數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)第1頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第六章正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)6.1引言6.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理6.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能6.4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較6.5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)6.6改進(jìn)的數(shù)字調(diào)制方式第2頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.1引言正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)數(shù)字信號的傳輸方式基帶傳輸頻帶傳輸調(diào)制的功能：①使信號更適合于信道傳輸。②實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用提高通信系統(tǒng)的有效性。③提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力提高通信系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字調(diào)制的三種最簡單最基本方式

2ASK2FSK2PSK/2DPSKMASKMFSKMPSK/MDPSK改進(jìn)型擴(kuò)展第3頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六頻帶傳輸：可實(shí)現(xiàn)信號遠(yuǎn)距離傳輸。傳輸信道是高頻帶通型。傳輸必須經(jīng)過數(shù)字調(diào)制，將編碼波形的功率譜經(jīng)數(shù)字調(diào)制變換到信道傳輸頻帶內(nèi)。信源格式化信源編碼信道編碼擾碼加密多路復(fù)用數(shù)字調(diào)制擴(kuò)頻調(diào)制多址連接發(fā)送設(shè)備信道噪聲源接收設(shè)備多址連接受信者信源譯碼信道譯碼解擾解密解復(fù)用數(shù)字解調(diào)擴(kuò)頻解調(diào)數(shù)學(xué)調(diào)制系統(tǒng)101101t101101t數(shù)學(xué)調(diào)制系統(tǒng)第4頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理第5頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.2.1二進(jìn)制振幅鍵控2ASK1.信號定義及表示定義：用二進(jìn)制數(shù)字基帶信號控制正弦載波的振幅，使其一一對應(yīng)變換?！?”→ACOSωct=e1(t)“0”→0COSωct=e2(t)110100111…t2ASK信號表示為：

e2ASK(t)=S(t)COSωct其中S(t)是單極性不歸零矩形脈沖信號。2ASK信號的平均功率為（當(dāng)“0”“1”等概時）：P＝A2/4第6頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六2ASK信號的互相關(guān)系數(shù)ρ

兩個碼元波形e1(t)、e2(t)的互相關(guān)系數(shù)ρ

信號（波形）互相關(guān)系數(shù)的物理意義：描述信號（波形）的相似程度。兩個波形完全相關(guān)。兩個波形不相關(guān)或兩個波形是正交的。兩個波形不相關(guān)且極性相反或兩個波形超正交。第7頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六模擬調(diào)制法原理框圖2.調(diào)制方式與門多諧振蕩器帶通濾波器鍵控法原理框圖第8頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六3.解調(diào)方式（非相干檢測、同步檢測）帶通濾波器半波或全波整流低通濾波器抽樣判決再生110100111…ttt110100111…t第9頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六帶通濾波器低通濾波器抽樣判決再生同步檢測原理框圖3.解調(diào)方式（非相干檢測、同步檢測）解調(diào)原理第10頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六4.2ASK信號的頻譜特性模擬調(diào)制法原理框圖S(t)是單極性不歸零矩形脈沖信號,它的功率譜特性為2ASK信號的功率譜特性為第11頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六f0第12頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.2.2二進(jìn)制頻率鍵控2FSK1.信號定義及表示定義：用二進(jìn)制數(shù)字基帶信號控制正弦載波的頻率，使其一一對應(yīng)變換?！?”→ACOSω1t=e1(t)“0”→ACOSω2t=e2(t)如果二進(jìn)制數(shù)字基帶信號S(t)是單極性不歸零矩形脈沖信號，2FSK信號可以表示為2FSK信號相當(dāng)于兩個2ASK信號之和。110100111…t第13頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六2.FSK信號的功率譜密度函數(shù)f0第14頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六FSK信號的頻帶寬度f0fa曲線fb曲線第15頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六2FSK信號的互相關(guān)系數(shù)

兩個碼元波形的互相關(guān)系數(shù)

的正整數(shù)的正整數(shù)如果第16頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六2.調(diào)制方式與非門反相器BPF多諧振蕩器f1多諧振蕩器f2與非門與非門S(t)e2fsk(t)模擬FM器S(t)e2fsk(t)多諧振蕩器f可變分頻器NBPFS(t)“1”→N1“0”→N2e2fsk(t)f/N1=f1

f/N2=f2

第17頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六3.解調(diào)方式（包絡(luò)檢波、同步檢測、過零檢測、差分檢測）BPF低通濾波器BPF低通濾波器抽樣判決再生BPF第18頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六過零檢測1010t帶通限幅微分器整流器脈沖展寬LPF抽樣判決再生e2fsk(t)S(t)tttt第19頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六差分檢波法BPFLPF抽樣判決再生e2FSK(t)位同步信號延遲器輸出信號為乘法器輸出第20頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六設(shè)計使第21頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.2.3二進(jìn)制移相鍵控2PSK及二進(jìn)制差分移相鍵控2DPSK1.定義、信號表示及波形、互相關(guān)系數(shù)ρ、信號平均功率。0110Tst信號表示及波形:一.二進(jìn)制移相鍵控2PSK定義：2PSK是用已調(diào)信號相位相對未調(diào)載波相位的變化來表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號。第22頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六信號的互相關(guān)系數(shù)ρ:信號平均功率:第23頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六2.調(diào)制方式、解調(diào)方式（相干解調(diào)）

S(t)×e2psk(t)多諧振蕩器反相器數(shù)據(jù)選擇器BPFe2psk(t)

2fsS(t)調(diào)制原理框圖×LPFfs

抽樣判決位同步恢復(fù)S(t)e2psk(t)解調(diào)原理框圖第24頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六3.2PSK解調(diào)存在的倒π現(xiàn)象(相位模糊現(xiàn)象)正常解調(diào)二進(jìn)制差分移相鍵控2DPSK可解決倒π問題。倒π現(xiàn)象判決準(zhǔn)則：抽樣值>=0,判：“0”抽樣值<0,判：“1”第25頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六1.定義：利用相鄰碼元的正弦載波相位差ΔΦ表示數(shù)字信息。絕對碼an“0”an“1”相鄰碼元對應(yīng)的正弦載波相位差ΔΦ＝0ΔΦ＝πΔΦ＝Φn－Φn-1

二.二進(jìn)制差分移相鍵控2DPSKbn

0

0

10110an011101Tst波形：第26頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六調(diào)制過程：an→bn→2PSK信號表示：存在倒π問題消除倒π問題解調(diào)過程：2DPSKbnan第27頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六2DPSK調(diào)制方式S(t)多諧振蕩器反相器數(shù)據(jù)選擇器BPF2fs差分編碼e2Dpsk(t)

×差分編碼

S(t)e2Dpsk(t)第28頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六2DPSK解調(diào)方式（同步檢測、差分相干檢測）×LPFfs抽樣判決位同步恢復(fù)S(t)差分譯碼e2Dpsk(t)×LPFfs抽樣判決位同步恢復(fù)S(t)e2Dpsk(t)延遲TsBPF第29頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六差分相干檢測分析S(t)e2Dpsk(t)×LPFfs抽樣判決位同步恢復(fù)延遲TsLPF輸出任意碼元周期2DPSK信號延遲器輸出乘法器輸出抽樣判決值判決為“1”判決為“0”BPF第30頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六如果P=1/2,2PSK、2DPSK頻譜相同2PSK、2DPSK信號頻譜0ffc2fs-fc2fsP(f)第31頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能第32頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能第33頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.3.12ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能2ASK調(diào)制高斯信道BPFB=2fs包絡(luò)檢波抽樣判決一.非相干解調(diào)1．建立模型分析解調(diào)過程Y(t)V(t)Pe第34頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第35頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六2.抽樣時刻信號加噪聲的一維概率密度函數(shù)f1(V)，f0(V)

發(fā)’1’時，正弦信號加窄帶高斯過程的包絡(luò)V(t)服從廣義瑞利分布。發(fā)’0’時，窄帶高斯過程的包絡(luò)V(t)服從瑞利分布。其中：V解調(diào)器輸出信號(信號加噪聲)a解調(diào)器輸入信號幅度零均值窄帶高斯過程的平均功率I0(?)零階修正貝塞爾函數(shù)第36頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六V0第37頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六誤碼率Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)=P(1)P(V<b)+P(0)P(V≥b)

3.求錯誤的轉(zhuǎn)移概率第38頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六0bV第39頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第40頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六4.誤碼率Pe及結(jié)論2ASK系統(tǒng)采用包絡(luò)檢波的誤碼率Pe與先驗(yàn)概率P(1)、P(0)有關(guān)。Pe與解調(diào)器輸入信噪比有關(guān)。Pe與判決門限有關(guān)。缺點(diǎn)只有判決門限b(b0)是接收端可以設(shè)置的。第41頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六如果P(1)=P(0)=1/2,

如果再有r>>1大輸入信噪比，最佳判決門限b＝a/2,第42頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六二.2ASK系統(tǒng)采用相干解調(diào)的抗噪聲性能第43頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.3.22FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能第44頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第45頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第46頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六2.信號加噪聲的一維概率密度函數(shù)第47頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第48頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六3.求錯誤的轉(zhuǎn)移概率第49頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六4.2FSK系統(tǒng)相干解調(diào)的誤碼率及結(jié)論第50頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六三.二進(jìn)制差分移相鍵控采用差分檢測時系統(tǒng)抗噪聲性能第51頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六假設(shè)：前后兩個符號均為“0”第52頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第53頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第54頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六誤碼率及結(jié)論第55頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六結(jié)論第56頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較第57頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第58頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.例：P147.例6.3.1P150.例6.3.2P154.例6.3.3第59頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)第60頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.5.1MASK調(diào)制系統(tǒng)第61頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第62頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六2.MASK系統(tǒng)第63頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六3.MASK系統(tǒng)的抗噪聲性能第64頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第65頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第66頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六r，erfc(),Pe。L，erfc(),Pe。對于不同的L值，要保持相同Pe，要大致以的倍率增大r。如：4電平系統(tǒng)與2電平系統(tǒng)有相同的Pe時，4電平系統(tǒng)信噪比是2電平系統(tǒng)信噪比的5倍(7db)左右。如：16電平系統(tǒng)與2電平系統(tǒng)有相同的Pe時，16電平系統(tǒng)信噪比是2電平系統(tǒng)信噪比的85倍(19.3db)左右。5101520253035r(db)Pe110－110－210－310－410－510－64816第67頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.5.3多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制的原理及抗噪聲性能（相對于載波）第68頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六000001010011100101110111第69頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六2.四相絕對移相鍵控(4PSK，QPSK)第70頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第71頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第72頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第73頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六3.四相差分移相鍵控第74頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六4進(jìn)差分編譯關(guān)系第75頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第76頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六4DPSK調(diào)制與解調(diào)方法4DPSK調(diào)制方法差分編加正交移相鍵控差分編加相位選擇法4DPSK解調(diào)方法極性比較法相位比較法第77頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六4DPSK調(diào)制Δcdk差分編加正交移相鍵控第78頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六4DPSK解調(diào)Δk（極性比較法）第79頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六串并轉(zhuǎn)換4進(jìn)差分編單/雙π/4∑－π/4單/雙BPFLPFπ/4－π/4抽樣判決LPF抽樣判決差分譯并串轉(zhuǎn)換abcdabcd…ab……ab…4DPSK信號4DPSK信號01000101101101100cd/1#/1#“0”→+“1”→-≥0→“0”<0→“1”第80頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六BPFLPFπ/4－π/4抽樣判決LPF抽樣判決并串轉(zhuǎn)換ab…ab…4DPSK信號≥0→“0”<0→“1”Ts4DPSK解調(diào)方法相位比較法第81頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.5.4振幅相位聯(lián)合鍵控APK

兩種調(diào)制方式正交調(diào)幅QAM復(fù)合移相鍵控以16QAM為例0001111000011110010000000101000101110011001001001010111010111111100111011000110016QAM星座圖第82頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.5.4振幅相位聯(lián)合鍵控APK

兩種調(diào)制方式正交調(diào)幅QAM復(fù)合移相鍵控以16QAM為例0001111000011110010000000101000101110011001001001010111010111111100111011000110016QAM信號星座圖第83頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六010000000101000101110011001001001010111010111111100111011000110016QAM星座圖星座圖：“矢量頂點(diǎn)的分布圖”?！叭縈個點(diǎn)的集合陣列稱為信號空間的星座圖，它是M元信號空間的直觀表示”。第84頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六16進(jìn)制復(fù)合移相鍵控數(shù)字基帶信號4PSK4PSK數(shù)字基帶信號“大圓”“小圓”0100000001010001011100110010010010101110101111111001110110001100第85頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六信號最小距離的定義及意義當(dāng)兩個信號最大振幅均為A時，16PSK信號的最小距離d1＝0.39A16APK信號的最小距離d2＝0.47Ad2比d1大1.2倍（1.64db）16PSK信號的平均功率＝A2/216APK信號的平均功率＝0.56×A2/2信號的最小距離：（也稱歐幾里得距離或歐氏距離）信號星座圖中，兩相鄰信號點(diǎn)的最小距離。信號的歐氏距離越大，系統(tǒng)誤碼率越小。16APK信號與16PSK信號比較。設(shè)16PSK信號的振幅為A，第86頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六010000000101000101110011001001001010111010111111100111011000110016QAM信號星座圖16PSK信號星座圖d1d2第87頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六當(dāng)兩個信號平均功率相等時。（解調(diào)器輸入信噪比相等）16PSK信號的最小距離d1＝0.39A16APK信號的最小距離d2＝0.63Ad2比d1大1.6倍（4.2db）

16APK系統(tǒng)的誤碼率小于16PSK系統(tǒng)的誤碼率。第88頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.6改進(jìn)的數(shù)字調(diào)制方式第89頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六6.6.1最小移頻鍵控（MSK）第90頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六2.MSK是2FSK信號的特例即：具有最小的頻差且相位連續(xù)。第91頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第92頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第93頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六MSK信號在碼元切換點(diǎn)相位連續(xù)相位常數(shù)的選擇保證碼元切換點(diǎn)相位連續(xù)。相位常數(shù)需滿足

的初始相位為0相。所以ak=ak-1第94頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六附近相位函數(shù)是直線方程0tTs3Ts5Ts7Ts一組與解調(diào)原理有關(guān)的數(shù)據(jù)在[0,2Ts]區(qū)間當(dāng)數(shù)據(jù)為11或10，當(dāng)數(shù)據(jù)為00或01，10011100第95頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六3.MSK信號的產(chǎn)生方法與解調(diào)方法第96頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六第97頁，共106頁，2023年，2月20日，星期六的產(chǎn)生方法：為奇數(shù)為奇數(shù)為偶數(shù)和各自經(jīng)過2Ts才可能改變極性，且交錯(k奇、k偶)。尋找或ak≠ak-1，且k為偶數(shù)或ak≠ak-1，且k為奇數(shù)第98頁，共106頁，2023年，2月20