(完整版)相位调制系统

1、8.4二进制数字相位调制（2PSK和2DPSK）8.4.1二进制相移键控（2PSK1.2PSK的一般原理及实现方法绝对相移是利用载波的相位（指初相）直接表示数字信号的相移方式。二进制相移键控中，通常用相位0和表小“0“1：2PSK已调信号的时域表达式为(8-20)来分别这里，为双极性数字基带信号，即与2ASK及2FSK时不同,(8-21)是高度为1,宽度为的门函数;(8-22)因此，在某一个码元持续时间察时，有内观(8-23)当码元宽度为载波周期的整数倍时，2PSK信号的典型波形如图8-11所示图8-112PSK信号的典型波形2PSK信号的调制方框图如图8-12示。图（a）是产生2PSK信号的

2、模拟调制法框图；图（b）是产生2PSK信号的键控法框图。图8-122PSK调制器框图就模拟调制法而言，与产生2ASK信号的方法比较，只是对要求不同，因此2PSK信号可以看作是双极性基带信号作用下的DSB调幅信号。而就键控法来说，用数字基带信号控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号均可。2PSK信号届于DSB信号，它的解调，不再能采用包络检测的方法，只能进行相十解调，其方框图如图8-13。工作原理简要分析如下图8-132PSK信号接收系统方框图不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为式中为2PSK信号某一码元的初(8-24)相。时，代表数字“0”;时，代表

3、数字“T；与同步载波相乘后，输出为(8-25)经低通滤波器滤除高频分量，得解调器输出为(8-26)根据发端产生2PSK信号时）代表数字信息（“1或“0的规定,(0或的关系的特性，抽样判决器的判决准则在抽样时刻的值2PSK接收系统各点波形如图8-14所示。3I0I口1 WWW?WWW?o o: :QuQu1AM/1AM/W宅时网/$*L L十LLLL图8-142PSK解调各点波形可见，2PSK信号相干解调的过程实际上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称为极性比较法解调。由丁2PSK信号实际上是以一个固定初相的末调载波为参考的，因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载

4、波的相位发生变化，如0相位变相位变为0相位，则恢复的数字信息就会发生“咬“1或“1变“0;从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相，而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒”现象或反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，造成反向工作。由于习惯上画波形时以正弦形式画图较方便，这与数学式常用余弦形式表示载波有些不一致，请同学们看图时注意。2.2PSK信号的频谱和带宽比较式（8-20）和（8-1）可知，2PSK信号与2ASK信号的时域表达式在形式上是完全相同的，所不同的只是两者基带信号的构成，一个由双极性NRZ码组成,另一个由单极性NRZ码组成。因此，求2PSK信号的功率谱密度时，也可

5、采用与求2ASK信号功率谱密度相同的方法。2PSK信号的功率谱密度可以写成其中基带数字信号(8-29)的功率谱密度可按照7.2节中介绍的方法直接推出对于双极性NRZ码，弓|用7.2节例7.2的结果，有(8-30)需要注意的是，该式是在双极性基带信号“0”、“1”等概）出现的条件下获得的，一般情况下,中将含有直流分量将上式代入式（8-29）,得(8-31)2PSK信号功率谱示意图如图8-15所示图8-152PSK信号的功率谱当双极性基带信号以相等的概率()出现时，2PSK信号的功率谱仅由连续谱组成。而一般情况下，2PSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成。其中，连续谱取决于数字基带信号性调制

6、后的双边带谱，而离散谱则由载波分量确定。(2)2PSK的连续谱部分与2ASK信号的连续谱基本相同(仅差一个常数因子)。因此，2PSK信号的带宽、频带利用率也与2ASK信号的相同经线(8-32)其中,(8-31)为数字基带信号带宽。这就表明，在数字调制中，2PSK（后面将会看到2DPSK也同样）的频谱特性与2ASK十分相似。相位调制和频率调制一样，本质上是一种非线性调制，但在数字调相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化。这样一来，数字调相同线性调制的数字调幅就联系起来了，为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。但是不能把上述概念推广到所有调相信

7、号中去。8.4.2二进制差分相移键控（2DPSK1.一般原理及实现方法二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。假设相对载波相位值用相位偏移表示，并规定数字信息序列与系为锥对酹跖 1 111oFT11o03t0相对凶 UkU11011UkU11011】。图8-162DPSK的波形则按照该规定可画出2DPSK信号的波形如图8-16所示。由丁初始参考相位有两种可能，因此2DPSK信号的波形可以有两种（另一种相位完全相反，图中未画出）。为便丁比较，图中

8、还给出了2PSK信号的波形。之间的关(1)与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。这就避免了2PSK方式中的倒”现象发生。由于相对移相调制无反问工作”问题，因此得到广泛的应用。(2)单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的， 比如图8-16中2DPSK也可以是另一符号序列(见图中下部的序列,称为相对码，而将原符号序列称为绝对码）经绝对移相而形成的。这说明，一方面，只有已知移相键控

9、方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。这就为2DPSK信号的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。这里的相对码，就是4.1节中介绍的差分码，其是按相邻符号不变表示原数字信息“0；相邻符号改变表示原数字信息“1的规律由绝对码变换而来的。是可以互相转换的，其转换关系为(8-32)(8-33)表示模二和。使用模二加法这里,器和延迟器（延迟一个码元宽度）可以实现上述转换，如图8-17（a）、（b）所示。其中，图（a）是把绝对码变成相对码的方法，称其为差分编码器;图（b）是把相对码变

10、为绝对码的方法，称其为差分译码器。图8-17绝对码和相对码的相互转换由以上讨论可知，相对相移本质上就是对由绝对码转换而来的差分码的数字信号序列的绝对相移。那么，2DPSK信号的表达式与2PSK的形式（8-20）应完全相同，所不同的只是此时式中的信号表示的是差分码数字序歹0。即(8-34)这里(8-35)实现相对调相的最常用方法正是基于上述讨论而建立的，如图8-18所示。首先对数字信号进行差分编码，即由绝对码表示变为相对码(差分码)表示，然后再进行2PSK调制(绝对调相)。2PSK调制器可用前述的模拟法如图8-18(a),也可用键控法如图8-18(b)。图8-182DPSK调制器框图2DPSK信

11、号的解调有两种解调方式，一种是差分相十解调，另一种是相十解调-码变换法。后者乂称为极性比较-码变换法。(1)相十解调-码变换法。此法即是2PSK解调加差分译码，其方框图见图8-19。2PSK解调器将输入的2DPSK信号还原成相对码,再由差分译码器(码反变换器)把相对码转换成绝对码，输出图8-19相干解调-码变换法解调2DPSK框图(2)差分相干解调法。它是直接比较前后码元的相位差而构成的，故也称为相位比较法解调，其原理框图如图8-20(a)所示a)10110011011001眼/AA/VA/WVV,腿VVuv定时脉冲#4*-个+中样伉I、判别规则；正tttr1负一T波形囹冷)心定时ub酥冲o框

12、囹图8-202DPSK差分相十解调框图及其各点波形这种方法不需要码变换器,也不需要专门的相十载波发生器,因此设备比较简单、实用。图中延时电路的输出起着参考载波的作用。乘法器起着相位比较(鉴相)的作用。图8-20(b)以数字序列=1011001为例，给出了2DPSK信号差分相十解调系统各点波形。据此，极易分析其工作原理。2. 2DPSK信号的频谱和带宽由前讨论可知，无论是2PSK还是2DPSK信号，就波形本身而言，它们都可以等效成双极性基带信号作用下的调幅信号，无非是一对倒相信号的序列。因此，2DPSK和2PSK信号具有相同形式的表达式，所不同的是2PSK表达式中的是数字基带信号，2DPSK表达

13、式中的是由数字基带信号变换而来的差分码数字信号。据此，有以下结论：(1)2DPSK与2PSK信号有相同的功率谱，如图8-15所示。(2)2DPSK与2PSK信号带宽相同，是基带信号带宽的两倍，即(8-36)(3)2DPSK与2PSK信号频带利用率也相同，为(8-37)8.5二进制数字调制系统的性能比较本节我们将以前三节对二进制数字调制系统的研究为基础，对各种二进制数字调制系统的性能进行总结、比较。内容包括系统的误码率、频带宽度及频带利用率、对信道的适应能力、设备的复杂度等。1.误码率在数字通信中，误码率是衡量数字通信系统最重要性能指标之一。表8-1列出了各种二进制数字调制系统误码率公式。表8-

14、1二进制数字调制系统误码率及信号带宽(8-38)名称2DPSK2PSK2FSK2ASK相干检测（相干-码变换）相干检测（）（相干-码变换）非相干检测带宽备注应用这些公式时要注意的一般条件是：接收机输入端出现的噪声是均值为0的高斯白噪声；未考虑码问申扰的影响；采用瞬时抽样判决；要注意的特殊条件已在表的备注中注明。表8-1中所有计算误码率的公式都仅是的函数。式中是解调器输入端的信号噪声功率比。对二进制数字调制系统的抗噪声性能做如下两个方面的比较：(1)同一调制方式不同检测方法的比较可以看出，对于同一调制方式不同检测方法，相十检测的抗噪声性能优于非相十检测。但是，随着信噪比的增大,相十与非相十误码性

15、能的相对差别越不明显。另外，相十检测系统的设备比非相十的要复杂。(2)同一检测方法不同调制方式的比较1)相十检测时，在相同误码率条件下，对信噪比的要求是：2PSK比2FSK/、3dB,2FSK比2ASK小3dB;2）非相十检测时，在相同误码率条件下，对信噪比的要求是：2DPSK比2FSK/、3dB,2FSK比2ASK/、3dB。反过来，若信噪比统的误码率低于2FSK系统，2FSK系统的误码率低于2ASK系统。因此，从抗加性白噪声上讲，相十2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最2.频带宽度各种二进制数字调制系统的频带宽度也示于表8-1中，其中为传输码元的时间宽度可以看出，2ASK系统和2PS

16、K(2DPSK)系统频带宽度相同，均为定，2PSK系是码元传输速率的二倍；2FSK系统的频带宽度近似为,大亍2ASK系统和2PSK(2DPSK)系统的频带宽度。因此，从频带利用率上看，2FSK调制系统最差。3.对信道特性变化的敏感性信道特性变化的灵敏度对最佳判决门限有一定的影响。在2FSK系统中，是比较两路解调输出的大小来做出判决的，不需人为设置的判决门限。在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限为0,与接收机输入信号的幅度无关。因此，判决门限不随信道特性的变化而变化，接收机总能工作在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为时），它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化

17、时，接收机输入信号的幅度将随之发生变化，从而导致最佳判决门限随之而变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，误码率将会增大。因此，从对信道特性变化的敏感程度上看，2ASK调制系统最差。当信道有严重衰落时，通常采用非相干解调或差分相干解调，因为这时在接收端不易得到相干解调所需的相干参考信号。当发射机有严格的功率限制时，则可考虑采用相干解调，因为在给定的传码率及误码率情况下，相干解调所要求的信噪比比非相干解调小。8.6多进制数字调制由丁多进制数字已调信号的被调参数在一个码元间隔内有多个取值，因此，与二进制数字调制相比，多进制数字调制有以下几个特点：（1）在码元速率（传码率）相同条件下，可以提高

18、信息速率（传信率），使系统频带利用率增大。码元速率相同时，仙进制数传系统的信息速率是二进制的岳爵M倍。在实际应用中，通常取独二，上为大丁1的正整数。（2）在信息速率相同条件下，可以降低码元速率，以提高传输的可靠性。信息速率相同时，型进制的码元宽度是二进制的1修物倍，这样可以增加每个码元的能量，并能减小码问申扰影响等。8.6.3多进制数字相位调制（MPSK1.多相制信号表达式及相位配置多进制数字相位调制乂称多相制，是二相制的推广。它是利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息的调制方式。与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制（MPSK）和相对相位调制（MDPSK）两种。设载波

19、为*八则庭进制数字相位调制信号可表示为三co边叫皿叫也血叫g（f-谜R 云（8-54）式中，戏）是高度为1,宽度为写的门函数；进制码元的持续时间，亦即上（比=观2物）比特二进制码元的持续时间；为第门个码元对应的相位,共有M种不同取值&慨率为R色概率为均吸=f园概率为且由丁一般都是在-柿范围内等间隔划分相位的（这样造成的平均差错概率将最小），因此相邻相移的差值为这样式（8-54）变为%或-H3）COS由/-QX故3砌血叫(8-56)、m冲）二【工口思（一就M。仍二【割韬。-俗）这里-分别为多电平信号。常把式（8-56）中第一项称为同相分量，第二项称为正交分量。由此可见，MPSK信号可以看

20、成是两个正交载波进行多电平双边带调制所得两路MASK信号的叠加。这样，就为MPSK信号的产生提供了依据，实际(8-55)中，常用正交调制的方法产生MPSK信号血进制数字相位调制信号还可以用欠量图来描述，图8-26画出了仙=2、4、8三种情况下的欠量图。具体的相位配置的两种形式，根据CCITT的建议，图（a）所示的移相方式，称为A方式；图（b）所示的移相方式，称为B方式。图中注明了各相位状态及其所代表的上比特码元。以A方式4PSK为例，载波相位有0、冗和四种，分别对应信息码元00、10、11和01。虚线为参考相位，对MPSK而言，参考相位为载波的初相；对MDPSK而言，参考相位为前一已调载波码元

21、的初相。各相位值都是对参考相位而言的，正为超前，负为滞后。图8-26MPSK相位配置欠量图2.MPSK信号的频谱、带宽及频带利用率前已说过，MPSK信号可以看成是载波互为正交的两路MASK信号的叠加,因此，MPSK信号的频带宽度应与MASK时的相同。即(8-57)其中&万是M进制码元速率。此时信息速率与MASK相同，是2ASK及2PSK的峻”倍。也就是说，MPSK系统的频带利用率是2PSK的*倍。3.4PSK信号的产生与解调在最进制数字相位调制中，四进制绝对移相键控（4PSK,乂称QPSK）和四进制差分相位键控（4DPSK,乂称QDPSK）用的最为广泛。下面着重介绍多进制数字相位调制的

22、这两种形式。4PSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由丁每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元乂被称为双比特码元，习惯上把双比特的前一位用a代表，后一位用白代表。（1）4PSK信号的产生多相制信号常用的产生方法有：直接调相法及相位选择法。1）相位选择法由式（8-54）可以看出，在一个码元持续时间内，4PSK信号为载波四个相位中的某一个。因此，可以用相位选择法产生4PSK信号，其原理如图8-27所示。图中，四相载波发生器产生4PSK信号所需的四种不同相位的载波。输入的二进制数码经申/并变换器输出双比特码元。按照输入的双比特码元的不同，逻辑选相电路输出相应相位的载波。例如，B方式情

23、况下，双比特码元员为11时，输出相位为45那载波；双比特码元以为01时，输出相位为135?的载波等。二抑-*交源一理机七期电仲唯脂+5*135*+5*135*的广 31J*31J*匹相 StSt 做发*捋图8-27相位选择法产生4PSK信号（B方式）方框图图中产生的是B方式的4PSK信号。要想形成A方式的4PSK信号，只需调整四相载波发生器输出的载波相位即可。2）直接调相法由式（8-56）可以看出，4PSK信号也可以采用正交调制的方式产生。B方式4PSK时的原理方框图如图8-28（a）所示。它可以看成是由两个载波正交的2PSK调制器构成，分别形成图8-28（b）中的虚线欠量，再经加法器合成后，

24、得图（b）中实线欠量图。显然其为B方式4PSK相位配置情况图8-28直接调相法产生4PSK信号方框图若要产生4PSK的A方式波形，只需适当改变振荡载波相位就可实现。(2)4PSK信号的解调由丁4PSK信号可以看作是两个载波正交的2PSK信号的合成，因此，对4PSK信号的解调可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行。图8-29是B方式4PSK信号相干解调器的组成方框图。图中两个相互正交的相干载波分别检测出两个分量口和然后，经并/申变换器还原成二进制双比特申行数字信号，从而实现二进制信息恢复。此法也称为极性比较法。低通浦波，抽样判决图8-294PSK信号的相干解调若解调4PSK信号(A方式)，只需

25、适当改变相移网络。在2PSK信号相干解调过程中会产生倒”即“18舟目位模糊”现象。同样，对丁4PSK信号相干解调也会产生相位模糊问题，并且是0、90、180和270四个相位模糊。因此，在实际中更常用的是四相相对移相调制，即4DPSK。4. 4DPSK信号的产生与解调(1)4DPSK信号的产生与2DPSK信号的产生相类似，在直接调相的基础上加码变换器，就可形成4DPSK信号。图5-41示出了4DPSK信号(A方式)产生方框图。图中的单/双4PSK4PSK信号滤波器a】并禅变换,投k低通油波旨抽样判决相移等信息位定时3(03(0极性变换的规律与4PSK情况相反，为0T+1,1T-1,相移网络也与4

26、PSK不同,其目的是要形成A方式欠量图。图中的码变换器用丁将并行绝对码心、转换为并行相对码-d,其逻辑关系比二进制时复杂的多，但可以由组合逻辑电路或由软件实现，具体方法可参阅有关参考书。图8-30码变换-直接调相法产生4DPSK信号也可采用相位选择法产生，但同样应在逻辑选相电路之前加入码变换器。（2）4DPSK信号的解调4DPSK信号的解调可以采用相干解调-码反变换器方式（极性比较法）,也可采用差分相了解调（相位比较法）04DPSK信号（B方式）相干解调-码反变换器方式原理图如图8-31所示。与4PSK信号相干解调不同之处在丁，并/申变换之前需要加入码反变换器。图8-314PSK信号的相干解调-码反变换法解调4DPSK信号