計(jì)算機(jī)通信-第6章 數(shù)字調(diào)制

1、引言引言1ASK(振幅鍵控振幅鍵控)2FSK (頻率鍵控頻率鍵控) 3PSK(相位鍵控相位鍵控 )4三種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制比較三種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制比較 56多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制 7( )()kBks ta g tnT單極性單極性NRZ碼碼數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波的雙邊帶調(diào)制數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波的雙邊帶調(diào)制1 1 1100 0ttt載波信號(hào)2ASK信號(hào)bT( )s t( )( )cos2()cos2( )()11( ),00ASKckBckkBkkStS tf ta g t kTf tS ta g t kTg ta式中：為基帶信號(hào)(亦稱調(diào)制信號(hào))“”碼表示基帶信號(hào)為不歸零矩形

2、波形“”碼單極性的隨機(jī)單極性的隨機(jī)矩形脈沖序列矩形脈沖序列 方法一方法一模擬調(diào)制的相乘法，將數(shù)字基帶信號(hào)看成是模擬信號(hào)的特例模擬調(diào)制的相乘法，將數(shù)字基帶信號(hào)看成是模擬信號(hào)的特例 方法二方法二數(shù)字鍵控法：利用代表數(shù)字信息（數(shù)字鍵控法：利用代表數(shù)字信息（“0”或或“1”）的基帶矩形）的基帶矩形脈沖去鍵控一個(gè)連續(xù)的載波脈沖去鍵控一個(gè)連續(xù)的載波通斷鍵控（通斷鍵控（OOK）2ASK信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的產(chǎn)生22ASKgBBBf( )in t( )( )cos2( )sin2iccscn tn tf tn tf tx帶通濾波器抽樣判決器低通濾波器+( )in t( )x t2cos2cf t( )n t( )A

3、SKSt 1cos2cos2( )cos2( )cos2( )sin2( )cos2( )sin2cos2( )cos2( )sin2cos2ccicccscccsccccsccaf taf tn taf tn tf tn tf tan tf tn tf tf tan tf tn tf tf t(1) 當(dāng)發(fā)“”碼時(shí)，信號(hào)為：則帶通濾波器輸出信號(hào)與噪聲為：經(jīng)乘法器乘2后為：22201cos(1 cos2 )21sincossin22( )cos2( )sin2cos2( ) ( )cos4( )sin4( )( )0( )( )( )(2ccscccccscccnBccan tf tn tf t

4、f tan tan tf tn tf tn tE n tD n tnx tan tx tf運(yùn)用三角公式：則乘法器輸出為：2經(jīng)低通后零均低通型高斯噪聲，)a是均值為 的高斯分布( )( )(2)000( )( )ccanx ttn tx t當(dāng)發(fā)“ ”碼時(shí)，“ ”碼的幅度為零，即零均低通型高斯噪聲均值為0的高斯分布112211221(4)012( )12( )02(0)(1/ 0)(1)(0 /1)(0)(1) (0 /1)1222112212122ennneaax tax tPPPPPPPPaerfcSrNaSarerNrPerfc 誤碼率計(jì)算：判決電平：“ ”、“ ”碼等概時(shí)，判決電平取誤碼率

5、最小判“ ”碼判決準(zhǔn)則：判“ ”碼誤碼率計(jì)算：令稱“ ”碼信噪比14rfc帶通濾波器抽樣判決器包絡(luò)檢波器+( )in t( )x t( )n t( )ASKSt定時(shí)脈沖cos2caf t( )1( )0(0) (1/ 0)(1) (0 /1)optoptoptebx tbx tbPPPPP 判決電平：兩曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓-判“”碼判決準(zhǔn)則：判“ ”碼誤碼率計(jì)算：141121rerPe經(jīng) 推 導(dǎo) 計(jì) 算式 中為 “ ” 碼 信 噪 比1,cr1,Nr1,1,NcrdBr2 鍵控法鍵控法 由二進(jìn)制數(shù)字由二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)通過電子開關(guān)控制兩信號(hào)通過電子開關(guān)控制兩個(gè)載波的輸出，產(chǎn)生的個(gè)載波的輸出，產(chǎn)生的F

6、SK信號(hào)在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻信號(hào)在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻相位不連續(xù)。相位不連續(xù)。調(diào)頻法調(diào)頻法 數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生對(duì)載波進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生連續(xù)相位的連續(xù)相位的FSK信號(hào)。信號(hào)。12( )()cos2()cos21100FSKkBkBkkkSta g tkTf ta g tkTf ta“”碼,對(duì)應(yīng)概率為P“ ”碼,對(duì)應(yīng)概率為(1-P)11222,423BFSKBFSKBFSKBfffBBfffBff當(dāng) 用 動(dòng) 態(tài) 濾 波 器 時(shí) ， 最 小取連續(xù)譜：由基帶信連續(xù)譜：由基帶信號(hào)波形號(hào)波形g(t)確定確定 離散譜離散譜：由載波：由載波分量確定分量確定 若載頻之差大于若載頻之差大于fs，則連，則連

7、續(xù)譜將出現(xiàn)雙峰續(xù)譜將出現(xiàn)雙峰 若兩個(gè)載波頻差較小，比若兩個(gè)載波頻差較小，比如小于如小于fs，則連續(xù)譜在，則連續(xù)譜在fc處出現(xiàn)單峰處出現(xiàn)單峰0.8bf12sffhf122Dfff頻移指數(shù)頻移指數(shù)頻偏頻偏2FSK信號(hào)的第一個(gè)零點(diǎn)帶寬為信號(hào)的第一個(gè)零點(diǎn)帶寬為212FSKffB大，大頻帶利用率低，但解調(diào)時(shí)容易可用頻帶利用率低，但解調(diào)時(shí)容易可用BPFBPF分離兩分離兩個(gè)頻率信號(hào)。個(gè)頻率信號(hào)。212FSKffB小，小系統(tǒng)的頻帶利用率高，但解調(diào)復(fù)雜。系統(tǒng)的頻帶利用率高，但解調(diào)復(fù)雜。212sfff出現(xiàn)主瓣混疊，要用匹配濾波器檢測(cè)。出現(xiàn)主瓣混疊，要用匹配濾波器檢測(cè)。2FSK212BBfff+帶通帶通2帶通帶通1

8、低通低通比較判決比較判決xx低通低通12cos2f t1( )int22cos2f t2( )int( )n t2x1x1112211222( )( )( )( )ccccxantfxntxntfxant當(dāng)發(fā)送 時(shí)當(dāng)發(fā)送 時(shí)1211220( 1)0( 0)xxfxxf判 輸 入 為信 號(hào)“ ” 碼判 輸 入 為信 號(hào)“ ” 碼112121221212121211221222( )( )0( )( )01( ) ( )( )( )00( )( )( )(02)0)1cccccccccczznzzfxxantntantntfxxntantantntntntn tn tfxxan tfxx 當(dāng)發(fā)送時(shí)

9、判“”碼當(dāng)發(fā)送時(shí)判“ ”碼令：均值為的正態(tài)分布，方差為：當(dāng)發(fā)送時(shí)判“”碼當(dāng)發(fā)送時(shí)2222()21()22( )001( )(-)21( )( )2zzzz azzz azzaaan tan tf zean tfze 均值判“ ”為 的正態(tài)布均碼分布值為分布的正態(tài)布12121221121221122122( ) (/)() (/)(/)(/) ( )() (/)( )()1(/)1221222122eeznnPP f P ffP f P ffP ffP ffPP fP fP ffP fP fP ffaerfcaaerfcrrerfc因?yàn)?因+帶通帶通2帶通帶通1包絡(luò)解調(diào)包絡(luò)解調(diào)包絡(luò)解調(diào)包絡(luò)解調(diào)1

10、( )int2( )int( )n t比較判決比較判決2x1x11212212xfxxfxVV 萊斯分布當(dāng)發(fā) 時(shí)正確判決：萊斯瑞利瑞利分布瑞利分布當(dāng)發(fā) 時(shí)正確判決：萊斯瑞利萊斯分布設(shè)：為萊斯分布為瑞利分布其概率分布曲線如下圖：1221212221042()()()()1212neeVarPPP VVPf Vf V dV dVee則：萊斯瑞利22212l22n12122CNeCeNxeCrCeCCreNeCeCNCNPPeerfc xPxrPerfcerPerPPrr相干解調(diào)誤碼率記為，非相干解調(diào)誤碼率記為運(yùn)用近似公式：化簡(jiǎn)令：，則 crNrNcrdBr 0002cos(2)1cos(2)011

11、( ) cos(2)( )10( )( )()()( )( )cccCPSKaf taf tS t af tS tS tS tC tSSStCtP Kd“”碼同相如：“ ”碼反相“”碼“ ”碼、及波形如下頁(yè)畫波形，必須圖中為雙極性數(shù)字基帶信號(hào)，如先畫載波 特別是非整數(shù)倍周圖下圖所示期情況頁(yè)CPSKCPSK波形：波形：向量差：本碼元初相與前一碼元終相之差所謂相位的變化相位差：前后兩碼元初相之差222( )( )( )( )( )CPSKDPSKDPSKS tC tStStSt、向量差、相位差、等五種波形如下頁(yè)圖所示(以1.5倍。周期作圖)cos4cos(41.2cos(22 )co)sccccf

12、 tf tf tf t從數(shù)學(xué)表二分頻存在相位模糊，可從三個(gè)方面二分頻后來說明：達(dá)式10絕對(duì)碼絕對(duì)碼/相對(duì)碼變換相對(duì)碼變換CPSK調(diào)制調(diào)制( )S t( )DPSKSt2DPSK2PSK2BBBfPSK信號(hào)功率譜密度信號(hào)功率譜密度+帶通帶通低通低通抽樣判決抽樣判決x2cos2cf t( )n t( )x t相對(duì)相對(duì)/絕對(duì)碼變換絕對(duì)碼變換1( )cos21( )0( )cos20( )( )1( )( )0CPSKccCPSKccccStaf tASKan tStaf tASKan tan tx tan t 當(dāng)輸入為“”碼時(shí)：與“”碼時(shí)完全相同解調(diào)輸出為：當(dāng)輸入為“ ”碼時(shí)：與“ ”碼時(shí)不同則解調(diào)

13、輸出為：“”碼“ ”碼22112222/2ennenPSKaaPerfcerfc rrDPSKaPerfcerfc r對(duì)C信號(hào)解調(diào)：對(duì)信號(hào)解調(diào)，需增加相對(duì)碼 絕對(duì)碼變換器，通常誤碼率增大一倍x+帶通帶通( )n t低通低通抽樣判決抽樣判決( )x t相對(duì)相對(duì)/絕對(duì)碼變換絕對(duì)碼變換BT22/122/renreDPSKaPerCPSKPe對(duì)信號(hào)解調(diào)，不需要加相對(duì)碼 絕對(duì)碼變換器經(jīng)推導(dǎo)誤碼率為：對(duì)信號(hào)解調(diào)，因需增加相對(duì)碼 絕對(duì)碼變換器，通常誤碼率增大一倍 crNrNcrdBr/ 41124rrerefcr4411(/2)4212rrerfcree/ 212122rrerrfce212re1212re

14、rfcrerre211reerfcrr re (0) (0/0)(1) (1/1)(2) (2/2)() (/)ePPPPPPPP N P N N型矢量圖4型矢量圖2型星座圖型星座圖42Quatrature Amplitude Modulation(QAM)Quatrature Amplitude Modulation(QAM) 在移動(dòng)通信中在移動(dòng)通信中頻譜利用率頻譜利用率一直是人們關(guān)注的一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一，隨著微蜂窩（焦點(diǎn)之一，隨著微蜂窩（MicrocellMicrocell）和微微蜂窩）和微微蜂窩（PicocellPicocell）系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得信道的傳輸特性發(fā)）系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得信

15、道的傳輸特性發(fā)生了很大變化，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間通常具有很強(qiáng)生了很大變化，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間通常具有很強(qiáng)的的直達(dá)分量直達(dá)分量，以往在蜂窩系統(tǒng)中不能應(yīng)用的但頻譜，以往在蜂窩系統(tǒng)中不能應(yīng)用的但頻譜利用率很高的利用率很高的M-QAMM-QAM已引起人們的重視，許多學(xué)者已引起人們的重視，許多學(xué)者已對(duì)已對(duì)16QAM16QAM及其它變型的及其它變型的QAMQAM的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛深入的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛深入地研究。地研究。 PSKPSK調(diào)制存在的問題：調(diào)制存在的問題： 用兩個(gè)獨(dú)立的基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正用兩個(gè)獨(dú)立的基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)

16、制，利用這種已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)用這種已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸來實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。 1. MQAM1. MQAM調(diào)制原理調(diào)制原理( )()cos()()sin() nCnCnns ta g tnTtb g tnTt當(dāng)當(dāng)a an n和和b bn n是雙極性信號(hào)時(shí)，表示是雙極性信號(hào)時(shí)，表示4QAM4QAM。QAMQAM信號(hào)調(diào)制原理圖信號(hào)調(diào)制原理圖2到 L電 平 變 換2到 L電 平 變 換預(yù) 調(diào) 制LPF預(yù) 調(diào) 制LPF串 / 并 變 換costsintAmBmy(t)已 調(diào) 信 號(hào) 輸 出抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射

17、利用利用AmAm和和BmBm組成信號(hào)矢量，該矢量的分布圖稱組成信號(hào)矢量，該矢量的分布圖稱為為星座圖星座圖。通常，可以用星座圖來描述。通常，可以用星座圖來描述QAMQAM信號(hào)的信信號(hào)的信號(hào)空間分布狀態(tài)。號(hào)空間分布狀態(tài)。4QAM和和16QAM的星座圖的星座圖AmjBm MQAM MQAM信號(hào)的星座圖信號(hào)的星座圖M4M16M256M128M64M32 (a) 方型16QAM星座； (b) 星型16QAM星座( 2.61,0)( 4.61,0)(2.61,0)(4.61,0)(0,2.61)(0,4.61)(0, 4.61)(0, 2.61)( 3,3)( 3,1)( 3,1)( 3, 3)(3, 3

18、)(3,1)(3,3)( 1, 1)( 1,1)(a)(b) 若已調(diào)信號(hào)的最大幅度為若已調(diào)信號(hào)的最大幅度為1 1，則，則MPSKMPSK信號(hào)星信號(hào)星座圖上信號(hào)點(diǎn)間的最小距離為座圖上信號(hào)點(diǎn)間的最小距離為 d dMPSKMPSK=2 sin =2 sin M 而而MQAMMQAM信號(hào)矩形星座圖上信號(hào)點(diǎn)間的最小信號(hào)矩形星座圖上信號(hào)點(diǎn)間的最小距離為距離為dMQAM2211LM當(dāng)當(dāng)M=16M=16時(shí)，時(shí)，d d16QAM16QAM=0.47=0.47，而，而d d16PSK16PSK=0.39=0.39，d d16PSK16PSKd d16QAM16QAM。16QAM16QAM系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于系統(tǒng)的

19、抗干擾能力優(yōu)于16PSK16PSK。性能比較性能比較 MQAMMQAM信號(hào)可以采用正交相干解調(diào)方法。信號(hào)可以采用正交相干解調(diào)方法。2 2、MQAMMQAM解調(diào)原理解調(diào)原理LPF多電平轉(zhuǎn)換定時(shí)恢復(fù)多電平判決LPFL到 2電平變換并 / 串變換載波恢復(fù)L到 2電平變換 存在噪聲情況下，接存在噪聲情況下，接收端收到的收端收到的QAM信號(hào)！信號(hào)！M進(jìn)制方型進(jìn)制方型QAM的誤碼率曲線的誤碼率曲線 6420246810121416182022PSKM 32QAMM 16QAMPSKM 4PSKM 16QAMM 6410 625510 5210 42510 32510 22510 1PMSNR / bit

20、/ dB小結(jié)：小結(jié)： AB+交錯(cuò)分配交錯(cuò)分配cos 2cf移相移相2單單/雙變換雙變換 單單/雙變換雙變換 xxBfBf122BBfffhRR偏移率:()BBfR001210200011000,100012.250,225020.5410000.25442.2500.252.52.2500.252110002.2512250BBBBBBBRBTfkHzTffRfhfRRRfkHzfffkHzfffkHzTNT 若設(shè)則;載波則偏移率設(shè):在一個(gè)碼元周期內(nèi)載波的周期數(shù):個(gè)11122211 0 0 02 .512 5 0 011 0 0 0212 0 0 0BBfTNTfTNT在 一 個(gè) 碼 元 周 期 內(nèi)的 周 期 數(shù) :個(gè)在 一 個(gè) 碼 元 周 期 內(nèi)的 周 期 數(shù) :個(gè) MSK MSK調(diào)制方式的突出優(yōu)點(diǎn)是已調(diào)信號(hào)具有恒定包調(diào)制方式的突出優(yōu)點(diǎn)是已調(diào)信號(hào)具有恒定包絡(luò)，且功率譜在主瓣以外衰減較快。但是，在移動(dòng)絡(luò)，且功率譜在主瓣以外衰減較快。但是，在移動(dòng)通信中，對(duì)信號(hào)帶外輻射功率的限制十分嚴(yán)格，一通信中，對(duì)信號(hào)帶外輻射功率的限制十分嚴(yán)格，一般要求