通信原理I第23次課教案

PAGE86.4各種二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的比較以上我們分別討論了三種二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的幾種主要性能，比如系統(tǒng)的傳輸帶寬、頻帶利用率、調(diào)制解調(diào)方式與誤碼率等。下面針對這幾個方面的性能做一個簡單的比較。6.4.1傳輸帶寬和頻帶利用率1.傳輸帶寬在碼元速率相同的情況下，2ASK、2PSK和2DPSK占據(jù)的頻帶比2FSK窄，均為，而2FSK的帶寬為，因此如果信道帶寬緊張就不應(yīng)考慮使用2FSK方式。2.頻帶利用率2ASK、2PSK和2DPSK的頻帶利用率，而對于2FSK，。可見2PSK和2ASK的頻帶利用率高，系統(tǒng)有效性好；相位離散的2FSK的頻帶利用率比其他的低。故系統(tǒng)有效性差。6.4.2誤碼率二進制數(shù)字調(diào)制方式在不同接收情況下的誤碼率見表6.4.表6.4.1從表中可見：·在每一對采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)的鍵控系統(tǒng)中，相干解調(diào)方式略優(yōu)于非相干解調(diào)方式。·三種相干（或非相干）方式之間，在抗加性高斯白噪聲方面，相干2PSK最好，2FSK次之，2ASK最差?！τ谙喔山庹{(diào)，當時，2ASK、2FSK和2PSK系統(tǒng)誤碼率分別為(6.4.(6.4.(6.4.6.5多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)1.概念多進制數(shù)字調(diào)制（可以理解為）是利用多進制數(shù)字基帶信號去調(diào)制連續(xù)載波。2.分類多進制數(shù)字調(diào)制分為多進制數(shù)字幅度調(diào)制、多進制數(shù)字頻率調(diào)制以及多進制數(shù)字相位調(diào)制等三種基本方式。3.多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的特點(1)在碼元傳輸速率相同時，多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的信息傳輸速率高于二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)（是二進制的倍）。(2)在相同信息傳輸速率下，多進制數(shù)字幅度調(diào)制和相位調(diào)制系統(tǒng)的有效性指標（頻帶利用率）優(yōu)于二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)（是二進制的倍）。或者說前者的信號有效傳輸帶寬窄（是后者的）。(3)在相同的噪聲干擾下，多進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的可靠性指標低于二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。6.5.1多進制幅度調(diào)制原理一、多進制幅度調(diào)制（MASK）信號及其帶寬1.MASK信號的時域表達式MASK又稱為多電平調(diào)制。MASK信號的時域表達式可由2ASK信號（通斷鍵控OOK）推廣而得，即(6.5式中，是一個多進制數(shù)字基帶信號（M進制的隨機脈沖序列）。2.MASK信號波形當數(shù)字基帶信號是進制單極性不歸零脈沖序列時，幅度值的取值為且有，。在圖6.5.33322000111（b）（a）二進制消息01111000010010110001圖6.3.抑制載波MASK信號波形若數(shù)字基帶信號是進制雙極性不歸零脈沖序列，即式(6.5.1)中為。此時的MASK信號是振幅鍵控和相移鍵控結(jié)合的已調(diào)信號，稱為抑制載波MASK信號（又稱為抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號）+1+1+3+3+3+1-1-3-3+1-1（b）（a）二進制消息01111000010010110001圖6.54.矩形脈沖的持續(xù)時間為，設(shè)二進制碼元持續(xù)時間為，進制數(shù)（或），則有(6.55.MASK信號的功率譜密度與信號帶寬一個MASK信號能夠看成是由時間上不重疊的M個不同振幅值的2ASK信號疊加而成。于是我們得到：MASK信號的功率譜密度便是這M個2ASK信號的功率譜密度之和（迭加后的譜結(jié)構(gòu)是很復雜的）。因此，MASK信號帶寬為(6.5其中，是多進制碼元速率，仍為二進制碼元速率，兩者的關(guān)系為?？梢?，MASK信號帶寬是2ASK的。6.MASK系統(tǒng)的頻帶利用率(6.5.與2ASK系統(tǒng)相同。而(6.5.高于2ASK系統(tǒng)，是二進制的倍。6.5.2多進制頻率調(diào)制原理多進制數(shù)字頻率調(diào)制（MFSK）基本上是2FSK方式的推廣，它是用多個頻率的載波分別代表不同的數(shù)字信息。1.MFSK信號的產(chǎn)生方法MFSK調(diào)制器原理方框圖如圖6.5.3所示。圖中：①串/并變換器將輸入的二進制序列變換成路并行序列，并行碼的碼元間隔為(6.5.6)②譯碼邏輯電路實現(xiàn)運算（串/并變換器和譯碼邏輯電路共同完成二/M變換）的同時打開對應(yīng)的門電路，讓與該門電路對應(yīng)的載波發(fā)送出去，經(jīng)相加器組合成MFSK的波形。輸入輸入1212串/并變換邏輯電路門電路門電路門電路相加器圖6.5.3產(chǎn)生MFSK信號的原理框圖2.MFSK信號的功率譜密度與2FSK信號相同，可將MFSK信號等效為個2ASK信號相加，它的相鄰載波頻率間隔應(yīng)大于進制碼元速率的二倍，否則接收端的帶通濾波器無法將各個2ASK信號分離開。由此可知MFSK信號的功率譜密度示意圖由圖6.5.4所示。圖6.5.4MFSK信號的功率譜密度3.MFSK信號帶寬由圖可知，MFSK信號的帶寬為(6.5.7)其中為最高頻率，為最低頻率，。若相鄰載頻之差等于，即相鄰頻率的功率譜主瓣剛好互不重疊，這時MFSK信號的帶寬為(6.5.8)6.5.3多進制相移調(diào)制原理多進制相移鍵控（簡稱多相調(diào)制）是利用載波的多種不同相位或相位差來表征數(shù)字信息的調(diào)制方式。這里，僅介紹多進制絕對相移鍵控（MPSK）的基本原理。1.MPSK信號的時域表示及幾何表示(1)MPSK信號的時域表示式M進制相移鍵控（MPSK）信號是一個M進制的（載波）隨機序列，可以表示為(6.5其中脈沖載波的持續(xù)時間；為波形形成器的沖激響應(yīng)；隨機相位有M種不同取值。設(shè)受調(diào)相位的M種不同取值為，每個脈沖載波的持續(xù)時間內(nèi)MPSK各信號波形為，則（在一個內(nèi)）MPSK又可表示成(6.5將式(6.5(6.5令，(6.5.1將式(6.5.13)代入到式(6.5.1(6.5.14)由式(6.5.14)看到，MPSK各信號波形能分解為兩個正交函數(shù)的表示形式。(2)MPSK信號波形的幾何表示設(shè)是矩形脈沖，即(6.5.15)則式(6.5(6.5.16)式中，，。圖6.5.借助于信號與矢量之間的類比，由式(6.5.16)我們將得到MPSK各信號波形在正交信號空間的信號星座圖。信號星座圖是用矢量端點表示信號波形，則MPSK的M個能量有限信號波形可相應(yīng)的映射為二維信號空間中的M個點。令，由式(6.5.13)得，，再將它們代人到式(6.5.16)得到的M=2,4,8的MPSK信號空間圖如圖6.5.5所示。例如圖6.5.5(a)是，，，，；，，，，。又例如圖6.5.5(b)是，，，，；，，，，；，，，，；，，，，。對于圖6.5.5(c)是，，，，；，，，，；，，，，；，，，，；，，，，；，，，，；，，，，；，，，，。2.四相絕對相移鍵控（4PSK或QPSK）QPSK是利用載波的四種不同相位來表征數(shù)字信息。(1)雙比特碼元與載波相位關(guān)系①雙比特碼元：QPSK的四種相位代表了四種狀態(tài)，每一種狀態(tài)可用兩位二進制碼（雙比特信息碼）表示，故每個四進制碼元又稱為雙比特碼元。②設(shè)把組成雙比特碼元的前一信息比特用代表，后一信息比特用代表。為了減少多進制碼元造成的比特差錯率，雙比特碼元中兩個信息比特通常是按格雷碼的規(guī)律排列的，見表6.5.1表6.5四進制碼二進制雙比特碼元載波相位自然碼格雷碼A方式B方式012300011011000111100027001800900225013504503150表中：A方式的載波相位取、、、，故又稱為系統(tǒng)；B方式的載波相位取、、、，故又稱為系統(tǒng)。注：自然碼與格雷碼（反射碼）的變換邏輯關(guān)系為：或(6.5.17)(2