通信原理教学课件13.ppt

1、1通信原理第五章第五章 数字频带传输系统数字频带传输系统(5.4-5.5)2复习复习-Eb/n0与与S/NnEb/n0为为单位比特能量与噪声功率谱密度之比单位比特能量与噪声功率谱密度之比n不不同调制方法具有可比性；同调制方法具有可比性；n实际系统中测量到的是信号噪声功率比实际系统中测量到的是信号噪声功率比S/N。222lologloggbbbsbbEMERRSERMM 0bbERSNnB 0Nn B 3复习复习-MPSK信号表示信号表示()()cos()MPSKscnnstg tnTt -cossinnscnscnnag tnTtbg tnTt-cos,sinnnnnab 其中，其中，()co

2、s()sin()()MPSKccsQ tttI tt-():():()nsnnsnQa g tnTb g tnTtI t-同相分量同相分量正交分量正交分量4复习复习-QPSK信号矢量图信号矢量图参考相位参考相位34 54 74 110100104 4,4M 系系统统4 系统系统2 参考相位参考相位2 23 1000011104,0M 5复习复习-QPSK调制调制-1 +1+1-16复习复习-QPSK解调解调相干解调相干解调78PSK调制原理调制原理8一种一种8PSK星座影射关系星座影射关系012bbb),(sncnaa8进制符号值进制符号值012345670000010110101101111

3、01100(1,0)(0.707,0.707)(0,1)(-0.707,0.707)(-1,0)(-0.707,-0.707)(0,-1)(0.707,-0.707)8PSK调制原理调制原理95.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理5.4.4 多进制差分相移键控多进制差分相移键控(MDPSK)MPSK相干解调时载波恢复存在相干解调时载波恢复存在M重重相位模相位模糊糊度度；MDPSK信号和信号和MPSK信号类似，只需把信号类似，只需把MPSK信号用的参考相位当作是前一码元的信号用的参考相位当作是前一码元的相位，把相移当作是相对于前一码元相位的相位，把相移当作是相对于前一码元相位的相移。相移。

4、以以4进制进制DPSK信号为例，通常记为信号为例，通常记为QDPSK。105.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理 采用多进制差分编码：采用多进制差分编码：11()mod,()mod nnnnnndadMaddM-二进制二进制信息信息QDPSK信号信号cos ct-sin ct串串/并并差差分分编编码码电电平平产产生生电电平平产产生生 QDPSK调制调制A.A.正交调制法正交调制法115.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理QDPSK信号编码规则：信号编码规则：abnA方式方式B方式方式000 225 01270 135 11180 45 1090 315 125.4 多进制数字调制原

5、理多进制数字调制原理B.B.码变换加相位选择法码变换加相位选择法：和：和QPSK信号的第二信号的第二 种产生方法（选择法）原理相同，只是在串种产生方法（选择法）原理相同，只是在串/并变换后需要增加一个并变换后需要增加一个“码变换器码变换器”。串串/并并变换变换相位相位选择选择带通带通滤波滤波4相载波相载波产生器产生器 1 4 3 2ab码码变换变换cd135.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理 QDPSK解调方法：解调方法：A.相干解调相干解调法（极性比较法）：法（极性比较法）：bacdA(t)-/4相乘相乘电路电路相乘相乘电路电路/4s(t)低通低通滤波滤波低通低通滤波滤波抽样抽样判决

6、判决抽样抽样判决判决并并/串串变换变换逆码逆码变换变换定时定时提取提取载波载波提取提取145.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理B.相干解调过程相干解调过程 a.相干载波：相干载波：上支路：上支路：下支路：下支路：0()cos()nns tt (1)nTtnT 0cos()4t-0cos()4t 155.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理 b.信号和载波相乘的结果：信号和载波相乘的结果：上支路：上支路：下支路：下支路：0001cos()cos()cos 2()421cos()244nnnttt -0001cos()cos()cos 2()421cos()244nnnttt -c.低

7、通滤波后低通滤波后：上支路：上支路：下支路：下支路：1cos()24n 1cos()24n -165.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理d.判决规则判决规则 按照按照 n的取值不同，此电压可能为正，也可的取值不同，此电压可能为正，也可能为负，故是双极性电压。在编码时规定：能为负，故是双极性电压。在编码时规定：二进制码元二进制码元“0”“1”二进制码元二进制码元“1”“1”判决时，判决时，正电压判为二进制码元正电压判为二进制码元“0”，负电，负电压判为压判为“1”，即，即“”二进制码元二进制码元“0”“”二进制码元二进制码元“1”175.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理e.判决规则

8、判决规则:信号码元相位信号码元相位 n上支路输出上支路输出 下支路输出下支路输出判决器输出判决器输出cd0 90 180 270 01100011185.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理C.差分相干解调法差分相干解调法:输出输出-/4相乘相乘电路电路相乘相乘电路电路/4s(t)低通低通滤波滤波低通低通滤波滤波抽样抽样判决判决抽样抽样判决判决并并/串串变换变换定时定时提取提取延迟延迟T19第第7章章 数字频带传输系统数字频带传输系统n5.1 二进制数字调制原理二进制数字调制原理 n5.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能二进制数字调制系统的抗噪声性能n5.3 二进制数字调制系统的性能比较二

9、进制数字调制系统的性能比较n5.4 多进制数字调制原理多进制数字调制原理n5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能主要内容主要内容205.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能5.5.1 MASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 抑制载波抑制载波MASK信号的基带码元电平：信号的基带码元电平：基带信号的基带信号的M个电平个电平t0+d-d+3d-3d+(M-1)d-(M-1)d2d2d21 抑制载波抑制载波MASK信号的表示式：信号的表示式：000cos2cos2 3()cos2 3(1)(1)f tdf tdds ttdMMddf -5.

10、5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能22 若接收端的解调前信号若接收端的解调前信号无失真无失真，仅附加有，仅附加有窄带窄带 高斯噪声高斯噪声，忽略常数衰减因子后解调前的接收，忽略常数衰减因子后解调前的接收 信号为信号为000()()cos2 3dcos2 3()(1)dco()s2(1)df tdf tds tnMf tMtn tn td -00()cos2()sin2()csnn tf tn tf tt-5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能23 设接收机采用设接收机采用相干解调相干解调，则噪声中只有，则噪声中只有和信号和信号 同相的

11、分量同相的分量有影响。信号和噪声在相干解调器有影响。信号和噪声在相干解调器 中与载波中与载波相乘相乘，并，并滤除高频分量滤除高频分量之后，得到解之后，得到解 调器输出电压为调器输出电压为 对解调器输出电压进行抽样判决。对解调器输出电压进行抽样判决。()3d()3()(1)d()(1)cccdn tdn tdv tMn tMd -5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能24A.对于抑制载波对于抑制载波MASK信号，判信号，判 决电平应该选择在决电平应该选择在0、2d、(M-2)d。当噪声抽样值。当噪声抽样值|nc|超超 过过d 时，会发生错误判决。时，会发生错误判决。

12、B.对于信号电平等于对于信号电平等于(M-1)d的情的情 况。当信号电平等于况。当信号电平等于+(M-1)d 时，若时，若nc +d，不会发生错判；，不会发生错判；C.当信号电平等于当信号电平等于-(M-1)d 时，若时，若 nc d)噪声抽样绝对值大于噪声抽样绝对值大于d的概率。的概率。nc是均值为是均值为0，方差为，方差为 n2的正态随机变量，故有的正态随机变量，故有2211()()1()2ecccMPP ndP ndP ndMMM-22/222nxcdnPndedx -5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能26 22/222nxcdnPndedx -22/2

13、1122121nxednnderfcMPedxM -22()zxerfc xedz -5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能27误码率和信噪比的关系误码率和信噪比的关系对于对于等概率等概率的抑制载波的抑制载波MASK信号，其平均功率信号，其平均功率等于等于 当当M=2时，上式变为时，上式变为 2/222121(21)/26MsiMPdidM-2261sPdM-221311senPPerfcMM-21311ePerfcrMM -12ePerfcr 5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能28 误码率曲线误码率曲线5.5 多进制数字调制系统

14、的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能 为得到相同的误码率，为得到相同的误码率，多电平调制需要比二进制多电平调制需要比二进制更高的信噪比。更高的信噪比。多电平调制尽管提高多电平调制尽管提高了频带利用率，但抗噪了频带利用率，但抗噪声性能却下降了，尤其声性能却下降了，尤其抗衰落的能力不强，因抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在而它一般只适宜在恒参恒参信道信道中采用。中采用。295.5.2 MFSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能1、非相干解调时的误码率、非相干解调时的误码率 分析模型分析模型V1(t)抽样抽样判决判决带通滤波带通滤波f1包络检波包络检波带通滤波带通滤波fM包络检波包络检波输入输

15、入输出输出VM(t)定时脉冲定时脉冲带通滤波带通滤波f2包络检波包络检波.5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能30 误码率分析计算误码率分析计算A.假设：假设：a.当某个码元输入时，当某个码元输入时，M个带通滤波器的输出中个带通滤波器的输出中仅仅 有一个有一个是信号加噪声，其它各路都只有噪声。是信号加噪声，其它各路都只有噪声。b.M路带通滤波器中的噪声是路带通滤波器中的噪声是互相独立的窄带高互相独立的窄带高 斯噪声斯噪声，其包络服从，其包络服从瑞利分布瑞利分布。故这。故这(M-1)路噪路噪 声的包络都不超过某个门限电平声的包络都不超过某个门限电平h的概率等于的概

16、率等于11()MP h-5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能31B.P(h)是一路滤波器的输出是一路滤波器的输出噪声包络超过门限噪声包络超过门限h 的概率，由瑞利分布公式，等于的概率，由瑞利分布公式，等于2222/2/22()nnNhhnNP hedNe -5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能C.假设这假设这(M-1)路噪声都不超过门限电平路噪声都不超过门限电平h就不就不 会发生错误判决，则不发生错判的概率为会发生错误判决，则不发生错判的概率为11()MP h-32D.任意一路或一路以上噪声输出的任意一路或一路以上噪声输出的包络超

17、过此门限包络超过此门限 就将发生错误判决，错判的概率将等于就将发生错误判决，错判的概率将等于 和门限值和门限值h有关。有关。22221/211/211()11 111(1)()nnMheMnhnnMP heenhMP -5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能33E.有信号码元输出的带通滤波器的输出电压包络服从有信号码元输出的带通滤波器的输出电压包络服从广义瑞利分布广义瑞利分布：F.其它路中其它路中任何路的输出电压值超过了有信号这路的任何路的输出电压值超过了有信号这路的输出电压值输出电压值x就将发生错判就将发生错判。输出信号和噪声之和。输出信号和噪声之和x就是门限值

18、就是门限值h。发生错误判决的概率是。发生错误判决的概率是 2202221()exp,02nnnxAxp xIxAx -0()()eePp h P h dh 5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能3422222212(1)/21022011/2(1)111(1)11 (1)1nnnAMn hnennnMnAnnnMhAhPeIedhnMenn-22/412nAeMPe-20/2/21122EreMMPee-5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能35G.由于一个由于一个M进制码元含有进制码元含有k比特信息，所以每比特比特信息，所以每比特

19、占有的能量等于占有的能量等于E/k，比特信噪比比特信噪比：H.若用若用M代替代替(M-1)/2，不等式右端的值将增大，但，不等式右端的值将增大，但是此不等式仍然成立，有是此不等式仍然成立，有20/brE kr k 1exp(/2)2ebMPkr-exp(/2)ebPMkr-5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能36I.当当k 时，时，Pe按指数规律趋近于按指数规律趋近于0，但要保证，但要保证J.只要保证比特信噪比只要保证比特信噪比rb大于大于2ln2=1.391.42 dB，则不断增大则不断增大k，就能得到任意小的误码率。，就能得到任意小的误码率。ln22kkMe

20、expln22berPk -ln20,2ln22bbrr-即即5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能 对于对于MFSK体制而言，就是以增大占用带宽体制而言，就是以增大占用带宽换取误码率的降低。换取误码率的降低。37K.误码率误码率Pe和误比特率和误比特率Pb之间的关系之间的关系 假定当一个假定当一个M进制码元发生错误时，将进制码元发生错误时，将随机地错成其它随机地错成其它(M-1)个码元之一。由于个码元之一。由于M 进制信号共有进制信号共有M种不同的码元，每个码元中种不同的码元，每个码元中含有含有k个比特，个比特，M=2k。在一个码元中的任一。在一个码元中的任一给

21、定比特的位置上，给定比特的位置上，出现出现“1”和和“0”的码元的码元各占一半各占一半，即出现信息，即出现信息“1”的码元有的码元有M/2种，种，出现信息出现信息“0”的码元有的码元有M/2种。种。5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能38实例：实例：M=8，k=3，在任一列中均有，在任一列中均有4个个“0”和和4个个“1”。若一个码元错成另一个码元时若一个码元错成另一个码元时，在，在给定的比特位置上发生错误的概率只有给定的比特位置上发生错误的概率只有4/7。5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能码元码元比特比特 00 0 0 10

22、0 1 20 1 0 30 1 1 41 0 0 51 0 1 61 1 0 71 1 139L.在一个给定的码元中，在一个给定的码元中，任一比特任一比特位置上的信息位置上的信息 和其它和其它(2k-1 1)种码元在同一位置上的信息相种码元在同一位置上的信息相 同，和其它同，和其它2k-1种码元在同一位置上的信息不种码元在同一位置上的信息不 同。同。M.误比特率误比特率Pb和误码率和误码率Pe之间的关系为之间的关系为122121(1/2)kebekkPPP-/2bePP 5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能N.当当k很大时很大时40O.误码率曲线误码率曲线5.5

23、 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能(a)非相干解调非相干解调rbPe 在在M一定的情况下，一定的情况下，信噪比越大，则误码率信噪比越大，则误码率Pe越小；越小；在在Eb/n0一定的一定的情况下，情况下，M 越大，则误越大，则误码率码率Pe也越小。也越小。412、相干解调时的误码率、相干解调时的误码率 计算结果：计算结果：A.误码率上界：误码率上界：2212/2/211122MArAuePeedudA -(1)()ePMerfcr-5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能42B.误码率曲线误码率曲线(b)相干解调相干解调Perb5.5 多进

24、制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能43C.比较相干和非相干解调的误码率：当比较相干和非相干解调的误码率：当k 7时，两时，两 者的区别可以忽略。者的区别可以忽略。22/412nAeMPe-(a)非相干解调非相干解调rbPe(b)相干解调相干解调Perb5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能445.5.3 MPSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能QPSK系统的性能系统的性能 A.噪声容限噪声容限 B.误码率：误码率：设设f()为接收矢量（包括信号和噪为接收矢量（包括信号和噪 声）相位的概率密度，则错误概率为声）相位的概率密度，则错误概率为011

25、1001090 0/201()ePfd -5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能45C.信号表示式信号表示式 D.当当QPSK码元的相位码元的相位 k等于等于45 时，时，E.信号码元相当于是互相正交的两个信号码元相当于是互相正交的两个2PSK码元码元，其，其 功率为接收信号功率的功率为接收信号功率的(1/2)倍。接收信号与噪声之倍。接收信号与噪声之 和为和为000()cos()cossinkkkksttatbt-coskka sinkkb 1/2kkab ()cos()()cr tAtn t()()cos()sinccscn tn ttn tt-222csn 5

26、.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能46F.若把此若把此QPSK信号当作两个信号当作两个2PSK信号分别进行信号分别进行相相 干解调时，只有和干解调时，只有和2PSK信号同相的噪声才有影响信号同相的噪声才有影响。G.根据根据2PSK相干解调的误码率得到：相干解调的误码率得到：1/22ePerfc r 11/2/2erfc r -H.正确概率为正确概率为5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能47I.只有只有两路正交的相干检测都正确两路正交的相干检测都正确，才能保证，才能保证QPSK信号的解调输出正确。两路正交相干检测信号的解调输出正确。

27、两路正交相干检测都正确的概率为都正确的概率为J.QPSK信号解调错误的概率为信号解调错误的概率为 对于任意对于任意M进制进制PSK信号，误码率为信号，误码率为 211/2 erfc r -2111/22ePerfc r -22/2 coscos/2/11114cos22MrrrxeMPereedx d -5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能48A.当当M大时，大时，MPSK误码率公式可以近似为误码率公式可以近似为 B.OQPSK的抗噪声性能的抗噪声性能和和QPSK完全一样。完全一样。C.对于对于M相绝对移相方式，相绝对移相方式，当信噪比当信噪比r足够大足够大时，

28、误时，误 码率可近似为码率可近似为Perb(dB)sinePerfcrM 2sinrMePe-5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能495.5.4 MDPSK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能误码率计算近似公式为误码率计算近似公式为 对于对于MDPSK，当信噪，当信噪 比比r足够大时，误码率足够大时，误码率 可近似为可近似为22sinePerfcrM Perb(dB)222sinrMePe-5.5 多进制数字调制系统的抗噪声性能多进制数字调制系统的抗噪声性能 22sin2sin2rMrM 差差分分相相干干50小结小结思考题：引入新型数字调制技术的目的是什么？引入新型

29、数字调制技术的目的是什么？n QDPSK调制的原理调制的原理n MASK相干解调系统的抗噪声性能分析；相干解调系统的抗噪声性能分析；n MFSK非相干解调和相干解调时的抗噪声性能非相干解调和相干解调时的抗噪声性能 分析；分析；n QPSK系统的抗噪声性能分析；系统的抗噪声性能分析；n 功率换带宽的原理。功率换带宽的原理。作业：作业：7-19，7-2051讨论讨论目前研究热点和比较流行的调制方式有：目前研究热点和比较流行的调制方式有：1、TCM（格状编码调制）：在普通（格状编码调制）：在普通56kbps调调 制解调器中得到应用）；制解调器中得到应用）；2、OFDM（正交频分复用调制）：在（正交频分复用调制）：在ADSL （非对称数字用户环）系统和短波调制解（非对称数字用户环）系统和短波调制解 调器中得到广泛应用）；调器中得到广泛应用）；3、CCK（补码键控调制）：在无线局域网（补码键控调制）：在无线局域网 （WLAN）中广泛使用。）中广泛使用。