電子科大通信原理第5章 基本的數(shù)字頻帶傳輸復(fù)習(xí)

1/652023/2/5本章要求：1.掌握2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK的調(diào)制原理和解調(diào)方法，會(huì)畫(huà)各種已調(diào)信號(hào)的功率譜、會(huì)計(jì)算各種已調(diào)信號(hào)的帶寬（包括無(wú)ISI系統(tǒng)）。會(huì)畫(huà)2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、QPSK信號(hào)波形；2.了解QPSK的調(diào)制原理和解調(diào)方法，會(huì)畫(huà)QPSK的功率譜、會(huì)計(jì)算QPSK的帶寬（包括無(wú)ISI系統(tǒng)）。掌握QPSK的星座圖。3.掌握數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的差錯(cuò)率的計(jì)算方法(OOK,BPSK,BFSK，2DPSK，QPSK,OQPSK)；會(huì)比較各系統(tǒng)的性能優(yōu)劣（可靠性和有效性）。第5章基本的數(shù)字頻帶傳輸2/652023/2/5數(shù)字頻帶傳輸技術(shù)——在帶通信道上傳輸數(shù)字信號(hào)的方法。圖5.0二元ASK、FSK與PSK的信號(hào)波形3/652023/2/5數(shù)字頻帶調(diào)制傳輸媒介(信道)數(shù)字頻帶解調(diào)調(diào)制信號(hào)已調(diào)帶通信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)帶通信號(hào)數(shù)字載波系統(tǒng)模型：4/652023/2/5已調(diào)帶通信號(hào):

的譜:或功率譜:5/652023/2/55.1.1基本原理2ASK或OOK(二進(jìn)制幅移鍵控)——鍵控（改變）正弦載波的振幅來(lái)傳輸0或1符號(hào)。1.2ASK信號(hào)及其調(diào)制方法圖5.1.12ASK（或OOK）信號(hào)的波形通斷鍵控或啟閉鍵控5.12ASK6/652023/2/5復(fù)包絡(luò):信號(hào)在第n個(gè)碼元可以表示為：2ASK信號(hào)時(shí)域表示：（a）乘積法 （b）開(kāi)關(guān)法（鍵控法）乘法器單極性不歸零信號(hào)載波產(chǎn)生圖5.1.22ASK調(diào)制框圖7/652023/2/52.包絡(luò)檢波解調(diào)方法發(fā)送端信道BPF包絡(luò)檢波器抽樣判決器定時(shí)信號(hào)輸出圖5.1.32ASK包絡(luò)檢波解調(diào)框圖帶寬B帶寬2BB=Rb帶寬2B8/652023/2/5系統(tǒng)的誤碼率：定義信噪比：

大信噪比時(shí)，小信噪比時(shí)，包絡(luò)檢波器抗噪性能急劇下降，系統(tǒng)無(wú)法正常工作。此稱(chēng)為門(mén)限效應(yīng)。，得最佳誤碼率Pe最佳性能指標(biāo)，用于提供宏觀(guān)指導(dǎo)9/652023/2/55.1.2功率譜與帶寬復(fù)包絡(luò):單極性NRZ信號(hào)10/652023/2/511/652023/2/5當(dāng)作無(wú)ISI濾波時(shí)(如作升余弦譜濾波）接收機(jī)須是相干解調(diào)12/652023/2/55.2.1基本原理2FSK或BFSK（二進(jìn)制頻移鍵控）——鍵控正弦載波的頻率來(lái)傳輸二元符號(hào)。1.2FSK信號(hào)及其調(diào)制方法5.2

2FSK

13/652023/2/52FSK信號(hào)時(shí)域表示：也可以表示為（相當(dāng)于兩路OOK）：14/652023/2/5圖5.2.22FSK信號(hào)的時(shí)域波形及其互補(bǔ)OOK特點(diǎn)15/652023/2/52FSK信號(hào)的產(chǎn)生：2.*相位連續(xù)性相位不連續(xù)相位連續(xù)相位不連續(xù)的信號(hào)占據(jù)很多的頻帶，應(yīng)該盡量避免16/652023/2/53.包絡(luò)檢波解調(diào)方法兩個(gè)互補(bǔ)OOK接收系統(tǒng)的組合：(非相干解調(diào))適合于頻差較大的場(chǎng)合BPF(f1)BPF(f0)整流整流LPFLPF抽樣判決包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器輸出定時(shí)信號(hào)圖5.2.4FSK信號(hào)的包絡(luò)檢波接收框圖W=2RbW=2Rb17/652023/2/5其中，BPF的輸出信噪比系統(tǒng)的誤碼率：大信噪比時(shí)，小信噪比時(shí)，包絡(luò)檢波器抗噪性能急劇下降，系統(tǒng)無(wú)法正常工作。此稱(chēng)為門(mén)限效應(yīng)。時(shí)，得最佳誤碼率18/652023/2/55.2.2功率譜與帶寬兩個(gè)互補(bǔ)的2ASK信號(hào)的功率譜的相加，傳輸帶寬：19/652023/2/5圖5.2.8FSK信號(hào)功率譜示意圖一般：20/652023/2/5當(dāng)作無(wú)ISI濾波時(shí)(如作升余弦譜濾波）發(fā)‘1’發(fā)‘0’21/652023/2/51.2PSK信號(hào)及其調(diào)制方法5.3.12PSK2PSK或BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）——利用兩種相位來(lái)傳輸二元符號(hào)。2PSK最常用的兩種相位：0或π

5.3

2PSK與2DPSK22/652023/2/52PSK信號(hào)時(shí)域表示：或，令序列的雙極性二元NRZ基帶信號(hào)為，（未調(diào)載波初相）信號(hào)矢量圖：23/652023/2/5注意：“同相”與“反相”是相對(duì)于當(dāng)前時(shí)隙的未調(diào)載波相位而言的：24/652023/2/5雙極性2PSK信號(hào)的產(chǎn)生：乘積法與選擇法。25/652023/2/5復(fù)包絡(luò):雙極性NRZ信號(hào)2.功率譜與帶寬26/652023/2/5形狀與2ASK的相同，但沒(méi)有離散的載波譜線(xiàn)。傳輸帶寬

2PSK又可以看作抑制載波后的2ASK信號(hào)，或，2ASK信號(hào)確實(shí)是2PSK信號(hào)與載波的疊加。27/652023/2/5當(dāng)作無(wú)ISI濾波時(shí)

(如作升余弦譜濾波）28/652023/2/53.2PSK的相干解調(diào)來(lái)自信道向下頻移符號(hào)定時(shí)基帶接收濾波器抽樣與判決BPFLPF圖5.3.32PSK相干解調(diào)框架B中心fcB為基帶信號(hào)帶寬2B注意：nc(t)的雙邊功率譜密度為N029/652023/2/5

雙極性NRZ向上頻移基帶接收濾波器抽樣與判決BPFLPFB2B基帶發(fā)送濾波器向下頻移AWGN頻帶信道4.誤碼性能2PSK的等效基帶傳輸系統(tǒng)：符號(hào)定時(shí)圖5.3.42PSK傳輸系統(tǒng)與等效AWGN基帶信道

AWGN基帶信道（nc(t)的雙邊功率譜密度）30/652023/2/5LPF接收系統(tǒng)（帶寬）：匹配濾波器接收系統(tǒng)：2PSK信號(hào)的平均碼元能量：

評(píng)述：(1)2PSK系統(tǒng)與雙極性NRZ基帶傳輸系統(tǒng)的抗噪性能相同；(2)2PSK的抗噪性能比2ASK、2FSK好，(3)但這種系統(tǒng)需要進(jìn)行載波同步，其復(fù)雜度要高出許多。31/652023/2/55.3.22DPSK2PSK無(wú)法直接應(yīng)用：本地振蕩存在著“不確定性反相”的問(wèn)題：“0”與“1”顛倒，而自身對(duì)此無(wú)法知道。2DPSK（二進(jìn)制差分相移鍵控）——將差分編碼與2PSK相結(jié)合，解決了“不確定性反相”的問(wèn)題。32/652023/2/52DPSK信號(hào)其實(shí)是傳輸?shù)?PSK調(diào)制信號(hào)

與——絕對(duì)碼

與——相對(duì)碼

圖5.3.52DPSK傳輸系統(tǒng)1.基本原理取值0、1取值-1、1取值-1、1取值0、1取值0、133/652023/2/5例:設(shè)DPSK實(shí)質(zhì)：用前后碼元載波相位的相對(duì)變化傳數(shù)字信息34/652023/2/52DPSK星座圖：前一碼元初相（參考相位）（未調(diào)載波初相）2PSK星座圖：（參考相位）DPSK實(shí)質(zhì)：用前后碼元載波相位的相對(duì)變化傳數(shù)字信息相對(duì)調(diào)相絕對(duì)調(diào)相35/652023/2/52.功率譜與帶寬3.相干解調(diào)及其誤碼性能2DPSK的誤碼率：，LPF接收法，匹配濾波器接收法

為2PSK傳輸誤碼率36/652023/2/54.差分相干接收?qǐng)D5.3.62DPSK的差分相干解調(diào)BPFLPF延時(shí)Tb抽樣判決符號(hào)定時(shí)另一種重要的解調(diào)方法：比較兩個(gè)相鄰時(shí)隙上信號(hào)的相位，還原出絕對(duì)碼（信息比特），而不需要本地振蕩。37/652023/2/538/652023/2/5實(shí)際過(guò)程中，噪聲總是存在的，這種接收系統(tǒng)的誤碼性能：

其中，折算為時(shí)，差分相干解調(diào)的性能不如相干解調(diào)的帶通濾波器的帶寬取為最小理論值39/652023/2/5——取值有四種可能，以傳送四元符號(hào)。5.4.1QPSK（4PSK）信號(hào)的基本原理1.QPSK信號(hào)（1）采用了4種相位；（2）采用了正交的載波。（00，01，11，10）四元符號(hào)5.4QPSK與DQPSK40/652023/2/5QPSK的兩種星座圖：A方式：B方式：格雷碼好處：相鄰相位對(duì)應(yīng)的符號(hào)中只有1位不同，相位錯(cuò)誤通常只導(dǎo)致有1個(gè)比特的損失。41/652023/2/5串并變換：四元信息序列拆分為兩個(gè)二元序列四元符號(hào)序列2.QPSK與兩路正交2PSK四元序列的高位比特與低位比特排成：與序列，那么，則，QPSK是這兩個(gè)序列生成的兩個(gè)彼此正交(載波相差)的2PSK信號(hào)之和。42/652023/2/5其中：B方式：43/652023/2/51001B方式：恒包絡(luò)最大相位調(diào)變?yōu)?4/652023/2/5

若正交路、同相路基帶信號(hào)用矩形波（polarNRZ)QPSK每個(gè)時(shí)隙傳輸兩比特，頻帶利用率是2PSK的兩倍。45/652023/2/5

若正交路、同相路基帶信號(hào)用升余弦譜波46/652023/2/55.4.2QPSK的調(diào)制解調(diào)方法及誤比特性能1.調(diào)制解調(diào)方法基于“QPSK等效于兩路正交的2PSK之和”的想法：調(diào)制器：

QPSK信號(hào)基帶脈沖成型基帶脈沖成型串/并轉(zhuǎn)換速率減半速率減半47/652023/2/5解調(diào)器：QPSK信號(hào)載波同步并/串轉(zhuǎn)換BPFLPF或MFLPF或MF符號(hào)定時(shí)抽樣判決抽樣判決圖5.4.4QPSK調(diào)制解調(diào)框圖同相與正交解調(diào)器彼此獨(dú)立工作48/652023/2/52.誤比特性能QPSK的誤比特率為：

49/652023/2/5矩形NRZ的QPSK在時(shí)隙邊界處經(jīng)常間斷，使信號(hào)功率譜有很高的旁瓣。5.4.4*OQPSK與DQPSK1001恒包絡(luò)QPSK星座,最大相位跳變?yōu)闉榱讼拗茙?，?shí)際調(diào)制器中改用符合帶限信道的無(wú)ISI基帶成形脈沖。由此產(chǎn)生的QPSK信號(hào)不再保持恒定的包絡(luò)。50/652023/2/5恒包絡(luò)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)：允許非線(xiàn)性放大，效率高、易實(shí)現(xiàn)。人們希望改進(jìn)QPSK的包絡(luò)。有了AM分量恒包絡(luò)經(jīng)分析：相位跳變?cè)酱螅迬Ш髣tAM分量越大。A方式：51/652023/2/51.OQPSK偏移正交相移鍵控（OffsetQPSK）——兩個(gè)正交支路的2PSK信號(hào)相互錯(cuò)開(kāi)的時(shí)間，使相位改變不同時(shí)發(fā)生?？梢詼p小相位變化，進(jìn)而減少包絡(luò)起伏。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)論：包絡(luò)起伏由0~1.25改善為0.7~1.15。最大相位調(diào)變?yōu)閙I(t)

和mQ(t)

分量在時(shí)間上相互偏移Ts/252/652023/2/52.DQPSK

（差分正交相移鍵控）它是由相互旋轉(zhuǎn)π/4

的兩個(gè)QPSK星座圖交替出現(xiàn)而產(chǎn)生波形的。01110010符號(hào)映射規(guī)則：（1）信號(hào)的最大相位變化為，包絡(luò)的起伏減小。（2）DQPSK是差分調(diào)制，便于接收機(jī)簡(jiǎn)化。53/652023/2/5QPSK,π/4DQPSK與OQPSK的關(guān)系4QAMQPSK延遲交替注：若基帶用矩形波傳時(shí)，它們是恒包絡(luò)調(diào)制，但已調(diào)信號(hào)譜太寬；若基帶用升余弦譜波限帶時(shí)，已調(diào)信號(hào)會(huì)有AM分量。相位跳變?cè)酱螅瑒tAM分量越大。這使得限帶后的信號(hào)不能用效率高的非線(xiàn)性C類(lèi)放大器放大，只能用A、B類(lèi)線(xiàn)性放大器。調(diào)制類(lèi)型最大相移AM分量bigsmallsmallest54/652023/2/55.5

基本頻帶調(diào)制的討論55/652023/2/5解調(diào)方式頻帶調(diào)制制式誤比特率Pb備注非相干解調(diào)2ASK2FSK2DPSK一般結(jié)論最優(yōu)結(jié)果兩者相同好3dB5.5.3系統(tǒng)差錯(cuò)概率的比較表5.5.1幾種基本的頻帶調(diào)制信號(hào)的誤比特率公式表中所有的帶通濾波器帶寬取理論最小值A(chǔ)、Eb——接收信號(hào)幅度、能量差分檢測(cè)56/652023/2/52FSKQPSK2ASK2DPSK2PSK

解調(diào)方式頻帶調(diào)制制式誤比特率Pb備注兩者相同比2PSK差3dB表5.5.1幾種基本的頻帶調(diào)制信號(hào)的誤比特率公式（續(xù)）MF相干解調(diào)57/652023/2/5

解調(diào)

方式相干解調(diào)2FSKQPSK2ASK2DPSK2PSK調(diào)制制式誤比特率Pb帶通濾波器帶寬取已調(diào)信號(hào)譜零點(diǎn)帶寬當(dāng)LPF58/652023/2/5單極性基帶NRZ相干ASK、FSK非相干ASK、FSK雙極性基帶NRZ相干PSK、QPSK差分相干DPSK圖5.5.3主要的誤比特率曲線(xiàn)59/652023/2/5（1）誤比特性能排序：（2）2PSK與QPSK性能優(yōu)秀、復(fù)雜度最高的；QPSK頻帶最少。（3）2DPSK接近2PSK（僅），但沒(méi)有“不確定性反相”問(wèn)題。（4）2FSK性能一般，非相干接收實(shí)用；它占用頻帶多，但比其他傳輸方式更“頑強(qiáng)”。（5）非相干ASK（OOK）適用于質(zhì)量好的信道，設(shè)備很簡(jiǎn)單。從圖中可以看到：成本低60/652023/2/55.5.4功率譜與帶寬的討論功率譜有三種基本形式（已調(diào)信號(hào)包絡(luò)為矩形時(shí)）：(a)2ASK(