通信原理-第7章-数字带通传输系统.

1通信原理第7章数字带通传输系统2第7章数字带通传输系统概述数字调制：把数字基带信号变换为数字带通信号（已调信号）的过程。数字带通传输系统：通常包括调制和解调过程的数字传输系统。数字调制技术有两种方法：利用模拟调制的方法去实现数字式调制；通过开关键控载波，通常称为键控法。基本键控方式：振幅键控、频移键控、相移键控数字调制可分为二进制调制和多进制调制。ttt111111000振幅键控频移键控相移键控3第7章数字带通传输系统7.1二进制数字调制原理7.1.1二进制振幅键控(2ASK）基本原理：“通-断键控(OOK)”信号表达式波形”时发送“以概率，”时发送“以概率0P101Pt,Acos)(cOOKte101t0sTst载波tt2ASK4第7章数字带通传输系统2ASK信号产生方法模拟调制法（相乘器法）键控法乘法器)(2teASK二进制不归零信号tccos)(tstccos)(ts)(2teASK开关电路5第7章数字带通传输系统2ASK信号解调方法非相干解调(包络检波法)相干解调(同步检测法)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带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2teASKtccos6第7章数字带通传输系统非相干解调过程的时间波形1010tt1100abcdtt7第7章数字带通传输系统功率谱密度2ASK信号可以表示成式中s(t)－二进制单极性随机矩形脉冲序列设：Ps(f)－s(t)的功率谱密度P2ASK(f)－2ASK信号的功率谱密度则由上式可得由上式可见，2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱Ps(f)的线性搬移（属线性调制）。知道了Ps(f)即可确定P2ASK(f)。ttsteccos)(2ASK)()(41)(2ASKcscsffPffPfP8第7章数字带通传输系统2ASK信号的功率谱密度示意图2ASKPffcfcfcsffcsff2csff-2csff9第7章数字带通传输系统从以上分析及上图可以看出：2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成；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信号的带宽是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣（第一个谱零点位置），则有式中fs=1/Ts即，2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。sASKfB2210第7章数字带通传输系统7.1.2二进制频移键控（2FSK）基本原理表达式：在2FSK中，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。故其表达式为”时发送“”时发送“0),cos(A1),cos(A)(212FSKnnttte11第7章数字带通传输系统典型波形：由图可见，2FSK信号的波形(a)可以分解为波形(b)和波形（c），也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。10t10tt1()2FSKa信号11)cosbstt（22()coscstt12第7章数字带通传输系统2FSK信号的产生方法采用模拟调频电路来实现：信号在相邻码元之间的相位是连续变化的。采用键控法来实现：相邻码元之间的相位不一定连续。振荡器1f1反相器振荡器2f2选通开关选通开关相加器基带信号)(2teFSK13第7章数字带通传输系统2FSK信号的解调方法非相干解调带通滤波器带通滤波器抽样判决器输出包络检波器包络检波器12)(2teFSK定时脉冲14第7章数字带通传输系统相干解调带通滤波器带通滤波器抽样判决器输出低通滤波器低通滤波器12)(2teFSK定时脉冲相乘器相乘器t1cost2cos15第7章数字带通传输系统其他解调方法：比如鉴频法、差分检测法、过零检测法等。下图给出了过零检测法的原理方框图及各点时间波形。限幅微分整流脉冲展宽输出低通)(2teFSKabcdef16第7章数字带通传输系统功率谱密度对相位不连续的2FSK信号，可以看成由两个不同载频的2ASK信号的叠加，它可以表示为其中，s1(t)和s2(t)为两路二进制基带信号。据2ASK信号功率谱密度的表示式，不难写出这种2FSK信号的功率谱密度的表示式：令概率P=½，只需将2ASK信号频谱中的fc分别替换为f1和f2，然后代入上式，即可得到下式：ttsttsteFSK22112cos)(cos)()()()(41)()(41)(221122211ffPffPffPffPfPssssFSK17第7章数字带通传输系统其曲线如下：2112112FSK)()(sin)()(sin16)(sssssTffTffTffTffTfP222222)()(sin)()(sin16sssssTffTffTffTffT)()()()(1612211ffffffff18第7章数字带通传输系统由上图可以看出：相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频f1和f2处；连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化，若|f1–f2|fs，连续谱在fc处出现单峰；若|f1–f2|fs，则出现双峰；若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算2FSK信号的带宽，则其带宽近似为其中，fs=1/Ts为基带信号的带宽。图中的fc为两个载频的中心频率。sfffB2122FSK19第7章数字带通传输系统7.1.3二进制相移键控（2PSK）2PSK信号的表达式：在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为式中，n表示第n个符号的绝对相位：因此，上式可以改写为)cos(A)(2PSKnctte”时发送“”时发送“，1,00nPtPttecc1,cosA,cosA)(2PSK概率为概率为20第7章数字带通传输系统由于两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘：式中这里，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特性为即发送二进制符号“0”时（an取+1），e2PSK(t)取0相位；发送二进制符号“1”时（an取-1），e2PSK(t)取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。ttsteccos)(2PSKnsnnTtgats)()(PPan1,1,1概率为概率为21第7章数字带通传输系统典型波形1101t0sT22第7章数字带通传输系统2PSK信号的调制器原理方框图模拟调制的方法键控法乘法器)(2tePSK双极性不归零tccos)(ts码型变换tccos)(ts)(2tePSK开关电路移相0180023第7章数字带通传输系统2PSK信号的解调器原理方框图和波形图：带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出)(2tePSKtccosabcde1010sTtabcd1tttte1110024第7章数字带通传输系统波形图中，假设相干载波的基准相位与2PSK信号的调制载波的基准相位一致（通常默认为0相位）。但是，由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着的相位模糊，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相，这种相位关系的不确定性将会造成解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号正好相反，即“1”变为“0”，“0”变为“1”，判决器输出数字信号全部出错。这种现象称为2PSK方式的“倒π”现象或“反相工作”。这也是2PSK方式在实际中很少采用的主要原因。另外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的正弦波形，致使在接收端无法辨认信号码元的起止时刻。为了解决上述问题，可以采用7.1.4节中将要讨论的差分相移键控（DPSK）体制。25第7章数字带通传输系统功率谱密度比较2ASK信号的表达式和2PSK信号的表达式：2ASK：2PSK：可知，两者的表示形式完全一样，区别仅在于基带信号s(t)不同（an不同），前者为单极性，后者为双极性。因此，我们可以直接引用2ASK信号功率谱密度的公式来表述2PSK信号的功率谱，即应当注意，这里的Ps(f)是双极性矩形脉冲序列的功率谱。ttsteccos)(2ASKPtPttecc1,cosA,cosA)(2PSK概率为概率为)()(41)(2cscsPSKffPffPfP26第7章数字带通传输系统功率谱密度曲线从以上分析可见，二进制相移键控信号的频谱特性与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，其谱中无离散谱（即载波分量），此时2PSK信号实际上相当于抑制载波的双边带信号。因此，它可以看作是双极性基带信号作用下的调幅信号。2PSKPffcfcfcsffcsff27第7章数字带通传输系统7.1.4二进制差分相移键控（2DPSK）2DPSK原理2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。假设为当前码元与前一码元的载波相位差，定义数字信息与之间的关系为于是可以将一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系示例如下：”表示数字信息“，”表示数字信息“10,000000000002DPSK011001011或信号相位：二进制数字信息：28第7章数字带通传输系统相应的2DPSK信号的波形如下：由此例可知，对于相同的基带信号，由于初始相位不同，2DPSK信号的相位可以不同。即2DPSK信号的相位并不直接代表基带信号，而前后码元的相对相位才决定信息符号。()a绝对码()b相对码t10101011100()2DPSKc参考00000000002DPSK011001011或信号相位：二进制数字信息：29第7章数字带通传输系统数字信息与之间的关系也可定义为2DPSK信号的矢量图在B方式中，当前码元的相位相对于前一码元的相位改变/2。因此，在相邻码元之间必定有相位突跳。在接收端检测此相位突跳就能确定每个码元的起止时刻。”表示数字信息“，”表示数字信息“01,0参考相位参考相位/2/2(a)A方式参考相位参考相位/2/2(b)B方式30第7章数字带通传输系统2DPSK信号的产生方法由上图可见，先对二进制数字基带信号进行差分编码，即把表示数字信息序列的绝对码变换成相对码（差分码），然后再根据相对码进行绝对调相，从而产生二进制差分相移键控信号。上图中使用的是传号差分码，即载波的相位遇到原数字信息“1”变化，遇到“0”则不变。()a绝对码()b相对码t10101011100()2DPSKc参考31第7章数字带通传输系统2DPSK信号调制器原理方框图差分码可取传号差分码或空号差分码。其中，传号差分码的编码规则为式中，⊕为模2加，bn-1为bn的前一码元，最初的bn-1可任意设定。上式的逆过程称为差分译码（码反变换），即tccos)(ts)(2teDPSK开关电路移相01800码变换1nnnbab1nnnbba32第7章数字带通传输系统2DPSK信号的解调方法之一相干解调(极性比较法)加码反变换法原理：先对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再经码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，由于载波相位模糊性的影响，使得解调出的相对码也可能是“1”和“0”倒置，但经差分译码（码反变换）得到的绝对码不会发生任何倒置的现象，从而解决了载波相位模糊性带来的问题。33第7章数字带通传输系统2DPSK的相干解调器原理图和各点波