天津大学 通信原理 课件 第六章 数字频带传输

第六章·通信原理
2FSK信号的产生
ak
s(t) s(t) 载波f1
载波f2
选通开关1
1011001
选通开关2
10
t t t t t t
2FSK
二进制移频键控信号的时间波形 §6.1 二进制数字调制
t
第六章·通信原理
2FSK信号相干解调
11
SFSK(t)
BPF
LPF
ω1 cosω1t ω2
抽样 脉冲
BPF
§6.3 数字信号的最佳接收
第六章·通信原理
最大后验概率准则
38
最大后验概率准则(MAP)
在已知接收信号r的条件下，计算是每一个发送
符号的概率:
p(si | r) i = 1,2,
然后选择最可能的发送符号，即： 选择P(si|r)最大的的符号
s = arg max p(si | r) i = 1,2,
1
2
1
-10
1
2
2FSK信号
二进制频移键控(2FSK)
8
2FSK信号：正弦载波的频率随二进制基带信号在w1和
w2两个频率点间变化，
∑ ∑ s2FSK
=
⎛ ⎜⎝
n
an
g(t
−
nTS
)
⎞ ⎟⎠
cos
ω1t
+
⎛ ⎜⎝
n
an
g(t
−
nTS
)
⎞ ⎟⎠
cosω2t
2FSK可看作两个2ASK信号的合成波形
§6.1 二进制数字调制
第6章 数字频带传输系统 1
§ 6.1 § 6.2 § 6.3 § 6.4 § 6.5
二进制数字调制 二进制数字调制信号的频谱特性 数字信号的最佳接收 二进制数字调制信号的抗噪声性能 多进制数字调制
第6章 数字频带传输系统 2
§ 6.1 § 6.2 § 6.3 § 6.4 § 6.5
§6.3.1 最佳接收准则
36
最大输出信噪比准则
在输入信噪比相同的情况下，希望接收机输出 信噪比最大，从而可以得到最小的误码率。
实践中在接受机内采用匹配滤波器，使得在抽 样时刻输出信号的瞬时功率与噪声平均功率之比最 大。
第六章·通信原理
§6.3 数字信号的最佳接收
第六章·通信原理
最小均方误差准则
第六章·通信原理
2ASK信号包络检波
6
定时脉冲
S2ASK(t) 带通滤 a 全波整 b
波器
流器
低通滤 c 抽样判
波器
决器
d 输出
11 00 1 000 1 0 1
a
b
c d
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
§6.1.2 二进制频移键控(2FSK) 7
1
1
00
1
2
3
4
5
1
0
-1
模拟FM信号
00
Sn (ω )
=
n0 2
滤波器的输出为
y(t) = s0(t) + n0(t)
其中
∫ S0 (t )
=
1 2π
∞ S (ω) H (ω) e jωtห้องสมุดไป่ตู้
−∞
dω
二进制数字调制 二进制数字调制信号的频谱特性 数字信号的最佳接收 二进制数字调制信号的抗噪声性能 多进制数字调制
第六章·通信原理
第六章·通信原理
§6.1.1 二进制幅移键控(2ASK) 3
∑ sASK
(t
)
=
⎡ ⎢⎣
n
an
g
(t
−
nTs
⎤ )⎥⎦
cosω0t
an
=
⎧1 ⎨ ⎩0
g(t)
1 011 00 1
s(t) T
s
以概率 P 以概率 1− P
t
载波 t
2ASK t
2ASK信号的时间波形e2ASK(t)随二进制基带信号s(t)
通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK信号）
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2ASK信号的产生方法
4
f (t) A cosω0t
SASK (t)
(a) 模拟调制方法
-f2
-f1
0
f1
§6.2 二进制数字调制信号的频谱特性
f2
f
第六章·通信原理
§6.2.3 2PSK信号的功率谱 34
2ASK相当于AM，而2PSK相当于DSB信号，
2PSK的功率谱只比2ASK功率谱少载波分量：
PPSK(
f
)
=
Ts 4
{Sa2[π(
f
−
f0)Ts ]+ Sa2[π(
f
+
f0)Ts ]}
由 于 在 2PSK 信 号 的 载 波 恢 复 过 程 中 存 在 着 180°的相位模糊，所以2PSK信号的相干解调存在 随机的“倒π”现象。
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
二进制相移键控
22
二. 二进制相对调相(2DPSK)
2DPSK是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数 字信息。假设前后相邻码元的载波相位差为Δφ，可定义一 种数字信息与Δφ之间的关系为
单极性不归0脉冲
Sf
(
f
)
=
Ts 4
Sa2(πfTs ) +
1 4
δ(
f
)
PASK (
f
)
=
Ts 16
{Sa2[π
(
f
+
f0 ) Ts ] + Sa2[π (
f
−
f0 ) Ts ]}
+ 1 [δ ( 16
f
+
f0) + δ (
f
−
f0 )]
PASK(f )
-f0
§6.2 二进制数字调制信号的频谱特性
f0
f
2fs B2 ASK = 2 fs
第六章·通信原理
§6.2.2 2FSK信号的功率谱
33
P2FSK (
f
)
=
1 4
[S
f
(
f
+
f1) +
Sf
(
f
−
f1 )]
+
1 4
[
S
f
(
f
+
f2) + S f ( f
−
f2 )]
（1和0等概率出现时）
B2FSK = f2 − f1 +2fs
PFSK( f )
(a)模拟 调相法
f (t)
差分 编码
单/双极 性变换
cosω0t ∼
(b)相位 选择法
cos(ω0t+π) ∼
f (t) 差分编码
图6-14 2DPSK 产生的原理框图
§6.1 二进制数字调制
S2PSK (t) Acosω0t
S2PSK (t)
第六章·通信原理
2DPSK信号
24
0 1 0 11 00 1
Δφ
=
⎧π ⎩⎨0
信息码元“1” 信息码元“0”
或
Δφ
=
⎧0 ⎩⎨π
信息码元“1” 信息码元“0”
二进制数字信息：
1101001110
2DPSK信号相位： 0 π 0 0 π π π 0 π 0 0
或 π 0 ππ 0 0 0 π 0 π π
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2DPSK
23
2DPSK的产生基本上类似于2PSK,只是调制信号需要经过码型 变换,将绝对码变为相对码。
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
第6章 数字频带传输系统 29
§ 6.1 § 6.2 § 6.3 § 6.4 § 6.5
二进制数字调制 二进制数字调制信号的频谱特性 数字信号的最佳接收 二进制数字调制信号的抗噪声性能 多进制数字调制
回顾：随机过程通过乘法器 30
第六章·通信原理
LPF
抽样 判决
输出
cosω2t
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2FSK信号非相干解调
12
ω1
BPF
包络检 波器
SFSK(t)
抽样脉冲
ω2
BPF
包络检 波器
输出 抽样 判决
2FSK信号非相干解调原理图
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2FSK非相干解调过程的时间波形 13
11 00 1 000 1 0 1
=
1 4
TS
Sa2 (π
fTs
)
+
1 4
δ
(
f
)
双极性不归零码： S( f ) = TsSa2 (π fTs )
第六章·通信原理
§6.2.1 2ASK信号的功率谱 32
∑ s
ASK
(t
)
=
⎡ ⎢⎣
n
an
g
(t
−
nTs
⎤ )⎥⎦
cosω0t
PASK (
f
)
=
1 4
[S
f
(
f
+
f0) + Sf
(
f
−
f0 )]
PPSK( f )
f
-f0
0
f0
BPSK = 2 fs
§6.2 二进制数字调制信号的频谱特性
第六章·通信原理
第6章 数字频带传输系统 35
§ 6.1 § 6.2 § 6.3 § 6.4 § 6.5
二进制数字调制 二进制数字调制信号的频谱特性 数字信号的最佳接收 二进制数字调制信号的抗噪声性能 多进制数字调制
解码 1 1 0 1 10 01 0 1
误差传播：某一位码元的 判决误差会影响到相邻后 一位码元的判决
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2DPSK信号差分相干解调
26
SDPSK (t) BPF
a
c
Ts b
LPF
d
抽样 f 判决
输出
e
定时
优点：不需要本地载波，不需要载波同步 缺点：性能差3dB.
第六章·通信原理
回顾：数字基带信号的功率谱密度 31
Ss ( f ) = Su ( f ) + Sv ( f )
= fs P(1 − P) G1( f ) − G2 ( f ) 2
∞
2
∑ + fs2 PG1(mfs)+(1−P)G2(mfs) ⋅δ( f −mfs)
m=−∞
单极性不归零码：
S(
f
)
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2DPSK信号差分相干解调
27
输入
π 0 0π 0 0 0 π
延迟Tb
相乘
低通 判决
抽样
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2DPSK信号差分相干解调判决规则 28
差分相干解调判决规则：
1 差分：高或 AÆ0 低或 -AÆ1
0 差分：高或 AÆ1 低或 -AÆ0
第六章·通信原理
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2FSK信号的产生方法
9
f (t) VCO
S2FSK (t)
(a) 模拟调制方法
∼
选通
∑ s(t) =
ang(t −nTs)
c f1
开关 a
n
s(t)
倒相
b
∼
选通
d 开关 f2
(b) 数字键控方法
e
∑ f
s2FSK(t) g
§6.1 二进制数字调制
f (t)
(b) 数字键控法
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2PSK信号只能采用相干解调 18
SPSK (t)
(a)
BPF
LPF
抽样
(c) (d) 判决
(b)
Acos(ω0t+ϕ)
定时
抽样
输出
(e)
2PSK信号的相干解调原理图
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2PSK相干解调时各点的波形 19
展宽
低通 0
§6.1 二进制数字调制
t t t t
t
第六章·通信原理
二进制相移键控
16
一. 二进制绝对调相2PSK
Ts A
O
－A
1
t
0
0
1
绝对调相:利用载波的不同相位直接表示数字信息
( s2PSK (t) = ⎧⎨⎩cosc(oωs0ωt +0tπ )
an =1 an = 0
, t ∈ (n −1)Ts,
10110010
输入 本振
相乘
低通 抽样判决
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2PSK相干载波相位反相时的情况 20
1 0 1 100 10
本地 载波 180 度相 位差
解调 信号 的极 性全 部相 反
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2PSK调制的缺点
21
当恢复的相干载波产生180°倒相时，解调出 的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相 反，解调器输出数字基带信号全部出错。这种现象 通常称为“倒π”现象。
i
根据最大后验概率准则建立起来的最佳接收机 称为理想接收机
§6.3 数字信号的最佳接收
第六章·通信原理
§6.3.2 匹配滤波器
39
假定在线性滤波器的输入端加入信号和噪声的混合波
形r(t)，即 r(t) = s(t) + n (t)
s(t) ↔ S(ω)
信道噪声功率谱密度为 滤波器的传输函数为H(ω)
差分 波形
1
1
调制 波形
0
01 1 10
图 6 - 15 2DPSK信号调制过程波形图
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2DPSK信号的相干解调
25
SDPSK (t)
BPF
LPF
抽样 差分
判决 解码
Acos(ω0t+ϕ)
定时
信息 0 1 0 1 1 0 0 1
差分 0 1 1 0 1 1 1 0 接收 1 0 0 1 01 0 0 1
A cosω0t
SASK (t)
∑ f (t) = ang(t −nTs)
n
(b) 数字键控方法
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2ASK信号相干解调
5
带 通 S2ASK(t) 滤 波 器
定时脉冲
cos(ω0t)
低 通 滤 波 器
抽 样 输出 判 决 器
2ASK信号相干解调原理
§6.1 二进制数字调制
nTs ⎤⎦
∑ s2PSK(t)
=
⎡ ⎢⎣
n
bn
g(t
−
nTs
⎤ )⎥⎦
cosω0t
bn = 2an −1
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2PSK的产生方法
17
单/双极
f (t)
性变换
S2PSK (t)
Acosω0t
(a) 模拟调相法
cosω0t ∼
S2PSK (t)
cos(ω0t+π ) ∼
2FSK
整流
整流
包络 检波
抽样 判决
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2FSK信号过零检测法解调
14
a SFSK(t)
限
b
微
cdef 全脉低
幅
分 波冲通
整 展 滤 数字
流 宽 波 基带
信号
§6.1 二进制数字调制
第六章·通信原理
2FSK过零检测法各点时间波形 15
输入 0
t
限幅 0
微分 0
整流 0 脉冲 0
37
最小均方误差准则(MMSE)
使滤波器输出的信号波形与发送信号波形之间的 均方误差最小，由此而导出的最佳线性滤波器称为维 纳滤波器；
发送信号为:d(t) 接收滤波器输出信号为x(t) 最小均方误差定义为：
e2=E[(x(t)-d(t))2] 主要应用：抑制与信号处于同一频带的噪声
自适应信号处理，无失真接收。