第九章研究生现代通信原理-数字信号的频带传输-XXXX

现代通信原理现代通信原理PrinciplesofModernCommunications主讲：张冠茂副教授兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所Tel：18919930237E-mail：[e-mail]课程主要内容课程主要内容第一章绪论（2学时）第二章现代信息论初步（6学时）第三章通信信道与噪声（4学时）第四章信源编码理论基础（4学时）第五章脉冲编码调制理论（PCM）（6学时）第六章自适应差分编码调制（ADPCM）（3学时）第七章增量调制（ΔM）（3学时）第八章数字信号的基带传输（8学时）第九章数字信号的频带传输（8学时）第十章差错控制与信道编码（6学时）课堂讨论与机动（4学时）2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所3第九章数字信号的频带传输讲授时数：8学时主要内容：本章主要内容是介绍了简单数字信号的频带传输实现方案（2-ASK、2-FSK、2-PSK、2-DPSK）；基于匹配滤波器的数字信号的最佳接收理论；多进制数字调制理论分析；多径衰落信道下的数字信号传输（包括衰落信道下的典型概率分布、多径衰落信道下的传输性能分析、分集、宽带信号在多径衰落信道中的传输等）以及解析信号在频带传输系统分析中的应用。2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所4z前言z§9.1二进制数字调制z§9.2数字信号的最佳接收z§9.3二进制数字信号调制的误比特率z§9.4多进制数字调制理论分析z§9.5多径衰落信道下的数字信号传输z§9.6带通传输系统的复函数表示和计算第九章数字信号的频带传输2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所5前言前言数字信号在带通信道中传输时，必须用数字信号对载波进行调制。与模拟信号调制一样，数字信号调制也可以有三种方法，即幅度调制、频率调制和相位调制。z在数字信号调制时，我们把调制称为键控——Shiftkeying,ASK、FSK、PSK。2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所6§§9.19.1二进制数字调制二进制数字调制当调制信号为二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所7第九章第九章数字信号的载波传输数字信号的载波传输§9.1二进制数字调制§9.1.1二进制幅移键控(2ASK)§9.1.2二进制频移键控(2FSK)§9.1.3二进制相移键控(2PSK)§9.1.4二进制差分相移键控(2DPSK)2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所8§§9.1.19.1.1二进制二进制幅度键控（幅度键控（2ASK2ASK））z在幅移键控中载波幅度是随着调制信号而变化。最简单的形式是载波在二进制调制信号“1”或“0”的控制下通或断——故称通断键控（OOK－OnOffKeying）。z时域表达式z——载波幅度z——载波频率z——二进制数字tAatScnOOKωcos)(⋅=⎩⎨⎧=p10,1－出现概率为，出现概率为pannacωA2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所92ASK2ASK调制波形调制波形zASK典型波形示意如下z调制信号可以是具有一定波形的二进制序列，即2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所102ASK2ASKzTs——信号间隔zg(t)——调制信号的时间波形z二进制幅度键控信号的时域表达式z基带功率谱密度z功率谱密度tnTtgaScnsnASKωcos)(⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=∑[])()(41)(cBcBASKωωϕωωϕωϕ−++=∑−=nsnnTtgatB)()(2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所11z由图可见z其频谱是由基带信号频谱向fc和-fc两边平移。z其频谱宽度则是基带频谱的二倍。2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所12二进制数字调制的例子分析二进制数字调制的例子分析设是单极性随机矩形脉冲序列，且0、1出现是等概的，则2ASK信号的功率谱密度为:)]()([161)()(sin)()(sin16)(22ccScScScScSeffffTffTffTffTffTfP−+++⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎝⎛−−+++=δδππππ)(ts设是单极性随机矩形脉冲序列，且0、1出现是等概的，则2ASK信号的功率谱密度为:)(ts2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所13幅移键控幅移键控ASKASK调制器调制器z可用一个相乘器来实现2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所14幅移键控幅移键控ASKASK的解调器的解调器数字数字信息s(t)sASK(t)信息噪声cosωctt=Tb形成滤波器ASK调制器信道带通ASK解调器采样判决模拟开关CosωctSASK(t)基带信号已调信号s(t)载波Cosωct(a)(b)相乘器包络检波器或乘法器2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所15数字调制的解调器数字调制的解调器z解调器如同模拟信号双边带调制时一样，也可以由包络检波和相干解调。z对于数字信号解调来说，必须采用抽样判决，这一部分也称为再生，这是数字通信必不可少的。它能消除噪声积累。2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所16§§9.1.29.1.2二进制二进制频移键控（频移键控（2FSK2FSK））z载波频率随着调制信号“1”或“0”而变。z例1——f1,0——f2z如果g(t)为单个矩形脉冲，则波形如后z由上式可以看出，二进制频移键控信号可以看成两个不同载频的幅移键控调制信号之和，因此带宽为：tnTtgatnTtgatSnsnnsnFSK21cos)(cos)()(ωω⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=∑∑的反码是nnaa122ffBf−+=Δ2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所172FSK2FSK典型波形典型波形2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所18FSKFSK调制调制器器2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所19FSKFSK解调器解调器2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所202FSK2FSK--过零检测法过零检测法2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所21§§9.1.39.1.3二进制二进制相移键控（相移键控（2PSK2PSK））z让载波的相位随调制信号“1”或“0”而变z一般用来表示“1”或“0”z表达式z如果g(t)为矩形脉冲，则°°1800或tnTtgatScnsnPSKωcos)()(2⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=∑πφφωω或0),cos(cos)(2=+=±=iiccPSKtttS2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所222PSK2PSKz由上式可以看出，2PSK实际上等同于一个抑制载波的双边带调幅信号，因此它不存在直流分量。z波形2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所232PSK2PSK调制调制2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所242PSK2PSK解调解调z2PSK信号解调必须采用相干解调。z相干解调需要考虑载波，要求同频同相。载波必须从信号中提取，需要采用非线性变换。2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所25平方环法平方环法恢复载波恢复载波z假定x(t)zVCO输出为z相乘器输出z低通滤波后)22sin()(2φω+=tAtucVCOφφωφωΔ+Δ++Δ+=⋅=2sin4)24sin(4)22sin(2)()(AKAKAKtuKtupcpcpVCOpd21,2sin)(φφφφ−=ΔΔ=Ktudπφφφφω或为初始相位，调制相位＋0),cos(11=+=iict]1)22[cos(21)(cos)(1122++=+=φωφφωtttxcic＋2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所26同相正交环法（同相正交环法（CostasCostas环）环）zCostas环与平方环有相同的鉴相特性。2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所27平方环和平方环和CostasCostas环的环的鉴相特性鉴相特性z这就表明恢复载波可能存在二种相位。这种相位不确定性称为相位含糊（反向工作，模糊度）。z由于存在载波相位含糊，可能会引起解码错误，这就需要采用差分编译码。2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所28§§9.1.49.1.4二进制二进制差分相移键控差分相移键控（（2DPSK2DPSK））z前面的2PSK信号中，相位变化是以未调载波的相位作为参考基准，也就是发“1”码时，让0相载波过去，发“0”码时，让π相载波过去，这是利用绝对数值来传送的数字信息，因而又称绝对调相。z而常用的是利用前后码字的相对相位变化传送数字信息。这种方法称为相对调相。2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所292DPSK2DPSK调制调制2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所302DPSK2DPSK相干相干解调解调2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所312DPSK2DPSK差分差分相干相干解调解调2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所32二相差分编码二相差分编码z编码z译码⊕sTiaib1−ib1−⊕=iiibab1−⊕=iiibbc⊕sTicib1−ib2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所33二相差分编码（续）二相差分编码（续）z(1)z(2)–根据模二和运算法则111−−−⊕+=⊕=iiiiiibbabbc相π11−−⊕=+iiiibabaiiiiiabbac=⊕⊕=∴−−11iiiiiabbac=⊕⊕=−−110相2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所34第九章第九章数字信号的载波传输数字信号的载波传输前言z§9.1二进制数字调制z§9.2数字信号的最佳接收z§9.3二进制数字信号调制的误比特率z§9.4多进制数字调制理论分析z§9.5多径衰落信道下的数字信号传输z§9.6带通传输系统的复函数表示和计算2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所35第九章第九章数字信号的载波传输数字信号的载波传输§9.2数字信号的最佳接收§9.2.1匹配滤波器匹配滤波器准则分析特殊情况二进制数字接收机§9.2.2最小错误概率最佳接收机二元系统M个发送信号最大似然准则接收机2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所36§§9.29.2数字数字信号的最佳接收信号的最佳接收z条件–高斯白噪声线性信道上匹配滤波器z最大输出信噪比z最小差错概率2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所37§§9.2.19.2.1匹配滤波器匹配滤波器z为零均值高斯白噪声，其双边功率谱密度为z输出信号为HT(f)HR(f)+y(t)u(t)n0(t)∑∞−∞=−=kskkTtItu)()(δ)(0tn20n)()()(tntytys+=2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信技术研究所38匹配滤波器（匹配滤波器（22））z冲激响应z是经后的响应，服从高斯分布，均值为零，方差为z在时刻对进行抽样，则得到∑∞−∞=−=kskskTthIty)()(∫∞∞−•=dfefHfHthftjRTπ2)()()()(tn)(0tn)(fHR∫∞∞−=dffHnRn202)(2σ0tt=)(ty)()(|)(000tntytystt+==2013-12-26兰州大学信息科学与工程学院现代通信