跳頻通信系統(tǒng)培訓(xùn)調(diào)制剖析課件

跳頻通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)

跳頻通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室孫錦華跳頻通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)跳頻通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)西安1調(diào)制的概念調(diào)制是通信原理中一個十分重要的概念，是一種信號處理技術(shù)。無論在模擬通信、數(shù)字通信還是數(shù)據(jù)通信中都扮演著重要角色。

信源電信號調(diào)制接收機解調(diào)發(fā)射機電信號信宿無線信道噪聲和干擾消息模擬或數(shù)字信號調(diào)制的概念調(diào)制是通信原理中一個十分重要的概念，是一種信號處理2調(diào)制的概念比如，我們要把一件貨物運到幾千千米外的地方，我們必須使用運載工具，或汽車、或火車、或飛機。在這里，貨物相當(dāng)于調(diào)制信號，運載工具相當(dāng)于載波；把貨物裝到運載工具上相當(dāng)于調(diào)制，從運載工具上卸下貨物就是解調(diào)。這個例子雖然不十分貼切，但基本上類似于調(diào)制原理。調(diào)制的概念比如，我們要把一件貨物運到幾千千米外的地方，3為什么需要調(diào)制頻率變換

在無線通信中，需要傳送的由語言、音樂轉(zhuǎn)換來的屬于低頻的電信號，其頻率范圍從幾十赫到數(shù)千赫，不能直接從天線輻射出去；必須借助于高頻振蕩，由它將低頻信號“攜帶”到空間去，這就是所謂的“調(diào)制”方式。

電磁波的頻率越高，向外輻射能量的本領(lǐng)就越大當(dāng)天線尺寸與信號波長相比擬時，天線輻射效率最高為什么需要調(diào)制頻率變換4為什么需要調(diào)制頻率分配

為了使各個無線電臺發(fā)出的信號互不干擾，給每個電臺都分配了不同的頻率。利用調(diào)制技術(shù)把各種話音、音樂、圖像等基帶信號調(diào)制到不同的載頻上，可以使接收者選擇所需的電臺信號。為什么需要調(diào)制頻率分配5為什么需要調(diào)制多路復(fù)用每一種物理信道的頻率特性一般都遠(yuǎn)大于所傳的基帶信號帶寬直接傳輸多路話音信號又會造成相互干擾，致使接收端無法分清各路信號

必須用調(diào)制技術(shù)使得多路信號在同一個信道中同時傳輸

為什么需要調(diào)制多路復(fù)用6為什么需要調(diào)制改善系統(tǒng)性能

FM（調(diào)頻）抗干擾能力優(yōu)于AM（調(diào)幅）擴展頻譜調(diào)制為什么需要調(diào)制改善系統(tǒng)性能7調(diào)制的概念調(diào)制：把要傳輸?shù)男盘栕儞Q成適合信道傳輸?shù)男盘柕倪^程。（按調(diào)制信號的變換規(guī)律去改變載波的某些參數(shù)）解調(diào)：在接收端通過解調(diào)器把帶通信號還原成基帶信號的過程。調(diào)制信號/基帶信號：調(diào)制器的輸入信號（調(diào)制前）已調(diào)信號：調(diào)制器的輸出信號（調(diào)制后）載波:正弦信號、脈沖串或一組數(shù)字信號調(diào)制的概念調(diào)制：把要傳輸?shù)男盘栕儞Q成適合信道傳輸?shù)男盘柕倪^程8調(diào)制的分類按調(diào)制信號的種類分為

模擬調(diào)制——調(diào)制信號為模擬信號，比如正弦型信號。

數(shù)字調(diào)制——調(diào)制信號為數(shù)字信號，比如二進(jìn)制序列。按調(diào)制參數(shù)的種類分為

幅度調(diào)制——載波的幅值隨調(diào)制信號的變化而變化。

頻率調(diào)制——載波的頻率隨調(diào)制信號的變化而變化。

相位調(diào)制——載波的相位隨調(diào)制信號的變化而變化。調(diào)制的分類按調(diào)制信號的種類分為9對調(diào)制的要求移動通信信道的基本特征帶寬有限----提高頻譜利用率。

頻譜利用率：單位頻帶內(nèi)所能傳輸?shù)谋忍芈剩╞/s/Hz）

干擾和噪聲影響大----提高抗干擾能力存在多徑衰落----提高抗衰落能力對調(diào)制的要求：已調(diào)信號所占的帶寬要窄：頻譜主瓣窄已調(diào)信號頻譜副瓣的幅度要低，輻射到相鄰頻道的功率就小。經(jīng)調(diào)制解調(diào)后的輸出信噪比(S/N)較大或誤碼率較低。信號抗干擾、抗衰落能力強。對調(diào)制的要求移動通信信道的基本特征10調(diào)制方式研究的主要內(nèi)容調(diào)制的原理和已調(diào)信號的產(chǎn)生方法。已調(diào)信號的頻譜特性。解調(diào)的原理和實現(xiàn)方法。解調(diào)后的信噪比或誤碼率性能。調(diào)制方式研究的主要內(nèi)容調(diào)制的原理和已調(diào)信號的產(chǎn)生方法。11模擬調(diào)制—幅度調(diào)制最常用和最重要的模擬調(diào)制方式是用正弦波作為載波的幅度調(diào)制和角度調(diào)制。

幅度調(diào)制：調(diào)幅(AM)、雙邊帶(DSB)、單邊帶(SSB)和殘留邊帶(VSB)調(diào)制——載波振幅隨調(diào)制信號變化調(diào)幅波的調(diào)制過程特點：高頻信號幅度很容易被周圍的環(huán)境所影響，所以調(diào)幅信號的傳輸并不十分可靠。在傳輸?shù)倪^程中也很容易被竊聽，不安全。應(yīng)用：現(xiàn)在這種技術(shù)已經(jīng)比較少被采用；但在簡單設(shè)備的通信中還有采用，比如收音機中的AM波段就是調(diào)幅波。模擬調(diào)制—幅度調(diào)制最常用和最重要的模擬調(diào)制方式是用正弦波作為12模擬調(diào)制—角度調(diào)制角度調(diào)制是使正弦載波信號的角度隨著基帶調(diào)制信號的幅度變化而改變；角度變化的多少/快慢：調(diào)相/調(diào)頻；載波的幅度保持不變（恒包絡(luò)）。調(diào)頻(FM)：載波頻率調(diào)相(PM)：載波相位隨調(diào)制信號變化的調(diào)制方式像被壓縮得不均勻的彈簧模擬調(diào)制—角度調(diào)制角度調(diào)制是使正弦載波信號的角度隨著基帶調(diào)制13模擬調(diào)制—角度調(diào)制在模擬蜂窩移動通信中，調(diào)頻是更為普遍應(yīng)用的角度調(diào)制，這是因為FM不管信號的幅度如何，抗干擾能力都很強;調(diào)頻也有自己的缺點（調(diào)頻波比調(diào)幅波頻帶寬，頻帶利用率低，門限效應(yīng)），所以在現(xiàn)在的移動通信技術(shù)中，我們更多地采用了數(shù)字調(diào)制方式來改善信號的傳播。傳統(tǒng)的短波、超短波模擬跳頻電臺中也廣泛采用了AM、FM、SSB等模擬調(diào)制方式。模擬調(diào)制—角度調(diào)制在模擬蜂窩移動通信中，調(diào)頻是更為普遍應(yīng)用的14數(shù)字調(diào)制現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)；數(shù)字調(diào)制就是用數(shù)字信號調(diào)制載波的不同參量(模擬調(diào)制就是用模擬信號調(diào)制載波)。數(shù)字信號的優(yōu)點：

處理速度的提高（適合機器處理）；

靈活性高，能適應(yīng)各種業(yè)務(wù)要求；

抗干擾性能得到加強，無噪聲積累；

容易加密，保密性強；

設(shè)備便于集成化、微型化數(shù)字調(diào)制現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)；15影響選擇數(shù)字調(diào)制方式的因素功率效率高帶寬效率高抗多徑和衰落能力強容易實現(xiàn)、價格低廉影響選擇數(shù)字調(diào)制方式的因素功率效率高16調(diào)制方案性能的衡量

功率效率（Powerefficiency）

在保證一定錯誤概率的前提下接收端所要求的每比特信號能量Eb與噪聲功率譜密度N0的比值。

調(diào)制方式Pe=10-5時所需信噪比2ASK15.6dB2PSK9.6dB2FSK12.6dB調(diào)制方案性能的衡量功率效率（Powerefficie17調(diào)制方案性能的衡量帶寬效率（Bandwidthefficiency）

描述了調(diào)制方式在一有限帶寬內(nèi)提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰ΑＲ话?，?shù)據(jù)速率↑，占用帶寬↑帶寬效率的理論上限在一個任意小的錯誤概率下，最大的帶寬效率受限于信道內(nèi)的噪聲調(diào)制方案性能的衡量帶寬效率（Bandwidtheffici18調(diào)制方案性能的衡量在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，需要在功率效率和帶寬效率之間進(jìn)行折衷

加差錯控制編碼，（B↑），ηB↓，ηP↑

多進(jìn)制調(diào)制，（R↑），ηB↑

，ηP↓

調(diào)制方案性能的衡量在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，需要在功率效率和帶寬效率19調(diào)制方案性能的衡量帶寬為200KHz，SNR分別為10dB、30dB的信道的理論最大數(shù)據(jù)速率為多少？解：SNR=10dB＝10B＝200KHz

C＝Blog2(1+S/N)=200000log2(1+10)=691.886kbps

GSM系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率270.833kbps，是10dB條件下理論值的40％。

SNR=30dB＝1000

C＝Blog2(1+S/N)=200000log2(1+1000)=1.99Mbps

調(diào)制方案性能的衡量帶寬為200KHz，SNR分別為10dB、20三種常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)模擬調(diào)制：對載波信號的參量進(jìn)行連續(xù)調(diào)制數(shù)字調(diào)制：用載波信號的某些離散狀態(tài)來表征所傳送的信息數(shù)字調(diào)制載波S(t)=Acos(t+)S(t)的參量包括：幅度A、頻率

、相位數(shù)字調(diào)制就是要使這三個參量隨數(shù)字基帶信號的變化而變化三種常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)模擬調(diào)制：對載波信號的參量進(jìn)行連續(xù)調(diào)制21三種常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)幅移鍵控ASK(AmplitudeShiftKeying)頻移鍵控FSK(FrequencyShiftKeying)相移鍵控PSK(PhaseShiftKeying)

三種常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)幅移鍵控ASK(AmplitudeS222ASK二進(jìn)制幅移鍵控是指高頻載波的幅度受調(diào)制信號的控制，而頻率和相位保持不變。用二進(jìn)制數(shù)字信號“1”和“0”控制載波的通和斷，所以又稱通斷鍵控OOK（On－OffKeying）。

這里，Ts為調(diào)制信號間隔，g(t)為單極性矩形脈沖信號的時間波形，an為二進(jìn)制數(shù)字信息出現(xiàn)概率為P

出現(xiàn)概率為1-P

2ASK二進(jìn)制幅移鍵控是指高頻載波的幅度受調(diào)制信號的控制，而232ASK由2ASK的定義可以得到其時域表達(dá)式可見，2ASK信號可以表示成一個單極性矩形脈沖序列與一個正弦形載波相乘。2ASK由2ASK的定義可以得到其時域表達(dá)式242ASK信號的功率譜2ASK信號的功率譜包含連續(xù)譜和離散譜，其中連續(xù)譜是數(shù)字基帶信號s(t)經(jīng)過線性調(diào)制后的雙邊帶譜，而離散譜為載波分量，出現(xiàn)在±fc。2ASK的頻帶寬度是基帶信號寬度的兩倍（譜零點帶寬）。功率譜密度的第一對過零點之間集中了信號的主要功率2ASK信號的功率譜2ASK信號的功率譜包含連續(xù)譜和離散譜252ASK信號的產(chǎn)生2ASK信號的產(chǎn)生方法有兩種（a）模擬調(diào)制法（b）鍵控法2ASK信號的產(chǎn)生2ASK信號的產(chǎn)生方法有兩種（a）模擬調(diào)制262ASK信號的解調(diào)（1）2ASK信號的解調(diào)可以采用非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）和相干解調(diào)（同步檢波）兩種方式來實現(xiàn)。非相干解調(diào)2ASK信號的解調(diào)（1）2ASK信號的解調(diào)可以采用非相干解調(diào)272ASK信號的解調(diào)（2）相干解調(diào)2ASK信號的解調(diào)（2）相干解調(diào)282ASK信號的性能二進(jìn)制幅移鍵控是數(shù)字調(diào)制中出現(xiàn)最早的，也是最簡單的。這種方法最初用于電報系統(tǒng)，但由于它在抗噪聲的能力上較差，故在數(shù)字通信系統(tǒng)中用的不多。但常作為研究其它數(shù)字調(diào)制方式的基礎(chǔ)。相干檢測2ASK信號的性能二進(jìn)制幅移鍵控是數(shù)字調(diào)制中出現(xiàn)最早的，也是292PSK和2DPSK

相移鍵控是利用載波相位的變化來傳遞數(shù)字信息，通?？梢苑譃椋憾M(jìn)制絕對相移鍵控（2PSK、BPSK）二進(jìn)制相對相移鍵控（2DPSK）

類似地，M進(jìn)制絕對相移鍵控（MPSK）M進(jìn)制相對相移鍵控（MDPSK）differential2PSK和2DPSK相移鍵控是利用載波相位的變化來傳遞302PSK一般的如果二進(jìn)制數(shù)字信號“1”和“0”，分別用載波的相位π和0這兩個離散值來表示，而其幅度和頻率不變，這種調(diào)制方式稱為二相絕對相移鍵控。

思考：上式與2ASK有何區(qū)別？2PSK一般的如果二進(jìn)制數(shù)字信號“1”和“0”，分別用載波的312PSK2PSK（BPSK）調(diào)制

設(shè)輸入比特流為{an}，則調(diào)制器輸出為：

Acos2πfct，an=0

；

s(t)=

-Acos2πfct，an=1

。

2PSK2PSK（BPSK）調(diào)制322PSK的波形2PSK信號的典型時間波形如圖所示，圖中所有數(shù)字信號“1”碼對應(yīng)載波信號的0相位，而“0”碼對應(yīng)載波信號的π相位（也可以反之）。2PSK的波形2PSK信號的典型時間波形如圖所示，圖中所有數(shù)332PSK信號的頻譜2PSK信號可以看成特殊的2ASK信號。2PSK信號的功率譜與2ASK信號功率譜中的連續(xù)部分的形狀相同。因此這兩種信號的帶寬相同。2PSK的頻帶寬度是基帶信號寬度的兩倍。當(dāng)雙極性基帶信號以相等的概率出現(xiàn)時，BPSK信號的功率譜中無離散譜分量，而此離散譜分量就是2ASK信號的載波分量。所以BPSK可以看成抑制載波的雙邊帶幅移鍵控信號。2PSK信號的頻譜2PSK信號可以看成特殊的2ASK信號。2342PSK信號的實現(xiàn)方法模擬調(diào)制法：二進(jìn)制數(shù)字序列經(jīng)碼型變換，由單極性碼形成幅度為的雙極性不歸零碼，與載波相乘而產(chǎn)生2PSK信號。鍵控法：相位選擇器。2PSK信號的實現(xiàn)方法模擬調(diào)制法：二進(jìn)制數(shù)字序列經(jīng)碼型變換，352PSK信號的相干解調(diào)2PSK信號的相干解調(diào)36BPSK信號的相干解調(diào)（2）要求提供與發(fā)端同頻同相的相干載波

發(fā)送端同時傳輸一低電平的載波導(dǎo)頻信號無載波導(dǎo)頻信號，使用Costas環(huán)或平方環(huán)恢復(fù)載波由于分頻起點的不確定性，存在0、π相位模糊，引起解調(diào)后數(shù)字“1”、“0”倒置，應(yīng)用受限。BPSK信號的相干解調(diào)（2）要求提供與發(fā)端同頻同相的相干載波37表2PSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程注：碼元相位表示碼元所對應(yīng)的PSK信號的相位，［φ·φ1］和［φ·φ2］表示相位為φ的PSK信號分別與相位為φ1和φ2的本地載波相乘本地載波相位的不確定性造成了解調(diào)后的數(shù)字信號可能極性完全相反，形成1和0的倒置，引起信息接收錯誤。表2PSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程注：碼元相位表示碼元所對38絕對調(diào)相和相對調(diào)相BPSK：絕對調(diào)相，利用載波相位的絕對數(shù)值來傳送數(shù)字信息。DPSK：差分相移鍵控，利用前后碼元載波相位的相對變化來傳送數(shù)字信息。絕對調(diào)相會出現(xiàn)“倒π現(xiàn)象”或“反向工作現(xiàn)象”絕對調(diào)相和相對調(diào)相BPSK：絕對調(diào)相，利用載波相位的絕對數(shù)值392DPSK調(diào)制相對相移鍵控是利用前后碼元載波相位的相對變化來表示數(shù)字信號。相位相對變化是指本碼元的初相與前一碼元的初相之差。2DPSK調(diào)制相對相移鍵控是利用前后碼元載波相位的相對變化來402DPSK波形輸入二進(jìn)制信息先進(jìn)行差分編碼，由絕對碼變成相對碼，然后調(diào)相。使用相對碼跳變表示絕對碼“1”，相對碼不變表示絕對碼“0”。根據(jù)初始狀態(tài)是高電平或低電平，相對碼有兩種波形。2DPSK波形輸入二進(jìn)制信息先進(jìn)行差分編碼，由絕對碼變成相對41DPSK調(diào)制器

無論發(fā)射信號是2DPSK還是2PSK信號，單從接收端看是區(qū)分不開的。因此，2DPSK信號的功率譜密度和2PSK信號的功率譜密度是完全一樣的。（a）模擬調(diào)制法（b）相移鍵控法DPSK調(diào)制器（a）模擬調(diào)制法422DPSK的解調(diào)2DPSK信號可以采用相干解調(diào)法(極性比較法)和差分相干解調(diào)法(相位比較法)。相干解調(diào)法：先對2DPSK信號進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。在解調(diào)過程中，若相干載波產(chǎn)生180°相位模糊，解調(diào)出的相對碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊的問題。2DPSK的解調(diào)2DPSK信號可以采用相干解調(diào)法(極性比較法432DPSK相干解調(diào)器及各點波形

2DPSK相干解調(diào)2DPSK相干解調(diào)器及各點波形2DPSK相干解調(diào)44表2DPSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程2DPSK相干解調(diào)表2DPSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程2DPSK相干解調(diào)452DPSK差分相干解調(diào)器及各點波形

2DPSK的差分相干解調(diào)器要求信號的載波頻率足夠穩(wěn)定，若載頻變化Δw，則延時電路引起額外的相位偏移ΔwTs，會影響抗噪聲性能。2DPSK差分相干解調(diào)器及各點波形2DPSK的差分相干解調(diào)46表2DPSK信號的調(diào)制和延遲解調(diào)過程2DPSK的差分相干解調(diào)器表2DPSK信號的調(diào)制和延遲解調(diào)過程2DPSK的差分相47DPSK的性能DPSK相干解調(diào)DPSK差分相干解調(diào)BPSK相干解調(diào)DPSK的性能DPSK相干解調(diào)48DPSK的性能采用差分相干解調(diào)的DPSK的抗白噪聲性能不如相干解調(diào)的絕對調(diào)相，但在抗頻漂、抗多徑效應(yīng)及相位抖動等方面較優(yōu)，解調(diào)電路簡單，應(yīng)用很廣。DPSK的性能采用差分相干解調(diào)的DPSK的抗白噪聲性能不如相492FSK調(diào)制二元數(shù)字基帶序列控制載波頻率的變化，而幅度和相位保持不變。

這里，和分別表示第個信號碼元的初始相位，是的反碼2FSK調(diào)制二元數(shù)字基帶序列控制載波頻率的變化，而幅度和相位502FSK調(diào)制原理設(shè)則，2FSK信號可以表示為：2FSK調(diào)制原理設(shè)512FSK調(diào)制原理2FSK調(diào)制原理522FSK信號的功率譜及帶寬一個2FSK信號可看作兩個不同頻率2ASK信號的合成。根據(jù)2ASK信號功率譜密度的表達(dá)式，可以得到2FSK信號功率譜密度的表達(dá)式為

上式中，和分別是基帶信號和的功率譜。2FSK信號的功率譜及帶寬一個2FSK信號可看作兩個不同頻率532FSK信號的功率譜及帶寬2FSK信號的功率譜如圖所示。圖中2FSK信號的功率譜與2ASK信號的功率譜相似，同樣包含連續(xù)譜和離散譜。其中，連續(xù)譜由兩個雙邊譜疊加而成，而離散譜出現(xiàn)在兩個載頻位置f1和f2上。連續(xù)譜的形狀隨著|f1-f2|的大小而異。2FSK信號的功率譜及帶寬2FSK信號的功率譜如圖所示。圖中54BFSK信號的功率譜及帶寬（2）若以二進(jìn)制移頻鍵控信號功率譜第一個零點之間的頻率間隔計算其信號帶寬，我們可以定義2FSK的頻譜寬度為BFSK信號的功率譜及帶寬（2）若以二進(jìn)制移頻鍵控信號552FSK信號的產(chǎn)生通常2FSK信號可以由兩種電路實現(xiàn)。（a）模擬調(diào)頻法（b）鍵控法2FSK信號的產(chǎn)生通常2FSK信號可以由兩種電路實現(xiàn)。（a）562FSK信號的解調(diào)2FSK的解調(diào)也可以分為非相干（包絡(luò)檢波）和相干解調(diào)，分別如下圖所示，其原理和2ASK解調(diào)時相同，只是這里使用兩套電路。圖2FSK包絡(luò)檢波方框圖2FSK信號的解調(diào)2FSK的解調(diào)也可以分為非相干（包絡(luò)檢波）572FSK信號的解調(diào)圖2FSK相干解調(diào)方框圖相干、包絡(luò)解調(diào)判決器判決標(biāo)準(zhǔn)：

比較兩路輸出，選擇輸出的大的一路。2FSK信號的解調(diào)圖2FSK相干解調(diào)方框圖相干、包絡(luò)解調(diào)58二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能頻帶寬度2ASK、2PSK：2/Ts

2FSK：|f2-f1|+2/Ts

頻帶利用率最低誤碼性能

2PSK最好，2FSK次之，2ASK最差；相干解調(diào)優(yōu)于非相干解調(diào)對信道特性變化的敏感性信道特性變化對2ASK影響大信道存在衰落時采用非相干接收發(fā)射功率受限時考慮相干接收二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能頻帶寬度59多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)當(dāng)信道頻帶受限時，采用M進(jìn)制數(shù)字調(diào)制可以增大信息傳輸速率，提高頻帶利用率。用多進(jìn)制的數(shù)字基帶信號調(diào)制載波，就可以得到多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號。通常，取多進(jìn)制數(shù)M為2的冪次（M＝2n）。當(dāng)攜帶信息的參數(shù)分別為載波的幅度、頻率或相位時，數(shù)字調(diào)制信號為M進(jìn)制幅度鍵控（MASK）、M進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）或M進(jìn)制相移鍵控（MPSK）。

多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)當(dāng)信道頻帶受限時，采用M進(jìn)制數(shù)字調(diào)制可以增60跳頻系統(tǒng)中的調(diào)制體制設(shè)計跳頻系統(tǒng)特點載波不斷跳變，每一跳載波不相干，高速跳頻系統(tǒng)中難以在每一跳中進(jìn)行相干載波恢復(fù)適宜的調(diào)制方式：可以采用非相干接收機。傳統(tǒng)跳頻電臺：DPSK、FSK較常用。隨著調(diào)制技術(shù)的不斷發(fā)展，一些更為先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)pi/4-DQPSK、MSK、GMSK、CPM、TCM、編碼調(diào)制級聯(lián)等也廣泛應(yīng)用在現(xiàn)有跳頻電臺系統(tǒng)中。綜合設(shè)計：頻譜效率、功率效率、抗衰落、解調(diào)復(fù)雜度、先進(jìn)的解調(diào)器能夠解決快速載波恢復(fù)問題跳頻系統(tǒng)中的調(diào)制體制設(shè)計跳頻系統(tǒng)特點61結(jié)束結(jié)束62

跳頻通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)

跳頻通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室孫錦華跳頻通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)跳頻通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)西安63調(diào)制的概念調(diào)制是通信原理中一個十分重要的概念，是一種信號處理技術(shù)。無論在模擬通信、數(shù)字通信還是數(shù)據(jù)通信中都扮演著重要角色。

信源電信號調(diào)制接收機解調(diào)發(fā)射機電信號信宿無線信道噪聲和干擾消息模擬或數(shù)字信號調(diào)制的概念調(diào)制是通信原理中一個十分重要的概念，是一種信號處理64調(diào)制的概念比如，我們要把一件貨物運到幾千千米外的地方，我們必須使用運載工具，或汽車、或火車、或飛機。在這里，貨物相當(dāng)于調(diào)制信號，運載工具相當(dāng)于載波；把貨物裝到運載工具上相當(dāng)于調(diào)制，從運載工具上卸下貨物就是解調(diào)。這個例子雖然不十分貼切，但基本上類似于調(diào)制原理。調(diào)制的概念比如，我們要把一件貨物運到幾千千米外的地方，65為什么需要調(diào)制頻率變換

在無線通信中，需要傳送的由語言、音樂轉(zhuǎn)換來的屬于低頻的電信號，其頻率范圍從幾十赫到數(shù)千赫，不能直接從天線輻射出去；必須借助于高頻振蕩，由它將低頻信號“攜帶”到空間去，這就是所謂的“調(diào)制”方式。

電磁波的頻率越高，向外輻射能量的本領(lǐng)就越大當(dāng)天線尺寸與信號波長相比擬時，天線輻射效率最高為什么需要調(diào)制頻率變換66為什么需要調(diào)制頻率分配

為了使各個無線電臺發(fā)出的信號互不干擾，給每個電臺都分配了不同的頻率。利用調(diào)制技術(shù)把各種話音、音樂、圖像等基帶信號調(diào)制到不同的載頻上，可以使接收者選擇所需的電臺信號。為什么需要調(diào)制頻率分配67為什么需要調(diào)制多路復(fù)用每一種物理信道的頻率特性一般都遠(yuǎn)大于所傳的基帶信號帶寬直接傳輸多路話音信號又會造成相互干擾，致使接收端無法分清各路信號

必須用調(diào)制技術(shù)使得多路信號在同一個信道中同時傳輸

為什么需要調(diào)制多路復(fù)用68為什么需要調(diào)制改善系統(tǒng)性能

FM（調(diào)頻）抗干擾能力優(yōu)于AM（調(diào)幅）擴展頻譜調(diào)制為什么需要調(diào)制改善系統(tǒng)性能69調(diào)制的概念調(diào)制：把要傳輸?shù)男盘栕儞Q成適合信道傳輸?shù)男盘柕倪^程。（按調(diào)制信號的變換規(guī)律去改變載波的某些參數(shù)）解調(diào)：在接收端通過解調(diào)器把帶通信號還原成基帶信號的過程。調(diào)制信號/基帶信號：調(diào)制器的輸入信號（調(diào)制前）已調(diào)信號：調(diào)制器的輸出信號（調(diào)制后）載波:正弦信號、脈沖串或一組數(shù)字信號調(diào)制的概念調(diào)制：把要傳輸?shù)男盘栕儞Q成適合信道傳輸?shù)男盘柕倪^程70調(diào)制的分類按調(diào)制信號的種類分為

模擬調(diào)制——調(diào)制信號為模擬信號，比如正弦型信號。

數(shù)字調(diào)制——調(diào)制信號為數(shù)字信號，比如二進(jìn)制序列。按調(diào)制參數(shù)的種類分為

幅度調(diào)制——載波的幅值隨調(diào)制信號的變化而變化。

頻率調(diào)制——載波的頻率隨調(diào)制信號的變化而變化。

相位調(diào)制——載波的相位隨調(diào)制信號的變化而變化。調(diào)制的分類按調(diào)制信號的種類分為71對調(diào)制的要求移動通信信道的基本特征帶寬有限----提高頻譜利用率。

頻譜利用率：單位頻帶內(nèi)所能傳輸?shù)谋忍芈剩╞/s/Hz）

干擾和噪聲影響大----提高抗干擾能力存在多徑衰落----提高抗衰落能力對調(diào)制的要求：已調(diào)信號所占的帶寬要窄：頻譜主瓣窄已調(diào)信號頻譜副瓣的幅度要低，輻射到相鄰頻道的功率就小。經(jīng)調(diào)制解調(diào)后的輸出信噪比(S/N)較大或誤碼率較低。信號抗干擾、抗衰落能力強。對調(diào)制的要求移動通信信道的基本特征72調(diào)制方式研究的主要內(nèi)容調(diào)制的原理和已調(diào)信號的產(chǎn)生方法。已調(diào)信號的頻譜特性。解調(diào)的原理和實現(xiàn)方法。解調(diào)后的信噪比或誤碼率性能。調(diào)制方式研究的主要內(nèi)容調(diào)制的原理和已調(diào)信號的產(chǎn)生方法。73模擬調(diào)制—幅度調(diào)制最常用和最重要的模擬調(diào)制方式是用正弦波作為載波的幅度調(diào)制和角度調(diào)制。

幅度調(diào)制：調(diào)幅(AM)、雙邊帶(DSB)、單邊帶(SSB)和殘留邊帶(VSB)調(diào)制——載波振幅隨調(diào)制信號變化調(diào)幅波的調(diào)制過程特點：高頻信號幅度很容易被周圍的環(huán)境所影響，所以調(diào)幅信號的傳輸并不十分可靠。在傳輸?shù)倪^程中也很容易被竊聽，不安全。應(yīng)用：現(xiàn)在這種技術(shù)已經(jīng)比較少被采用；但在簡單設(shè)備的通信中還有采用，比如收音機中的AM波段就是調(diào)幅波。模擬調(diào)制—幅度調(diào)制最常用和最重要的模擬調(diào)制方式是用正弦波作為74模擬調(diào)制—角度調(diào)制角度調(diào)制是使正弦載波信號的角度隨著基帶調(diào)制信號的幅度變化而改變；角度變化的多少/快慢：調(diào)相/調(diào)頻；載波的幅度保持不變（恒包絡(luò)）。調(diào)頻(FM)：載波頻率調(diào)相(PM)：載波相位隨調(diào)制信號變化的調(diào)制方式像被壓縮得不均勻的彈簧模擬調(diào)制—角度調(diào)制角度調(diào)制是使正弦載波信號的角度隨著基帶調(diào)制75模擬調(diào)制—角度調(diào)制在模擬蜂窩移動通信中，調(diào)頻是更為普遍應(yīng)用的角度調(diào)制，這是因為FM不管信號的幅度如何，抗干擾能力都很強;調(diào)頻也有自己的缺點（調(diào)頻波比調(diào)幅波頻帶寬，頻帶利用率低，門限效應(yīng)），所以在現(xiàn)在的移動通信技術(shù)中，我們更多地采用了數(shù)字調(diào)制方式來改善信號的傳播。傳統(tǒng)的短波、超短波模擬跳頻電臺中也廣泛采用了AM、FM、SSB等模擬調(diào)制方式。模擬調(diào)制—角度調(diào)制在模擬蜂窩移動通信中，調(diào)頻是更為普遍應(yīng)用的76數(shù)字調(diào)制現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)；數(shù)字調(diào)制就是用數(shù)字信號調(diào)制載波的不同參量(模擬調(diào)制就是用模擬信號調(diào)制載波)。數(shù)字信號的優(yōu)點：

處理速度的提高（適合機器處理）；

靈活性高，能適應(yīng)各種業(yè)務(wù)要求；

抗干擾性能得到加強，無噪聲積累；

容易加密，保密性強；

設(shè)備便于集成化、微型化數(shù)字調(diào)制現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)；77影響選擇數(shù)字調(diào)制方式的因素功率效率高帶寬效率高抗多徑和衰落能力強容易實現(xiàn)、價格低廉影響選擇數(shù)字調(diào)制方式的因素功率效率高78調(diào)制方案性能的衡量

功率效率（Powerefficiency）

在保證一定錯誤概率的前提下接收端所要求的每比特信號能量Eb與噪聲功率譜密度N0的比值。

調(diào)制方式Pe=10-5時所需信噪比2ASK15.6dB2PSK9.6dB2FSK12.6dB調(diào)制方案性能的衡量功率效率（Powerefficie79調(diào)制方案性能的衡量帶寬效率（Bandwidthefficiency）

描述了調(diào)制方式在一有限帶寬內(nèi)提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。一般，?shù)據(jù)速率↑，占用帶寬↑帶寬效率的理論上限在一個任意小的錯誤概率下，最大的帶寬效率受限于信道內(nèi)的噪聲調(diào)制方案性能的衡量帶寬效率（Bandwidtheffici80調(diào)制方案性能的衡量在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，需要在功率效率和帶寬效率之間進(jìn)行折衷

加差錯控制編碼，（B↑），ηB↓，ηP↑

多進(jìn)制調(diào)制，（R↑），ηB↑

，ηP↓

調(diào)制方案性能的衡量在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，需要在功率效率和帶寬效率81調(diào)制方案性能的衡量帶寬為200KHz，SNR分別為10dB、30dB的信道的理論最大數(shù)據(jù)速率為多少？解：SNR=10dB＝10B＝200KHz

C＝Blog2(1+S/N)=200000log2(1+10)=691.886kbps

GSM系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率270.833kbps，是10dB條件下理論值的40％。

SNR=30dB＝1000

C＝Blog2(1+S/N)=200000log2(1+1000)=1.99Mbps

調(diào)制方案性能的衡量帶寬為200KHz，SNR分別為10dB、82三種常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)模擬調(diào)制：對載波信號的參量進(jìn)行連續(xù)調(diào)制數(shù)字調(diào)制：用載波信號的某些離散狀態(tài)來表征所傳送的信息數(shù)字調(diào)制載波S(t)=Acos(t+)S(t)的參量包括：幅度A、頻率

、相位數(shù)字調(diào)制就是要使這三個參量隨數(shù)字基帶信號的變化而變化三種常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)模擬調(diào)制：對載波信號的參量進(jìn)行連續(xù)調(diào)制83三種常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)幅移鍵控ASK(AmplitudeShiftKeying)頻移鍵控FSK(FrequencyShiftKeying)相移鍵控PSK(PhaseShiftKeying)

三種常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)幅移鍵控ASK(AmplitudeS842ASK二進(jìn)制幅移鍵控是指高頻載波的幅度受調(diào)制信號的控制，而頻率和相位保持不變。用二進(jìn)制數(shù)字信號“1”和“0”控制載波的通和斷，所以又稱通斷鍵控OOK（On－OffKeying）。

這里，Ts為調(diào)制信號間隔，g(t)為單極性矩形脈沖信號的時間波形，an為二進(jìn)制數(shù)字信息出現(xiàn)概率為P

出現(xiàn)概率為1-P

2ASK二進(jìn)制幅移鍵控是指高頻載波的幅度受調(diào)制信號的控制，而852ASK由2ASK的定義可以得到其時域表達(dá)式可見，2ASK信號可以表示成一個單極性矩形脈沖序列與一個正弦形載波相乘。2ASK由2ASK的定義可以得到其時域表達(dá)式862ASK信號的功率譜2ASK信號的功率譜包含連續(xù)譜和離散譜，其中連續(xù)譜是數(shù)字基帶信號s(t)經(jīng)過線性調(diào)制后的雙邊帶譜，而離散譜為載波分量，出現(xiàn)在±fc。2ASK的頻帶寬度是基帶信號寬度的兩倍（譜零點帶寬）。功率譜密度的第一對過零點之間集中了信號的主要功率2ASK信號的功率譜2ASK信號的功率譜包含連續(xù)譜和離散譜872ASK信號的產(chǎn)生2ASK信號的產(chǎn)生方法有兩種（a）模擬調(diào)制法（b）鍵控法2ASK信號的產(chǎn)生2ASK信號的產(chǎn)生方法有兩種（a）模擬調(diào)制882ASK信號的解調(diào)（1）2ASK信號的解調(diào)可以采用非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）和相干解調(diào)（同步檢波）兩種方式來實現(xiàn)。非相干解調(diào)2ASK信號的解調(diào)（1）2ASK信號的解調(diào)可以采用非相干解調(diào)892ASK信號的解調(diào)（2）相干解調(diào)2ASK信號的解調(diào)（2）相干解調(diào)902ASK信號的性能二進(jìn)制幅移鍵控是數(shù)字調(diào)制中出現(xiàn)最早的，也是最簡單的。這種方法最初用于電報系統(tǒng)，但由于它在抗噪聲的能力上較差，故在數(shù)字通信系統(tǒng)中用的不多。但常作為研究其它數(shù)字調(diào)制方式的基礎(chǔ)。相干檢測2ASK信號的性能二進(jìn)制幅移鍵控是數(shù)字調(diào)制中出現(xiàn)最早的，也是912PSK和2DPSK

相移鍵控是利用載波相位的變化來傳遞數(shù)字信息，通常可以分為：二進(jìn)制絕對相移鍵控（2PSK、BPSK）二進(jìn)制相對相移鍵控（2DPSK）

類似地，M進(jìn)制絕對相移鍵控（MPSK）M進(jìn)制相對相移鍵控（MDPSK）differential2PSK和2DPSK相移鍵控是利用載波相位的變化來傳遞922PSK一般的如果二進(jìn)制數(shù)字信號“1”和“0”，分別用載波的相位π和0這兩個離散值來表示，而其幅度和頻率不變，這種調(diào)制方式稱為二相絕對相移鍵控。

思考：上式與2ASK有何區(qū)別？2PSK一般的如果二進(jìn)制數(shù)字信號“1”和“0”，分別用載波的932PSK2PSK（BPSK）調(diào)制

設(shè)輸入比特流為{an}，則調(diào)制器輸出為：

Acos2πfct，an=0

；

s(t)=

-Acos2πfct，an=1

。

2PSK2PSK（BPSK）調(diào)制942PSK的波形2PSK信號的典型時間波形如圖所示，圖中所有數(shù)字信號“1”碼對應(yīng)載波信號的0相位，而“0”碼對應(yīng)載波信號的π相位（也可以反之）。2PSK的波形2PSK信號的典型時間波形如圖所示，圖中所有數(shù)952PSK信號的頻譜2PSK信號可以看成特殊的2ASK信號。2PSK信號的功率譜與2ASK信號功率譜中的連續(xù)部分的形狀相同。因此這兩種信號的帶寬相同。2PSK的頻帶寬度是基帶信號寬度的兩倍。當(dāng)雙極性基帶信號以相等的概率出現(xiàn)時，BPSK信號的功率譜中無離散譜分量，而此離散譜分量就是2ASK信號的載波分量。所以BPSK可以看成抑制載波的雙邊帶幅移鍵控信號。2PSK信號的頻譜2PSK信號可以看成特殊的2ASK信號。2962PSK信號的實現(xiàn)方法模擬調(diào)制法：二進(jìn)制數(shù)字序列經(jīng)碼型變換，由單極性碼形成幅度為的雙極性不歸零碼，與載波相乘而產(chǎn)生2PSK信號。鍵控法：相位選擇器。2PSK信號的實現(xiàn)方法模擬調(diào)制法：二進(jìn)制數(shù)字序列經(jīng)碼型變換，972PSK信號的相干解調(diào)2PSK信號的相干解調(diào)98BPSK信號的相干解調(diào)（2）要求提供與發(fā)端同頻同相的相干載波

發(fā)送端同時傳輸一低電平的載波導(dǎo)頻信號無載波導(dǎo)頻信號，使用Costas環(huán)或平方環(huán)恢復(fù)載波由于分頻起點的不確定性，存在0、π相位模糊，引起解調(diào)后數(shù)字“1”、“0”倒置，應(yīng)用受限。BPSK信號的相干解調(diào)（2）要求提供與發(fā)端同頻同相的相干載波99表2PSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程注：碼元相位表示碼元所對應(yīng)的PSK信號的相位，［φ·φ1］和［φ·φ2］表示相位為φ的PSK信號分別與相位為φ1和φ2的本地載波相乘本地載波相位的不確定性造成了解調(diào)后的數(shù)字信號可能極性完全相反，形成1和0的倒置，引起信息接收錯誤。表2PSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程注：碼元相位表示碼元所對100絕對調(diào)相和相對調(diào)相BPSK：絕對調(diào)相，利用載波相位的絕對數(shù)值來傳送數(shù)字信息。DPSK：差分相移鍵控，利用前后碼元載波相位的相對變化來傳送數(shù)字信息。絕對調(diào)相會出現(xiàn)“倒π現(xiàn)象”或“反向工作現(xiàn)象”絕對調(diào)相和相對調(diào)相BPSK：絕對調(diào)相，利用載波相位的絕對數(shù)值1012DPSK調(diào)制相對相移鍵控是利用前后碼元載波相位的相對變化來表示數(shù)字信號。相位相對變化是指本碼元的初相與前一碼元的初相之差。2DPSK調(diào)制相對相移鍵控是利用前后碼元載波相位的相對變化來1022DPSK波形輸入二進(jìn)制信息先進(jìn)行差分編碼，由絕對碼變成相對碼，然后調(diào)相。使用相對碼跳變表示絕對碼“1”，相對碼不變表示絕對碼“0”。根據(jù)初始狀態(tài)是高電平或低電平，相對碼有兩種波形。2DPSK波形輸入二進(jìn)制信息先進(jìn)行差分編碼，由絕對碼變成相對103DPSK調(diào)制器

無論發(fā)射信號是2DPSK還是2PSK信號，單從接收端看是區(qū)分不開的。因此，2DPSK信號的功率譜密度和2PSK信號的功率譜密度是完全一樣的。（a）模擬調(diào)制法（b）相移鍵控法DPSK調(diào)制器（a）模擬調(diào)制法1042DPSK的解調(diào)2DPSK信號可以采用相干解調(diào)法(極性比較法)和差分相干解調(diào)法(相位比較法)。相干解調(diào)法：先對2DPSK信號進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息。在解調(diào)過程中，若相干載波產(chǎn)生180°相位模糊，解調(diào)出的相對碼將產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊的問題。2DPSK的解調(diào)2DPSK信號可以采用相干解調(diào)法(極性比較法1052DPSK相干解調(diào)器及各點波形

2DPSK相干解調(diào)2DPSK相干解調(diào)器及各點波形2DPSK相干解調(diào)106表2DPSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程2DPSK相干解調(diào)表2DPSK信號的調(diào)制和解調(diào)過程2DPSK相干解調(diào)1072DPSK差分相干解調(diào)器及各點波形

2DPSK的差分相干解調(diào)器要求信號的載波頻率足夠穩(wěn)定，若載頻變化Δw，則延時電路引起額外的相位偏移ΔwTs，會影響抗噪聲性能。2DPSK差分相干解調(diào)器及各點波形2DPSK的差分相干解調(diào)108表2DPSK信號的調(diào)制和延遲解調(diào)過程2DPSK的差分相干解調(diào)器表2DPSK信號的調(diào)制和延遲解調(diào)過程2DPSK的差分相109DPSK的性能DPSK相干解調(diào)DPSK差分相干解調(diào)BPSK相干解調(diào)DPSK的性能DPSK相干解調(diào)110D