通信电路与系统-第十章

第十章第十章数字频带调制数字频带调制第十章第十章数字频带调制数字频带调制北京理工大学本章主要内容本章主要内容10-1概述10-2二进制数字频带调制104抗噪声性能对比结论10-4抗噪声性能对比结论10-5多进制数字频带调制多进制数字频带调制北京理工大学210-1概述101概述‡数字频带调制的定义利用数字基带信号(二进制或多进制)分别或者联合控制载波的幅度、频率和相位的调制传输方式载波‡数字频带调制的基本方式被传数字基带信号¾二进制vs多进制BASK(2ASK)BPSK¾二进制vs.多进制¾ASK/FSK/PSK(2PSK)BFSK(2FSK)北京理工大学310-1概述101概述‡数字已调信号的星座已调载波信号的数学表达方式()已调载波信号的数学表达方式：1、实信号(realsignal)表达[教材采用的表达方式]()()cosrcstAtωϕ=+()()()2、复信号(complexsignal)表达()()()[]()exp[]expcos()sinexp()cccccstAjtjtAtjtAjωϕωωϕωϕϕ=+==+++[]()()ccjϕϕ()expAjϕ其中称为复包络，包含了调制信号的全部基带信息，也称为基带等效¾信号星座图:用图形方式描述归一化的数字已调复信号；就是用座标点位置描述复包络的基带幅度和相位信息北京理工大学410-1概述101概述‡数字已调信号的星座()()()()()()[]()exp[]expcos()sinexp()cccccstAjtjtAtjtAjωϕωωϕωϕϕ=+==+++¾信号星座图[]()()ccjϕϕωcImjsinωct复平面jAc+jφ0Recosωct+1−1−j北京理工大学5j10-1概述101概述‡信号星座图2ASK信号星座2PSK信号星座4ASK信号星座最小信号距离00114ASK信号星座40.33ASKd=12=ASKd最小信号距离OOO22=PSKdQPSK信号星座8PSK信号星座01116QAM信号星座470=d0100110010011001000O47.016=QAMd414.12==QPSKd765.08=PSKdOO1011100111110OQ北京理工大学6101110110-1概述101概述¾某一种进制的任意一个码元间隔内，只出现一个信号点，某种进制的任意个码元间隔内，只出现个信号点，星座图中的所有信号点代表了这种调制方式的所有可能的信号点分布¾比较不同调制方式之间的抗干扰性能时，都要限定彼此有相同的信号幅度(归一化)通常是在“单位圆”上讨论问题相同的信号幅度(归化)，通常是在单位圆上讨论问题¾PSK信号是用载波相位携带信息，ASK信号是用载波幅度信载位带信信载幅携带信息，FSK信号是用载波频率携带信息¾信号点越多表示数据的进制越高传信效率越高信¾信号点越多→表示数据的进制越高→传信效率越高→信号距离越小→抗干扰能力越低北京理工大学710-2二进制数字频带调制102二进制数字频带调制‡10-2-1BASK¾时域和频域波形基带数据¾时域和频域波形ttBASK信号t2()(1))(()PffGfGf由第9章知，对应时域波形g(t),其频域为G(f),有功率谱：[]201102()(1)()(1)())((())sssssPffppfpGmGffGfpGffmfmδ∞−=−+−−+∑m=−∞但现在时域波形变成g(t)cosωct,则对应的频率为G(f±fc),有功率谱：})()()()(){1()(22ffGffGffGffGppffP+++)}()({)]()1()([})()()()(){1()(2011010scscsssccccsmfffmfffmfGpmfpGfffGffGffGffGppffP−−+−+−++−−−++−+−=∑∞δδ北京理工大学8m−∞=10-2二进制数字频带调制102二进制数字频带调制‡10-2-1BASK¾时域和频域波形单边谱零点(主瓣)带宽¾时域和频域波形对于等概率的单极性非归零码，有BBASK=2Rs=2fs=2/Ts单边谱零点(主瓣)带宽fTiRs为码元速率Ts为码元宽度sssfTfTTfGfGfGππsin)()(0)(10===，⎩⎨⎧≠=000)(TmmfGs频谱见课件第9章第16页连续谱＋离散谱，含载频提取信息则，2ASK的功率谱为：⎩⎨=0)(mTfss)}()({)]()1()([})()()()(){1()(201210210ccccsmfffmfffmfGpmfpGfffGffGffGffGppffP−−+−+−++−−−++−+−=∑∞δδ)}()({)0(41})()({41)}()({)]()1()([222201ccsccsscscmsssffffGfffGffGfmfffmfffmfGpmfpGf−+++−++=++++∑−∞=δδδδ北京理工大学944频谱第一个过零点位于f=fc±fs(上边带)和f=−fc±fs(下边带)处10-2二进制数字频带调制102二进制数字频带调制‡10-2-1BASK载波键控电子开关载波振荡器×¾调制方式振荡器S2ASKS(t)(a)通断键控法(b)乘积法振荡器S(t)S2ASK×¾调制方式¾解调方式带通全波低通取样输入输出(a)通断键控法(b)乘积法滤波器整流器滤波器判决器位同步提取Ts非相干解调(包络检波)提取带通滤波器低通滤波器取样判决器输入输出×滤波器滤波器判决器位同步提取Ts载波提取cosωct相干解调(同步检波)北京理工大学1010-2二进制数字频带调制102二进制数字频带调制‡10-2-2BPSK¾时域和频域波形t10¾时域和频域波形基带数据BPSK信号t由第9章知，对应等概率单极性NRZ码的时域波形g(t),其频域为G(f),有功率谱：11功率谱：但现在时域波形变成g(t)cosωct,则对应的频率为G(f±fc),而此时的g(t)对应)()0(41)(41)(222fGffGffPssδ+=但现在时域波形变成g()c,则对应的频率为(ffc),而此时的g()对应的却是双极性非归零码(BPSK有180o倒相)，即ssfTfTTfGfGfGfGππsin)()()()(10==−=，北京理工大学11sfTπ10-2二进制数字频带调制102二进制数字频带调制‡10-2-2BPSK¾时域和频域波形¾时域和频域波形则，2PSK的功率谱为：)}()({)]()1()([})()()()(){1()(201210210ccccsmfffmfffmfGpmfpGfffGffGffGffGppffP−−+−+−++−−−++−+−=∑∞δδ})()({})(4)(4{41)}()({)]()1()([222201ccsccsscscmsssffGffGfffGffGfmfffmfffmfGpmfpGf−++=−++=++++∑−∞=δδ4¾频谱第一个过零点位于f=fc±fs(上边带)和f=−fc±fs(下边带)处，单边谱零点带宽BBPSK=2Rs=2fs=2/Ts¾只含有连续谱，无离散谱，不利于提取载频信息，借助平方环北京理工大学1210-2二进制数字频带调制102二进制数字频带调制‡10-2-2BPSK¾调制方式载波¾调制方式数据选择an带通SBPSK(t)180o0o×载波cosωctSBPSK(t)bn= { +1, -1}载波振荡cosωct180o0o电平转换an= { 0, 1 }n¾解调方式( a )  乘法器方案( b )  相位选择器方案¾解调方式带通滤波器低通滤波器取样判决器输入输出×相干解调(同步检波)位同步提取Ts载波提取cosωct北京理工大学1310-2二进制数字频带调制102二进制数字频带调制‡10-2-2BPSK¾BPSK传输存在的问题¾BPSK传输存在的问题对BPSK信号解调常采用相干解调(同步检波)，接收端需要从接收信号中提取同步载波；而由于BPSK信号频谱中无载频离散谱分量，号中提取同步载波；而由于信号频谱中无载频离散谱分量，因而只能使用“平方环”或“科斯塔斯环”进行载波提取，但这两种方法无疑都存在着同步载波的“180º相位模糊性”问题‹当接收端提取出的载波与调制时的发射载波同相时，可以正确恢复基带数据{an}‹当接收端提取出的载波与调制时的发射载波反相时恢复出的‹当接收端提取出的载波与调制时的发射载波反相时，恢复出的基带数据不再是{an}，而是,码序列逻辑全部反相！{an}Q由于我们并不知道同步载波是否发生相位倒相因而不知道解Q：由于我们并不知道同步载波是否发生相位倒相，因而不知道解调后的数据是否反相，导致解调出错。发生这种情况，怎么办？A：采用差分BPSK传输方式北京理工大学14A：采用差分BPSK传输方式10-2二进制数字频带调制102二进制数字频带调制‡10-2-3BDPSK(二进制差分移相键控)BPSK传输系统(调制/解调)差分编码器差分译码器{bn}{bn}{d}{d}(/){n}{bn}{dn}{dn}1nnndbd−=⊕ddb⊕差分编码：差分译码1nnnddb−=⊕nndd⇒差分译码：如果因为同步载波的“倒相”，使得11nnnnnddbdd−−=⊕=⊕则差分译码会纠正：¾发射端先进行“差分编码”再进行BPSK调制发射；接收端先进行BPSK解调再进行“差分译码”即可实现S信号的传输解调，再进行“差分译码”；即可实现BDPSK信号的传输¾实际的PSK传输系统，不管是二进制，还是多进制，均采用差分传输方式解决同步载波的相位模糊问题北京理工大学15方式解决同步载波的相位模糊问题10-2二进制数字频带调制102二进制数字频带调制‡10-2-3BDPSK¾对2DPSK信号的解调即可以选用2PSK的相干解调(借助平方环提取¾对2DPSK信号的解调，即可以选用2PSK的相干解调(借助平方环提取同步载波)方法，也可以选用下面的“差分相干”方案带通低通取样输出×2DPSKr(t)滤波器滤波器判决器位同步提输入Ts×延迟1nnnddb−=⊕正确解调，即差分译码：提取Ts⎩⎨⎧=−===0cos1,coscos)sgn()(2nccnDPSKdtdttdtSωωω⎩⎨⎧=−−=−=−−0)(cos1),(cos)(112nscsDPSKdTtdTtTtSωω⎩=0,cosncdtω⎩−0),(cos1nscdTtω−+=−=−=−−1122)]2cos(5.0cos5.0)[sgn()sgn()(coscos)sgn()sgn()()()(sccscnnsccnnsDPSKDPSKTtTddTttddTtStStrωωωωω即当前解调输出：⎩⎨⎧≠==×≈−−11cos50,cos5.0cos5.0)sgn()sgn(nnscscnnddTddTTddωωω取样判决输出1取样判决输出01nnnddb−=⊕解调出的码序列与原码正好相反，取反即可北京理工大学16⎩≠−−1,cos5.0nnscddTω取样判决输出0取反即可10-2二进制数字频带调制102二进制数字频带调制‡10-2-3BDPSK¾BDPSK与BPSK有相同的功率谱结构和谱零点带宽22})()({)(22ccsffGffGffP−++=单边谱零点带宽B2R2f2/T单边谱零点带宽BBDPSK=2Rs=2fs=2/Ts¾只含有连续谱，无离散谱，不利于提取载频信息，可以用平方¾只含有连续谱，无离散谱，不利于提取载频信息，可以用平方环法提取载波；差分传输消除了相位模糊问题¾若采用差分相干解调法，则不需要提取同步载波信息北京理工大学1710-2二进制数字频带调制102二进制数字频带调制‡10-2-4BFSK¾时域和频域波形基带数据¾时域和频域波形BFSK信号BFSK信号2FSK信号可以看成两个逻辑相反的序列对两个不同频率载波进行2ASK调制的信号合成，即2FSK2ASK12ASK2＋2ASK1:码序列{an},载频为f1；当an=1时，传输载频，否则不传输2ASK2:码序列{an},载频为f0；当an=0时，传输载频，否则不传输定义为信号的键控指数ffff0101−