chap7 数字频带传输系统剖析

2020/2/16通信原理1chap7数字频带传输系统2020/2/16通信原理2本章纲要7.1引言7.2二进制数字调制与解调原理7.3二进制数字调制系统的抗噪声性能7.4二进制数字调制系统的性能比较7.5多进制数字调制系统作业2020/2/16通信原理3引言1.数字信号的传输方式数字信号共有两种传输方式：①基带传输（已经在第五章介绍）：数字信号直接传送的方式，适用于低通信道。②频带传输（将在本章介绍）：用数字基带信号经载波调制后的传送方式，适用于带通信道。2.大多数的数字调制系统都选择单频信号（正弦波或余弦波）作为载波。因此也称为正弦载波数字调制。2020/2/16通信原理4引言3.与模拟调制相比相同点——载波相同①都是以正弦载波进行调制；②调制目的都是频谱搬移；③由于正弦波有振幅、频率和相位三个参量，因而相应地有：振幅调制——ASK（AM）；频率调制——FSK（FM）；相位调制——PSK（PM）。2020/2/16通信原理5引言不同点——调制信号不同模拟调制：调制信号是模拟信号（连续取值）；调制过程：以调制信号对载波参量作连续调制；解调过程：对已调载波的参量作连续估值。数字调制：调制信号是数字信号（离散取值）；调制过程：以载波参量的离散状态来表征数字信息；解调过程：对已调载波的离散参量进行检测。2020/2/16通信原理6二进制数字调制与解调原理7.2.1二进制振幅键控（2ASK、OOK）1.ASK概念用二进制的数字信号去控制载波的幅度。即传“1”信号时，发送载波；传“0”信号时，送0电平。也称这种调制为通（on）、断(off)键控OOK（on-offkeying）。2020/2/16通信原理7二进制数字调制与解调原理2.2ASK的时域表达式式中，s(t)是单极性信号ttstscASKcos)()(2”时发“”时发“001coscos)()(2ttnTtgatscncsnASKnsnnTtgats)()()(),(11)(),(02211GtgPGtgPan频域为传号，时域波形为频域为空号，时域波形为其中2020/2/16通信原理8二进制数字调制与解调原理载波信号2ASK信号s(t)1011Tb001ttt2020/2/16通信原理9二进制数字调制与解调原理3.2ASK信号的产生①模拟调制法（相乘法）；②键控法。乘法器coscte2ASK(t)(a)cosct开关电路s(t)e2ASK(t)(b)s(t)2020/2/16通信原理10二进制数字调制与解调原理4.2ASK信号的解调①非相干解调（包络检波）由于s2ASK(t)就是一种AM波形，因而可以采用包络检波器进行解调。2020/2/16通信原理11二进制数字调制与解调原理2ASK信号非相干解调过程的时间波形11100000101abcd2020/2/16通信原理12二进制数字调制与解调原理②相干解调：与AM波形一样，对s2ASK(t)亦可采用相干解调（同步解调）。抽样判决器的判决电平应取为其输入（解调）信号的高电平值之半（低电平为零）。由于接收信号电平可能变化，应要求判决电平作相应变化，这正是2ASK缺点之一。2020/2/16通信原理13二进制数字调制与解调原理5.2ASK信号的功率谱密度由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程,所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。二进制振幅键控信号的功率谱密度P2ASK(f)：cscsASKffPffPfP41)(2式中，PS(f)是基带信号s(t)的功率谱。2020/2/16通信原理14二进制数字调制与解调原理若s(t)为单极性NRZ码（幅值为+1、0），且等概，则基带信号的功率谱密度为：)(414)(2ffTSaTfPsss)()(161)()(sin)()(sin16)(222ccSccScScSASKffffTffffTffTffTfP所以经过2ASK调制后信号的功率谱密度为：2020/2/16通信原理15二进制数字调制与解调原理2020/2/16通信原理16二进制数字调制与解调原理结论：①2ASK信号的功率谱是基带信号s(t)功率谱的平移，并乘以系数1/4，因而2ASK属于线性调制；②由于s(t)是单极性信号，有直流，因而调制后有载波分量。这样，2ASK信号的功率谱包含连续谱和离散谱；③带宽频带利用率sssASKTffB122)(5.02HzsbitffBRssbb2020/2/16通信原理17例7-1设发送数字信息序列为11010010，码元速率为1000Bd：（1）请画出当载频为2kHz时的2ASK信号波形（2ASK规则是：“1”——有载波；“0”——无载波）。（2）计算该2ASK信号的带宽和频带利用率。2020/2/16通信原理18二进制数字调制与解调原理7.2.2二进制移频键控（2FSK）1.概念用数字基带信号去控制载波的频率；传“0”信号时，发送频率为f1的载波；传“1”信号时，发送频率为f2的载波。可见，FSK是用不同频率的载波来传递数字消息的。2FSK信号波形可看作两个2ASK信号波形的合成。2020/2/16通信原理19二进制数字调制与解调原理2.2FSK信号的时域表达式个码元的初相位是第和的反码；是发送概论为，发送概论为，”时发“”时发“n1101)cos(0)cos()cos(])([)cos(])([)cos()()cos()()(2121212nnnnnnnnnsnnnsnnnFSKaaPPatttnTtgatnTtgattsttsts2020/2/16通信原理20二进制数字调制与解调原理3.2FSK信号的产生①模拟调频法，产生相位连续的2FSK信号②键控法，产生相位不连续的2FSK信号S(t)e0(t)压控VCO直接调频2020/2/16通信原理21二进制数字调制与解调原理aak1011001ts(t)ts(t)bttcdettfgt2FSK信号2020/2/16通信原理22二进制数字调制与解调原理4.2FSK信号的解调①相干解调抽样判决e0(t)S(t)定时脉冲带通ω1低通cosω1t2fs带通ω2低通cosω2t2fs条件：|f1-f2|≥2fs2020/2/16通信原理23二进制数字调制与解调原理②包络检波法抽样判决e0(t)S(t)定时脉冲条件：|f1-f2|≥2fs2fs带通ω2包络检波带通ω12fs包络检波2020/2/16通信原理24二进制数字调制与解调原理三个BPF的参数通过2FSK信号，因而中心频率为，带宽为BBPF≥B2FSK；BPF1用来通过2ASK1（对应f1）信号，因而其中心频率f0=f1，带宽BBPF≥2fs；BPF2用来通过2ASK2（对应f2）信号，因而其中心频率f0=f2，带宽BBPF≥2fs。2210fff2020/2/16通信原理25二进制数字调制与解调原理③过零点检测法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2020/2/16通信原理26e0(t)S(t)整形微分宽脉冲发生器低通整流abcdef判决abcdef01101002020/2/16通信原理27二进制数字调制与解调原理5.2FSK信号的功率谱可视为2个2ASK的功率谱相叠加)()(41)()(41)(221122211ffPffPffPffPfPssssFSKf0)f(PEf2f1f1f0sfsf)f(P1s2020/2/16通信原理28二进制数字调制与解调原理结论：①2FSK的功率谱包含连续谱和离散谱（f1和f2）；②若|f1-f2|≤fs，则为单峰曲线；而随着|f1-f2|的增大，逐渐出现双峰；③带宽B2FSK=2fs+|f1-f2|2020/2/16通信原理29二进制数字调制与解调原理6.FSK的用途CCITT规定，低于1200bit/s的速率时，使用FSK方式；在微波通信系统中传输监控信息，以实现中继站的无人值守。目前广泛使用的单片调制解调器，如MC6800L,适用于600波特以下的传输速率，中心频率1170Hz，传“1”时，载频为1270Hz，传“0”时，载频为1070Hz，频偏为100Hz，带宽为BFSK=|f1-f2|+2fs＝|1270-1070|+2×600=1400Hz。2020/2/16通信原理30例7-2设发送数字信息序列为11010010，码元速率为1000Bd，现采用键控法产生2FSK信号，并设f1=2kHz，对应“1”；f2=1kHz，对应“0”。若两振荡器输出振荡初相均为0，画出2FSK信号波形，并计算其带宽。2020/2/16通信原理31二进制数字调制与解调原理7.2.3二进制移相键控1.移相调制的概念用数字基带信号控制载波的相位载波初相Φ：每个码元起始时刻对应的载波相位000121200012020/2/16通信原理32二进制数字调制与解调原理移相键控在数据传输中,尤其是在中速和中高速的数传机(2400-4800bit/s)中得到了广泛的应用。移相键控有很好的抗干扰性,在有衰落的信道中也能获得很好的效果。移相信号可分为两种：(1)绝对相移；(2)相对相移(差分相移)2020/2/16通信原理33二进制数字调制与解调原理2.绝对移相键控（2PSK或BPSK）传“1”信号时，发起始相位为π的载波；传“0”信号时，发起始相位为0的载波。(或取相反的形式)。2020/2/16通信原理342PSK：绝对移相信号A方式：0表示“0”π表示“1”表示“0”表示“1”或反之B方式：22或反之载波初相1001011+EVS(t)-EVπ00π0ππ2222222A方式：B方式：2020/2/16通信原理35二进制数字调制与解调原理①2PSK信号的时域表达式②信号的产生PtPttnTtgatscccnsnPSK1coscoscos)]([)(2以概率以概率PPaFSKASKann111，，，、不同于2020/2/16通信原理36二进制数字调制与解调原理③2PSK解调——相干解调2PSK信号以相位传输信息，其振幅、频率恒定，因而只能采用相干解调。带通低通抽样判决e0(t)S(t)定时脉冲cosωct抽样判决带通e0(t)S(t)鉴相器2020/2/16通信原理37二进制数字调制与解调原理④相位模糊——倒π现象在接收端由2PSK信号中提取相干载波时，有可能得到两种反相的相干载波，即coswct应改为±coswct，于是LPF输出将为±s(t)，抽样判决结果出现反码，这就是相位模糊问题（对2PSK又称为倒π现象）。相位模糊现象是不允许的，因而2PSK实际上不用，而是采用2DPSK。2020/2/16通信原理38二进制数字调制与解调原理3.差分移相键控（2DPSK或BDPSK）相对载波初相△φ：后码元的载波初相φ2与前相邻码元载波初相φ1的差值。△φ=φ2-φ12120001A方式：0表示“0”π表示“1”表示“0”表示“1”或反之B方式：22或反之2020/2/16通信原理391001011+ES(t)-EA方式：B方式：绝对码相对码参考点0002222000001110010码变换2020/2/16通信原理40二进制数字调制与解调原理①2DPSK信号的产生2020/2/16通信原理41二进制数字调制与解调原理码变换电路的功能:将绝对码ak变成相对码