通信原理A第六章1

数字频带传输系统研究的意义数字基带信号本身往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量；在某些具有低通特性的有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传输，即数字基带传输；而大多数信道，如各种无线信道和光信道，则是带通型的，数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到高频载波处才能在信道中传输，我们把这种传输称为数字频带传输。本章数字调制用的载波为连续正弦波，有时又称数字调制系统或数字信号的载波传输（数字频带传输）。数字调制的分类数字调制与模拟调制类似，也有调幅，调频，调相三种基本形式，并派生出多种其它形式。但由于调制信号为数字形式，呈离散状态，在状态切换时，类似于对载波进行开关控制，故称作键控。如：,ASKFSKPSK基本形式又分二进制数字调制：2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK多进制数字调制：MASK、MFSK、MPSK、MQAM随着现代通信技术的发展，又出现了很多新型数字调制技术，如QAM、MSK、GMSK、OFDM、TCM、扩频调制等。表达式、波形、频谱(功率谱)、带宽、功率分配调制和解调方框图抗噪性能分析(可靠性，Pe)•分析的思路一致，基本从三个方面进行：分析方法：§6.1二进制数字调制系统一、二进制振幅键控（2ASK）振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。二进制符号序列可表示为s(t)=)(SnnnTtga其中:0,1,1npap以概率以概率Ts是二进制基带信号时间间隔，g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲:则2ASK信号可表示为s2ASK(t)=ttstnTtgaccSnncos)(cos)(1、2ASK信号表示式2、2ASK信号波形2ASK信号又称为通断键控信号（OOK）3、2ASK信号的功率谱与带宽其中,Ps(f)为S(t)的功率谱，它由g(t)的形状决定。这里g(t)为矩形波2()()cosASKcststt)]()([41)(2cscsASKffPffPfP2122212()(1)()()()(1)()()ssssssmpffppGfGffpGmfpGmffmf信号S(t)为单极性随机矩形脉冲序列，可求得其功率谱如下：——双边谱222ASK12sin()sin()1P(f)=[][()()]16()()16ScSccccScSpTffTffffffffTffT当时，整理后可得：其由离散谱和连续谱两部分组成。离散谱由载波分量确定，连续谱由基带信号波形g(t)确定，二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍,即B2ASK=2B。根据矩形波形g(t)的频谱特点，对于所有m0的整数，有＝0()sGmf－2fs－fc－fs－fc－fc＋fs－fc＋2fsOfc－2fsfc－fsfc＋2fsfc＋fsfcf0dBP2ASK(f)B2ASK=2Bs=2RB调制后信号的功率谱图：2()ASKst调制前信号的功率谱图：()st4、2ASK信号调制原理框图乘法器coscts2ASK（t）(a)cosct开关电路s(t)s2ASK（t）(b)s(t)图(a)是模拟相乘方法实现，图(b)是采用数字键控方法实现5、2ASK信号解调原理框图⑴非相干解调（包络检波）⑵相干解调（同步检测法）cosct11100000101abcd2ASK信号非相干解调过程的时间波形经整流经LPF经判决2ASK存在的问题由于信道衰减可能发生变化，使判决门限不能保持最佳（判决最佳门限需要随着信道衰减而变化），造成抗噪性能变差。即对信道特性变化敏感。正弦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，信号“1”对应载波f1，信号“0”对应载波f2，则产生二进制移频键控信号（2FSK信号）。1、2FSK信号表达式ttsttstnTtgatTntgatsnSnSnnFSK2211212cos)(cos)(cos)]([cos)]([)(二、二进制移频键控（2FSK）2FSK信号实际上就是由两个2ASK信号相加得来。2、二进制移频键控信号的时间波形aak1011001ts(t)ts(t)bttcdettfgt2FSK信号s2FSK(t)=s1(t)cosω1t+s2(t)cosω2t2FSK信号的功率谱密度P2FSK(f)为3、2FSK信号的功率谱与带宽4141P2ＦＳＫ(f)=[Ps1(f+f1)+Ps1(f-f1)］+［Ps2(f+f2)+Ps2(f-f2)］令概率P=1/2，将二进制数字基带信号的功率谱密度公式代入上式2211211222222sin()sin()[]16()()sin()sin()[]16()()SSSFskSSSSSSSTffTffTPffTffTTffTffTffTffT＋［δ(f+f1)+δ(f-f1)+δ(f+f2)+δ(f-f2)］161相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成，其中，离散谱位于两个载频f1和f2处；连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加形成；若两个载波频差小于fs，则连续谱在fc处出现单峰；若载频差大于fs，则连续谱出现双峰。若以二进制移频键控信号功率谱第一个零点之间的频率间隔计算二进制移频键控信号的带宽，则该二进制移频键控信号的带宽B2FSK为B2FSK=|f2-f1|+2fs,如图所示。其中fs=1/Ts。相位不连续2FSK信号的功率谱示意图fc=(f1＋f2)/2h=(f2－f1)/RBh=0.5h=0.7h=1.5fc－1.5RBfc－RBfc－0.5RBfcfc＋0.5RBfc＋RBfc＋1.5RBf若两个载波频差小于fs，则连续谱在fc处出现单峰；若载频差大于fs，则连续谱出现双峰。B2FSK=|f2-f1|+2fs=|f2-f1|+2RB其中fs=1/Ts=RB4、2FSK信号调制原理框图⑴调频法FMS(t)2FSK⑵键控法振荡器1f1选通开关反相器基带信号选通开关振荡器2f2相加器e2FSK(t)数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图(b)相干解调s2FSK(t)BPF1包络检波器抽样判决器输出定时脉冲BPF2包络检波器(a)s2FSK(t)BPF1LPF抽样判决器输出定时脉冲BPF2LPFcos1tcos2t(b)5、2FSK信号解调器原理图(a)非相干解调111000001012FSK信号2FSK非相干解调过程的时间波形限幅e2FSK(t)ab微分c整流d脉冲形成低通ef输出(a)abcde2FSK信号解调-过零检测法：数字调频波过零点数随不同载频而异，故检出过零点数就可以得到关于频率的差异说明：抽样判决器门限为0，不需要根据信道情况去调整门限，可靠性比2ASK要好。2FSK只适用于中低速率场合，如话带MODEM采用2FSK速率只能到1200Baud。1、表达式正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化。用载波的0°和180°相位分别表示二进制数字基带信号的1和0。二进制移相键控信号的时域表达式为s2PSK(t)=g(t-nTs)］cosωct其中,an应选择双极性，即nna[三、二进制移相键控（2PSK）1,发送概率为P-1,发送概率为1-Pan=可见，当发送二进制符号1时，已调信号s2PSK(t)取0°相位，发送二进制符号0时，s2PSK(t)取180°相位。这种方式称为二进制绝对移相方式。若g(t)是脉宽为Ts,高度为1的矩形脉冲时，则有s2PSK(t)=cosωct,发送概率为P-cosωct,发送概率为1-P2、2PSK信号的时间波形A－ATstO{an}:1001波形规律：异变同不变222PSKsin()sin()P(f)=[]4()()SccScScSTffffTffTffT2PSK信号的功率谱一般情况下二进制移相键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱所组成，其结构与二进制振幅键控信号的功率谱密度相类似，带宽也是基带信号带宽的两倍。当二进制基带信号的“1”符号和“0”符号出现概率相等时，则不存在离散谱。3、2PSK信号的功率谱与带宽B2PSK=2Bs=2RB4、2PSK信号的调制原理图s(t)码型变换双极性不归零乘法器s2PSK(t)cosct(a)cosct0°开关电路s2PSK(t)180°移相s(t)(b)(a)模拟调制的方法产生2PSK信号(b)数字键控法产生2PSK信号5、2PSK信号的解调原理图2PSK信号的解调采用相干解调，这种解调方法又称为极性比较法。BPFs2PSK(t)acLPFdbe抽样判决器输出cosct定时10a110100bcde2PSK信号相干解调各点时间波形这种现象通常称为“倒π”现象（或反向工作现象、或相位模糊现象）。由于在2PSK信号解调存在“倒π”现象，从而使得2PSK方式在实际中很少采用。当恢复的相干载波产生180°倒相时，解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反，解调器输出数字基带信号全部出错。6、2PSK数字调制方式存在的问题在2PSK信号中，用载波相位的绝对数值表示数字信息，称为绝对移相。由于相干载波恢复中载波相位的180°相位模糊，导致解调出的二进制基带信号出现反向现象，从而难以实际应用。为了解决2PSK信号解调过程的反向工作问题，提出了二进制相对相移键控(2DPSK)。2DPSK方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。四、二进制差分相位键控（2DPSK）2DPSK信号的载波相位关系如下所示:二进制数字信息：11010011102DPSK信号相位：0π00πππ0π00或π0ππ000π0ππ数字信息与Δφ之间的关系也可以定义为假设前后相邻码元的载波相位差为Δφ，可定义一种数字信息与Δφ之间的关系为0,表示数字信息“0”π,表示数字信息“1”Δφ=0,表示数字信息“1”π,表示数字信息“0”Δφ=2DPSK信号调制过程波形图相对码{bn}10110010载波绝对码{an}10010110DPSK信号bn=anbn-12DPSK信号的功率谱与带宽B2DPSK=2Bs=2RB2DPSK调制器原理图2DPSK信号的实现方法可以采用：首先对二进制数字基带信号进行差分编码，将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示二进制信息，然后再进行绝对调相，从而产生二进制差分相位键控信号。cosct0°开关电路s2DPSK(t)180°移相s(t)码变换anbn2DPSK信号解调器(a)BPFs2DPSK(t)acLPFdbe抽样判决器输出cosct定时脉冲码反变换器f2DPSK信号相干解调器原理图(相干解调-码反变换）2DPSK信号差分相干解调器原理图(非相干解调）BPFacLPFdbe抽样判决器定时脉冲(a)Ts分析2DPSK解决倒π问题1kkkabbabcdef带通滤波器e2DPSK(t)a相乘器c低通滤波器dbe抽样判决器输出cosct定时脉冲码反变换器f1011000kb分析2DPSK解决倒π问题（续）带通滤波器a相乘器c低通滤波器dbe抽样判决器定时脉冲(a)延迟TsabcdeDPSK信号二进制信息10001101对应π相位，0对应0相位说明2DPSK系统是一种实用的数字调相系统，适用于中高速数据传输，但其抗噪声性能比2PSK的稍差。五、二进制数字调制系统的抗噪声性能数字通信系统衡量系统抗噪声性能的重要指标是误码率。数字传输系统的误码率计算有特定的方法，且对于不同的数字系统有通用性。误码率计算方法回忆（1）建立误码率分析模型（即接收机模型）（2）计算结果误码率计算方法第一步：建立模型GR(f)抽样判决{an}r(t)s(t)n(t)定时对于数字频带系统对于数字基带系统解调器抽样判决{an}r(t)各种已调信号如2ASK、2FSK、2PSK、2DPSKn(t)定时说明：调制和解调方法不同都会对判决结果产生影响r(t)Vb判为“1”r(t)Vb判为“0”Vb为判决门限电平r（t