通信原理培訓課件

課件課件1

數字帶通傳輸

通信原理（第7版）第7章樊昌信曹麗娜編著數字帶通傳輸通信原理（第7版）第7章樊昌信曹麗娜2二進制數字調制/解調原理

2ASK2FSK2PSK/2DPSK二進制數字調制系統(tǒng)抗噪聲性能二進制數字調制系統(tǒng)的性能比較多進制數字調制原理和特點

本章內容:

第7章數字調制

二進制數字調制/解調原理本章內容:第7章數字調3多進制數字調制系統(tǒng)§7.4多進制數字調制系統(tǒng)§7.44

引言二進制：每個碼元只攜帶

1

bit

信息

Rb一定時，增加進制數M，可以降低RB

，從而減小信號帶寬、節(jié)約信道頻率資源。

RB

一定時，增加進制數M，可以增大Rb

，從而在相同帶寬內傳輸更多比特的信息，

ηb

。

目的：提高信道的頻帶利用率

。Mlog2M引言二進制：每個碼元只攜帶1bit信息Rb一5

代價：誤碼率增大（判決范圍減小）;系統(tǒng)復雜。

種類：

MASK、MFSK、MDPSK、MQAM換言之：若要保證一定的誤碼率，則需增加發(fā)射功率，即信號

的功率效率下降。注意：MFSK信號的帶寬較寬，

頻帶利用率低，適用于頻帶資源不受限制的場合。代價：誤碼率增大（判決范圍減?。?系統(tǒng)復雜。種類6MASK可看成是二進制振幅鍵控（2ASK）的推廣。且有§7.4.1

多進制振幅鍵控（MASK）

4ASK信號振幅有4種取值，每個碼元含2bit。MASK可看成是二進制振幅鍵控（2ASK）的推廣。且有§77

MASK調制:與2ASK的產生方法相似，區(qū)別在于:發(fā)送端輸入的二進制數字基帶信號需要先經過電平變換器轉換為M電平的基帶脈沖，然后再去調制。

MASK解調:與2ASK信號解調也相似，有相干和非相干解調兩種。MASK調制:與2ASK的產生方法相似，區(qū)別在于:8MASK信號的功率譜與2ASK信號具有相似的形式;譜零點帶寬是M進制數字基帶信號帶寬的兩倍。在

Rb相同時，MASK信號帶寬是2ASK的1/log2M倍。

MASK的抗噪聲能力差，常用多進制正交振幅調制（MQAM）來代替。MASK信號的功率譜與2ASK信號具有相似的形式;9MFSK可視為2FSK方式的推廣。

4FSK采用

4種不同的頻率分別表示雙比特信息：§7.4.2

多進制頻移鍵控（MFSK）MFSK可視為2FSK方式的推廣。4FSK采用4種不10MFSK調制與解調的原理框圖：MFSK調制與解調的原理框圖：11要求載頻之間的距離足夠大，以便用濾波器分離不同頻率的譜。MFSK信號占用較寬的頻帶，信道頻帶利用率不高。MFSK一般用于調制速率(1/TB)

不高的衰落信道傳輸場合。要求載頻之間的距離足夠大，以便用濾波器分離不同頻率的譜。MF12利用載波的M種不同相位表示數字信息。信號矢量圖（星座圖）：§7.4.3

多進制相移鍵控（MPSK）1

基本概念利用載波的M種不同相位表示數字信息。信號矢量圖（星座圖）13隨著M的增加，多相制信號可以在相同的帶寬中傳輸更多比特的信息，從而提高頻帶利用率。隨著M的增加，星座圖上的相鄰信號點的距離會逐漸減?。ㄅ袥Q范圍減小/噪聲容限減?。?，導致抗噪性能下降；設備復雜。隨著M的增加，多相制信號可以在相同的帶寬中傳輸更多比特的信息1424PSK調制

4PSK，也稱正交相移鍵控QPSK

——利用載波的4

種不同相位來表示數字信息。

QPSK的每一種載波相位代表兩個比特：（00、01、10或11）兩個比特的組合稱做雙比特碼元，記為ab1524PSK調制4PSK，也稱正交相移鍵控QPS1）雙比特與載波相位的關系矢量圖

注：對應關系可有不同規(guī)定，但相鄰碼組應符合格雷碼編碼規(guī)則1）雙比特與載波相位的關系矢量圖注：對應關系可有不同規(guī)定16波形

波形17

QPSK信號可視為兩個互為正交的2PSK信號的合成。正交調相法2）

QPSK調制QPSK信號可視為兩個互為正交調相法2）QPSK調18根據當時的雙比特ab，選相電路從候選的4個相位中選擇相應相位的載波輸出。相位選擇法abB方式原理：根據當時的雙比特ab，選相電路從候選的4個相位中選19

解決方案：采用四相相對相位調制，即QDPSK。

存在問題：存在900的相位模糊（0,90,180,270）

原理：分解為兩路2PSK信號的相干解調。3QPSK解調解決方案：采用四相相對相位調制，即QDPSK。存在問題：2021跳變周期2Tb帶寬B=Rb誤碼性能與BPSK相同

QPSK

特點：

發(fā)生在0011或0110交替時，

即雙比特ab同時跳變時，信號點沿對角線移動。最大相位跳變：180°相位跳變：0°,±90°,±180°21跳變周期2TbQPSK特點：21最大相位跳變180°，使限帶的QPSK信號包絡起伏很大，并出現(xiàn)包絡零點。頻譜擴展大，旁瓣對鄰道干擾大。

QPSK

缺點：

最大相位跳變180°，使限帶的QPSK信號包絡起伏很大，并出22

改進思路：

QPSK相位路徑

最大相位跳變180°23改進思路：QPSK相位路徑最大相位跳變18

改進思路：

信號點不作對角線移動即雙比特ab不同時跳變改進思路：信號點不作對角線移動24OQPSK相位路徑

相位跳變

0或±90°4

OQPSK

(偏置或交錯QPSK，OffsetQPSK)

如何實現(xiàn)？

在QPSK調制基礎上，將兩個正交分量的比特a和b錯開半個碼元（1個比特時間）使ab不可能同時改變見下圖

改進思路：

信號點不作對角線移動即雙比特ab不同時跳變OQPSK相位路徑相位跳變0或±90°425通信原理培訓課件26OQPSKOQPSK27

限帶OQPSK

與限帶QPSK

對比：

最大相位跳變180°

——包絡起伏大——頻譜擴展大相位跳變周期2Tb

最大相位跳變90°——包絡起伏小——頻譜擴展小相位跳變周期Tb影響主瓣帶寬限帶OQPSK與限帶QPSK對比：最大相位跳變128功率譜形狀：相同相干解調時：誤碼性能相同限帶OQPSK比限帶QPSK信號的

包絡起伏小、頻譜擴展小、鄰道干擾小，所以OQPSK比QPSK應用廣。功率譜形狀：相同29由兩個相差4的QPSK星座圖交替產生：A方式:

0°,±90°,180°

B方式:±45°,±135°可能相位跳變：±45°,±135°且A組只能往B組跳，反之亦然相位跳變周期2Tb——主瓣帶寬B=Rb，小于OQPSK5

/4-QPSK

原理和特點：

由兩個相差4的QPSK星座圖交替產生：可能相位跳變：相位304-QPSK優(yōu)勢：相鄰碼元間總有相位改變——有利于接收端提取碼元同步。存在多徑衰落時，4-QPSK優(yōu)于OQPSK?？刹捎貌罘謾z測——4-QPSK的信息蘊含在相鄰碼元間的相位差中。4-QPSK優(yōu)勢：相鄰碼元間總有相位改變存在多徑衰落時，31QPSK信號可視為兩個互為——每比特的信噪功率比多進制數字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能4-QPSK優(yōu)勢：頻譜擴展大，旁瓣對鄰道干擾大。譜零點帶寬是M進制數字基帶信號帶寬的兩倍。二進制數字調制系統(tǒng)的性能比較最大相位跳變：180°二進制數字調制系統(tǒng)抗噪聲性能則需增加發(fā)射功率，1）雙比特與載波相位的關系MFSK–非相干解調系統(tǒng)的誤碼率:QPSK相位路徑MFSK信號占用較寬的頻帶，信道頻帶利用率不高。Ps-信號碼元功率原理與2DPSK

類似：利用相鄰碼元載波的相對相位變化表示數字信息。QDPSK與QPSK的關系，如同2DPSK與2PSK關系4DPSK也稱QDPSK§7.4.4

多進制差分相移鍵控（MDPSK）1

基本原理QDPSK的矢量圖與QPSK的矢量圖相似——只是參考相位

是前一碼元的載波相位QPSK信號可視為兩個互為原理與2DPSK類似：利用相32矢量圖

前一碼元載波相位矢量圖前一碼元33波形

波形34

也有正交調相法和相位選擇法差分

編碼將絕對碼ab

?相對碼cd

碼變換+絕對調相原理圖B方式僅需在QPSK調制器基礎上增添差分編碼（碼變換）2

QDPSK調制也有正交調相法和相位選擇法差分編碼將絕對碼35cdabQDPSKB方式

相干解調（極性比較）+碼反變換將相對碼cd

?絕對碼ab差分

譯碼3

QDPSK解調cdabQDPSKB方式相干解調（極性比較）+碼反變換將相36B差分相干解調（相位比較法）B差分相干解調（相位比較法）37多進制數字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能§7.5多進制數字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能§7.538

回顧：二進制調制系統(tǒng)的抗噪聲性能回顧：二進制調制系統(tǒng)的抗噪聲性能39

抑制載波MASK-相干解調系統(tǒng)的誤碼率:M=2時:Per(dB)輸入信噪功率比

-噪聲功率Ps

-信號碼元功率-解調器抑制載波MASK-相干解調系統(tǒng)的誤碼率:M=2時:P40

MFSK–非相干解調系統(tǒng)的誤碼率:(a)非相干解調rbPe——每比特的信噪功率比MFSK–非相干解調系統(tǒng)的誤碼率:(a)非相干解調rb41

MFSK

–相干解調系統(tǒng)的誤碼率:(b)相干解調Perb比較相干和非相干解調的誤碼率，當log2M>7時，誤碼率的上界都可表示為：MFSK–相干解調系統(tǒng)的誤碼率:(b)相干解調Perb42

MPSK(M≥4)相干解調系統(tǒng)的誤碼率:

MDPSK(M≥4)相干解調系統(tǒng)的誤碼率:OQPSK的抗噪聲性能和QPSK完全一樣。MPSK(M≥4)相干解調系統(tǒng)的誤碼率:MDPSK(43Perb

(dB)Perb(dB)MDPSK系統(tǒng)的誤碼率MPSK系統(tǒng)的誤碼率Perb(dB)Perb(dB)MDPSK系統(tǒng)的誤碼率44配套輔導教材：

曹麗娜樊昌信

編著

國防工業(yè)出版社

整理知識歸納結論梳理關系引導主線剖析難點解惑疑點強化重點點擊考點配套輔導教材：45謝謝！謝謝！46

課件課件47

數字帶通傳輸

通信原理（第7版）第7章樊昌信曹麗娜編著數字帶通傳輸通信原理（第7版）第7章樊昌信曹麗娜48二進制數字調制/解調原理

2ASK2FSK2PSK/2DPSK二進制數字調制系統(tǒng)抗噪聲性能二進制數字調制系統(tǒng)的性能比較多進制數字調制原理和特點

本章內容:

第7章數字調制

二進制數字調制/解調原理本章內容:第7章數字調49多進制數字調制系統(tǒng)§7.4多進制數字調制系統(tǒng)§7.450

引言二進制：每個碼元只攜帶

1

bit

信息

Rb一定時，增加進制數M，可以降低RB

，從而減小信號帶寬、節(jié)約信道頻率資源。

RB

一定時，增加進制數M，可以增大Rb

，從而在相同帶寬內傳輸更多比特的信息，

ηb

。

目的：提高信道的頻帶利用率

。Mlog2M引言二進制：每個碼元只攜帶1bit信息Rb一51

代價：誤碼率增大（判決范圍減?。?系統(tǒng)復雜。

種類：

MASK、MFSK、MDPSK、MQAM換言之：若要保證一定的誤碼率，則需增加發(fā)射功率，即信號

的功率效率下降。注意：MFSK信號的帶寬較寬，

頻帶利用率低，適用于頻帶資源不受限制的場合。代價：誤碼率增大（判決范圍減?。?系統(tǒng)復雜。種類52MASK可看成是二進制振幅鍵控（2ASK）的推廣。且有§7.4.1

多進制振幅鍵控（MASK）

4ASK信號振幅有4種取值，每個碼元含2bit。MASK可看成是二進制振幅鍵控（2ASK）的推廣。且有§753

MASK調制:與2ASK的產生方法相似，區(qū)別在于:發(fā)送端輸入的二進制數字基帶信號需要先經過電平變換器轉換為M電平的基帶脈沖，然后再去調制。

MASK解調:與2ASK信號解調也相似，有相干和非相干解調兩種。MASK調制:與2ASK的產生方法相似，區(qū)別在于:54MASK信號的功率譜與2ASK信號具有相似的形式;譜零點帶寬是M進制數字基帶信號帶寬的兩倍。在

Rb相同時，MASK信號帶寬是2ASK的1/log2M倍。

MASK的抗噪聲能力差，常用多進制正交振幅調制（MQAM）來代替。MASK信號的功率譜與2ASK信號具有相似的形式;55MFSK可視為2FSK方式的推廣。

4FSK采用

4種不同的頻率分別表示雙比特信息：§7.4.2

多進制頻移鍵控（MFSK）MFSK可視為2FSK方式的推廣。4FSK采用4種不56MFSK調制與解調的原理框圖：MFSK調制與解調的原理框圖：57要求載頻之間的距離足夠大，以便用濾波器分離不同頻率的譜。MFSK信號占用較寬的頻帶，信道頻帶利用率不高。MFSK一般用于調制速率(1/TB)

不高的衰落信道傳輸場合。要求載頻之間的距離足夠大，以便用濾波器分離不同頻率的譜。MF58利用載波的M種不同相位表示數字信息。信號矢量圖（星座圖）：§7.4.3

多進制相移鍵控（MPSK）1

基本概念利用載波的M種不同相位表示數字信息。信號矢量圖（星座圖）59隨著M的增加，多相制信號可以在相同的帶寬中傳輸更多比特的信息，從而提高頻帶利用率。隨著M的增加，星座圖上的相鄰信號點的距離會逐漸減?。ㄅ袥Q范圍減小/噪聲容限減小），導致抗噪性能下降；設備復雜。隨著M的增加，多相制信號可以在相同的帶寬中傳輸更多比特的信息6024PSK調制

4PSK，也稱正交相移鍵控QPSK

——利用載波的4

種不同相位來表示數字信息。

QPSK的每一種載波相位代表兩個比特：（00、01、10或11）兩個比特的組合稱做雙比特碼元，記為ab6124PSK調制4PSK，也稱正交相移鍵控QPS1）雙比特與載波相位的關系矢量圖

注：對應關系可有不同規(guī)定，但相鄰碼組應符合格雷碼編碼規(guī)則1）雙比特與載波相位的關系矢量圖注：對應關系可有不同規(guī)定62波形

波形63

QPSK信號可視為兩個互為正交的2PSK信號的合成。正交調相法2）

QPSK調制QPSK信號可視為兩個互為正交調相法2）QPSK調64根據當時的雙比特ab，選相電路從候選的4個相位中選擇相應相位的載波輸出。相位選擇法abB方式原理：根據當時的雙比特ab，選相電路從候選的4個相位中選65

解決方案：采用四相相對相位調制，即QDPSK。

存在問題：存在900的相位模糊（0,90,180,270）

原理：分解為兩路2PSK信號的相干解調。3QPSK解調解決方案：采用四相相對相位調制，即QDPSK。存在問題：6667跳變周期2Tb帶寬B=Rb誤碼性能與BPSK相同

QPSK

特點：

發(fā)生在0011或0110交替時，

即雙比特ab同時跳變時，信號點沿對角線移動。最大相位跳變：180°相位跳變：0°,±90°,±180°21跳變周期2TbQPSK特點：67最大相位跳變180°，使限帶的QPSK信號包絡起伏很大，并出現(xiàn)包絡零點。頻譜擴展大，旁瓣對鄰道干擾大。

QPSK

缺點：

最大相位跳變180°，使限帶的QPSK信號包絡起伏很大，并出68

改進思路：

QPSK相位路徑

最大相位跳變180°69改進思路：QPSK相位路徑最大相位跳變18

改進思路：

信號點不作對角線移動即雙比特ab不同時跳變改進思路：信號點不作對角線移動70OQPSK相位路徑

相位跳變

0或±90°4

OQPSK

(偏置或交錯QPSK，OffsetQPSK)

如何實現(xiàn)？

在QPSK調制基礎上，將兩個正交分量的比特a和b錯開半個碼元（1個比特時間）使ab不可能同時改變見下圖

改進思路：

信號點不作對角線移動即雙比特ab不同時跳變OQPSK相位路徑相位跳變0或±90°471通信原理培訓課件72OQPSKOQPSK73

限帶OQPSK

與限帶QPSK

對比：

最大相位跳變180°

——包絡起伏大——頻譜擴展大相位跳變周期2Tb

最大相位跳變90°——包絡起伏小——頻譜擴展小相位跳變周期Tb影響主瓣帶寬限帶OQPSK與限帶QPSK對比：最大相位跳變174功率譜形狀：相同相干解調時：誤碼性能相同限帶OQPSK比限帶QPSK信號的

包絡起伏小、頻譜擴展小、鄰道干擾小，所以OQPSK比QPSK應用廣。功率譜形狀：相同75由兩個相差4的QPSK星座圖交替產生：A方式:

0°,±90°,180°

B方式:±45°,±135°可能相位跳變：±45°,±135°且A組只能往B組跳，反之亦然相位跳變周期2Tb——主瓣帶寬B=Rb，小于OQPSK5

/4-QPSK

原理和特點：

由兩個相差4的QPSK星座圖交替產生：可能相位跳變：相位764-QPSK優(yōu)勢：相鄰碼元間總有相位改變——有利于接收端提取碼元同步。存在多徑衰落時，4-QPSK優(yōu)于OQPSK?？刹捎貌罘謾z測——4-QPSK的信息蘊含在相鄰碼元間的相位差中。4-QPSK優(yōu)勢：相鄰碼元間總有相位改變存在多徑衰落時，77QPSK信號可視為兩個互為——每比特的信噪功率比多進制數字調制系統(tǒng)的抗噪聲性能4-QPSK優(yōu)勢：頻譜擴展大，旁瓣對鄰道干擾大。譜零點帶寬是M進制數字基帶信號帶寬的兩倍。二進制數字調制系統(tǒng)的性能比較最大相位跳變：180°二進制數字調制系統(tǒng)抗噪聲性能則需增加發(fā)射功率，1）雙比特與載波相位的關系MFSK–非相干解調系統(tǒng)的誤碼率:QPSK相位路徑MFSK信號占用較寬的頻帶，信道頻帶利用率不高。Ps-信號碼元功率原理與2DPSK

類似：利用相鄰碼元載波的相對相位變化表示數字信息。QDPSK與QPSK的關系，如同2DPSK與2PSK關系4DPSK也稱QDPSK§7.4.4

多進制差分相移鍵控（MDPSK）1

基本原理QDPSK的矢量圖與QPSK的矢量圖相似——只是參考相位

是前一碼元的載波相位QPSK信號可視為兩個互為原理與2DPSK類似：利用相78矢量圖

前一碼元載波相位矢量圖前一碼元79波形

波形80

也有正交調相法和相位選擇法差分

編碼將絕對碼ab

?相對碼cd

碼變換+絕對調相原理圖B方式僅需在QPSK調制器基礎上增添差分編碼（碼變換）