多进制数字调制

1、数字与数据通信技术多进制数字调制 多进制数字调制 在第2章中评价通信系统有效性时了解到，在不提高波特率的前提下，采用多进制信号可提高比特率log2M倍。因此，当信道频带受限时，采用多进制数字调制来增大信息传输速率，提高频带利用率，但是是以增加信号功率和实现上的复杂性为代价，而且其抗噪声性能低于二进制。用多进制的数字基带信号调制载波，就可以得到多进制数字调制信号。当已调信号携带信息的参数分别为载波的幅度、频率或相位时，数字调制信号分别为M进制幅度键控（MASK）、M进制频移键控（MFSK）或M进制相移键控（MPSK）。 多进制幅移键控又称为多电平调幅。MASK信号相当于M电平的基带信号对载波进行

2、双边带调幅。图5.26画出四电平的MASK已调信号波形图。1.1 多进制数字振幅键控(MASK)te(t)01012tS4ASK(t)tS0(t)tS3 (t)tS1(t)tS4 (t)图5.26 4ASK信号波形3 从图5.26可看出，MASK信号可以看成是由时间上互不重叠的M个不同振幅值的2ASK信号的叠加而形成的。MASK信号的功率谱，就由M个2ASK信号的功率谱之和组成。尽管叠加后功率谱的结构是复杂的，但就信号的带宽而言，当码元速率RB相同时，MASK信号的带宽与2ASK信号的带宽相同，即B=2RB。但在信息速率相等的情况下，MASK信号的带宽仅为2ASK信号带宽的1/log2M。 M

3、ASK的调制与2ASK的调制方法相同，可由乘法器实现。 MASK得解调可采用相干解调和非相干解调两种形式。 【例5.1】设传码率为200Bd，如采用二进制2ASK系统，其带宽和信息速率为多少？如改为采用八进制8ASK系统，其带宽和信息速率又为多少？解：根据已知条件知 RB=200Bd 采用二进制2ASK系统，带宽 B=2RB=400Hz 信息速率 Rb=RBlog22=200bit/s采用八进制8ASK系统，带宽 B=2RB=400Hz 信息速率 Rb=RBlog28=600bit/s1.2 多进制数字频移键控(MFSK) 多进制数字频率键控简称多频制，是2FSK方式的简单推广。MFSK用多个

4、频率不同的正弦波分别代表不同的数字信息，在某一码元时间内只发送其中一个对应频率的正弦波。一般的MFSK系统如图5.27所示。 MFSK的调制可采用键控法产生MFSK信号，但其相位是不连续的，如图5.27(a)所示。MFSK信号的解调通常采用非相干解调，原理框图如图5.27(b)所示。因为相干解调实现起来比较复杂，要求有精确相位的参考信号，所以很少采用。 MFSK信号可以看作由M个振幅相同、载频不同、时间上互不重叠的2ASK信号叠加形成。MFSK信号的带宽随频率数M的增大而线性增宽， 频带利用率明显下降。因此，MFSK多用于调制速率不高的传输系统中。12M12M 12M12n并/串转换逻辑电路输

5、出包络检波带通f1抽样判决包络检波带通f1包络检波带通f1 串/并转换逻辑电路输入门电路1f1门电路2f2门电路MfM+接收滤波器信道(a)调制器实现框图(b)非相干解调实现框图图5.27MFSK系统原理框图1.3多进制数字相移键控(MPSK) 多进制数字调相又称多相制，它是利用不同的相位来表征数字信息的一种调制方式。如果用载波有M种相位，那么就可以表示n比特码元的2n组合状态，故有M=2n。假若有四种相位，就可以表示二比特的四种组合状态。多进制相移键控分为多进制绝对相移键控和多进制相对相移键控两种。在实际通信中大多采用相对相移键控。1.多进制相移键控信号的表示对于MPSK信号可表示为 SMP

6、SK(t) =Acos (ct+n) (5.12)设A=1,则有SMPSK(t) = cosncosct - sinnsinct = ancosct -bnsinct (5.13) 式（5.13）中的第一项称为同相分量，第二项称为正交分量，因此MPSK信号可以看成是两个正交载波进行多电平双边带调制后所得两路MASK信号的叠加。MPSK信号可以用正交调制的方法产生。其带宽和MASK信号带宽相同。 MPSK信号是相位不同的等幅信号，所以用矢量图也可对MPSK信号进行形象而简单的描述。在矢量图中通常以0相位载波作为参考矢量。图5.28中画出M=2、4、8时不同初始相位情况下的矢量图。 从图5.28的

7、矢量图看出，相邻已调波矢量对应的多比特码之间仅有1位码不同。 在多相调制信号进行解调时， 这种码型有利于减少相邻相位角误判而造成的误码，可提高数字信号频带传输的可靠性。 图5.28 MPSK信号矢量图参考相位10相 A 0相M=2, =0参考相位10/2相 A 0相M=2, =/2参考相位0011相 0相1001 相 相 M=4, =/2相 相 11000110相 相 参考相位M=4, =/4相 101相 相 110000011相 相 参考相位111001相010100 相 0相M=8, =/8相 相 相 010 相 相 111000011101相 001110100相 参考相位相 M=8,

8、=/4-2.四相绝对相移键控（QPSK） 在多相相移键控中常用的是四相相移键控和八相相移键控。四相相移键控即4PSK又称为QPSK，用四种不同的载波相位携带数字信息，其信号矢量图见图5.28所示。四相相移键控具有较高的频谱利用率和较强的抗干扰性，同时在电路实现上比较简单，成为某些通信系统的一种主要调制方式。/4QPSK是目前微波、卫星数字通信和数字蜂窝移动通信系统中常用的一种载波传输方式。以四相相移键控（QPSK）为例介绍多相相移键控的调制与解调。（1）QPSK信号的调制 QPSK信号的产生方法有正交调制法、相位选择法等方法。正交调制法也称直接调相法，如图5.29所示为M=4，=/4体系的QP

9、SK信号产生原理框图。将输入的串行二进制码经串并变换，分为AB两路速率减半的序列，电平产生器分别产生双极性二电平信号，然后分别对同相载波cosct和正交载波sinct进行调制, 每一路的工作与2PSK相同，然后两路调制后的信号相加即得到了QPSK信号。如果产生M=4，=/2体系的QPSK信号，只需将载波分别移相/4后分别送入A路和B路的相乘器，调制后合成即可。两个调制系统双比特码与已调波起始相位的对应关系如表5.1所示。 cosct图5.29 QPSK信号（/4体系）的正交调制原理框图10/2 B 0SQPSK(t)输入串/并变换电平产生电平产生/2相移10 A 011000110ABA路B路

10、表5.1四相调制已调波相位表/2体系/4体系双比特码元已调波起始相位双比特码元已调波起始相位ABAB00011/410/2013/411005/4013/2107/4 用相位选择法也可以产生QPSK，用数字信号去选择所需相位的载波，从而实现相移键控，其原理框图如图5.30所示。四相载波发生器产生QPSK所需的4种相位的载波，输入的数字信息经串/并变换成为双比特码，经逻辑选择电路，每隔Tb时间选择其中一种相位的载波作为输出，然后经过带通滤波器滤除高频分量。这是一种全数字化的方法，适合于载波频率较高的场合。450 1350 2250 3150串/并转换逻辑选相电路四相载波产生器带通滤波器输入输出

11、图5.30 相位选择法产生QPSK信号（/4体系）原理框图（2）QPSK信号的解调 QPSK信号的解调采用正交相干解调法，又称极性比较法。因为QPSK信号就是两个正交2PSK信号组合而成，所以QPSK信号可以用两个正交的本地载波信号实现相干解调。如图5.31所示为相干解调器的框图。QPSK信号经信号分离器后的同相A路和正交B路信号同时送到解调器的两个信道，在相乘器中与对应的载波相乘，并从中取出基带信号送到低通滤波器，再经抽样判决后分别得到A路和B路的二进制信号，通过并/串变换，即可恢复原始信息。 从2PSK信号的解调已知，在解调过程中存在相位模糊的问题。QPSK也存在此问题，因此，在实际应用中

12、大多采用的四相相对相移键控（4DPSK或QDPSK）。QDPSK信号的产生采取的是码变换加QPSK的方法，如图5.32所示。3.四相相对相移键控（QDPSK）图5.32 QDPSK信号（/2体系）的调制原理框图输入C路D路SQDPSK(t)C 1000111001电平产生电平产生/4cosctB串/并变换码变换A-/4D 10并/串转换带通滤波器信号分离器载波恢复/2相移低通滤波器抽样判决定时信号低通滤波器抽样判决定时信号QPSK信号输出图5.31 QPSK信号（/4体系）相干解调原理框图AB 在绝对调相中载波起始相位与双比特码之间有一种固定的对应关系，这种对应关系可直接从矢量图中得知。 但对

13、于相对调相中的载波起始相位，它与双比特之间没有固定的对应关系，可以由以前一时刻双比特码对应的相对调相的载波相位为参考来确定，其关系式为 c=c-1+n （5.14） 式中，c为本时刻相对调相已调波起始相位； c-1为前一时刻相对调相已调波起始相位； n为本时刻载波被绝对调相的相位。 对于QDPSK信号的解调可仿照2DPSK信号的解调，可采用相干解调和差分相干解调。采用相干解调时，抽样判决得出的是相对码CD， 要经过差分解码才能获得绝对码AB， 再经并/串变换才能得到发端的基带码流。另一种解调方法是差分相干解调又称延迟解调法， 其方法如图5.33所示。 这种电路的结构比较简单， 但误码性能较差。

14、 延迟Tb图5.33 QDPSK信号（/2体系）差分相干解调原理框图并/串转换-/4/4低通滤波器抽样判决定时信号低通滤波器抽样判决定时信号带通滤波器QDPSK信号输出AB参考相位0011相 0相1001 相 相 /2体系01 10 10 00 11 10 00载波4PSK参考码元4DPSK图5.34 例5.1解图 【例5.2】 设发送的数字信号序列为01101000111000，试按/2体系的要求，分别画出相应的4PSK和4DPSK信号的波形。 解：画4PSK信号波形时，其码元的起始相位对应/2体系，如01码元起始相位为-/2即3/2。而画4DPSK信号波形，需假设参考码元，然后按c=c-1+n计算出每双比特码元对应的起始相位，见表5.2。-表5.2 【例5.1】中码元对应的起始相位数字信号序列01101000111000相位(初始为0)-/2-/2+/2=00+/2=/2/2+0=/2/2+=3/23/2+/2=22+0=2矢量 从例题中能够了解，参考码元的初始相位不同得到不同的4DPSK信号波形，矢量图的体系不同也有不同的QDPSK波形。 八相相移键控的调制及解调在此不做介绍，可参考有关方面的书籍。 MPSK信号可以看成是两个正交的抑制载波双边带调幅信