文元美現(xiàn)代通信原理課件第8章-數(shù)字信號的頻帶傳輸

5.1引言圖1頻帶傳輸系統(tǒng)的組成方框圖2/4/2023通信原理5.1二進制數(shù)字幅度調(diào)制

調(diào)制信號為二進制數(shù)字信號時，這種調(diào)制稱為二進制數(shù)字調(diào)制。在二進制數(shù)字調(diào)制中，載波的幅度、頻率或相位只有兩種變化狀態(tài)。5.1.1一般原理與實現(xiàn)方法

數(shù)字幅度調(diào)制又稱幅度鍵控（ASK），二進制幅度鍵控記作2ASK。

2/4/2023通信原理二進制數(shù)字振幅鍵控是一種古老的調(diào)制方式，最初用于電報系統(tǒng)，由于抗噪能力差，用得少。它是各種數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)。振幅鍵控(也稱幅移鍵控)，記作ASK(AmplitudeShiftKeying)，或稱其為開關(guān)鍵控(通斷鍵控)，記作OOK(OnOffKeying)。二進制數(shù)字振幅鍵控通常記作2ASK。2/4/2023通信原理2ASK信號可表示為：

s(t)為單極性NRZ矩形脈沖序列：2ASK信號的產(chǎn)生方法（調(diào)制方法）

2/4/2023通信原理圖32ASK信號的產(chǎn)生及波形模型2/4/2023通信原理圖4橋式調(diào)制器產(chǎn)生2ASK信號2/4/2023通信原理圖5簡單的三極管調(diào)幅器2/4/2023通信原理圖62ASK信號的實現(xiàn)方法2/4/2023通信原理2ASK信號的功率譜及帶寬一個2ASK信號可以表示成：設(shè)：調(diào)制信號的功率譜為Ps(f)，則已調(diào)信號的功率譜為Pe(f)：帶寬為：頻帶利用率為：

2/4/2023通信原理

2.2ASK信號的功率譜及帶寬若用G(f)表示二進制序列中一個寬度為Tb、高度為1的門函數(shù)g(t)所對應(yīng)的頻譜函數(shù)。Ps(f)為s(t)的功率譜密度，Pe(f)為已調(diào)信號e(t)的功率譜密度，則有2/4/2023通信原理2ASK信號的功率譜2/4/2023通信原理則二進制振幅鍵控信號的功率譜密度P2ASK(f)為式中用到P=1/2，fs=1/Ts2/4/2023通信原理由圖7可見：(1)因為2ASK信號的功率譜密度Pe(f)是相應(yīng)的單極性數(shù)字基帶信號功率譜密度Ps(f)形狀不變地平移至±fc處形成的，所以2ASK信號的功率譜密度由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成。它的連續(xù)譜取決于數(shù)字基帶信號基本脈沖的頻譜G(f)；它的離散譜是位于±fc處一對頻域沖擊函數(shù)，這意味著2ASK信號中存在著可作載頻同步的載波頻率fc的成分。2/4/2023通信原理(2)基于同樣的原因，我們可以知道，上面所述的2ASK信號實際上相當于雙邊帶調(diào)幅(DSB)信號。因此，由圖7可以看出，2ASK信號的帶寬B2ASK是單極性數(shù)字基帶信號Bg的兩倍。當數(shù)字基帶信號的基本脈沖是矩形不歸零脈沖時，Bg=1/Tb。于是2ASK信號的帶寬為因為系統(tǒng)的傳碼率RB=1/Tb(Baud)，故2ASK系統(tǒng)的頻帶利用率為2/4/2023通信原理3.2ASK信號的解調(diào)及系統(tǒng)誤碼率二進制振幅鍵控信號解調(diào)器原理框圖2/4/2023通信原理2ASK信號非相干解調(diào)過程的時間波形2/4/2023通信原理圖92ASK信號的相干解調(diào)2/4/2023通信原理相干解調(diào)原理方框圖如圖9所示。相干解調(diào)就是同步解調(diào)，同步解調(diào)時，接收機要產(chǎn)生一個與發(fā)送載波同頻同相的本地載波信號，稱其為同步載波或相干載波，利用此載波與收到的已調(diào)波相乘，相乘器輸出為2/4/2023通信原理2ASK系統(tǒng)性能1、非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）的系統(tǒng)性能經(jīng)中心頻率為W0的BPF后，高斯白噪聲ni(t)變?yōu)檎瓗Ц咚乖肼昻(t)包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能分析模型2/4/2023通信原理n(t)可正交分解為同相分量和正交分量，即：且同相分量和正交分量均服從正態(tài)分布。即y(t)寫成：經(jīng)包絡(luò)檢波后，y(t)的包絡(luò)：2/4/2023通信原理萊斯分布:為零階貝塞爾函數(shù)瑞利分布:2ASK信號非相干解調(diào)的概率分布曲線2/4/2023通信原理若發(fā)“1”的概率為P(1)，發(fā)“0”的概率為P(0)，并且當P(0)=P(1)=1/2時，取樣判決器的判決門限電平取為A/2，當包絡(luò)的抽樣值>A/2時，判為“1”；抽樣值≤A/2時判為“0”。發(fā)“1”錯判為“0”的概率為P(0/1),發(fā)“0”錯判為“1”的概率為P(1/0)，則系統(tǒng)的總誤碼率為2/4/2023通信原理實際上，Pe就是圖中兩塊陰影面積之和的一半。x=A/2直線左邊的陰影面積等于Pe1，其值的一半表示漏報概率；x=A/2直線右邊的陰影面積等于Pe0，其值的一半表示虛報概率。采用包絡(luò)檢波的接收系統(tǒng)，通常是工作在大信噪比的情況下，這時可近似地得出系統(tǒng)誤碼率為式中r=A2/(2 )為輸入信噪比。由此可見，包絡(luò)解調(diào)2ASK系統(tǒng)的誤碼率隨輸入信噪比r的增大，近似地按指數(shù)規(guī)律下降。2/4/2023通信原理2.相干解調(diào)時2ASK系統(tǒng)的誤碼率其接收帶通濾波器BPF的輸出為：取本地載波，則乘法器輸出在抽樣判決器輸入端得到：

2/4/2023通信原理

x(t)值的一維概率密度為：

2/4/2023通信原理不難看出，最佳判決門限為：

可以證明，這時系統(tǒng)的誤碼率為：當信噪比遠大于1時，上式近似為：

在大信噪比情況下，2ASK信號相干解調(diào)時的誤碼率總是低于包絡(luò)檢波時的誤碼率，即相干解調(diào)2ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干解調(diào)系統(tǒng)。2/4/2023通信原理5.3數(shù)字頻率調(diào)制5.3.1二進制數(shù)字頻移鍵控(2FSK)1.一般原理與實現(xiàn)的方法圖132FSK信號的產(chǎn)生及波形2/4/2023通信原理根據(jù)以上對2FSK信號的產(chǎn)生原理的分析，已調(diào)信號的數(shù)字表達式可以表示為2/4/2023通信原理二進制移頻鍵控信號的時間波形2/4/2023通信原理1)直接調(diào)頻法(相位連續(xù)2FSK信號的產(chǎn)生)圖14直接調(diào)頻法產(chǎn)生2FSK信號2/4/2023通信原理圖15相位不連續(xù)2FSK信號的產(chǎn)生和各點波形2)頻率鍵控法(相位不連續(xù)2FSK信號的產(chǎn)生)2/4/2023通信原理圖15相位不連續(xù)2FSK信號的產(chǎn)生和各點波形2/4/2023通信原理圖16相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜2.2FSK信號的功率譜及帶寬1)相位不連續(xù)的2FSK情況2/4/2023通信原理(1)相位不連續(xù)2FSK信號的功率譜與2ASK信號的功率譜相似，同樣由離散譜和連續(xù)譜兩部分組成。其中，連續(xù)譜與2ASK信號的相同，而離散譜是位于±f1,±f2處的兩對沖擊，這表明2FSK信號中含有載波f1,f2的分量。(2)若僅計算2FSK信號功率譜第一個零點之間的頻率間隔，該2FSK信號的頻帶寬度，則為式中，RＢ=fb是基帶信號的帶寬，h=|f2-f1|/RＢ為偏移率(調(diào)制指數(shù))。2/4/2023通信原理為了便于接收端解調(diào)，要求2FSK信號的兩個頻率f1,f2間要有足夠的間隔。對于采用帶通濾波器來分路的解調(diào)方法，通常取|f2-f1|=(3～5)RB。于是，2FSK信號的帶寬為相應(yīng)地，這時2FSK系統(tǒng)的頻帶利用率為2/4/2023通信原理2)相位連續(xù)的2FSK情況圖17相位連續(xù)2FSK信號的功率譜2/4/2023通信原理表1幾種調(diào)制信號帶寬比較2/4/2023通信原理3.2FSK信號的解調(diào)及系統(tǒng)誤碼率圖18過零檢測法方框圖及各點波形圖1)過零檢測法2/4/2023通信原理2)包絡(luò)檢測法圖192FSK信號包絡(luò)檢波方框圖及波形圖2/4/2023通信原理2FSK包絡(luò)檢波解調(diào)過程的時間波形2/4/2023通信原理設(shè)頻率f1代表數(shù)字信號“1”；f2代表數(shù)字信號“0”，則抽樣判決器的判決準則應(yīng)為式中,v1,v2分別為抽樣時刻兩個包絡(luò)檢波器的輸出值。這里的抽樣判決器，要比較v1,v2的大小，或者說把差值v1-v2與零電平比較。因此，有時稱這種比較判決器的判決門限為零電平。2/4/2023通信原理3)同步檢波法圖202FSK信號相干檢測方框圖2/4/2023通信原理2FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能1.同步檢測法的系統(tǒng)性能2/4/2023通信原理發(fā)送端產(chǎn)生的2FSK信號可表示為：

接收機收入端合成波形為：接收端上、下支路兩個帶通濾波器BPF1、BPF2的輸出波形分別為：

2/4/2023通信原理考慮到這里的噪聲為窄帶高斯噪聲則：發(fā)送“1”符號，則上下支路低通濾波器輸出分別為：2/4/2023通信原理將造成發(fā)送“1”碼而錯判為“0”碼，錯誤概率為：其一維概率密度函數(shù)可表示為：

2/4/2023通信原理

同理可得，發(fā)送“0”符號而錯判為“1”符號的概率為于是可得2FSK信號采用同步檢測法解調(diào)時系統(tǒng)的誤碼率為：在大信噪比條件下，上式可近似表示為

2/4/2023通信原理2.包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能

發(fā)送“1”符號2/4/2023通信原理經(jīng)計算2FSK信號采用包絡(luò)檢波法解調(diào)時系統(tǒng)的誤碼率為：

（1）在輸入信號信噪比一定時，相干解調(diào)的誤碼率小于非相干解調(diào)的誤碼率；當系統(tǒng)的誤碼率一定時，相干解調(diào)比非相干解調(diào)對輸入信號的信噪比要求低。

（2）相干解調(diào)時，需要插入兩個相干載波，電路較為復(fù)雜。2/4/2023通信原理將相干解調(diào)與包絡(luò)(非相干)解調(diào)系統(tǒng)誤碼率做以比較，可以發(fā)現(xiàn)：(1)兩種解調(diào)方法均可工作在最佳門限電平。(2)在輸入信號信噪比r一定時，相干解調(diào)的誤碼率小于非相干解調(diào)的誤碼率；當系統(tǒng)的誤碼率一定時，相干解調(diào)比非相干解調(diào)對輸入信號的信噪比要求低。所以相干解調(diào)2FSK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干的包絡(luò)檢測。但當輸入信號的信噪比r很大時，兩者的相對差別不明顯。(3)相干解調(diào)時，需要插入兩個相干載波，因此電路較為復(fù)雜，但包絡(luò)檢測就無需相干載波，因而電路較為簡單。2/4/2023通信原理5.3二進制數(shù)字相位調(diào)制

根據(jù)載波相位表示數(shù)字信息的方式不同，數(shù)字調(diào)相分為絕對相移（PSK）和相對相移（DPSK）兩種。5.3.1二進制相移鍵控（2PSK）1.一般原理及實現(xiàn)方法2/4/2023通信原理

2PSK信號的典型波形如圖所示：2PSK信號的調(diào)制方框圖如圖所示：

2/4/2023通信原理

2PSK信號的解調(diào)：不考慮噪聲時，帶通濾波器輸出可表示為：

2/4/2023通信原理

2PSK接收系統(tǒng)各點波形如圖所示：

2/4/2023通信原理

2.2PSK信號的頻譜和帶寬

2PSK信號的功率譜密度可以寫成：對于雙極性NRZ碼，由于不存在直流成分，因此，2PSK信號功率譜示意圖如圖5-21所示：2/4/2023通信原理因此，2PSK信號的帶寬、頻帶利用率也與2ASK信號的相同。在數(shù)字調(diào)相中，由于表征信息的相位變化只有有限的離散取值，因此，可以把相位變化歸結(jié)為幅度變化。為此可以把數(shù)字調(diào)相信號當作線性調(diào)制信號來處理了。

2/4/2023通信原理3.2PSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

2PSK信號相干解調(diào)系統(tǒng)模型如圖所示：經(jīng)信道傳輸，接收端輸入信號為：2/4/2023通信原理經(jīng)帶通濾波器輸出：與本地載波相乘后，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，在抽樣判決器輸入端得到：

2/4/2023通信原理2/4/2023通信原理2PSK系統(tǒng)的最佳判決門限電平為：在最佳門限時，2PSK系統(tǒng)的誤碼率為：在大信噪比下，上式成為：

2/4/2023通信原理5.3.2二進制差分相移鍵控（2DPSK）

1.一般原理及實現(xiàn)方法它不是利用載波相位的絕對數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用本碼元與前一碼元相位之差來傳送數(shù)字信息的。

2/4/2023通信原理相對移相信號可以看作是把數(shù)字信息序列（絕對碼）變換成相對碼，然后再根據(jù)相對碼進行絕對移相而形成。絕對碼和相對碼是可以互相轉(zhuǎn)換的，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：編碼器譯碼器2/4/2023通信原理相對相移本質(zhì)上就是對差分碼信號的絕對相移。即實現(xiàn)相對調(diào)相的最常用方法如圖所示。2/4/2023通信原理2DPSK的解調(diào)有兩種，一種是差分相干解調(diào)，另一種是相干解調(diào)-碼變換法。（1）相干解調(diào)-碼變換法。

（2）差分相干解調(diào)法。它是直接比較前后碼元的相位差而構(gòu)成的，這種方法不需要碼變換器，也不需要專門的相干載波發(fā)生器，因此設(shè)備比較簡單、實用。

2/4/2023通信原理2/4/2023通信原理2.2DPSK信號的頻譜和帶寬無論是2PSK還是2DPSK信號，就波形本身而言，它們都可以等效成雙極性信號作用下的調(diào)幅信號，無非是一對倒相信號的序列。有以下結(jié)論：（1）2DPSK與2PSK有相同的功率譜；（2）它們的帶寬和頻帶利用率均相同。2/4/2023通信原理3.2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能

（1）極性比較-碼變換法解調(diào)時2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能為了分析碼反變換器對誤碼的影響，以序列0110111001為例，可以得到下圖：2/4/2023通信原理2/4/2023通信原理以這方式解調(diào)時的誤碼率為：當誤碼率很小時：由此可見，碼反變換器器總是使系統(tǒng)誤碼率增加，通常認為增加一倍。（2）差分相干解調(diào)時2DPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能2/4/2023通信原理4.2PSK與2DPSK系統(tǒng)的比較（1）檢測這兩種信號時判決器均可工作在最佳門限電平（零電平）。（2）2DPSK抗噪聲性能不及2PSK。（3）2PSK系統(tǒng)存在“反向工作”問題，而2DPSK系統(tǒng)不存在“反向工作”問題。因此在實際應(yīng)用中，真正作為傳輸用的數(shù)字調(diào)相信號幾乎都是DPSK信號。

2/4/2023通信原理5.4二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較

1.誤碼率

對二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的抗噪聲性能做如下兩個方面的比較：

（1）同一調(diào)制方式不同檢測方法的比較

對于同一調(diào)制方式不同檢測方法，相干檢測的抗噪聲性能優(yōu)于非相干檢測。

2/4/2023通信原理2/4/2023通信原理（2）同一檢測方法不同調(diào)制方式的比較做橫向比較，可以看出：1）相干檢測時，在相同誤碼率條件下，對信噪比的要求是：2PSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB；2）非相干檢測時，在相同誤碼率條件下，對信噪比的要求是：2DPSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB。

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2.頻帶寬度3.對信道特性變化的敏感性信道特性變化的靈敏度對最佳判決門限有一定的影響。

2ASK系統(tǒng)最差。2FSK系統(tǒng)和2PSK系統(tǒng)較好。

4.設(shè)備的復(fù)雜程度

在高速數(shù)據(jù)傳輸中，相干PSK及DPSK用得較多，而在中、低速數(shù)據(jù)傳輸中，特別是在衰落信道中，相干2FSK用得較為普遍。2/4/2023通信原理多進制數(shù)字振幅鍵控(MASK)在多進制數(shù)字調(diào)制中，在每個符號間隔Tb內(nèi)，可能發(fā)送的符號有M種，在實際應(yīng)用中，通常取M=2n，n為大于1的正整數(shù)，也就是說，M是一個大于2的數(shù)字。這種狀態(tài)數(shù)目大于2的調(diào)制信號稱為多進制信號。將多進制數(shù)字信號(也可由基帶二進制信號變換而成)對載波進行調(diào)制，在接收端進行相反的變換，這種過程就叫多進制數(shù)字調(diào)制與解調(diào)，或簡稱為多進制數(shù)字調(diào)制。2/4/2023通信原理與二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)相比，多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)具有以下幾個特點：(1)在碼元速率(傳碼率)相同條件下，可以提高信息速率(傳信率)。當碼元速率相同時，M進制數(shù)傳系統(tǒng)的信息速率是二進制的log2M倍。(2)在信息速率相同條件下，可降低碼元速率，以提高傳輸?shù)目煽啃浴?3)在接收機輸入信噪比相同條件下，多進制數(shù)傳系統(tǒng)的誤碼率比相應(yīng)的二進制系統(tǒng)要高。(4)設(shè)備復(fù)雜。2/4/2023通信原理1.MASK信號的波形及表示式2/4/2023通信原理圖11多電平調(diào)制波形2/4/2023通信原理圖11(c)的各個波形可表示為2/4/2023通信原理其中e1(t)、…、em-1(t)均為2ASK信號，但它們振幅互不相等，時間上互不重疊，e0(t)=0可以不考慮。因此，m電平的MASK信號e(t)可以看作由振幅互不相等、時間上互不相容的m-1個2ASK信號疊加而成。即概率為1概率為P1概率為1-P1概率為P2概率為1-P2概率為Pm-1概率為1-Pm-12/4/2023通信原理2.MASK信號的帶寬及頻帶利用率MASK信號的帶寬可表示為其中f′b=1/T′b是多進制碼元速率。與二進制2ASK信號相比較，二進制碼元速率為fb。當兩者碼元速率相等時，即f′b=fb，則兩者帶寬相等，即2/4/2023通信原理當兩者的信息速率相等時，則其碼元速率的關(guān)系為2/4/2023通信原理當以碼元速率考慮頻帶利用率r時，有這與2ASK系統(tǒng)相同。但通常是以信息速率來考慮頻帶利用率的，因此有2/4/2023通信原理3.MASK信號的調(diào)制方法幾種多電平調(diào)制的方框圖2/4/2023通信原理幾種多電平調(diào)制的方框圖2/4/2023通信原理為了進一步說明多電平正交調(diào)幅帶來的好處，將發(fā)端方框圖再詳細畫出示于圖12(d)中(設(shè)m=4,圖右側(cè)為A,B,C,D各點波形圖)。輸入二進制數(shù)碼的碼元寬度為Tb，每2比特一組，經(jīng)2/4電平變換器變換成四進制數(shù)碼，其碼元寬度為2Tb，每個碼元包含2比特信息。再經(jīng)串/并變換交叉送入兩個支路去進行正交調(diào)制，此時各支路的碼元寬度為4Tb。輸出信號的帶寬為它是單路2ASK系統(tǒng)帶寬(2fb)的，而信息速率并不改變。此時頻帶利用率為2/4/2023通信原理4.MASK信號的特點(1)傳輸效率高。(2)抗衰落能力差。(3)在接收機輸入平均信噪比相等的情況下，MASK系統(tǒng)的誤碼率比2ASK系統(tǒng)要高。(4)電平數(shù)M越大，設(shè)備越復(fù)雜。2/4/2023通信原理多進制數(shù)字頻移鍵控(MFSK)

1.MFSK系統(tǒng)方框圖圖21多頻制系統(tǒng)的組成方框圖2/4/2023通信原理2.MFSK信號的帶寬及頻帶利用率鍵控法產(chǎn)生的MFSK信號，其相位是不連續(xù)的，可用DPMFSK表示。它可以看作由m個振幅相同、載頻不同、時間上互不相容的2ASK信號疊加的結(jié)果。設(shè)MFSK信號碼元的寬度為T′b，即傳輸速率f′b=1/T′b(Baud)，則m頻制信號的帶寬為設(shè)fD=(fm-f1)/2為最大頻偏，則上式可表示為2/4/2023通信原理圖22DPMFSK信號的功率譜2/4/2023通信原理若相鄰載頻之差等于2f′b，即相鄰頻率的功率譜主瓣剛好互不重疊，這時的MFSK信號的帶寬及頻帶利用率分別為此時兩者帶寬的關(guān)系為2/4/2023通信原理頻帶利用率的關(guān)系為與MASK的頻帶利用率比較，其關(guān)系為2/4/2023通信原理3.MFSK信號的特點(1)在傳輸率一定時，由于采用多進制，每個碼元包含的信息量增加，碼元寬度加寬，因而在信號電平一定時每個碼元的能量增加。(2)一個頻率對應(yīng)一個二進制碼元組合，因此，總的判決數(shù)可以減少。(3)碼元加寬后可有效地減少由于多徑效應(yīng)造成的碼間串擾的影響，從而提高衰落信道下的抗干擾能力。MFSK信號的主要缺點是信號頻帶寬，頻帶利用率低。MFSK一般用于調(diào)制速率(載頻變化率)不高的短波、衰落信道上的數(shù)字通信。2/4/2023通信原理多進制數(shù)字相移鍵控(MPSK)

1.多相制的表達式及相位配置相鄰相移的差值為：2/4/2023通信原理2/4/2023通信原理圖34相位配置矢量圖2/4/2023通信原理圖35四相制信號波形圖2/4/2023通信原理2.多相制信號的產(chǎn)生1)直接調(diào)相法(1)4PSK信號的產(chǎn)生(π/4體系)。圖36直接調(diào)相法產(chǎn)生4PSK信號方框圖2/4/2023通信原理圖36直接調(diào)相法產(chǎn)生4PSK信號方框圖2/4/2023通信原理(2)4DPSK信號的產(chǎn)生(π/2體系)。圖37直接調(diào)相—碼變換法產(chǎn)生4DPSK信號方框圖及碼變換波形2/4/2023通信原理(3)8PSK信號的產(chǎn)生(π/4體系)。圖388PSK正交調(diào)制器π/4體系2/4/2023通信原理2)相位選擇法圖39相位選擇法產(chǎn)生四相制信號方框圖2/4/2023通信原理3)脈沖插入法圖40脈沖插入法原理方框圖2/4/2023通信原理3.多相制信號的解調(diào)1)相干正交解調(diào)(極性比較法)圖41QPSK信號的相干解調(diào)2/4/2023通信原理2)差分正交解調(diào)(相位比較法)圖424DPSK信號的解調(diào)方框圖2/4/2023通信原理3)8PSK信號的解調(diào)圖438PSK信號的雙正交相干解調(diào)2/4/2023通信原理4)數(shù)字式四相信號解調(diào)圖44數(shù)字式四相信號解調(diào)方框圖2/4/2023通信原理圖5-45模二運算中的波形圖及計數(shù)值舉例2/4/2023通信原理5.5數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)性能比較5.5.1二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較表5-2數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率公式2/4/2023通信原理以上公式是在下列條件下得到的。(1)二進制數(shù)字信號“1”和“0”是獨立的且等概率出現(xiàn)的；(2)信道加性噪聲n(t)是零均值高斯白噪聲，功率譜密度為n0(單邊)；(3)通過接收濾波器HR(ω)后的噪聲為窄帶高斯噪聲，其均值為零，方差為，則2/4/2023通信原理(4)由接收濾波器引起的碼間串擾很小，可以忽略不計；(5)接收端產(chǎn)生的相干載波的相位誤差為零。這樣，解調(diào)器輸入端的功率信噪比定義為其中，A為輸入信號的振幅， 為輸入信號功率， 為輸入噪聲功率，則r就是輸入功率信噪比。2/4/2023通信原理圖46二進制調(diào)制的誤碼率曲線2/4/2023通信原理總的來說，二進制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼率與下列因素有關(guān)：信號形式(調(diào)制方式)、噪聲的統(tǒng)計特性、解調(diào)及譯碼判決方式。無論采用何種方式、何種檢測方法，其共同點是輸入信噪比增大時，系統(tǒng)的誤碼率就降低；反之，誤碼率增大。由此可得出以下兩點：(1)對于同一調(diào)制方式不同檢測方法，相干檢測的抗噪聲性能優(yōu)于非相干檢測。但是，隨著信噪比r的增大，相干與非相干誤碼性能的相對差別越不明顯，誤碼率曲線越靠攏。另外，相干檢測系統(tǒng)的設(shè)備比非相干的要復(fù)雜。2/4/2023通信原理(2)同一檢測方法不同調(diào)制方式的比較，有以下幾點：①相干檢測時，在相同誤碼率條件下，信噪比r的要求是：2PSK比2FSK小3dB,2FSK比2ASK小3dB。非相干檢測時，在相同誤碼率條件下，信噪比r的要求是：2DPSK比2FSK小3dB,2FSK比2ASK小3dB。②2ASK要嚴格工作在最佳判決門限電平較為困難，其抗振幅衰落的性能差。2FSK、2PSK、2DPSK最佳判決門限電平為0，容易設(shè)置，均有很強的抗振幅衰落性能。③2FSK的調(diào)制指數(shù)h通常大于0.9，此時在相同傳碼率條件下，2FSK的傳輸帶寬比2PSK,2DPSK,2ASK寬,即2FSK的頻帶利用率最低。2/4/2023通信原理5.5.2多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率是平均信噪比ρ及進制數(shù)M的函數(shù)。對移頻、移相制ρ就是r,對移幅制ρ是各電平等概率出現(xiàn)時的信號平均功率與噪聲平均功率之比。M一定，ρ增大時，Pe減小，反之增大；ρ一定，M增大時，Pe增大?？梢?，隨著進制數(shù)的增多，抗干擾性能降低。(1)對多電平振幅調(diào)制系統(tǒng)而言，在要求相同的誤碼率Pe的條件下，多電平振幅調(diào)制的電平數(shù)愈多，則需要信號的有效信噪比就越高；反之，有效信噪比就可能下降。在M相同的情況下，雙極性相干檢測的抗噪聲性能最好，單極性相干檢測次之，單極性非相干檢測性能最差。雖然MASK系統(tǒng)的抗噪聲性能比2ASK差，但其頻帶利用率高，是一種高效傳輸方式。2/4/2023通信原理(2)多頻調(diào)制系統(tǒng)中相干檢測和非相干檢測時的誤碼率Pe均與信噪比ρ及進制數(shù)M有關(guān)。在一定的進制數(shù)M條件下，信噪比ρ越大，誤碼率愈??；在一定的信噪比條件下，M值越大，誤碼率也愈大。MFSK與MASK、MPSK比較，隨M增大，其誤碼率增大得不多，但其頻帶占用寬度將會增大，頻帶利用率降低。另外，相干檢測與非相干檢測性能之間相比較，在M相同條件下，相干檢測的抗噪聲性能優(yōu)于非相干檢測。但是，隨著M的增大，兩者之間的差距將會有所減小，而且在同一M條件下，隨著信噪比的增加，兩者性能將會趨于同一極限值。由于非相干檢測易于實現(xiàn)，因此實際應(yīng)用中非相干MFSK多于相干MFSK。2/4/2023通信原理(3)在多相調(diào)制系統(tǒng)中，M相同時，相干檢測MPSK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于差分檢測MDPSK系統(tǒng)。在相同誤碼率條件下，M值越大，差分移相比相干移相在信噪比上損失得越多，M很大時，這種損失達到約3dB。但是，由于MDSKP系統(tǒng)無反向工作(即相位模糊)問題，收端設(shè)備沒有MPSK復(fù)雜，因而實際應(yīng)用比MPSK多。多相制的頻帶利用率高，是一種高效傳輸方式。2/4/2023通信原理(4)多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)主要采用非相干檢測的MFSK,MDPSK和MASK。一般在信號功率受限，而帶寬不受限的場合多用MFSK;而功率不受限制的場合用MDPSK;在信道帶寬受限，而功率不受限的恒參信道用MASK。2/4/2023通信原理*5.6現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)5.6.1正交振幅調(diào)制(QAM)正交振幅調(diào)制的一般表達式為2/4/2023通信原理圖5-47QAM調(diào)制解調(diào)原理方框圖(a)QAM調(diào)制框圖；(b)QAM解調(diào)框圖2/4/2023通信原理圖484QAM調(diào)制解調(diào)過程各點波形2/4/2023通信原理圖4916PSK,16QAM和16APK星座圖(a)16PSK;(b)16QAM;(c)16APK2/4/2023通信原理假設(shè)已調(diào)信號的最大幅度為1，不難算出MPSK時星座圖上信號點的最小距離為而MQAM時，若星座為矩形，則最小距離為當信號的平均功率受限時，MQAM的優(yōu)點更為顯著，因為MQAM信號的峰值功率與平均功率之比為2/4/2023通信原理圖50MQAM星座圖2/4/2023通信原理圖51MQAM調(diào)制器與解調(diào)器(a)調(diào)制器；(b)解調(diào)器2/4/2023通信原理圖5-528QAM的信號空間2/4/2023通信原理在所在信號點等概率出現(xiàn)的情況下，平均發(fā)射信號功率為2/4/2023通信原理圖5316QAM的信號空間(a)方型QAM星座圖；(b)星型QAM星座圖2/4/2023通信原理方型QAM星型QAM2/4/2023通信原理5.6.2交錯正交相移鍵控(OQPSK)圖54OQPSK調(diào)制器方框圖2/4/2023通信原理表5-3同相支路中碼元轉(zhuǎn)換時刻的相位變化表2/4/2023通信原理圖55OQPSK解調(diào)器方框圖2/4/2023通信原理圖56OQPSK波形及矢量圖2/4/2023通信原理圖57QPSK,OQPSK,MSK的功率譜密度2/4/2023通信原理5.6.3最小頻移鍵控(MSK)在一個碼元時間Tb內(nèi)，CPFSK信號可表示為當θ(t)為時間連續(xù)函數(shù)時，已調(diào)波在所有時間上是連續(xù)的，若傳0碼時載頻為ω1,傳1碼時載頻為ω2，它們相對于未調(diào)載頻ωc的偏移為Δω，上式又可寫為2/4/2023通信原理在一個碼元時間內(nèi)，相角θ(t)為時間的線性函數(shù)，即對于FSK信號，當2ΔωTb=nπ(n為整數(shù))時，就認為它是正交的。為了提高頻帶利用率，Δω要小，當n=1時，Δω達最小值有2/4/2023通信原理圖58MSK的相位網(wǎng)格圖2/4/2023通信原理為了方便，假定θ(0)=0,同時，假定+號對應(yīng)于1碼，-號對應(yīng)于0碼。當t>0時，在幾個連續(xù)碼元時間內(nèi)，θ(t)的可能值示于圖5-58中。傳1碼時，相位增加π/2，傳0碼時，相位減少π/2。當t=Tb時，式(5-84)可寫為(5-84)2/4/2023通信原理若將式(5-84)擴展到多