第10章 数字信号的载波传输(1)
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“0” 开关断,不发送载波; “1” 开关通,发送载波。
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0
1
1
0
1
2001 Copyright
SCUT DT&P Labs
5
10.1 二进制数字调制
2ASK信号的功率谱
若基带信号与功率谱有如下的对应关系:
SB (t) n an g(t nTS ) B ()
则:
S2 ASK (t) 2 ASK ( )
带通
X
2DPSK
延迟TS
低通
抽样 判决
位定时
特点:无须恢复载波信号,相对简单。
ห้องสมุดไป่ตู้解调输出
2001 Copyright
SCUT DT&P Labs
25
4.二进制差分相移键控(2DPSK)
10.1 二进制数字调制
2DPSK信号的差分相干解调
01
1
01
0
接收信号
延时信号
乘法器 输出信号
低通输出 信号
2001 Copyright
SCUT DT&P Labs
17
(3)二进制移相键控(2PSK/BPSK) 调制器工作原理 a.相乘法
10.1 二进制数字调制
SB (t) n an g(t nTS )
双极性非归零脉冲序列
X
cosct
S2PSK (t)
b.相位选择法
SB (t) n an g(t nTS )
单极性非归零脉冲序列
1
0
1
1
0
1
2FSK信号的功率谱计算 由上式,2FSK信号可看作两2ASK信号之和,功率谱可分别计算 在合成。
2001 Copyright
SCUT DT&P Labs
11
(2)二进制移频键控(2FSK)
10.1 二进制数字调制
2FSK信号的带宽
由二进制2FSK信号的表达式,带宽近似为,
f 2B f2 f1
选择电路
倒相
cosct
2001 Copyright
SCUT DT&P Labs
S2PSK (t)
18
(3)二进制移相键控(2PSK/BPSK) 2PSK信号波形
10.1 二进制数字调制
1
0
1
1
0
1
2PSK信号表达式
SASK (t) n an g(t nTS ) cosct
与双极性非归零脉冲调制的2ASK信号相同。
Y( f ) n( f )H( f )
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29
1. 匹配滤波器
10.2 数字信号的最佳接收
SNR
2
S ( f ) e j2fT n( f )
n ( f )H ( f )df
n
(
f
)
H
(
f
)
2df
S( f ) 2 df
n ( f )
红色点为非稳定平衡点。
锁相环(PLL)系统最后会稳定在稳定点平衡点:
0,,2,3,…
对应稳定点0,2, 4,…,VCO分频后输出: cos(wct) 对应稳定点, 3, 5 …,VCO分频后输出: - cos(wct)
即存在180o的相位模糊问题,
相位模糊可能导致解调后输出的“0”“1”状态点倒换。
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15
(2)二进制移频键控(2FSK) 2FSK信号的解调
d.过零检测法解调
10.1 二进制数字调制
a
限幅 b 微分 c 整流 d 单稳 e 低通
f
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0
1
00 1
0
2001 Copyright
已调信号
已调信号:
SASK (t) n an g(t nTS ) cosct
若:g(t)为单极性脉冲,SASK(t)为含载波分量双边带信号; g(t)为双极性脉冲,SASK(t)为不含载波分量双边带信号;
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4
10.1 二进制数字调制
OOK( On-Off Keying )键控方式 用二进制序列g(t)作为开关控制量:
输出
通常有信号的带通滤波器检出的信号值远大于无信号带通 滤波器检出的信号值。
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13
(2)二进制移频键控(2FSK) 2FSK信号的解调
b.鉴频法
10.1 二进制数字调制
f2
f1
f0
利用FM模拟信号解调的原理解调2FSK信号。
2001 Copyright
高斯白噪声的双边功率谱密度为: 设滤波器的传递函数为:H(w)
n(
f
)
n0 2
冲激响应为:h(t)
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1. 匹配滤波器
10.2 数字信号的最佳接收
滤波器输出中的信号部分:
yS (t) S(t) h(t)
S ( f )H ( f )e j2ft df
带通滤波器输出: 平方运算输出:
S2PSK (t) n an g(t nTS ) cosct
u(t)
n
an
g(t
nTS
)
2
cos2
ct
cos2
ct
1 2
1
c os2ct
假定an取值为+1或-1,g(t)为宽度为一个码元的矩形脉冲。
压控振荡器输出:
uVCO (t) Acos2ct 2
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14
(2)二进制移频键控(2FSK) 2FSK信号的解调
c.相干解调
10.1 二进制数字调制
输入
W1带通 滤波器 W2带通 滤波器
相乘器
低通 滤波器
COS(W1t)
相乘器
抽样脉冲
低通 滤波器
抽样 判决器
输出
COS(W2t)
相干解调输出通常有较好的输出信噪比,但须在本地恢复载波信 号,一般较复杂。
2 ASK
( )
1 4
B
(
c
)
B
(
c
)
2ASK信号的频带利用率
若原基带信号的带宽为 B
则2ASK信号的带宽为 2B,即频带利用率下降为原来的1/2。
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10.1 二进制数字调制 2ASK信号的解调
(1)包络检波:适用与OOK信号或普通AM调制信号的解调 特点:简单、易于实现。
对白噪声: 相应地:
n(
f
)
n0 2
H ( f ) k S ( f ) e j2fT kS ( f )e j2fT n0 2
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1. 匹配滤波器
10.2 数字信号的最佳接收
许瓦磁不等式 一般地,若X(f),Y(f)为复变函数,有
2
X ( f )Y ( f )df
X ( f )2df
Y ( f )2df
仅当 Y ( f ) (kkX为 (任f 意) 整数),时,等式成立。
利用许瓦磁不等式,令
X ( f ) S( f ) e j2fT n( f )
2DPSK信号2PSK解调相对码 bn an bnbn1绝对码 an
例:
10010110
原信息序列
解调后 差分序列
解调后倒相的 差分序列
解调后的 原信息序列
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24
4.二进制差分相移键控(2DPSK)
10.1 二进制数字调制
2DPSK信号的差分相干解调
数字通信原理 (8)
2001 Copyright
SCUT DT&P Labs
1
第十章 数字信号的载波传输
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SCUT DT&P Labs
2
10.0 概述
1. 调制的目的:使数字信号适合在带通信道中传输; 2. 模拟调制与数字调制的异同
相同点: a. 实现信号的频谱搬移和变换; b. 载波为正弦信号; c. 可采用调幅、调频和调相等方式。
区别: a. 通常受控参数变化离散化; b. 可同时调制多于一个的参数,如相位与幅度。
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3
10.1 二进制数字调制
1. 二进制幅度键控(2ASK)
调制器工作原理
X
SB (t) n an g(t nTS )
带通滤波
S ASK (t)
cosct 载波信号
特点:因需在本地恢复载波,实现较复杂;
一般有较高的信噪比。
1
0
1
1
0
1
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SCUT DT&P Labs
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(2)二进制移频键控(2FSK)
调制器工作原理
a.键控法
W1
10.1 二进制数字调制
SB (t) n an g(t nTS )
W2
键控FSK的输出相位一般不连续。 b.直接法
2PSK信号的功率谱计算、频带利用率与2ASK信号相同。
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19
(3)二进制移相键控(2PSK/BPSK)
10.1 二进制数字调制
2PSK信号的解调
2PSK信号依赖相位状态表示二进制信息,解调时一般要有相位比
较的基准:载波信号。
载波信号恢复:2PSK实际上为抑制载波的2ASK信号,本身不含载
B
f1
f2
其中B为基带信号带宽。
一般2FSK信号的频带利用率低于2ASK。
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(2)二进制移频键控(2FSK) 2FSK信号的解调
a.非相干解调
输入
W1带通 滤波器
包络 检波器
抽样脉冲
W2带通 滤波器
包络 检波器
10.1 二进制数字调制
抽样判决器
n
(
f
)
H
(
f
)
2df
n
(
f
)
H
(
f
)
2df
S( f ) 2 df
n ( f )
由许氏定理,仅当
H ( f ) k S ( f ) e j2fT n( f )
时,等式成立,SNR达到最大。
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1. 匹配滤波器
10.2 数字信号的最佳接收
波成分,所以必须用非线性的方法恢复载波。
载波信号恢复的平方环法
带通
输入
滤波器
2PSK信号
平方
X
环路 滤波器
压控 振荡器
锁相环(PLL)
除2
输出 载波信号
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20
载波信号恢复的平方环法
10.1 二进制数字调制
带通滤波器:滤除通带外其它可能存在信号的干扰。
乘法器输出:
u p (t) K pu(t)uVCO (t)
KpA 2
sin2ct
2
1 2
sin4ct
2
sin2
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21
载波信号恢复的平方环法
环路滤波器输出:
ud
(t)
1 2
KL
K
p
Asin2
鉴相特性:
-pi/2
-pi
0
10.1 二进制数字调制
1
1 01 0
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10.2 数字信号的最佳接收
最佳的不同涵义:
(1)使信号的波形失真最小;
(2)是判决时刻的信噪比最大。
1. 匹配滤波器
匹配滤波器:使判决时刻信噪比达到最大的滤波器称之;
设输入信号: x(t) S(t) n(t)
其中 为S(信t) 号, 为n高(t斯) 白噪声。
pi/2 pi
在斜率为正的区间,
鉴相器输出 ud VCO调节信号频率使
在斜率为负的区间,
鉴相器输出 ud VCO调节信号频率使
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22
载波信号恢复的平方环法
10.1 二进制数字调制
图中过零点均为平衡点,其中
绿色点为稳定平衡点;
SB (t) n an g(t nTS )
直接法可保证输出的相位连续。
+
压控 振荡器
S2FSK (t) S2FSK (t)
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10
(2)二进制移频键控(2FSK)
10.1 二进制数字调制
2FSK信号
SASK (t) n an g(t nTS ) cosc1t n an g(t nTS ) cosc2t
匹配滤波器的“匹配”有如下的涵义: a. |H(f)|正比与|S(f)|,在信号频率分量较小的区域,滤波器的
幅频特性也较小,因此有较好的抑制噪声的作用;
b. 在各频率成分上,滤波器可对信号分量的相位进行调整,使信
号分量在t=T时达到最大;
c. 若噪声功率密度谱是非均匀分布的,滤波器的幅频特性与此噪 声功率密度谱成反比,有利于抑制噪声。
输出噪声功率:
N0
n0 ( f )df
n
(
f
)H
(
f
2df
在 t=T 时刻,输出信噪比:
SNR yS (T ) 2 N0
S ( f )H ( f )e j2fT df 2
n
(
f
)
H
(
f
)
2df
问题:求H(f),使SNR达到最大。
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SCUT DT&P Labs
1
0
1
1
0
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7
2ASK信号的解调 普通AM调制信号的解调
10.1 二进制数字调制
1
0
1
1
0
1
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SCUT DT&P Labs
8
2ASK信号的解调
10.1 二进制数字调制
(2)相干解调 适合于包括抑制载波传输在内的各种情况。
解决相位模糊导致输出状态的不确定性的方法:
基带信号采用差分编码技术。
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23
10.1 二进制数字调制
4.二进制差分相移键控(2DPSK)
2DPSK信号的产生:
绝对码 an bn anbn1相对码 bn 2PSK调制2DPSK信号
2DPSK信号的解调:
1
0
1
1
0
1
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10.1 二进制数字调制
2ASK信号的功率谱
若基带信号与功率谱有如下的对应关系:
SB (t) n an g(t nTS ) B ()
则:
S2 ASK (t) 2 ASK ( )
带通
X
2DPSK
延迟TS
低通
抽样 判决
位定时
特点:无须恢复载波信号,相对简单。
ห้องสมุดไป่ตู้解调输出
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4.二进制差分相移键控(2DPSK)
10.1 二进制数字调制
2DPSK信号的差分相干解调
01
1
01
0
接收信号
延时信号
乘法器 输出信号
低通输出 信号
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(3)二进制移相键控(2PSK/BPSK) 调制器工作原理 a.相乘法
10.1 二进制数字调制
SB (t) n an g(t nTS )
双极性非归零脉冲序列
X
cosct
S2PSK (t)
b.相位选择法
SB (t) n an g(t nTS )
单极性非归零脉冲序列
1
0
1
1
0
1
2FSK信号的功率谱计算 由上式,2FSK信号可看作两2ASK信号之和,功率谱可分别计算 在合成。
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(2)二进制移频键控(2FSK)
10.1 二进制数字调制
2FSK信号的带宽
由二进制2FSK信号的表达式,带宽近似为,
f 2B f2 f1
选择电路
倒相
cosct
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S2PSK (t)
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(3)二进制移相键控(2PSK/BPSK) 2PSK信号波形
10.1 二进制数字调制
1
0
1
1
0
1
2PSK信号表达式
SASK (t) n an g(t nTS ) cosct
与双极性非归零脉冲调制的2ASK信号相同。
Y( f ) n( f )H( f )
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1. 匹配滤波器
10.2 数字信号的最佳接收
SNR
2
S ( f ) e j2fT n( f )
n ( f )H ( f )df
n
(
f
)
H
(
f
)
2df
S( f ) 2 df
n ( f )
红色点为非稳定平衡点。
锁相环(PLL)系统最后会稳定在稳定点平衡点:
0,,2,3,…
对应稳定点0,2, 4,…,VCO分频后输出: cos(wct) 对应稳定点, 3, 5 …,VCO分频后输出: - cos(wct)
即存在180o的相位模糊问题,
相位模糊可能导致解调后输出的“0”“1”状态点倒换。
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15
(2)二进制移频键控(2FSK) 2FSK信号的解调
d.过零检测法解调
10.1 二进制数字调制
a
限幅 b 微分 c 整流 d 单稳 e 低通
f
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0
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00 1
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已调信号
已调信号:
SASK (t) n an g(t nTS ) cosct
若:g(t)为单极性脉冲,SASK(t)为含载波分量双边带信号; g(t)为双极性脉冲,SASK(t)为不含载波分量双边带信号;
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10.1 二进制数字调制
OOK( On-Off Keying )键控方式 用二进制序列g(t)作为开关控制量:
输出
通常有信号的带通滤波器检出的信号值远大于无信号带通 滤波器检出的信号值。
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(2)二进制移频键控(2FSK) 2FSK信号的解调
b.鉴频法
10.1 二进制数字调制
f2
f1
f0
利用FM模拟信号解调的原理解调2FSK信号。
2001 Copyright
高斯白噪声的双边功率谱密度为: 设滤波器的传递函数为:H(w)
n(
f
)
n0 2
冲激响应为:h(t)
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1. 匹配滤波器
10.2 数字信号的最佳接收
滤波器输出中的信号部分:
yS (t) S(t) h(t)
S ( f )H ( f )e j2ft df
带通滤波器输出: 平方运算输出:
S2PSK (t) n an g(t nTS ) cosct
u(t)
n
an
g(t
nTS
)
2
cos2
ct
cos2
ct
1 2
1
c os2ct
假定an取值为+1或-1,g(t)为宽度为一个码元的矩形脉冲。
压控振荡器输出:
uVCO (t) Acos2ct 2
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(2)二进制移频键控(2FSK) 2FSK信号的解调
c.相干解调
10.1 二进制数字调制
输入
W1带通 滤波器 W2带通 滤波器
相乘器
低通 滤波器
COS(W1t)
相乘器
抽样脉冲
低通 滤波器
抽样 判决器
输出
COS(W2t)
相干解调输出通常有较好的输出信噪比,但须在本地恢复载波信 号,一般较复杂。
2 ASK
( )
1 4
B
(
c
)
B
(
c
)
2ASK信号的频带利用率
若原基带信号的带宽为 B
则2ASK信号的带宽为 2B,即频带利用率下降为原来的1/2。
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10.1 二进制数字调制 2ASK信号的解调
(1)包络检波:适用与OOK信号或普通AM调制信号的解调 特点:简单、易于实现。
对白噪声: 相应地:
n(
f
)
n0 2
H ( f ) k S ( f ) e j2fT kS ( f )e j2fT n0 2
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1. 匹配滤波器
10.2 数字信号的最佳接收
许瓦磁不等式 一般地,若X(f),Y(f)为复变函数,有
2
X ( f )Y ( f )df
X ( f )2df
Y ( f )2df
仅当 Y ( f ) (kkX为 (任f 意) 整数),时,等式成立。
利用许瓦磁不等式,令
X ( f ) S( f ) e j2fT n( f )
2DPSK信号2PSK解调相对码 bn an bnbn1绝对码 an
例:
10010110
原信息序列
解调后 差分序列
解调后倒相的 差分序列
解调后的 原信息序列
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4.二进制差分相移键控(2DPSK)
10.1 二进制数字调制
2DPSK信号的差分相干解调
数字通信原理 (8)
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1
第十章 数字信号的载波传输
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10.0 概述
1. 调制的目的:使数字信号适合在带通信道中传输; 2. 模拟调制与数字调制的异同
相同点: a. 实现信号的频谱搬移和变换; b. 载波为正弦信号; c. 可采用调幅、调频和调相等方式。
区别: a. 通常受控参数变化离散化; b. 可同时调制多于一个的参数,如相位与幅度。
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10.1 二进制数字调制
1. 二进制幅度键控(2ASK)
调制器工作原理
X
SB (t) n an g(t nTS )
带通滤波
S ASK (t)
cosct 载波信号
特点:因需在本地恢复载波,实现较复杂;
一般有较高的信噪比。
1
0
1
1
0
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(2)二进制移频键控(2FSK)
调制器工作原理
a.键控法
W1
10.1 二进制数字调制
SB (t) n an g(t nTS )
W2
键控FSK的输出相位一般不连续。 b.直接法
2PSK信号的功率谱计算、频带利用率与2ASK信号相同。
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(3)二进制移相键控(2PSK/BPSK)
10.1 二进制数字调制
2PSK信号的解调
2PSK信号依赖相位状态表示二进制信息,解调时一般要有相位比
较的基准:载波信号。
载波信号恢复:2PSK实际上为抑制载波的2ASK信号,本身不含载
B
f1
f2
其中B为基带信号带宽。
一般2FSK信号的频带利用率低于2ASK。
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(2)二进制移频键控(2FSK) 2FSK信号的解调
a.非相干解调
输入
W1带通 滤波器
包络 检波器
抽样脉冲
W2带通 滤波器
包络 检波器
10.1 二进制数字调制
抽样判决器
n
(
f
)
H
(
f
)
2df
n
(
f
)
H
(
f
)
2df
S( f ) 2 df
n ( f )
由许氏定理,仅当
H ( f ) k S ( f ) e j2fT n( f )
时,等式成立,SNR达到最大。
2001 Copyright
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30
1. 匹配滤波器
10.2 数字信号的最佳接收
波成分,所以必须用非线性的方法恢复载波。
载波信号恢复的平方环法
带通
输入
滤波器
2PSK信号
平方
X
环路 滤波器
压控 振荡器
锁相环(PLL)
除2
输出 载波信号
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载波信号恢复的平方环法
10.1 二进制数字调制
带通滤波器:滤除通带外其它可能存在信号的干扰。
乘法器输出:
u p (t) K pu(t)uVCO (t)
KpA 2
sin2ct
2
1 2
sin4ct
2
sin2
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载波信号恢复的平方环法
环路滤波器输出:
ud
(t)
1 2
KL
K
p
Asin2
鉴相特性:
-pi/2
-pi
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10.1 二进制数字调制
1
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10.2 数字信号的最佳接收
最佳的不同涵义:
(1)使信号的波形失真最小;
(2)是判决时刻的信噪比最大。
1. 匹配滤波器
匹配滤波器:使判决时刻信噪比达到最大的滤波器称之;
设输入信号: x(t) S(t) n(t)
其中 为S(信t) 号, 为n高(t斯) 白噪声。
pi/2 pi
在斜率为正的区间,
鉴相器输出 ud VCO调节信号频率使
在斜率为负的区间,
鉴相器输出 ud VCO调节信号频率使
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载波信号恢复的平方环法
10.1 二进制数字调制
图中过零点均为平衡点,其中
绿色点为稳定平衡点;
SB (t) n an g(t nTS )
直接法可保证输出的相位连续。
+
压控 振荡器
S2FSK (t) S2FSK (t)
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(2)二进制移频键控(2FSK)
10.1 二进制数字调制
2FSK信号
SASK (t) n an g(t nTS ) cosc1t n an g(t nTS ) cosc2t
匹配滤波器的“匹配”有如下的涵义: a. |H(f)|正比与|S(f)|,在信号频率分量较小的区域,滤波器的
幅频特性也较小,因此有较好的抑制噪声的作用;
b. 在各频率成分上,滤波器可对信号分量的相位进行调整,使信
号分量在t=T时达到最大;
c. 若噪声功率密度谱是非均匀分布的,滤波器的幅频特性与此噪 声功率密度谱成反比,有利于抑制噪声。
输出噪声功率:
N0
n0 ( f )df
n
(
f
)H
(
f
2df
在 t=T 时刻,输出信噪比:
SNR yS (T ) 2 N0
S ( f )H ( f )e j2fT df 2
n
(
f
)
H
(
f
)
2df
问题:求H(f),使SNR达到最大。
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0
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2ASK信号的解调 普通AM调制信号的解调
10.1 二进制数字调制
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0
1
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0
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2ASK信号的解调
10.1 二进制数字调制
(2)相干解调 适合于包括抑制载波传输在内的各种情况。
解决相位模糊导致输出状态的不确定性的方法:
基带信号采用差分编码技术。
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10.1 二进制数字调制
4.二进制差分相移键控(2DPSK)
2DPSK信号的产生:
绝对码 an bn anbn1相对码 bn 2PSK调制2DPSK信号
2DPSK信号的解调: