《通信原理》6基本數字調制系統(tǒng)

《通信原理》6基本數字調制系統(tǒng)第一頁，共70頁。2023/4/172研究對象：數字信號的頻帶調制——即把數字基帶信號調制到正弦載波的某個參數上，這是一個頻譜搬移的過程。本章要點：第二頁，共70頁。2023/4/173研究目的：掌握二進制數字調制信號的時域和頻域特性掌握各種數字調制系統(tǒng)(2ASK、2FSK、2PSK及2DPSK)的調制與解調的原理抗噪聲性能本章要點：第三頁，共70頁。2023/4/174本章研究的問題：正弦載波數字調制系統(tǒng)的基本結構第四頁，共70頁。2023/4/175本章研究的問題：

實際信道中，大多數具有帶通傳輸特性，必須用數字基帶信號對載波進行調制，產生各種已調數字信號。可以用數字基帶信號改變正弦型載波的幅度、頻率或相位中的某個參數，產生相應的數字振幅調制、數字頻率調制和數字相位調制。也可以用數字基帶信號同時改變正弦型載波幅度、頻率或相位中的某幾個參數，產生新型的數字調制。第五頁，共70頁。2023/4/176本章研究的問題：數字調制被稱為“鍵控”，是指調制過程可用數字信號脈沖對載波的參數進行控制從而達到調制的目的。調制分為——線性調制和非線性調制解調分為——相干解調與非相干解調第六頁，共70頁。2023/4/177本章研究的問題：2ASK

(Amplitudeshift-keying)2FSK(Frequencyshift-keying)2PSK(Phaseshift-keying)第七頁，共70頁。2023/4/178二進制振幅鍵控（2ASK）振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數字基帶信號而變化的數字調制

第八頁，共70頁。2023/4/179二進制振幅鍵控（2ASK）二進制振幅鍵控信號第九頁，共70頁。2023/4/1710二進制振幅鍵控（2ASK）調制原理圖：二進制振幅鍵控信號調制器原理框圖單極性的隨機脈沖序列相乘法開關法基帶信號必須是矩形脈沖第十頁，共70頁。2023/4/1711二進制振幅鍵控（2ASK）解調原理圖：非相干解調(包絡檢波法) 相干解調(同步檢測法)帶通濾波器整流器低通濾波器

取樣判決器(a)包絡檢波定時脈沖abcd第十一頁，共70頁。2023/4/1712二進制振幅鍵控（2ASK）2ASK信號非相干解調過程的時間波形圖第十二頁，共70頁。2023/4/1713二進制振幅鍵控（2ASK）帶通濾波器

取樣判決器

低通濾波器

相乘器(b)相干解調定時脈沖相干載波解調原理圖：非相干解調(包絡檢波法) 相干解調(同步檢測法)第十三頁，共70頁。2023/4/1714二進制振幅鍵控（2ASK）功率譜密度：第十四頁，共70頁。

B2ASK2023/4/1715二進制振幅鍵控（2ASK）連續(xù)譜：由基帶信號波形g(t)確定離散譜：由載波分量確定

第一旁瓣峰值比主峰衰減14dB

B2ASK是基帶信號波形帶寬的兩倍

第十五頁，共70頁。2023/4/1716二進制振幅鍵控（2ASK）誤碼率：相干解調法：

當符號的發(fā)送概率P(1)、P(0)及概率密度函數f1(x)、f0(x)一定時，系統(tǒng)總的誤碼率Pe將與判決門限b有關第十六頁，共70頁。2023/4/1717二進制振幅鍵控（2ASK）誤碼率Pe等于圖中陰影的面積。改變判決門限b，陰影的面積將隨之改變，也即誤碼率Pe的大小將隨判決門限b而變化。當判決門限b取P(1)f1(x)與P(0)f0(x)兩條曲線相交點b*時，陰影的面積最小。即判決門限取為b*時，此時系統(tǒng)的誤碼率Pe最小。這個門限就稱為最佳判決門限。第十七頁，共70頁。2023/4/1718二進制振幅鍵控（2ASK）誤碼率：相干解調法：

當發(fā)送的二進制符號“1”和“0”等概，且判決門限取b*=時，誤碼率Pe為：

為信噪比。當大信噪比時，誤碼率為：

第十八頁，共70頁。2023/4/1719二進制振幅鍵控（2ASK）誤碼率：包絡檢波法：

發(fā)送“1”符號時的抽樣值是廣義瑞利型隨機變量；發(fā)送“0”符號時的抽樣值是瑞利型隨機變量。在系統(tǒng)輸入信噪比一定的情況下，系統(tǒng)誤碼率將與歸一化門限值b0有關。誤碼率的幾何表示如圖所示：第十九頁，共70頁。2023/4/1720二進制振幅鍵控（2ASK）當判決門限b取兩條曲線相交點即判決門限取為b*時，此時系統(tǒng)的誤碼率Pe最小。誤碼率：包絡檢波法：第二十頁，共70頁。2023/4/1721二進制振幅鍵控（2ASK）

在實際工作中，系統(tǒng)總是工作在大信噪比的情況下，因此最佳歸一化判決門限應取b*0=。此時系統(tǒng)的總誤碼率Pe為當r→∞式，包絡檢波誤碼率為：誤碼率：包絡檢波法：第二十一頁，共70頁。2023/4/1722二進制振幅鍵控（2ASK）誤碼率：在相同的信噪比條件下，相干解調法的誤碼性能優(yōu)于包絡檢波法的性能；在大信噪比條件下，包絡檢波法的誤碼性能將接近相干解調法的性能。另外，包絡檢波法存在門限效應，相干解調法無門限效應。第二十二頁，共70頁。2023/4/1723例題：

設某2ASK信號的碼元速率波特,接收端輸入信號的幅度a=1mV,信道中加性噪聲的單邊功率譜密度求：1.包絡檢波器解調時系統(tǒng)的誤碼率2.同步檢測法解調時系統(tǒng)的誤碼率第二十三頁，共70頁。2023/4/1724例題：解：包絡檢波時的誤碼率：相干解調時的誤碼率：第二十四頁，共70頁。2023/4/1725二進制頻移鍵控（2FSK） 在二進制數字調制中，若正弦載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化，則產生二進制頻移鍵控信號（2FSK信號）。二進制移頻鍵控信號可以看成是兩個不同載波的二進制振幅鍵控信號的疊加。第二十五頁，共70頁。2023/4/1726二進制頻移鍵控（2FSK）

二進制頻移鍵控信號的產生，可以采用模擬調頻電路來實現(xiàn)，也可以采用數字鍵控的方法來實現(xiàn)。下圖是數字鍵控法實現(xiàn)二進制頻移鍵控信號的原理圖,圖中兩個振蕩器的輸出載波受輸入的二進制基帶信號控制，在一個碼元Ts期間輸出f1或f2兩個載波之一。信號的調制：第二十六頁，共70頁。2023/4/1727二進制頻移鍵控（2FSK）信號的調制：第二十七頁，共70頁。2023/4/1728二進制頻移鍵控（2FSK）二進制頻移鍵控信號的時間波形圖中波形g可分解為波形e和波形f。第二十八頁，共70頁。2023/4/1729二進制頻移鍵控（2FSK） 2FSK信號的常用解調方法是非相干解調和相干解調法。其解調原理是將二進制頻移鍵控信號分解為上下兩路二進制振幅鍵控信號，分別進行解調，通過對上下兩路的抽樣值進行比較最終判決出輸出信號，此時可以不專門設置門限電平。信號的解調：第二十九頁，共70頁。2023/4/1730二進制頻移鍵控（2FSK）信號的解調：

相干解調原理圖：第三十頁，共70頁。2023/4/1731二進制頻移鍵控（2FSK）信號的解調：

非相干解調——包絡檢波法原理圖：第三十一頁，共70頁。2023/4/1732二進制頻移鍵控（2FSK）信號的解調：

非相干解調——過零點檢測法原理圖：第三十二頁，共70頁。2023/4/1733二進制頻移鍵控（2FSK）第三十三頁，共70頁。2023/4/1734二進制頻移鍵控（2FSK）功率譜密度：第三十四頁，共70頁。2023/4/1735二進制頻移鍵控（2FSK）功率譜密度： 相位不連續(xù)的二進制頻移鍵控信號的功率譜由離散譜和連續(xù)譜所組成。其中，離散譜位于兩個載頻f1和f2處；連續(xù)譜由兩個中心位于f1和f2處的雙邊譜疊加形成；若兩個載波頻差小于fs，則連續(xù)譜在fc處出現(xiàn)單峰；若載頻差大于fs，則連續(xù)譜出現(xiàn)雙峰。若以二進制頻移鍵控信號功率譜第一個零點之間的頻率間隔計算二進制頻移鍵控信號的帶寬，則該二進制頻移鍵控信號的帶寬B2FSK為B2FSK=|f2-f1|+2fs=|f2-f1|+2RB第三十五頁，共70頁。2023/4/1736二進制頻移鍵控（2FSK）誤碼率：

相干解調法的誤碼率：在大信噪比條件下，誤碼率為：第三十六頁，共70頁。2023/4/1737二進制頻移鍵控（2FSK）誤碼率：

包絡檢波法的誤碼率：

在大信噪比條件下，2FSK信號采用包絡檢波法解調性能與相干解調法解調性能接近。但相干解調法需要產生同頻同相的本地載波，故比包絡檢波復雜。在信道性能不穩(wěn)定的情況下，很難實現(xiàn)相干接收，故多用包絡檢波法。第三十七頁，共70頁。2023/4/1738二進制相移鍵控（2PSK）

在二進制數字調制中，當正弦載波的相位隨二進制數字基帶信號離散變化時，則產生二進制相移鍵控(2PSK)信號。2PSK信號的典型波形第三十八頁，共70頁。2023/4/1739二進制相移鍵控（2PSK）若g(t)是脈寬為Ts，高度為1的矩形脈沖這種以載波的不同相位直接去表示相應數字信息的相位鍵控，通常被稱為絕對移相方式。第三十九頁，共70頁。2023/4/1740二進制相移鍵控（2PSK）信號的產生——相乘法相乘法第四十頁，共70頁。2023/4/1741二進制相移鍵控（2PSK）信號的產生——選擇法選擇法第四十一頁，共70頁。2023/4/1742二進制相移鍵控（2PSK）信號的解調——相干接收法第四十二頁，共70頁。2023/4/1743第四十三頁，共70頁。2023/4/1744二進制相移鍵控（2PSK）當恢復的相干載波產生180°倒相時，解調出的數字基帶信號將與發(fā)送的數字基帶信號正好是相反，解調器輸出數字基帶信號全部出錯。

由于在2PSK信號的載波恢復過程中存在著180°的相位模糊，所以2PSK信號的相干解調存在隨機的“倒π”現(xiàn)象，從而使得2PSK方式在實際中很少采用。第四十四頁，共70頁。2023/4/1745二進制相移鍵控（2PSK）功率譜密度：2PSK信號的功率譜密度條件：1、0等概沒有離散頻率分量第四十五頁，共70頁。2023/4/1746二進制相移鍵控（2PSK）2PSK信號和2ASK信號的功率譜密度的關系：聯(lián)系：2PSK信號的功率譜密度和2ASK信號功率譜密度中的連續(xù)譜部分形狀相同，因此這兩種信號的帶寬相同，均為基帶信號帶寬的兩倍。區(qū)別：2PSK信號的功率譜密度中沒有離散分量，此分量為2ASK信號的載波分量。轉化：2ASK信號可以看成是2PSK信號與載波的疊加，而2PSK信號可以看成是抑制載波后的2ASK信號。第四十六頁，共70頁。2023/4/1747二進制相移鍵控（2PSK）誤碼率：2PSK信號采用同步檢測法時的系統(tǒng)誤碼率為：在大信噪比下，第四十七頁，共70頁。2023/4/1748二進制差分相移鍵控（2DPSK）2PSK信號解調時，由于相干載波恢復中載波相位的180°相位模糊，導致解調出的二進制基帶信號出現(xiàn)反相現(xiàn)象，從而難以實際應用。為了解決2PSK信號解調過程的反相工作問題，提出了二進制差分相移鍵控(2DPSK)。第四十八頁，共70頁。2023/4/1749二進制差分相移鍵控（2DPSK）相對移相：以前后相鄰碼元的載波相位的相對變化來表示數字信息的

2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對相位變化來表示數字信息。假設前后相鄰碼元的載波相位差為Δφ，可定義一種數字信息與Δφ之間的關系為第四十九頁，共70頁。2023/4/1750二進制差分相移鍵控（2DPSK）數字信息11010011102DPSK相位000000或00000碼元的相位不直接代表基帶信號，相鄰碼元的相位差才代表基帶信號。一組二進制數字信息與其對應的2DPSK信號的載波相位關系如下所示：

第五十頁，共70頁。2023/4/1751二進制差分相移鍵控（2DPSK）信號的調制：將基帶信號序列（絕對碼）進行變換，變成相對碼，然后再對載波進行2PSK調制。差分編碼相乘器載波發(fā)生器二進信息（絕對碼）（相對碼）DPSK信號2DPSK調制器絕對碼中的碼元“1”使相對碼元改變；絕對碼中的碼元“0”使相對碼元不變；第五十一頁，共70頁。2023/4/1752二進制差分相移鍵控（2DPSK）基帶序列111001101變換后序列01011101102PSK調制后相位0000第五十二頁，共70頁。2023/4/1753二進制差分相移鍵控（2DPSK）2DPSK信號調制過程波形圖11110000第五十三頁，共70頁。2023/4/1754二進制差分相移鍵控（2DPSK）單純從波形上看，2DPSK與2PSK是無法分辨的

解調2DPSK信號時并不依賴于某一固定的載波相位參考值，只要前后碼元的相對相位關系不破壞，則鑒別這個相位關系就可正確恢復數字信息，這就避免了2PSK方式中的倒現(xiàn)象發(fā)生

第五十四頁，共70頁。2023/4/1755二進制差分相移鍵控（2DPSK）信號的解調——相位比較法：

解調原理是直接比較前后碼元的相位差，從而恢復發(fā)送的二進制數字信息。由于解調的同時完成了碼反變換作用，故解調器中不需要碼反變換器。由于差分相干解調方式不需要專門的相干載波，因此是一種非相干解調方法。第五十五頁，共70頁。2023/4/1756二進制差分相移鍵控（2DPSK）信號的解調——極性比較法：

對2DPSK信號進行相干解調，恢復出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復出發(fā)送的二進制數字信息。在解調過程中，若相干載波產生180°相位模糊，解調出的相對碼將產生倒置現(xiàn)象，但是經過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊度的問題。

第五十六頁，共70頁。2023/4/17572DPSK信號相干解調器原理圖和解調過程各點時間波形第五十七頁，共70頁。2023/4/1758二進制差分相移鍵控（2DPSK）功率譜密度：

2DPSK信號的功率譜密度及信號帶寬與2PSK信號是完全一樣的。誤碼率——相位比較法：誤碼率——極性比較法：第五十八頁，共70頁。2023/4/1759二進制數字鍵控傳輸系統(tǒng)性能比較頻帶寬度

若傳輸的碼元時間寬度為T，則2ASK系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)的頻帶寬度近似為2/T，即

B2ASK=B2PSK=2/T 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

B2FSK=|f2-f1|+2/T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。第五十九頁，共70頁。2023/4/1760二進制數字鍵控傳輸系統(tǒng)性能比較誤碼率

二進制數字調制系統(tǒng)的誤碼率公式一覽表第六十頁，共70頁。2023/4/1761二進制數字鍵控傳輸系統(tǒng)性能比較誤碼率從橫向來比較，對同一種數字調制信號，采用相干解調方式的誤碼率低于采用非相干解調方式的誤碼率。從縱向來比較，在誤碼率Pe一定的情況下，2PSK、2FSK、2ASK系統(tǒng)所需要的信噪比關系為r2ASK=2r2FSK=4r2PSK

第六十一頁，共70頁。2023/4/1762二進制數字鍵控傳輸系統(tǒng)性能比較r2ASK=2r2FSK=4r2PSK上式表明，若都采用相干解調方式，在誤碼率Pe相同的情況下，所需要的信噪比2ASK是2FSK的2倍，2FSK是2PSK的2倍，2ASK是2PSK的4倍。若都采用非相干解調方式，在誤碼率Pe相同的情況下，所需要的信噪比2ASK是2FSK的2倍，2FSK是2DPSK的2倍，2ASK是2DPSK的4倍。

第六十二頁，共70頁。2023/4/1763二進制數字鍵控傳輸系統(tǒng)性能比較誤碼率將上式轉換為分貝表示式為

(r2ASK)dB=3dB+(r2FSK)dB=6dB+(r2PSK)dB上式表明，若都采用相干解調方式，在誤碼率Pe相同的情況下，所需要的信噪比2ASK比2FSK高3dB，2FSK比2PSK高3dB，2ASK比2PSK高6