07-1 第七章 正弦载波数字调制系统.pptx

第1页：第7章正弦载波数字调制系统

第7章正弦载波数字调制系统

第2页：引言二进制数字调制原理二进制数字调

引言二进制数字调制原理二进制数字调

制系统的抗噪声性能二进制数字调制系统的性能比较多进制数字调制系统内容

第3页：引言调制概念数字调制概念键控信号

引言调制概念数字调制概念键控信号

第4页：数字信号调制方法

数字信号调制方法

ASK~振幅键控FSK~移频键控PSK~移相键控二进制数字调制概念多进制数字调制概念

第5页：7.1二进制数字调制

7.1二进制数字调制

7.1.1二进制幅度键控(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

第6页：7.1.1二进制幅度键控（2ASK）1)定义

7.1.1二进制幅度键控（2ASK）1)定义

• 7.1.1二进制幅度键控（2ASK）1)定义及时域表达式载波幅度随着调制信号变化而变化。最简单的形式是通断键控（OOK）。二进制符号序列为：其中：
• Ts——信号间隔
• g(t)——调制信号的时间波形

第7页：二进制幅度键控信号的时域表达式

二进制幅度键控信号的时域表达式

第8页：2ASK典型波形如

2ASK典型波形如

2ASK典型波形如下

第9页：2ASK信号的功率谱密度及带宽二进制基

2ASK信号的功率谱密度及带宽二进制基

进制基带信号的功率谱为：2ASK信号的功率谱密度

第10页：2ASK信号的功率谱密度示意

2ASK信号的功率谱密度示意

第11页：由图可见

由图可见

2ASK信号的功率谱是基带信号频谱向fc和-fc两边平移，由连续谱和离散谱两部分组成。连续谱取决于经线性调制后的双边带谱。离散谱由载波分量决定。2ASK信号的频带宽度是基带脉冲带宽的两倍这与模拟AM、DSB一样

第12页：调制与解调调制

调制与解调调制

调制：可用模拟法和键控法实现

第13页：解调：可以用包络检波和相干解调

解调：可以用包络检波和相干解调

对于数字信号解调来说，必须采用抽样判决，这一部分也称为再生，这是数字通信必不可少的。它能消除噪声积累

第14页：14–非相干解调过程的时间波形

14–非相干解调过程的时间波形

第15页：7.1.2二进制频移键控（2FSK）1)定义

7.1.2二进制频移键控（2FSK）1)定义

• 7.1.2二进制频移键控（2FSK）1)定义及时域表达式载波频率随着调制信号1或0而变。
• 例：1—f1, 0—f2–典型波形：

第16页：时域表达式其

时域表达式其

时域表达式其中：

第17页：由上式可以看出

由上式可以看出

2FSK信号可以看成两个不同载频的ASK信号之和，即

第18页：2FSK信号的功率谱密度及带宽

2FSK信号的功率谱密度及带宽

及带宽2FSK信号的功率谱密度

第19页：

第20页：分析讨论

分析讨论

FSK谱由连续谱和离散谱组成，连续谱是的ASK功率谱和的ASK功率谱两者之和：。离散谱出现在两个载频位置上。2FSK带宽（相位不连续2FSK

第21页：调制与解调调制：调制：模拟调频

调制与解调调制：调制：模拟调频

3）调制与解调调制：模拟调频和数字键控法

第22页：解调方式1

解调方式1

包络检波。对上下两路抽样值的比较，最终判决出输出信号

第23页：解调方式2：相干解调

解调方式2：相干解调

第24页：24–其他解调方法

24–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

第25页：7.1.3二进制相移键控（2PSK）1)定义

7.1.3二进制相移键控（2PSK）1)定义

• 7.1.3二进制相移键控（2PSK）1)定义及时域表达式载波的相位随调制信号1或0而变
• 一般用来表示1或0表达式其中：，g(t)为矩形脉冲在一个码元间隔内：

第26页：波形

波形

波形(绝对调相)

第27页：2PSK信号的功率谱密度及带宽由上式可

2PSK信号的功率谱密度及带宽由上式可

上式可以看出，2PSK实际上等同于一个抑制载波的双边带调幅信号，因此不存在直流分量

第28页：由连续谱和离散谱两部分组成

由连续谱和离散谱两部分组成

谱结构与2ASK信号的类似当1和0等概出现时，不存在离散谱。2PSK信号的频带宽度是基带脉冲带宽的两倍

第29页：293) 2PSK调制与解调–2PSK信号

293) 2PSK调制与解调–2PSK信号

• 293) 2PSK调制与解调–2PSK信号的调制器原理
• 模拟调制的方法
• 键控法

第30页：2PSK解调2PSK信号解调必须采用相干解

2PSK解调2PSK信号解调必须采用相干解

调。相干解调需要考虑载波，要求同频同相。载波必须从信号中提取，需要采用非线性变换

第31页：

第32页：平方环和

平方环和

Costas环的鉴相特性这就表明恢复载波可能存在二种相位。这种相位不确定性称为相位含糊（模糊度）。由于存在载波相位含糊，可能会引起解码错误，这就需要采用差分编译码

第33页：337.1.4二进制差分相移键控

337.1.4二进制差分相移键控

• 337.1.4二进制差分相移键控（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：

第34页：34相应的2DPSK信号的波形如

34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

第35页：35–2DPSK信号的矢量图在B方式

35–2DPSK信号的矢量图在B方式

• 35–2DPSK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。(a) A方式(b) B方式

第36页：362DPSK信号的产生方法上图中使用

362DPSK信号的产生方法上图中使用

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

第37页：372DPSK信号调制器原理

372DPSK信号调制器原理

第38页：二相传号差分编码编码

二相传号差分编码编码

绝对码变为相对码)译码（相对码变为绝对码

第39页：392DPSK信号的解调方法之一

392DPSK信号的解调方法之一

第40页：402DPSK信号的解调方法之二

402DPSK信号的解调方法之二

402DPSK信号的解调方法之二：差分相干解调法

第41页：7.2二进制数字调制系统的抗噪性能

7.2二进制数字调制系统的抗噪性能

在数字通信中，信道的加性噪声可能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量。与数字基带系统一样，分析数字调制系统的抗噪性能，也就是要找出系统由于加性噪声产生的总误码率

第42页：7.2.1 2ASK系统的抗噪声性能二进制数

7.2.1 2ASK系统的抗噪声性能二进制数

字调制时，接收端解调可以采用相干解调，也可以采用非相干解调，它们的抗噪声能力不同，误码性能也不同。下面讨论这两种不同的解调方法的性能

第43页：一、包络检波法的系统性能

一、包络检波法的系统性能

第44页：带通滤波器输出信号可表示

带通滤波器输出信号可表示

带通滤波器输出信号可表示为：其中：

第45页：⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函

⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函

数的包络：带通滤波器的输出可化为

第46页：包络的概率密度分别表示

包络的概率密度分别表示

第47页：⑵误码率的推导门限

⑵误码率的推导门限

b的选取与判决的正确程度密切相关，选什么样的b值，会有不同的误码率。我们规定判决准则如下

第48页：发“1”码时的错误接收概率

发“1”码时的错误接收概率

即是包络值V≤b的概率

第49页：发“0”码时

发“0”码时

错判“1”：③发“1”码概率发“0”码概率

第50页：两条概率密度曲线总误码率

两条概率密度曲线总误码率

率是与两个阴影面积之和有关，当b=b*时，两个阴影面积之和最小，总误码率最小，b*称最佳门限

第51页：一、同步解调法的系统性能（b）相干

一、同步解调法的系统性能（b）相干

一、同步解调法的系统性能（b）相干解调（同步解调）

第52页：⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函

⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函

数–低通滤波器输入信号可表示为：–抽样判决器的输入信号可表示为

第53页：抽样判决器输入信号的概率密度函数

抽样判决器输入信号的概率密度函数

第54页：⑵误码率的推导门限：b的选取与判决

⑵误码率的推导门限：b的选取与判决

正确程度密切相关，选什么样的b值，会有不同的误码率。我们规定判决准则如下

第55页：

第56页：相干检测法的总误码率

相干检测法的总误码率

最佳门限对应的最小误码率：其中，当

第57页：一般来讲

一般来讲

在相同的大信噪比下，2ASK相干检测的误码率优于（低于）包络法（但在也同一数量级上），原因是相乘后，抵消了噪声的项。但相干检测需要插入相干载波，且要稳定，设备要复杂一些，而包络法不要

第58页：58[例7.2.1]设有一2ASK信号传输系统

58[例7.2.1]设有一2ASK信号传输系统

• 58[例7.2.1]设有一2ASK信号传输系统，其码元速率为RB= 4.8
• 106波特，发“1”和发“0”的概率相等，接收端分别采用同步检测法和包络检波法解调。已知接收端输入信号的幅度a= 1 mV，信道中加性高斯白噪声的单边功率谱密度n0= 2
• 10-15W/Hz。试求(1)同步检测法解调时系统的误码率；(2)包络检波法解调时系统的误码率。【解】(1)根据2ASK信号的频谱分析可知，2ASK信号所需的传输带宽近似为码元速率的两倍，所以接收端带通滤波器带宽为带通滤波器输出噪声平均功率为信噪比为

第59页：59第7章数字带通传输系统

59第7章数字带通传输系统

于是，同步检测法解调时系统的误码率为包络检波法解调时系统的误码率为可见，在大信噪比的情况下，包络检波法解调性能接近同步检测法解调性能

第60页：7.2.2 2FSK系统的抗噪声性能讨论两种

7.2.2 2FSK系统的抗噪声性能讨论两种

不同的解调方法的性能一、非相干解调的系统性能

第61页：⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函

⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函

数抽样判决器的输入信号可表示为：发“1”码时:概率密度函数分别为

第62页：⑵误码率的推导我们规定判决准则如

⑵误码率的推导我们规定判决准则如

下：发“1”错判为“0”的概率

第63页：上式可化简为

上式可化简为

同理可得，发“0”错判为“1”的概率也为：于是，2FSK非相干解调的总误码率为：（“1”、“0”等概

第64页：二、相干解调的2FSK系统性能

二、相干解调的2FSK系统性能

第65页：⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函

⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函

数抽样判决器的输入信号可表示为：发“1”码时:概率密度函数分别为

第66页：⑵误码率的推导我们规定判决准则如

⑵误码率的推导我们规定判决准则如

下：发“1”错判为“0”的概率：令：且：其中

第67页：同理可得

同理可得

发“0”错判为“1”的概率也为：于是，2FSK非相干解调的总误码率为：（“1”、“0”等概

第68页：一般来讲：在相同的大信噪比下

一般来讲：在相同的大信噪比下

2FSK相干检测的误码率优于（低于）包络法（但在也同一数量级上），但相干检测需要插入相干载波，且要稳定，设备要复杂一些，而包络法不要

第69页：[例7.2.2]采用2FSK方式在等效带宽

[例7.2.2]采用2FSK方式在等效带宽

• 69
• [例7.2.2]采用2FSK方式在等效带宽为2400Hz的传输信道上传输二进制数字。2FSK信号的频率分别为f1= 980 Hz，f2= 1580Hz，码元速率RB= 300 B。接收端输入（即信道输出端）的信噪比为6dB。试求：（1）2FSK信号的带宽；（2）包络检波法解调时系统的误码率；（3）同步检测法解调时系统的误码率。【解】（1）根据式(7.1-22)，该2FSK信号的带宽为（2）由于误码率取决于带通滤波器输出端的信噪比。由于FSK接收系统中上、下支路带通滤波器的带宽近似为

第70页：70第7章数字带通传输系统它仅

70第7章数字带通传输系统它仅

是信道等效带宽（2400Hz）的1/4，故噪声功率也减小了1/4，因而带通滤波器输出端的信噪比比输入信噪比提高了4倍。又由于接收端输入信噪比为6dB，即4倍，故带通滤波器输出端的信噪比应为将此信噪比值代入误码率公式，可得包络检波法解调时系统的误码率（3）同理可得同步检测法解调时系统的误码率

第71页：7.2.3 2PSK系统的抗噪声性能一

7.2.3 2PSK系统的抗噪声性能一

相干解调的系统性能

第72页：⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函

⑴抽样判决器的输入信号及概率密度函

数抽样判决器的输入信号可表示为：概率密度函数分别为

第73页：⑵误码率的推导我们规定判决准则如

⑵误码率的推导我们规定判决准则如

下：发“1”错判为“0”的概率：同理，发“0”错判为“1”的概率也为

第74页：于是，2PSK相干解调的总误码率

于是，2PSK相干解调的总误码率

为：（“1”、“0”等概

第75页：7.2.4 2DPSK系统的抗噪声性能一

7.2.4 2DPSK系统的抗噪声性能一

相干解调的系统性能

第76页：2DPSK相干解调的总误码率

2DPSK相干解调的总误码率

为：（“1”、“0”等概）当

第77页：二、差分相干解调的系统性能

二、差分相干解调的系统性能

2DPSK差分相干解调的总误码率为

第78页：[例7.2.3]假设采用

[例7.2.3]假设采用

• 78
• [例7.2.3]假设采用2DPSK方式在微波线路上传送二进制数字信息。已知码元速率RB= 106B，信道中加性高斯白噪声的单边功率谱密度n0= 2
• 10-10W/Hz。今要求误码率不大于10-4。试求(1)采用差分相干解调时，接收机输入端所需的信号功率；(2)采用相干解调-码反变换时，接收机输入端所需的信号功率。【解】(1)接收端带通滤波器的带宽为其输出的噪声功率为所以，2DPSK采用差分相干接收的误码率为

第79页：79求解可得又因为所以

79求解可得又因为所以

• 79求解可得又因为所以，接收机输入端所需的信号功率为（2）对于相干解调-码反变换的2DPSK系统，根据题意有因而即查误差函数表，可得由r=a2/ 2
• n2，可得接收机输入端所需的信号功率为

第80页：80误码率2D

80误码率2D

PSK2PSK2FSK2ASK非相干解调相干解调7.4二进制数字调制系统的性能比较

第81页：81–误码率曲线

81–误码率曲线

第82页：82频带宽度–2ASK系统

82频带宽度–2ASK系统

和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度–2FSK系统的频带宽度

第83页：⑴在每一对相干和非相干的键控系统

⑴在每一对相干和非相干的键控系统

中，误码性能（抗噪性能）相干方式优于非相干方式（如ASK的相干检测法优于ASK的包络法）–抗噪性能的优劣排序（同一条件下）：PSK、FSK、ASK⑵一般来讲，相干法的设备复杂于非相干法。

⑶2ASK要严格工作在最佳门限电平上困难，抗信道振幅衰落的性能差，2FSK、2PSK的最佳电平为零，易设置，均有较强的抗振幅衰落性能

第84页：⑷另外，当信道存在严重衰落

⑷另外，当信道存在严重衰落

时，通常选择非相干接收方式。⑸码元宽度为时，2ASK、2PSK系统的频谱带宽近似为，而2FSK系统的频谱宽近似为：因此，2FSK系统的频带宽，频带利用率最差