通信原理樊昌信版第7章数字带通传输系统1.

1第7章数字带通传输系统§7.0引言§7.2二进制数字调制系统抗噪声性能§7.1二进制数字调制原理§7.3二进制数字调制系统的性能比较2§7.0引言在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种信道中传输，因此，必须用数字基带信号对载波进行调制，产生已调数字信号，才能在无线信道、光纤信道等媒质中传输。3数字调制：利用数字基带信号改变载波参数的过程，把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）。数字键控：利用数字脉冲信号对载波进行开关形式的控制而实现。载波的波形是任意的，但大多数的数字调制系统都选择单频信号作为载波，因为便于产生与接收。常用的载波信号为。1、概念cnAcos(t)42、数字调制分类(1)根据控制载波波形参量不同，分为：振幅键控(ASK)用数字消息控制载波的振幅频移键控(FSK)用数字消息控制载波的频率相移键控(PSK)用数字消息控制载波的相位(2)根据已调信号频谱结构特点不同，分为：线性调制(如ASK)频谱结构相同，只不过搬移了一个频率位置，无新的频率成分出现。非线性调制(如FSK)频谱结构不同，有新的频率成分出现。53、数字载波调制与模拟调制的异同相同点：调制目的相同，都是进行频谱搬移，以适合信道传输；调制种类相同，都是通过改变载波的幅度、相位或频率达到调制的目的；不同点：模拟调制是以模拟信号对载波参量作连续调制；数字调制是以数字信号对载波参量作离散调制。6§7.1二进制数字调制原理7.1.1二进制振幅键控（2ASK)7.1.2二进制频移键控（2FSK)7.1.3二进制相移键控（2PSK)7.1.4二进制差分相移键控（2DPSK)77.1.1二进制振幅键控（2ASK)ASK:AmplitudeShiftKeying•振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。•设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送1和0符号的概率分别为为P和1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为：8)()(SnnnTtgatsttstecASKcos)()(2发送概率为P发送概率为1-P01na2ASK信号时域表达式g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲tnTtgacSnncos)(92ASK信号波形ttstecASKcos)()(22ASK信号波形tnTtgatecSnnASKcos)()(2102ASK调制方式模拟调制方式键控方式也称OOK信号开关K的动作由s(t)决定，乘法器S(t)e2ASK(t)滤波器cosωct10e2ASK(t)cosωctK当s(t)=0K接01K接1112ASK解调方式非相干解调带通滤波器全波整流器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2teASKabcd带通滤波器（BPF）恰好使2ASK信号完整地通过。低通滤波器（LPF）的作用是滤除高频杂波，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。12带通滤波器全波整流器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2teASKabcd11100000101abcd132ASK解调方式相干解调带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2teASKtccos相干解调就是同步解调，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。14ASKe(t)y(t)ccost带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2teASKtccos15ASKce(t)s(t)cost相干解调低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。ttsttetyccASK2cos)(cos)()(]2cos1)[(21ttsc)(ts２１　　低通162ASK频谱设e2ASK(t)的功率谱为P2ASK(f)，s(t)的功率谱为Ps(f)，则：tnTtgatecSnnASKcos)()(2ttsccos)()()(41)(2cscsASKffPffPfP2)()1()(fGPPffPss)(|)(|)1(222smssmffmfGPf式（7.1－7）推导单极性的随即脉冲序列功率谱的一般表达式：17设s(t)的功率谱密度为Ps(f),e0(t)的功率谱密度为PE(f)ttsteccos)()(0非严格推导：ttstec2220cos)()()()(41)()(21)()(21cos)()(21cos)()()()(2220ccccccccccsEfffffffffffftfffftfPtSfPte)ff(P)ff(P41)f(PcscsE证毕18sfTjsssefTfTTfGsin)(222)()(sin)()(sin16)(scscscscsASKTffTffTffTffTfP)()(161ccffff矩形波形g(t)的频谱为：当P=1/2时（7.1－10）192ASK频谱f0sfsf)f(PsP2ASK(f)cfffc+fscf0fc-fs-fc+fs-fc-fs202ASK信号的功率谱密度由离散谱和连续谱两部分组成。连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量确定。2ASK信号的带宽B2ASK是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣，则有B2ASK=2B=2fs=2*RB2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。2ASK频谱P2ASK(f)cfffc+fscf0fc-fs-fc+fs-fc-fs21B2ASK=2B=2fs=2*RB2ASK系统的频带利用率为:)/(2122HzBaudffBRssASKB2ASK频谱P2ASK(f)cfffc+fscf0fc-fs-fc+fs-fc-fs22[例]已知某OOK系统的传码率为103B，所用的载波信号为Acos(4π×103t)。(1)设传送数字信息为011001，画出相应的2ASK信号波形;(2)求2ASK信号的带宽。(2)二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍3BB2R2102000Hz33210每个码元内有=2个载波波形10解：(1)3BR10B331042104ccfHzfc3102237.1.2二进制频移键控（2FSK)(FrequencyShift-Keying)在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，则产生二进制频移键控信号(2FSK信号)。“1”—f1“0”—f2FSK是用不同频率的载波来传递数字消息的。241、2FSK信号的表示若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为:时”“”“0),cos(A1),cos(A)(212FSK发送时发送nnttte25na是an的反码其中:=na1以1-p为概率出现0以p为概率出现an=01)cos()()cos()(2111nnttSttS将一路2FSK信号看成两路2ASK信号的合成。S1(t)为单极性信号)cos()]([)(12nSnnFSKtTntgate)cos()]([2nnSntnTtga二进制移频键控信号的时域表达式为:262FSK信号波形1001011+EVS(t)载波w12FSK-EVS1(t)——S1(t)+EV0V+EV0V载波w2)cos()()cos()()(21112nnFSKttSttSte)cos()(11nttS)cos()(21nttS272、2FSK调制方式模拟调制方式：键控方式0K接0开关K的动作由s(t)决定，当s(t)=1K接1s(t)e2FSK(t)压控VCO1e0(t)cosω1tK0cosω2t2FSK信号的产生，可采用模拟调频电路来实现，也可采用数字键控的方法来实现。28振荡器1f1选通开关反相器基带信号选通开关振荡器2f2相加器e2FSK(t))cos()()cos()()(21112nnFSKttSttSte293、2FSK解调方法非相干解调法（包络检波）（一路2FSK视为2路2ASK信号的合成）相干解调法鉴频法过零检测法（2FSK特有）差分检测法303.12FSK包络检波法解调条件：|f1-f2|≥2fs抽样判决e0(t)S(t)定时脉冲2fs带通ω2包络检波带通ω12fs包络检波两个带通滤波器带宽皆为相应的2ASK信号带宽（中心频率不同)，起分路作用；包络检测后分别取出它们的包络s(t)及；抽样判决器起比较器作用。s(t)演示31若上、下支路及的抽样值分别用v1、v2表示，则抽样判决器的判决准则为：32图2FSK非相干解调过程的时间波形111000001012FSK信号v1下支路全波整流输出v2上支路全波整流333.22FSK相干解调条件：|f1-f2|≥2fsttSttSte21110cos)(cos)()(抽样判决e0(t)S(t)定时脉冲带通ω1低通cosω1t2fs带通ω2低通cosω2t2fs带通滤波器的作用同包络检波法，起分路作用;抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。343.32FSK信号的鉴频法原理：鉴频器输出电压与输入信号频率偏移成正比。带通滤波器鉴频器低通滤波器抽样判决353.42FSK过零检测法特点：“1”、“0”码元对应的载波频率不同，即在单位时间内载波的过零点数目不同，利用此特点，还原基带信号。e0(t)整形微分宽脉冲发生器整流S(t)abcdef判决低通思路：把过零数目不同转换为电压不同。36限幅e2FSK(t)ab微分c整流d脉冲形成低通ef输出(a)abcdef001100各点波形示意图图7-10过零检测法原理图和各点时间波形37输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列；微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点；尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率；低通滤波器得到脉冲波的直流分量。完成频率－幅度变换，根据直流分量幅度还原出“1”“0”。限幅e2FSK(t)ab微分c整流d脉冲形成低通ef输出(a)abcde383.52FSK差分检波法抽样判决带通低通2fs+|f1-f2|e0(t)S(t)e´(t)延时τ差分检波法基于输入信号与其延迟τ的信号相比较,信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，其检测性能优于鉴频法。39近似分析法：2路2ASK信号的叠加4、2FSK频谱结构tcos)t(Stcos)t(S)t(e21110且S1(t)、均为NRZ信号，脉宽为Ts)t(S1)()(41)()(41)(221121111ffPffPffPffPfPssssFSK∴)()()()(161)()(161)()(161)(2211222212122ffffffffTffSaTffSaTffSaTffSafPssssFSK当p=½时,（7.1-21）40频谱图f0sfsf)f(P1s)f(P1sf1f0)f(PEf2f1||2212fffBsFSK41相位不连续的2FSK信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成；离散谱位于载频f1和f2处；连续谱由两个中心位于f1和f2处的