现代通信原理第九章数字频带传输系统

第9章数字频带传输系统9.1概述9.2二进制幅移键控(2ASK)9.3二进制频移键控(2FSK)9.4二进制相移键控(2PSK和2DPSK)9.5多进制数字调制系统9.6数字频带传输系统比较9.1概述数字频带传输系统是发端含有调制，收端含有解调的数字通信系统。数字调制是用数字基带信号改变高频载波的参数，实现基带信号变换为频带信号的过程，此过程中信号频谱由原来的低频信号搬移到高频段。数字解调是把数字频带信号恢复成原来数字基带信号的过程，此信号中的频谱由高频段恢复到原来的基带信号的低频段。9.2二进制幅移键控(2ASK)9.2.12ASK信号及其功率谱9.2.22ASK调制系统9.2.12ASK信号及其功率谱2ASK信号是利用代表数字信息(0或1)的基带矩形脉冲去控制一个连续载波振幅形成的。已调信号有输出表示发送“1”，无输出时发送“0”，如图9.1所示。(1)ASK信号的功率谱是s(t)信号功率谱的线性搬移，属线性调制。(2)2ASK信号的功率谱是由连续谱、离散谱两部分组成。(3)2ASK信号带宽是二进制数字基带信号带宽的两倍。图9.12ASK信号波形s(t)cosct2ASKttt9.2.22ASK调制系统1.2ASK调制2ASK调制方法有两种，如图9.3所示。一种是通过乘法器让s(t)与载波cos相乘，这种方法是直接法。另一种是键控法。键控法是由二进制数字基带信号去控制开关电路。当出现“1”码时开关S闭合，有载频cos输出；当出现“0”码时，开关打开，无高频载波cos输出。2.2ASK解调2ASK解调方法有相干解调和非相干解调两种。图9.32ASK信号产生方框图开关s(t)coscts2ASK(t)coscts(t)s2ASK(t)(a)直接法(b)键控法9.3二进制频移键控(2FSK)9.3.12FSK信号及其功率谱9.3.22FSK调制和解调9.3.12FSK信号及其功率谱2FSK信号是用二进制数字基带信号控制高频载波频率产生已调信号，具体地说，当2FSK信号频率为f1时，代表基带信号“1”码，2FSK信号频率为f2时，代表基带信号“0”码。其波形如图9.5所示。图9.52FSK信号波形图2FSs(t)2ASK12ASK2tttt9.3.22FSK调制和解调1.2FSK调制图9.72FSK信号键控法调制方框图2.2FSK解调1)过零检测法2)差分检测法3)非相干解调4)相干解调图9.72FSK信号键控法调制方框图e(t)载波f1载波f2s(t)开关9.4二进制相移键控(2PSK和2DPSK)9.4.1二进制绝对相移调制(2PSK)9.4.2二进制相对相移键控(2DPSK)9.4.32PSK与2DPSK系统比较9.4.1二进制绝对相移调制(2PSK)1.2PSK信号及功率谱密度图9.122PSK信号波形及矢量图2.2PSK的调制解调1)2PSK的调制2)2PSK解调图9.122PSK信号波形及矢量图(a)波形图s(t)cosct2PSKttt(b)矢量图·“1”“0”00°09.4.2二进制相对相移键控(2DPSK)1.2DPSK信号及功率谱图9.172DPSK信号波形及矢量图2.2DPSK调制3.2DPSK解调图9.172DPSK信号波形及矢量图·“1”“0”s(t)2DPSKtt(a)波形图00°(b)矢量图9.4.32PSK与2DPSK系统比较(1)2PSK与2DPSK信号带宽均为2fB；(2)当r相同时，2DPSK系统的两种解调误码率均比2PSK系统误码率大，故2DPSK系统的抗噪声性能不及2PSK系统；(3)两种解调方法的最佳判决门限均为0；(4)2DPSK系统不存在反向工作现象。9.5多进制数字调制系统9.5.1M进制幅移键控9.5.2M进制频移键控(MFSK)9.5.3M进制相移键控(MPSK或MDPSK)9.5.1M进制幅移键控在MASK信号中有M种振幅，每种振幅对应数字基带信号的一种状态。如图9.21所示。MASK的调制有多种电平残留边带调制，多电平相关编码单边带调制及多电平正交调幅等。MASK信号是用幅度携带信息在系统中传输，抗衰落能力差，只宜在恒参信道中使用。图9.21MASK调制波形e(t)9.5.2M进制频移键控(MFSK)在MFSK信号中，振幅相同，频率有M种，每种频率对应M进制数字基带信号的一种状态。图9.22是M=4的频移键控波形。也有离散相位M进制频移键控DPMFSK和连续相位M进制频移键控CPMFSK之分。MFSK用频率传输基带信号，其抗衰落能力比MASK强，主要缺点是信号频率宽、频带利用率低。图9.224FSK调制波形s(t)4FSKS(t)9.5.3M进制相移键控(MPSK或MDPSK)1.4PSK和4DPSK波形图9.244PSK波形和4DPSK波形2.4PSK调制系统3.4DPSK调制系统图9.244PSK波形和4DPSK波形4DPSK波形未调载波4PSK波形9.6数字频带传输系统比较9.6.1传输带宽和频带利用率9.6.2信号功率9.6.3信道特性对调制系统影响9.6.4设备复杂性与成本9.6.1传输带宽和频带利用率在幅移键控和相移键控方式中，信号传输带宽都要取到2fB以上，在频移键控方式中，传输带宽都要取到f1–fM+2fB以上，因此如果信道带宽很紧张，就不应考虑使用FSK方式。PSK或ASK的频带利用率高，系统有效性好。FSK频带利用比其他两种低，故系统有效性低。9.6.2信号功率可以把二进制数字频率传输系统的误码率列表对照，如表9.1所示。其中a2正比于信号的峰值功率。就发送设备和接收设备成本而言，常常是峰值功率比平均功率更受限制。当给定误码率(10-4~10-7)的条件下，所需峰值功率从大到小排列有相干2PSK，差分检测2DPSK，相干2FSK，相干2ASK，非相干2FSK，非相干2ASK。因此在峰值功率是主要矛盾场合，ASK方案不予考虑。表9.1数字频带传输系统误码率公式调制方式误码率公式备注相干e1erfc24rP2ASK非相干)4exp(21erP相干e1erfc22rP2FSK非相干)2exp(21erP2PSK相干rPerfc21e相位比较rPexp21e2DPSK极性比较rPerfce22n2ar其中22a是已调信号的功率，2n是功率噪声。当P=0.5时，2ASK判决门限VT=a/2，2PSK、2DPSK和2FSK判决门限为VT=09.6.3信道特性对调制系统影响信道的特性，主要指非线性失真和衰落等会对调制系统有影响，选择调制方案时，应予以考虑。信道特性变化，会对2ASK的判决门限值有影响。FSK和PSK是等幅信号，门限判决电平与接收信号电平无关。而ASK方案中门限电平要随输入信号电平的变化而调整，也就是说，ASK信号对衰落很敏感。9.6.4设备复杂性与成本一般来说，设备越复杂，成本越高。PSK、FSK和ASK的发送设备复杂程度大体差不多，接收设备取决于采用相干解调还是非相干解调方式。总的来说，相干方式比非相干复杂，而在非相干解调中，复杂程度最高的是DPSK，其次是FSK和ASK。