通信原理-第6章-数字信号频带传输

第6章数字信号频带传输

知识点

(1) 数字调幅、调频、调相——二元与多元系统信号分析；

(2) 传输信道的利用——正交复用、带宽、频带利用率；

(3) 解调方式——相干与非相干；

(4) 各种系统噪声性能分析。

知识点层次

(1) 以二元调制系统为基础，掌握数字调制解调模型及信号特征；理解噪声性能分析方法。掌握基于信噪比的误比特率公式与比较分析；

(2) 掌握以QPSK、QAM、MSK为重点的基本原理与技术特征，并熟悉有关重要参量与技术措施；掌握各种传输方式误码率表示式；

(3) 通过大体了解改进型调制技术特点，了解现代调制技术思路；

本章涉及的系统最佳化设计思想

信号设计——基于已调波信号间正交的概念；

传输技术——基于正交载波复用与多元调制技术；

接收技术——基于相干接收与最佳接收的原理及发展。

6.1 数字频带调制概述

通过第3章模拟调制的讨论，我们已明确到，以调制信号去正比例控制正弦载波3个参量之一，可以产生载荷信息的已调波，并分为线性调制（幅度调制）和角度调制（调频与调相）。现将模拟调制信号改换为数字信号，仍去控制正弦载波，就可以得到相应的数字调幅、数字调频与数字调相等已调波。

本章拟首先介绍二元数字信号作为调制信号的基本调制方式。它们已调波分别称为二元幅移键控——ASK（amplitude shift keying）、二元频移键控——FSK（frequency shift keying）

和二元相移键控——PSK（phase shift keying），并分别分析与计算它们在不同解调方式下的抗噪声性能。

然后介绍以多进制符号（M元）控制载波某1个或1、2个参量构成的多元调制，以及常用的优质调制技术。

本章讨论问题的基本着眼点为：

（1）各种数字调制方式的发送信号（已调波构成）的设计考虑及其时、频域表示方式。

（2）针对已调波的时—频域特点，给出其传输有效带宽，讨论它们对于传输信道频带利用率。

（3）相干与非相干解调方法与解调效果评价。

（4）分析不同调制与不同解调方式的系统，在高斯信道环境下的抗噪声性能，同时计算它们的接收信号的比特或符号误差概率。

（5）在此基础上，能使读者深入了解到如何进行信号与系统优化设计，能够达到既有效又可靠信息传输。

就本章内容而言，称为数字信号频带传输（或调制），也可称为数字信号的载波传输（或调制）。虽然调制信号为二元或多元数字信号，但已调波信号却是连续波，因此也可称为数字信号的模拟传输。

本章覆盖的内容与概念很多，设计的数字分析也往往比较繁杂，所设计的调制技术均有很大的实用意义，并在不断发展。

6.2 二元幅移键控（ASK）

6.2.1 ASK信号分析

以二元数字信号序列或其波形序列去控制角频（载频）为、初相为（可设为0）

的幅度，可产生2ASK信号。首先应以基带数字序列来表示，即调制信号为

（6.2.1）

式中，——二元码符号，取1或0；

——单极性不归零波形，归一化幅度；

——二元序列码元间隔。

ASK信号功率谱可由上一章式（5.2.16）与频谱卷积而求得

（6.2.3）ASK的信道频带利用率为

6.2.2 ASK信号相干接收

ASK信号经过高斯信道传输，受到信道加性热噪声干扰的信号加噪声混合波形，在接收机进行相干或非相干解调。

1.ASK信号相干解调抗噪声性能分析

接收端输入混合波形为

（6.2.9）

式中——窄带高斯噪声同相分量

——窄带高斯噪声正交分量

相干载波与相乘并滤除高频分量，得解调输出，并以速率为的定时脉冲进行抽样判决。

ASK相干解调误比特率为

（6.2

.16）

式中，——功率信噪比。

6.2.3 非相干ASK解调抗噪声性能分析

ASK类似于模拟AM调制方式，可方便地利用包络检测恢复原信号（图6-5b）。

当接收传号时的混合波形为余弦信号加窄带高斯噪声形式，而空号时则输入为窄带噪声，即

（6.2.17）

进行极值运算，即，可得到使最小的条件为

（6.2.21）

表明图6-7中两条曲线交点处为最佳门限值，将式(6.2.21)关系分别代入式（6.2.18）及

（6.2.19），可得

（6.

2.22）

ASK非相干解调误比特率近似为

（6.2.26）

式中，——功率信噪比。

我们可以简单比较ASK信号两种解调误比特率结果。在同样大信噪比时，相干解调的性能

较非相干解调优越，如（非相干），通过查本章附录互补

误差函数表，。

但是相干解调需提供准确的相干载波，而非相干解调可用简单的包络检测。总的来说，ASK 是以控制载波幅度或是否发送载波来传送信息，对于较高速率的无线信道已不再使用，它的抗干扰能力远不如其他很多类型的调制方式，这里仅是作为一种类型进行简单介绍，但提供的性能分析方法却有理论意义。

6.3 二元频移键控（FSK）

以二元数字序列去控制载波频率的变化，利用各与载频相差的两个频率的正弦振荡，分别表示传号与空号，称为频移键控（FSK）。

6.3.1 相位不连续的频移键控信号

传号与空号分别利用不同频率的独立载波，那么在1、0码转换时就不能保证两个振荡的相位连续性，由于此时相位的跳变也会引起本来为等幅振荡的载波包络起伏，因而FSK信号功率谱旁瓣衰减缓慢，而降低信道带宽利用率。

1.FSK信号特点

由式（6.3.1）传号与空号信号的频率均偏离载波为，因此二者误差为

（6.3.2）

FSK信号是两个不同频率而持续时间为的单音信号，因此它相当于两个不同载频的ASK 传号，其功率谱也是两部分拼成。

（6.3.3）2.FSK信号正交条件

现在讨论FSK信号如何满足正交条件。由构成的传号与空号载频与，两

载频之间应当具有一定关系，才能达到与互为正交。因此可以求传号与空号的相关系数

（6.3.4）