通信原理chapter5-基本的數(shù)字頻帶傳輸概要課件

2022/10/15通信與信息工程學院1

第5章基本的數(shù)字頻帶傳輸2022/10/11通信與信息工程學院1

第5章基本的數(shù)字2022/10/15通信與信息工程學院2第5章基本的數(shù)字頻帶傳輸5.12ASK5.22FSK5.32PSK與2DPSK5.4QPSK與DQPSK5.5基本頻帶調(diào)制的討論5.6*復(fù)包絡(luò)、等效基帶系統(tǒng)與無ISI傳輸2022/10/11通信與信息工程學院2第5章基本的數(shù)字頻2022/10/15通信與信息工程學院3第5章基本的數(shù)字頻帶傳輸習題P226~2295.1、5.2、5.3、5.4、5.7、5.8、5.9（1）、5.10、5.11、5.19、5.21、5.222022/10/11通信與信息工程學院3第5章基本的數(shù)字頻2022/10/15通信與信息工程學院4引言數(shù)字頻帶傳輸：在帶通信道上傳輸數(shù)字信號的方法與模擬頻帶傳輸類似，數(shù)字頻帶傳輸也利用正弦載波的幅度、頻率或相位將消息信號搬移到信道頻帶上調(diào)幅（AM）幅移鍵控（ASK）調(diào)頻（FM）頻移鍵控（FSK）調(diào)相（PM）相移鍵控（PSK）2022/10/11通信與信息工程學院4引言數(shù)字頻帶傳2022/10/15通信與信息工程學院5引言數(shù)字頻帶傳輸?shù)暮诵膬?nèi)容：數(shù)字頻帶信號的調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：發(fā)送端產(chǎn)生ASK、FSK或PSK信號的過程解調(diào)：接收端由ASK、FSK或PSK信號恢復(fù)出數(shù)字序列的過程（相干解調(diào)或非相干解調(diào)）模擬：調(diào)制與解調(diào)方法、功率、帶寬、效率、抗噪聲性能數(shù)字：調(diào)制與解調(diào)方法、功率譜、帶寬、頻帶利用率、誤

碼性能2022/10/11通信與信息工程學院5引言數(shù)字頻帶傳2022/10/15通信與信息工程學院6引言2022/10/11通信與信息工程學院6引言2022/10/15通信與信息工程學院7

5.1

2ASK2022/10/11通信與信息工程學院7

5.12ASK2022/10/15通信與信息工程學院85.12ASK5.1.1基本原理2ASK（二進制幅移鍵控）或OOK（開關(guān)鍵控）通過改變正弦載波的幅度來傳輸“0”、“1”信號波形表現(xiàn)為正弦波的有（開啟）無（關(guān)閉）2022/10/11通信與信息工程學院85.12ASK5.2022/10/15通信與信息工程學院91、2ASK信號及其調(diào)制方法消息信號ASK信號5.12ASK2022/10/11通信與信息工程學院91、2ASK信號及其2022/10/15通信與信息工程學院10

乘積法（DSB-SC）開關(guān)法5.12ASK2022/10/11通信與信息工程學院105.12ASK2022/10/15通信與信息工程學院115.12ASK5.1.2功率譜與帶寬2ASK信號為基帶信號與載波的乘積形式帶寬

B2ASK=2B=2Rb（第一零點帶寬）2022/10/11通信與信息工程學院115.12ASK52022/10/15通信與信息工程學院125.12ASK單極性NRZ碼功率譜密度對于幅度為1的單極性NRZ序列與正弦型載波2022/10/11通信與信息工程學院125.12ASK單2022/10/15通信與信息工程學院132、2ASK信號的包絡(luò)檢波解調(diào)法（1）帶通濾波器：中心頻率fc，帶寬2B或2Rb

n(t)功率為2N0B（2）整流濾波電路提取包絡(luò)：≈m(t)5.12ASK2022/10/11通信與信息工程學院132、2ASK信號的2022/10/15通信與信息工程學院14（3）判決門限：誤碼特性BPF輸出信噪比門限效應(yīng)5.12ASK2022/10/11通信與信息工程學院14（3）判決門限：52022/10/15通信與信息工程學院15例5.1一2ASK系統(tǒng)傳輸速率為5Mbps，接收帶通濾波器輸出幅度223.6mV，如高斯噪聲功率譜密度分別為N0=W/Hz與N0=W/Hz。求兩種情況下的系統(tǒng)誤碼率解：因為B=Rb=5Mbps，則噪聲功率=2N0B=2N0Rb（1）

N0=，，Pe≈（2）N0=，=0.83<1，由于門限效應(yīng)，系統(tǒng)無法正常工作5.12ASK2022/10/11通信與信息工程學院15例5.1一2AS2022/10/15通信與信息工程學院165.12ASK5.1.3*包絡(luò)檢波的誤碼性能分析（P192-193、結(jié)論）注意：單極性NRZ2022/10/11通信與信息工程學院165.12ASK52022/10/15通信與信息工程學院175.12ASKP193：通常取BBPF=Rb，這是BBPF的最小理論值BBPF=2B=2Rb（5.1.1節(jié)、例5.1）2022/10/11通信與信息工程學院175.12ASK2022/10/15通信與信息工程學院18

5.2

2FSK2022/10/11通信與信息工程學院18

5.22FSK2022/10/15通信與信息工程學院195.22FSK5.2.1基本原理1、2FSK信號及其調(diào)制方法（二進制頻移鍵控）通過鍵控正弦載波的頻率（利用兩個頻率），傳輸“0”、“1”信號“1”：高頻率，fc+?f“0”：低頻率，fc-?f2022/10/11通信與信息工程學院195.22FSK52022/10/15通信與信息工程學院205.22FSK相當兩路互補ASK信號的疊加

與互補：2022/10/11通信與信息工程學院205.22FSK2022/10/15通信與信息工程學院215.22FSK2022/10/11通信與信息工程學院215.22FSK2022/10/15通信與信息工程學院225.22FSK2*、相位連續(xù)性（P194-195）防止“1”、“0”換碼時，兩個正弦波之間出現(xiàn)間斷占據(jù)額外的頻帶，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)（1）桑德FSK信號參數(shù)（2）壓控振蕩器（VCO）（FM）2022/10/11通信與信息工程學院225.22FSK22022/10/15通信與信息工程學院235.22FSK3、包絡(luò)檢波解調(diào)法兩個互補ASK接收系統(tǒng)（1）上路接收下路接收

必須滿足：2022/10/11通信與信息工程學院235.22FSK32022/10/15通信與信息工程學院245.22FSK（2）判決準則，或2022/10/11通信與信息工程學院245.22FSK2022/10/15通信與信息工程學院25誤碼特性BPF輸出信噪比門限效應(yīng)5.22FSK2022/10/11通信與信息工程學院255.22FSK2022/10/15通信與信息工程學院264*、過零檢測解調(diào)法（P195-196）：利用鑒頻法檢測2FSK信號5.22FSK2022/10/11通信與信息工程學院265.22FSK2022/10/15通信與信息工程學院275.22FSK5.2.2功率譜與帶寬兩路互補2ASK信號功率譜的疊加帶寬（第一零點帶寬）（卡森公式）2022/10/11通信與信息工程學院275.22FSK52022/10/15通信與信息工程學院285.22FSK如果2FSK信號中，兩個頻率過于接近，那么兩個2ASK信號的功率譜將發(fā)生重疊，需保持頻率間隔大，解調(diào)效果較好，但帶寬利用率較低2022/10/11通信與信息工程學院285.22FSK如2022/10/15通信與信息工程學院295.22FSK5.2.3*包絡(luò)檢波的誤碼性能分析（P198-199、結(jié)論）2022/10/11通信與信息工程學院295.22FSK52022/10/15通信與信息工程學院30例5.2使用Bell103型FSK調(diào)制解調(diào)器進行全雙工數(shù)字通信，頻帶300~3300Hz，2FSK傳輸，每個方向的傳輸速率均為300波特。求兩路通信的帶寬與頻帶位置解：兩路通信系統(tǒng)均有與Rb=300bps

帶寬=Hz

其頻帶分別為770~1570Hz與1725~2525Hz5.22FSK傳輸方向傳號頻率f1空號頻率f0應(yīng)答方至主叫方1270Hz1070Hz主叫方至應(yīng)答方2225Hz2025Hz2022/10/11通信與信息工程學院30例5.2使用Be2022/10/15通信與信息工程學院31

5.3

2PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院31

5.32PSK2022/10/15通信與信息工程學院325.32PSK與2DPSK5.3.12PSK（BPSK）1、2PSK信號及其調(diào)制方法利用兩種相位傳輸二元符號，最常使用0與令序列{an}的雙極性NRZ基帶信號m(t)調(diào)制方法：乘積法與選擇法2022/10/11通信與信息工程學院325.32PSK與2022/10/15通信與信息工程學院33“同相”與“反相”是相對于當前時隙的載波相位而言5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院33“同相”與“反相”2022/10/15通信與信息工程學院342、功率譜與帶寬與2ASK信號形狀相同，但無離散分量帶寬：B2PSK=2Rb抑制載波2ASK信號，2ASK信號是2PSK信號與載波疊加5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院342、功率譜與帶寬52022/10/15通信與信息工程學院35功率譜雙極性NRZ碼，均值為零，功率譜中無離散分量5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院35功率譜5.32P2022/10/15通信與信息工程學院363、2PSK的相干解調(diào)符號信息既不在幅度上，也不在頻率上（1）前端BPF：中心頻率fc，帶寬2B或2Rb（2）本地載波需與信號載波完全同頻同相5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院363、2PSK的相干2022/10/15通信與信息工程學院37低通濾波器LPF：BLPF=Bnc(t)為窄帶噪聲n(t)的同相分量，功率譜為N0，帶寬為BLPF5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院37低通濾波器LPF：2022/10/15通信與信息工程學院38（3）類似于基帶信號通過AWGN信道的結(jié)果。故可用低通濾波法與匹配濾波法進行接收4、誤碼性能5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院38（3）2022/10/15通信與信息工程學院39（1）采用LPF基帶接收法其中BLPF=Rb=1/Tb，（重要）（2）采用MF接收法5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院39（1）采用LPF基2022/10/15通信與信息工程學院40例5.3假定2PSK系統(tǒng)傳輸速率為5Mbps，接收帶通濾波器輸出信號幅度為223.6mV，高斯噪聲功率譜密度為W/Hz，求相干接收的最佳誤碼率解：5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院40例5.35.32022/10/15通信與信息工程學院41結(jié)論（1）誤碼性能與雙極性NRZ基帶傳輸系統(tǒng)相同（2）2PSK系統(tǒng)的抗噪性能比2ASK與2FSK系統(tǒng)好（3）需進行載波同步，系統(tǒng)較復(fù)雜（4）存在“不確定性反相”，無法直接應(yīng)用5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院415.32PSK與2022/10/15通信與信息工程學院42結(jié)論（4）存在“不確定性反相”，無法直接應(yīng)用5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院42結(jié)論5.32PS2022/10/15通信與信息工程學院435.3.22DPSK2DPSK（二進制差分相移鍵控）將差分編碼與2PSK相結(jié)合，解決“不確定性反相”問題1、基本原理bn為絕對碼，dn為相對碼5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院435.3.22DP2022/10/15通信與信息工程學院444.1二元與多元數(shù)字基帶信號差分碼編碼規(guī)則：bn=anbn-1例4.1：已知二元數(shù)字信號序列{an}為{1110010}，求其相對

碼序列{bn}解：（1）相對碼首位為“0”

（2）相對碼首位為“1”

{an}1110010{an}1110010

{bn}01011100{bn}10100011

每一組數(shù)字信號對應(yīng)兩組相對碼；相對碼比絕對碼多一位2022/10/11通信與信息工程學院444.1二元與多元2022/10/15通信與信息工程學院455.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院455.32PSK與2022/10/15通信與信息工程學院465.32PSK與2DPSK接收正確傳輸結(jié)果2022/10/11通信與信息工程學院465.32PSK與2022/10/15通信與信息工程學院475.32PSK與2DPSK接收反相的錯誤傳輸結(jié)果2022/10/11通信與信息工程學院475.32PSK與2022/10/15通信與信息工程學院484.1二元與多元數(shù)字基帶信號例4.2：已知二元相對碼序列{bn1}為{01011100}，{bn2}為

{10100011}，求其對應(yīng)的數(shù)字序列{an1}與{an2}解：

{bn1}01011100{bn2}10100011{an1}1110010{an2}1110010

兩組完全相反的相對碼序列可恢復(fù)出同樣的數(shù)字信號序列bn=an

bn-12022/10/11通信與信息工程學院484.1二元與多元2022/10/15通信與信息工程學院495.32PSK與2DPSK2、2DPSK的功率譜與帶寬與2PSK信號完全相同3、相干解調(diào)及其誤碼性能誤碼率為2PSK系統(tǒng)的兩倍，但物理可實現(xiàn)誤碼率：2PSK的相干解調(diào)+差分編解碼2022/10/11通信與信息工程學院495.32PSK與2022/10/15通信與信息工程學院505.32PSK與2DPSK2DPSK誤碼率分析（P205，表5.3.1）：2022/10/11通信與信息工程學院505.32PSK與2022/10/15通信與信息工程學院515.32PSK與2DPSK4、差分相干接收另一種重要解調(diào)方法—差分相干解調(diào)：比較兩個相鄰時隙上信號的相位，還原出絕對碼序列，無需本地振蕩2022/10/11通信與信息工程學院515.32PSK與2022/10/15通信與信息工程學院525.32PSK與2DPSK表5.3.2差分相干解調(diào)的判決準則，

傳號差分碼“1變0不變”

2022/10/11通信與信息工程學院525.32PSK與2022/10/15通信與信息工程學院535.32PSK與2DPSK誤碼性能其中差分相干解調(diào)的性能不如相干解調(diào)2022/10/11通信與信息工程學院535.32PSK與2022/10/15通信與信息工程學院54例5.6假定2DPSK系統(tǒng)傳輸速率為5Mbps，接收帶通濾波器輸出信號幅度為223.6mV，高斯噪聲功率譜密度為W/Hz，求相干接收與差分相干接收的誤碼率解：5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院54例5.6假定2D2022/10/15通信與信息工程學院555.3.3*載波同步如何產(chǎn)生與信號載波完全同頻同相的本地振蕩兩種自同步方法：平方環(huán)法與Costas環(huán)法1、平方環(huán)法：5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院555.3.3*載波2022/10/15通信與信息工程學院562、科斯塔斯（Costas）環(huán)（同相正交環(huán)）法：5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院562、科斯塔斯（Co2022/10/15通信與信息工程學院57經(jīng)低通濾波后：多用一個支路，但工作在載頻fc上，比平方環(huán)工作頻率低5.32PSK與2DPSK2022/10/11通信與信息工程學院575.32PSK與2022/10/15通信與信息工程學院58

5.4

QPSK與DQPSK2022/10/11通信與信息工程學院58

5.4QPSK2022/10/15通信與信息工程學院595.4QPSK與DQPSK5.4.1QPSK信號的基本原理Q（quadrature）PSK或4PSK（四相移鍵控）一方面采用正交載波，一方面采用4種相位1、QPSK信號：存在4種不同取值，以傳送四元符號2022/10/11通信與信息工程學院595.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院605.4QPSK與DQPSK4.4.4*格雷編碼（P152，表4.4.2）符號位格雷編碼自然編碼000000010010012011010301001141101005111101610111071001112022/10/11通信與信息工程學院605.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院615.4QPSK與DQPSK格雷編碼規(guī)則（補充）A/B0100（0）

1（1）12（3）3（2）AB/C01000（0）1（1）012（3）3（2）116（4）7（5）104（7）5（6）自然碼（格雷碼）2022/10/11通信與信息工程學院615.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院625.4QPSK與DQPSKQPSK信號的兩套相位值2022/10/11通信與信息工程學院625.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院635.4QPSK與DQPSK兩種方式本質(zhì)相同，相差（即），主要討論B方式格雷編碼好處：相鄰相位對應(yīng)的比特中只有1位不同相位錯誤一般只會帶來一個比特的損失2022/10/11通信與信息工程學院635.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院645.4QPSK與DQPSK2、QPSK與兩路正交2PSKQPSK信號是兩路正交（相位差）2PSK信號之和若四元序列{an}的高比特位與低比特位分別排成{b1n}與{b0n}，那么2022/10/11通信與信息工程學院645.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院655.4QPSK與DQPSK2022/10/11通信與信息工程學院655.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院662022/10/11通信與信息工程學院662022/10/15通信與信息工程學院675.4QPSK與DQPSK3、功率譜與帶寬正交信號的和信號的相關(guān)函數(shù)是它們相關(guān)函數(shù)之和，即和信號（QPSK）的功率譜是它們（2PSK）的功率譜之和SI_PSK(t)與SQ_PSK(t)同在一個頻帶上，所以QPSK信號的功率譜與2PSK信號功率譜完全相同？QPSK信號的帶寬：BQPSK=2Rs=RbQPSK信號每個時隙傳輸兩個比特，其頻帶利用率為2PSK信號的兩倍2022/10/11通信與信息工程學院675.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院685.4QPSK與DQPSK例5.7QPSK系統(tǒng)的輸入二進制序列為011111011000，試說明：（1）四元比特對序列；（2）載波相位（B方式）序列；（3）同相與正交支路的比特序列；（4）4800bps時需要的帶寬。解：（1）四元符號序列：011111011000，*格雷編碼比特對序列：122130

（2）載波相位：

（3）同相支路：111100；正交支路：011010；

（4）

Baud，Hz2022/10/11通信與信息工程學院685.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院695.4QPSK與DQPSK5.4.2QPSK的調(diào)制解調(diào)方法及誤比特性能1、調(diào)制解調(diào)方法QPSK等效于兩路正交的2PSK信號之和調(diào)制器2022/10/11通信與信息工程學院695.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院705.4QPSK與DQPSK串并變換：把四元序列拆分成兩個二元序列解調(diào)器2022/10/11通信與信息工程學院705.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院715.4QPSK與DQPSK解調(diào)器的上、下支路分別為同相支路與正交支路，且兩路彼此獨立工作上支路下支路2022/10/11通信與信息工程學院715.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院725.4QPSK與DQPSK2、誤碼性能由于QPSK信號中，每個四元符號所包含的兩個比特都獨立、并行的按2PSK傳輸，故各比特的傳輸誤比特率為Pb_2PSK，則QPSK誤比特率為Pb_QPSK=Pb_2PSK即QPSK系統(tǒng)與2PSK系統(tǒng)的誤碼性能完全相同3*、載波同步（P213，QPSK的相干接收）平方環(huán)，Costas環(huán)2022/10/11通信與信息工程學院725.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院735.4QPSK與DQPSK5.4.3*DQPSK（P213-215）差分編碼，防止出現(xiàn)“不確定性反相”應(yīng)用較多，原理類似2PSK與2DPSK5.4.4*OQPSK與π/4DQPSK（P215-217）QPSK的改進形式改善包絡(luò)起伏，簡化接收機，方便提取符號同步信號系統(tǒng)復(fù)雜，應(yīng)用漸少2022/10/11通信與信息工程學院735.4QPSK與2022/10/15通信與信息工程學院74

5.5

基本頻帶調(diào)制的討論2022/10/11通信與信息工程學院74

5.5基本頻帶2022/10/15通信與信息工程學院755.5基本頻帶調(diào)制的討論5.5.1ASK與FSK的相干解調(diào)2ASK信號表達式2022/10/11通信與信息工程學院755.5基本頻帶調(diào)2022/10/15通信與信息工程學院765.5基本頻帶調(diào)制的討論2FSK信號等效于兩路“互補”的2ASK信號的疊加2022/10/11通信與信息工程學院765.5基本頻帶調(diào)2022/10/15通信與信息工程學院775.5基本頻帶調(diào)制的討論參照2PSK信號的相干解調(diào)特性，可知2ASK與2FSK相干解調(diào)+匹配濾波的誤碼性能2ASK平均碼元能量2FSK平均碼元能量2022/10/11通信與信息工程學院775.5基本頻帶調(diào)2022/10/15通信與信息工程學院785.5基本頻帶調(diào)制的討論5.5.2系統(tǒng)誤碼性能的比較2022/10/11通信與信息工程學院785.5基本頻帶調(diào)2022/10/15通信與信息工程學院795.5基本頻帶調(diào)制的討論2022/10/11通信與信息工程學院795.5基本頻帶調(diào)2022/10/15通信與信息工程學院805.5基本頻帶調(diào)制的討論2022/10/11通信與信息工程學院805.5基本頻帶調(diào)2022/10/15通信與信息工程學院815.5基本頻帶調(diào)制的討論結(jié)論（1）誤碼性能排序

QPSK/PSK>相干DPSK>非相干DPSK>相干FSK/ASK>非相干FSK/ASK（2）2PSK與QPSK性能最優(yōu)，QPSK頻帶利用率最高，但

系統(tǒng)復(fù)雜度較高，2PSK存在“不確定性反相”（3）2DPSK性能與2PSK接近（<1dB），但無“不確定性反相”問題（4）FSK性能一般，非相干接收與相干接收性能接近（<1dB），占用頻帶較寬，但噪聲容限更大（5）非相干ASK適用于質(zhì)量好的信道，設(shè)備簡單2022/10/11通信與信息工程學院815.5基本頻帶調(diào)2022/10/15通信與信息工程學院825.5基本頻帶調(diào)制的討論例5.10假定2FSK信號通過某窄帶AWGN信道后采用非相干解調(diào)的誤碼率為。問：（1）相干解調(diào)的誤碼率是多少？（2）改用2ASK信號，相干與非相干解調(diào)的是多少？（3）改用2ASK信號后，如何調(diào)整信號幅度，使保持不變？解：（1）相干解調(diào)2022/10/11通信與信息工程學院825.5基本頻帶調(diào)2022/10/15通信與信息工程學院835.5基本頻帶調(diào)制的討論（2）2ASK信號帶寬比2FSK窄，可以通過該信道。但同樣幅度下，，因此，2ASK誤碼性能比2FSK差3dB。2ASK相干與相非干解調(diào)的誤碼率：（3）將幅度提高至原信號的倍可保持同樣的誤碼率2022/10/11通信與信息工程學院835.5基本頻帶調(diào)2022/10/15通信與信息工程學院845.5基本頻帶調(diào)制的討論5.5.3功率譜與帶寬的討論三種功率譜形式

(a)2ASK (b)2PSK與QPSK (c)2FSK2022/10/11通信與信息工程學院845.5基本頻帶調(diào)2022/10/15通信與信息工程學院855.5基本頻帶調(diào)制的討論注意：（1）有無離散載波譜線：2ASK與2FSK有（2）單載波與多載波制式：2FSK信號是多載波的一種簡單的情形