通信原理多进制数字调制系统

通信原理多进制数字调制系统5.5多进制数字调制系统5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）第2页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5多进制数字调制系统研究对象：多进制数字调制系统研究目的：在信道频带受限时多进制数字调制是如何增加信息的传输速率（即比特率），提高系统的频带利用率从而提高数字传输系统有效性，或者通过牺牲频带资源从而提高系统可靠性的。研究方法：原理及抗噪声性能结论第3页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5多进制数字调制系统定义：在码元间隔0≤t≤TS内，可能发送的码元有M种：si(t)，i=1，2，

，M。实际应用中，通常取M=2k（k>1为整数）。每个码元可以携带log2M比特信息，因此在信道频带受限时可以增加信息的传输速率（即比特率），提高频带的利用率。（有例外）第4页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5多进制数字调制系统5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）第5页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.1多进制振幅键控定义：M进制幅度键控（MASK）是使用M种可能取值的多电平基带信号对载波幅度进行键控而得到的信号。特点：在相同信道传输速率下M电平调制与二电平调制具有相同的信号带宽。一、MASK的波形第6页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.1多进制振幅键控基带信号波形码元间隔二、MASK的数学表达式第7页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.1多进制振幅键控三、MASK的能量与抗噪声性能间的关系在一个码元间隔内t(0,Tb]，只能发射某一特定幅度的信号

Ai表示与M=2k个可能的k个比特码元对应的M个可能的离散幅值

如果相邻幅值之间的差值为h

单个码元内信号的能量

MASK信号的平均能量

认为g(t)具有单位能量

第8页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.1多进制振幅键控结论在相邻幅值间距相等的情况下，平均能量随进制数的增加而增加在平均能量相等的情况下，进制数越大，则相邻幅值的间距越小因此在相同信噪比条件下，进制数越大，误码率也越大M＝2M＝4第9页,共75页，2024年2月25日，星期天MASK与2ASK比较平均功率相同110100100111010010014ASK2ASK第10页,共75页，2024年2月25日，星期天MASK与2ASK比较载波振幅间隔相同110100100111010010014ASK2ASK第11页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.1多进制振幅键控四、MASK信号带宽M进制振幅调制信号可以看成由M个时间上不重叠的二进制振幅调制信号叠加。在符号速率（码元速率）相等的情况下BMASK＝B2ASK第12页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.1多进制振幅键控五、MASK信号解调对于M元确知信号的最佳接收可以描述为，在观察时间(0，Tb)内收到的波形r(t)将包含M个信号si(t)（i=1，2，

，M）中的一个码元信噪比比特信噪比第13页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.1多进制振幅键控发送M个电平的可能性相同时，MASK相干解调时误码率为r=Eav/n0为信噪比结论在相同信噪比条件下，进制数越大，误码率也越大;为得到相同的误码率，多电平调制需要比二进制更高的信噪比；多电平调制尽管提高了频带利用率，但抗噪声性能却下降了，尤其抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道中采用。M=16M=2M=4M=8第14页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5多进制数字调制系统5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）第15页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.2多进制频移键控一、信号数学表达式假设M个频移键控信号具有相同的能量、先验等概；信号间彼此正交，信号之间的频率间隔为1/(2Ts)HzTs是符号间隔fc=nc/(2Ts)，nc是某个固定的整数

第16页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.2多进制频移键控r=E/n0为平均接收信号的信噪比

二、信号带宽三、抗噪声性能非相干解调相干解调第17页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.2多进制频移键控MFSK相干解调性能第18页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.2多进制频移键控MFSK非相干解调性能第19页,共75页，2024年2月25日，星期天MFSK与2FSK的比较功率谱密度fbfS2FSK8FSKf0f1f0f1f0f0f1f1f0f0f0f1f1f0f1f2f4f6f1f50101001100011012FSK8FSK第20页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.2多进制频移键控问题1：MASK和MFSK调制是如何利用信号波形携带信息？问题2：MASK与2ASK在通信系统质量指标方面有什么差别？第21页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5多进制数字调制系统5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）第22页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.3多进制相移键控MPSK信号MPSK信号的一般原理QPSK信号的波形

QPSK信号的产生

QPSK信号的功率谱及带宽

QPSK信号的解调

QPSK信号的抗噪声性能第23页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.3多进制相移键控图6-28二进制数字相位调制信号矢量图以0°载波相位作为参考相位

载波相位只有0和

两种取值

载波相位只有±

/2两种取值

载波相位四种取值

图6-29四进制数字相位调制信号矢量图一、MPSK信号的一般原理第24页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.3多进制相移键控图6-30八进制数字相位调制信号矢量图以载波相位的M种不同取值分别表示数字信息

信号包络波形，通常为矩形波，幅度为1

码元间隔第n个码元对应的相位，共有M种取值

M进制数字相位调制信号的正交形式

第25页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.3多进制相移键控

MPSK信号串/并变换器电平变换器电平变换器

相移900输入二进制序列同相支路正交支路接收到两位信息后，同时送到两个支路，每个支路各送一位第26页,共75页，2024年2月25日，星期天当数字基带信号为11时，载波为：当数字基带信号为01时，载波为：当数字基带信号为00时，载波为：当数字基带信号为10时，载波为：(11)(01)(00)(10)

相位配置XY5.5.3多进制相移键控二、QPSK信号的波形第27页,共75页，2024年2月25日，星期天1111000tt10t参考载波数字信息QPSK波形QPSK波形特点：（1）相邻码元载波相位不连续（2）相邻码元载波相位最大跳变180度，出现在01与10，

00与11的变化时。5.5.3多进制相移键控第28页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.3多进制相移键控三、QPSK信号的产生串/并变换二进制信息QPSK信号同相支路正交支路设第n个码元内的数字信息为，QPSK信号的载波相位为。第29页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.3多进制相移键控输入信息与同相分量及正交分量之间的关系

11010010++-+--+-电平变换输入输出t1100输入t输出第30页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.3多进制相移键控QPSK调制器方框图

QPSK信号串/并变换器电平变换器电平变换器

相移900输入二进制序列同相支路正交支路接收到两位信息后，同时送到两个支路，每个支路各送一位QPSK由两个2PSK信号相加而成。第31页,共75页，2024年2月25日，星期天QPSK信号频带利用率为2PSK信号频带利用率为四、QPSK信号的功率谱及带宽QPSK信号由两路2PSK信号相加而成。当两路2PSK信号独立时，QPSK信号的功率谱等于两个2PSK信号的功率谱相加。5.5.3多进制相移键控第32页,共75页，2024年2月25日，星期天900相移抽样判决抽样判决并/串变换接收QPSK恢复的二进制序列同相支路正交支路QPSK信号的解调方框图位定时5.5.3多进制相移键控五、QPSK信号的解调第33页,共75页，2024年2月25日，星期天同相支路：正交支路：解调器各点的数学表达式设接收信号为：5.5.3多进制相移键控第34页,共75页，2024年2月25日，星期天

同相、正交支路的判决规则为：取样值大于0，判1

取样值小于0，判011010010++++----5.5.3多进制相移键控第35页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.3多进制相移键控六、抗噪声性能1、QPSK2、MPSK：对于任意M进制PSK信号，当信噪比r足够大时QPSK的误比特性能与2PSK相同。第36页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5多进制数字调制系统5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）第37页,共75页，2024年2月25日，星期天型取值型取值DQPSK(4DPSK)DQPSK(DQPSK)DifferentialQuadraturePhase-ShiftKeying5.5.4多进制差分相移键控(11)(11)(01)(00)(10)(01)(00)(10)第38页,共75页，2024年2月25日，星期天（00）（11）（01）（10）DQPSK信号波形图参考载波二进制信息101t01010sDQPSK(t)t特点：2、已调波有4种相位3、相位跳变的绝对值最大为180度1、信息携带在相邻载波的相位差上5.5.4多进制差分相移键控一、DQPSK信号的波形第39页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.4多进制差分相移键控二、DQPSK信号的产生设第n个码元内的数字信息为，DQPSK信号的载波相位为。串/并变换二进制信息DQPSK信号同相支路正交支路信号变换（映射）第40页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.4多进制差分相移键控调制后载波的相位有几种？

初始相位结论：对于，无论初始相位是哪个体系，最终载波相位只有四种可能性。第41页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.4多进制差分相移键控调制后载波的相位有几种？

结论：对于，无论初始相位是哪个体系，最终载波相位却有八种可能性，在两种体系间跳变。初始相位第42页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.4多进制差分相移键控前一双比特码元的载波相位有四种可能，现设它为180°（对应cndn=00）此时的载波相位应为180°+90°=270°cndn应为10码换器应将输入数据01（ab）变成10（cd）表

6-7QDPSK信号载波相位编码逻辑关系双比特码元载波相位

ncd110°0190°00180°10270°anbn为01方法：码变换＋QPSK调制（

/2体系）01111000

相位配置关系图

/2DQPSK原理框图与具体实现第43页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.4多进制差分相移键控码变换关系表（cndn产生）000111100011100110001110cn-1dn-1anbn01111000QDPSK信号载波相位编码逻辑关系双比特码元载波相位

ncd110°0190°00180°10270°

相位配置关系图

000101110001111001111000

n-1180°90°0°270°180°90°0°270°

n

n第44页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.4多进制差分相移键控对应关系an组合逻辑TbTbbncn-1dndn-1cn第45页,共75页，2024年2月25日，星期天DQPSK信号频带利用率为2DPSK信号频带利用率为5.5.4多进制差分相移键控三、DQPSK信号的功率谱及带宽特别：

/4DQPSK与

/2

DQPSK相比，在带限非线性信道上带外辐射较小。第46页,共75页，2024年2月25日，星期天同相支路正交支路并/串变换DQPSK信号输出信息取样取样位定时5.5.4多进制差分相移键控四、DQPSK信号的解调1、相干解调第47页,共75页，2024年2月25日，星期天

积分器输出与载波相位的关系

++++----结论:由同相支路及正交支路低通滤波器的输出和的取样值极性可确定，这是一个QPSK信号的解调。5.5.4多进制差分相移键控第48页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.4多进制差分相移键控图6-354DPSK信号相干解调加码反变换器原理图信号码元相位上支路输出下支路输出判决器输出cd0°90°180°270°+--+++--10011100表6-9判决规则第49页,共75页，2024年2月25日，星期天DQPSK错误概率近似为QPSK的两倍。解调器中由及计算的过程则是差分译码的过程。如：出现反相工作时，确定的，此时前一码元内确定的。计算（2）一个的错误，会引起及的错误。5.5.4多进制差分相移键控差分译码的特点：（1）消除了由载波相位模糊引起的反向工作问题。第50页,共75页，2024年2月25日，星期天

5.5.4多进制差分相移键控判决器是按极性来判决的。正取样值判为1，负取样值判为0。

四、DQPSK信号的解调2、差分相干解调TsTs第51页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.4多进制差分相移键控表6-10差分正交解调的判决准则判决器输出AB０＋＋11

/2－＋01

－－003

/2＋－10同相、正交支路的判决规则为：取样值大于0，判1

取样值小于0，判0抗噪声性比QPSK差约2.3dB。第52页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.4多进制差分相移键控在M值很大时，差分移相和相干移相相比约损失3dB的功率。在四相时，大约损失2.3dB的功率

五、DQPSK信号的抗噪声性能对于M相绝对移相方式，当信噪比r足够大时，误码率可近似为对于M相相对移相方式，当信噪比r足够大时，误码率可近似为第53页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.4多进制差分相移键控六、π/4DQPSK调制(11)(01)(00)(10)的四种取值π/4

DQPSK信号波形图参考载波二进制信息101t01010ts

π/4DQPSK(t)特点：2、已调波有8种相位3、相位跳变的绝对值最大为135度1、信息携带在相邻载波的位差上第54页,共75页，2024年2月25日，星期天多进制差分相移键控

/4

DifferentialQuadraturePhase-ShiftKeying

（

/4

DQPSK）

(11)(01)(00)(10)的四种取值特点：2、已调波有8种相位3、相位跳变的绝对值最大为135度1、信息携带在相邻载波的位差上第55页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.4多进制差分相移键控π/4DQPSK信号的星座图π/2DQPSK信号的星座图第56页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.4多进制差分相移键控串/并变换二进制信息π/4

DQPSK信号同相支路正交支路

设第n个码元内的数字信息为，π/4

DQPSK信号的载波相位为。第57页,共75页，2024年2月25日，星期天

/4DQPSK信号的产生迭代法串/并变换二进制信息π/4

DQPSK信号同相支路正交支路第58页,共75页，2024年2月25日，星期天

/4DQPSK信号的解调1、中频差分解调(与DQPSK的差分解调相同)2、基带差分解调

——是π/4DQPSK常采用的解调方法。

相移900取样判决取样判决并/串变换正交支路位定时延迟接收信号恢复的二进制信号同相支路第59页,共75页，2024年2月25日，星期天

/4DQPSK信号的基带差分解调接收信号低通滤波器取样判决低通滤波器取样判决串/并信号输出第60页,共75页，2024年2月25日，星期天

/4DQPSK信号的基带差分解调第61页,共75页，2024年2月25日，星期天

/4DQPSK信号的基带差分解调

11010010++++----判决规则：、大于0，判1

、小于0，判0用于判决的样值与信息的关系误比特率：第62页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5多进制数字调制系统5.5.1多进制振幅键控（MASK）5.5.2多进制频移键控（MFSK）5.5.3多进制相移键控（MPSK）5.5.4多进制差分相移键控（MDPSK）5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）第63页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）在系统带宽一定的情况下，多进制调制（幅移或相移键控）的信息传输速率比二进制高，也就是说，多进制调制系统的频带利用率高，提高了有效性多进制调制系统频带利用率的提高是通过牺牲功率利用率来换取的，降低了可靠性。解决方法：振幅相位联合键控（APK）第64页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.5振幅相位联合键控系统（APK）振幅相位联合键控信号的一般表示式为

基带信号幅度

宽度为Ts的单个基带信号波形

APK信号可看作两个正交调制信号之和基本原理第65页,共75页，2024年2月25日，星期天同时向上、下两支路输出，与QPSK、DQPSK等相同时，4QAM就是QPSK5.5.5振幅相位联合键控系统一、QAM调制器第66页,共75页，2024年2月25日，星期天-1-3+1+3101100015.5.5振幅相位联合键控系统16QAM调制器第67页,共75页，2024年2月25日，星期天5.5.5振幅相位联合键控系统支路波形11010100001010010111同相支路-1-3+1+310110001同相支路第68页,共75页，2024年2月25日，星期天-1-3+1+310110001设信息，5.5.5振幅相位联合键