第六章數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)-海南大學(xué)hainanuniversitywww

1、1,第六章 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),6.1 引言6.2 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理6.3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能6.4 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),2,6.1 引言,數(shù)字調(diào)制也稱(chēng)鍵控信號(hào),有三種基本的調(diào)制方式：ASK，F(xiàn)SK，PSK可看成是模擬線性調(diào)制和角調(diào)制的特殊情況 載波 —— 正弦波 調(diào)制信號(hào) —— 數(shù)字信號(hào),3,6.2 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理,6.2.1 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK） Amplitude Sh

2、ift Keying 2ASK信號(hào)的產(chǎn)生,,乘法器,,,～,,,,,,,,,,,,模擬幅度調(diào)制方法,鍵控方法OOK On-Off Keying,4,= OOK信號(hào)有兩種基本的解調(diào)方法：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）、相干解調(diào)（同步檢測(cè)法）、,,,,5,2ASK的功率譜密度,S(t)是單極性的隨機(jī)矩形脈沖序列根據(jù)矩形波形g（t）的頻譜特點(diǎn)，對(duì)于所有m≠0的整數(shù)有,6,當(dāng)P=1/

3、2時(shí),,,,7,2ASK信號(hào)的功率譜由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成,2ASK信號(hào)帶寬是基帶脈沖波形帶寬的兩倍,8,6.2.2 二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK） Frequency Shift Keying,～,,,,,,,,,,～,,,,,,,9,已調(diào)信號(hào),式中，g（t）為單個(gè)矩形脈沖，脈寬為,分別是第n個(gè)信號(hào)碼元的初相位與序列n無(wú)關(guān)，反映在 上，表現(xiàn)為 與 改變

4、時(shí)，其相位是不連續(xù)的。,10,FSK信號(hào)常用解調(diào)方法有非相干檢測(cè)法，相干檢測(cè)法，鑒頻法，過(guò)零檢測(cè)法，差分檢波法等,為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，沒(méi)有考慮相位的影響,11,FSK功率譜密度同樣由連續(xù)譜和離散譜組成。離散譜出現(xiàn)在兩個(gè)載頻位置,,,,,,,,,,,,,12,若兩載頻之差較小，如 則連續(xù)譜出現(xiàn)單峰。,若兩載頻之差逐步增大，連續(xù)譜將出現(xiàn)雙峰。頻帶,,13,6.2.3 2PSK，2DPSKPhase Shift Keying

5、， Differential PSK,g(t)是脈寬為T(mén)s的單個(gè)矩形脈沖 在某一碼元持續(xù)時(shí)間Ts 內(nèi)觀察,14,0相位發(fā)送0, π相位發(fā)送1.發(fā)送端與接收端必須要有相同的相位參考.,若參考基準(zhǔn)相位隨機(jī)跳變,就會(huì)在接收端發(fā)生錯(cuò)誤的恢復(fù),“倒π”現(xiàn)象。 2DPSK是利用前后相鄰碼元的相對(duì)載波相位值去表示數(shù)字信息的一種方式。 相位偏移 ΔΦ ΔΦ=π

6、 數(shù)字信息“1” ΔΦ=0 數(shù)字信息“0”,15,數(shù)字信息絕對(duì)碼 0 0 1 1 1 0 0 1,PSKDPSK,,,,相對(duì)碼 0 0 0 1 0 1 1 1 0,16,相對(duì)移相：絕對(duì)碼→相對(duì)碼→絕對(duì)移相,～,,,,,,,,,,φ,,,,,,,載波,移相,,2PSK調(diào)制方框圖,0,π,17,～,,,,,,,,,,φ,,

7、,,,,,載波,移相,,2DPSK調(diào)制方框圖,,碼變換,,0,π,18,2PSK信號(hào)的功率譜密度,由于 為雙極性矩形基帶 信號(hào)，故：,19,當(dāng)雙極性基帶信號(hào)“1” , “0”出現(xiàn)概率相等則：,連續(xù)譜部分與2ASK信號(hào)的連續(xù)譜基本相同(僅相差一個(gè)常數(shù)因子) 因此 2PSK信號(hào)的帶寬與2ASK相同,20,6.3 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能,6.3.1 2ASK抗

8、噪聲性能 在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi),發(fā)送端:,21,接收端,BPF,半波或全波整流器,LPF,抽樣判決器,,,,,,,定時(shí)脈沖,輸入,輸出,非相干方式,加性高斯白噪聲,22,接收端帶通濾波器后,23,1. 包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能,包絡(luò),發(fā)“1” 時(shí), 廣義瑞利分布,發(fā)“0” 時(shí), 瑞利分布 V > b 判為“1” 門(mén)限電壓b

9、 V ≤ b 判為“0”,,24,發(fā)“1”,信噪比 歸一化門(mén)限值發(fā)“0”總誤碼率 Pe=P(1)Pe1 + P(0)Pe2若P(1)=P(0),,25,在大信噪比（r>>

10、1）條件下,最佳門(mén)限 下界,26,2. 同步檢測(cè)法的系統(tǒng)性能,高斯過(guò)程,0均值,27,總誤碼率 Pe=P(1)Pe1 + P(0)Pe2,,,,,28,總誤碼率 Pe=P(1)Pe1 + P(0)Pe2,,,,,29,當(dāng) P(1) = P(0) =1/2 時(shí),當(dāng) r>>1 時(shí),30,例 設(shè)某2ASK信號(hào)的碼元速率 波特,接收端輸入信號(hào)的幅度a=1mV,,信道中加性噪聲的單邊

11、功率譜密度求 1.包絡(luò)檢波器解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率 2.同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率解,,31,包絡(luò)檢波,同步檢測(cè),32,6.3.2 2FSK抗噪聲性能,BPF,包絡(luò)檢波器,抽樣判決器,,,,抽樣脈沖,輸入,輸出,,,BPF,包絡(luò)檢波器,,,,,,,,非相干解調(diào),33,發(fā)送碼元信號(hào),帶通濾波器的輸出,34,兩路輸入包絡(luò)（發(fā)送碼元“1”）,廣義瑞利分布,瑞利分布,35,同理,總誤碼率,36,同步檢測(cè)法

12、 （0，Ts）發(fā)送“1”，送入抽樣判決器比較的兩路波形,BPF,相乘器,LPF,抽樣判決器,,,,,抽樣脈沖,輸出,,,,BPF,相乘器,LPF,,,,,,,,,,輸入,比較大小,,37,同理,總誤碼率,當(dāng)r>>1,當(dāng)r>>1時(shí),包絡(luò)檢波與同步檢測(cè)性能相差很小,38,6.3.3 2PSK和2DPSK系統(tǒng)的 抗噪聲性能,2PSK采用同步檢測(cè)法（極性比較法）系統(tǒng)誤碼率,（1）,,當(dāng)r&

13、gt;>1時(shí)，,（2）,39,2DPSK差分相干檢測(cè),BPF,相乘器,LPF,抽樣判決器,,,,,,,定時(shí)脈沖,DPSK,輸出,,,延遲Ts,,,參考信號(hào)受到加性噪聲干擾,（3）,40,2DPSK極性比較 — 碼變換解調(diào)極性比較法即同步檢測(cè)法，碼變換器輸入端的誤碼率可用（1）（2）表示，碼變換器使誤碼率增加 總誤碼率,BPF,相乘器,LPF,抽樣判決器,,,,,輸入,輸出,,,碼(反)變換,,a,b,c,d,e

14、,f,41,,,,,,,,,,,,,,,,1 1 1 0 0 1 0 0,,,,,,,,0 0 1 0 1 1 0,a,b,c,d,e,f,42,同步檢測(cè)輸出有一個(gè)碼元錯(cuò)誤，碼變換輸出引起

15、兩個(gè)相鄰碼元錯(cuò)誤,例 0 0 1 0× 0 0 1 1× 0 ×,同步檢測(cè)輸出有兩個(gè)相繼錯(cuò)碼，碼變換輸出引起兩個(gè)相鄰碼元錯(cuò)誤,0 0 1 0× 1 × 1

16、,0 1 1 × 1 0 ×,43,若輸出中出現(xiàn)一長(zhǎng)串連續(xù)錯(cuò)碼，則在碼變換輸出中仍引起兩個(gè)碼元錯(cuò)誤,0 0 1 0× 1× 0× 0× 1 0 1 1× 1 1 0

17、 1×令Pn表示一串n個(gè)碼元連續(xù)錯(cuò)誤這一事件出現(xiàn)的概率則 碼變換器輸出的誤碼率為：出現(xiàn)一串n個(gè)碼元連續(xù)錯(cuò)誤是“n個(gè)碼元同時(shí)出錯(cuò)與在該一串錯(cuò)碼兩端都有一碼元不錯(cuò)”,（4）,（5）,44,（5）代入（4）,又 ∵,,很小,很大（ ）,,碼變換總是使誤碼率增加,（6）,45,（6）代入（1）得,例 設(shè)某2FSK調(diào)制系統(tǒng)的碼元傳輸速率為1000Baud，已調(diào)信號(hào)的載頻為1000Hz、2

18、000Hz；1）試討論應(yīng)選擇怎樣的解調(diào)器解調(diào)？2）若發(fā)送數(shù)字信息是等可能的，試畫(huà)出它的功率譜密度草圖。,,46,在通信系統(tǒng)測(cè)試中，通常不直接計(jì)算或測(cè)量某測(cè)試點(diǎn)的電壓或負(fù)載吸收的功率，而是計(jì)算它們與某一電壓或功率基準(zhǔn)量之比的對(duì)數(shù),功率電平dBm P0=1mW （零功率電平） P155 例電壓電平dbv V0=0.775V （零電壓電平）,47,在600Ω電阻上測(cè)量,功率電平等于電壓電平,48,6.4 多

19、進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),特點(diǎn)在相同的碼元傳輸速率下，信息傳輸速率比二進(jìn)制系統(tǒng)高。 Rb=RBN㏒2N b/s在相同的信息傳輸速率下，多進(jìn)制碼元傳輸速率比二進(jìn)制低。增大碼元寬度，會(huì)增加碼元的能量，并能減少由于信道特性引起的碼間干擾的影響。在相同的噪聲下，多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能低于二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。,49,6.4.1 MASK,L電平的調(diào)制信號(hào) 可看成由時(shí)間上不重疊的L

20、個(gè)不同振幅值的OOK信號(hào)的疊加,因而,其功率譜密度便是這L個(gè)信號(hào)的功率譜密度之和,盡管疊加后的譜結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,但就帶寬而言,L電平調(diào)制信號(hào)的帶寬與二電平的相同.,50,,×,,,BPF,,×,,,LPF,抽樣判決,A(t),A(t),x(t),,,,,,,,,…,…,,,為第K個(gè)電平對(duì)應(yīng)的信號(hào)K=1，2， …L當(dāng) 時(shí)，第K個(gè)電平的碼元將會(huì)錯(cuò)判。,門(mén)限電平,51,當(dāng)發(fā)送L個(gè)電平的可

21、能性相同時(shí)，每一電平的概率為1/L）,52,信號(hào)功率,53,6.4.2 MFSK i=1，2，…L,要求MFSK信號(hào)L個(gè)狀態(tài)之間具有正交關(guān)系，則： n，m為正整數(shù)，且 m>n非相干接收是2FSK誤碼率的 L-1 倍.,54,6.4.3 MPSK,受調(diào)相位,有M種不同取值多相調(diào)制的波形可以看作是對(duì)兩個(gè)正交載波進(jìn)行多電平雙邊帶調(diào)制所得信號(hào)之和,多相調(diào)制信號(hào)的帶寬與多電平雙邊帶調(diào)制時(shí)的相同.

22、 多相制中使用最廣泛的是四相制和八相制,四相制記為4PSK或QPSK.,55,QPSK利用載波的四種不同相位來(lái)表征數(shù)字信息,每一載波相位代表2比特信息,每個(gè)四進(jìn)制碼元又被稱(chēng)為雙比特碼元 a b (A方式) (B方式) 0 0 0° 225° 1 0

23、 90° 315° 1 1 180° 45° 0 1 270° 135°,,,,,56,,,,參考相位,00,10,11,01,,,,參考相位,00,10,11,01,QPSK信號(hào)的矢量圖,57,,

24、串/并變換,-π/2,×,×,+,,,,,,,,,,,,,a,b,輸入,輸出,調(diào)制,,,,×,,LPF,,抽樣判決,,,×,,LPF,,抽樣判決,,并/串,,,,a,b,-π/2,,,,QPSK相干接收,58,6.4.4 幅相鍵控方式(APK),APK信號(hào)的可能狀態(tài)數(shù)為M×N, 如M=N=4, 則可合成16APK信號(hào).,59,令,在一個(gè)碼元內(nèi)其中此信號(hào)可用二維空間內(nèi)的點(diǎn)(A

25、n, Bn) 表示,n=1,2, …L這種信號(hào)點(diǎn)的集合稱(chēng)為信號(hào)星座圖,60,兩種幅度和4種相位的狀態(tài)數(shù)L=8的信號(hào)點(diǎn)的集合,若各信號(hào)狀態(tài)出現(xiàn)的概率相等,則調(diào)制信號(hào)的平均發(fā)送功率,61,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,8PSK信號(hào)點(diǎn),62,在L=8 的5種信號(hào)星座圖可以看出,(4) 是最佳的一種方案,在同樣的性能下