成電考研831通信原理

1、第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 7.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理7.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能7.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較7.4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 7.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理7.1.1二進(jìn)制振幅鍵控（二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK） 振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號為二進(jìn)制時(shí)，則為二進(jìn)制振幅鍵控。 設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號序列由0、1序列組成，發(fā)送0符號的概率為P，發(fā)送1符號的概率為1-P，且相

2、互獨(dú)立。該二進(jìn)制符號序列可表示為)()(snnnTtgats第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) Ts是二進(jìn)制基帶信號時(shí)間間隔，g(t)是持續(xù)時(shí)間為Ts的矩形脈沖:其中:, 1, 0na發(fā)送概率為P 發(fā)送概率為1-P , 0, 1)(tg0tTs 其他 則二進(jìn)制振幅鍵控信號可表示為tnTtgatecsnncos)()(2ASK第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 二進(jìn)制振幅鍵控信號時(shí)間波型第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 二進(jìn)制振幅鍵控信號調(diào)制器原理框圖 2ASK信號的時(shí)間波形e2ASK(t)隨二進(jìn)制基帶信號s(t)通斷變化，所以又稱為通斷鍵控信號（OOK信號）。第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 二進(jìn)制振幅鍵控信號解調(diào)器原理框圖 第7章數(shù)字

3、頻帶傳輸系統(tǒng) 2ASK信號非相干解調(diào)過程的時(shí)間波形第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 7.1.2二進(jìn)制移頻鍵控（二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK） 在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，若正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化，則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號（2FSK信號）。 若二進(jìn)制基帶信號的1符號對應(yīng)于載波頻率f1，0符號對應(yīng)于載波頻率f2，則二進(jìn)制移頻鍵控信號的時(shí)域表達(dá)式為)cos()()cos()()(212FSKnnsnnsnntnTtgbtTntgate第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 二進(jìn)制移頻鍵控信號的時(shí)間波形aak1011001ts(t)ts(t)bttcdettfgt2FSK信號第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) bn

4、是an的反碼式中 , 1, 0na發(fā)送概率為P 發(fā)送概率為1-P , 1, 0nb發(fā)送概率為1-P 發(fā)送概率為P tnTtgatnTtgateSnnSnn212FSKcos)(cos)()(第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 數(shù)字鍵控法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制移頻鍵控信號的原理圖第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 二進(jìn)制移頻鍵控信號解調(diào)器原理圖 (a) 非相干解調(diào); (b) 相干解調(diào)第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2FSK非相干解調(diào)過程的時(shí)間波形第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 過零檢測法: 二進(jìn)制移頻鍵控信號的過零點(diǎn)數(shù)隨載波頻率不同而異，通過檢測過零點(diǎn)數(shù)從而得到頻率的變化。 輸入信號經(jīng)過限幅后產(chǎn)生矩形波，經(jīng)微分、 整流、波形整形，形成與頻率變化相

5、關(guān)的矩形脈沖波，經(jīng)低通濾波器濾除高次諧波，便恢復(fù)出與原數(shù)字信號對應(yīng)的基帶數(shù)字信號。 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 過零檢測法原理圖和各點(diǎn)時(shí)間波形第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 7.1.3二進(jìn)制移相鍵控（二進(jìn)制移相鍵控（2PSK） 在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號離散變化時(shí)，則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)信號。 通常用已調(diào)信號載波的 0和 180分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號的 1 和 0。 二進(jìn)制移相鍵控信號的時(shí)域表達(dá)式為 其中, an與2ASK和2FSK時(shí)的不同，在2PSK調(diào)制中，an應(yīng)選擇雙極性，即tnTtgatecsnncos)()(PSK21, 發(fā)送概率為P-1, 發(fā)送概率為1

6、-P na第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 二進(jìn)制移相鍵控信號的時(shí)間波形第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2PSK信號的調(diào)制原理圖 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2PSK信號的解調(diào)原理圖第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2PSK信號相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) “倒”現(xiàn)象 由于在2PSK信號的載波恢復(fù)過程中存在著180的相位模糊，所以2PSK信號的相干解調(diào)存在隨機(jī)的“倒”現(xiàn)象，從而使得2PSK方式在實(shí)際中很少采用。 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 7.1.4二進(jìn)制差分相位鍵控（二進(jìn)制差分相位鍵控（2DPSK） 由于相干載波恢復(fù)中載波相位的180相位模糊，導(dǎo)致解調(diào)出的二進(jìn)制基帶信號出現(xiàn)反向現(xiàn)象，從而難以實(shí)際應(yīng)用。 為了解決2

7、PSK信號解調(diào)過程的反向工作問題， 提出了二進(jìn)制差分相位鍵控(2DPSK)。 2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對相位變化來表示數(shù)字信息。假設(shè)前后相鄰碼元的載波相位差為，可定義一種數(shù)字信息與之間的關(guān)系為第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 表示數(shù)字信息“0” 表示數(shù)字信息“1”則一組二進(jìn)制數(shù)字信息與其對應(yīng)的2DPSK信號的載波相位關(guān)系如下所示:二進(jìn)制數(shù)字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 1 02DPSK信號相位： 0 (參) 0 0 0 0 0或 (參) 0 0 0 0 0 數(shù)字信息與之間的關(guān)系也可以定義為 = 0 , 表示數(shù)字信息“1” , 表示數(shù)字信息“0” , 0第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2D

8、PSK信號調(diào)制實(shí)現(xiàn)方法1：首先對二進(jìn)制數(shù)字基帶信號進(jìn)行差分編碼，將絕對碼表示二進(jìn)制信息變換為用相對碼表示二進(jìn)制信息，然后再進(jìn)行絕對調(diào)相，從而產(chǎn)生二進(jìn)制差分相位鍵控信號。 2DPSK信號可以采用相干解調(diào)方式(極性比較法)，其解調(diào)原理是：對2DPSK信號進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。 在解調(diào)過程中，若相干載波產(chǎn)生180相位模糊，解調(diào)出的相對碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會(huì)發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊度的問題。 。 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2DPSK信號調(diào)制過程波形圖第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2DPSK信號

9、調(diào)制器原理圖第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2DPSK相干解調(diào)方式(極性比較法): 對2DPSK信號進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。 在解調(diào)過程中，若相干載波產(chǎn)生180相位模糊，解調(diào)出的相對碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會(huì)發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊度的問題。 。 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2DPSK信號相干解調(diào)器原理圖和解調(diào)過程各點(diǎn)時(shí)間波形 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2DPSK差分相干解調(diào)方式(相位比較法): 直接比較前后碼元的相位差，從而恢復(fù)發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。由于解調(diào)的同時(shí)完成了碼反變換作用， 故解調(diào)器中

10、不需要碼反變換器。由于差分相干解調(diào)方式不需要專門的相干載波，因此是一種非相干解調(diào)方法。 2DPSK系統(tǒng)是一種實(shí)用的數(shù)字調(diào)相系統(tǒng)， 但其抗加性白噪聲性能比2PSK的要差。 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2DPSK信號差分相干解調(diào)器原理圖和解調(diào)過程各點(diǎn)時(shí)間波形第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 7.1.5二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號的功率譜密度二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號的功率譜密度 2ASK信號的功率譜密度信號的功率譜密度二進(jìn)制基帶信號s(t)的功率譜密度Ps(f)為)()()1 ()()1 ()(22smssssmffmfGPffGPPffP21)(41)(Sa42PffTTss設(shè)第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 則二進(jìn)制振幅鍵控信號的功率

11、譜密度P2ASK(f)為整理后可得)()(161)()(sin)()(sin16)(222ccScscscscSASKffffTffTffTffTffTfP)()(| )0(|161| )(| )(|161)()(41)(22222ccsccscscsASKffffGfffGffGfffPffPfP第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2ASK信號的功率譜密度示意圖 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2. 2FSK信號的功率譜密度信號的功率譜密度 相位不連續(xù)的二進(jìn)制移頻鍵控信號的時(shí)域表達(dá)式為e2FSK(t)=s1(t)cos1t+s2(t)cos2t)()(41)()(41)(22112FSK2211ffPffPff

12、PffPfPssss二進(jìn)制移頻鍵控信號的功率譜密度P2FSK(f)為第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 令概率P=1/22222112)()(sin)()(sin16)(sssssFSKTffTffTffTffTfP)()(sin)()(sin16221221SSSSSTffTffTffTffT)()()()(1612211ffffffff第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 二進(jìn)制移頻鍵控信號的帶寬B2FSK為 其中fs=1/Ts。 B2FSK=|f2-f1|+2fs第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜示意圖h: 調(diào)制指數(shù)第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 3. 2PSK及及2DPSK信號的功率譜密度信號的功率

13、譜密度 2PSK與2DPSK信號有相同的功率譜。 2PSK信號可表示為雙極性不歸零二進(jìn)制基帶信號與正弦載波相乘，則2PSK信號的功率譜為)()(41)(PSK2cscsffPffPfP代入基帶信號功率譜密度可得 )()(| )0(|)21 (41| )(| )()|1 (22222PSK2ccsccsffffGPfffGffGPPfP第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2PSK(2DPSK) 信號的功率譜密度第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 表表 7 1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率公式一覽表二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率公式一覽表調(diào)制方式誤碼率相干調(diào)節(jié)非相干調(diào)節(jié)2ASK2FSK2PSK/2DPSK4erfc21r2er

14、fc21rrerfc214e21r4e21rre21第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 誤碼率Pe與信噪比r的關(guān)系曲線 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 表表 7 2 Pe=10-5時(shí)時(shí)2ASK、2FSK和和 2PSK所需要的信噪比所需要的信噪比 方式信噪比倍分貝2ASK36.415.62FSK18.212.62PSK9.19.6第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 表表 7 3r=1時(shí)時(shí) 2ASK、2FSK2PSK/2DPSK的誤碼率的誤碼率 方式誤碼率相干解調(diào)非相干解調(diào)2ASK1.2610-2 4.110-2 2FSK7.910-4 3.3710-32PSK3.910-6 2.2710-5 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2.頻帶寬

15、度頻帶寬度 若傳輸?shù)拇a元時(shí)間寬度為Ts，則2ASK系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)的頻帶寬度近似為2/Ts，即 2ASK系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)具有相同的頻帶寬度。 2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度近似為sTBB22PSK2ASK大于2ASK系統(tǒng)或2PSK系統(tǒng)的頻帶寬度。因此，從頻帶利用率上看，2FSK系統(tǒng)的頻帶利用率最低。sTffB2|122FSK第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 由信息傳輸速率Rb、碼元傳輸速率RB和進(jìn)制數(shù)M之間的關(guān)系可知，在信息傳輸速率不變的情況下， 通過增加進(jìn)制數(shù)M，可以降低碼元傳輸速率，從而減小信號帶寬，節(jié)約頻帶資源，提高系統(tǒng)頻帶利用率。由關(guān)系式 (B)logBdMRRb)/(l

16、bBdsbMRRb7.4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 7.4.1多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng) 多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制又稱多電平調(diào)制。M進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制信號可表示為M進(jìn)制數(shù)字基帶信號與正弦載波相乘的形式，其時(shí)域表達(dá)式為ncsntnTtgatecos)()(MASK式中，g(t)為基帶信號波形，Ts為符號時(shí)間間隔，an為幅度值。 an共有M種取值，通?？蛇x擇為an0, 1, , M-1， 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 發(fā)送概率為P0發(fā)送概率為P1 發(fā)送概率為PM-1 110MiiP且 , 1, 1, 0Man(7.4-2) (7.4-3) 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)

17、 進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制信號的時(shí)間波形第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 圖 7 34 M進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率Pe性能曲線第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 7.4.2多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng) 多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制(MFSK)簡稱多頻調(diào)制。MFSK信號可表示為 i為載波角頻率，共有M種取值。通?？蛇x載波頻率fi= ，n為正整數(shù)，此時(shí)M種發(fā)送信號相互正交。 Tn2當(dāng)在時(shí)間間隔0tTs發(fā)送符號為i時(shí)當(dāng)在時(shí)間間隔0tTs發(fā)送符號不為i時(shí)i=1,2,M , 0,)(AtsiMiiittste1MFSKcos)()(第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制信號的帶寬近似為SMTffB21第7章數(shù)字頻帶傳輸

18、系統(tǒng) 多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制系統(tǒng)的組成方框圖第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 7.4.3多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng) 1. 多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制(MPSK)信號的表示形式信號的表示形式 多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制又稱多相調(diào)制，它是利用載波的多種不同相位來表征數(shù)字信息的調(diào)制方式。eMPSK(t)= g(t-nTs) cos(ct+n) nttQttItnTtgbtnTtgatnTtgtnTtgtecccnsncnsncnnscnnssin)(cos)(sin)(cos)(sinsin)(coscos)()(MPSK第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) nsnnsnnTtgbtQnTtgatI)()(

19、)()(此時(shí)， 對于四相調(diào)制:an取1bn取1an取0，1bn取0, 1或 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 圖 7 38 二進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制信號矢量圖第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 圖 7 39 四進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制信號矢量圖第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 圖 7 408PSK信號矢量圖第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 圖進(jìn)值數(shù)字相位調(diào)制信號功率譜第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 2. 4PSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)信號的產(chǎn)生與解調(diào) 雙比特雙比特ab與載波相位的關(guān)系與載波相位的關(guān)系 雙比特碼元載波下相位(n )abA方式 B方式 011000110 90 180 270 225 315 45 135 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 圖 7 42 相位選

20、擇法產(chǎn)生4PSK信號原理圖第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 4PSK正交調(diào)制器第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 4PSK信號相干解調(diào)原理圖 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 在2PSK信號相干解調(diào)過程中會(huì)產(chǎn)生180相位模糊。 同樣， 對4PSK信號相干解調(diào)也會(huì)產(chǎn)生相位模糊問題，并且是0、 90、180和270四個(gè)相位模糊。因此，在實(shí)際中更實(shí)用的是四相相對移相調(diào)制，即4DPSK方式。 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 4DPSK信號載波相位編碼邏輯關(guān)系信號載波相位編碼邏輯關(guān)系雙比特碼元載波下相位(n )ab 0101 3. 4DPSK信號的產(chǎn)生與解調(diào)信號的產(chǎn)生與解調(diào)第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 4DPSK信號產(chǎn)生原理圖第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)

21、 4DPSK信號相干解調(diào)加碼反變換器方式原理圖 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 4DPSK信號差分相干解調(diào)方式原理 第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) 8PSK調(diào)制b1b2b3的作用分別是： b1與b2分別決定同相及正交路信號的極性； b3決定兩路信號的幅度。 當(dāng)b3=1時(shí)，同相與正交路信號幅度分別為0.924及0.383，當(dāng)b3=0時(shí)，信號幅度分別為0.383及0.924。（假定滿幅值為1）第7章數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng) MPSK系統(tǒng)的誤碼率性能曲線 例： 已知電話信道的可用傳輸頻帶為600 Hz-3000 Hz。為了傳輸3000 bit/s的數(shù)據(jù)信號，設(shè)計(jì)物理可實(shí)現(xiàn)的幅度鍵控和相移鍵控的傳輸方案。 解：由數(shù)據(jù)信號的速

22、率 和信道帶寬 ，得已調(diào)信號的頻帶利用率應(yīng)為： 所以，必須采用多進(jìn)制調(diào)制。 設(shè)傳輸方案所需帶寬為 ，當(dāng) 時(shí)方案才可行。 （1）設(shè)基帶信號是滾降系數(shù)為 的升余弦滾降信號，二進(jìn)制碼元速率為 ，已調(diào)信號為4ASK和4PSK信號， 的取值應(yīng)滿足： bRcBbbc30001.25(bit/(s Hz)2400RBxBcxBB sR21log 41.25 (bit/(s Hz)1 即， 0.6 已調(diào)信號的帶寬為： 能滿足信道條件，且 ，方案是可行的。 (2) 設(shè)基帶信號是矩形波，已調(diào)信號為8ASK和8PSK信號，已調(diào)信號的帶寬 取譜零點(diǎn)帶寬，即 由于2 000 Hz 2 400 Hz，所以方案也是可行的。

23、 sx2(1)3000 1.62 400 (Hz)log 42RB0 xBsx22230002000(Hz)log3RBM 例： 帶通型信道帶寬為3000 Hz，基帶信號是二元NRZ碼。求2PSK和QPSK信號的頻帶利用率和最高信息速率。解：當(dāng)2PSK信號帶寬取譜零點(diǎn)帶寬時(shí)，頻帶利用率為： 取信號的帶寬為信道帶寬，得最高信息速率為： 因MPSK信號頻帶利用率是2PSK的 倍，所以， QPSK信號的頻帶利用率為： 同樣，取QPSK信號的帶寬為信道帶寬，得最高信息速 率為： 可見，帶寬相同，多進(jìn)制調(diào)制提高了信息傳輸速率。 bs2PSK2PSKs0.5 (bit/(s Hz)2RRBRb2PSK2PSK0.530001500 (bit/s)RBM2logQPSK2PSK2