数字信号的调制传输课件.ppt
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- 数字信号 调制 传输 课件
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1、2022年12月22日1 前言前言数字信号在带通信道中传输,必须用数字信号数字信号在带通信道中传输,必须用数字信号对载波进行调制,和模拟信号传输一样,数字对载波进行调制,和模拟信号传输一样,数字信号传输也有三种方式,即信号传输也有三种方式,即 幅度键控(幅度键控(ASK)频移键控(频移键控(FSK)和相位键控()和相位键控(PSK)2022年12月22日27.1二进制数字调制二进制数字调制 调制信号为二进制数字信号时,这种调调制信号为二进制数字信号时,这种调制称为二进制数字调制。在二进制数字制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中,载波的幅度、频率或相位只有调制中,载波的幅度、频率或相位只有两
2、种变化状态。两种变化状态。2022年12月22日37.1.1二进制幅度键控(二进制幅度键控(2ASK)在幅度键控中载波幅度是随着调制信号而变化。最简在幅度键控中载波幅度是随着调制信号而变化。最简单的形式是载波在二进制调制信号单的形式是载波在二进制调制信号1或或0的控制下通或的控制下通或断断通通-断键控(断键控(OOK)。)。时域表达式时域表达式 载波幅度 载波频率 二进制数字信息()cosOOKncsta AtAcna1,P0Pna出现概率为,出现概率为12022年12月22日42ASKnsnnTtgatB)()(典型波形如下典型波形如下调制信号可以是具有一定波形的二进制调制信号可以是具有一定
3、波形的二进制序列,即序列,即 2022年12月22日52ASK Ts 信号间隔 g(t)调制信号的时间波形二进制幅度键控信号的时域表达式二进制幅度键控信号的时域表达式功率谱密度功率谱密度 tnTtgaScnsnASKcos)(1()()()4ASKBcBcPPPPP由图可见由图可见 它是基带信号频谱向fc和-fc两边平移。频谱宽度是基带的二倍。2022年12月22日7调制器调制器可用一个相乘器来实现可用一个相乘器来实现2022年12月22日8解调器解调器解调器如同模拟信号双边带时一样,也可以有包络解调器如同模拟信号双边带时一样,也可以有包络检波和相干解调。检波和相干解调。对于数字信号解调来说,
4、必须采用抽样判决,这一部分也称对于数字信号解调来说,必须采用抽样判决,这一部分也称为再生,这是数字通信必不可少的。它能消除噪声积累。为再生,这是数字通信必不可少的。它能消除噪声积累。2022年12月22日97.1.2二进制频移键控(二进制频移键控(2FSK)利用载波的频率变化来传递数字信息。二进制情况利用载波的频率变化来传递数字信息。二进制情况下,下,1对应于载波频率对应于载波频率f1,0对应于载波频率对应于载波频率f2。时域表达式时域表达式如果如果g(t)为单个矩形脉冲,则为单个矩形脉冲,则2FSK波形如下:波形如下:212()()cos()cosFSKnsnsnnSta g tnTta g
5、 tnTt的反码是nnaa0,1,na概率为P概率为1-P1,0,na概率为P概率为1-P二进制频移键控信号可看成是二进制频移键控信号可看成是两个不同载频的两个不同载频的ASKASK信号之和,信号之和,2FSK2FSK信号还可以表示为信号还可以表示为:11222()cos2()cos2FSKs tAfss tAf设两个载频的中心频频率为设两个载频的中心频频率为fc,频差为频差为f f,即:,即:12212cffffff定义调制指数:定义调制指数:21ssfffhRR频带宽度:频带宽度:2212FSKBBBffBB 为基带信号的带宽2022年12月22日112FSK调制器调制器频率选择法产生频率
6、选择法产生2FSK2FSK信号信号2022年12月22日122FSK解调解调2022年12月22日132FSK过零检测法过零检测法2022年12月22日147.1.3二进制相移键控(二进制相移键控(2PSK或或BPSK)载波的相位随调制信号载波的相位随调制信号1 1或或0 0而变而变 一般用 来表示1 或 0表达式表达式如果如果g(t)为矩形脉冲,则为矩形脉冲,则 0或tnTtgatScnsnPSKcos)()(2或0 ),cos(cos)(2iiccPSKtttS-又称二相相移键控(又称二相相移键控(BPSKBPSK)1,P 1,1nnaaP为双极性数字信号概率为概率为当数字信号的传输速率与
7、载波频率间是整数倍的关系时当数字信号的传输速率与载波频率间是整数倍的关系时2PSK信号的典型波形如下图所示:信号的典型波形如下图所示:从从2PSK信号的表达式可以看出,信号的表达式可以看出,2PSK信号实际上等同于一个信号实际上等同于一个抑制载波的双边带调幅信号,因此不存在直流分量抑制载波的双边带调幅信号,因此不存在直流分量2PSK信号的功率谱与信号的功率谱与2ASK信号的功率谱相同,只是少了一信号的功率谱相同,只是少了一个离散的载波分量。个离散的载波分量。2PSK信号只能采用相干解调方式信号只能采用相干解调方式 2022年12月22日162PSK调制调制2022年12月22日172PSK解调
8、解调2PSK信号必须采用相干解调信号必须采用相干解调相干解调需要考虑载波,要求同频同相,载波必须从信号相干解调需要考虑载波,要求同频同相,载波必须从信号中提取,需要采用非线性变换中提取,需要采用非线性变换。常用的载波恢复电路有两种,分别为平方环电路和科斯塔常用的载波恢复电路有两种,分别为平方环电路和科斯塔斯环电路。斯环电路。锁相环输出的载波与调制载波之间的相位差锁相环输出的载波与调制载波之间的相位差 n n为整数,也就是说恢复的载波和相干载波可能同相也可能为整数,也就是说恢复的载波和相干载波可能同相也可能反相。即存在反相。即存在 相位或相位或 相位的模糊度相位的模糊度 n02022年12月22
9、日18平方环电路平方环电路 核心:锁相环核心:锁相环由本地载波产生器(由本地载波产生器(VCO压控震荡器)、压控震荡器)、鉴相器、低通滤波器组成。鉴相器、低通滤波器组成。原理:输入基准载波与本地产生的载波在鉴相器中进行相位原理:输入基准载波与本地产生的载波在鉴相器中进行相位 比较,若两者相位不一致(超前或滞后),鉴相器就比较,若两者相位不一致(超前或滞后),鉴相器就 输出误差信息,去控制调整压控震荡器输出的本地载波输出误差信息,去控制调整压控震荡器输出的本地载波 的相位,直到与输入载波的频率相位一致,才停止调整的相位,直到与输入载波的频率相位一致,才停止调整X(t)=ang(t-nTs)cos
10、(2fct)=B(t)cos(2fct)U(t)=X2(t)=B2(t)cos2(2fct)=(1/2)B2(t)1+cos(4fct)=/2+Nm(t)/2+(/2)cos(4fct)+(1/2)Nm(t)cos(4fct):B2(t)中的直流分量;中的直流分量;Nm(t):B2(t)中的交流分量;中的交流分量;(/2)cos(4fct)是需要的是需要的2fc分量;分量;2分频后得载波分量分频后得载波分量fc;注意:锁相环的注意:锁相环的VCO的振荡频率为的振荡频率为2fc2022年12月22日19Costas环电路环电路信号:信号:S(t)=B(t)cos(2fct)设本地振荡器产生的载波
11、:设本地振荡器产生的载波:cos(2fct+)与发端载波有一相位差与发端载波有一相位差 上通道:上通道:S(t)cos(2fct+)=B(t)cos(2fct)cos(2fct+)=(1/2)B(t)cos+cos(4fct+)经低通后为:经低通后为:(1/2)B(t)cos下通道:下通道:S(t)sin(2fct+)=B(t)cos(2fct)sin(2fct+)=(1/2)B(t)sin+sin(4fct+)经低通后为:经低通后为:(1/2)B(t)sin当当0时(但数值很小),时(但数值很小),cos1,sin 上下通道极性相同,产生一上下通道极性相同,产生一 控制信号控制信号ud使使V
12、CO的振荡器输出载波的相位朝着的振荡器输出载波的相位朝着减小的方向变化。减小的方向变化。当当0时,时,cos(-)=cos1,sin(-)=-sin-上下通道极性相反,上下通道极性相反,产生一相反控制信号产生一相反控制信号-ud使使VCO的振荡器输出载波的相位朝着的振荡器输出载波的相位朝着增大的方向增大的方向 变化。直到变化。直到VCO处于稳态,才停止调整。处于稳态,才停止调整。注意:上通道输出注意:上通道输出(1/2)B(t)cos(1/2)B(t)即为解调信号;即为解调信号;VCO的振荡频率为的振荡频率为fc2022年12月22日202PSK解调解调2PSK相干解调器:相干解调器:2PSK
13、调制和解调过程:调制和解调过程:2022年12月22日217.1.4二进制差分相移键控(二进制差分相移键控(2DPSK)2PSK2PSK信号中,相位变化是以未调载波的相位作为参考信号中,相位变化是以未调载波的相位作为参考基准,也就是发基准,也就是发“1”1”码时,让码时,让0 0相载波过去,发相载波过去,发“0”0”码时,让码时,让相载波过去,这是利用绝对数值来传送的相载波过去,这是利用绝对数值来传送的数字信息,因而又称绝对调相。数字信息,因而又称绝对调相。例例:若用若用表示表示2PSK信号的初始相位信号的初始相位 则则2PSK信号的初始相位与数字信息之间满足:信号的初始相位与数字信息之间满足
14、::0 相相 数字信息数字信息“1”相相 数字信息数字信息“0”2DPSK2DPSK利用前后码字的相对相位变化传送数字信息。这利用前后码字的相对相位变化传送数字信息。这种方法称为相对调相。种方法称为相对调相。例例:若用若用表示本码元初始相位与前一码元初始相位之差表示本码元初始相位与前一码元初始相位之差 则则2DPSK信号的相位差信号的相位差与数字信息之间满足:与数字信息之间满足::0 相相 数字信息数字信息“0”相相 数字信息数字信息“1”2022年12月22日222DPSK调制调制2DPSK2DPSK调制器调制器也可以用空号差分码也可以用空号差分码1nnnbab传号差分码的编码规则2022年
15、12月22日232DPSK相干解调相干解调2022年12月22日242DPSK调制和解调过程调制和解调过程1nnnabb相应的差分译码规则2022年12月22日252DPSK的差分相干解调的差分相干解调2022年12月22日262DPSK调制和延迟解调调制和延迟解调2022年12月22日27DPSK系统与系统与PSK系统的主要区别系统的主要区别 PSK方式中,是以未调的载波作为参考相位的方式中,是以未调的载波作为参考相位的接收端在解调时必须具备这样一个参考相位。接收端在解调时必须具备这样一个参考相位。DPSK方式采用差动编码没有固定的参考相位方式采用差动编码没有固定的参考相位就避免了接收机载波
16、相位同步的麻烦。就避免了接收机载波相位同步的麻烦。由于在接收端两者的参考信号来源不同,提取由于在接收端两者的参考信号来源不同,提取的方法也不同,因此,差错率也不同。的方法也不同,因此,差错率也不同。在在DPSK接收机中参考信号就是信号波形本身,接收机中参考信号就是信号波形本身,受到加性噪声的干扰,使检测的性能差于受到加性噪声的干扰,使检测的性能差于PSK系统。系统。2022年12月22日287.2二进制数字调制的抗噪声性能二进制数字调制的抗噪声性能通信系统的抗噪声性能指的是系统克服加性噪通信系统的抗噪声性能指的是系统克服加性噪声影响的能力。声影响的能力。衡量数字通信系统抗噪声性能的重要指标是误
17、衡量数字通信系统抗噪声性能的重要指标是误码率。码率。分析二进制数字调制系统的抗噪声性能,得出分析二进制数字调制系统的抗噪声性能,得出误码率与信噪比之间的数学关系。误码率与信噪比之间的数学关系。2022年12月22日292ASK解调器解调器解调器如同模拟信号双边带时一样,也可以有包络解调器如同模拟信号双边带时一样,也可以有包络检波和相干解调。检波和相干解调。对于数字信号解调来说,必须采用抽样判决,这一部分也称对于数字信号解调来说,必须采用抽样判决,这一部分也称为再生,这是数字通信必不可少的。它能消除噪声积累。为再生,这是数字通信必不可少的。它能消除噪声积累。2022年12月22日307.2.1
18、ASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能1、相干接收时、相干接收时ASK系统的误比特率系统的误比特率2cos,10 ,0cnASKnAtasa为讨论方便,将为讨论方便,将2ASK信号表示为:信号表示为:信道的高斯白噪声经带通滤波器后形成窄带高斯噪声,表达式为:信道的高斯白噪声经带通滤波器后形成窄带高斯噪声,表达式为:()()cos()siniIcQcn tn ttntt当发送信号不为当发送信号不为0时,带通滤波器的输出信号表达式为:时,带通滤波器的输出信号表达式为:()cos()()cos()sinciIcQcx tAtn tAn ttntt解调器输出为:解调器输出为:()()Iy tAn t是
19、一个均值为是一个均值为A的高斯随机过程的高斯随机过程2022年12月22日311、相干接收时、相干接收时ASK系统的误比特率系统的误比特率22()211()2y Ap yey(t)的一维概率密度函数为:的一维概率密度函数为:当发送两种信号等概时,平均误比特率为:当发送两种信号等概时,平均误比特率为:22201()2ypye当发送信号当发送信号0时,时,y(t)的一维概率密度函数为:的一维概率密度函数为:111()()22TTVboVPpy dyp y dy最佳判决门限应选在两条曲线的交点,即最佳判决门限应选在两条曲线的交点,即/2TVA此时此时Pb为:为:22/212TybVPed y 对上式
20、进行变量置换,令:对上式进行变量置换,令:/,/zyd zd y将新变量带入:将新变量带入:2/2122zbAAPed zQ载波不为载波不为0时的信号定义为峰值信号,则解调器输入的峰值信噪比为:时的信号定义为峰值信号,则解调器输入的峰值信噪比为:22/2Ar相干相干ASK的误比特率又可写为:的误比特率又可写为:2brPQ简称为接收信噪比简称为接收信噪比2022年12月22日332、非相干、非相干ASK的误比特率的误比特率()cos()cos()sincos()cIcQccx tAtn ttnttRtt接收端带通滤波器的输出和相干检测法的相同,当发送信号不为接收端带通滤波器的输出和相干检测法的相
21、同,当发送信号不为0时:时:包络包络R的概率密度函数呈莱斯分布,有:的概率密度函数呈莱斯分布,有:210222()()exp,02RRAARp RIRI0(.)为第一类零阶修正贝塞尔函数为第一类零阶修正贝塞尔函数当发送信号为当发送信号为0时,时,A=0,I0(0)=1,包络包络R的概率密度函数呈瑞利分布,有:的概率密度函数呈瑞利分布,有:2022()exp,02RRp RRRR当发送两种信号等概时,平均误比特率为:当发送两种信号等概时,平均误比特率为:01011()()22TTVbVPpRd RpRd R最佳判决电平应在两条概率密度函数曲线的交点:最佳判决电平应在两条概率密度函数曲线的交点:1
22、0()()TTpVpV求出近似解:求出近似解:1/222812TAVA当信噪比很高时:当信噪比很高时:/2TVA0(),12ReIRRR 代入误比特率公式:代入误比特率公式:2211e x p2822bAAPQ在信噪比很高的条件下,上式进一步近似为:在信噪比很高的条件下,上式进一步近似为:/412rbPe在大信噪比及最佳判决门限下,误比特率随信噪比在大信噪比及最佳判决门限下,误比特率随信噪比的增大而近似地按指数规律下降的增大而近似地按指数规律下降2022年12月22日352FSK解调解调2022年12月22日367.2.2 FSK的抗噪声性能的抗噪声性能1、相干、相干FSK的误比特率的误比特率
23、2FSK信号可表示为:信号可表示为:122cos,1()cos,0nFSKnAtastAta当发送信号为当发送信号为1时,时,BPF1输出为:输出为:11111111()cos()cos()cos()siniIQx tAtntAtnttntt低通滤波器低通滤波器LPF1输出为:输出为:11()()Iy tAnty1(t)的概率密度函数为:的概率密度函数为:2112()1()exp22yAp y2022年12月22日371、相干、相干FSK的误比特率的误比特率下支路中带通滤波器下支路中带通滤波器BPF2的输出为窄带高斯噪声:的输出为窄带高斯噪声:222222()()()cos()siniIQx
24、tntnttntt低通滤波器低通滤波器LPF2的输出为:的输出为:22()()Iy tnty2(t)的概率密度函数为:的概率密度函数为:22221()exp22yp y令:令:1212()()()()()IIy ty ty tAntnt若这个电压比零小,则判决器产生一个错误。即产生一个错误的概率就是若这个电压比零小,则判决器产生一个错误。即产生一个错误的概率就是y(t)RR2 2才会有正确的判决才会有正确的判决 令令载波为载波为1 1和和2 2两种情况下,信号的错误概率相同,非相干解调的两种情况下,信号的错误概率相同,非相干解调的FSKFSK的误比特率为:的误比特率为:2121112210()
25、()()bRRPP RRp Rp R dR dR综合以上,得误比特率的表达式为:综合以上,得误比特率的表达式为:2211110122220ARRexpexp22bRARPIdR令:令:122xR则:则:222220222011expexp24222bAAAPxIxxdx引入以下结论:引入以下结论:2200()exp/21xIxxdx设:设:222A2/22111expexp24222rbArPe2022年12月22日412PSK解调解调2PSK相干解调器:相干解调器:2022年12月22日427.2.3 2PSK和和2DPSK的抗噪声性能的抗噪声性能2PSK2PSK的抗噪声性能的抗噪声性能2P
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