(jīng)差分譯碼后得到的絕對碼不會出現(xiàn)0 TT 0 的倒置現(xiàn)象，從而克服了2PSK方式中的 倒?，F(xiàn)象。2、DPSK信號的解調(diào)(1)相干解調(diào)法(極性比擬法)(2)差分相干解調(diào)法(延遲解調(diào))2DPSK的差分相干解調(diào)法，不需要專門的本地相干載波，將2DPSK信

14、號延時一個碼元間隔 后與2DPSK信號本身相乘，相乘的結(jié)果反映了前后碼元的相對相位關(guān)系，經(jīng)低通濾波器后送到抽樣判決器，抽 樣判決器抽樣的結(jié)果即為原始數(shù)字信息，不需要差分譯碼。只有2DPSK信號才能采用這種方法解調(diào)，因為它是以前一個碼元的載波相位作為參考相位，而不是未調(diào)載波的相位。§ 7.2二進制數(shù)字的抗噪性能通信系統(tǒng)的抗噪聲性能是指系統(tǒng)克服加性噪聲的能力。在數(shù)字通信中，信道加性噪聲有可能使傳輸碼 元產(chǎn)生錯誤。這種傳輸錯誤通常用誤碼率來衡量。所以，我們在分析數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能時，就是 求出系統(tǒng)在加性噪聲作用下的總誤碼率。抽樣判決規(guī)那么：低通濾波器的輸出記為 y(t)，判決門限電平

15、記為 Vt，那么：y(kTs)> Vt ,那么判為“ 1； y(kTs)<VT ，那么判為“ 0；系統(tǒng)總誤碼率：即出現(xiàn)錯誤譯碼的概率?？梢员硎境蒔e=Pan工an。我們用P0表示發(fā)送信息碼 “0的概率，用 P1表示發(fā)送信息碼 “1的概率，Pb0用表示發(fā)送信息碼 “0而比擬 判決器的輸出為 “1的概率；用Pb1表示發(fā)送信息碼 “ 1的比擬判決器的輸出為“0的概率，那么2ASK系統(tǒng)總的 誤碼率為：R =p°Pb0 +只巳1思路：求概率轉(zhuǎn)換為求概率密度，此為低通濾波器(也就是解調(diào)器)輸出端的概率密度。Pb1)=p(rVt)an 0QOv P°(r)drVtR1r :

16、VtVt冇P1弟、ASK系統(tǒng)的抗噪性能(一)相干接收情況解調(diào)器輸出：當發(fā)送信號不為“0時：y(t) = A n (t)；當發(fā)送信號為“ 0時：y(t)二nI (t)因此解調(diào)器輸出端所對應(yīng)的概率密度為：p,y) =*e'y")2/202 , p0(y) =reT2/2<f寸2兀12兀最正確判決門限：Vt=A/2故：Pb二Q(4) =Q(、)erfc(J),其中r為輸入信噪比。這與當碼型選擇為單極性不b2X 222歸零碼的數(shù)字信號基帶傳輸?shù)目乖镄阅苁且恢碌摹?二)非相干接收情況在ASK信號的非相干接收中，包絡(luò)檢波器、低通濾波器的輸出送到抽樣判決器。根據(jù)判決門限電平,在抽樣時

17、刻判決脈沖的有無。因此，計算非相干ASK系統(tǒng)的誤碼率，就需要確定有信號時信號加噪聲合成信號包絡(luò)的概率分布，以及無信號時噪聲包絡(luò)的概率分布，然后再根據(jù)判決門限，確定非相干系統(tǒng)的誤碼 率。此時關(guān)鍵是在考慮輸入端的包絡(luò)概率密度：在理想ASK信號的情況下，當發(fā)送信號"1"時，s(t)=ancos cct，接收帶通濾波器輸出的信號加噪聲的混 合波形x(t)為余弦信號加窄帶高斯噪聲，即x(t)二 Acos ct nI (t)cos ctnQ (t)cos ct 二 Rcos ct(t)根據(jù)第二章的結(jié)論，余弦信號加窄帶高斯噪聲的包絡(luò)的概率密度函數(shù)服從瑞利分布，即為2p1(R_R_exp

18、_(R A2 |。(竽)，|(.)第一類零階修正貝塞爾函數(shù)CT2gct當發(fā)送信號“ 0時，接收帶通濾波器的輸出只存在窄帶高斯噪聲，即x(t)二 nI (t)cos ct - nQ (t)cos ct 二 Rcos ct (t)RR2故其概率密度函數(shù)也服從瑞利分布，即為p0(R) = -Rexp()CT2b1考慮大信噪比情況：Pbe/4,其中r為輸入信噪比。此式說明了非相干2ASK系統(tǒng)的誤比特率隨2信噪比的增大而減小。結(jié)論：1、以上兩式說明：在相同的信噪比下， 2ASK信號相干解調(diào)時的總誤碼率低于包絡(luò)檢波法時的總誤碼率，但兩者的誤碼性能相差并不大，且兩者的最正確判決門限電平都依賴于接收信號的包絡(luò)

19、值，這個 特性使得2ASK不適用于變參信道，只能用在像電纜一類的恒參信道中。2、包絡(luò)檢波法由于不需要穩(wěn)定的本地相干載波信號，實現(xiàn)起來比相干解調(diào)法簡單。二、FSK系統(tǒng)的抗噪性能相干解調(diào)：Pb二QC r) =1erfc(.；),其中r為輸入信噪比。非相干解調(diào)：1、判決方式為：如果f1支路輸出的電壓大于f2支路輸出的電壓，那么判為“ 1；否那么判為“ 0。 因此，不需要象 ask那樣,設(shè)置一個門限電平。假設(shè)包絡(luò) 1為V1,包qQQ0絡(luò) 2 為 V2,那么有 R = p(R1 : R2) =P1(R)p2(R2)d&dR02、Pb =1e_r/2,其中r為輸入信噪比。2三、PSK系統(tǒng)的抗噪性能雙極性碼無直流成分，即PSK信號無載波分量，因此只能采用相干解調(diào)。分析與ASK類似，區(qū)別僅在與判決門限的不同。PSK信號取0電平。PSK的誤比特率：