第6章-数字信号的频带传输

第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/101西北工业大学2011.2第6章数字信号的频带传输通信原理第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/102第6章数字信号的频带传输6.1引言目的：将数字基带信号变成适于信道传输的数字频带信号，用载波调制方式进行传输。同于模拟，匹配。载波选取：高频正弦波。调制信号：数字、离散。原理：同于模拟，但特殊：高频载波的离散状态携带信息。－－数字调制可以看成是模拟线性调制和角调制的特殊情况。分类：数字幅度调制－－幅度键控（ASK）；数字频率调制－－频移键控（FSK）；数字相位调制－－相移键控（PSK）。分别对应于用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1036.1引言6.2二进制幅度键控（2ASK）6.3二进制频移键控（2FSK）6.4二进制相移键控（2PSK、2DPSK）6.5二进制数字调制系统的性能比较6.6多进制数字调制系统特别：调制信号为二进制数字信号时，相应的调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。研究内容：第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1046.1二进制幅度键控（2ASK）6.1.1一般原理与实现方法幅度键控（ASK）属于数字幅度调制，二进制调制时记作2ASK。1.定义：2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。波形：2ASK1001s(t)tt“1”－－通/fc，“0”－－断/0。OOK信号第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1052.2ASK信号时域表达式：2ASK()()coscststtnbnnTtgats)()(101nPaP，以概率，，以概率（）其中，s(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列：3.2ASK信号的产生方法（调制方法）－－模拟法；键控法。问：2ASK调制属于DSB调制？OOK～1001(c)(b)(a))(tstccos)(ts)(tsttsfc2ASK()st2ASK()st2ASK()st第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1064.2ASK信号解调----2ASK属于100%的AM调制!－－常用方法主要有两种：（1）包络检波法2ASK()()coscststtBPFLPF定时脉冲包检器半波或全波整流抽样判决器图6-22ASK图图图图图图图)(ty{}na)(ts2ASK()stBPF（带通滤波器）----保证信号顺利通过，滤除带外噪声。恰好使2ASK信号完整地通过，输出：s2ASK(t)。包检器：检测已调信号，输出其包络：s(t)。LPF（低通滤波器）----滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。抽样判决器：包括抽样、判决及码元形成器。抽样脉冲（位同步）通常位于每个码元的中央位置，重复周期等于码元的宽度Tb。问：BPF、LPF如何设计？第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1071()()2xtst（2）相干检测法:2ASK()()coscststtBPFLPF抽样判决器解调器定时脉冲tccos)(tx)(ty)(ts}{na2ASK()stabcdeU各点波形：{an}1011001s(t)2ASK（a、b）U--门限{a′n}（d）（e）（c）1011001.......第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1086.2.22ASK信号的功率谱及带宽ttsteccos)()(0)()((41)(cscseffPffPfP则已调信号的功率谱为Pe(f)：研究信号功率谱的目的：确定信号的传输带宽(由连续谱)，选择或设计传输信道；观察有无所需的频率分量(由离散谱)。重要公式（可以证明）：若已调信号可以表示成：其中Ps(f)为调制信号s(t)的功率谱。（6.2-5）第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1092ASK信号的功率谱：2ASK()()coscststt)()((41)(cscseffPffPfP其中，s(t)为单极性NRZ信号，引用例4.1的结果211()Sa()()44sbbPfTfTf代入式（6.2-5）得，2ASK信号功率谱（6.2-5）22(){Sa[()]Sa[()]}161[()()]16becbcbccTPfffTffTffff（6.2-7）第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1010)()((41)(cscseffPffPfP)(fPsf0)(fPecf0fcfbfbfbcffbcffbcffbcff(a)(b)带宽为：频带利用率为：功率谱：221(){Sa[()]Sa[()]}[()()]1616becbcbccTPfffTffTffff2ASK1(Baud/Hz)2BRB2ASKB222bbBfRTB1/bRT为码元传输速率。第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/10116.2.42ASK系统的抗噪声性能1、相干解调时2ASK系统的误码率假定：信道噪声n(t)为加性高斯白噪声，其均值为0、双边功率谱密度为n0/2；接收的2ASK信号（任一码元Tb内）为：分析模型：BPFLPF抽样判决器解调器定时脉冲c)(tz)(ts}{na2ASK()st()nt)(ty2ASK()st()int()xttcos2cos1()00cRatst，发“”，发“”则：BPF在任一码元内的输出波形为：第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1012()1()()0ccantxtnt，发“”，发“”取本地载波为2cosωct，则抽样判决器输入：问：一维pdf分布？BPFLPF抽样判决器解调器定时脉冲c)(tz)(ts}{na2ASK()st()nt)(ty2ASK()st()int()xttcos2则在任一码元内BPF输出波形为：()()()cos()cos()sin1()cos()sin0Ricccscccscytstntatnttnttnttntt，发“”，发“”（6.2-11）其中：为窄带高斯白噪声，其均值为0，方差为。()()cos()siniccscntnttntt202ASKnnB第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1013x(t)抽样值x的一维概率密度为：2021exp()022nnxfx（），发“”22()1()()00cncnantaxtnt，发“”--高斯：、，发“”--高斯：、2121()()exp[]122nnxafx，发“”（6.2-14）（6.2-15）dUxdUx，判为“1”码，判为“0”码设判决门限为Ud，且规定)(0xf)(xf)(1xf)1/0(P)0/1(PdUx*dU0a第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1014存在两种错判的可能性：00(1/0)()()dddPPxUfxxSU11(0/1)()dddUPPxUfxxS阴影面积系统误码率01(1)(0/1)(0)(1/0)11[(0/1)(1/0)]()22ePPPPPPPSS，等概时)(0xf)(xf)(1xf)1/0(P)0/1(PdUx*dU0adUxdUx，判为“1”码，判为“0”码判决：（6.2-19）（6.2-20）（6.2-21）第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1015/2dUa1erfc24erP0111[(0/1)(1/0)]()22ePPPSS)(0xf)(xf)(1xf)1/0(P)0/1(PdUx*dU0a（6.2-23）（6.2-24）将式（6.2-19）、（6.2-20）、（6.2-23）代入式（6.2-21），可得系统误码率为：式中，222nar为解调器输入信噪比。不难看出，当Ud=Ud*时，阴影面积之和最小，即误码率最低。称此使误码率获最小值的门限为最佳门限，显然----等概时第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/101641reerP当r1时，上式近似为：1erfc24erP（6.2-24）（6.2-25）必须注意，式（6.2-24）、式（6.2-25）的适用条件是等概、最佳门限。第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/10172、包络检测时2ASK系统的误码率经包络检波器检测，输出包络信号：问：一维pdf服从什么分布？分析模型：LPF定时脉冲包检器半波或全波整流抽样判决器{}na()xtBPF)(ty2ASK()st2ASK()st()nt()intBPF输出与相干解调时相同，为cos()cos()sin1()()cos()sin0cccscccscatnttnttytnttntt，发“”，发“”2222()()1()()()0cscsantntxtntnt，发“”，发“”第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1018发“1”时，包络检波器输出包络x(t)的抽样值x的一维概率密度函数f1(x)服从莱斯分布；发“0”时，包络检波器输出包络x(t)的抽样值x的一维概率密度函数f0(x)服从瑞利分布。2222()()1()()()0cscsantntxtntnt，发“”，发“”cos()cos()sin1()()cos()sin0cccscccscatnttnttytnttntt，发“”，发“”()fx0()fx1()fx(0/1)P(1/0)PdUax*dU02210222()exp()2nnnxaxxafxI2022()exp()2nnxxfx（6.2-29）（6.2-28）第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1019存在两种错判：一是发送的码元为“1”时，错判为“0”，其概率记为P(0/1)；二是发送的码元为“0”时，错判为“l”，其概率记为P(1/0)。00(1/0)()()dddPPxUfxxSU11(0/1)()d0ddUPPxUfxxS阴影面积判决：ddxUxU“1?“0?()fx0()fx1()fx(0/1)P(1/0)PdUax*dU0第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1020当P(1)=P(0)=1/2时)0/1()0()1/0()1(PPPPPe/2dUa421reeP222nar系统的误码率为：)(21)]0/1()1/0([2110SSPPPe不难看出，当Ud=Ud*时，该阴影面积之和最小，即误码率最低。可以证明最佳门限－－图中阴影面积和的一半。误码率：其中－－包检器输入信噪比。适用条件：等概、大信噪比、最佳门限。()fx0()fx1()fx(0/1)P(1/0)PdUax*dU0第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1021讨论：●在大信噪比情况下，相干解调2ASK系统的抗噪声性能优于非相干解调系统。41rePer相干412rePe包检但两者相差并不太大，且包检解调不需要稳定的本地相干载波，在电路上要比相干解调简单的多。●包络检波法存在门限效应，相干检测法无门限效应。－－对2ASK系统，大信噪比条件下使用包络检测，而小信噪比条件下使用相干解调。第6章数字信号的频带传输通信原理2019/11/1022例6.1某2ASK信号码元速率RB=1.2MB，接收端输入信号幅度A=1mV,信道中高斯白噪声双边功率谱密度n0/2=4×10-15W/Hz。试求：（1）包络检波法解调时系统的误码率；（2）同步检测法解调时系统的误码率。解：（1）