数字带通传输系统

1通信原理第7章数字带通传输系统内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》2第7章数字带通传输系统7.1二进制数字调制原理7.2二进制数字调制系统的抗噪声性能7.3二进制数字调制系统的性能比较7.4多进制数字调制原理（了解）7.5多进制数字调制系统的抗噪声性能（×）内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》3大多数信道具有带通传输特性，而数字基带信号往往具有丰富的低频分量，不适合直接在带通信道中进行传输，而必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。通常把包括调制和解调过程的数字传输系统称为数字带通传输系统或数字频带传输系统可以用数字基带信号改变正弦型载波的幅度、频率或相位中的某个参数，产生相应的数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制。也可用数字基带信号同时改变载波幅度、频率或相位中的某几个参数，产生新型的数字调制。第7章数字带通传输系统内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》4第7章数字带通传输系统一般来说，数字调制与模拟调制的基本原理相同，但是数字信号有离散取值的特点。因此数字调制技术有两种方法：利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理。利用数字信号离散取值的特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控方法，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控、频移键控和相移键控三种基本的数字调制方式。内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》5第7章数字带通传输系统t101t101t101(a)振幅键控(b)频移键控(c)相移键控图7-1正弦载波的三种键控波形数字信息有二进制和多进制之分，因此数字调制可以分为二进制调制和多进制调制。在二进制调制中，信号参量只有两种可能的取值；而在多进制调制中，信号参量可能有M(M2)种取值。本章主要讨论二进制数字调制系统的原理和抗噪声性能。内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》67.1二进制数字调制原理7.1.1二进制振幅键控（2ASK）在2ASK中，载波的幅度只有两种变化状态，分别对应二进制信息“0”和“1”。最为常用的是一种称为通-断键控(OOK)的方式，其表达式为:OOKcos()0cAtet以概率1－P发送“0”时以概率P发送“1”时在OOK中用电压的有和无来表示二进制符号。1.2ASK基本原理振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。72ASK信号的一般表达式可以写为2ASK()()coscettst其中()()nsnstagtnT为分析方便，通常假设g(t)是高度为1、宽度等于Ts的矩形脉冲；an是第n个符号的电平取值。10na概率为1－P概率为P则2ASK信号就是OOK信号。Ts为码元持续时间；g(t)为持续时间为Ts的基带脉冲波形。s(t)1001ttt载波2ASKTs图7-22ASK/OOK信号时间波形若82ASK/OOK信号的产生方法乘法器s(t)二进制不归零信号e2ASK(t)cosct(a)模拟相乘法coscte2ASK(t)开关电路s(t)(b)数字键控法图7-32ASK/OOK信号调制器原理框图模拟调制法（相乘器法）键控法92ASK信号与模拟调制中的AM信号类似。所以，2ASK信号能够采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)。2ASK/OOK信号的解调方法a.相干解调——同步解调图7-42ASK/OOK信号解调器原理框图带通滤波器乘法器低通滤波器抽样判决器输入输出定时脉冲Coswcte2ASK(t)b.非相干解调——包络检波带通滤波器半波或全波整流器低通滤波器抽样判决器输入输出定时脉冲abcde2ASK(t)1011001000101100100010图7-52ASK信号非相干解调过程的时间波形abcd数字基带信号带通滤波器半波或全波整流器低通滤波器抽样判决器输入输出定时脉冲abcde2ASK(t)112.2ASK信号的功率谱密度2ASK信号的时域表达式为：2ASK()()coscettst)]()([161}])([)([16)(222ccscascasASKffffTffSTffSTfP])[(41cos)(21)(coscos)()()(cos)()(cos)()()()(ccjjscsccccooeoeeRRtttststtsttsteteR若s(t)是单极性不归零矩形脉冲序列，且“0”、“1”等概出现，则其功率谱密度Ps(f)为：（见6.1.2节）)21()(41)(4)(2PffTSaTfPsss设s(t)的功率谱密度为Ps(f)则2ASK的功率谱密度为：2ASK(1())4)[(]scscPPffPfff120fsf3sf单极性（不归零）信号()sPf单极性NRZ序列的功率谱密度2221414SSSSSmPffGffGmffmf()()()()SSSSSfTSaGfTfTTfTsin()()这时22211444411sin()()()()SssSSssfTPffTffTTSaffTBs=1/τ=fs单极性NRZ序列的离散谱只有直流分量，其带宽取决于连续谱，第一个零点在f=fs。132ASK信号的功率谱密度是基带信号功率谱密度Ps(f)的线性搬移。2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成；连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边谱，而离散谱由载波分量确定。2ASK信号的带宽B2ASK是基带信号带宽的2倍，若只计算谱的主瓣，则有B2ASK=2fs=2/Ts，Ts是基带信号码元周期。)]()([161}])([)([16)(222ccscascasASKffffTffSTffSTfP2ASK(1())4)[(]scscPPffPfff图7-62ASK信号的功率谱密度示意图2ASKPffcfcfcsffcsff2csff-2csff内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》147.1二进制数字调制原理7.1.2二进制频移键控（2FSK）1.2FSK基本原理频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。其表达式为12FSK2cos()()cos()nnAtetAt发送“0”时发送“1”时其中，和分别是第n个码元(1或0)的初始相位。在频移键控中，和不携带信息，通常假设和为零。nnnnnn15ttt1010图7-72FSK信号的时间波形(a)2FSK信号(b)(c)11()cosstt22()cosstt2FSK信号的波形可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。2FSK12()()cos()cosnssnnnetgtnTtgtaanTt其中是的反码，若，；，；nana1na0na1na0na故2FSK信号的时域表达式又可以写成：162FSK信号的产生方法振荡器1f1选通开关1相加器基带信号振荡器2f2选通开关2反相器图7-8键控法产生2FSK信号的原理图2FSKet()基带信号模拟调频器2FSK信号模拟调频法产生2FSK信号的原理图模拟调频电路：信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。键控法：相邻码元之间的相位不一定连续。即输出波形在开关转换时刻是不连续的，称为相位不连续2FSK。172FSK信号的解调方法——非相干解调法带通滤波器1抽样判决器定时脉冲输出2FSK()et带通滤波器2包络检波器包络检波器解调原理：将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决。判决规则：调制时，若规定“1”符号对应载波频率f1，则接收时上支路的样值较大，则判为“1”；反之则判为“0”。非相干解调、相干解调、过零检测法、鉴频法、差分检测法等182FSK信号的解调方法——非相干解调法带通滤波器1抽样判决器定时脉冲输出2FSK()et带通滤波器2包络检波器包络检波器)(ty)(1ty)(2ty)(1tv)(2tv)(ts192FSK信号的解调方法——相干解调法带通滤波器抽样判决器定时脉冲输出2FSK()et低通滤波器低通滤波器12带通滤波器相乘器相乘器1tcos2tcos解调原理：是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号；分别进行相干解调；通过对上下两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号。判决准则与非相干解调时一致。202FSK信号的解调方法——过零检测法解调原理：2FSK信号的过零点数随不同频率而异，通过检测过零点数目的多少，从而区分两个不同频率的信号码元。经限幅、微分、整流后形成尖脉冲序列，这些尖脉冲序列的密度程度反映了信号频率的高低，尖脉冲的个数就是过零点数。把这些尖脉冲变换成较宽的矩形脉冲，以增大其直流分量，该直流分量的大小和信号频率的高低成正比。然后经低通滤波器取出此直流分量，这样就完成了频率—幅度变换，从而根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。输出abcdef2FSK()et限幅微分整流脉冲形成低通21过零检测法解调器的各点时间波形如下图所示：110011abcefd110011输出abcdef2FSK()et限幅微分整流脉冲形成低通222.2FSK信号的功率谱密度对相位不连续的2FSK信号，可看成由两个不同载频的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号功率谱密度可近似表示成中心频率分别为f1和f2的两个2ASK信号功率谱密度的组合。相位不连续的2FSK信号的时域表达式为：12212FSKetsttstt()()cos()cos其中s1(t)和s2(t)为两路二进制数字基带信号nnstgtanT1()()nnsttnTag2()()根据2ASK信号的功率谱密度式(7.1-9)，可得到1122122211144FSKssssPfffPfPfPfPfff()()()()()231122122211144FSKssssPfffPfPfPfPfff()()()()()令概率P=1/2，即0、1等概，则有：222222221111112221616116SSSFSKSSSSSSSTfTfTPffTfTTfTfTfTfTffffffffffffffffsin()sin()()()()sin()sin()()()()()()()24ffs0Ps(f)ts1(t)s2(t)t由于s1(t)和s2(t)时域波形互补，所以其功率谱密度相同。如下图所示：fc+fs0fc﹣fcfc﹣fsfP2ASK(f)图中只画出了主瓣1122122211144FSKssssPfffPfPfPfPfff()()()()()25那么2FSK信号的功率谱密度有以下几种情况：（只画正半轴波形，负半轴波形与正半轴对称）f1+fs0f1fP2ASK1(f)f2f2+fsf2﹣fsf1﹣fsP2ASK2(f)P2FSK(f)212sfff212122FSK()()sssBfffffff在f1和f2处：存在离散谱且连续谱出现双峰260f1fP2ASK1(f)f2f2+fsf1﹣fsP2ASK2(f)0f1ff2f2+fsf1﹣fsP2FSK(f)212ssffff212122FSK()()sssBfffffff在f1和f2处：存在离散谱且连续谱出现双峰27210sfff0f1fP2ASK1(f)f2f2+fsf1﹣fsP2ASK2(f)0f1ff2f2+fsf1﹣fsP2FSK(f)2