通信原理及MATLAB-Simulink仿真通信课件.ppt

1、1 第第6 6章章 数字信号频带传输系统数字信号频带传输系统 2内容内容 3数字调制概述数字调制概述一、正弦波数字调制作用一、正弦波数字调制作用 为了使数字信息在带通信道上传输应把数字为了使数字信息在带通信道上传输应把数字基带信号的频谱搬移到合适的带通频带上基带信号的频谱搬移到合适的带通频带上。二、正弦波数字调制概念二、正弦波数字调制概念 用基带数字信号控制高频正弦载波，把基带用基带数字信号控制高频正弦载波，把基带数字信号变换成频带数字信号，这就是正弦数字信号变换成频带数字信号，这就是正弦波数字调制波数字调制 三、三种基本数字调制三、三种基本数字调制4四、模拟调制与数字调制的比较四、模拟调制与

2、数字调制的比较 数字调制概述数字调制概述（1）载波相同）载波相同（2）调制目的相同）调制目的相同（3）调制参数相同）调制参数相同 不同点有：不同点有：（1）调制信号不同）调制信号不同（2）调制过程不同）调制过程不同（3）解调过程不同）解调过程不同 相同点有：相同点有：56.1 二进制数字调制二进制数字调制 一、二进制幅度键控一、二进制幅度键控2ASK 12ASK信号的表达式和波形信号的表达式和波形2()()cosASKcetb tt()b tcosct2()ASKetB(t)-单极性单极性NRZ622ASK信号的产生方法信号的产生方法一、二进制幅度键控一、二进制幅度键控2ASK(a)相乘法(b

3、)键控法()b tcosct2()ASKetcosct()b t2()ASKet7一、二进制幅度键控一、二进制幅度键控2ASK 3.2ASK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽1()()()4ebcbcP fP ffP ff 21()44sbasTP fSfTf22()1616111616sseacsacsccTTP fSff TSff TffffB(t)-单极性单极性NRZ2()()cosASKcetb tt2sf212,0.52ASKsssbsbsBffTRfBf84.2ASK信号的解调方法信号的解调方法一、二进制幅度键控一、二进制幅度键控2ASK BPF包络检波包络检波判决判决输出2()

4、ASKet 非相干解调法非相干解调法 ：0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1原始信息原始信息整 流 后整 流 后波波形形LPF后后波形波形判决后判决后波形波形)(2teASK94.2ASK信号的解调方法信号的解调方法一、二进制幅度键控一、二进制幅度键控2ASK 相干解调法相干解调法 ：BPFLPF判决判决输出)(ty)(tstccos)(2teASK2()()cosASKcetb tt22()()cos()coscos()cos111()1cos2()()cos2222ASKccccccs tettb tttb ttb ttb tb tt10二、二进制移频键控二、二进制移频键控2FSK

5、12FSK信号的表达式和波形信号的表达式和波形212()()cos()cosFSKetb ttb ttB(t)-单极性单极性NRZ11二、二进制移频键控二、二进制移频键控2FSK 22FSK信号的产生方法信号的产生方法（a）模拟调频法）模拟调频法(b)(b)键控法键控法FM()b t2()FSKet1cost2cost()b t2()FSKet12二、二进制移频键控二、二进制移频键控2FSK 3.2FSK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽221122221122()16161616111116161616sseasasssasasTTP fSff TSff TTTSffTSffTffffff

6、ff()eP f212sfff1f2ff022122112,2FSKsssbsbFSKsBffffTRfBfff134.2FSK信号的解调方法信号的解调方法二、二进制移频键控二、二进制移频键控2FSK（a a）非相干解调）非相干解调（b b）相干解调）相干解调14【例例6-1】设发送数字信息序列为设发送数字信息序列为1101101100，码元速率为，码元速率为1000Baud，现采用键控法产生，现采用键控法产生2FSK信号，并设信号，并设f1=1kHz，对应，对应“1”；f2=1.5kHz，对应，对应“0”。若。若两振荡器输出振荡初相均为两振荡器输出振荡初相均为0，画出，画出2FSK信号波信号

7、波形，并计算其带宽和频带利用率。形，并计算其带宽和频带利用率。3321321.51102 102.5kHz/1000/2.5 100.4bit/(sHz)sbsBfffRBRB15三、二进制移相键控三、二进制移相键控2PSK 12PSK信号的表达式和波形信号的表达式和波形2()()cosPSKcetb tt0000111122PSK信号的产生方法信号的产生方法163.2PSK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽三、二进制移相键控三、二进制移相键控2PSK 1()()()4ebcbcP fP ffP ff2()bsasP fT SfT22()44sseacsacsTTP fSffTSffT2sf

8、212,0.52ASKsssbsbsBffTRfBf174.2PSK信号的解调方法信号的解调方法三、二进制移相键控三、二进制移相键控2PSK 22()()cos()coscos()cos111()1cos2()()cos2222PSKccccccs tettb tttb ttb ttb tb tt1()()()2y tLPF s tb t18三、二进制移相键控三、二进制移相键控2PSK 5.相干载波的提取和相位模糊相干载波的提取和相位模糊22211()()cos()()cos222ccx tb ttb tb tt2()1b t 由于11()cos 222cx tt()coscoscncc tt

9、tnn输出相位输出相位 有多个可能值，为有多个可能值，为 的整数倍的整数倍相位模糊相位模糊-载波提取方法：载波提取方法：19四、差分移相键控四、差分移相键控2DPSK 12DPSK信号波形信号波形100,0,表示数字信息0表示数字信息1表示数字信息表示数字信息 或第一种情况的波形如下：第一种情况的波形如下：202DPSK信号的产生方法信号的产生方法四、差分移相键控四、差分移相键控2DPSK 例：基带信号例：基带信号0011100100111001的的2DPSK2DPSK信号产生过程如下：信号产生过程如下：213DPSK信号的解调方法信号的解调方法四、差分移相键控四、差分移相键控2DPSK DP

10、SK DPSK的相干解调的相干解调22 差分相干解调差分相干解调四、差分移相键控四、差分移相键控2DPSK 236.2 二进制系统的抗噪声性能二进制系统的抗噪声性能 00()()cos()sincsn tn ttn tt22220()()()csn tn tn tn B 2ASK的抗噪声性能：相干解调法和包络检波法的抗噪声性能：相干解调法和包络检波法 2FSK的抗噪声性能：相干解调法和非相干解调法的抗噪声性能：相干解调法和非相干解调法 PSK/2DPSK的抗噪声性能的抗噪声性能24一、一、2ASK的抗噪声性能的抗噪声性能 1相干解调法相干解调法2cos()0cASKAtet发1 发0设设2()

11、()()coscoscos()cos()cos2222ASKcccccs tetn ttAttn ttn tt发1发0 则则coscoscos22cccAttAAt其中其中()cos()cos()sincos()()cos2()sin222cccscccccscn ttn ttn tttn tn ttn tt而而()()()ccAn ty tn t发1发0 经经LPFLPF后：后：抽样器的输出为：抽样器的输出为：cncAnyn发1发0 25抽样器的输出为：抽样器的输出为：cncAnyn发1发0 22211()2y Ap ye发发“1”1”时概率密度函数为：时概率密度函数为：22201()2yp

12、ye发发“0”0”时概率密度函数为：时概率密度函数为：/201/2221122122 2128124AbAPpy dypy dyAerfcAerfcrerfc222Ar2A A 为信号振幅为信号振幅 为噪声方差为噪声方差。其中：其中：一、一、2ASK的抗噪声性能的抗噪声性能 262包络检波法包络检波法一、一、2ASK的抗噪声性能的抗噪声性能 当发当发“1”1”时时 cos()cos()cos()sin()cos()ccccsccAtn tAtn ttn ttr ttt其概率密度函数为其概率密度函数为 22221022()yAyAyp yIe22()()()()csr tAn tn ty t其中

13、其中 服从莱斯分布服从莱斯分布0()Ix式中式中 为零阶修正贝塞尔函数。为零阶修正贝塞尔函数。0()Ix当发当发“0”0”时时22()()()()csr tn tn ty t22202()yypye最佳门限值可近似为最佳门限值可近似为/2thVA此时此时221exp281exp124bAPrr 包络检波器的输入只有窄带噪声包络检波器的输入只有窄带噪声 0101122ththVbVPpy dypy dy27二、二、2FSK的抗噪声性能的抗噪声性能 1相干解调法相干解调法当发当发“1”1”时，时，11cos()Atn t11111()()cos()sincsn tnttntt其中：其中：下支路信号

14、为：下支路信号为：22222()()cos()sincsn tnttntt判决器输入为：判决器输入为：12ccyAnn222 211()2 2y Ap ye 上支路信号为：上支路信号为：20112124bAPpy dyerfc同理可得：同理可得：01bbPP21021111222422bbbArPPPerfcerfc总误码率为：总误码率为：282非相干解调法非相干解调法二、二、2FSK的抗噪声性能的抗噪声性能 当发当发“1”1”时，时，上支路信号为：上支路信号为：211110222()()expI2yAyAyp y下支路信号为：下支路信号为：222222()exp2yyp y当当y2y1时，造

15、成误码。当给定一个时，造成误码。当给定一个y1的值时：的值时：11121222()()()exp2yyF yP yyp y dy发送发送“1”而错判成而错判成“0”的概率为的概率为 21111201()()exp24APp y F y dy同理可得：同理可得：20121exp24APP总误码率为：总误码率为：20121111expexp222422bArPPP29三、三、2PSK/2DPSK的抗噪声性能的抗噪声性能 12PSK相干解调相干解调设设2cos()coscPSKcAtetAt 发1发0cncAnyAn发1发0 则则当当“1”1”、“0”0”等概率，最佳门限为等概率，最佳门限为 0th

16、V，此时，此时 2211222bAPerfcerfcr2222221011()()22y AyAp yepye得得302DPSK解调解调三、三、2PSK/2DPSK的抗噪声性能的抗噪声性能 DPSKDPSK差分相干解调系统的误码率为：差分相干解调系统的误码率为：2211expexp222bAPr22221111222bAPerferfrDPSKDPSK相干解调相干解调-码反变换法系统的误码率为码反变换法系统的误码率为112erfc rerfc r316.3 二进制调制系统的性能比较二进制调制系统的性能比较 一、频带宽度一、频带宽度 222ASKPSKsBBT2212FSKsBffT二、误码率的

17、比较二、误码率的比较 32【例例6-3】采用二进制数字调制通信系统传输采用二进制数字调制通信系统传输0、1等概出现等概出现的数字信息，若设发射机输出端已调信号振幅的数字信息，若设发射机输出端已调信号振幅A=10V，信道传输的（功率）衰减为信道传输的（功率）衰减为60dB，接收接收机解调器输入端噪声功率机解调器输入端噪声功率Ni=5W，求下列情况下求下列情况下的误码率的误码率Pe:（1）2ASK相干解调；相干解调；（2）2ASK非相干解调；非相干解调；（3）2PSK相干解调；相干解调；（4）2DPSK相干解调；相干解调；（5）2DPSK差分相干解调。差分相干解调。20log60log310001

18、00.011000TTTAAAAAAA222260.0110222 5 10iaarN 11(2)expexp2.50.041242erP11(1)2.50.0127242erPerfcerfc611(3)103.85 1022ePerfcrerfc61(4)17.7 102ePerfc rerfc rerfc r511(5)expexp102.27 1022ePr33【例例6-4】已知已知2FSK信号的两个载频为信号的两个载频为f1=2225Hz（对应（对应“1”），），f2=2025Hz（对应（对应“0”），信息速率），信息速率Rb=300bit/s，信道频率范围为，信道频率范围为3003

19、300Hz，信道输，信道输出端信噪比出端信噪比rc=3dB，试计算：，试计算：1.该该2FSK信号带宽；信号带宽；2.采用非相干解调时的误码率采用非相干解调时的误码率Pe;3.采用相干解调时的误码率采用相干解调时的误码率Pe;4.与上例的误码率进行比较。与上例的误码率进行比较。34【例例6-4】解答：解答：21(1)2222520252 300800HzsBfff12001113(2)33003003000Hz3dB/22600Hz/300021060011expexp53.4 10222ccccsiicccccicceBrrS NBPFBBfrS NS NNn BBrrS NNn BBBrr

20、BrP即的且则41110(3)7.9 102222erPerfcerfc（4 4）与上例的误码率计算结果按递减顺序排列）与上例的误码率计算结果按递减顺序排列 35三、对信道特性变化的敏感性比较三、对信道特性变化的敏感性比较 6.3 二进制调制系统的性能比较二进制调制系统的性能比较 在在2FSK系统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比较系统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比较两路解调输出的大小来做出判决。两路解调输出的大小来做出判决。2PSK系统中，判决器的最系统中，判决器的最佳判决门限为零，接收机容易保持在最佳判决门限状态。但佳判决门限为零，接收机容易保持在最佳判决门限状态。但2AS

21、K系统中，判决器的最佳判决门限为系统中，判决器的最佳判决门限为a/2，它与接收机输，它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度将随着发生变化，从而导致最佳判决门限也将随之号的幅度将随着发生变化，从而导致最佳判决门限也将随之而变。这时，接收机难以保持在最佳判决门限状态，因此而变。这时，接收机难以保持在最佳判决门限状态，因此2ASK对信道特性变化敏感，性能最差。对信道特性变化敏感，性能最差。366.3 二进制调制系统的性能比较二进制调制系统的性能比较四、设备的复杂程度比较四、设备的复杂程度比较 发送端设备的复杂程度相

22、差不多，而接收端的复发送端设备的复杂程度相差不多，而接收端的复杂程度则与所选用的调制和解调方式有关。对于杂程度则与所选用的调制和解调方式有关。对于同一种调制方式，相干解调的设备要比非相干解同一种调制方式，相干解调的设备要比非相干解调时复杂；而同为非相干解调时，调时复杂；而同为非相干解调时，2DPSK的设备的设备最复杂，最复杂，2FSK次之，次之，2ASK最简单。最简单。37实验时间通知实验时间通知第十四周，周一，晚上，一批第十四周，周一，晚上，一批第十四周，周三，下午，一批第十四周，周三，下午，一批第十四周，周三，晚上，一批第十四周，周三，晚上，一批386.4 多进制数字调制系统多进制数字调制

23、系统一、多进制数字振幅调制系统一、多进制数字振幅调制系统()()cos()cosMASKcnscnetb tta g tnTtb(tb(t)：多进制数字基带信号：多进制数字基带信号g(tg(t)：基本门函数：基本门函数01210121nMPPPPaM概率为概率为概率为概率为 1时域表达式及波形图时域表达式及波形图392 MASK信号的产生方法信号的产生方法 一、多进制数字振幅调制系统一、多进制数字振幅调制系统 3 MASK信号的带宽及频带利用率信号的带宽及频带利用率 222/logMASKsbBRRM2log2bbMASKRMB4MASK信号的解调方法信号的解调方法（相干解调相干解调及非相干解

24、调）及非相干解调）40【例例6-5】若四进制代码与电平的对应关系为：若四进制代码与电平的对应关系为：画出当信码为画出当信码为 11100100001010001110时的时的四进制基带信号波形和四进制基带信号波形和4ASK信号波形。信号波形。003101111013 41二、多进制数字频率调制系统二、多进制数字频率调制系统 1MFSK系统方框图系统方框图422MFSK信号的带宽及频带利用率信号的带宽及频带利用率二、多进制数字频率调制系统二、多进制数字频率调制系统 112,MFSKMsssBffRRT频带利用率不高频带利用率不高 43三、多进制数字相位调制系统三、多进制数字相位调制系统 1.多相

25、制的表示式及相位配置多相制的表示式及相位配置/4/4体系体系/2/2体系体系()()cos()sinMPSKnscnscnneta g tnTtb g tnTt1122coscoscoscosnnMMPPPa概率为概率为概率为1122sinsinsinsinnnMMPPPb概率为概率为概率为442.四进制绝对移相四进制绝对移相(4PSK或或QPSK)三、多进制数字相位调制系统三、多进制数字相位调制系统 4PSK信号的波形图信号的波形图 4PSK信号的产生方法信号的产生方法 相位选择法相位选择法45正交调制法正交调制法 三、多进制数字相位调制系统三、多进制数字相位调制系统()cossinQPSK

26、ncncetItQt1nnIa 1nnQb 46 4PSK信号的解调信号的解调 三、多进制数字相位调制系统三、多进制数字相位调制系统()cossinQPSKncncetItQt47【例例6-6】若若4PSK系统采用系统采用/4体系，画出当信码为体系，画出当信码为00110100100000011011时的时的4PSK信号波形。信号波形。483.差分四进制移相差分四进制移相(DQPSK)三、多进制数字相位调制系统三、多进制数字相位调制系统 DQPSK信号的波形图信号的波形图 DQPSK信号的产生方法：信号的产生方法：绝对码变成相对码绝对码变成相对码，再对相对码进行绝对调相，再对相对码进行绝对调相

27、 方法一：方法一：方法二：方法二：1mod,4nnnYXY49 三、多进制数字相位调制系统三、多进制数字相位调制系统 11110iiiiiiiicaccddbd若11111iiiiiiiicbccddad若50 DQPSK信号的解调信号的解调 11110iiiiiiiiacccdbdd若11111iiiiiiiiaaacdbcc若三、多进制数字相位调制系统三、多进制数字相位调制系统 51 四、正交幅度调制（四、正交幅度调制（QAM）1、16QAM星座图星座图522、一般表达式、一般表达式16()cos()cossinQAMncnncncetAtItQt 四、正交幅度调制（四、正交幅度调制（QA

28、M）3、16QAM信号的产生信号的产生534、16QAM信号解调信号解调 四、正交幅度调制（四、正交幅度调制（QAM）222/log 16/2sbbBRRR54小小 结结 1数字调制数字调制数字调制是指：调制信号是数字信号，载波是数字调制是指：调制信号是数字信号，载波是正弦波的调制。由于数字信号可视作模拟信号正弦波的调制。由于数字信号可视作模拟信号的特例（取值离散），因而数字调制也可视作的特例（取值离散），因而数字调制也可视作模拟调制的特例。模拟调制的特例。552二进制数字调制系统比较二进制数字调制系统比较小小 结结 563多进制调制多进制调制小小 结结 与二进制调制相比，多进制数字调制的优点

29、是：可与二进制调制相比，多进制数字调制的优点是：可以提高频带利用率，这样，在传输带宽以提高频带利用率，这样，在传输带宽B相同时，相同时，可提高信息传输速率；或者，在信息传输速率相同可提高信息传输速率；或者，在信息传输速率相同时，可减小传输带宽时，可减小传输带宽B。两者均表明：提高了有效。两者均表明：提高了有效性。性。在三种多进制数字调制系统中，在三种多进制数字调制系统中，MASK的可靠性更的可靠性更差、差、MFSK的频带利用率增大有限（由于带宽也相的频带利用率增大有限（由于带宽也相应增大），因而仅应增大），因而仅MPSK（实为（实为MDPSK，下同），下同）获得广泛应用。但由于可靠性的限制，获

30、得广泛应用。但由于可靠性的限制，MPSK只用只用到了到了4PSK、8PSK。574QAM小小 结结 当当M=16时，常采用时，常采用MQAM。由于。由于MASK、MPSK信号信号占据相同的频率范围，于是想到同时利用振幅、相位来传占据相同的频率范围，于是想到同时利用振幅、相位来传输信息，这就是输信息，这就是APK系统，其中最典型的是系统，其中最典型的是MQAM。从星座图上信号点的分布来看，从星座图上信号点的分布来看，MPSK也属于正交调制。也属于正交调制。事实上，事实上，MPSK是是MQAM的特例（等幅），从而也可用正的特例（等幅），从而也可用正交调制、解调法来产生和解调。另一方面，从极坐标上看，交调制、解调法来产生和解调。另一方面，从极坐标上看，MPSK的信号点仅为一维分布，这决定了它的信号点分布的信号点仅为一维分布，这决定了它的信号点分布不如不如MQAM均匀。因而，当时，均匀。因而，当时，MPSK的抗干扰能力比的抗干扰能力比MQAM差得多，因而常用差得多，因而常用MQAM。58作业：作业：2、3、4、9、11、12