通信原理第7版第7章(樊昌信版)课件

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数字带通传输第7章樊昌信曹丽娜编著通信原理（第7版）

1二进制数字调制/解调原理2ASK2FSK2PSK/2DPSK二进制数字调制系统抗噪声性能二进制数字调制系统的性能比较多进制数字调制原理和特点本章内容:第7章数字调制

2数字调制：用数字基带信号控制载波某个参数的过程。数字带通传输系统：包括调制/解调过程的数字传输系统。振幅键控频移键控相移键控模拟调制法数字键控法二进制和多进制调制基本调制和新型调制方法分类AmplitudeShiftKeyingFrequencyShiftKeyingPhaseShiftKeyingASKPSKFSK概述

3二进制数字调制原理§7.1

4101101s(t)载波2ASKt表达式：2ASK也称OOKtt原理：波形：单极性Tss(t)载波幅度§7.1.1二进制振幅键控（2ASK）

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62ASK解调包络检波法相干解调法

7包络检波法的各点波形相呼应

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910式中g(t)－单个矩形脉冲，Ts－脉冲持续时间；n和n分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位，通常可令其为零。因此，2FSK信号的表达式可简化为

10模拟调频法：相邻码元之间的相位是连续变化的。键控法：相邻码元之间的相位不一定连续。2FSK产生特点：转换速度快、电路简单、产生的波形好、频率稳定度高。

11包络检波法2FSK解调0101s1s2

12

13过零检测法

14FSK应用：

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162PSK产生键控法2PSK解调模拟调制法

172PSK解调原理框图和各点波形：2PSK存在问题：解决方案：DPSKDifferentialPSK载波相位模糊倒π现象(反相工作)

18利用前后相邻码元的载波相对相位表示信息。矢量图:B方式A方式基准——2PSK前一——2DPSK原理：§7.1.4二进制差分相移键控（2DPSK）

19波形:示例:差分编码规则：⊕为模2加bn-1为bn的前一码元最初bn-1可任意设定

202DPSK产生构思2DPSK解调模型（差分编码）

21（1）2DPSK相干解调+码反变换法相位模糊消除影响

22

23分析目的：B和fc分析方法：借助于基带信号的功率谱PowerSpectralDensity§7.1.5二进制数字已调信号的功率谱(PSD)

24设Ps(f)——s(t)的PSDP2ASK(f)——2ASK信号的PSD则12ASK信号的功率谱密度可见，P2ASK(f)是Ps(f)的线性搬移（属线性调制）。单极性

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26fB=1/TB=RB

272PSK信号的频谱与2ASK的十分相似；带宽也是基带信号带宽的两倍：区别仅在于当P=1/2时，谱中无离散谱（即载波分量）。22PSK/2DPSK信号的功率谱密度双极性

2832FSK信号的功率谱密度

29连续谱形状随着两个载频之差的大小而变化谱零点带宽：

30二进制数字调制系统抗噪声性能§7.2

31概述性能指标：系统的误码率Pe分析方法：借用数字基带系统的方法和结论分析条件：恒参信道（传输系数取为K）信道噪声是加性高斯白噪声背景知识：窄带噪声正弦波+窄带噪声

32a=kA§7.2.12ASK系统的抗噪声性能2ASK---相干解调

33

34（均值a或0，方差n2），一维概率密度函数：nc(t)是高斯过程（0，n2）抽样：x~高斯发送“1”时发送“0”时

35设判决门限为b，则判决规则为：b咦？好像与单极性基带系统的情况类似！西安电子科技大学

36因此，借助单极性基带系统的分析结果：=单极性基带信号+高斯噪声可方便地得到2ASK-相干系统的分析结果：借用：

372ASK信号相干解调时系统的总误码率为r>>1时解调器输入端信噪比

382ASK---包络检波~正弦波+窄带高斯噪声~窄带高斯噪声包络检波器整流---低通

39当发送“1”符号时，包络检波器的输出为当发送“0”符号时，包络检波器的输出为~广义瑞利分布~瑞利分布式中，n2为窄带高斯噪声n(t)的方差。

40设判决门限为b，判决规则为：发“1”错判为“0”的概率为利用MarcumQ函数：

41r=a2/2n2信号噪声功率比b0=b/n归一化门限值则P(0/1)可借助MarcumQ函数表示为发“0”错判为“1”的概率为

42系统的总误码率为当P(1)=P(0)时，有包检系统的Pe取决于信噪比r和归一化门限值b0

43求最佳判决门限，令：当P(1)=P(0)时，有最佳判决门限:归一化最佳判决门限:

44实际情况——系统工作在大信噪比情况下，∴最佳门限应取：此时，系统的总误码率为：当r时，上式的下界为：

45归纳

46接收端带通滤波器带宽为：带通滤波器输出噪声平均功率为：信噪比为：解例

47(1)同步检测法解调时系统的误码率为(2)包络检波法解调时系统的误码率为评注

48§7.2.22FSK系统的抗噪声性能相干解调

49n1(t)和n2(t)是ni(t)经过上、下带通滤波器的输出噪声—窄带高斯噪声均值同为0方差同为n2只是中心频率不同而已发“1”时：

50经过相干解调后，送入抽样判决器的两路波形分别为：上支路下支路式中，n1c(t)和n2c(t)均为低通型高斯噪声，(0，n2)

51发“1”错判为“0”的概率为判决规则

52r>>1时发“0”错判为“1”的概率2FSK-相干解调系统的总误码率为西安电子科技大学

53包络检波器包络检波器发“1”符号（对应1）时：2FSK---包络检波

54~广义瑞利分布~瑞利分布一维概率密度函数分别为：上支路下支路判决规则

55发“1”错判为“0”的概率为

56根据MarcumQ函数的性质:可得：令代入上式，简化为：

57对比：2FSK-相干解调系统的总误码率因此，2FSK-包络检波系统的总误码率为r>>1发“0”错判为“1”的概率为

58（2）上、下支路带通滤波器(BPF)的带宽近似为：解例

59（3）同步解调时系统的误码率:∵信道输出端信噪比为6dB（即4），∴带通滤波器输出端（解调器输入端)的信噪比为：因此，包络检波时系统的误码率：

60在任意一个TB内，2PSK和2DPSK都可表示为：2PSK信号2DPSK信号原始数字信息（绝对码）相对码§7.2.32PSK/2DPSK系统的抗噪声性能

6112PSK相干解调系统

62因此，x(t)的一维概率密度函数为:高斯噪声(0，n2)高斯噪声(a，n2)

63与双极性基带系统的情况类似=双极性基带信号+高斯噪声可见

64因此，借助双极性基带系统的分析结果：可方便地得到2PSK-相干系统的分析结果：

652PSK信号相干解调系统的总误码率：r>>1时解调器输入端信噪比

66f点：绝对码序列。只需在Pe2PSK基础上考虑码反变换器对误码率的影响即可。e点：相对码序列。由2PSK误码率公式来确定：

67（无误码）（bn错1个码）（bn连错2个码）（bn连错n个码）an总是错2个码反变换器对误码的影响：an错2个

68在大信噪比（r>>1）时，Pe<<1，因此：条件：假设每个相对码出错概率相等且统计独立2DPSK相干+码反变换系统的误码率：式中：

6932DPSK差分相干解调(相位比较）两者独立

70则低通滤波器的输出为:经抽样后的样值为:x>0，判为“1”——正确x0，判为“0”——错误判决

71发“1”错判为“0”的概率为：利用恒等式令上式中则，，

72R12R22令简化为

73由随机信号理论可知：R1的一维分布服从广义瑞利分布，R2的一维分布服从瑞利分布，其概率密度函数分别为：将以上两式代入：可得：

742DPSK-差分相干解调系统的总误码率为：发“0”错判为“1”的概率为：

75(1)接收端带通滤波器的带宽为:输出噪声功率:可得:由解例

76因此，接收机输入端所需的信号功率为：（2）相干解调-码反变换的2DPSK系统：即有：查误差函数表，可得由r=a2/2n2可得接收机输入端所需的信号功率：

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78§7.3二进制数字调制系统性能比较

791误码率——可靠性

80讨论2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK

81讨论2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK

82讨论2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK

83讨论2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK大信噪比(r>>1)时,两者性能相差不大。

84B2FSK不仅与基带信号带宽有关，且与两个载频之差有关。设基带信号的谱零点带宽为RB=1/TS，则有：在RB一定时，2FSK的频带利用率最低，有效性最差。2频带带宽——有效性

852ASK：2PSK：2FSK：3对信道特性变化的敏感性

86通常，非相干方式比相干方式简单。这是因为相干解调需要提取相干载波，故设备相对复杂些，成本也略高。4设备的复杂度综述

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88多进制数字调制系统§7.4

89引言二进制：每个码元只携带1bit信息Mlog2M西安电子科技大学通院

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91MASK可看成是二进制振幅键控（2ASK）的推广。且有§7.4.1多进制振幅键控（MASK）4ASK信号振幅有4种取值，每个码元含2bit。

92MASK调制:与2ASK的产生方法相似，区别在于:发送端输入的二进制数字基带信号需要先经过电平变换器转换为M电平的基带脉冲，然后再去调制。MASK解调:与2ASK信号解调也相似，有相干和非相干解调两种。

93MASK信号的功率谱与2ASK信号具有相似的形式;谱零点带宽是M进制数字基带信号带宽的两倍。在Rb相同时，MASK信号带宽是2ASK的1/log2M倍。MASK的抗噪声能力差，常用多进制正交振幅调制（MQAM）来代替。

94MFSK可视为2FSK方式的推广。4FSK采用4种不同的频率分别表示双比特信息：§7.4.2多进制频移键控（MFSK）

95MFSK调制与解调的原理框图：

96要求载频之间的距离足够大，以便用滤波器分离不同频率的谱。MFSK信号占用较宽的频带，信道频带利用率不高。MFSK一般用于调制速率(1/TB)不高的衰落信道传输场合。

97利用载波的M种不同相位表示数字信息。信号矢量图（星座图）：§7.4.3多进制相移键控（MPSK）1基本概念

98

9924PSK调制QPSK的每一种载波相位代表两个比特：（00、01、10或11）两个比特的组合称做双比特码元，记为ab

1001）双比特与载波相位的关系矢量图注：对应关系可有不同规定，但相邻码组应符合格雷码编码规则

101波形

102正交调相法2）QPSK调制

103根据当时的双比特ab，选相电路从候选的4个相位中选择相应相位的载波输出。相位选择法abB方式原理：

104解决方案：采用四相相对相位调制，即QDPSK。存在问题：存在900的相位模糊（0,90,180,270）原理：分解为两路2PSK信号的相干解调。3QPSK解调

105跳变周期2Tb带宽B=RbQPSK特点：相位跳变：0°,±90°,±180°

106最大相位跳变180°，使限带的QPSK信号包络起伏很大，并出现包络零点。频谱扩展大，旁瓣对邻道干扰大。QPSK缺点：

107改进思路：QPSK相位路径最大相位跳变180°

108改进思路：信号点不作对角线移动即双比特ab不同时跳变

109改进思路：信号点不作对角线移动即双比特ab不同时跳变OQPSK相位路径相位跳变0或±90°4OQPSK(偏置或交错QPSK，OffsetQPSK)如何实现？见下图

110OQPSK

111限带QPSK与限带OQPSK对比：最大相位跳变180°——包络起伏大——频谱扩展大相位跳变周期2Tb最大相位跳变90°——包络起伏小——频谱扩展小相位跳变周期Tb影响主瓣带宽

112由两个相差/4的QPSK星座图交替产生：A方式:0°,±90°,180°B方式:±45°,±135°5/4-QPSK原理和特点：

1134-QPSK优势：

114原理与2DPSK类似：利用相邻码元载波的相对相位变化表示数字信息。QDPSK与QPSK的关系，如同2DPSK与2PSK关系4DPSK也称QDPSK§7.4.4多进制差分相移键控（MDPSK）1基本原理QDPSK的矢量图与QPSK的矢量图相似——只是参考相位是前一码元的载波相位

115矢量图前一码元载波相位

116波形

117也有正交调相法和相位选择法差分编码将绝对码ab⇨相对码cd码变换+绝对调相原理图B方式仅需在QPSK调制器基础上增添差分编码（码变换）2QDPSK调制

118cdabQDPSKB方式相干解调（极性比较）+码反变换将相对码cd⇨绝对码ab差分译码3QDPSK解调

119B差分相干解调（相位比较法）

120多进制数字调制系统的抗噪声性能§7.5

121回顾：二进制调制系统的抗噪声性能

122抑制载波MASK-相干解调系统的误码率:M=2时:Per(dB)输入信噪功率比-噪声功率Ps-信号码元功率-解调器

123MFSK–非相干解调系统的误码率:(a)非相干解调rbPe——每比特的信噪功率比

124MFSK–相干解调系统的误码率:(b)相干解调Perb比较相干和非相干解调的误码率，当log2M>7时，误码率的上界都可表示为：

125MPSK(M≥4)相干解调系统的误码率:MDPSK(M≥4)相干解调系统的误码率:OQPSK的抗噪声性能和QPSK完全一样。

126Perb(dB)Perb(dB)MDPSK系统的误码率MPSK系统的误码率