第五章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)

主要內容：數(shù)字調制系統(tǒng)組成框圖三大類數(shù)字調制方法各種接收系統(tǒng)的原理抗噪聲性能的分析方法重點：數(shù)字調制系統(tǒng)的組成框圖各種已調信號的性能和參數(shù)計算各種接收系統(tǒng)的差別信噪比公式第五章數(shù)字調制系統(tǒng)2概述數(shù)字調制數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)數(shù)字調制技術有兩種方法：利用模擬調制的方法去實現(xiàn)數(shù)字式調制；通過開關鍵控載波，通常稱為鍵控法。基本鍵控方式：振幅鍵控、頻移鍵控、相移鍵控數(shù)字調制可分為二進制調制和多進制調制。

振幅鍵控 頻移鍵控 相移鍵控4第一節(jié)二進制數(shù)字調制原理1、二進制振幅鍵控(2ASK）基本原理：“通-斷鍵控(OOK)”信號表達式波形52ASK信號的一般表達式

62ASK信號產生方法模擬調制法（相乘器法）鍵控法濾波器乘法器S(t)e2ASK(t)cosωct10e2ASK(t)cosωctK72ASK信號解調方法

非相干解調(包絡檢波法)

相干解調(同步檢測法)

帶通整流低通抽樣判決e2ASK(t)

定時脈沖S(t)帶通相乘低通抽樣判決e2ASK(t)S(t)定時脈沖cosωct8非相干解調過程的時間波形

9功率譜密度

2ASK信號可以表示成

102ASK信號的功率譜密度示意圖

2ASK信號波形頻譜圖1001011+EV0VS(t)載波2ASK-fcfc+fsfc-fsB2ASK=2fs122、二進制頻移鍵控（2FSK）基本原理表達式：在2FSK中，載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻率點間變化。故其表達式為13典型波形：14152FSK信號的產生方法采用模擬調頻電路來實現(xiàn)：信號在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)變化的。采用鍵控法來實現(xiàn)：相鄰碼元之間的相位不一定連續(xù)。162FSK信號的解調方法非相干解調抽樣判決e2FSK(t)S(t)定時脈沖條件：|f1-f2|≥2fs2fs帶通ω2包絡檢波帶通ω12fs包絡檢波17相干解調判決準則：抽樣判決e2FSK(t)S(t)定時脈沖帶通ω1低通cosω1t2fs帶通ω2低通cosω2t2fs條件：|f1-f2|≥2fs18e2FSK(t)整形微分脈沖展寬整流S(t)abcdef判決低通特點：“1”、“0”

碼元對應的載波頻率不同，即在單位時間內載波的過零點數(shù)目不同，利用此特點，還原基帶信號。2FSK過零檢測法e2FSK(t)S(t)整形微分寬脈沖發(fā)生器低通整流abcdef判決abcdef011010020功率譜密度

21

其曲線如下：223、二進制相移鍵控（2PSK）

2PSK信號的表達式：

式中，n表示第n個符號的絕對相位：

因此，上式可以改寫為23典型波形1001011+EVS(t)-

EVπ00π0ππA方式：B方式：252PSK信號的調制器原理方框圖模擬調制的方法

鍵控法

262PSK信號的解調器原理方框圖和波形圖：27功率譜密度

比較2ASK信號的表達式和2PSK信號

2ASK：

2PSK： 兩者的表示形式完全一樣，區(qū)別僅在于基帶信號s(t)不同前者為單極性，后者為雙極性。注意，Ps(f)是雙極性矩形脈沖序列的功率譜。28功率譜密度曲線

294、二進制差分相移鍵控（2DPSK）2DPSK原理

30相應的2DPSK信號的波形如下：

31數(shù)字信息與之間的關系也可定義為2DPSK信號的矢量圖

(a)A方式(b)B方式1001011+ES(t)-

EA方式：B方式：絕對碼相對碼參考點001110010碼變換比較1001011+ES(t)-

E0π00π0ππ2PSK2DPSK判0110100倒π現(xiàn)象：0判0

001011全錯錯1位342DPSK信號調制器原理方框圖

差分碼可取傳號差分碼或空號差分碼。

傳號差分碼的編碼規(guī)則為 差分譯碼（碼反變換）352DPSK信號的解調方法之一相干解調(極性比較法)加碼反變換法3637差分相干解調(相位比較）法

38功率譜密度

2DPSK可以與2PSK具有相同形式的表達式。2PSK中的基帶信號s(t)對應的是絕對碼序列；2DPSK中的基帶信號s(t)對應的是碼變換后的相對碼序列。

信號帶寬為 與2ASK的相同，也是碼元速率的兩倍。39第二節(jié)二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能系統(tǒng)克服加性噪聲影響的能力。用誤碼率來衡量。分析條件：假設信道特性是恒參信道；

信道噪聲是加性高斯白噪聲。401、二進制振幅鍵控(2ASK)系統(tǒng)的抗噪聲性能同步檢測法的系統(tǒng)性能分析模型f1(x)f0(x)a041包絡檢波法的系統(tǒng)性能分析模型：將相干解調器替換為包絡檢波器。計算

42[例]設有一2ASK信號傳輸系統(tǒng)，其碼元速率為RB=9600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法和包絡檢波法解調。已知接收端輸入信號的幅度a=1mV，信道中加性高斯白噪聲的雙邊功率譜密度n0/2=410-13W/Hz。試求

(1)同步檢測法解調時系統(tǒng)的誤碼率；

(2)包絡檢波法解調時系統(tǒng)的誤碼率。432、二進制頻移鍵控(2FSK)系統(tǒng)的抗噪聲性能同步檢測法的系統(tǒng)性能分析模型

44包絡檢波法的系統(tǒng)性能

分析模型45結論 在大信噪比條件下，2FSK信號包絡檢波時的系統(tǒng)性能與同步檢測時的性能相差不大，但同步檢測法的設備卻復雜得多。因此，在滿足信噪比要求的場合，多采用包絡檢波法46[例]采用2FSK方式在等效帶寬為2400Hz的傳輸信道上傳輸二進制數(shù)字。2FSK信號的頻率分別為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信號的帶寬；（2）包絡檢波法解調時系統(tǒng)的誤碼率；（3）同步檢測法解調時系統(tǒng)的誤碼率。473、

2PSK和2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能信號表達式：無論是2PSK信號還是2DPSK，其表達式的形式完全一樣。 式中

sT(t)代表2PSK信號時，上式中“1”及“0”是原始數(shù)字信息；當sT(t)代表2DPSK信號時，上式中“1”及“0”是絕對碼變換成相對碼后的“1”及“0”。482PSK相干解調系統(tǒng)性能

分析模型分析計算

a0f1(x)f0(x)-a492DPSK信號相干解調系統(tǒng)性能

分析模型：相干解調法其簡化模型如圖如下：+ES(t)-

E絕對碼正確相對碼010010111110010碼反變換錯誤相對碼1010010010

00010010

0

10100碼反變換碼反變換錯誤相對碼錯誤相對碼51其簡化模型如圖如下： 碼反變換器對誤碼的影響當當一般

522DPSK信號差分相干解調系統(tǒng)性能分析模型53[例]假設采用2DPSK方式在微波線路上傳送二進制數(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。 今要求誤碼率不大于10-4。試求(1)采用差分相干解調時，接收機輸入端所需的信號功率；(2)采用相干解調-碼反變換時，接收機輸入端所需的信號功率。54例：若采用2DPSK方式傳送二進制數(shù)字信息，已知發(fā)送端發(fā)出的信號振幅為5V，輸入接收端解調器的高斯噪聲功率，今要求誤碼率Pe=10-5。試求：（1)采用差分相干接收時,由發(fā)送端到解調器輸入端的衰減為多少?(2)采用相干解調—碼反變換接收時，由發(fā)送端到解調器輸入端的衰減為多少？55第三節(jié)二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的性能比較信號解調方法頻寬Pe～γ門限用途2ASK非相干2fs有相干有2FSK非相干|f2-f1|+2fs中、低速數(shù)據(jù)傳輸相干2PSK2fs相干有2DPSK非相干2fs有相干有高速數(shù)據(jù)傳輸56誤碼率曲線57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58對信道特性變化的敏感性在2FSK系統(tǒng)中，判決器是根據(jù)上下兩個支路解調輸出樣值的大小來作出判決，不需要人為地設置判決門限，因而對信道的變化不敏感。在2PSK系統(tǒng)中，判決器的最佳判決門限為零，與接收機輸入信號的幅度無關。因此，接收機總能保持工作在最佳判決門限狀態(tài)。對于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限與接收機輸入信號的幅度有關，對信道特性變化敏感，性能最差。59第四節(jié)多進制數(shù)字調制原理概述為了提高頻帶利用率鍵控體制的誤碼率都決定于信噪比r：或：當進制數(shù)為M，碼元能量為E，一個碼元中包含信息k比特，則有k=log2M

每比特的能量Eb等于E/k。601、多進制振幅鍵控(MASK)概述多進制振幅鍵控又稱多電平調制優(yōu)點：MASK信號的帶寬和2ASK信號的帶寬相同，故單位頻帶的信息傳輸速率高，即頻帶利用率高。61基帶信號是多進制單極性不歸零脈沖

(b)MASK信號(a)基帶多電平單極性不歸零信號0010110101011110000t0t010110101011110062基帶信號是多進制雙極性不歸零脈沖

二進制抑制載波雙邊帶信號就是2PSK信號。

0101101010111100000t(c)基帶多電平雙極性不歸零信號00000t01011010101111(d)抑制載波MASK信號632、多進制頻移鍵控(MFSK)4FSK信號波形舉例

(a)4FSK信號波形f3f1f2f4TTTTtf1f2f3f400011011(b)4FSK信號的取值64MFSK信號的帶寬：

B=fM-f1+f

式中

f1

－最低載頻

fM

－最高載頻

f

－單個碼元的帶寬65MFSK非相干解調器的原理方框圖

V1(t)抽樣判決帶通濾波f1包絡檢波帶通濾波fM包絡檢波輸入輸出VM(t)定時脈沖帶通濾波f2包絡檢波........663、多進制相移鍵控(MPSK)基本原理 一個MPSK信號碼元可以表示為 式中，A

－常數(shù)，

k

－

一組間隔均勻的受調制相位 它可以寫為 通常M取2的某次冪：

M=2k，k=正整數(shù)

678PSK信號相位68

可以將MPSK信號碼元表示式展開寫成 式中

并且ak2+bk2

=1。因此，其帶寬和MASK信號的帶寬相同。

69正交相移鍵控(QPSK)4PSK常稱為正交相移鍵控(QPSK)格雷(Gray)碼4PSK信號每個碼元含有2比特的信息，現(xiàn)用ab代表這兩個比特。兩個比特有4種組合，即00、01、10和11。它們和相位k之間的關系通常都按格雷碼的規(guī)律安排，如下表所示。

QPSK信號的編碼

abk0090010112701018070QPSK信號矢量圖格雷碼的好處在于相鄰相位所代表的兩個比特只有一位不同。由于因相位誤差造成錯判至相鄰相位上的概率最大，故這樣編碼使之僅造成一個比特誤碼的概率最大。01001011參考相位QPSK信號的矢量圖71多位格雷碼的編碼方法：

格雷碼又稱反射碼。

序號格雷碼二進碼0 0000 00001 0001 00012 0011 001030010 001140110 010050111 010160101 011070100 011181100 100091101 1001101111 1010111110 1011121010 1100131011 1101141001 1110151000 111172碼元相位關系k稱為初始相位，常簡稱為相位，而把(0t+k)稱為信號的瞬時相位。當碼元中包含整數(shù)個載波周期時，初始相位相同的相鄰碼元的波形和瞬時相位才是連續(xù)的，如下圖：(a)波形和相位連續(xù)TT73若每個碼元中的載波周期數(shù)不是整數(shù)，則即使初始相位相同，波形和瞬時相位也可能不連續(xù)，如下圖

或者波形連續(xù)而相位不連續(xù)，如下圖

(b)波形和相位不連續(xù)TT(c)波形連續(xù)相位不連續(xù)TT74QPSK調制兩種產生方法:相乘電路法

-sin0t相干載波產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信號產生方法ab75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圖7-38碼元串/并變換76矢量圖：

二進制信號碼元“0”和“1在相乘電路中與不歸零雙極性矩形脈沖振幅的關系如下： 二進制碼元“1”

雙極性脈沖“+1”； 二進制碼元“0”

雙極性脈沖“-1”。01110010a(1)