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1、7.1二进制数字调制与解调原理7.2二进制数字调制系统的抗噪声性能7.3二进制数字调制系统的性能比较7.4多进制数字调制系统,第 7 章数字频带传输系统,返回主目录,第7章 数字频带传输系统,7.1二进制数字调制与解调原理 7.1.1二进制振幅键控（2ASK）振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，发送1符号的概率为1-P，且相互独立。该二进制符号序列可表示为,s(t)=,其中:an=0,发送概率为P 1,发送概率为1-P,Ts是二进制基带信号时间间隔，g(t)是持续时间
2、为Ts的矩形脉冲:,g(t)=,1 0 TS0 其他,则二进制振幅键控信号可表示为 e2ASK(t)=,二进制振幅键控信号时间波型如图 7-2 所示。由图 7-2 可以看出，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）。二进制振幅键控信号的产生方法如图 7-3 所示，图(a)是采用模拟相乘的方法实现，图(b)是采用数字键控的方法实现。由图 7-2 可以看出，2ASK信号与模拟调制中的AM信号类似。所以，对2ASK信号也能够采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)，其相应原理方框图如图7-2 4 所示。2ASK信号非相干
3、解调过程的时间波形如图 7-5 所示。,图 7 2 二进制振幅键控信号时间波型,图 7-3 二进制振幅键控信号调制器原理框图,7.1.2二进制移频键控（2FSK）在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号（2FSK信号）。二进制移频键控信号的时间波形如图7-6 所示，图中波形g可分解为波形e和波形f，即二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为,e2FSK(t)=,图 7-6 二进制移频键控信号的时间波
4、形,an=0,发送概率为P 1,发送概率为1-P(7.1-6)bn=0,发送概率为1-P 1,发送概率为P,由图 7-6 可看出，bn是an的反码，即若an=1，则bn=0，若an=0，则bn=1，于是bn=n。n和n分别代表第n个信号码元的初始相位。在二进制移频键控信号中，n和n不携带信息，通常可令n和n为零。因此，二进制移频键控信号的时域表达式可简化为,e2FSK(t)=,二进制移频键控信号的产生，可以采用模拟调频电路来实现，也可以采用数字键控的方法来实现。图 7-7 是数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图,图中两个振荡器的输出载波受输入的二进制基带信号控制，在一个码元Ts期间输出f1
5、或f2两个载波之一。二进制移频键控信号的解调方法很多，有模拟鉴频法和数字检测法，有非相干解调方法也有相干解调方法。采用非相干解调和相干解调两种方法的原理图如图7-8 所示。其解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号，分别进行解调，通过对上下两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号。非相干解调过程的时间波形如图 7-9 所示。,图 7 7 数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图,图 7 8 二进制移频键控信号解调器原理图(a)非相干解调;(b)相干解调,图 7-92FSK非相干解调过程的时间波形,过零检测法解调器的原理图和各点时间波形如图 7-10 所示。其基本原理是，二进
6、制移频键控信号的过零点数随载波频率不同而异，通过检测过零点数从而得到频率的变化。在图 7-10 中，输入信号经过限幅后产生矩形波，经微分、整流、波形整形，形成与频率变化相关的矩形脉冲波，经低通滤波器滤除高次谐波，便恢复出与原数字信号对应的基带数字信号。,图 7 10 过零检测法原理图和各点时间波形,7.1.3二进制移相键控（2PSK）在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常用已调信号载波的 0和 180分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。二进制移相键控信号的时域表达式为 e2PSK(t)=g(t-nTs)cosct(7
7、.1-9)其中,an与2ASK和2FSK时的不同，在2PSK调制中，an应选择双极性，即 an=,1,发送概率为P-1,发送概率为1-P,若g(t)是脉宽为Ts,高度为1的矩形脉冲时，则有e2PSK(t)=cosct,发送概率为P-cosct,发送概率为1-P 由式(7.1-11)可看出，当发送二进制符号1时，已调信号e2PSK(t)取0相位，发送二进制符号0时，e2PSK(t)取180相位。若用n表示第n个符号的绝对相位，则有 n=0,发送 1 符号 180,发送 0 符号,这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对移相方式。二进制移相键控信号的典型时间波形如图
8、 7-11 所示。,图 7 11 二进制移相键控信号的时间波形,二进制移相键控信号的调制原理图如图 7-12 所示。其中图(a)是采用模拟调制的方法产生2PSK信号，图(b)是采用数字键控的方法产生2PSK信号。2PSK信号的解调通常都是采用相干解调，解调器原理图如图 7-13 所示。在相干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波，有关相干载波的恢复问题将在第 11 章同步原理中介绍。2PSK信号相干解调各点时间波形如图 7-14 所示。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。,图 7-122PSK
9、信号的调制原理图,图 7-132PSK信号的解调原理图,图 7-142PSK信号相干解调各点时间波形,这种现象通常称为“倒”现象。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”现象，从而使得2PSK方式在实际中很少采用。,7.1.4二进制差分相位键控（2DPSK）在2PSK信号中，信号相位的变化是以未调正弦载波的相位作为参考，用载波相位的绝对数值表示数字信息的，所以称为绝对移相。由图 7-14 所示2PSK信号的解调波形可以看出，由于相干载波恢复中载波相位的180相位模糊，导致解调出的二进制基带信号出现反向现象，从而难以实际应用。为了解决2
10、PSK信号解调过程的反向工作问题，提出了二进制差分相位键控(2DPSK)。2DPSK方式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，可定义一种数字信息与之间的关系为,=0,表示数字信息“0”,表示数字信息“1”则一组二进制数字信息与其对应的2DPSK信号的载波相位关系如下所示:二进制数字信息：1 1 0 1 0 0 1 1 1 02DPSK信号相位：00 000 0或 00 0 0 0,数字信息与之间的关系也可以定义为=0,表示数字信息“1”,表示数字信息“0”,2DPSK信号调制过程波形如图 7-15 所示。可以看出，2DPSK信号的实现方法可以采用：首
11、先对二进制数字基带信号进行差分编码，将绝对码表示二进制信息变换为用相对码表示二进制信息，然后再进行绝对调相，从而产生二进制差分相位键控信号。2DPSK信号调制器原理图如图 7-16 所示 2DPSK信号可以采用相干解调方式(极性比较法)，解调器原理图和解调过程各点时间波形如图 7-17 所示。其解调原理是：对2DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息。在解调过程中，若相干载波产生180相位模糊，解调出的相对码将产生倒置现象，但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊度的问题。,图 7-152DPSK
12、信号调制过程波形图,图 7-162DPSK信号调制器原理图,图 7-172DPSK信号相干解调器原理图和解调过程各点时间波形,2DPSK信号也可以采用差分相干解调方式(相位比较法)，解调器原理图和解调过程各点时间波形如图 7-18 所示。其解调原理是直接比较前后码元的相位差，从而恢复发送的二进制数字信息。由于解调的同时完成了码反变换作用，故解调器中不需要码反变换器。由于差分相干解调方式不需要专门的相干载波，因此是一种非相干解调方法。2DPSK系统是一种实用的数字调相系统，但其抗加性白噪声性能比2PSK的要差。,图 7-182DPSK信号差分相干解调器原理图和解调过程各点时间波形,7.1.5二进
13、制数字调制信号的功率谱密度 1.2ASK信号的功率谱密度 由式(7.1-4)可知，二进制振幅键控信号表示式与双边带调幅信号时域表示式类似。若二进制基带信号s(t)的功率谱密度Ps(f)为,则二进制振幅键控信号的功率谱密度P2ASK(f)为 P2ASK(f)=14Ps(f+fc)+Ps(f-fc)=116fs|G(f+fc)|2+|G(f-fc)|2+f2s|G(0)|2(f+fc)+(f-fc),整理后可得 P2ASK(f)=,式(7.1-15)中用到P=1/2，fs=1/Ts。二进制振幅键控信号的功率谱密度示意图如图 7-19 所示，其由离散谱和连续谱两部分组成。离散谱由载波分量确定，连续谱
14、由基带信号波形g(t)确定，二进制振幅键控信号的带宽B2ASK是基带信号波形带宽的两倍,即B2ASK=2B。,图 7-192ASK信号的功率谱密度示意图,2.2FSK信号的功率谱密度 对相位不连续的二进制移频键控信号，可以看成由两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加，其中一个频率为f1，另一个频率为f2。因此，相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱密度可以近似表示成两个不同载波的二进制振幅键控信号功率谱密度的叠加。相位不连续的二进制移频键控信号的时域表达式为,e2FSK(t)=s1(t)cos1t+s2(t)cos2t,根据二进制振幅键控信号的功率谱密度，我们可以得到二进制移频键控信号的功率谱
15、密度P2FSK(f)为P2(f)=Ps1(f+f1)+Ps1(f-f1)+Ps2(f+f2)+Ps2(f-f2)(7.1-17),令概率P=1/2，将二进制数字基带信号的功率谱密度公式代入式(7.1-17)可得,(f+f1)+(f-f1)+(f+f2)+(f-f2)(7.1-18),由式(7.1-18)可得，相位不连续的二进制移频键控信号的功率谱由离散谱和连续谱所组成，如图 7-20 所示。其中，离散谱位于两个载频f1和f2处；连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加形成；若两个载波频差小于fs，则连续谱在fc处出现单峰；若载频差大于fs，则连续谱出现双峰。若以二进制移频键控信号功率谱第一
16、个零点之间的频率间隔计算二进制移频键控信号的带宽，则该二进制移频键控信号的带宽B2FSK为,B2FSK=|f2-f1|+2fs,其中fs=1/Ts。,图 7 20 相位不连续2FSK信号的功率谱示意图,3.2PSK及2DPSK信号的功率谱密度 2PSK与2DPSK信号有相同的功率谱。由式(7.1-9)可知，2PSK信号可表示为双极性不归零二进制基带信号与正弦载波相乘，则2PSK信号的功率谱为 P2PSK(f)=,由式(7.1-21)和式(7.1-22)可以看出，一般情况下二进制移相键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱所组成，其结构与二进制振幅键控信号的功率谱密度相类似，带宽也是基带信号带宽的两
17、倍。当二进制基带信号的“1”符号和“0”符号出现概率相等时，则不存在离散谱。2PSK信号的功率谱密度如图 7-21 所示。,图 7-212PSK(2DPSK)信号的功率谱密度,7.2二进制数字调制系统的抗噪声性能,在上一节我们详细讨论了二进制数字调制系统的工作原理，给出了各种数字调制信号的产生和相应的解调方法。在数字通信系统中，信号的传输过程会受到各种干扰，从而影响对信号的恢复。从这一节开始，我们将对2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK系统的抗噪声性能进行深入的分析。通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。在数字通信系统中，衡量系统抗噪声性能的重要指标是误码率，因此，分析二进制
18、数字调制系统的抗噪声性能，也就是分析在信道等效加性高斯白噪声的干扰下系统的误码性能，得出误码率与信噪比之间的数学关系。在二进制数字调制系统抗噪声性能分析中，假设信道特性是恒参信道，在信号的频带范围内其具有理想矩形的传输特性(可取传输系数为K)。噪声为等效加性高斯白噪声，其均值为零，方差为2。,7.2.1二进制振幅键控(2ASK)系统的抗噪声性能 由7.1节我们知道，对二进制振幅键控信号可采用包络检波法进行解调，也可以采用同步检测法进行解调。但两种解调器结构形式不同，因此分析方法也不同。下面将分别针对两种解调方法进行分析。1.同步检测法的系统性能 对2ASK系统，同步检测法的系统性能分析模型如图
19、 7-22 所示。在一个码元的时间间隔Ts内，发送端输出的信号波形sT(t)为,ST(t)=,uT(t)发送“1”符号0 发送“0”符号,其中：,UT(t)=,A coswct 0tT0 其他,式中c为载波角频率，Ts为码元时间间隔。在(0,Ts)时间间隔，接收端带通滤波器输入合成波形yi(t)为 yi(t)=,ui(t)+ni(t),发送“1”符号ni(t),发送“0”符号,式中:,ui(t)=AKcosct,0tTs 0,其他,=a cosct,0tTs 0,其他,为发送信号经信道传输后的输出。ni(t)为加性高斯白噪声，其均值为零，方差为2。设接收端带通滤波器具有理想矩形传输特性，恰好使
20、信号完整通过，则带通滤波器的输出波形y(t)为,y(t)=ui(t)+n(t),发送“1”符号 n(t),发送“0”符号,由第 2 章随机信号分析可知，n(t)为窄带高斯噪声，其均值为零，方差为2n，且可表示为 n(t)=nc(t)cosct-ns(t)sinct(7.2-6),于是输出波形y(t)可表示为y(t)=acosct+nc(t)cosct-ns(t)sinct nc(t)cosct-ns(t)sinct=a+nc(t)cosct-ns(t)sinct,发送“1”符号 nc(t)cosct-ns(t)sinct,发送“0”符号,与相干载波2cosct相乘后的波形z(t)为z(t)=2
21、y(t)cosct=2a+nc(t)cos2ct-2ns(t)sinctcosct 2nc(t)cos2Ct-2ns(t)sinct cosct,a+nc(t)+a+nc(t)cos2ct-ns(t)sin2ct,发送“1”符号nc(t)+nc(t)cos2ct-ns(t)sin2ct,发送“0”符号 x(t)=a+nc(t),发送“1”符号 nc(t),发送“0”符号,式中，a为信号成分，nc(t)为低通型高斯噪声，其均值为零，方差为2n。设对第k个符号的抽样时刻为kTs，则x(t)在kTs时刻的抽样值x为,x=a+nc(kTs)nc(kTs),=a+nc,发送“1”符号 nc,发送“0”符
22、号,式中，nc是均值为零，方差为2n的高斯随机变量。由随机信号分析可得，发送“1”符号时的抽样值x=a+nc的一维概率密度函数f1(x)为f1(x)=,发送“0”符号时的抽样值x=nc的一维概率密度函数f0(x)为,f0(x)=,f1(x)和f0(x)的曲线如图 7-23 所示,图 7-23 抽样值x的一维概率密度函数,假设抽样判决器的判决门限为b，则抽样值xb时判为“1”符号输出，若抽样值xb时判为“0”符号输出。当发送的符号为“1”时，若抽样值xb判为“0”符号输出，则发生将“1”符号判决为“0”符号的错误；当发送的符号为“0”时，若抽样值xb判为“1”符号输出，则发生将“0”符号判决为“
23、1”符号的错误。若发送的第k个符号为“1”，则错误接收的概率P(0/1)为,P(0/1)=P(xb)=,式中：,同理，当发送的第k个符号为“0”时，错误接收的概率P(1/0)为 P(1/0)=P(xb)=,系统总的误码率为将“1”符号判为“0”符号的错误概率与将“0”符号判为“1”符号的错误概率的统计平均，即 Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(0/1)=,P(1),式(7.2-15)表明，当符号的发送概率P(1)、P(0)及概率密度函数f1(x)、f0(x)一定时，系统总的误码率Pe将与判决门限b有关，其几何表示如图 7-24 所示。误码率Pe等于图中阴影的面积。改变判决门限b，阴影的面
24、积将随之改变，也即误码率Pe的大小将随判决门限b而变化。进一步分析可得，当判决门限b取P(1)f1(x)与P(0)f0(x)两条曲线相交点b*时，阴影的面积最小。即判决门限取为b*时，此时系统的误码率Pe最小。这个门限就称为最佳判决门限。,图 7 24 同步检测时误码率的几何表示,最佳判决门限也可通过求误码率Pe关于判决门限b的最小值的方法得到，令=0(7.2-16)可得 P(1)f1(b*)-P(0)f0(b*)=0即 P(1)f1(b*)=P(0)f0(b*)(7.2-17)将式(7.2-11)和式(7.2-12)代入式(7.2-17)可得 化简上式可得,b*=,上式就是所需的最佳判决门限
25、。当发送的二进制符号“1”和“0”等概出现，即P(1)=P(0)时，最佳判决门限b*为 b*=(7.2-19)上式说明，当发送的二进制符号“1”和“0”等概时，最佳判决门限b*为信号抽样值的二分之一。,当发送的二进制符号“1”和“0”等概，且判决门限取b*=时，对2ASK信号采用同步检测法进行解调时的误码率Pe为 Pe=erfc(7.2-20)式中,r=为信噪比。当r0，即大信噪比时，式(7.2-20)可近似表示为 Pe,2.包络检波法的系统性能 包络检波法解调过程不需要相干载波，比较简单。包络检波法的系统性能分析模型如图 7-25 所示。接收端带通滤波器的输出波形与相干检测法的相同，即y(t
26、)=a+nc(t)cosct-ns(t)sinct,发送“1”符号 nc(t)cosct-ns(t)sinct,发送“0”符号 包络检波器能检测出输入波形包络的变化。包络检波器输入波形y(t)可进一步表示为,图 7 25 包络检波法的系统性能分析模型,当发送“1”符号时，包络检波器的输出波形V(t)为V(t)=(7.2-23)当发送“0”符号时，包络检波器的输出波形V(t)为 V(t)=,在kTs时刻包络检波器输出波形的抽样值为,V=,发送“1”符号,发送“0”符号,由第 2 章随机信号分析可知，发送“1”符号时的抽样值是广义瑞利型随机变量；发送“0”符号时的抽样值是瑞利型随机变量，它们的一维
27、概率密度函数分别为,式中，2n为窄带高斯噪声n(t)的方差。当发送符号为“1”时，若抽样值V小于等于判决门限b，则发生将“1”符号判为“0”符号的错误，其错误概率P(0/1)为,P(0/1)=P(Vb)=(7.2-28)式(7.2-28)中的积分值可以用Marcum Q函数计算，Q函数定义为 Q(,)=,将Q函数代入式(7.2-28)可得P(0/1)=1-Q,式中,b0=可看为归一化门限值，,同理，当发送符号为“”时，若抽样值V大于判决门限b，则发生将“”符号判为“”符号的错误，其错误概率P(1/0)为,若发送“”符号的概率为P(1)，发送“”符号的概率为P(0)，则系统的总误码率Pe为Pe=
28、P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)=P(1)1-Q,b0)+P(0)e-b20/2(7.2-31),与同步检测法类似，在系统输入信噪比一定的情况下，系统误码率将与归一化门限值b0有关。最佳归一化判决门限b*0也可通过求极值的方法得到，令 可得 P(1)f1(b*)=P(0)f0(b*)(7.2-32)当P(1)=P(0)时有,f1(b*)=f0(b*)(7.2-33),式中最佳判决门限b*=b*0n。将式(7.2-26)、式(7.2-27)代入式,在大信噪比(r1)的条件下，式(7.2-34)可近似为,此时，最佳判决门限b*为 b*=,最佳归一化判决门限b*0为 b*0=,在小信噪比(
29、r1)的条件下，式(7.2-34)可近似为,此时，最佳判决门限b*为 b*=,最佳归一化判决门限b*0为 b*0=,在实际工作中，系统总是工作在大信噪比的情况下，因此最佳归一化判决门限应取b*0=。此时系统的总误码率Pe为,Pe=,当r式，上式的下界为,比较式(7.2-20)、式(7.2-21)和式(7.2-40)可以看出：在相同的信噪比条件下，同步检测法的误码性能优于包络检波法的性能；在大信噪比条件下，包络检波法的误码性能将接近同步检测法的性能。另外，包络检波法存在门限效应，同步检测法无门限效应。,例 7-1设某2ASK系统中二进制码元传输速率为9600波特，发送“1”符号和“0”符号的概率
30、相等，接收端分别采用同步检测法和包络检波法对该2ASK信号进行解调。已知接收端输入信号幅度a=1mV，信道等效加性高斯白噪声的双边功率谱密度=410-13W/Hz。试求:(1)同步检测法解调时系统总的误码率；(2)包络检波法解调时系统总的误码率。解(1)对于2ASK信号，信号功率主要集中在其频谱的主瓣。因此，接收端带通滤波器带宽可取2ASK信号频谱的主瓣宽度，即,B=2RB=29600=19200 Hz带通滤波器输出噪声平均功率为2n=2B=410-13219200=1.53610-8W信噪比为,因为信噪比r32.551，所以同步检测法解调时系统总的误码率为 Pe=,(2)包络检波法解调时系统
31、总的误码率为Pe=e-8.138=1.4610-4比较两种方法解调时系统总的误码率可以看出，在大信噪比的情况下，包络检波法解调性能接近同步检测法解调性能。,7.2.2二进制移频键控(2FSK)系统的抗噪声性能 由 7.1 节分析可知，对2FSK信号解调同样可以采用同步检测法和包络检波法，下面分别对两种方法的解调性能进行分析。1.同步检测法的系统性能 2FSK信号采用同步检测法性能分析模型如图 7-26 所示。在码元时间宽度Ts区间，发送端产生的2FSK信号可表示为,sT(t)=u1T(t),发送“1”符号 u0T(t),发送“0”符号,图 7 26 2 FSK信号采用同步检测法性能分析模型,其
32、中:u1T(t)=A cos1t,0tTs 0,其他(7.2-42)u0T(t)=A cos2t,0tTs 0,其他(7.2-43)式中，1和2分别为发送“1”符号和“0”符号的载波角频率，Ts为码元时间间隔。在(0,Ts)时间间隔，信道输出合成波形yi(t)为,yi(t)=Ku1T(t)+ni(t)Ku0T(t)+ni(t)式中，ni(t)为加性高斯白噪声，其均值为零，方差为2。在图 7-26 中，解调器采用两个带通滤波器来区分中心频率分别为1和2的信号。中心频率为1的带通滤波器只允许中心频率为1的信号频谱成分通过，而滤除中心频率为2的信号频谱成分；中心频率为2的带通滤波器只允许中心频率为2
33、的信号频谱成分通过，而滤除中心频率为1的信号频谱成分。这样，接收端上下支路两个带通滤波器的输出波形y1(t)和y2(t)分别为,acos1t+ni(t),发送“1”符号a cos2t+ni(t),发送“0”符号,=,y1(t)=a cos1t+n1(t)n1(t)发送“1”符号 n1c(t)cos1t-n1s(t)sin1t,发送“0”符号,a+n1c(t)cos1t-n1s(t)sin1t,a+n2c(t)cos1s-1s(t)sin1t,同理y2(t)=n2(t)acos2t+n2(t)=n2c(t)cos2t-n2s(t)sin2t,发送“1”符号a+n2c(t)cos2t-n2s(t)
34、sin2t,发送“0”符号(7.2-46),假设在(0，Ts)发送“1”信号，则上下支路两个带通滤波器的输出波形y1(t)和y2(t)分别为 y1(t)=a+n1c(t)cos1t-n1s(t)sin1ty2(t)=n2c(t)cos2t-n2s(t)sin2t y1(t)与相干载波2cos1t相乘后的波形z1(t)为 z1(t)=2y1(t)cos1t=a+n1c(t)+a+n1c(t)cos21t-n1s(t)sin21t(7.2-47)y2(t)与相干载波2cos2t相乘后的波形z2(t)为,z2(t)=2y2(t)cos2t=n2c(t)+n2c(t)cos22t-n2s(t)sin2
35、2t(7.2-48)z1(t)和z2(t)分别通过上下两个支路低通滤波器的输出x1(t)和x2(t)为 x1(t)=a+n1c(t)(7.2-49)x2(t)=n2c(t)(7.2-50)式中，a为信号成分，n1c(t)和n2c(t)均为低通型高斯噪声，其均值为零，方差为2n。因此，x1(t)和x2(t)在kTs时刻抽样值的一维概率密度函数分别为,f(x1)=,f(x2)=,当x1(t)的抽样值x1小于x2(t)的抽样值x2时，判决器输出“0”符号，发生将“1”符号判为“0”符号的错误，其错误概率P(0/1)为,因此，错误概率P(0/1)为,P(0/1)=P(x1x2)=P(z0),同理可得，
36、发送“0”符号而错判为“1”符号的概率P(1/0)为,P(1/0)=P(x1x2)=,于是可得2FSK信号采用同步检测时系统总误码率Pe为 Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)=,式中,r=a222n为信噪比。在大信噪比条件下，即r1时，式(7.2-55)可近似表示为 Pe(7.2-56),2.包络检波法的系统性能 与2ASK信号解调相似，2FSK信号也可以采用包络检波法解调，性能分析模型如图7-27 所示。图 7 27 2FSK信号采用包络检波法解调性能分析模型与同步检测法解调相同，接收端上下支路两个带通滤波器的输出波形y1(t)和y2(t)分别表示为式(7.2-45)和(7.2
37、-46)，若在(0，Ts)发送“1”信号，则上下支路两个带通滤波器的输出波形y1(t)和y2(t)分别为,图7-27 2FSK 信号采用包络检测波法解调性能分析,y1(t)=a+n1c(t)cos1t-n1s(t)sin1t,=,式中，V1(t)=a+n1c(t)2+n21s(t)是y1(t)的包络，V2(t)=n22c(t)+n22s(t)是y2(t)的包络。在kTs时刻，抽样判决器的抽样值分别为 V1=a+n1c2+n21s(7.2-59)V2=(7.2-60)由随机信号分析可知，V1服从广义瑞利分布，V2服从瑞利分布。V1、V2的一维概率密度函数分别为,f(V1)=e-(V21+a2)/
38、22n(7.2-61)f(V2)=e-V22/22n(7.2-62),在2FSK信号的解调器中，抽样判决器的判决过程与2ASK不同。在2ASK信号解调中，判决是与一个固定的门限比较。在2FSK信号解调中，判决是对上下两路包络的抽样值进行比较，即：当V1(t)的抽样值V1大于V2(t)的抽样值V2时，判决器输出为“1”，此时是正确判决；当V1(t)的抽样值V1小于V2(t)的抽样值V2时，判决器输出为“0”，此时是错误判决，错误概率为,P(0/1)=P(V1V2)=,令 t=,P(0/1)=,式中，r=。同理可得发送“0”符号时判为“1”的错误概率P(1/0)为 P(1/0)=P(V1V2)=e
39、-r/22FSK信号包络检波法解调时系统总的误码率Pe为 Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)=e-r/2(7.2-64)比较式(7.2-55)和式(7.2-64)可以看出，在大信噪比条件下，2FSK信号采用包络检波法解调性能与同步检测法解调性能接近，同步检测法性能较好。对2FSK信号还可以采用其他方式进行解调，有兴趣的读者可以参考其他有关书籍。,7.2.3二进制移相键控(2PSK)和二进制差分相位键控(2DPSK)系统的抗噪声性能 在二进制移相键控方式中，有绝对调相和相对调相两种调制方式，相应的解调方法也有相干解调和差分相干解调，下面分别讨论相干解调和差分相干解调系统的抗噪声性能
40、。1.2PSK相干解调系统性能 2PSK信号的解调通常都是采用相干解调方式(又称为极性比较法)，其性能分析模型如图 7-28 所示。在码元时间宽度Ts区间，发送端产生的2PSK信号可表示为,图 7-282PSK信号相干解调系统性能分析模型,2PSK信号采用相干解调方式与2ASK信号采用相干解调方式分析方法类似。在发送“1”符号和发送“0”符号概率相等时，最佳判决门限b*=0。此时，2PSK系统的总误码率Pe为Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(0/1)=(7.2-66)在大信噪比(r1)条件下，式(7.2-73)可近似表示为,2.2DPSK信号相干解调系统性能 2DPSK信号有两种解调方式
41、，一种是差分相干解调，另一种是相干解调加码反变换器。我们首先讨论相干解调加码反变换器方式，分析模型如图 7-29 所示。由图 7-29 可知，2DPSK信号采用相干解调加码反变换器方式解调时，码反变换器输入端的误码率既是2PSK信号采用相干解调时的误码率，由式(7.2-66)确定。该点信号序列是相对码序列，还需要通过码反变换器变成绝对码序列输出。因此，此时只需要再分析码反变换器对误码率的影响即可。,图 7-292DPSK信号相干解调系统性能分析模型,为了分析码反变换器对误码的影响，我们作出一组图形来加以说明。图 7-30(a)所示波形是解调出的相对码信号序列，没有错码，因此通过码反变换器变成绝
42、对码信号序列输出也没有错码。图 7-30(b)所示波形是解调出的相对码信号序列，有一位错码，用表示错码位置。通过分析可得：相对码信号序列中的一位错码通过码反变换器输出的绝对码信号序列将产生两位错码，用表示错码位置。图7-30(c)所示波形是解调出的相对码信号,序列中有连续两位错码，用表示错码位置。此时相对码信号序列中的连续两位错码通过码反变换器输出的绝对码信号序列也只产生两位错码，用表示错码位置。,由图7-30(c)可以看出，码反变换器输出的绝对码信号序列中，两个错码中间的一位码由于相对码信号序列中的连续两次错码又变正确了。图 7-30(d)所示波形是解调出的相对码信号序列中有连续五位错码，用
43、表示错码位置。此时码反变换器输出的绝对码信号序列也只产生两位错码，用表示错码位置。由于相对码信号序列中有前后两个错码从而使得输出绝对码序列中两个错码之间的四位码都变正确了。依次类推，若码反变换器输入相对码信号序列中出现连续n个错码，则输出绝对码信号序列中也只有两个错码。,图 7 30 码反变换器对错码的影响,P1=(1-Pe)Pe(1-Pe)=(1-Pe)2PeP2=(1-Pe)P2e(1-Pe)=(1-Pe)2P2ePn=(1-Pe)Pne(1-Pe)=(1-Pe)2Pne,将式(7.2-69)代入式(7.2-68)可得 P e=2(1-Pe)2(Pe+P2e+Pne+)=2(1-Pe)2P
44、e(1+Pe+P2e+Pne+)因为误码率Pe小于1，所以下式成立:Pe=2(1-Pe)Pe(7.2-70),将2PSK信号采用相干解调时的误码率表示式(7.2-66)代入式(7.2-70)，则可得到2DPSK信号采用相干解调加码反变换器方式解调时的系统误码率为 Pe=1-(erfr)2(7.2-71)当相对码的误码率Pe1 时，式(7.2-70)可近似表示为 Pe=2Pe(7.2-72)即此时码反变换器输出端绝对码序列的误码率是码反变换器输入端相对码序列误码率的两倍。可见，码反变换器的影响是使输出误码率增大。,3.2DPSK信号差分相干解调系统性能 2DPSK信号差分相干解调方式也称为相位比
45、较法，一种非相干解调方式，其性能分析模型如图 7-31所示。由解调器原理图可以看出，解调过程中需要对间隔为Ts的前后两个码元进行比较。假设当前发送的是“1”符号，并且前一个时刻发送的也是“1”符号，则带通滤波器输出y1(t)和延迟器输出y2(t)分别为 y1(t)=a cosct+n1(t)=a+n1c(t)cosct-n1s(t)sinct y2(t)=a cosct+n2(t)=a+n2c(t)cosct-n2s(t)sinct 其中，n1(t)和n2(t)分别为无延迟支路的窄带高斯噪声和有延迟支路的窄带高斯噪声，并且n1(t)和n2(t)相互独立。低通滤波器的输出在抽样时刻的样值为 x=
46、(a+n1c)(a+n2c)+n1sn2s,图7-31 2DPSK信号差分相干解调误码率分析模型,若x0，则判决为“1”符号正确判决若x0，则判决为“0”符号错误判决,“1”符号判为“0”符号的概率为 P(0/1)=Px0=P(a+n1c)(a+n2c)+n1sn2s0(7.2-76)利用恒等式x1x2+y1y2=(x1+x2)2+(y1+y2)2-(x1-x2)2+(y1-y2)2,令式(7.2-77)中,x1=a+n1c,x2=a+n2c,y1=a+n1s,y2=a+n2s,则式(7.2-75)可转换为x=(2a+n1c+n2c)2+(n1s+n2s)2-(n1c-n2c)2-(n1s+n
47、2s)2(7.2-78)若判为“0”符号则有(2a+n1c+n2c)2+(n1s+n2s)2-(n1c-n2c)2-(n1s+n2s)20(2a+n1c+n2c)2+(n1s+n2s)2-(n1c-n2c)2-(n1s+n2s)20(2a+n1c+n2c)2+(n1s+n2s)2(n1c-n2c)2+(n1s+n2s)2,则式(7.2-79)可化简为,R21R22根据R21和R22的性质，上式可等价为 R1R2此时，将“1”符号判为“0”符号的错误概率可表示为P(0/1)=Px0=PR1R2因为n1c、n2c、n1s、n2s是相互独立的高斯随机变量，且均值为0，方差相等为2n。根据高斯随机变量
48、之和仍为高斯随机变量，且均值为各随机变量的均值的代数和，方差为各随机变量方差之和的性质，,则n1c+n2c是零均值，方差为22n的高斯随机变量。同理，n1s+n2s,n1c-n2c,n1s-n2s 都是零均值，方差为22n的高斯随机变量。由随机信号分析理论可知，R1的一维分布服从广义瑞利分布，R2的一维分布服从瑞利分布，其概率密度函数分别为 f(R1),将式(7.2-78)代入式(7.2-76)可得,P(0/1)=Px0=PR1R2,式中，r=。同理可以求得将“0”符号错判为“1”符号的概率P(1/0)=P(0/1)，即 P(1/0)=e-r因此，2DPSK信号差分相干解调系统的总误码率Pe为
49、 Pe=e-r(7.2-82),例 7-2若采用2DPSK方式传送二进制数字信息，已知发送端发出的信号振幅为5V，输入接收端解调器的高斯噪声功率2n=310-12W，今要求误码率Pe=10-5。试求：(1)采用差分相干接收时，由发送端到解调器输入端的衰减为多少？(2)采用相干解调码反变换接收时，由发送端到解调器输入端的衰减为多少？解(1)2DPSK方式传输，采用差分相干接收，其误码率为 Pe=e-r=10-5 可得 r=10.82 又因为 r=,衰减分贝数为k=20lg=20lg58.0610-6=115.9 dB（2）采用相干解调码反变换接收时误码率为 Pe2P=erfc=10-5可得 r=
50、9.8 a=衰减分贝数为 k=20lg=20lg=116.3 dB由分析结果可以看出，当系统误码率较小时，2DPSK系统采用差分相干方式接收与采用相干解调码反变换方式接收的性能很接近。,7.3二进制数字调制系统的性能比较,在数字通信中，误码率是衡量数字通信系统的重要指标之一，上一节我们对各种二进制数字通信系统的抗噪声性能进行了详细的分析。下面我们将对二进制数字通信系统的误码率性能、频带利用率、对信道的适应能力等方面的性能做进一步的比较。1.误码率 二进制数字调制方式有2ASK、2FSK、2PSK及2DPSK，每种数字调制方式又有相干解调方式和非相干解调方式。表 7-1 列出了各种二进制数字调制
