[信息与通信]通信原理课件第六章.ppt
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1、1,第6章 基本的数字调制系统,6.1 概述 6.2 二进制振幅键控(2ASK) 6.3 二进制频移键控(2FSK) 6.4 二进制相移键控(2PSK) 6.5 二进制差分相移键控(2DPSK) 6.6 二进制数字键控传输系统性能比较 6.7 多进制数字键控,2,6.1 概述,为什么要研究调制传输问题? 1. 数字基带信号只适合低通信道 数字基带信号的功率集中在中低频段,因此只适合在低通型信道中传输。 适合低通型信号传输的信道很少,如同轴电缆和双绞线等。,3,2. 低通型信道有较大的缺点 1)损耗大,并且频率越高损耗越大。 2)难以实现远距离传输。 3)传输频带窄,不能很好利用频率资源。 4)
2、成本高。,4,3. 常见的实际信道大都是带通型的 例如各个频段的无线信道、限定频率范围的同轴电缆、光纤信道等,都是带通型信道,不能传输数字基带信号。,4. 带通传输的优点 1)充分利用宝贵的频率资源 2)绝对带宽非常宽, 可实现宽带传输。 5. 数字基带信号不能直接进行无线传输 基带信号是低频信号,直接进行无线传输所要求的天线尺寸非常大,难于实现。,5,数字调制就是将数字符号变成适合于信道的波形。 载波一般也是连续的高频正(余)弦波形。 调制信号为数字基带信号。 调制的过程就是利用基带信号控制载波的参数,使载波的参数携带基带信息。 由于数字信息是离散的,因此,调制后的载波参数只有有限个数值。数
3、字调制的过程类似于用数字信息控制开关,从几个具有不同参量的独立震荡源中选择参量,因此,又称键控。,6,信号的频域特性,信道的频域特性,调制的原理,调制的目的,调制的过程,用基带信号控制载波的参量,离散,数字调制和模拟调制的区别,7,数字载波传输系统方框图,抽样判决器,基带脉冲生成器,载波 调制器,信道,载波 解调器,数字基 带信号,数字频 带信号,比特流,已调信号,8,数字调制的基本分类,绝对相移键控(BPSK) 差分相移键控(DPSK),载波信号:,调制的分类: 按照基带信号控制载波信号参数的不同,9,6.2 二进制振幅键控(2ASK),幅度键控ASK (Amplitude Shift Ke
4、ying): 利用数字基带信号控制载波的幅度。 6.2.1 基本原理 已调信号的时域表达式,10,这种二进制振幅键控的输出波形是断续的正弦波,所以也可称为通-断键控OOK (On-Off Keying)。,2ASK信号的波形,11,在一般情况下,调制信号是具有一定波形形状的二进制脉冲序列,其中,T为调制信号间隔,g(t)为单极性脉冲信号的时间波形,an为二进制数字信息。二进制幅度键控信号的一般时域表达式为,12,调制器,相乘法:A(t)可以是非矩形脉冲 开关法: A(t)必须是矩形脉冲,13,解调器,ASK信号的解调:非相干解调和相干解调 1、非相干解调(包络检波法) 包络检波器往往是半波或全
5、波整流器,整流后通过低通滤波器滤波(平滑)即可获得原基带信号A(t).,包络检波,14,2、相干解调 要实现相干解调,在收端要有一个与发端相同的载频信号,叫相干载波。通过相乘器(即解调器)解调出原基带信号,然后通过低通滤波器即可滤出基带信号。,15,经低通滤波器滤波后,滤出1/2A(t)信号,就是原发端的基带信号。 两种解调方法中,包络检波的输出噪声干扰稍大一些,换句话说这种方式的信噪比稍低一些,但包络检波设备比较简单,不象相干解调那样,需要有稳定的本地相干载波。,设接收的已调波为,通过收端相乘器后,有,16,6.2.2 功率谱密度,一个信号可在时域内表示,它可以表示信号电压、电流、功率等参量
6、随时间变化的情况。 但仅仅分析信号的时域特性是不够的,为了分析一个复杂的信号,还要将信号在频域内表示,也就是频谱分析。从频谱图上可方便又清楚地表示出该信号所包含的各频率分量和各分量幅值的大小。由频谱图可看出信号能量在频率轴上的分布,确定信号所占的频带,估计对邻近波道的干扰等等,这些在电路设计时是十分有用的。,17,若A(t)的功率谱密度为PA(f),2ASK信号的功率谱密度为PASK(f),则,PA(f)可由上章内容推出,例如单极性NRZ的功率谱,2ASK信号,18,2ASK信号的功率谱,B=2fc=2/T,谱零点带宽:第一对过零点的带宽,19,升余弦滚降基带信号的2ASK信号功率谱,为了限制
7、频带可以采用限带信号(例如升余弦滚降)作为基带信号。,20,“0”、“1”等概率时,由上一章5.5节二进制单极性不归零基带信号的功率谱密度PA(f),得出2ASK信号功率谱,(6.2-8),21,频谱特性 2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成,其中连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱G(f),离散谱则取决于载频f0。 2ASK信号的频谱只是将基带信号的频谱沿频率轴平移了f0,而基带信号的频谱结构并不改变,因此ASK是线性调制。 2ASK信号的带宽等于基带信号带宽的2倍。频带利用率仅为直接传输基带信号的1/2。,22,直流分量,当基带信号中有直流分量时,经ASK调制后变成了载波成
8、分(频率为f0),功率谱中含有载频成分,可见ASK方式能比较容易地传输基带信号的直流分量。,23,ASK信号具有两个边带,都含有相同的信息,频带利用率较低。为了提高信道频带利用率,经常要进行一些处理。 一种采用单边带传输,即只传送一个边带。通常对基带信号进行某种处理,使其低频分量尽可能小,从而使已调ASK信号的上下边带之间有一个明显的分界。这样就能用普通滤波器切除一个边带分量,从而实现单边带传输,其频谱利用率是双边带传输的两倍。,频带利用率和边带,24,还有一种就是采用残余边带调制,它是介于双边带和单边带之间的一种调制方法,它让已调双边带信号通过一只残余边带滤波器,只使它的一个边带的绝大部分和
9、另一边带的小部分通过,形成所谓的残余边带调制信号。其频带利用率略小于单边带调制的。,25,6.2.3 误码率,我们讨论在加性高斯白噪声信道中2ASK信号的误码率。 2ASK信号的解调方法有两种,包络检波法和相干解调法。这两种方法中接收信号都要先通过一个带通滤波器,此滤波器的带宽刚好使信号的有用频谱通过并阻止带外噪声通过。下面分别讨论上述两种解调方法的误码率。,26,2ASK信号的相干解调,窄带高斯噪声,Bs:基带信号带宽,27,p0(x):发送“0”,解调器输出信号x(t)的概率密度函数。,p1(x):发送“1”,解调器输出信号x(t)的概率密度函数。,28,相干接收时ASK系统的误比特率,载
10、波不为0时的ASK信号称为峰值信号,解调器输入的峰值信噪比,简称接收信噪比,r1时,近似为,(6.2-26),29,2ASK信号的非相干解调,窄带高斯噪声,Bs:基带信号带宽,30,p0(V):发送“0”,包络V的概率密度函数。,p1(V):发送“1”,包络V的概率密度函数。,窄带高斯噪声经过包络检波的非线性处理后,抽样值不再是高斯分布了。,31,非相干ASK的误比特率,信噪比很高的条件下(r1),误码率为,(6.2-46),(6.2-45),32,两种解调方法,包络检波的输出噪声干扰稍大一些,抗噪声性能要稍差一些。但包络检波设备比较简单,不象相干解调那样,需要有稳定的本地相干载波。所以在实际
11、的ASK系统中,很少使用相干解调。,33,34,【例6.1】设有一个2ASK信号传输系统,发送的二进制信息是010110,其中码元速率RB = 4.8 106 Baud,载波频率为f0 = 1.44 107 Baud,接收信号的振幅A = 1 mV,高斯噪声的单边功率谱密度n0 =2 10-15 W / Hz。试求: 1)画出该2ASK信号调制器原理方框图,并画出已调信号的时间波形; 2)试画出2ASK信号频谱结构示意图,并计算带宽; 3)用包络检波法时的最佳误码率; 4)用相干解调法时的最佳误码率。,35,2ASK信号调制器,A(t)为单极性不归零波形,解: 1),36,0 1 0 1 1
12、0,A(t),s(t),载波 信号,码元传输速率RB = 4.8 106 Baud,载波频率为f0 = 1.44 107 Baud ,因此在2ASK信号的时间波形中,每个码元时间共有3个周期的载波。根据数字序列和载波得到的已调信号波形如图示。,37,2)由 得到2ASK信号频谱结构示意图为,功率谱密度Ps(f)的曲线,所以:2ASK信号的带宽应该是2fc 2/T = 2RB =9.6 106 Hz,38,2ASK信号的带宽是2fc = 9.6 106 Hz,故接收端带通滤波器的最佳带宽应为: B 9.6 106 Hz 带通滤波器输出噪声平均功率等于: 因此其输出信噪比等于: 3) 包络检波法时
13、的误码率为: 4) 相干解调法时的误码率为:,39,频移键控FSK (Frequency Shift Keying) 利用数字基带信号控制载波的频率。 6.3.1基本原理,6.3 二进制频移键控(2FSK),40,频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。二进制频移键控信号,码元的“1”和“0”分别用不同频率的正弦波来传送。若1对应于载波频率f1, 0对应于载波频率f0。2FSK信号的时域表达式如下,41,二进制移频键控信号也可以看成两个不同载频的ASK信号之和,42,43,2FSK信号的产生主要有两种方法 直接调频法 就是用二进制基带脉冲信号去调制一个调频器,使其能够输出两个不同频率的码元
14、。这种方法实现简单,但频率稳定度和准确度较差。,调频法,开关法,调制器,44,开关法(数字键控法、频率选择法) 用基带信号控制开关电路,去选择两个独立频率源的振荡作为输出。该方法转换速度快,波形好,频率稳定度较高。,45,两种调制方法的区别,调频法:相邻码元之间相位连续。 开关法:载波频率发生变化时,载波的相位一般不连续。,这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同,只有一点差异。,46,2FSK信号的解调方法很多,非相干解调法,相干解调法,过零检测法,差分检波法等,包络检波法,解调器,47,相干解调法,相干载波(cos1t和cos0t)必须从接收信号中提取,并且和信号码元同频同相。这就增加了
15、接收设备的复杂程度。 这里的抽样判决器是比较哪一个输入样值大,此时可不专门设置门限电平。,48,非相干解调法 在初始相位无法预知时,无法得到相干载波,只能采用非相干解调。 包络检波法,这里的抽样判决器也是比较哪一个输入样值大,此时可不专门设置门限电平。,49,2FSK信号,f0带通滤波,f1带通滤波,50,0支路包络检波,1支路包络检波,两支路比较判决,51,b. 过零点检测法,52,2FSK信号在数字通信中应用较为广泛。 ITU推荐在话音频带内传输速率低于1200bit/s时采用2FSK体制。 此外,2FSK可以用非相干方式接收,接收时不必利用信号的相位信息。故在条件恶劣的衰落信道中,如短波
16、无线信道中,接收信号的相位有随机抖动,振幅也有随机起伏,这种信号就特别适用。,53,6.3.2 功率谱密度,二进制移频键控信号可以看成两个不同载频的ASK信号之和,前面已经知道,一个2ASK信号的功率谱密度可以表示为,54,因此2FSK信号的功率谱密度应该是两个不同频率的2ASK信号的功率谱密度之和,(6.3-3),55,2FSK信号的功率谱,Bs2fc+|f1-f0|,56,57,频谱特性 2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中,连续谱由两个双边谱叠加而成,而离散谱则出现在载频上。 与基带信号相比,频谱结构发生了变化,是非线性调制。 若两个载频之差较小时,连续谱出现单峰;若载频
17、之差逐步增大,即f1与f2的距离增加,则连续谱将出现双峰。,58,2FSK信号的中心频率fs称为视在载频,为,设f1f0,定义调制指数(或频移指数)h为,基带信号带宽BA=fc,2FSK信号带宽为,59,为了便于接收端解调,常要求f0、f1之间要有足够的间隔,一般,频移指数h取35,2FSK调制信号带宽约为基带信号带宽的57倍,频带利用率约为基带信号频带利用率的1/71/5,效率比较低。,60,61,例 设有一2FSK传输系统,其信号的频率分别等于f0 = 980 Hz,f1 = 1580 Hz。码元速率RB = 300 Baud。试求此2FSK信号的带宽。 解,62,6.3.3 最小频率间隔
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- 信息与通信 信息 通信 原理 课件 第六
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