第六章 数字信号的频带传输

P1第六章数字信号的频带传输彭涛[e-mail]26.1引言数字信号的基带传输举例：以太网数字信号的频带传输原因：很多信道是带通型的，不适合传输基带信号举例：无线信道（卫星通信、移动通信），光纤信道（光纤通信）P36.1引言3G技术的频谱分配（MII，2002年9月）FDD(WCDMA&cdma2000)1920MHz-1980MHz/2110MHz-2170MHz（核心）1755MHz–1785MHz/1850MHz-1880MHz（补充）所有在800MHz,900MHz,1800HMz上使用的2G频谱(GSM&CDMA)均为3GFDD扩展频谱TDD(TD-SCDMA)1880MHz-1920MHz/2010MHz-2025MHz（核心）2300MHz-2400MHz（补充）175521702010198019201880185017852400MHz2300FDDGSM180017101805GSM1800FDDTDDFDDSTFDDST2025TDD21102200TDD175521702010198019201880185017852400MHz2300FDDGSM180017101805GSM1800FDDTDDFDDSTFDDST2025TDD21102200TDDP46.1引言数字信号频带传输系统基带传输的基本理论同样适用于频带传输m(t)数字调制器发滤波器BPFe0(t)频带信道噪声收滤波器BPF数字解调m(t)P56.1引言数字调制数字信号通过正弦载波调制成频带信号数字信号控制正弦载波的某个参量键控信号：对载波参量的离散调制数字调制的分类P66.1引言所调制的载波参量振幅键控（ASK），频率键控（FSK），相位键控（PSK），正交幅度调制（QAM）进制二进制数字调制多进制数字调制（M=2K）P76.1引言线性线性调制：满足叠加原理（ASK，PSK，QAM，相位不连续的FSK）非线性调制：不满足叠加原理（MSK，GMSK，相位连续的FSK）sm(f)线性调制非线性调制m(f)sm(f)AM、ASKFM、PM、FSKP86.1引言记忆有记忆调制：信号波型映射受前面码元发送波型的约束（MSK，GMSK，相位连续的FSK）无记忆调制：与前面波型无任何约束关系P96.1引言本章内容二进制数字调制四进制移相键控M进制数字调制（研究频带利用率（有效性）、误码率（可靠性））P106.2二进制数字信号的正弦型载波调制主要内容二进制启闭键控（OOK，属于2ASK）二进制移频键控（2FSK）二进制移相键控（2PSK或BPSK）2PSK的载波同步差分移相键控（DPSK）P116.2.1二进制启闭键控（OOK）OOK（On-OffKeying）：用单极性不归零码控制正弦载波的开启与关闭实现非常简单Morse码的无线电传输（比模拟调制更早）光纤通信抗噪声性能不好卫星通信、移动通信、数字微波不采用这种调制方式P126.2.1二进制启闭键控（OOK）OOK信号产生框图tnTtgaAtScnbTnookcos])([)(12010,0()cos()0()0bTbcookbtTgtttTstAtSttTst脉冲成型低通滤波器nbnnTta)(an取值为1或0tAccos)(tgT)(tSooknbTnnTtgatb)()(P136.2.1二进制启闭键控（OOK）1111000ttt载波信号OOK信号bT()btP146.2.1二进制启闭键控（OOK）(a)(b)乘法器cos()ctcos()ct()OOKst()OOKst()bt()bt二进制不归零信号单极性的随机矩形脉冲序列12()cos()()0cOOKstAtStst传号空号0btT启闭键控名字的由来P156.2.1二进制启闭键控（OOK）OOK信号的功率谱密度证明s(t)=sook(t)是广义循环平稳过程求s(t)的平均功率谱密度分析OOK信号平均功率谱密度的特点P166.2.1二进制启闭键控（OOK）证明s(t)=sook(t)是广义循环平稳过程ttAbtsccos)()(2222(,)[()()][()()]coscos()1(,)[coscos(2)]211(,)cos(,)cos(2)22sccbccbcbcRttEststAEbtbtttARtttARttARttt/2/221()(,)1()cos2bbTssbTbcRRttdtTARP176.2.1二进制启闭键控（OOK）求s(t)的平均功率谱密度方法一2222222()2()2()()()()4()()4()()4ccccjfssjfjfjfbjffjffbbcbcPfRedAReeedAReedAPffPffP186.2.1二进制启闭键控（OOK）求s(t)的平均功率谱密度方法二222222()()lim()()cos()()()2()()lim()()lim4()()4bTbTcsTbTcbTcsTsTbTcbTcTbcbcEFPTstAbttAFFFEFPTEFEFATAPPP196.2.1二进制启闭键控（OOK）分析OOK信号平均功率谱密度的特点()OOKPfcffcbffcbffcfcbffcbff0连续谱：由基带信号波形g(t)确定离散谱：an均值不为零BOOK是基带信号波形带宽的两倍BOOKP206.2.1二进制启闭键控（OOK）分析OOK信号平均功率谱密度的特点将数字基带信号的平均功率谱搬移到载频上OOK信号的带宽是其数字基带信号的2倍若数字基带信号是单极性不归零码，则OOK信号的平均功率谱密度中含有离散的载频分量（可用于相干解调）P216.2.1二进制启闭键控（OOK）OOK信号的解调及误比特率匹配滤波器具有低通滤波器的相干解调宽带和加性白噪下的相干解调理想限带及加性白噪下的最佳接收非相干解调P226.2.1二进制启闭键控（OOK）匹配滤波器解调解调框图匹配滤波器wntOOKstt=t0判决y(t)bhtsTtyP236.2.1二进制启闭键控（OOK）匹配滤波器解调121102111100021()cos()0()0()()()()()()()()()()()()2{bbbbcookbbTbwbTTTwwbstAtSttTsthtsTtyTsnhTdsnsdsdnsdAEZTZP246.2.1二进制启闭键控（OOK）匹配滤波器解调Z是高斯变量，其条件均值和方差为1111221121121112120012111212000122120112221111002012200222bbbbbbbZsZsTTwwTT012NEP256.2.1二进制启闭键控（OOK）匹配滤波器解调同样，得到这样，可以得到y=y(Tb)的两个条件概率密度（图）212201102ZsZsEZsNDZsE21101012201011exp1expyEpysNENEypysNENEP266.2.1二进制启闭键控（OOK）匹配滤波器解调用5.3中一样的方法，得到最佳判决门限为2011121ln22,2TTPsNEVPsPsPsEVP276.2.1二进制启闭键控（OOK）匹配滤波器解调计算误比特率21222111010222112001122001221122241224122bbTyZTTbbbbbVPesPeserfcEEEerfcerfcNENEATEstdtstdtEEPPsPesPsPeserfcQNNP286.2.1二进制启闭键控（OOK）匹配滤波器解调匹配滤波器输出的是相关函数，因此匹配滤波器也被称为相关型解调器。（图）同时，与接收信号相乘的信号必须与接收信号中的有用信号同频同相，所以匹配滤波器解调又被称为具有匹配滤波器的相干解调。P296.2.1二进制启闭键控（OOK）匹配滤波器解调y(t)的表达式1111112112110()()()()()()()()()()()()()coscos220()()cos2bbbbttwwbtTtTttbwbtTtTbcbcbtbcbytsnhtdsnsTtdssTtdnsTtdEtZtAssTtTtTtAtEtssTtdTts2110,2022()()cos2bbbbTbbbbcbtTttTtTATtTtTsTtdTtP306.2.1二进制启闭键控（OOK）由E(t)图可见，直接进行匹配滤波解调对定时要求非常高P316.2.1二进制启闭键控（OOK）匹配滤波器解调与相干载波相乘后进行匹配滤波解调1210,0,01bbbttThththTttTP326.2.1二进制启闭键控（OOK）匹配滤波器解调与相干载波相乘后进行匹配滤波解调22122211211122110211coscoscoscos1cos2cos20222bbbbcwctcwcbtTttcbwcbtTtTtbbtTytAhnAhtdAhnAhTtdAhhTtdnAthTtdEtZtAAtEthhTtdAhhTtd20,20222bbbTbbbttTtTATtTtTP336.2.1二进制启闭键控（OOK）匹配滤波器解调与相干载波相乘后进行匹配滤波解调可见，解调性能与直接匹配滤波完全相同22212121112122201111200coscos11cos22222bbbZZttwwccbbtTtTtcbtTbEZDZEZAEnnhTthTtddNAhTtdNATP346.2.1二进制启闭键控（OOK）由E(t)图可见，与相干载波相乘再匹配滤波对定时的要求大大降低P356.2.1二进制启闭键控（OOK）这两种解调方法的比较直接匹配滤波解调与相干载波相乘后进行匹配滤波解调两种方法完全等效：性能完全一样后者对时钟的精确度要求比前者要宽松，因此都用后一种方法P3