《通信原理》_樊昌信_曹丽娜(第六版)第7章_数字带通传

1通信原理2通信原理第7章数字带通传输系统幅移键控amplitude-shiftkeying(ASK)相移键控phase-shiftkeying(PSK)频移键控frequency-shiftkeying(FSK)相干检测coherentdetection通断键控on-offkeying4第7章数字带通传输系统概述数字调制：把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。数字带通传输系统：通常把包括调制和解调过程的数字传输系统。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；通过开关键控载波，通常称为键控法。基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控数字调制可分为二进制调制和多进制调制。ttt111111000振幅键控频移键控相移键控5第7章数字带通传输系统7.1二进制数字调制原理7.1.1二进制振幅键控(2ASK）基本原理：“通-断键控(OOK)”信号表达式波形”时发送“以概率，”时发送“以概率0P101Pt,Acos)(cOOKte101t0sTst载波tt2ASK6第7章数字带通传输系统2ASK信号的一般表达式其中Ts－码元持续时间；g(t)－持续时间为Ts的基带脉冲波形，通常假设是高度为1，宽度等于Ts的矩形脉冲；an－第N个符号的电平取值，若取则相应的2ASK信号就是OOK信号。ttsteccos)(2ASKnsnnTtgats)()(P0P1an1,,概率为概率为7第7章数字带通传输系统2ASK信号产生方法模拟调制法（相乘器法）键控法乘法器)(2teASK二进制不归零信号tccos)(tstccos)(ts)(2teASK开关电路8第7章数字带通传输系统2ASK信号解调方法非相干解调(包络检波法)相干解调(同步检测法)带通滤波器全波整流器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2teASKabcd带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2teASKtccos9第7章数字带通传输系统非相干解调过程的时间波形1010tt1100abcdtt10第7章数字带通传输系统功率谱密度2ASK信号可以表示成式中s(t)－二进制单极性随机矩形脉冲序列设：Ps(f)－s(t)的功率谱密度P2ASK(f)－2ASK信号的功率谱密度则由上式可得由上式可见，2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱Ps(f)的线性搬移（属线性调制）。知道了Ps(f)即可确定P2ASK(f)。ttsteccos)(2ASK)()(41)(2ASKcscsffPffPfP11第7章数字带通传输系统由6.1.2节知，单极性的随机脉冲序列功率谱的一般表达式为式中fs=1/TsG(f)－单个基带信号码元g(t)的频谱函数。对于全占空矩形脉冲序列，根据矩形波形g(t)的频谱特点，对于所有的m0的整数，有，故上式可简化为将其代入得到msssssmffmfGPffGPPffP)()()1()()1()(220)()(nSaTmfGSS)()0()1()()1(2222fGPffGPPffPsss)()(41)(2ASKcscsffPffPfP12第7章数字带通传输系统当概率P=1/2时，并考虑到则2ASK信号的功率谱密度为其曲线如下图所示。)()()0()1(41)()()1(4122222ASK2ccsccsffffGPfffGffGPPfP)()(SSTfSaTfGSTG)0(222)()(sin)()(sin16)(scscscscsASKTffTffTffTffTfP)()(161ccffff13第7章数字带通传输系统2ASK信号的功率谱密度示意图2ASKPffcfcfcsffcsff2csff-2csff14第7章数字带通传输系统从以上分析及上图可以看出：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带谱，而离散谱由载波分量确定。2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣（第一个谱零点位置），则有式中fs=1/Ts即，2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。sASKfB2216第7章数字带通传输系统7.1.2二进制频移键控（2FSK）基本原理表达式：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。故其表达式为”时发送“”时发送“0),cos(A1),cos(A)(212FSKnnttte17第7章数字带通传输系统典型波形：由图可见，2FSK信号的波形(a)可以分解为波形(b)和波形（c），也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式又可写成10t10tt1()2FSKa信号11)cosbstt（22()coscstt18第7章数字带通传输系统式中g(t)－单个矩形脉冲，Ts－脉冲持续时间；n和n分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位，通常可令其为零。因此，2FSK信号的表达式可简化为)cos()()cos()()(212FSKnnsnnnsntnTtgatnTtgatePPan1,0,1概率为概率为PPan概率为概率为,01,1ttsttste22112FSKcoscos)(19第7章数字带通传输系统式中2FSK信号的产生方法采用模拟调频电路来实现：信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。采用键控法来实现：相邻码元之间的相位不一定连续。ttsttste22112FSKcoscos)(nsnnTtgats)(1nsnnTtgats)(2振荡器1f1反相器振荡器2f2选通开关选通开关相加器基带信号)(2teFSK20第7章数字带通传输系统2FSK信号的解调方法非相干解调带通滤波器带通滤波器抽样判决器输出包络检波器包络检波器12)(2teFSK定时脉冲21第7章数字带通传输系统相干解调带通滤波器带通滤波器抽样判决器输出低通滤波器低通滤波器12)(2teFSK定时脉冲相乘器相乘器t1cost2cos22第7章数字带通传输系统其他解调方法：比如鉴频法、差分检测法、过零检测法等。下图给出了过零检测法的原理方框图及各点时间波形。限幅微分整流脉冲展宽输出低通)(2teFSKabcdef23第7章数字带通传输系统功率谱密度对相位不连续的2FSK信号，可以看成由两个不同载频的2ASK信号的叠加，它可以表示为其中，s1(t)和s2(t)为两路二进制基带信号。据2ASK信号功率谱密度的表示式，不难写出这种2FSK信号的功率谱密度的表示式：令概率P=½，只需将2ASK信号频谱中的fc分别替换为f1和f2，然后代入上式，即可得到下式：ttsttsteFSK22112cos)(cos)()()()(41)()(41)(221122211ffPffPffPffPfPssssFSK24第7章数字带通传输系统其曲线如下：2112112FSK)()(sin)()(sin16)(sssssTffTffTffTffTfP222222)()(sin)()(sin16sssssTffTffTffTffT)()()()(1612211ffffffff25第7章数字带通传输系统由上图可以看出：相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频f1和f2处；连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化，若|f1–f2|fs，连续谱在fc处出现单峰；若|f1–f2|fs，则出现双峰；若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算2FSK信号的带宽，则其带宽近似为其中，fs=1/Ts为基带信号的带宽。图中的fc为两个载频的中心频率。sfffB2122FSK28第7章数字带通传输系统7.1.3二进制相移键控（2PSK）2PSK信号的表达式：在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为式中，n表示第n个符号的绝对相位：因此，上式可以改写为)cos(A)(2PSKnctte”时发送“”时发送“，1,00nPtPttecc1,cosA,cosA)(2PSK概率为概率为29第7章数字带通传输系统由于两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘：式中这里，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特性为即发送二进制符号“0”时（an取+1），e2PSK(t)取0相位；发送二进制符号“1”时（an取-1），e2PSK(t)取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。ttsteccos)(2PSKnsnnTtgats)()(PPan1,1,1概率为概率为30第7章数字带通传输系统典型波形1101t0sT31第7章数字带通传输系统2PSK信号的调制器原理方框图模拟调制的方法键控法乘法器)(2tePSK双极性不归零tccos)(ts码型变换tccos)(ts)(2tePSK开关电路移相0180032第7章数字带通传输系统2PSK信号的解调器原理方框图和波形图：带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2tePSKtccosabcde1010sTtabcd1tttte1110033第7章数字带通传输系统波形图中，假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0相位）。但是，由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为2PSK方式的“倒π”现象或“反相工作”。这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。为了解决上述问题，可以采用7.1.4节中将要讨论的差分相移键控（DPSK）体制。34第7章数字带通传输系统功率谱密度比较2ASK信号的表达式和2PSK信号的表达式：2ASK：2PSK：可知，两者的表示形式完全一样，区别仅在于基带信号s(t)不同（an不同），前者为单极性，后者为双极性。因此，我们可以直接引用2ASK信号功率谱密度的公式来表述2PSK信号的功率谱，即应当注意，这里的Ps(f)是双极性矩形脉冲序列的功率谱。ttsteccos)(2ASKPtPttecc1,cosA,cosA)(2PSK概率为概率为)()(41)(2cscsPSKffPffPfP35第7章数字带通传输系统由6.1.2节知，双极性的全占空矩形随机脉冲序列的功率谱密度为将其代入上式，得若P=1/2，并考虑到矩形脉冲的频谱：则2PSK信号的功率谱密度为)()0()21()()1(42222fGPffGPPffPsss)()()0()21(41)()()1(222222PSKccsccsffffGPfffGffGPPfP)()(SSTfSaTfGSTG)0(222)()(sin)()(sin4)(scscscscsP