第六章-数字调制系统

第六章正弦载波数字调制系统6.1引言6.2二进制数字调制原理6.3二进制数字调制系统的抗噪声性能6.4二进制数字调制系统的性能比较6.5多进制数字调制系统6.6改进的数字调制方式6.1引言正弦载波数字调制系统数字信号的传输方式基带传输频带传输调制的功能：①使信号更适合于信道传输。②实现信道复用提高通信系统的有效性。③提高通信系统的抗干扰能力提高通信系统的可靠性。数字调制的三种最简单最基本方式2ASK2FSK2PSK/2DPSKMASKMFSKMPSK/MDPSK改进型扩展频带传输：可实现信号远距离传输。传输信道是高频带通型。传输必须经过数字调制，将编码波形的功率谱经数字调制变换到信道传输频带内。信源格式化信源编码信道编码扰码加密多路复用数字调制扩频调制多址连接发送设备信道噪声源接收设备多址连接受信者信源译码信道译码解扰解密解复用数字解调扩频解调数学调制系统101101t101101t数学调制系统6.2二进制数字调制原理6.2.1二进制振幅键控2ASK1.信号定义及表示定义：用二进制数字基带信号控制正弦载波的振幅，使其一一对应变换。“1”→ACOSωct=e1(t)“0”→0COSωct=e2(t)110100111…t2ASK信号表示为：e2ASK(t)=S(t)COSωct其中S(t)是单极性不归零矩形脉冲信号。2ASK信号的平均功率为（当“0”“1”等概时）：P＝A2/42ASK信号的互相关系数ρ两个码元波形e1(t)、e2(t)的互相关系数ρST1202212e(t)e(t)dt0e(t)0,E0EE信号（波形）互相关系数的物理意义：描述信号（波形）的相似程度。101两个波形完全相关。两个波形不相关或两个波形是正交的。两个波形不相关且极性相反或两个波形超正交。ccosts(t)2ASKe(t)模拟调制法原理框图2.调制方式与门多谐振荡器c带通滤波器c2ASKBs(t)2ASKe(t)键控法原理框图3.解调方式（非相干检测、同步检测）带通滤波器c2ASKB半波或全波整流低通滤波器抽样判决再生s(t)e(t)2ASK110100111…ttt110100111…t带通滤波器c2ASKB低通滤波器抽样判决再生s(t)e(t)2ASKccost同步检测原理框图3.解调方式（非相干检测、同步检测）ccc1s(t)21s(t)costcosts(t)cos2t2解调原理4.2ASK信号的频谱特性ccosts(t)2ASKe(t)模拟调制法原理框图ccostiP()oP()oiicc1P()P()P()4S(t)是单极性不归零矩形脉冲信号,它的功率谱特性为SP(f)SSS2T1P(f)SaTf(f)442ASK信号的功率谱特性为EP(f)SESS22ccccTP(f)SaTffSaTff161ffff16fcfScffScffS2fEP(f)0SESS22ccccTP(f)SaTffSaTff161ffff166.2.2二进制频率键控2FSK1.信号定义及表示定义：用二进制数字基带信号控制正弦载波的频率，使其一一对应变换。“1”→ACOSω1t=e1(t)“0”→ACOSω2t=e2(t)如果二进制数字基带信号S(t)是单极性不归零矩形脉冲信号，2FSK信号可以表示为2FSK12e(t)s(t)costs(t)cost2FSK信号相当于两个2ASK信号之和。110100111…t2.FSK信号的功率谱密度函数SESSSSS222211112222TP(f)SaTffSaTff161ffff16TSaTffSaTff161ffff16fS2fEP(f)01fS2ffS2ff2fS1ffS1ffFSK信号的频带宽度fEP(f)0S2f2fS2ffS2ff1fS1ffS1ff1S2Bff2foffofSo1fffSo2fffa曲线fofSo1ff0.4fSo2ff0.4fb曲线2FSK信号的互相关系数SST1201221SSS21S12ST01212ccAcostAcostdte(t)e(EEsin2ffTsin4fT2T2ffTt)dtE4fT0E两个码元波形的互相关系数21Skff2Tk0的正整数1212SbbEEE2EA=A=A=Tn0,1的正整数21CSffnf24T如果2.调制方式与非门反相器BPF多谐振荡器f1多谐振荡器f2与非门与非门S(t)e2fsk(t)模拟FM器S(t)e2fsk(t)多谐振荡器f可变分频器NBPFS(t)“1”→N1“0”→N2e2fsk(t)f/N1=f1f/N2=f23.解调方式（包络检波、同步检测、过零检测、差分检测）BPF低通滤波器s(t)1cost1fBPF低通滤波器抽样判决再生2f2costBPF12ff2o2FSKe(t)过零检测1010t带通限幅微分器整流器脉冲展宽LPF抽样判决再生e2fsk(t)S(t)tttt差分检波法BPFLPF抽样判决再生e2FSK(t)位同步信号2FSK0e(t)Acos()t0Acos()(t)延迟器输出信号为12oo1000Acos()tAcos()(t)乘法器输出0000022AcoAcos()tAcos()(t)s(Acos2()t())2200022VAcAoscossinsin2cos()2设计使02,12AV2221,VA200,VA206.2.3二进制移相键控2PSK及二进制差分移相键控2DPSK1.定义、信号表示及波形、互相关系数ρ、信号平均功率。0110Tst信号表示及波形:一.二进制移相键控2PSK2PSKccccccnnAcos(t0)Acost0e(t)S(t)cosAcos(t)Acost1Acos(t)0;.定义：2PSK是用已调信号相位相对未调载波相位的变化来表示二进制数字基带信号。Tscc02Tsc01AcostAcostdtEATscos2tdtE21信号的互相关系数ρ:2AE2Ts信号平均功率:2.调制方式、解调方式（相干解调）S(t)×e2psk(t)ccost多谐振荡器反相器数据选择器BPFe2psk(t)2fsS(t)c调制原理框图×LPFfs抽样判决位同步恢复S(t)e2psk(t)ccost解调原理框图3.2PSK解调存在的倒π现象(相位模糊现象)正常解调二进制差分移相键控2DPSK可解决倒π问题。倒π现象2PSKcnncnnnccn00e(t)cos(t){111cos(t)coscos(2t)221021cos121ost2c{cnnccn1cos(t1cos)cos(t)cos2)22(t判决准则：抽样值=0,判：“0”抽样值0,判：“1”1.定义：利用相邻码元的正弦载波相位差ΔΦ表示数字信息。绝对码an“0”an“1”相邻码元对应的正弦载波相位差ΔΦ＝0ΔΦ＝πΔΦ＝Φn－Φn-1二.二进制差分移相键控2DPSKbn0010110an011101Tst波形：调制过程：an→bn→2PSK2DPSKbnce(t)S(t)cost信号表示：存在倒π问题消除倒π问题解调过程：2DPSKbnan2DPSK调制方式S(t)多谐振荡器反相器数据选择器BPF2fs差分编码e2Dpsk(t)c×差分编码S(t)e2Dpsk(t)ccost2DPSK解调方式（同步检测、差分相干检测）×LPFfs抽样判决位同步恢复S(t)差分译码e2Dpsk(t)ccost×LPFfs抽样判决位同步恢复S(t)e2Dpsk(t)延迟TsBPF差分相干检测分析S(t)e2Dpsk(t)×LPFfs抽样判决位同步恢复延迟TsLPF输出任意码元周期2DPSK信号ckcost延迟器输出ck1cost乘法器输出kckk1k11c1octs2o2s2抽样判决值kk111cos0122cos112cos0022判决为“1”判决为“0”BPF如果P=1/2,2PSK、2DPSK频谱相同2PSK、2DPSK信号频谱2PSKce(t)S(t)cost22scscsTsP(f){Sa[T(ff)]Sa[T(ff)]}4B2f0ffc2fs-fc2fsP(f)6.3二进制数字调制系统的抗噪声性能本节对下列系统的抗噪声性能进行了分析2ASK系统包络检波的抗噪声性能2ASK系统同步检测的抗噪声性能2FSK系统包络检波的抗噪声性能2FSK系统同步检测的抗噪声性能2PSK系统同步检测的抗噪声性能2DPSK系统同步检测的抗噪声性能2DPSK系统差分检测的抗噪声性能6.3二进制数字调制系统的抗噪声性能分析方法：1.建立模型分析解调过程模型；解调器输出端信号加噪声关系式；抽样判决准则；分析误码情况和概率表示Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)2.信号加噪声的一维概率密度函数f1(x);f0(x)3.求错误的转移概率10(0/1)(),P(1/0)=()bbPfxdxfxdx4.误码率Pe及结论6.3.12ASK系统的抗噪声性能2222()cos()cos()sin[()]()cos()1()()cos()sin()()cos()0cccsccscccsccscYtatnttnttantnttYtnttnttntntt2ASK调制高斯信道BPFB=2fs包络检波抽样判决一.非相干解调1．建立模型分析解调过程Y(t)V(t)PeY(t)V(t)Pe2222()1()0[()]()()()VtcsVtcsantntntnt判决准则：抽样时刻V≥b判“1”，Vb判“0”。误码率Pe＝P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)＝P(1)P(Vb)+P(0)P(V≥b)2ASK调制高斯信道BPFB=2fs包络检波抽样判决2.抽样时刻信号加噪声的一维概率密度函数f1(V)，f0(V)发’1’时，正弦信号加窄带高斯过程的包络V(t)服从广义瑞利分布。发’0’时，窄带高斯过程的包络V(t)服从瑞利分布。2n其中：V解调器输出信号(信号加噪声)a解调器输入信号幅度零均值窄带高斯过程的平均功率I0(∙)零阶修正贝塞尔函数2222()[()]()()()exp102222VaVVaVtantntfVIcsnnn222()e22()xp02()()nVVfVnVtntntcs)22()()exp(102222VaVVafVInnnV02()exp()2202VVfVnn误码率Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)=P(1)P(Vb)+P(0)P(V≥b)3.求错误的转移概率b110b22Va02b0n2202220f(V)dV1f(V)dVVaV1I()exp()dVnnVab(P(0/1)1Q(2r,bttI(t)t,,)nnn1122a/2b(r/2,2rP(exp()dtQ(,),b)2nV)n)2b