通信原理第五章-基本的数字调制系统

数字通信(1)第五章基本的数字调制系统《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统2本章提要二进制振幅键控（2ASK）二进制频移键控（2FSK）二进制相移键控（2PSK）二进制差分相移键控（2DPSK）二进制数字键控传输系统性能比较多进制数字键控digitalmodulation《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统35.1概述数字基带信号的局限数字基带信号的功率谱集中于低频段，所以只适合在低通信道中传输，而不适合在频率较高的带通信道中传输。数字调制的目的为使数字信号能在带通信道中传输，必须将数字基带信号的功率谱从低频段搬移到较高的频率。实现频率搬移的方法就是调制，即用数字基带信号对载波进行调制。三种基本数字调制方式振幅键控（ASK）频移键控（FSK）相移键控（PSK）digitalmodulation《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统45.1概述三种基本数字调制方式的典型波形1010ttt振幅键控ASK频移键控FSK相移键控PSKbandpasstransmission《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统55.1概述数字调制与模拟调制的比较数字调制模拟调制载波正弦信号正弦信号调制信号数字基带信号模拟信号幅度调制方式ASKAM频率调制方式FSKFM相位调制方式PSKPM调制性能误码率信噪比analogmodulation《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统65.2二进制振幅键控（2ASK）2ASK原理2ASK信号的码元“1”和“0”分别用两个不同的振幅A和0表示。2ASK信号的频率和初始相位保持不变。2ASK信号的时域表达式𝑠2ASK𝑡=𝐴cos𝜔0𝑡+𝜃发送“1”时0发送“0”时通常称为通断键控（OOK）。amplitude-shiftkeying(ASK)《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统75.2二进制振幅键控（2ASK）2ASK信号的典型波形1111100000数字基带信号2ASK信号On-OffKeying(OOK)tt《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统85.2二进制振幅键控（2ASK）2ASK信号的调制相乘法开关法2ASK信号𝑠ASK𝑡基带信号𝐴(𝑡)载波信号cos(𝜔0𝑡)基带信号𝐴𝑡载波信号cos(𝜔0𝑡)2ASK信号𝑠ASK𝑡binaryASK(BASK)《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统95.2二进制振幅键控（2ASK）2ASK信号的非相干解调——包络检波noncoherentdemodulation定时脉冲输出𝐴(𝑡)𝑠ASK𝑡输入带通滤波全波整流低通滤波抽样判决《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统105.2二进制振幅键控（2ASK）包络检波器各点的波形输入1111100000输出全波整流低通滤波ttttenvelopedetect《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统115.2二进制振幅键控（2ASK）2ASK信号的相干解调full-waverectify本地载波cos𝜔0𝑡定时脉冲带通滤波低通滤波抽样判决输出𝐴(𝑡)输入𝑠ASK𝑡《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统125.2二进制振幅键控（2ASK）相干解调器各点的波形coherentdemodulation1111100000输出输入本地载波低通滤波相乘𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统135.2二进制振幅键控（2ASK）2ASK信号的功率谱密度设二进制序列𝐴(𝑡)的功率谱为𝑃𝐴𝑓，则2ASK信号的功率谱密度为𝑃2ASK𝑓=14𝑃𝐴𝑓+𝑓0+𝑃𝐴𝑓−𝑓02ASK信号的功率谱为基带信号功率谱的线性搬移。0-1等概率单极性NRZ码的功率谱密度𝑃𝐴𝑓=𝑇4sinc2𝜋𝑓𝑇+14𝛿𝑓localcarrier《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统145.2二进制振幅键控（2ASK）0-1等概率2ASK信号的功率谱密度𝑃𝐴𝑓=𝑇4sinc2𝜋𝑓𝑇+14𝛿𝑓𝑃2ASK𝑓=14𝑃𝐴𝑓+𝑓0+𝑃𝐴𝑓−𝑓0=𝑇16sinc2𝜋𝑓𝑇+𝜋𝑓0𝑇+sinc2𝜋𝑓𝑇−𝜋𝑓0𝑇+116𝛿𝑓+𝑓0+𝛿𝑓−𝑓02ASK的带宽𝐵2ASK=2𝐵𝐴bandwidth《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统155.2二进制振幅键控（2ASK）2ASK信号的误码率假设0-1等概率设𝑟为信噪比相干解调器的信噪比与误码率𝑃e=12erfc𝑟2包络检波器的信噪比与误码率𝑃e=14erfc𝑟2+12𝑒−𝑟4errorprobability《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统165.2二进制振幅键控（2ASK）误码率曲线6303691215181101102103104105106107信噪比𝑟(dB)𝑃e相干ASK非相干ASKsignal-to-noiseratio《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统175.3二进制频移键控（2FSK）2FSK原理2FSK信号的码元“0”和“1”分别用两个不同频率的正弦波传输。2FSK信号的振幅和初始相位保持不变。2FSK信号的时域表达式𝑠2FSK𝑡=𝐴cos𝜔1𝑡+𝜑1发送“1”时𝐴cos𝜔0𝑡+𝜑0发送“0”时数字信号1对应于载波频率𝑓1数字信号0对应于载波频率𝑓0frequency-shiftkeying(FSK)《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统185.3二进制频移键控（2FSK）2FSK信号的波形1111000𝑡𝑡𝑓1𝑓1𝑓1𝑓1𝑓0𝑓0𝑓0数字基带信号2FSK信号binaryFSK(BFSK)《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统195.3二进制频移键控（2FSK）2FSK信号的调制调频法开关法（选频法）调频器𝐴𝑡𝑠2FSK𝑡基带信号2FSK信号基带信号𝐴𝑡𝑠2FSK𝑡开关电路cos𝜔0𝑡cos𝜔1𝑡2FSK信号frequencyselection《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统205.3二进制频移键控（2FSK）2FSK信号的非相干解调——包络检波lowpassfilter(LPF)定时脉冲输入输出带通滤波𝑓0包络检波器抽样判决器包络检波器带通滤波𝑓12FSK信号的相干解调《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统215.3二进制频移键控（2FSK）bandpassfilter(BPF)输入cos𝜔0𝑡带通滤波𝑓0低通滤波定时脉冲输出抽样判决器带通滤波𝑓1cos𝜔1𝑡低通滤波《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统225.3二进制频移键控（2FSK）2FSK信号的非相干解调——过零点检测法amplitudelimiter限幅微分整流单稳态触发器低通滤波𝑎𝑏𝑐𝑑𝑒𝑓输入输出《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统235.3二进制频移键控（2FSK）2FSK过零检测法各点的波形𝑏𝑎𝑐𝑑𝑒𝑓monostabletrigger《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统245.3二进制频移键控（2FSK）2FSK信号的分解signalresolution2FSK信号𝑓1𝑓1𝑓1𝑓1𝑓0𝑓0𝑓0𝑠1𝑡𝑠0𝑡𝑡𝑡𝑡《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统255.3二进制频移键控（2FSK）2FSK信号的功率谱密度一个2FSK信号可表示成两个2ASK信号之和𝑠2FSK𝑡=𝑠1𝑡+𝑠0𝑡=𝐴cos𝜔1𝑡+𝐴cos𝜔0𝑡一个2FSK信号的功率谱密度为两个2ASK信号的功率谱密度之和𝑃2FSK𝑓=14𝑃𝐴1𝑓+𝑓1+𝑃𝐴1𝑓−𝑓1+14𝑃𝐴0𝑓+𝑓0+𝑃𝐴0𝑓−𝑓0powerspectraldensity《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统265.3二进制频移键控（2FSK）2FSK信号的功率谱密度𝑃2FSK𝑓=𝑇16sinc2𝜋𝑓𝑇+𝜋𝑓1𝑇+sinc2𝜋𝑓𝑇−𝜋𝑓1𝑇+𝑇16sinc2𝜋𝑓𝑇+𝜋𝑓0𝑇+sinc2𝜋𝑓𝑇−𝜋𝑓0𝑇+116𝛿𝑓+𝑓1+𝛿𝑓−𝑓1+116𝛿𝑓+𝑓0+𝛿𝑓−𝑓0sincfunction《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统275.3二进制频移键控（2FSK）2FSK信号频谱图impulsefunction𝑓1−𝑓0=2.0𝑓𝑐𝑓𝑓0𝑓1𝑓𝑠《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统285.3二进制频移键控（2FSK）2FSK信号频谱图impulsefunction𝑓1−𝑓0=1.0𝑓𝑐𝑓𝑓0𝑓1𝑓𝑠《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统295.3二进制频移键控（2FSK）2FSK信号频谱图impulsefunction𝑓1−𝑓0=0.7𝑓𝑐𝑓𝑓0𝑓1𝑓𝑠《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统305.3二进制频移键控（2FSK）2FSK信号频谱图impulsefunction𝑓1−𝑓0=0.7𝑓𝑐𝑓𝑓𝑠𝑓1−𝑓0=1.0𝑓𝑐𝑓1−𝑓0=2.0𝑓𝑐《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统315.3二进制频移键控（2FSK）2FSK频谱分析信号带宽：∆𝑓=𝑓1−𝑓0+2𝑓𝑐若𝑓1−𝑓0=2.0𝑓𝑐，在解调时可用两个滤波器分别滤出两个载波频率的信号，从而实现解调。若𝑓1−𝑓0=1.0𝑓𝑐，两个频带的信号发生重叠，用滤波器无法将它们分开，即无法用滤波法实现解调。若两个载波满足正交条件，可采用相干解调的方法将它们分离，从而实现解调。orthogonal《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统325.3二进制频移键控（2FSK）最小频率间隔正交条件cos𝜔1𝑡+𝜑1cos𝜔0𝑡+𝜑0𝑑𝑡𝑇0=012cos𝜔1+𝜔0𝑡+𝜑1+𝜑0+cos𝜔1−𝜔0𝑡+𝜑1−𝜑0𝑑𝑡𝑇0=sin𝜔1+𝜔0𝑇+𝜑1+𝜑0−sin𝜑1+𝜑0𝜔1+𝜔0+sin𝜔1−𝜔0𝑇+𝜑1−𝜑0−sin𝜑1−𝜑0𝜔1+𝜔0=0𝜔1−𝜔0𝑇=2𝜋𝑚𝑚为整数interval《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统335.3二进制频移键控（2FSK）最小频率间隔𝜔1−𝜔0𝑇=2𝜋𝑚𝑓1−𝑓0𝑇=𝑚𝑓1−𝑓0=𝑚𝑇当取𝑚=1时，得到最小频率间隔为1𝑇。当1=0=0时，取n=1，最小频率间隔1/2T。𝜔1−𝜔0𝑇=𝜋𝑛𝑓1−𝑓0𝑇=12𝑛𝑓1−𝑓0=𝑛2𝑇integer《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统345.3二进制频移键控（2FSK）2FSK信号的误码率相干解调的信噪比与误码率𝑃e=12erfc𝑟2其中𝑟为信噪比包络检波的信噪比与误码率𝑃e=12𝑒−𝑟2complementaryerrorfunction《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统355.3二进制频移键控（2FSK）误码率曲线6303691215181101102103104105106107信噪比𝑟(dB)𝑃e相干FSK非相干FSKcurve《数字通信(1)》第五章基本的数字调制系统365.4二进制相移键控（2PSK）2PSK原理2PSK信号的码元“0”和“1”分别用两个不同的初始相位“0”和“𝜋”表示。载波的幅度和频率保持不变。2PSK信号的时域表达式𝑠2PSK𝑡=𝐴cos𝜔0𝑡发送“0”时𝐴cos𝜔0𝑡+�