正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)課件

第6章正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)§6.1引言

§6.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理

§6.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能

§6.4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較

§6.5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)

§6.6改進(jìn)的數(shù)字調(diào)制方式第6章正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)§6.1引言1

§6.1引言原理：用數(shù)字信號(hào)控制載波的參數(shù)，使已調(diào)信號(hào)適合于信道傳輸。分類：振幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK)三種基本形式內(nèi)容：時(shí)域表達(dá)式、波形圖；頻域表達(dá)式、頻譜圖；調(diào)制解調(diào)器框圖、調(diào)制解調(diào)器工作原理的數(shù)學(xué)描述；抗高斯白噪聲的性能?！?.1引言原理：用數(shù)字信號(hào)控制載波的參數(shù)，使已調(diào)信號(hào)2§6.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK)二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK)二進(jìn)制相移鍵控（2PSK)二進(jìn)制差分相移鍵控（2DPSK)§6.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK)3二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK)振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)為二進(jìn)制時(shí)，則為二進(jìn)制振幅鍵控。設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號(hào)序列由0、1序列組成，發(fā)送0符號(hào)的概率為P，發(fā)送1符號(hào)的概率為1-P，且相互獨(dú)立。該二進(jìn)制符號(hào)序列可表示為二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK)振幅鍵控是正弦載波的4其中:an=0,發(fā)送概率為P1,發(fā)送概率為1-P令則其中:an=0,發(fā)送概率為P令5波形與調(diào)制器波形與調(diào)制器6圖6-3二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)調(diào)制器原理框圖圖6-3二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)調(diào)制器原理框圖7解調(diào)器解調(diào)器82ASK頻譜設(shè)e0(t)的功率譜為PE(f)，s(t)的功率譜為Ps(f)，則2ASK頻譜設(shè)e0(t)的功率譜為PE(f)，s(t)的功92ASK頻譜2ASK頻譜102ASK頻譜2ASK頻譜11二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK)正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻率點(diǎn)間變化，則產(chǎn)生二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)（2FSK信號(hào)）。二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的疊加。若二進(jìn)制基帶信號(hào)的1符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率f1，0符號(hào)對(duì)應(yīng)于載波頻率f2，則二進(jìn)制移頻鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK)正弦載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f12FSK波形FSK波形132FSK信號(hào)產(chǎn)生2FSK信號(hào)產(chǎn)生142FSK信號(hào)非相干解調(diào)2FSK信號(hào)非相干解調(diào)152FSK信號(hào)相干解調(diào)2FSK信號(hào)相干解調(diào)162FSK信號(hào)過零檢測(cè)解調(diào)2FSK信號(hào)過零檢測(cè)解調(diào)172FSK信號(hào)延遲檢測(cè)解調(diào)令則檢測(cè)輸出2FSK信號(hào)延遲檢測(cè)解調(diào)令則檢測(cè)輸出182FSK信號(hào)功率譜

2FSK信號(hào)可以看作載頻分別為f1和f2的兩個(gè)2ASK信號(hào)的迭加，因此功率譜是兩個(gè)2ASK信號(hào)功率譜的迭加。2FSK信號(hào)功率譜2FSK信號(hào)可以看作載頻分別為f119二進(jìn)制相移鍵控（2PSK)在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化時(shí)，則產(chǎn)生二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)信號(hào)。通常用已調(diào)信號(hào)載波的0°和180°分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的1和0。二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為二進(jìn)制相移鍵控（2PSK)在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波的相20an=1,發(fā)送概率為P-1,發(fā)送概率為1-P在一個(gè)碼元期間，則有

e2PSK(t)=cosωct,發(fā)送概率為P-cosωct,發(fā)送概率為1-P若用φn表示第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位，則有

φn=0°,發(fā)送1符號(hào)

180°,發(fā)送0符號(hào)an=1,發(fā)送概率為P在一個(gè)碼元期間，212PSK信號(hào)波形與產(chǎn)生2PSK信號(hào)波形與產(chǎn)生222PSK信號(hào)的解調(diào)2PSK信號(hào)的解調(diào)232PSK信號(hào)的解調(diào)采用相干解調(diào)，解調(diào)器原理圖如圖6-13所示。

2PSK信號(hào)相干解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形如圖所示。當(dāng)恢復(fù)的相干載波產(chǎn)生180°倒相時(shí)，解調(diào)出的數(shù)字基帶信號(hào)將與發(fā)送的數(shù)字基帶信號(hào)正好是相反，解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號(hào)全部出錯(cuò)。這種現(xiàn)象通常稱為“倒π”現(xiàn)象。2PSK信號(hào)的解調(diào)采用相干解調(diào)，解調(diào)器原理圖如圖6-13所242DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化來表示數(shù)字信息。假設(shè)前后相鄰碼元的載波相位差為Δφ，可定義一種數(shù)字信息與Δφ之間的關(guān)系為Δφ=0,表示數(shù)字信息“0”π,表示數(shù)字信息“1”例數(shù)字信息：11010011102DPSK信號(hào)相位：0π00πππ0π00或π0ππ000π0ππ差分相移鍵控

(2DPSK)2DPSK方式是用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化來表示數(shù)字信25DPSK信號(hào)調(diào)制過程波形圖DPSK信號(hào)調(diào)制過程波形圖262DPSK信號(hào)調(diào)制器原理圖2DPSK信號(hào)調(diào)制器原理圖272DPSK相干解調(diào)器及各點(diǎn)波形2DPSK相干解調(diào)器及各點(diǎn)波形28差分相干解調(diào)器原理和各點(diǎn)波形差分相干解調(diào)器原理和各點(diǎn)波形292PSK與2DPSK信號(hào)功率譜2PSK與2DPSK信號(hào)有相同的功率譜。若2PSK信號(hào)可表示為雙極性不歸零二進(jìn)制基帶信號(hào)與正弦載波相乘，則2PSK信號(hào)的功率譜為

P2PSK(f)=包括離散譜和連續(xù)譜。結(jié)構(gòu)與2ASK的功率譜相似，帶寬也是基帶信號(hào)帶寬的二倍。當(dāng)“1”和“0”等概相時(shí)，不存在離散譜。2PSK與2DPSK信號(hào)功率譜2PSK與2DPSK信號(hào)有相同302PSK(2DPSK)功率譜密度2PSK(2DPSK)功率譜密度31§6.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能噪聲性能：誤碼率與信噪比的關(guān)系分析模型：信道是理想恒參信道，通帶內(nèi)具有理想矩形的傳輸特性。噪聲為加性高斯白噪聲（AWGN），均值為零，方差為分析內(nèi)容：相干、非相干ASK、FSK、PSK、DPSK§6.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)抗噪聲性能噪聲性能：誤碼率與信326.3.1通斷鍵控(OOK)系統(tǒng)抗噪聲性能接收端帶通濾波器輸出波形為發(fā)送1

發(fā)送0

6.3.1通斷鍵控(OOK)系統(tǒng)抗噪聲性能接收端帶通濾波器輸33包絡(luò)檢波器輸出波形V(t)為

1.包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能包絡(luò)檢波器輸出波形V(t)為1.包絡(luò)檢波法的系統(tǒng)性能34當(dāng)發(fā)送“0”時(shí)，服從瑞利分布，概率密度函數(shù)為

當(dāng)發(fā)送“1”時(shí)，服從廣義瑞利分布，概率密度函數(shù)為當(dāng)發(fā)送“0”時(shí)，服從瑞利分布，概率密度函數(shù)為35判決規(guī)則：若樣值V>判決門限b，則判決接收為“1”；若樣值V<判決門限b，則判決接收為“0”；判決規(guī)則：36發(fā)送為1的錯(cuò)誤概率為包絡(luò)值V小于門限值b的概率，即

P(0/1)=P(V≤b)=該積分可以用Q函數(shù)表示，Q函數(shù)的定義為發(fā)送為1的錯(cuò)誤概率為包絡(luò)值V小于門限值b的概率，即37式中的積分值可以用MarcumQ函數(shù)計(jì)算，Q函數(shù)定義為

Q(α,β)=將Q函數(shù)代入上式可得

P(0/1)=1-Q式中,b0=可看為歸一化門限值，式中的積分值可以用MarcumQ函數(shù)計(jì)算，Q函數(shù)定義為38發(fā)送為0的錯(cuò)誤概率為包絡(luò)值V大于門限值b的概率，即發(fā)送為0的錯(cuò)誤概率為包絡(luò)值V大于門限值b的概率，即39

若發(fā)送“１”符號(hào)的概率為P(1)，發(fā)送“０”符號(hào)的概率為P(0)，則系統(tǒng)的總誤碼率Pe為

Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)輸入信噪比一定時(shí)，誤碼率與歸一化門限值b0有關(guān)。為求最佳門限b*0，可令若發(fā)送“１”符號(hào)的概率為P(1)，發(fā)送“０40可得P(1)f1(V*)=P(0)f0(V*)當(dāng)P(1)=P(0)時(shí)，f1(V*)=f0(V*)，最佳判決門限為b*=。對(duì)于大信噪比的情況可得P(1)f1(V*)=P(0)f41解調(diào)器的框圖如上圖，低通濾波濾波器輸出2.同步檢波法的系統(tǒng)性能解調(diào)器的框圖如上圖，低通濾波濾波器輸出2.同步檢波法的系統(tǒng)42正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)課件43發(fā)送1碼元，接收為0碼元的錯(cuò)誤概率為發(fā)送0碼元，接收為1碼元的錯(cuò)誤概率為發(fā)送1碼元，接收為0碼元的錯(cuò)誤概率為發(fā)送0碼元，接收為1碼元44其中總的誤碼率為當(dāng)P(0)=P(1)時(shí)，總的誤碼率為其中總的誤碼率為當(dāng)P(0)=P(1)時(shí)，總的誤碼率為45當(dāng)r>>1時(shí)，近似地

比較式(6.3-30)和式(6.3-22)可以看出：在相同的信噪比條件下，同步檢測(cè)法的誤碼性能優(yōu)于包絡(luò)檢波法的性能；在大信噪比條件下，包絡(luò)檢波法的誤碼性能將接近同步檢測(cè)法的性能。另外，包絡(luò)檢波法存在門限效應(yīng)，同步檢測(cè)法無門限效應(yīng)。當(dāng)r>>1時(shí)，近似地比較式(6.3-46例6.3.1設(shè)OOK信號(hào)的碼元速率為B，采用同步檢測(cè)法和包絡(luò)檢波法對(duì)該OOK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。已知接收端輸入信號(hào)幅度a=1mV，信道等效加性高斯白噪聲的雙邊功率譜密度

W/Hz。試求:(1)同步檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)總的誤碼率；(2)包絡(luò)檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)總的誤碼率。

例6.3.1設(shè)OOK信號(hào)的碼元速率為47解(1)對(duì)于2ASK信號(hào)，信號(hào)功率主要集中在其頻譜的主瓣。因此，接收端帶通濾波器帶寬可取2ASK信號(hào)頻譜的主瓣寬度，即

B=2RB=9.6×106Hz帶通濾波器輸出噪聲平均功率為

σ2n=n0B=1.92×10-8W信噪比為

解(1)對(duì)于2ASK信號(hào)，信號(hào)功率主要集48所以包絡(luò)檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為

同步檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)總的誤碼率為所以包絡(luò)檢測(cè)法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率為同步檢波法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)總的49比較兩種方法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)總的誤碼率可以看出，在大信噪比的情況下，包絡(luò)檢波法解調(diào)性能接近同步檢測(cè)法解調(diào)性能。

比較兩種方法解調(diào)時(shí)系統(tǒng)總的誤碼率可以看出，在大信噪比的情50兩種接收方法的性能分析如下：6.3.2頻移鍵控(FSK)系統(tǒng)抗噪聲性能sR(t)=acosω1t+n(t),發(fā)送“1”符號(hào)

acosω2t+n(t),發(fā)送“0”符號(hào)

,0＜t＜Ts兩種接收方法的性能分析如下：6.3.2頻移鍵控(FSK)系統(tǒng)511.2FSK包絡(luò)檢波法的性能1.2FSK包絡(luò)檢波法的性能52當(dāng)發(fā)送“1”符號(hào)時(shí)，兩個(gè)包絡(luò)檢波器的輸出為V1服從廣義瑞利分布，V2服從瑞利分布。V1、V2的一維概率密度函數(shù)分別為當(dāng)發(fā)送“1”符號(hào)時(shí)，兩個(gè)包絡(luò)檢波器的輸出為V1服從廣義瑞利分53錯(cuò)誤概率錯(cuò)誤概率54利用Q函數(shù)及其性質(zhì)，簡(jiǎn)化上述表達(dá)式，得由對(duì)稱性導(dǎo)出發(fā)送“0”符號(hào)時(shí)的誤碼概率為于是總的誤碼概率為利用Q函數(shù)及其性質(zhì)，簡(jiǎn)化上述表達(dá)式，得552.2FSK同步檢波法的性能當(dāng)發(fā)送“1”符號(hào)時(shí)，送入判決器比較的兩個(gè)輸入波形為：x1(t)=a+n1c(t)x2(t)=n2c(t)均為正態(tài)分布2.2FSK同步檢波法的性能當(dāng)發(fā)送“1”符號(hào)時(shí)，送入判決器56于是誤碼率為：Pe1=P{x1<x2}=P{a+n1c-n2c<0}于是誤碼率為：于是總誤碼率為：令z=a+n1c-n2c，于是z也是服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量，均值為a，方差為2σ2，于是誤碼率成為：于是誤碼率為：于是誤碼率為：于是總誤碼率為：令z=a+n157結(jié)論：在大信噪比條件下，2FSK信號(hào)采用包絡(luò)檢波法解調(diào)性能與同步檢測(cè)法解調(diào)性能接近，同步檢測(cè)法性能較好。例6.3.2已知信道帶寬2400Hz，f1=980Hz,f2=1580Hz,RB=300B,信噪比為6dB。求：(1)FSK信號(hào)的帶寬；（2）包絡(luò)檢波法的誤碼率；（3）同步檢波法的誤碼率。解：由于碼元速率為RB=300B,于是上下兩個(gè)支路的帶通濾波器的帶寬近似為

B=2RB=600Hz.結(jié)論：在大信噪比條件下，2FSK信號(hào)采用包絡(luò)檢波法解調(diào)性能與58又由于信道帶寬2400Hz，是帶通濾波器的帶寬的4倍，所以帶通濾波器的輸出信噪比提高4倍。輸入信噪比為4（即6dB），所以帶通濾波器的輸出信噪比為r=4×4=16。于是包絡(luò)檢波的誤碼率為同步檢波器的誤碼率為又由于信道帶寬2400Hz，是帶通濾波器的帶寬的4倍，所以帶59相移鍵控分為絕對(duì)相移鍵控（PSK）和相對(duì)相移鍵控（DPSK）。解調(diào)絕對(duì)相移鍵控（PSK），采用同步檢波；解調(diào)相對(duì)相移鍵控（DPSK），有兩種方法：同步檢波+差分譯碼（極性比較法）、差分相干檢測(cè)（相位比較法）6.3.3相移鍵控(PSK)系統(tǒng)抗噪聲性能相移鍵控分為絕對(duì)相移鍵控（PSK）和相對(duì)相移鍵控（DPSK）60PSK相干解調(diào)誤碼率低通濾波器輸出波形為x(t)服從正態(tài)分布，均值為零，方差為σ2PSK相干解調(diào)誤碼率低通濾波器輸出波形為x(t)服從正態(tài)分布61將1錯(cuò)誤接收為0的概率為

Pe1=P{x<0,發(fā)送為“1”時(shí)}由對(duì)稱性，將0錯(cuò)誤接收為1的概率，以及總錯(cuò)誤概率均為將1錯(cuò)誤接收為0的概率為62相乘的兩路信號(hào)分別為DPSK差分相干解調(diào)誤碼率相乘的兩路信號(hào)分別為DPSK差分相干解調(diào)誤碼率63經(jīng)過相乘和低通濾波后，輸出的信號(hào)為判決的規(guī)則是：若x>0，則判決收到“1”；若x<0，則判決收到“0”；利用恒等式：發(fā)送為1碼元，而判決為0碼元的概率為：經(jīng)過相乘和低通濾波后，輸出的信號(hào)為判決的規(guī)則是：若x>0，64設(shè)：則：設(shè)：則：65因?yàn)閚1c、n2c、n1s、n2s是相互獨(dú)立的高斯隨機(jī)變量，且均值為0，方差相等為σ2n。根據(jù)高斯隨機(jī)變量之和仍為高斯隨機(jī)變量，且均值為各隨機(jī)變量的均值的代數(shù)和，方差為各隨機(jī)變量方差之和的性質(zhì)，則n1c+n2c，n1s+n2s，n1c-n2c，n1s-n2s

都是零均值，方差為2σ2n的高斯隨機(jī)變量。R1的一維分布服從廣義瑞利分布，R2的一維分布服從瑞利分布，概率密度函數(shù)為因?yàn)閚1c、n2c、n1s、n2s是相互獨(dú)立的高斯隨機(jī)變量，66經(jīng)推導(dǎo)得：經(jīng)推導(dǎo)得：67相對(duì)碼信號(hào)序列中的一位錯(cuò)碼，導(dǎo)致絕對(duì)碼序列產(chǎn)生兩位錯(cuò)碼，如圖(a)差分譯碼對(duì)誤碼率的影響相對(duì)碼信號(hào)序列中的一位錯(cuò)碼，導(dǎo)致絕對(duì)碼序列產(chǎn)生兩位錯(cuò)碼，如圖68相對(duì)碼信號(hào)序列中的兩位相鄰錯(cuò)碼，導(dǎo)致絕對(duì)碼序列產(chǎn)生兩位錯(cuò)碼，如圖(b)相對(duì)碼信號(hào)序列中的多位連續(xù)錯(cuò)碼，導(dǎo)致絕對(duì)碼序列產(chǎn)生兩位錯(cuò)碼，如圖(c)相對(duì)碼信號(hào)序列中的兩位相鄰錯(cuò)碼，導(dǎo)致絕對(duì)碼序列產(chǎn)生兩位錯(cuò)碼，69令Pn表示相對(duì)碼序列中出現(xiàn)一串n位錯(cuò)碼的概率，則絕對(duì)碼序列中出現(xiàn)錯(cuò)碼的概率為

Pe’=2P1+2P2+……+2Pn+……在一個(gè)很長(zhǎng)的序列中，“出現(xiàn)一串n位錯(cuò)碼”這一事件，必然是于“n位碼元同時(shí)出錯(cuò)，而兩端的碼元不出錯(cuò)”。因此

Pn=(1-Pe)2Pen絕對(duì)碼序列錯(cuò)碼的概率為

Pe’=2{P1+P2+……+Pn+……}=2(1-Pe)2{

Pe+

Pe2+……+

Pen+……}近似Pe’=

2Pe令Pn表示相對(duì)碼序列中出現(xiàn)一串n位錯(cuò)碼的概率，則絕對(duì)碼序列中70例6.3.3已知采用2DPSK信號(hào)傳送二進(jìn)制數(shù)字信息，碼元速率RB=106B，接收機(jī)輸入噪聲單邊功率譜n0=2×10-10W/Hz，要求誤碼率不大于10-4。試求：(1)采用差分相干解調(diào)時(shí)，接收機(jī)輸入端所需的信號(hào)功率？(2)采用極性比較法接收時(shí)，接收機(jī)輸入端所需的信號(hào)功率？解：接收機(jī)帶通濾波器輸出噪聲功率為σ2=Bn0=2n0RB,例6.3.3已知采用2DPSK信號(hào)傳送二進(jìn)制數(shù)字信息，碼元速71(1)對(duì)于差分相干接收，其誤碼率為(2)對(duì)于極性比較法接收，誤碼率為

Pe’=

2Pe查表得：(1)對(duì)于差分相干接收，其誤碼率為(2)對(duì)于極性比較法接收，72帶寬比較碼元寬度為Ts、速率為Rs時(shí),以譜包絡(luò)第一零點(diǎn)計(jì)算帶寬

BASK=2Rs=2/TsBFSK=|f2-f1|+2Rs=|f2-f1|+2/TsBPSK=2Rs=2/Ts

因此，從頻帶寬度或頻帶利用率上看FSK系統(tǒng)最不可取?！?.4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較帶寬比較§6.4二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較73誤碼率比較誤碼率比較74名稱Pe—r關(guān)系備注相干OOK式（6.3-29）非相干OOK式（6.3-22）相干FSK式（6.3-45）非相干FSK式（6.3-41）相干PSK式（6.3-50）非相干DPSK式（6.3-57）同步檢測(cè)DPSK式（6.3-65）名稱Pe—r關(guān)系備注相干OOK式（6.3-29）非相干OOK75對(duì)信道特性變化的敏感性比較2FSK：直接比較兩路解調(diào)輸出做出判決。2PSK：最佳判決門限為零，與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度無關(guān)。2ASK：最佳判決門限為a/2時(shí)，它與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度有關(guān)。當(dāng)信道特性發(fā)生變化時(shí)，接收機(jī)最佳判決門需隨輸入信號(hào)的幅度a而變化。接收機(jī)不容易保持在最佳判決門限，從而導(dǎo)致誤碼率增大。因此，就對(duì)信道特性變化的敏感性而言，OOK的性能最差.對(duì)信道特性變化的敏感性比較76設(shè)備的復(fù)雜程度比較對(duì)于二進(jìn)制振幅鍵控、移頻鍵控及移相鍵控這三種方式來說，發(fā)送端設(shè)備的復(fù)雜程度相差不多。而接收端的復(fù)雜程度則與所選用的調(diào)制和解調(diào)方式有關(guān)。對(duì)于同一種調(diào)制方式，相干解調(diào)的設(shè)備要比非相干解調(diào)時(shí)復(fù)雜；而同為非相干解調(diào)時(shí)，2DPSK的設(shè)備最復(fù)雜、2FSK次之、2ASK最簡(jiǎn)單。設(shè)備的復(fù)雜程度比較77當(dāng)信道存在嚴(yán)重的衰落時(shí)，通常采用非相干檢測(cè)．因?yàn)檫@時(shí)在接收端不容易得到相干解調(diào)所需的相干載波。當(dāng)發(fā)射機(jī)有嚴(yán)格的功率限制時(shí)(例如，從宇宙飛船上發(fā)回遙測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),飛船發(fā)射功率是有限的)，可考慮采用相干檢測(cè)。因?yàn)樵诮o定的碼元傳輸速率及誤碼率的條件下，相干檢測(cè)所要求的信噪比要比非相干接收所要求的信噪比小。當(dāng)信道存在嚴(yán)重的衰落時(shí)，通常采用非相干檢測(cè)．因?yàn)檫@時(shí)在接收端78§6．5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制是利用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)去調(diào)制載波的振幅、頻率或相位。多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：相同的碼元速率下，多進(jìn)制系統(tǒng)的信息速率顯然比二進(jìn)制系統(tǒng)高。相同的信息速率下，碼元的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。碼元的能量增加了，能減小由于信道特性引起的碼間干擾?！?．5多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制是利用多進(jìn)制數(shù)字796.5.1多進(jìn)制振幅調(diào)制(MASK)1、原理：

MASK又稱多電平調(diào)制，是2ASK方式的推廣。MASK載波幅度有M種取值，在每個(gè)符號(hào)時(shí)間間隔Ts內(nèi)發(fā)送M個(gè)幅度中的一種。M進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制信號(hào)可表示為M進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)與正弦載波相乘的形式，其時(shí)域表達(dá)式為6.5.1多進(jìn)制振幅調(diào)制(MASK)1、原理：80式中并且式中并且81正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)課件82結(jié)論：M進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制信號(hào)可以看作M個(gè)（）不同載波振幅的二進(jìn)制振幅調(diào)制信號(hào)的迭加。迭加在一起的每個(gè)二進(jìn)制振幅調(diào)制信號(hào)的碼元寬度都是Ts，因此起帶寬都是一樣的2/Ts，而且載波的頻率是一樣的。所以總的M進(jìn)制振幅調(diào)制信號(hào)的帶寬也是2/Ts。M進(jìn)制振幅調(diào)制信號(hào)的信息速率則是二進(jìn)制時(shí)的log2M倍。結(jié)論：M進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制信號(hào)可以看作M個(gè)（）不同載波振幅的二83多電平調(diào)制的實(shí)用形式：多電平殘留邊帶制多電平相關(guān)編碼單邊帶制多電平正交調(diào)幅制。與二電平調(diào)制的區(qū)別在于：輸入的二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)需經(jīng)一電平變換器轉(zhuǎn)換為多電平的基帶脈沖再去調(diào)制，而接收端則需經(jīng)一同樣的電平變換器將解調(diào)得到的多電平基帶脈沖變換成二進(jìn)制基帶信號(hào)。多電平調(diào)制的實(shí)用形式：842、抗噪聲性能分析假設(shè)：發(fā)送L電平基帶碼元，對(duì)應(yīng)的振幅為±d,±3d,...,±(L-1)d,相鄰電平的間隔為2d，如圖（L=8）經(jīng)過相干解調(diào)后，輸出信號(hào)迭加噪聲2、抗噪聲性能分析852、抗噪聲性能分析假設(shè)：發(fā)送L電平基帶碼元，對(duì)應(yīng)的振幅為±d,±3d,...,±(L-1)d,相鄰電平的間隔為2d，如圖（L=8）經(jīng)過相干解調(diào)后，輸出信號(hào)迭加噪聲，當(dāng)噪聲|nc|>d時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的判決。2、抗噪聲性能分析86但是，對(duì)于外層的兩個(gè)±(L-1)d電平，噪聲值僅在一個(gè)方向超過d時(shí)才會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤判決。于是，當(dāng)發(fā)送L個(gè)電平的可能性相同時(shí)(即發(fā)送每一電平的概率為1/L)，多電平調(diào)制系統(tǒng)總的誤碼率為但是，對(duì)于外層的兩個(gè)±(L-1)d電平，噪聲值僅在一個(gè)方向超87通常希望使系統(tǒng)誤碼率與接收機(jī)輸入信噪比建立關(guān)系，故我們分析L電平調(diào)制信號(hào)的平均功率：所以代入誤碼率表達(dá)式得，通常希望使系統(tǒng)誤碼率與接收機(jī)輸入信噪比建立關(guān)系，故我們分析L88討論L=2，則上述調(diào)制信號(hào)即為2PSK信號(hào)；L＝2、4、8和16時(shí)誤碼率與信噪比的關(guān)系如下面的曲線：討論L=2，則上述調(diào)制信號(hào)即為2PSK信號(hào)；896.5.2多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制的原理及抗噪聲性能

1．多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制的原理6.5.2多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制的原理及抗噪聲性能1．多進(jìn)90原則上，多頻制應(yīng)該具有多進(jìn)制調(diào)制的一切特點(diǎn)，但由于多頻制要占據(jù)較寬的頻帶，因此它的信道頻帶利用率并不高。信號(hào)帶寬一般定義為fM-fL+Δf，其中fM最高載頻,fL為最低載頻，Δf為單個(gè)碼元信號(hào)的帶寬。原則上，多頻制應(yīng)該具有多進(jìn)制調(diào)制的一切特點(diǎn)，但由于多頻制要占916.5.3多進(jìn)制調(diào)相--1、原理多進(jìn)制數(shù)字調(diào)相利用載波的多種不同相位來表征數(shù)字信息。分為絕對(duì)移相和相對(duì)(差分)移相兩種。表達(dá)式如下：

為受調(diào)制的相位。6.5.3多進(jìn)制調(diào)相--1、原理多進(jìn)制數(shù)字調(diào)相利用載92多相調(diào)制的波形可以看作是兩個(gè)正交載波多電平雙邊帶調(diào)制所得信號(hào)之和。由此得出，多相調(diào)制信號(hào)的帶寬與多電平雙邊帶調(diào)制時(shí)的相同。常用的是四相制和八相制。四相制可以表示兩個(gè)比特二進(jìn)制數(shù)字信息四相移相鍵控分為：絕對(duì)移相鍵控(4PSK或QPSK)相對(duì)移相鍵控(4DPSK或QPSK)以下分別討論。多相調(diào)制的波形可以看作是兩個(gè)正交載波多電平雙邊帶調(diào)制所得信號(hào)931）絕對(duì)移相鍵控(4PSK或QPSK)組成雙比特碼元的前一信息比特用a表示，后一信息比特用b表示。雙比特碼元中兩個(gè)信息比特ab通常是按格雷(即反射碼)排列的，它與載波相位的關(guān)系如下表所示。

雙比特碼元載波相位abA方式B方式000o45o0190o135o11180o225o10270o315o1）絕對(duì)移相鍵控(4PSK或QPSK)組成雙比特碼元的前94矢量關(guān)系:矢量關(guān)系:95QPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)

(1)調(diào)相法QPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)(1)調(diào)相法96(2)相位選擇法(2)相位選擇法97QPSK信號(hào)解調(diào)QPSK信號(hào)解調(diào)982)四相相對(duì)移相鍵控(QDPSK)

QDPSK信號(hào)產(chǎn)生2)四相相對(duì)移相鍵控(QDPSK)QDPSK信號(hào)產(chǎn)生99雙比特ab與載波相位變化的關(guān)系比特ab00011110相位變化Δφ090180270雙比特cd與載波相位的關(guān)系比特cd00011110A方式相位φ090180270B方式相位φ45135225315雙比特ab與載波相位變化的關(guān)系比特ab00011110相位變100碼變換器應(yīng)該完成的功能是將輸入的雙比特碼ab轉(zhuǎn)換成雙比特碼cd。

00011110Δφ=0Δφ=90Δφ=180Δφ=2700000009001180112701090019001180112701000018011180112701000090012701027010000900118011cn-1dn-1φn-1

φncndnanbn碼變換器應(yīng)該完成的功能是將輸入的雙比特碼ab轉(zhuǎn)換成雙比特碼c101由相位關(guān)系得到碼變換器的邏輯真值表，再由邏輯真值表即可得到ab轉(zhuǎn)換成cd的邏輯運(yùn)算關(guān)系式。

abcd000111100000011110010111100011111000011010000111由相位關(guān)系得到碼變換器的邏輯真值表，再由邏輯真值表即可得到a102QDPSK信號(hào)解調(diào)—極性比較法極性比較法工作原理推導(dǎo)如下：QDPSK信號(hào)解調(diào)—極性比較法極性比較法工作原理推導(dǎo)如下：103接收信號(hào)為上面支路乘法器輸出為下面支路乘法器輸出為低通濾波輸出為低通濾波輸出為接收信號(hào)為上面支路乘法器輸出為下面支路乘法器輸出為低通濾波輸104對(duì)上下支路抽樣為由UA、UB可以作出判決，如下表（6—7）φkUAUBcd0++0090-+10180--11270+-01對(duì)上下支路抽樣為由UA、UB可以作出判決，如下表（6—7）φ105由cd再經(jīng)過碼反變換得到ab,碼反變換的真值表如表6—8所示。前時(shí)刻輸入ci-1di-1本時(shí)刻輸入cidi=00本時(shí)刻輸入cidi=01本時(shí)刻輸入cidi=11本時(shí)刻輸入cidi=100000101101010100101111110100101010110100變換得到ab由cd再經(jīng)過碼反變換得到ab,碼反變換的真值表如表6—8所106邏輯表達(dá)式和變換電路當(dāng)當(dāng)邏輯表達(dá)式和變換電路當(dāng)107QDPSK信號(hào)解調(diào)—相位比較法相位比較法工作原理推導(dǎo)如下：QDPSK信號(hào)解調(diào)—相位比較法相位比較法工作原理推導(dǎo)如下：108利用延遲電路將前一碼元信號(hào)延遲一碼元時(shí)間后,分別移相π/4和π/4，再將它們分別作為上、下支路的相干載波。不需要采用碼變換器，這是因?yàn)镼DPSK信號(hào)的信息包含在前后碼元相位差中，而相位比較法解調(diào)的原理就是直接比較前后碼元的相位。舉例，見教材171頁利用延遲電路將前一碼元信號(hào)延遲一碼元時(shí)間后,分別移相π/4和1096.5.3多進(jìn)制調(diào)相--2、噪聲性能6.5.3多進(jìn)制調(diào)相--2、噪聲性能1106.5.4振幅相位聯(lián)合調(diào)制多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的頻帶利用率的提高是通過犧牲功率利用率來換取的。因?yàn)殡S著進(jìn)制數(shù)的增加，在信號(hào)空間中各信號(hào)點(diǎn)間的最小距離減小，相應(yīng)的信號(hào)判決區(qū)域也隨之減小。因此，當(dāng)信號(hào)受到噪聲和干擾的損害時(shí)，接收信號(hào)錯(cuò)誤概率也將隨之增大。振幅相位聯(lián)合鍵控方式就是為克服上述問題而提出來的。6.5.4振幅相位聯(lián)合調(diào)制多進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的頻帶利用率的提111振幅相位聯(lián)合鍵控調(diào)制信號(hào)的一般表示式為振幅相位聯(lián)合鍵控調(diào)制信號(hào)的一般表示式為11216進(jìn)制幅相聯(lián)合鍵控（16QAM）信號(hào)16進(jìn)制幅相聯(lián)合鍵控（16QAM）信號(hào)11316QAM與16PSK的比較信號(hào)點(diǎn)的最小距離為16QAM與16PSK的比較114對(duì)于16PSK對(duì)于16QAMQAM最大功率與平均功率之比為對(duì)于16PSK115

對(duì)于16QAM來說，L＝4，所以ξ=1.8=2.55dB。這樣，在平均功率相等的條件下，16QAM的信號(hào)距離超過16PSK約4．19dB。

16QAM信號(hào)的產(chǎn)生有兩種基本方法：一種是正交調(diào)幅法，它是用兩路正交的四電平振幅鍵控信號(hào)疊加而成；另一種是復(fù)合相移法，它是用兩路獨(dú)立的四相移相鍵控信號(hào)疊加而成。圖6—36和圖6—37分別用信號(hào)矢量疊加來說明這兩種方法產(chǎn)生16QAM信號(hào)的原理。對(duì)于16QAM來說，L＝4，所以ξ=1.8=2.55dB116正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)課件117正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)課件118

§6.5改進(jìn)的數(shù)字調(diào)制

在現(xiàn)代通信中，提高頻譜利用率一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一，尋找頻譜利用率高的數(shù)字調(diào)制方式成為數(shù)字通信系統(tǒng)