通信原理5 调制传输系统的抗噪声性能
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大学课程通信原理第5章-模拟调制系统课件
调制信号：原始基带信号
模拟调制：调制信号取值连续 数字调制：调制信号取值离散
正弦波模拟调制
载波：携带调制信号的信号
正弦波调制：正弦型信号作为载波 脉冲调制：脉冲串作为载波
正弦波数字调制 脉冲模拟调制 脉冲数字调制
2
1 调制的定义和分类(2)
正弦波模拟调制
调制信号：模拟信号：m(t)
0 0
A 2
M
c
M
c
已调信号的频谱是调制信号频谱的线性搬移。
线性调制
4
2.1 幅度调制的原理(2)
幅度调制器的一般模型
mt
ht
sm t
ht H
cos ct
sm t m t cos ct h t
Sm
1 2
M
c
M
c
H
m t ,ht 不同
双边带调幅(DSB) 标准调幅(AM)
载波分量
DSB分量
m ' t
sAM t
m0
S AM
m0
c
c
1 2
M
'
c
M
'
c
where m ' t M ' .
12
2.1 幅度调制的原理(8)
调幅系数
m ' t
AM
max 1 m0
已调信号的包络与调 制信号成比例变化.
m't
sAM t
m0
m0 m '(t )
sAM t m0 m '(t)
单边带调幅(SSB)
残留边带调幅(VSB) 5
常规调幅AM：H(ω)为全通网络，m(t) 有直流成 分。
通信原理相干解调系统的抗噪声性能
s(t)
r(t)
n(t)
Tb ( )dt 0
－
s0 (t)
y
－
判决
ak'
＋
Tb ( )dt 0
s1 (t )
相关接收
Vd
一元检测
最佳检测
二元检测
5.3.1 相干解调系统的抗噪声性能：最佳接收机结构
s(t)
r(t)
n(t)
Tb ( )dt 0
s0 (t )
Tb ( )dt 0
s1 (t )
相关接收
发送绝对码 发送相对码 (a) 无错：接收相对码
绝对码 (b) 错1：接收相对码
绝对码 (c) 错2：接收相对码
绝对码 (d) 错5：接收相对码
绝对码
0010110111
00011011010 0011011010
010110111 0 0 1 0X 0 1 1 0 1 0
0 1 1X 0X 1 0 1 1 1 0 0 1 0X 1X 1 1 0 1 0
数字通信原理
联合战术通信教研室 张伟明
理工大学通信工程学院
5 正弦载波数字调制
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
概述 二进制数字调制原理 二进制数字调制系统的抗噪声性能 二进制数字调制系统的性能比较 多进制数字调制系统
5.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能 5.3.1 相干解调系统的抗噪声性能 5.3.2 非相干解调系统的抗噪声性能 5.3.3 其它解调系统
y
ak'
－
判决
Vd
最佳检测
1、0等能量
Vd
n0 2
ln
p(H0 ) p(H1)
相关系数
通信原理复习题7
通信原理复习题7一、填空题：(每空1分，共30分)1、信源编码的目的是减小信息的冗余度，提高传输的(有效性)；信道编码的目的是增加信息的冗余度，提高传输的(可靠性)。
2、模拟调制系统的抗噪声性能主要用(输出信噪比)来衡量，数字调制系统的抗噪声性能主要用(误码率)来衡量。
3、在信息传输中，出现概率越(小)的消息，其所含的信息量越大；出现概率越(大)的的消息，其所含的信息量越小。
4、变参信道对传输信号的影响可归结为两个基本因素：(乘性干扰)和(加性干扰)的影响。
5、根据香农公式，信道容量C一定时，信道带宽B可以和(信噪比)互换；信息量I一定时，信道宽度B和(时间)互换。
6、把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程叫做(调制)。
7、对AM信号，无门限效应的解调方法是(相干解调)。
8、相干解调要求本地载波和接收到的载波必须保持(同频同相)。
9、PCM过程包括抽样、(量化)、(编码)三个过程。
10、对于低通模拟信号，理论上为了使抽样频率恢复到原来的模拟信号，需要采样频率(大于等于)信号最高频率的两倍。
11、在PCM编码时，美国和日本采用(μ律)压扩特性，中国和欧洲各国采用(A 律)压扩特性，ITU-T规定国际间通信一律采用(A律)。
12、对二进制PCM信号每增加1位码，量化信噪比可提高(6) dB。
13、起补偿作用的可调滤波器称为均衡器，均衡分为(频域均衡)和(时域均衡)。
14、数字基带信号通过基带传输系统时，由于系统传输特性不理想，会使信号发生畸变，在接收端造成判决上的困难，有时会出现误码，这种现象称为(码间串扰)。
15、相对调相２DPSK是为了克服绝对调相2PSK存在的(倒π)现象。
16、(ｎ，k)分组码中，设最小汉明距离为9，则该分组码最多能纠正(4)个比特错误，最多能检测(8)个比特错误。
17、眼图的作用主要是分析(码间串扰)和(加性噪声)对系统性能的影响。
18、HDB3码的全称是三阶高密度双极性码，它克服了AMI的连零过多而丢失同步信息的缺点，使限制的连0的个数不多于(3)个，其中破坏码用(V)表示。
5.3二进制数字调制系统的抗噪声性能
Pe
分析其抗噪声性能
重庆大学通信工程学院
性能分析
数字通信原理
u () t 发 送 “ 1 ” 符 号 T () t 码元时间间隔Ts内，发送端输出的2ASK信号 s T 0 发 送 “ 0 ” 符 号
其中
A c o s t , 0 < t < T c s u () t T , 其 它 t 0
数字通信原理
分析二进制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σ 2。
P0 f0 x
P1 f1 x
当判决门限b取两条曲线 相交点b*时，阴影的面积 最小。这个门限就称为最 佳判决门限
0
b b*
a P(1/0)
x
重庆大学通信工程学院
P(0/1)
数字通信原理
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 当
Pe 0 b
2 a P(0) n b ln 2 2 P(1 )
相干检测法的系统性能 包络检波法的系统性能
重庆大学通信工程学院
相干检测法的系统性能
数字通信原理
2ASK信号相干检测法的系统性能分析模型
发送端 信道 带通 滤波器 y ( t ) 相乘器 低通 滤波器 x ( t ) 抽样 判决器 输出
sT (t)
n i(t)
y i(t)
2cos(ct )
定时 脉冲
发送“0”符号时的抽样值x＝nc的一维概率密度函数
通信原理(第5章)
2、若m(t)的频带限于 w wc 则:
H m(t ) cos( wct ) m(t ) sin( wct ) H m(t ) sin( wct ) m(t ) cos( wct )
ˆ (t ) jM ( w) sgn( w) F m
ˆ ( w) 3、M
载波信号
频域表达式
SAM(ω) = πA0[δ(ω －ωc) +δ(ω +ωc )
6
5.1 幅度调制（线性调制）的原理
时域波形图
m(t) t A0 + m( t ) cosωct t t
当满足条件： |m(t)|max ≤ A0 时，其包络与调制信号的 波形相同，因此用包络检 波法可以容易地恢复原始 调制信号。
20
5.1 幅度调制（线性调制）的原理
一般情况下SSB信号的时域表达式 调制信号为任意信号时SSB信号的时域表达式为
1 1 ˆ (t )sin ct SSSB (t ) m(t ) cos ct m 2 2
式中，
m( ) ˆ (t ) m d t ˆ ( ) 1 m m(t )=- d t 1
1 = 2
1 2 Am
cos(ωc+ ωm)t + Am cos(ωc -ωm)t
1 -2 1 +2
上边带信号的时域表达式
Amcosωm t cosωc t Amcosωm t cosωc t
Amsinωm t sinωc t Amsinωm t sinωc t
下边带信号的时域表达式
SUSB(t) =
BDSB = 2 fH
② 功率：
PDSB
1 2 Ps m (t ) 2
通信原理课件——通信系统的噪声性能
3. 门限效应 以上讨论了两个极端情况下包络检波器的噪声性能。对于大输入信噪比，包络
检波器能实现正常解调。对于小输入信噪比，包络检波器不能实现正常解调。可以 预料，应该存在一个临界值，当输入信噪比大于此临界值时包络检波器能正常解调； 而小于此值时，它不能正常解调。这个临界的输入信噪比叫做门限值、包络检波器 存在门限值这一现象叫做门限效应。门限效应在输入噪声功率接近载波功率时开始 出现。 门限效应是所有非相干解调器都存在的一种特性。在相干解调器中不存在这种效 应。因此小输入信噪比下包络检波器的性能较相干解调器差，所以在噪声条件恶劣 的情况下应采用相干解调。
式中，erf (x)
2
x
0
e y2 dy 称为误差函数。erfc(x) 1 erf (x) 是
互补误差函数。 x A 若己知，则erf (x) 的值可由附录 C 误差
2 2 n
函数表查出。erf（x）是单值函数，x 增大，erf（x）也难大。
式（6.97）为二进制 PCM 系统的误码率公式，它是在单极性情
(1) 输出噪声功率:
(2) 输入噪声功率与输出噪声功率的关系：
(3)
在
Si
、W m
和n 0
都相同的情况下，输出信噪比为:
结论: 除 AM 外，其他系统的噪声性能是相同的。这是由于在 AM 中，不携带消息的载波功率占了总功率的 50％以上。
信噪比增益 G 的概念: (1) 衡量解调器对输入信噪比的影响，定义为解调器输出信噪比与输入信 噪比之比，即:
性能的作用将会迅速下阵。实际上，门限效应是所有宽带系统改善
噪声性能的共同特性，在以后讨论的 PCM 系统中也会遇到这种现
象。
门
限值有
不同
通信原理第5章
相干解调适用于所有线性调制信号的解调。 20
5.1 线性调制
相干解调性能分析——以单边带调制为例
单边带信号的一般表达式为：
与相干载波相乘：
1 1 ˆ (t ) sin c t sSSB (t ) m(t ) cos c t m 2 2
s p (t ) sSSB (t ) cosct
5.2 线性调制系统的抗噪性能
讨 论
能否根据 GDSB 2， GSSB 1 ，判断DSB系统的 抗噪性能优于SSB系统呢？
不能！
因为计算的前提条件不一致，不能直接比较。 若设定相同的前提条件，二者抗噪性相同，而 SSB只需DSB的一半带宽，因而应用普遍。
31
5.3 非线性调制
调制分类
1 1 1 ˆ (t ) sin 2c t m(t ) m(t ) cos 2c t m 4 4 4
经低通滤波器滤波，得到：
1 sd (t ) m(t ) 4
21
5.1 线性调制
包络检波
适用条件
AM信号，且要求|m(t)|max A0
原
理
直接从已调信号的幅度中提取信号，sd t A0 m(t ) 隔去直流，就得到原调制信号m(t)。
n t
窄带 高斯噪声
mo(t) － 输出有用信号 no(t) － 输出噪声
25
5.2 线性调制系统的抗噪性能
解调器输出信噪比定义
2 So 解调器输出有用信号的平均功率 mo (t ) 2 No 解调器输出噪声的平均功率 no (t )
解调器输出信噪比是模拟通信系统的主要质量指标， 显然输出信噪比越大越好。
载波参量
幅 度
通信原理总结
3）SSB：优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有AM的一半；缺点是收发设备都复杂。常用于频分多路复用系统中。
4）VSB：抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广播等系统中得到了广泛应用。
5）FM：抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低，存在门限效应。
>>角度调制（非线性调制）：
或 随m(t)成比例变化，前者称为相位调制，后者称为频率调制。从频谱上来说，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同，出现了新的频率分量，因此也称非线性调制。
2.幅度调制的原理
(1)标准调幅（AM）信号
>>模型图
图2.1
>>表达式
其中 对应载波项， 对应边带项。
为了防止过调制，要求调幅系数
第六章数字基带传输系统
一、概述
本章介绍了数字基带传输结构，数字基带及其频谱特性，包括数字基带的各种类型及它们的特点，基带传输常用的码型以及各种码型的特点和适用范围。了解引起码间干扰的原因以及如何减弱码间干扰。
二、知识点归纳
(1)数字基带系统的组成
(2)常用的基带信号波形
(3)基带传输的常用码型
(4)码间串扰和信道噪声是影响基带传输性能的两个主要因素。因此如何减弱码间串扰和消除噪声是研究两个重点。
4.非线性调制
5.各种模拟调制系统的比较
>>所有系统在“同等条件”下进行比较：
解调器输入信号功率为Si
信道噪声均值为0，单边功率谱密度为n0
基带信号带宽为fm
其中AM的调幅度为100%，正弦型调制信号
1）抗噪声性能：FM最好，DSB/SSB、
VSB次之，AM最差；
4）VSB：抗噪声性能和频带利用率与SSB相当。在电视广播等系统中得到了广泛应用。
5）FM：抗干扰能力强，广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低，存在门限效应。
>>角度调制（非线性调制）：
或 随m(t)成比例变化，前者称为相位调制，后者称为频率调制。从频谱上来说，已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构不同，出现了新的频率分量，因此也称非线性调制。
2.幅度调制的原理
(1)标准调幅（AM）信号
>>模型图
图2.1
>>表达式
其中 对应载波项， 对应边带项。
为了防止过调制，要求调幅系数
第六章数字基带传输系统
一、概述
本章介绍了数字基带传输结构，数字基带及其频谱特性，包括数字基带的各种类型及它们的特点，基带传输常用的码型以及各种码型的特点和适用范围。了解引起码间干扰的原因以及如何减弱码间干扰。
二、知识点归纳
(1)数字基带系统的组成
(2)常用的基带信号波形
(3)基带传输的常用码型
(4)码间串扰和信道噪声是影响基带传输性能的两个主要因素。因此如何减弱码间串扰和消除噪声是研究两个重点。
4.非线性调制
5.各种模拟调制系统的比较
>>所有系统在“同等条件”下进行比较：
解调器输入信号功率为Si
信道噪声均值为0，单边功率谱密度为n0
基带信号带宽为fm
其中AM的调幅度为100%，正弦型调制信号
1）抗噪声性能：FM最好，DSB/SSB、
VSB次之，AM最差；
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噪声
若白噪声的双边功率谱密度为n0/2，
设带通滤波器传输特性是增益为1， 带宽为 B的理想矩形函数 P f
n0/2
B
0 -0 解调器输入噪声平均功率： f
f0
f
为使已调信号无失真地通过，同时最大限度 抑制噪声，带宽B应等于已调信号频带宽度。 解调器输入噪声可表示为：
n(t ) A(t ) cos( c t (t )) nc (t ) cos( c t ) ns (t ) sin( c t )
输出信噪比
故输出噪声功率为
1 2 1 2 N o n ( t ) nc ( t ) ni ( t ) 4 4
2 0
可得解调器的输出信噪比为
1 2 m (t ) So 4 m 2 (t ) m 2 (t ) 1 No no BDSB 2no Bb Ni 4
Si m 2 t m 2 t 又， N i 2no BDSB 4no Bb
分析模型
n(t) sm(t) 带通 滤波器 sm(t) ni (t) mo(t) no(t)
＋
解调器
解调器抗噪声性能分析模型
对于不同的调制系统，有不同形式的信号 sm(t), 但解调器输入端的噪声 ni(t) 形式是相同的， 它是平稳高斯白噪声经过带通滤波器而得到的。
当带通滤波器带宽远小于其中心频率 ω0 时， ni(t)即为平稳高斯窄带噪声。
mo ( t )
因此， 解调器输出端的信号功率为
2 0
1 m(t ) 2
1 2 So m ( t ) m ( t ) 4
输出噪声
n(t )
SDSB(t)
＋
带通 滤波器
sm (t ) n i (t ) cos w ct
低通 滤波器
mo (t ) no (t )
解调 DSB 时，接收机中的带通滤波器的中心频 率 ω0与调制载频 ωc相同，因此解调器输入端的噪声 ni(t)可表示为 ni(t)=nc(t)cosωct-ns(t) sinωct 它与相干载波cosωct相乘后，得
幅度调制相干解调
5.1.2 幅度调制相干解调的抗噪声性能
在分析DSB、 SSB系统的抗噪声性能时，模型 中的解调器为相干解调器，如图所示。
n(t) sm(t) 带通 滤波器 sm(t) ni (t) cos wct
解调器
低通 滤波器 mo (t) no (t)
＋
相干解调属于线性解调，故在解调过程中， 输入信号及噪声可以分别单独解调。
又 N i no BDSB 2no Bb
Si m 2 t m 2 t N i 2no BDSB 4no Bb
解调器输出信噪比
调制信号带
n(t )
SDSB t cos c t ni t cos c t
带通 滤波器 sm(t ) ni (t ) cos w ct 低通 滤波器 mo (t ) no (t )
SDSB(t)
＋
解调器输出信噪比
S DSB t cosc t m(t ) cos2 c t m( t )
SDSB(t)与相干载波cosωct相乘后，得
1 cos 2 c t
2
1 1 m( t ) m( t ) cos2 c t 2 2
经低通滤波器后，输出信号为
解 调 器 输 出 信 噪 比 S0 N 0 G 解 调 器 输 入 信 噪 比 Si N i
显然， G 越大，表明解调器的抗噪声性能越 好。 下面我们在给出已调信号 sm(t)和单边噪声功 率谱密度 n0的情况下，推导出各种解调器的输入 及输出信噪比，并在此基础上对各种调制系统的 抗噪声性能作出评述。
DSB调制系统的性能
1. DSB调制传输系统的性能
n(t )
解调器
带通 滤波器 sm(t ) ni (t ) cos w ct 低通 滤波器 mo (t ) no (t )
SDSB(t)
＋
解调器输入信噪比
Sm t S DSB t m(t ) cosc t
2 2 Si S 2 t m ( t ) cos c t DSB 1 2 m (t ) 2
ni t cos c t nc ( t ) cos2 c t ns ( t ) sin c t cos c 1 1 nc ( t ) [nC ( t ) cos 2 c t ns ( t ) sin2 c t ] 2 2
经低通滤波器后， 输出噪声为
1 no ( t ) nc ( t ) 2
只要解调器输出端有用信号能与噪声分开， 则输出信噪比就能确定。输出信噪比与调制方式 有关，也与解调方式有关。 在已调信号平均功率相同， 而且信道噪声功 率谱密度也相同的情况下， 输出信噪比反映了系 统的抗噪声性能。
G
为了便于衡量同类调制系统不同解调器对 输入信噪比的影响，还可用输出信噪比和输入 信噪比的比值调制制度增益G来表示，即
调制制度增益为
调制制度增益为
G DSB
S0 / N 0 2 Si / N i
由此可见，DSB调制系统的制度增益为2。这 就是说，DSB信号的解调器使信噪比改善一倍。 这是因为采用同步解调，使输入噪声中的一 个正交分量ns(t)被消除的缘故。
2. SSB调制系统的性能
信噪比
n0 N i 2 B n0 B 2
评价一个模拟通信系统质量的好坏，最终是 要看解调器的输出信噪比。输出信噪比定义为
2 s0 (t ) 解调器输出信号的平功 均 率 m0 2 N0 解 调 器 输 出 噪 声 的 平功 均 率 n0 噪声性能
5.1.1分析模型
本节将要研究的问题是信道存在加性高斯白噪 声时， 各种线性调制系统的抗噪声性能。 由于加性噪声只对已调信号的接收产生影响， 因而调制系统的抗噪声性能可以用解调器的抗噪 声性能来衡量。分析解调器的抗噪声性能的模型 如图 5-1 所示。图中， sm(t)为已调信号， n(t) 为传 输过程中叠加的高斯白噪声。