8数字调制系统

第五章 数字调制系统5.1 引言5.2 二进制数字调制原理5.3 二进制数字调制系统的抗噪性解5.4 二进制数字调制系统的性能比较5.5 多进制数字调制系统5.6 改进的数字调制方式5.1 引 言 m(t)为NRZ或BNRZ码，来自数字信源，也可来自PCM、M、加密器、或信编码器。发滤波器、收滤器的作用同数字基带系统研究各种调制解调方式的原理，以二进制为主；系统的性能指标；将数字基带系统的有关结论应用到数字调制系统5.2 二进制数字调制原理一2ASK1产生 2频谱 式中Ps(f)为m(t)的功率密度Peo(f)-fc0fcps(f)-fs0fs谱零点带宽 B=2fs=2RB发滤波器最小带宽可为fs(理论值)也可将基带信号处理后再进行2ASK调制升余弦滚降滤波器发滤波器升余弦滚降信号fccosct滤除谐波fc-fs/2fc+fs/223解调BPF整流LPF抽样判决位同步器x(t)r(t)cp(t)（1）包络检波e0(t)x(t)r(t)cp(t)无码间串扰实际系统中x（t）迟后于eo(t)，进行数学抽象时认为系统是物理不可实现的，是否有码间串扰决定于滤波器和信道的频率特性。LPF用来滤除高频，一般对码间串扰无影响。（2）相干解调BPFLPF抽样判决位同步器x(t)r(t)cp(t)载波同步coscte0(t)x(t)r(t)cp(t)无码间串扰r（t）与（1）中不同，有正、负值，其它同（1）二2FSK1产生VCO相位连续相位不连续cosc1tcosc2tm(t)电子开关102频谱键控法2FSK fc2fc2+fsfc1fc1+fs 式中是m(t)的功率谱，是的功率谱当p(1)=p(0)时，=或fc2fc1fc2fc1 2FSK信号带宽 3解调（1） 包络检波BPF1BPF2整流LPF整流LPF位同步抽样判决fc1fc2a(t)b(t)条件：。 判决准则：（1）相干解调BPF1BPF2LPFLPF位同步抽样判决a(t)b(t)载波同步cosc1t载波同步cosc2t判决准则同（1）（2）过零检测g限幅微分整流单稳低通抽样判决位同步器abcdefcp(t) 波形图见P134图6-7，但还要对f（t）进行样判决处理。f(t)cp(t)AB 判决准则：三2PSK（BPSK） （绝对调相）1 产生100110信息代码cosct 2PSKcosct 2PSK电子开关180！m(t)BNRZcosct2PSKcosctm(t)NRZ2PSK 信息代码2PSK规律：“异变同不变”，即本码元与前一码元相异时，本码元内2PSK信号的初相相对于前一码元内2PSK信号的未相变化180，相同时则不变。2频谱pe0(f)fc-fsfcfc+fs ，Peo(f)中无离散谱fc为m(t)的频谱当p(1)=p(0)时ps(f)中无直流， B=2fs3. 解调：只能用相干解调法BPFLPF抽样判决抽样判决 a bcp(t)载波同步cosctc-cosct设收发滤波器及信道对2PSK信号波形无影响，各点波形如下a(t)-cosctb(t)r(t)cp(t)c(t) 1 0a(t)cosctr(t)cp(t)c(t)b(t) 1 0 设用平方环提取相干载波cos2ct平方锁相环2带通m(t)cosct2fccosct-cosct2cos2ctcosct-cosct 2电路有“1”和“0”两个不同的初始状态，故其输出信号有0、两个不同相位的信号。用其它方法（如castos环等）提取相干载波时也会出现上述现象，此为相干载波相位模糊现象。由于有两种相干载波，使解调输出现两种可能，即m(t)或。故工程上不用2PSK，而用2DPSK。四2DPSK（差分相位键控，相对调相） 1产生 码变换2PSK调制法2PSK调制Ts2PSK(bk)2DPSK(ak)akbkbk-112DPSK(ak)2PSK(bk)101100111000000000akbkbk-1cosctk:0123456绝对码ak相对码bk变化规律：“1变0不变”。bk=ak+bk-1，设bk初始值为1，各点波形如图所示： 第一个码元内信号的初相可任意假设 ak2DPSK规律：“1变0不变”，即信息代码（绝对码）为“1”时，本码元内2DPSK信号的初相相对于前一码元内2DPSK信号的未相变化180，信息代码为“0”时，则本码元内2DPSK信号的初相相对于前一码元内2DPSK信号的末相不变化。 2频谱 同2PSK 3解调 （1）相干解调cp(t)abcedfakbk-1 BPF载波同步LPF位同步抽样判决TS2PSK解调码反变换bk设收发滤波器及信道对2DPSK信号波形无影响，则各点波形如下a-af(t)e(t)cp(t)d(t)c(t)b(t)a(t)信息代码（发ak）001110bk 1 1 0 0 1 0ak 0 0 1 0 1 1 此处设fc=RB，实际工作中并不要求载波与码速率满足某一关系。 码反变换输出的第一位可任意选取。 （2）差分相干解调（相位比较法）BPFTsLPF抽样判决位同步acdebcp(t)001100011a(t)b(t)c(t)d(t)cp(t)e(t) 当码元宽度Ts与载波周期TC满足一定关系时才能用此方法解调2DPSK 设TS=KTc 则判决规则为：若则判决规则为：5.3 二进制数字调制系统的抗噪声性能一、数字调制系统无码间串扰条件 基带系统（输入信号为相同波形随机信号）：h(t)H(f)gm(t)Gm(f)波形形成发滤波器信道收滤波器抽样判决(t)Gm(f)GT(f)C(f)GR(f)定时脉冲(t)h(t)cp(t) 适用于二进制及多进制系统 线性数字调制系统（二进制或多进制ASK、PSK、QAM等）Gmc(f)gm(t)(t)g(t)Hc(f)波形形成Gm(f)发滤波器信道GTc(f)Cc(f)h(t)H(f)收滤波器GRc(f)LPF调制gmc(t)抽样判决x(t)xc(f)cosctHc(f)H(f) 当h(t)、H（f）与基带系统相同时，系统无码间串扰 调制系统频率特征： 式中设Hc(f)为降系数为a的余弦特性。00 LPF的作用是滤除和频，在0（1+a）W的范围内可为一常数0 无码间串扰的最大码速率为RB=2W（B） 系统的频带利用率（信道的频带利用率）当a=0时， 无码间串扰码速率 数字调制系统无码间串扰频域条件为：二2ASK系统的抗噪性能 1包络检波 BPF 抽样判决y(t)a-atsm(t) 设 ，且包络检波及低通的增益为1，则 式中，是一个瑞利分布的随机变量，功率为发“1”和发“0”时V(kTs)的分布、分别为 广义瑞利分布f0(v)f 1(v)P10V*avP01 （设“1”、“0”等概） Pe最小的门限为最佳的限V*，显然V*应满足a3a/2a/2解得 2ASK系统中应满足r1要求 此时 注： 近似公式： 2相干解调 BFP BFP 抽样判决cosctV(t)是一个均值为0功率为的正分布随机变量。利用基带系统的结论，可得： 式中 为BPF输出信号的信噪比三2FSK1 非相干解调 BPF BPF 检波 检波 低通 低通 抽样判决V1(t)V2(t)cp(t)发“1”码时 V1f(V2)p(V1V2)V2 令 （“1”、“0”等概）2 相干解调 BPF BPF LPF LPF 抽样判决cos1tcos2tV2(t)V1(t) 、的统计特性相同：均值为0、方差为的高斯随机变量0a2af(z)z 令 则 同理 （“1”、“0”等概）四2PSK BPF LPF 抽样判决cosctV(t)为高斯分布随机变量，均值为0，方差为利用双极性基带系统的结论可得五2DPSK1 相干解调 2PSK解调TSbkbk-1ak当当一般 2差分相干解调5.4 二进制数字调制系统性能比较一有效性信号带宽：2ASK 2DPSK为2FSK 为 B=占用信道带宽：2ASK 2DPSK 最小为 2FSK 为 最小为频带利用率：2ASK 2DPSK 2FSK 可见 2ASK、2DPSK的有效性相同且优于2FSK二可靠性 类别相干解调Pe非相干解调2ASK2FSK2PSK/2DPSK讨 论： 相干解调优于非相干解调 例 2PSK优于2FSK 3db, 2FSK优于2ASK3dB,故2PSK适于传高速数据。 典型值：误码信噪比，优于模拟系统输出信号噪比。三其它 最佳门限随信号功率变化,不方便 两个抽样值比较，不需设置判决门限 门限为0,与信号功率无关差分相干解调不需要相干载波,比较适用于信道不稳定系统.5.5 多进制数字调制系统目的：线性调制系统 (MASK. MDPSK. MQAM 等)可提高系统的频系利用率非线性调制系统(MFSK等)可提高抗衰落解力，其有效性低于2FSK 本节介绍常用的4PSK、4DPSK以及MQAM一、4PSK与4DPSK 14PSK （1）产生 串/并 单/双 单/双 90xyxyI(t)Q(t)cosctsinctI(t)cosct=2PSKIQ(t)sinct=2PSKQ4PSK串/并输入信号码速率等于Rb,输出信号码速率等于X，Y，I（t）,Q(t)信号的码元宽度为2Ts，Ts为二进制信号码之宽度。 4PSK=2PSKI+2PSKQ0 11 11 00 04PSK星座图 1 1 0 1 1 0 0 0x ycosct-cosctcosct-cosctI(t)sinctsinct-sinct-sinctQ(t)4PSK移相45135-45-135 S4PSK(t)=cosct-k=I(t)cosct+Q(t)sinct k 45 135 -135 -45 0 90 180 270 频谱fc+fs/2fcfc-fs/2fs=Rb B=fs 解调抽样判决 BPF载波同步 90 LPF LPF位同步抽样判决串/并CI(t)CQ(t)xyxy当CI（t）=时可正确解调载波周步存在相模糊，如 四次方 BPF 4fC 4 BPF fC -904PSKCos4ctCI(t)CQ(t)CI(t)cosct-cosctsinct-sinctCQ(t)sinct-sinct-cosctcosct 4PSK不能实用24DPSK（1） 产生 串/并xy 单/双 单/双 90xycosctsinct4PSK（ZK相）码变换4DPSK（ZK绝）yx绝对码相对码ZK绝ZK相Zk绝 00 10 11 01k 0 90 180270 为本双比特码元内4DPSK信号的初相为前一双比特码元内4DPSK信号的末相 （2）频谱同4PSK （3）解调 a相干解调抽样判决 BPF载波同步 90 LPF LPF位同步抽样判决并/串码反变换ZK相ZK绝ZK相有四种不同情况，对它们进行码反变换后得到同一个ZK绝。b差分相干解调设载波周期TC与双比特码元宽度TS4之间的关系为TS4=KTC，此时一个码元内4DPSK的初与末相相同 BPF Ts4 -45 45 LPF LPF 抽样判决 抽样判决位同步并/串y(t)y1(t)y2(t)I(t)Q(t)xyxyk I(t) Q(t) x y0+ + 0 0/2 + 1 0 1 13/4+ 0 1 判决准则 判为 判为二MQAM（幅相联合调制的一种方式） 随M增大，MPSK相邻信号之间的距离减小，误码率增大。采用MQAM可在M、相同的条件下使误码率减小，以说明之。16QAM星座图16PSK星座图a b c d1 1 1 11 1 1 01 0 1 01 0 1 1a c-3-11301001011-3-11301001011b dQ(t)Q(t)I(t)I（t） I(t)、Q(t)为四进制双极性信号， I(t)、Q(t)为八进制双极性信号， 相邻电平差值相等。幅度、相位 但相邻电平差值不相等，I(t)、 都变化。 Q(t)有相关性，仅相位变化。16QAM相邻信号距离大于16PSK相邻信号距离，故16QAM的误码率小于16PSK。两者相同处：都是正交调制信号，频谱相同，I(t)coswct、Q(t)、sinwct都是双极性ASK信号，I(t)、Q(t)的码速率相同、等于Rb/三误码率与误比特率 1PeB. MQAM PeB= 2Peb 条件：相邻信号对应的M进制代码仅一位不同即M进制代码为格雷码、且误码率小于1。 3特例 时，MQAM即为4PSK ，r为4PSK接收BPF输出信号噪比，记为r4。，r为2PSK接收BPF输出信号信噪比，记为r2。当信号功率相同、信息速率相同、信道噪声谱相同时，4PSK的BPF带宽为2PSK的BPF带宽的0.5倍，故r4=2r2 四MQAM中的相位模糊问题由于MQAM信号谱中无fc离散谱，载波同步器需对MQAM作非线性处理（如四次方处理），故提取的相干载波存在4种相位，所以必须对信息代码进行码变换后再进行MQAM调制，收端解调后再进行码反变换。5.6 改进的数字调制方式 MPSK、MQAM等存在的问题： 相位不连续、频谱衰减慢，发滤波器输出信号的带外能量大、包络不恒定，若信道是非线性的（如卫星信道），将会产生非线性失真。 MPSK、MQAM只一个载频，通过随参信道时可能将信号衰落掉。一MSK最小移频键控 传号频率f2