第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

通信原理第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)概述數(shù)字調(diào)制：數(shù)字基帶信號(hào)變換為數(shù)字帶通信號(hào)（已調(diào)信號(hào)）的過程。數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)：包括調(diào)制和解調(diào)過程的數(shù)字傳輸系統(tǒng)。數(shù)字調(diào)制技術(shù)的兩種方法利用模擬調(diào)制的方法去實(shí)現(xiàn)數(shù)字式調(diào)制；通過開關(guān)鍵控載波，通常稱為鍵控法?；炬I控方式：振幅鍵控、頻移鍵控、相移鍵控?cái)?shù)字調(diào)制：二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理7.1.1二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK）基本原理“通-斷鍵控(OOK)”信號(hào)表達(dá)式

第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2ASK信號(hào)的一般表達(dá)式Ts－碼元持續(xù)時(shí)間；g(t)－基帶脈沖－高度為1，寬度為Ts的矩形脈沖；第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2ASK信號(hào)產(chǎn)生方法模擬調(diào)制法（相乘器法）鍵控法第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2ASK信號(hào)解調(diào)方法

相干解調(diào)(同步檢測(cè)法)非相干解調(diào)(包絡(luò)檢波法)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)非相干解調(diào)過程的時(shí)間波形

第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度由6.1.2節(jié)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

當(dāng)概率P=1/2，第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)結(jié)論：

2ASK信號(hào)的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成；連續(xù)譜取決于g(t)經(jīng)線性調(diào)制后的雙邊帶譜；離散譜由載波分量確定。2ASK信號(hào)的帶寬：（fs=1/Ts），2SK信號(hào)的傳輸帶寬是基帶信號(hào)帶寬的兩倍，是碼元速率的兩倍。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.1.2二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）基本原理表達(dá)式：

n和n分別是第n個(gè)信號(hào)碼元（1或0）的初始相位，通常令其為零。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)典型波形：一個(gè)2FSK信號(hào)是兩個(gè)不同載頻的2ASK信號(hào)疊加。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)時(shí)域表達(dá)式（n和n為零）第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法

模擬調(diào)頻電路：相鄰碼元之間的相位連續(xù)變化。鍵控法：相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2FSK信號(hào)的解調(diào)方法非相干解調(diào)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)相干解調(diào)其他解調(diào)方法：鑒頻法、差分檢測(cè)法、過零檢測(cè)法等。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)過零檢測(cè)法的原理方框圖及各點(diǎn)時(shí)間波形

第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度（相位不連續(xù)）

令概率P=?，將2ASK信號(hào)頻譜中的fc分別替換為f1和f2，代入上式，得到：第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)結(jié)論：相位不連續(xù)2FSK信號(hào)的功率譜由連續(xù)譜和離散譜組成。連續(xù)譜的形狀隨著兩個(gè)載頻之差的大小而變化，若|f1–f2|<fs，在fc處出現(xiàn)單峰；若|f1–f2|>fs，出現(xiàn)雙峰；帶寬：

其中，fs=1/Ts為基帶信號(hào)的帶寬。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.1.3二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）2PSK信號(hào)的一般表達(dá)式：

當(dāng)?shù)?章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)二進(jìn)制絕對(duì)相移方式：發(fā)“0”碼，an取+1，e2PSK取0相位；發(fā)“1”碼，an取-1，e2PSK取π相位。典型波形第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2PSK信號(hào)的調(diào)制器原理方框圖模擬調(diào)制的方法

鍵控法

第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2PSK信號(hào)的解調(diào)器原理方框圖和波形圖：第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)存在問題：

“倒π”現(xiàn)象（“反相工作”）：由于2PSK信號(hào)的載波恢復(fù)過程中存在著的相位模糊，即恢復(fù)的本地載波與所需的相干載波可能同相，也可能反相，這種相位關(guān)系的不確定性將會(huì)造成解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好相反，即“1”變?yōu)椤?”，“0”變?yōu)椤?”，判決器輸出數(shù)字信號(hào)全部出錯(cuò)。隨機(jī)信號(hào)碼元序列中信號(hào)波形有可能出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的正弦波形，致使在接收端無(wú)法辨認(rèn)信號(hào)碼元的起止時(shí)刻。一般采用差分相移鍵控（DPSK）。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度由6.1.2節(jié)知，雙極性的全占空矩形隨機(jī)脈沖序列的功率譜密度第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

若P=1/2，矩形脈沖的頻譜

2PSK信號(hào)的功率譜密度第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)功率譜密度曲線結(jié)論：二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的頻譜特性與2ASK的相似，帶寬是基帶信號(hào)帶寬的兩倍。區(qū)別僅在于當(dāng)P=1/2時(shí)，無(wú)離散譜（即載波分量）。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.1.4二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK）2DPSK原理利用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化傳遞數(shù)字信息，又稱相對(duì)相移鍵控。為當(dāng)前碼元與前一碼元的載波相位差第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)的矢量圖B方式：相鄰碼元必有相位突跳。接收端檢測(cè)此相位突跳就能確定每個(gè)碼元的起止時(shí)刻。(a)A方式(b)B方式第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法

方法：先把絕對(duì)碼變換成相對(duì)碼（差分碼），然后進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)調(diào)制器原理方框圖

差分編碼（碼變換）:差分譯碼（碼反變換）:an為絕對(duì)碼，bn為差分碼第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)相干解調(diào)法

第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)差分相干解調(diào)(相位比較）法第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK系統(tǒng)是一種實(shí)用的數(shù)字調(diào)相系統(tǒng)，但抗加性白噪聲性能比2PSK要差。功率譜密度

2DPSK信號(hào)和2PSK信號(hào)的功率譜密度完全一樣。與2ASK相同，是碼元速率的兩倍。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能概述抗噪聲性能：指系統(tǒng)克服加性噪聲影響的能力，即求誤碼率。分析條件：假設(shè)信道特性是恒參信道，在信號(hào)頻帶范圍內(nèi)具有理想矩形的傳輸特性；信道噪聲為加性高斯白噪聲。噪聲只對(duì)信號(hào)的接收影響，分析系統(tǒng)性能在接收端進(jìn)行。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.2.1二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)系統(tǒng)的抗噪聲性能同步檢測(cè)法的系統(tǒng)性能分析模型第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)計(jì)算：設(shè)在碼元持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)，發(fā)送端輸出

接收端輸入

ui(t)為uT(t)經(jīng)信道傳輸后的波形。ni(t)是均值為0的加性高斯白噪聲。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)假定信號(hào)經(jīng)信道傳輸后只受到固定衰減，未產(chǎn)生失真（信道傳輸系數(shù)取為K)，a=AK接收端帶通濾波器具有理想矩形傳輸特性

n(t)是高斯白噪聲ni(t)經(jīng)過帶通濾波器的輸出噪聲。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)由于有抽樣判決器輸入端：

x(t)也是一個(gè)高斯隨機(jī)過程，均值分別為a（發(fā)“1”）和0（發(fā)“0”），方差等于n2。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)設(shè)第k個(gè)符號(hào)的抽樣時(shí)刻為kTs，發(fā)送“1”時(shí)，x的一維概率密度函數(shù)發(fā)送“0”時(shí)，x的一維概率密度函數(shù)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)f1(x)和f0(x)的曲線若取判決門限為b，判決規(guī)則x>b時(shí)，判為“1”;x

b時(shí)，判為“0”第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)發(fā)送“1”時(shí)，錯(cuò)誤接收為“0”的概率是抽樣值x小于或等于b的概率：

發(fā)送“0”時(shí)，錯(cuò)誤接收為“1”的概率是抽樣值x大于b的概率：設(shè)發(fā)“1”的概率P(1)，發(fā)“0”的概率P(0)，2ASK同步檢測(cè)系統(tǒng)的總誤碼率

表明，系統(tǒng)的誤碼率Pe與判決門限b的選擇相關(guān)。最佳門限曲線求解b*時(shí)為最佳判決門限

第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)公式求解 將f1(x)和f0(x)代入第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)若發(fā)送“1”和“0”的概率相等，最佳判決門限b*=a/2。

為解調(diào)器輸入端的信噪比

當(dāng)r>>1，大信噪比第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能分析模型：將（相乘-低通）替換為包絡(luò)檢波器（整流-低通）計(jì)算發(fā)送“1”符號(hào)，包絡(luò)檢波器的輸出波形發(fā)送“0”符號(hào)，包絡(luò)檢波器的輸出波形第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)發(fā)“1”時(shí)的抽樣值是廣義瑞利型隨機(jī)變量；發(fā)“0”時(shí)的抽樣值是瑞利型隨機(jī)變量，一維概率密度函數(shù)

n2為窄帶高斯噪聲n(t)的方差。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

判決門限為b，判決規(guī)則

抽樣值V>b時(shí)，判為“1” 抽樣值V<b時(shí)，判為“0”

發(fā)送“1”時(shí)錯(cuò)判為“0”的概率

積分值可用MarcumQ函數(shù)計(jì)算，MarcumQ函數(shù)的定義:第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)令

P(0/1)公式用MarcumQ函數(shù)表示

r=a2/n2為信號(hào)噪聲功率比；

b0=b/n

為歸一化門限值。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)發(fā)送“0”時(shí)錯(cuò)判為“1”的概率系統(tǒng)總誤碼率當(dāng)P(1)=P(0)時(shí)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)表明：包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)誤碼率取決于信噪比r和歸一化門限值b0。其中b0*為歸一化最佳判決門限值。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)最佳門限

當(dāng)P(1)=P(0)時(shí)

由f1(V)和f0(V)和上式，可推出—超越方程第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)近似解歸一化最佳門限值b0*結(jié)論：對(duì)于任意的信噪比r，b0*介于21/2和(r/2)1/2之間。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)實(shí)際中，系統(tǒng)工作在大信噪比，最佳門限取系統(tǒng)的總誤碼率當(dāng)r

結(jié)論：在相同的信噪比條件下，同步檢測(cè)法的抗噪聲性能優(yōu)于包絡(luò)檢波法，但在大信噪比時(shí)，兩者性能相差不大。包絡(luò)檢波法不需要相干載波，設(shè)備比較簡(jiǎn)單。包絡(luò)檢波法存在門限效應(yīng)，同步檢測(cè)法無(wú)門限效應(yīng)。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)[例7.2.1]設(shè)有一2ASK信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其碼元速率為RB=4.8106波特，發(fā)“1”和發(fā)“0”的概率相等，接收端分別采用同步檢測(cè)法和包絡(luò)檢波法解調(diào)。已知接收端輸入信號(hào)的幅度a=1mV，信道中加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度n0=210-15W/Hz。試求(1)同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率；(2)包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率?！窘狻?1)接收端帶通濾波器 帶通濾波器輸出噪聲平均功率第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率

包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率

結(jié)論：對(duì)大信噪比，包絡(luò)檢波法解調(diào)性能接近同步檢測(cè)法解調(diào)性能。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.2.2二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)系統(tǒng)的抗噪聲性能同步檢測(cè)法的系統(tǒng)性能分析模型

第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)分析計(jì)算 設(shè)“1”符號(hào)載波頻率1，“0”符號(hào)載波頻率2，在碼元持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)，發(fā)送端的2FSK信號(hào) 其中第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

在時(shí)間(0,Ts)內(nèi)，接收端的輸入合成波形

即

ni(t)為加性高斯白噪聲，其均值為0。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

接收端上下支路兩個(gè)帶通濾波器的輸出波形

其中，n1(t)和n2(t)分別為窄帶高斯噪聲，其均值同為0，方差同為n2，中心頻率不同。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

設(shè)在(0,Ts)內(nèi)發(fā)送“1”符號(hào)（對(duì)應(yīng)1），上下支路兩個(gè)帶通濾波器的輸出波形

經(jīng)相干解調(diào)后，抽樣判決器輸入波形

上支路

下支路 其中，a為信號(hào)成分，n1c(t)和n2c(t)均為低通型高斯噪聲，其均值為零，方差為n2。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

x1(t)和x2(t)抽樣值的一維概率密度函數(shù)

當(dāng)x1(t)的抽樣值x1小于x2(t)的抽樣值x2時(shí)，判決器將“1”判為“0”

其中，z=x1–x2，z均值為a，方差為z2=2n2是高斯型隨機(jī)變量，z的一維概率密度函數(shù)：第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

同理發(fā)送“0”錯(cuò)判為“1”的概率

總誤碼率:

大信噪比:第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能

分析模型第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)分析計(jì)算

兩路包絡(luò)檢波器的輸出上支路：下支路：

V1(t)的抽樣值V1服從廣義瑞利分布，V2(t)的抽樣值V2服從瑞利分布。其一維概率密度函數(shù)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)發(fā)送“1”時(shí)，若V1小于V2，則發(fā)生判決錯(cuò)誤。錯(cuò)誤概率

令第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

根據(jù)MarcumQ函數(shù)的性質(zhì) 同理求得發(fā)送“0”時(shí)判為“1”的錯(cuò)誤概率

總誤碼率：第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)結(jié)論在大信噪比條件下，2FSK信號(hào)包絡(luò)檢波時(shí)的系統(tǒng)性能與同步檢測(cè)時(shí)的性能相差不大，但同步檢測(cè)法的設(shè)備卻復(fù)雜得多。因此，在滿足信噪比要求的場(chǎng)合，多采用包絡(luò)檢波法。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)[例7.2.2]采用2FSK方式在等效帶寬為2400Hz的傳輸信道上傳輸二進(jìn)制數(shù)字。2FSK信號(hào)的頻率分別為f1=980Hz，f2=1580Hz，碼元速率RB=300B。接收端輸入（即信道輸出端）的信噪比為6dB。試求：（1）2FSK信號(hào)的帶寬；（2）包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率；（3）同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率。【解】（1）（2）由于FSK接收系統(tǒng)中上、下支路帶通濾波器的帶寬近似為第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

僅是信道等效帶寬（2400Hz）的1/4，噪聲功率也減小了1/4，帶通濾波器輸出端的信噪比比輸入信噪比提高了4倍。又由于接收端輸入信噪比為6dB，即4倍，故帶通濾波器輸出端的信噪比包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率（3）同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.2.3二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)和二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)系統(tǒng)的抗噪聲性能信號(hào)表達(dá)式2PSK或2DPSK，在碼元持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)其中說(shuō)明：sT(t)代表2PSK信號(hào)時(shí)，為原始數(shù)字信息（絕對(duì)碼）；sT(t)代表2DPSK信號(hào)時(shí)，為相對(duì)碼。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2PSK相干解調(diào)系統(tǒng)性能

分析模型分析計(jì)算：接收端帶通濾波器輸出波形

經(jīng)過相干解調(diào)后，送入抽樣判決器的輸入波形第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)x(t)的一維概率密度函數(shù)

在發(fā)送“1”符號(hào)和發(fā)送“0”符號(hào)概率相等時(shí)，最佳判決門限b*=0。發(fā)“1”而錯(cuò)判為“0”的概率

發(fā)送“0”而錯(cuò)判為“1”的概率第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2PSK信號(hào)相干解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的總誤碼率

在大信噪比條件下第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)相干解調(diào)系統(tǒng)性能分析模型：相干解調(diào)法2DPSK的相干解調(diào)法，又稱極性比較-碼反變換法，總誤碼率需在2PSK信號(hào)相干解調(diào)誤碼率基礎(chǔ)上考慮碼反變換器對(duì)誤碼率的影響。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型：碼反變換器對(duì)誤碼的影響第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)誤碼率

令Pn表示一串n（1,2,3,…）個(gè)碼元連續(xù)出錯(cuò)的概率，碼變換器輸出的誤碼率

Pn是“n個(gè)碼元同時(shí)出錯(cuò)，而其兩端都有1個(gè)碼元不錯(cuò)”事件的概率。

………………代入上式第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

因?yàn)?/p>

若Pe很小，則有Pe/Pe2 若Pe很大，即Pe

1/2，則有Pe/Pe1

說(shuō)明：反變換器總是使誤碼率增加，增加的系數(shù)在1~2之間變化。2DPSK信號(hào)的系統(tǒng)誤碼率當(dāng)Pe<<1時(shí)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2DPSK信號(hào)差分相干解調(diào)系統(tǒng)性能分析模型第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

分析計(jì)算：假設(shè)當(dāng)前發(fā)送的是“1”，且令前一個(gè)碼元也是“1”

其中n1(t)和n2(t)為窄帶高斯噪聲，且相互獨(dú)立。

經(jīng)過低通濾波器及抽樣后的樣值第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)判決規(guī)則：若x>0，則判為“1”——正確接收 若x<0，則判為“0”——錯(cuò)誤接收將“1”錯(cuò)判為“0”的錯(cuò)誤概率利用恒等式令誤碼率第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

令

化簡(jiǎn)

其中，n1c+n2c，n1s+n2s、n1c-n2c、n1s-n2s都是零均值，方差為2n2的高斯隨機(jī)變量。

由隨機(jī)信號(hào)分析理論可知，R1的一維分布服從廣義瑞利分布，R2的一維分布服從瑞利分布第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)同理，可以求得將“0”錯(cuò)判為“1”的概率總誤碼率

第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)[例7.2.3]假設(shè)采用2DPSK方式在微波線路上傳送二進(jìn)制數(shù)字信息。已知碼元速率RB=106B，信道中加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度n0=210-10W/Hz。誤碼率不大于10-4，試求(1)采用差分相干解調(diào)時(shí)，接收機(jī)輸入端所需的信號(hào)功率；(2)采用相干解調(diào)-碼反變換時(shí)，接收機(jī)輸入端的信號(hào)功率?！窘狻?1)接收端帶通濾波器的帶寬 輸出的噪聲功率

2DPSK采用差分相干接收的誤碼率第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

求解可得 接收機(jī)輸入端的信號(hào)功率 （2）對(duì)于相干解調(diào)-碼反變換的2DPSK系統(tǒng)：

查誤差函數(shù)表 接收機(jī)輸入端的信號(hào)功率

7.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較誤碼率2DPSK2PSK2FSK2ASK非相干解調(diào)相干解調(diào)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)誤碼率曲線第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)頻帶寬度2ASK系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)的頻帶寬度

2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)對(duì)信道特性變化的敏感性2FSK系統(tǒng)，判決器是根據(jù)上下兩個(gè)支路解調(diào)輸出樣值的大小來(lái)作出判決，不需要人為地設(shè)置判決門限，對(duì)信道的變化不敏感。2PSK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限為零，與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)。接收機(jī)總能保持工作在最佳判決門限狀態(tài)。2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度有關(guān)，對(duì)信道特性變化敏感，性能最差。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理概述提高頻帶利用率的最有效辦法是使一個(gè)碼元傳輸多個(gè)比特的信息。誤碼率取決于信噪比r 可改為碼元能量E和噪聲單邊功率譜密度n0之比：第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)設(shè)多進(jìn)制碼元的進(jìn)制數(shù)為M，碼元能量為E，一個(gè)碼元中包含信息k比特，k=log2

M，若碼元能量E平均分配給每個(gè)比特，每比特的能量Eb等于E/k。研究不同M值下的錯(cuò)誤率時(shí)，適合用rb為單位來(lái)比較不同體制的性能優(yōu)略。7.4.1多進(jìn)制振幅鍵控(MASK)概述多進(jìn)制振幅鍵控又稱多電平調(diào)制優(yōu)點(diǎn)：MASK信號(hào)的帶寬和2ASK信號(hào)的帶寬相同，單位頻帶的信息傳輸速率高，即頻帶利用率高。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)舉例基帶信號(hào)是多進(jìn)制單極性不歸零脈沖

(b)MASK信號(hào)(a)基帶多電平單極性不歸零信號(hào)0010110101011110000t0t0101101010111100第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)基帶信號(hào)是多進(jìn)制雙極性不歸零脈沖

二進(jìn)制抑制載波雙邊帶信號(hào)就是2PSK信號(hào)。

0101101010111100000t(c)基帶多電平雙極性不歸零信號(hào)00000t01011010101111(d)抑制載波MASK信號(hào)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.2多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)4FSK信號(hào)波形舉例

f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011MFSK信號(hào)的帶寬：B=fM-f1+f

其中，f1

－最低載頻，fM

－最高載頻，f

－單個(gè)碼元的帶寬第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)MFSK非相干解調(diào)器的原理方框圖

V1(t)抽樣判決帶通濾波f1包絡(luò)檢波帶通濾波fM包絡(luò)檢波輸入輸出VM(t)定時(shí)脈沖帶通濾波f2包絡(luò)檢波........第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.3多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)基本原理A－常數(shù)k

－

一組間隔均勻的受調(diào)制相位一般M=2K，K為二進(jìn)制位數(shù)（整數(shù)），例M＝8，k

∈[0,π/4,π/2,3π/4,π,5π/4,3π/2,7π/4],K=3第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)當(dāng)1=0時(shí)，能夠正確接收的相位范圍在/8內(nèi)。對(duì)于多進(jìn)制PSK信號(hào)，不能簡(jiǎn)單地采用一個(gè)相干載波進(jìn)行相干解調(diào)，會(huì)存在模糊，需要用兩個(gè)正交的相干載波解調(diào)。

圖7-348PSK信號(hào)相位K=3第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)說(shuō)明：sk(t)是由正弦和余弦兩個(gè)正交分量合成的信號(hào)，ak2+bk2

=1。帶寬和MASK信號(hào)的帶寬相同。本節(jié)主要以M=4為例，對(duì)4PSK作分析。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)正交相移鍵控(QPSK)4PSK常稱為正交相移鍵控(QPSK)格雷(Gray)碼4PSK信號(hào)每個(gè)碼元含有2比特的信息，用ab代表這兩個(gè)比特。ab和相位k之間的關(guān)系按格雷碼的規(guī)律安排。abk0090010112701018001001011參考相位圖QPSK矢量圖第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)格雷碼的優(yōu)點(diǎn)：相鄰相位所代表的兩個(gè)比特只有一位不同，僅造成一個(gè)比特誤碼的概率最大。多位格雷碼（反射碼）的編碼規(guī)則：序號(hào)格雷碼二進(jìn)碼0 0000 00001 0001 00012 0011 001030010 001140110 010050111 010160101 011070100 011181100 100091101 1001101111 1010111110 1011121010 1100131011 1101141001 1110151000 1111第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼元相位關(guān)系當(dāng)碼元中包含整數(shù)個(gè)載波周期時(shí)，初始相位相同的相鄰碼元的波形和瞬時(shí)相位才是連續(xù)的；若每個(gè)碼元中的載波周期數(shù)不是整數(shù)，即使初始相位相同，波形和瞬時(shí)相位也可能不連續(xù)，或者波形連續(xù)而相位不連續(xù)；碼元邊界，當(dāng)相位不連續(xù)時(shí)，信號(hào)的頻譜將展寬，包絡(luò)出現(xiàn)起伏。通常假定碼元中包含整數(shù)個(gè)載波周期，即PSK信號(hào)的初始相位相同，碼元邊界的瞬時(shí)相位一定連續(xù)。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)QPSK調(diào)制相乘電路法-sin0t相干載波產(chǎn)生相乘電路相乘電路/2相移串/并變換相加電路cos0tA(t)s(t)圖7-37第一種QPSK信號(hào)產(chǎn)生方法ab01110010a(1)a(0)b(1)b(0)圖7－39QPSK信號(hào)矢量圖第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼元串并變換：012345(a)輸入基帶碼元t024(b)并行支路a碼元t135(c)并行支路b碼元t碼型變換：二進(jìn)制信號(hào)碼元“0”和“1變換成不歸零雙極性矩形脈沖：二進(jìn)制碼元“1”雙極性脈沖“+1”；二進(jìn)制碼元“0”雙極性脈沖“-1”。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)選擇法

串/并變換相位選擇帶通濾波4相載波產(chǎn)生器1432aba1001b1100a路調(diào)制器輸出b路調(diào)制器輸出合成相位0o90o45o180o90o135o180o270o225o0o90o315oQPSK信號(hào)相位編碼邏輯關(guān)系第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)QPSK解調(diào)用兩路正交的載波解調(diào)，分離兩路正交的2PSK信號(hào)。解調(diào)后的兩路并行碼元a和b，經(jīng)并/串變換后輸出。載波提取相乘低通抽判/2相乘低通抽判并/串A(t)s(t)abcos0t-sin0t定時(shí)提取第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)偏置QPSK(OQPSK)QPSK體制的缺點(diǎn)：相鄰碼元最大相位差達(dá)到180°，在頻帶受限的系統(tǒng)中會(huì)引起信號(hào)包絡(luò)的很大起伏。偏置QPSK的改進(jìn)：為減小相位突變，將兩個(gè)正交分量的兩個(gè)比特a和b在時(shí)間上錯(cuò)開半個(gè)碼元，使之不可能同時(shí)改變。相鄰碼元相位差的最大值僅為90°，減小信號(hào)振幅的起伏。OQPSK和QPSK的唯一區(qū)別在于：對(duì)于QPSK，兩個(gè)比特a和b的持續(xù)時(shí)間原則上可以不同；而對(duì)于OQPSK，a和b的持續(xù)時(shí)間必須相同。abk00900101127010180第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)OQPSK信號(hào)的波形與QPSK信號(hào)波形的比較

a1a3a5a7a2a6a4a8a2a4a1a3a5a7a6a8第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)/4相移QPSK

4相移QPSK信號(hào)是由兩個(gè)相差4的QPSK星座圖交替產(chǎn)生的，是一個(gè)4進(jìn)制信號(hào)：當(dāng)前碼元的相位相對(duì)于前一碼元的相位改變45°或135°。例如，若連續(xù)輸入“11111111…”，則信號(hào)碼元相位為“45904590…”優(yōu)點(diǎn)：相鄰碼元間總有相位改變、最大相移為135°，比QPSK的最大相移小。45°1110(a)星座圖之一 (b)星座圖之二010011010010第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)7.4.4多進(jìn)制差分相移鍵控(MDPSK)基本原理把MPSK信號(hào)用的參考相位當(dāng)作是前一碼元的相位，把k當(dāng)作是相對(duì)于前一碼元相位的相移。4進(jìn)制DPSK又稱QDPSK。編碼方式：abkA方式B方式0090135010451127031510180225第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生方法第一種方法abcd碼變換相加電路s(t)圖7-43第一種QDPSK信號(hào)產(chǎn)生方法A(t)串/并變換-/4載波產(chǎn)生相乘電路相乘電路/4第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼變換器：輸入ab和輸出cd間的16種可能關(guān)系(A方式)：當(dāng)前輸入的一對(duì)碼元及要求的相對(duì)相移前一時(shí)刻經(jīng)過碼變換后的一對(duì)碼元及所產(chǎn)生的相位當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)當(dāng)給出的變換后一對(duì)碼元和相位ak

bkkck-1

dk-1k-1ck

dkk009000011110900270180100111101809002700100001111090027018001111000900270180112700001111090027018011100001027018090101800001111090027018010000111270180900第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)碼變換器電路二進(jìn)制碼元“0”和“1”與相乘電路輸入電壓關(guān)系：

二進(jìn)制碼元“0”“＋1” 二進(jìn)制碼元“1”“－1”第二種方法： 與QPSK信號(hào)選擇法原理相同，只是在串/并變換后面增加“碼變換器”。只讀存儲(chǔ)器TTakbkckdkdk-1ck-1第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)解調(diào)方法：極性比較法、相位比較法。極性比較法原理方框圖（A方式）bacdA(t)-/4相乘電路相乘電路/4s(t)低通濾波低通濾波抽樣判決抽樣判決并/串變換逆碼變換定時(shí)提取載波提取第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)相干解調(diào)過程設(shè)第k個(gè)接收碼元：

相干載波：上支路：

下支路：信號(hào)和載波相乘：上支路：

下支路：第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

低通濾波：上支路：

下支路：判決規(guī)則

“＋”二進(jìn)制碼元“0” “－”二進(jìn)制碼元“1”

信號(hào)碼元相位k上支路輸出下支路輸出判決器輸出cd090180270＋－－＋＋＋－－01100011前一時(shí)刻輸入的一對(duì)碼元當(dāng)前時(shí)刻輸入的一對(duì)碼元當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)當(dāng)給出的逆變換后的一對(duì)碼元ck-1dk-1ck

dkakbk000011011000110110010011011010010011110011011011001001100011011001101100逆碼變換器第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)(1)當(dāng) 時(shí)

(2)當(dāng)時(shí)說(shuō)明：根據(jù)前一時(shí)刻碼元ck-1和dk-1之間的關(guān)系不同，逆碼變換的規(guī)則不同。第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)逆碼變換器原理方框圖