第5章數字帶通傳輸系統

【教學目標】1.了解二進制數字調制系統的分類；2.掌握二進制調制的時域和頻域特性；3.掌握二進制數字調制系統的解調方法；4.理解各種二進制數字調制系統的性能；5.了解多進制調制系統特點及其基本工作原理；6.了解改進的數字調制原理。【重點】二進制調制系統時頻特性、調制解調方法【難點】調制解調原理【學時分配】7~8學時 【教學過程】第5章數字帶通傳輸（調制）系統5.1二進制數字調制原理5.3多進制數字調制原理5.4新型的數字調制技術5.2二進制數字調制系統的性能比較

數字調制方式幅移鍵控頻移鍵控相移鍵控5.1二進制數字調制原理二進制數字調制：載波的幅度、頻率或相位受二進制數字信號調制。一、二進制幅移鍵控（2ASK:2-AmplitudeShiftKeying）1.數學表達式和波形2ASK：載波的幅度受調制信號“1”或“0”控制，又稱

通-斷鍵控信號（OOK:On-OffKeying）（1）數學表達式設二進制序列表示為其中是持續時間為Ts的矩形脈沖,概率為P概率為1-P5.1二進制數字調制原理則（2）波形5.1二進制數字調制原理2.功率譜分析5.1二進制數字調制原理單極性式中，PASK(

f

)－S2ASK(

t

)的功率譜密度；PB(

f

)

－B(

t

)的功率譜密度。特點：（1）由連續譜和離散譜組成（2）功率譜曲線為抽樣型（3）5.1二進制數字調制原理3.2ASK信號的產生與解調（1）調制5.1二進制數字調制原理模擬法鍵控法cosctS2ASK(t)B(t)(2)解調5.1二進制數字調制原理①非相干解調②相干解調5.1二進制數字調制原理門限二、二進制頻移鍵控（2FSK:2-FrequencyShiftKeying）1.時域表達式與波形（1）數學表達式可見:2FSK信號可看作是兩個2ASK信號的疊加。2FSK：載波的頻率受“1”或“0”控制。5.1二進制數字調制原理其中（2）波形5.1二進制數字調制原理f1f2f2f2f1f1f2f1f1

2.功率譜特性f1-fsf1f0f2f2+fsf1f2f0f1-fsf2+fs疊加f0=（f1+f2）/2f0=（f1+f2）/2雙峰單峰頻譜特點：（1）由連續譜和離散譜組成。

（2）若|f1-f2|>0.8fs,出現雙峰譜，若|f1-f2|<0.8fs，出現單峰譜。（3）5.1二進制數字調制原理3.2FSK信號產生與解調（1）產生框圖①模擬調制法②鍵控法B(t)AnalogFM∑f1f2B(t)

Gate

GateDCPFSKCPFSK5.1二進制數字調制原理相位連續相位不連續(2)2FSK解調方法②分路包絡檢波法①分路相干解調法5.1二進制數字調制原理f1f2f1f1f2f1f22FSKttatbc

1011010df1f2abcdc>d，判為“1”101

10105.1二進制數字調制原理1011010限幅微分整流脈沖發生低通abcedfbacdef③過零檢測法5.1二進制數字調制原理

1011010頻率幅度三、二進制相移鍵控（2PSK:2-PhaseShiftKeying）2PSK(BPSK)：載波的相位受“1”或“0”控制,又稱絕對調相。1.時域表示其中5.1二進制數字調制原理2.波形5.1二進制數字調制原理3.功率譜特點：（P=1/2)（1）只有雙邊帶連續譜（2）4.BPSK的產生和解調（1）產生雙極性NRZ5.1二進制數字調制原理碼型變換二進制信息BPSK信號(2)BPSK相干解調5.1二進制數字調制原理(2)BPSK相干解調5.1二進制數字調制原理(2)BPSK相干解調5.1二進制數字調制原理111001002PSK信號載波2PSK信號×載波輸出信號低通輸出00011011倒現象2PSK存在“倒π”現象或“反向工作”現象。因此，實際采用2DPSK——差分相移鍵控方式。5.1二進制數字調制原理2PSK存在的問題四、二進制差分相移鍵控(2DPSK:2-DifferentialPhaseShiftKeying)絕對調相BPSK：利用載波相位的絕對值來傳送信息。相對調相2DPSK：利用前后碼元載波相位差傳送信息。如：Δφ=0→“0”

Δφ=π

→

“1”5.1二進制數字調制原理如：φ=0→“0”

φ=π

→

“1”1.差分編碼(絕對碼→相對碼）

為絕對碼，為相對碼。編碼：設：5.1二進制數字調制原理相對調相的方法是：絕對碼→相對碼→絕對調相→產生DPSK信號譯碼：2.DPSK調制器與解調器（1）調制5.1二進制數字調制原理絕對碼→相對碼→絕對調相→產生DPSK信號（2）解調①相干解調（極性比較法）5.1二進制數字調制原理②差分相干解調（相位比較法）abcedf00101102DPSK的解調abcdef11100100

絕對碼

0010110

相對碼

00110115.1二進制數字調制原理參考abcedf00101102DPSK的解調abcdef00101105.1二進制數字調制原理00011011參考adbce00101102DPSK的解調abcde00101105.1二進制數字調制原理

設TS=KTc

則判決規則為：

1.2DPSK解決了載波的“相位模糊問題”。2.差分相干解調直接利用了前后碼元的信息，解調和譯碼同時完成，無需專門的相干載波，是一種很實用的方法。3.2DPSK的抗白噪聲能力比2PSK差。4.B2DPSK=B2PSK=2fs2DPSK特點5.1二進制數字調制原理1、基帶傳輸系統適用于____（低通、帶通）型信道；頻帶傳輸系統適用于_____（低通、帶通）型信道。2、設發送數字信息序列為11010010，碼元速率為1000B,現采用鍵控法產生2FSK信號，并設f1=1kHz，對應“1”；f2=2kHz，對應“0”。若兩振蕩器輸出振蕩初相均為0。(1)畫出2FSK信號波形;(2)計算其帶寬和頻帶利用率;3.一DPSK數字通信系統，信息速率為

，載波為

，輸入數據為110100010110…(1)寫出相對碼(設：參考碼為1)；(2)畫出DPSK波形；(3)畫出DPSK發送框圖；(4)畫出DPSK信號的功率譜圖(設：輸入數據是獨立等概序列)；(5)畫出DPSK的非相干接收框圖；(6)若DPSK系統的碼元速率為106波特，接收機輸入白噪聲的雙邊功率譜密度為10-12W/HZ，輸入信噪比為4.5，試求接收機輸入端的信號幅度。5.2二進制數字調制系統的性能比較一、抗噪聲性能分析(2ASK)設在一個Ts內，接收端的輸入波形為

帶通濾波器的輸出波形為

n(t)是高斯白噪聲ni(t)經過帶通濾波器的輸出噪聲

第k個抽樣時刻判決規則為：x>b時，判為“1”；x

b時，判為“0”則當發送“1”時，錯誤接收為“0”的概率

同理，發送“0”時，錯誤接收為“1”的概率2ASK系統的總誤碼率為

上式表明，當P(1)、P(0)及f1(x)、f0(x)一定時，系統的誤碼率Pe與判決門限b的選擇密切相關。從公式求解

最佳門限

若發送“1”和“0”的概率相等，則最佳判決門限為

b*=a/2

此時，2ASK信號采用相干解調（同步檢測）時系統的誤碼率為 式中

為解調器輸入端的信噪比。 當r>>1，即大信噪比時，上式可近似表示為包絡檢波法的系統性能（2ASK）

當發送“1”符號時，包絡檢波器的輸出波形為

當發送“0”符號時，包絡檢波器的輸出波形為廣義瑞利型隨機變量瑞利型隨機變量最佳門限

實際工作情況

在實際工作中，系統總是工作在大信噪比的情況下，因此最佳門限應取

此時系統的總誤碼率為

當r

時，上式的下界為

當r>>1，即大信噪比時2ASK同步檢測法解調時系統的誤碼率為2ASK包絡檢波法解調時系統的誤碼率為比較：在相同的信噪比條件下，同步檢測法的抗噪聲性能優于包絡檢波法，但在大信噪比時，兩者性能相差不大。然而，包絡檢波法不需要相干載波，因而設備比較簡單。另外，包絡檢波法存在門限效應，同步檢測法無門限效應。[例7.2.1]設有一2ASK信號傳輸系統，其碼元速率為RB=4.8106波特，發“1”和發“0”的概率相等，接收端分別采用同步檢測法和包絡檢波法解調。已知接收端輸入信號的幅度a=1mV，信道中加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度n0=210-15W/Hz。試求

(1)同步檢測法解調時系統的誤碼率；

(2)包絡檢波法解調時系統的誤碼率。【解】(1)根據2ASK信號的頻譜分析可知，2ASK信號所需的傳輸帶寬近似為碼元速率的兩倍，所以接收端帶通濾波器帶寬為

帶通濾波器輸出噪聲平均功率為 信噪比為

于是，同步檢測法解調時系統的誤碼率為 包絡檢波法解調時系統的誤碼率為

可見，在大信噪比的情況下，包絡檢波法解調性能接近同步檢測法解調性能。5.2二進制數字調制系統的性能比較一、抗噪聲性能比較2DPSKPSK系統FSK系統

ASK系統

非相干解調

相干解調

誤碼率Pe與信噪比r的關系傳輸方式其中四種數字調制系統的誤碼率曲線

5.2二進制數字調制系統性能比較

2.抗噪聲性能比較

(1)相干解調的抗噪聲性能優于非相干解調，但設備也相對較復雜。(2)當r>>1時，相干解調與非相干的性能相近。(3)抗高斯噪聲(Pe)2PSK<(Pe)2DPSK<(Pe)2FSK<(Pe)OOK,但

2PSK存在“倒π”現象，DPSK應用更為廣泛。結論：1.誤碼率表達式均是的形式。5.2二進制數字調制系統性能比較

二、頻帶利用率比較B2FSK>B2PSK=B2DPSK=B2ASK

從頻帶利用率看，2FSK最差，用于中、低速傳輸。

2FSK和2PSK對信道特性的變化不敏感，而OOK對信道特性的變化敏感,所以OOK性能最差。三、對信道特性的敏感性四、設備的復雜程度

相干解調比非相干解調的設備復雜,一般用于高質量的傳輸系統。5.2二進制數字調制系統性能比較

目前用得最多的是：相干2DPSK和非相干2FSK；相干2DPSK：主要用于高速數據傳輸；非相干2FSK：主要用于中、低速數據傳輸，特別是在衰落信道中傳輸數據時，它有著廣泛的應用。5.2二進制數字調制系統性能比較

5.3多進制數字調制原理一、基本概念1.分類多進制數字調制MASKMFSKMPSK2.特點（1）碼元速率相同時，信息速率比二進制高，多進制傳輸是一種高速傳輸方式。（3）抗白噪聲能力比二進制系統差。（4）設備較復雜。（2）信息速率相同時，碼元速率比二進制低，碼元持續時間長，碼元能量大，可減小ISI。5.3多進制數字調制二、多進制數字相位調制1.基本概念

用M個相位狀態的正弦波代表M個數字信息，又稱多相制。多相制絕對相移MPSK相對相移MDPSK5.3多進制數字調制2.四相制絕對相移鍵控（4PSK或QPSK）QPSK就是將二進制序列每兩個比特分為一組，用四種載波相位來表示之

。其中:雙比特ab通常是按格雷碼排列的。(1)相位配置及波形5.3多進制數字調制

01

11

10

0

00

B方式

A方式ab

載波相位φ

雙比特碼元90°270°180°-135°-45°45°135°QPSK信號的矢量圖5.3多進制數字調制參考相位00101101A方式參考相位00101101B方式5.3多進制數字調制TsTs’ab01107/45/43/4/40t1000111001ba10110001015.3多進制數字調制（3)4PSK信號的產生（以B方式為例）①直接調相法0-11+101a1b0②相位選擇法5.3多進制數字調制（4）4PSK信號的解調(以B方式為例）5.3多進制數字調制設φkcosφksinφk輸出abπ/4++113π/4-+015π/4--007π/4+-105.3多進制數字調制抽樣判決器判決方法（極性判決法）QPSK同樣會產生相位模糊現象，因此實際通信中大多采用QDPSK。3.四相制相對移相調制（QDPSK）(1)相位配置5.3多進制數字調制信息碼（絕對碼）1011000111100100△k90°180°0°-90°180°90°-90°0°4DPSK(k=△k+k-1)90°-90°-90°180°0°90°0°0°相對碼1001011100100000

01

11

10

0°

00

B方式

A方式ab

載波相位差Δφ

雙比特碼元90°270°180°-135°-45°45°135°（2）4DPSK信號的調制與解調（以B方式為例）5.3多進制數字調制QPSK調制器QPSK解調器5.4新型的數字調制技術一、正交振幅調制（QAM）1.背景

在MPSK系統中，M越大，系統的信息速率越高，但信號點距離減小，判決區域減小，使得噪聲容限減小，誤碼率難以得到保證。2.QAM概念可見：QAM是兩個正交的ASK合成的，故又稱正交調幅。5.4新型的數字調制技術3.MPSK和MQAM星座圖比較AMAMd1=0.393AMd2=0.471AM可見：當平均發射功率相同時，16QAM比16PSK噪聲容限大4.12dB。MQAM特別適用于頻帶資源有限的場合。5.4新型的數字調制技術二、最小頻移鍵控（MSK：MinimumShiftKeying

）1.MSK原理一種包絡恒定的、帶寬最小、相位連續的改進型2FSK。最小調制指數最小頻差5.4新型的數字調制技術（1）MSK數學表達式載波頻率ak=±1第k個碼元相位常數5.4新型的數字調制技術（2）MSK的相位連續性（相位網格圖）5.4新型的數字調制技術1-1-1-11-1111kf1f2f2f2f2f1f1f1f1/20-/2-k123456789k（3）MSK的波形圖舉例說明

900-900-90090180905.4新型的數字調制技術（4）MSK的頻譜圖5.4新型的數字調制技術2.MSK調制方式特點(1)MSK信號包絡恒定。(2)連續相位。在一個碼元內含有1/4載波周期的整數倍;附加相位線性變化±90°。(3)功率譜主瓣占據帶寬窄，且旁瓣衰減更快，對鄰近頻道干擾小，比2PSK具有更高的頻譜利用率，且抗干擾能